Электронные методы измерения мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электронные методы измерения мощности

Различают прямой (1) и косвенный (2) методы измерения мощности.

1)Прямой электрический метод измерения мощности основан на использовании электродинамических, ферродинамических или электронных ваттметров.

- Электродинамический (ферродинамический) измерительный механизм лежит в основе электродинамического (ферродинамического) ваттметра.

Табло показывающего прибора имеет полукруглую шкалу и поворачивающуюся стрелку. Деления шкалы отградуированы в соответствии с определенными величинами мощности, измеряемой в ваттах (Вт).

В этом случае (рис.1) последовательно соединенные неподвижные катушки 1 включают последовательно с объектом, потребляемая мощность которого измеряется. Подвижная катушка 2 с добавочным резистором включается параллельно объекту.

Цепь неподвижных катушек называют последовательной цепью, а цепь подвижной катушки -параллельной цепью.

Отклонение подвижной части обычно применяемого электродинамического измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высокой частоты определяется постоянной составляющей момента:

,

где

На основании этого выражения для ваттметра, работающего в цепи постоянного тока,

,

где - измеряемая мощность;

- чувствительность. У ваттметров конструктивным путем добиваются что обеспечивает равномерную шкалу.

При работе в цепях переменного тока вектор тока параллельной цепи отстает от вектора напряжения на некоторый угол вследствие индуктивности подвижной катушки (рис.2). Поэтому

,

где угол фазового сдвига между током и напряжением в нагрузке.

Учитывая, что ток в параллельной цепи ваттметра и принимая получим .

Это выражение показывает, что отклонение подвижной части ваттметра пропорционально активной мощности при условии, которое может быть выполнено, включением конденсатора С соответствующей емкости, как показано на (рис.1). Однако лишь при определенной частоте, и с изменением частоты это условие нарушается.

При ваттметр измеряет мощность с погрешностью , называемой угловой погрешностью. При малом значении угла (обычно не превышает 40-50'), т. е. при , относительная угловая погрешность

.

При углах , близких к 90°, угловая погрешность может достигать больших значений.

Потребляемая мощность последовательной и параллельной цепями ваттметра приводит к погрешности, зависящей от способа включения ваттметра. При измерении мощности, потребляемой объектом, возможны две схемы включения ваттметра, отличающиеся способом включения параллельной цепи (рис.3 а и б). Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать сопротивление объекта чисто активным, то погрешности, обусловленные потреблением катушками ваттметра: ваттметр измерение мощность ток

для рис.3,а

;

для рис.3,б

,

где и - мощность, потребляемая, соответственно, последовательной и параллельной цепями ваттметра; - мощность,потребляемая нагрузкой. Следовательно, рассматриваемые погрешности заметны лишь при измерениях мощности в маломощных цепях. Схему включения, показанную на рис. 3,а, целесообразно использовать при измерении мощности объекта с высокоомной нагрузкой, а схему, показанную на рис. 3,б - при измерении мощности объекта с низкоомной нагрузкой.

Изменение порядка включения зажимов одной из цепей ваттметра (поворот соответствующего вектора тока) ведет к изменению направлеия отклонения подвижной части измерительного механизма. Поэтому для правильного включения ваттметра один из зажимов последовательной и параллельной цепи обозначается звездочкой («генераторный зажим»).

Электродинамические ваттметры имеют обычно несколько верхних пределов измерения по току и напряжению: чаще всего два по току, например 5 и 10 А, и три по напряжению - 30,150 и 300 В. Для измерения мощности при больших напряжениях и токах применяют измерительные трансформаторы напряжения и тока. Эти приборы снабжают неименованными шкалами, и для того чтобы найти значение мощности, измеренное ваттметром, необходимо число делений, указываемое стрелкой, умножить на постоянную прибора (в ваттах на деление), которая определяется по формуле , где номинальные значения напряжения и тока для тех пределов, на которые включен ваттметр; длина шкалы в делениях.

Промышленность выпускает многопредельные электродинамические ваттметры с пределами по току от 25 мА до 70 А и понапряжению от 15 до 600 В классов точности 0,1; 0,2; 0,5. Выпускают также ферродинамические переносные и щитовые ваттметры классов точности 0,2; 0,5; 1.

- Цифровые ваттметры

Цифровой ваттметр работает совершенно иначе. Ток измеряется косвенным путем по закону Ома посредством оценки падения напряжения на калиброванном шунте, а напряжение -- по схеме цифрового вольтметра. Датчиком тока может быть не обязательно шунт, но и трансформатор тока.

