Цифровой ваттметр в розетку со счетчиком энергии: обзор устройства и определение нижнего предела функционирования
Ваттметр (измеритель мощности электрического тока) кажется элементарным прибором, но на самом деле он должен выполнить непростую математическую задачу.
Ведь это только в школьном учебнике физики для получения мощности просто надо перемножить ток на напряжение!
А по жизни ток может иметь гораздо более сложную форму, чем синус или постоянный ток; причем фаза тока и напряжения могут не совпадать, и всё это надо как-то учесть.
Современные цифро-аналоговые процессоры (можно назвать микроконтроллерами) позволяют эту задачу решить прямым вычислительным способом: взять величину тока и напряжения за каждый дискрет времени, перемножить их и просуммировать за некоторый интервал времени; в результате чего получить мощность и ещё кучу разнообразных параметров.
В этом обзоре будет рассмотрена одна из многочисленных разновидностей такого рода приборов:
(изображение с Алиэкспресс)
Этот цифровой ваттметр куплен на Алиэкспресс у этого продавца, цена на дату обзора — $12.5 (может меняться).
И ещё несколько слов, поясняющих, почему точное значение мощности нельзя получить, просто взяв и перемножив ток на напряжение даже для чисто активной нагрузки.
Обычные измерительные приборы (вольтметры, амперметры, мультиметры) не измеряют непосредственно величину среднеквадратичного значения измеряемого параметра (тока или напряжения), которая нужна для расчёта мощности.
Они измеряют обычно величину среднего выпрямленного значения параметра (тока или напряжения), и на этой основе перемасштабируют в среднеквадратичное значение.
Такой способ — вполне корректен для «идеального» синуса, но в наших розетках нет идеального синуса!
Вот пример осциллограммы напряжения в розетке (взят из обзора блока выпрямителя и фильтров для УНЧ):
Для такого рода напряжения не будет полного совпадения значения, измеренного «обычным» вольтметром, с реальным среднеквадратичным значением.
Иными словами, такая форма напряжения может создать некоторую погрешность метода, причём в данном случае даже затруднительно предсказать знак погрешности.
А ещё в добавок может быть сдвиг фазы между током и напряжением, если в нагрузке присутствует реактивная составляющая.
И вот здесь на помощь приходят цифровые ваттметры, которые могут всё замерить и посчитать, «как надо»! Причём, смогут замерить не только основной параметр (мощность), но и сопутствующие: ток, напряжение, коэффициент мощности (он же — знаменитый «косинус фи»). И, дополнительно — расход энергии и даже денег. 🙂
Внешний вид, конструкция и схемотехника ваттметра
Внешний вид ваттметра представлен на следующих фото:
Ваттметр вставляется прямо в розетку, а в него вставляется питаемое устройство, чью мощность потребления надо измерить. Пользование таким ваттметром удобно и практично!
Собственно, за это такие приборы и называют в народе «ваттметрами в розетку». Звучит немного жаргонно, но суть отражает верно. 🙂
Экран ваттметра — буквенно-цифровой жидкокристаллический, без подсветки.
Обновление экрана происходит примерно раз в 2 секунды. Это — время накопления и усреднения мощности. Производитель мог бы легко реализовать и более быстрое обновление, но это привело бы к «мельтешению» показаний.
На задней стороне прибора находится шильдик с его параметрами:
Всё здесь ясно и понятно, за исключением третьей строки: «Wide voltage range: 230V —-250V».
Ну какой же он «Wide»?! Это не «Wide», а убожество какое-то! Неужели он при стандартном напряжении 220 Вольт не сможет работать?!
Как оказалось, сможет. А вопрос о нижней границе работоспособности прибора будет происследован в обзоре отдельно.
Половинки ваттметра скреплены тремя шурупами и тремя защёлками. Удерживают прибор в собранном виде они очень прочно, но и разборка каких-то больших технологических сложностей не представляет.
Электронная часть прибора состоит из двух плат.
Плата на левой половине отвечает за индикацию, а плата на правой половине — за измерения и вычисления.
С той её стороны, которая обращена к нам, видно несколько важных элементов схемы.
Зелёненький «бочонок» слева вверху платы — это никель-металлогидридный аккумулятор из 3-х элементов ёмкостью 20 мАч на напряжение 3.6 В. Сразу надо сказать, что он — не для работы прибора, а только для подпитки с целью сохранения параметров при отключении от питающей сети.
То есть, прибор с ним включится (по нажатию кнопки), но ничего замерить не сможет (если подать на него какое-то небольшое напряжение).
Под ним — пара электролитов (фильтрация питания), а далее под ними — большой желтый «сухой» конденсатор.
Посмотрим на него в другом ракурсе:
Номинал желтого конденсатора — 0.68 мкФ, он работает реактивным гасителем лишнего напряжения для системы питания самого ваттметра.