Измеренные схемой мгновенные параметры тока и напряжения обрабатываются микропроцессором, который вычисляет на основе этих данных потребляемую мощность, а также величину суммарной электроэнергии, которая была израсходована потребителем за время проведения замеров. Результат отображается на цифровом дисплее прибора.

Аналоговые приборы часто можно встретить в виде щитовых, модульных изделий, а цифровые -- в виде профессионального оборудования и портативных устройств.

1) Бытовой ваттметр

Очень распространенный пример простого цифрового ваттметра -- бытовой ваттметр в виде сетевого адаптера -- переходника. Он предназначен для наблюдения мощности потребления, а также для оперативной оценки стоимости электроэнергии в домашних условиях. Ваттметр вставляется в ту розетку, от которой обычно питается прибор, потребление которого необходимо узнать. Затем в розетку ваттметра втыкается вилка самого прибора.

По нажатии соответствующей кнопки, ваттметр начинает отсчет времени и запись количества потребленной с этого момента электроэнергии, то есть той энергии, которая была отдана через его розетку. Тут же считается стоимость электроэнергии, если предварительно задана цена киловатт-часа. Пока прибор работает а ваттметр измеряет мощность, стоимость на дисплее периодически обновляется. Ваттметры такого типа способны измерять мощности до 3600 Вт.

Стоит вставить прибор в розетку и воткнуть в него вилку -- на дисплее тут же начинается отсчет времени и в режиме реального времени отображается потребляемая мощность. При помощи кнопок можно переключить отображаемый параметр с мощности -- на ток, на напряжение, посмотреть пиковую мощность, минимальную мощность и т. д.

Кроме того на дисплее можно увидеть частоту переменного тока в розетке. Задав стоимость киловатт-часа электроэнергии, при помощи бытового ваттметра можно оценить стоимость электроэнергии, потребляемой холодильником, компьютером, вентилятором, кондиционером, обогревателем, водонагревателем и т. д.

2) Профессиональные ваттметры

Профессиональные ваттметры отличаются расширенным функционалом и повышенным классом точности. Данные приборы позволяют тестировать более простые измерительные приборы, а сами способны измерять мощности в значительно более широком диапазоне величин токов, напряжений и частот нежели бытовые.

Профессиональный ваттметр стоит дороже, как любой стационарный прибор подобного класса, просто в силу повышенных требований к точности и качеству измерений. Зачастую профессиональные ваттметры не критичны к форме тока, они могут измерять переменный и постоянный, синусоидальной, прямоугольный, пульсирующий и пилообразный токи, вычислять при этом мощность потребления с указанием коэффициента мощности и характера нагрузки (активная, индуктивная, емкостная, смешанная). Выпускаются как для работы с однофазными цепями, так и для трехфазных.

3) Щитовые ваттметры

Для осуществления замеров и индикации активной и реактивной мощности в сетях трехфазного или однофазного переменного тока, полезны щитовые встраиваемые ваттметры. Значение текущей мощности индикатор показывает в виде цифр на своем дисплее, который может иметь обычно до четырех разрядов для обеспечения достаточно высокой точности. Прибор имеет вид своеобразной измерительной головки, монтируемой в корпус.

Привычное применение ваттметров данного вида -- индикаторные панели различных электротехнических устройств, работающих в сетях с частотой 50 Гц, то есть такие, где ваттметр установлен стационарно и больше не снимается. Возможно сопряжение ваттметра с электронными схемами, которые корректируют работу цепи в которой он установлен в зависимости от динамики активной или реактивной мощности потребления.

- Косвенный электрический метод измерения мощности основан на использовании амперметра и вольтметра. Две возможные схемы измерения мощности при помощи амперметра и вольтметра приведены на рис. 4.а и 4.б.

Для схемы, изображенной на рис. 4.а, расчетное значение мощности

, отличается от мощности, потребляемой нагрузкой, на величину мощности , потребляемой вольтметром.

Для схемы, изображенной на pиc. 4.б, расчетное значение мощности

, отличается от мощности потребляемой нагрузкой, на величину мощности , потребляемой амперметром.

При измерении мощности в цепях переменного тока формулы можно использовать только при резистивной нагрузке, т.е. при . При реактивной нагрузке в результате расчета получают полную мощность. Для исключения погрешностей, вызванных: подключением измерительных приборов, в результаты расчетов вводят поправки:

для схемы рис. 4.а, где - сопротивление вольтметра.

для схемы рис. 4.б, где - сопротивление амперметра.

К косвенным относят также осциллографические методы измерения мощности. Электронным осциллографом можно измерять активную, реактивную и импульсную мощности.

Измерение импульсной мощности выполняют при помощи двухлучевого или двухканального электронного осциллографа. Для этого регистрируют кривые напряжения u_Н(t) и тока i_Н(t) в нагрузки, а затем графическим перемножением получают мгновенную мощности в нагрузке P_Н(t)=u_Н(t)i_Н(t). После этого по кривой мгновенной мощности вычисляют импульсную мощность, используя численное интегрирование. Например, пользуясь формулой Симпсона, импульсную мощность определяют по уравнению

,

где значение мгновенной мощности в точках отсчета.

Для измерения реактивной мощности на вход канала вертикального отклонения электронного осциллографа подают напряжение на нагрузки, а на вход канала горизонтального отклонения - напряжение, пропорциональное току нагрузки. В результате взаимодействия этих напряжений на экране осциллографа получаем изображение фигуры Лиссажу, которая при гармонических напряжениях, сдвинутых по фазе, представляют собой эллипс, изображённый на рис. 5.а

Площадь фигуры Лиссажу пропорциональна реактивной мощности нагрузки

где А и B - длины большой и малой осей эллипса, - коэффициенты отклонения по напряжению и току.

Если реактивная мощность в нагрузке равна нулю, то эллипс вырождается в прямую линию (В=0) - рис.5.б. Если нагрузка потребляет только реактивную мощность, то оси эллипса А и В занимают горизонтальное и вертикальное положение (рис.5.в.)

Особенно важное значение имеет измерение мощности на высокой частоте. Если на постоянном токе или переменном токе низкой частоты возможно измерение напряжения и тока и расчёт мощности по формуле (1)ч(10), то в диапазоне СВЧ измерений этих величин затруднено, так как размеры входных цепей измерительных приборов соизмеримы с длиной волны. Любое отличие сопротивлений источника и нагрузки от характеристического сопротивления передающего тракта приводит к неоднозначности отсчёта напряжения. В волноводах измерение напряжения вообще невозможно. Поэтому на высокой и сверхвысокой частотах измерение мощности производят только по эквивалентному тепловому эффекту.

Наиболее распространенное получение приборы, базирующиеся на тепловых методах измерения мощности. К их числу относят калориметрических ваттметрах измеряют приращение температуры рабочего тела, а измеряемую мощность рассчитывают по формуле

, где - термоэдс, коэффициент преобразования термопары.

2) Основные характеристики и приборы для измерения мощности.

К основным характеристикам приборов для измерения мощности относят: диапазон измеряемых мощностей, диапазон рабочих частот, основную погрешность, входные сопротивления.

Диапазон измеряемых мощностей представляет собой области значений мощностей (или напряжений и токов), измеряемых приборов с нормированной погрешностью. Для многопредельных ваттметрах погрешность зависит от поддиапазона измерений.

На каждом поддиапазоне может быть установлена чувствительность ваттметра ил цена деления его шкалы.

Для установления чувствительности определяют отношение приращения показаний прибора к изменению измеряемой мощности :

Величину, обратную чувствительности, называют ценой деления ваттметра

Для определения цены деления ваттметра, имеющего отдельные пределы измерения по току и напряжению, необходимо пользоваться формулой

,

где - число делений шкалы, и - пределы измерения по току и напряжению.

Абсолютное значение основной погрешности определяют как разность между показаниями ваттметра (или результатом расчёта при косвенном измерении мощности) и действительным значением мощности , рассеиваемой в нагрузке.

Относительная погрешность ваттметра определяют как отношение абсолютной погрешности к действительному значению мощности

Приведённая погрешность ваттметра определяют как отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению мощности Р_ном

В качестве нормирующей мощности принимают предельное значение измеряемой мощности на выбранном поддиапазоне или произведение предельных значений тока и напряжения на выбранных поддиапазонах при косвенном измерении мощности.

Диапазон рабочих частот ваттметра характеризуется полосой частот входных сигналов, в которой возможно измерение с нормированной погрешностью. Дополнительная частотная погрешность не должна превышать основной погрешности.

Размещено на Allbest.ru