Последовательно с ним подключен резистор 33 Ом (справа от конденсатора); он служит для предотвращения резких бросков тока в момент включения ваттметра в розетку.
А слева от конденсатора — шунт в виде скобы из толстой проволоки. Он нужен для замера протекающего в нагрузку тока.
Ещё на этой стороне платы находится кварц, необходимый для тактового генератора аналого-цифрового процессора, расположенного на обратной стороне платы. Вот ей сейчас и займёмся.
Главная микросхема на плате (U3) — специализированный цифро-аналоговый процессор BL6523GX, спроектированный для измерения мощности.
Его структурная схема (взята из datasheet):
Рассматривать эту схему не будем, чтобы не утяжелять обзор.
Ещё одна микросхема (U2), поменьше, — это ATMHK220 24CO2N. Она работает в качестве флеш-памяти с последовательной передачей данных.
Последняя, самая маленькая микросхема (U3, 78L05) — стабилизатор питания 5 В.
Режимы ваттметра
Посмотрим на органы управления ваттметра:
На передней панели имеются 5 кнопок: 4 большие кнопки и одна полускрытая кнопка — RESET.
Кнопкой RESET рекомендую пользоваться при каждом включении прибора в розетку, иначе он может показывать белиберду. После нажатия RESET прибор работает стабильно, проблем нет.
Из остальных кнопок самая главная — это FUNCTION. С помощью этой кнопки пользователь определяет, какую информацию он желает посмотреть.
При нажатии на эту кнопку последовательно переключаются по кругу следующие режимы отображения:
- Время работы (с ненулевой мощностью) + мощность + стоимость (если была установлена цена за КВт*час);
- Время работы + суммарное потребление энергии (накопление);
- Время работы + напряжение в сети;
- Время работы + потребляемый ток + коэффициент мощности (косинус фи);
- Время работы + минимальная потребляемая мощность за время работы;
- Время работы + максимальная потребляемая мощность за время работы;
- Стоимость за КВт*час (просмотр и установка).
Остальные три кнопки как раз используются для установки цены за КВт*час.
Как выглядит экран ваттметра в режимах показа напряжения и тока, можно посмотреть на следующих фото (режим мощности был показан выше):
Теперь перейдём к оценке «профпригодности» ваттметра — его тестированию.
Тестирование ваттметра
Первым делом проверяем точность измерения прибором напряжения и тока. Для этого проводилось сравнение показаний с мультиметром DT9205A:
Если взять за основу показания мультиметра, то ваттметр слегка занижает показания по напряжению (на 0.7%). Учитывая ограниченную точность обоих приборов, можно считать, что расхождений нет.
По току расхождение составило чуть больше: 1.5% с тем же знаком (ваттметр показал меньше).
Соответственно, при измерении мощности эти две погрешности сложатся, и погрешность измерения мощности должна будет составить 2.2%. Но эта цифра — только ориентировочная (с учетом возможной погрешности мультиметра).
Конечно, по-хорошему надо бы проверять тестируемый ваттметр не с помощью вольтметра и амперметра, а с помощью образцового ваттметра, сертифицированного Ростестом. Но извиняйте: чего нет, того нет.
Теперь подсовываем прибору простую активную нагрузку — лампу накаливания 25 Вт:
Эх, как же он приятен — тёплый ламповый свет! Но речь в данном случае о том, что номинальная мощность лампы подтвердилась с высокой точностью.
Теперь — небольшая таблица с пробными замерами различной аппаратуры, которая покажет, в том числе, как «дурят нашего брата»:
| Тестируемая аппаратура | Номинальная мощность | Измеренная мощность | Измеренный коэффициент мощности |
| Паяльник | 25 Вт | 27.3 Вт | 0.97 |
| Светодиодная лампа «Старт» | 10 Вт | 8.3 Вт | 0.59 |
| Светодиодная лампа «Старт» | 15 Вт | 11.8 Вт | 0.59 |
| Микроволновка в простое | — | 1.8 Вт | 0.44 |
| Микроволновка (в режиме 800 Вт) | 1200 Вт | 1274 Вт | 0.91 |
| Зарядка смартфона | 10 Вт | 11.1 Вт | 0.54 |
| Системный блок компьютера (выключен) | — | 2.7 Вт | 0.35 |
| Системный блок компьютера (включен, в простое) | — | 45 — 67 Вт | 0.54 |
| Системный блок компьютера (нагрузочный тест OCCT-Linpack) | — | 95 — 98 Вт | 0.75 |
| Системный блок компьютера (нагрузочный тест OCCT-Большой набор) | — | 105 — 111 Вт | 0.76 |
Немного обсудим полученные результаты.
Микроволновка показала результат заметно выше указанной на ней самой номинальной мощности. Учитывая высокий КПД магнетрона, можно предположить, что и на нагрев продуктов пошло не заданные 800 Вт, а значительно больше.
Это — пример обмана в пользу потребителя, но одновременно потребителю надо задуматься и о достаточной «прочности» электропроводки.
Интересной была попытка замерить мощность микроволновки в режиме «320 Вт». Микроволновка периодически то включалась на полную мощность (1274 Вт), то периодически снижала мощность почти до нуля, чтобы в среднем получилось 320 Вт.
Со светодиодными лампами обман получился уже в обратную сторону, т.е. лампам мощности недодали.
В тесте компьютера надо иметь в виду, что это был не игровой компьютер, а компьютер офисного типа. Игровой компьютер будет потреблять значительно больше, особенно в моменты наиболее жарких баталий.
В общем, ваттметр помог совершить много интересных открытий касательно имеющейся в доме аппаратуры.
Последний вопрос в тестировании ваттметра — нижний предел его работоспособности по напряжению.
Для выяснения этого вопроса был использован трансформатор ТПП-282-127/220-50 с множеством отводов от первичной обмотки (своего рода замена ЛАТР-у).
Эксперименты с подключением к разным отводам трансформатора показали, что ваттметр работоспособен при напряжении 112 Вольт и выше (по показаниям самого ваттметра). При более низких напряжениях прибор включался, но ничего не измерял (показывал нулевые ток, напряжение и мощность).
Таким образом, ваттметр будет работоспособным даже при значительных колебаниях напряжения в питающей сети.
Итоги и выводы
Протестированный «ваттметр в розетку» показал точность, вполне достаточную для бытовых применений (без претензий на что-то более высокое). И это — главное.
Естественно, у него есть множество недостатков, простительных за его цену.
У него нет возможности передать данные в компьютер или смартфон; нет и возможности запротоколировать график потребления мощности по времени.
Мне лично ещё не понравилось, что у него нет возможности вывести на экран одновременно мощность, напряжение и потребляемый ток. Чтобы их увидеть, надо поочерёдно переключаться между экранами.
И, конечно, отсутствие подсветки экрана — тоже не украшение.
Но, с учётом цены, право же, всё это — мелочи. 🙂
Купить ваттметр можно на Алиэкспресс по этой ссылке.
Кроме протестированного варианта ваттметра в таком же корпусе выпускается ваттметр на основе другого процессора. Он не тестировался, но, вероятно, должен показать аналогичные характеристики.
Источник
Самодельный велосипедный измеритель мощности DIY Power meter
Я давно люблю кататься на велосипеде, но в последний год меня заинтересовало не только катание как таковое, но и улучшение моих результатов, в спортивном плане. Изучая всевозможные методики, планы тренировок и вспомогательные средства, почти каждый раз все упиралось в необходимость (ну или по крайней мере огромную пользу) для тренировок такого устройства как Power meter.
И я решил собрать такой.
Для чего нужен мощномер?
Это устройство измеряет мощность, которую вы прикладываете к педалям. Знание мощности сильно помогает в тренировках: можно отслеживать свой прогресс во времени, он позволяет точно понимать, какое усилие вы прикладываете при езде — и это вы сейчас так медленно едете потому что плохо выспались, или в действительности дорога идет в горку? И дает множество других полезных возможностей.
Зачем делать мощномер самому, вместо покупки?
1 — цена на существующие образцы просто чудовищна, наиболее дешевые образцы стоят 600 американских денег (а в среднем около 1000), не включая доставку, растаможку и head unit (экранчик/компьютер, который и отображает данные, что будет стоить еще не менее 100 долларов)
2 — потому что мне интересно что-то конструировать и смотреть как это работает 🙂
Принцип действия
Есть много вариантов измерить мощность, я выбрал один из них: измерять изгиб шатуна от давления ноги на педаль.
Материальная база
Я долго искал, какой же чувствительный элемент доступен и можно использовать в таком устройстве? Рассматривались разные варианты — оптические датчики, пьезодатчики, измерение частоты передаваемого звука, но пришел к выводу, что проще всего будет использовать мостовой датчик нагрузки. Начав искать, где же его можно приобрести, пришел к неутешительному выводу, что либо дорого, либо заказывать в Китае и ждать от двух недель до двух месяцев. Но лазя по одной местной доске объявлений, нашел предложение по продаже весов с точностью 0.01 грамм и совсем не за дорого. Я не был еще уверен, что в весах именно такой датчик, но заказал все равно.
Разбирать было очень жалко, хоть они и стоят недорого
Вскрыв весы, я обаружил в них именно то, что искал, мостовой датчик нагрузки!
Был проведен короткий эксперимент, с помощью которого я узнал, сможет ли такой датчик измерить изгиб шатуна.
Действительно, работает!
Поскольку в весах все электронные компоненты оказались под одной «каплей», то весь электронный обвес нужно было искать и делать самому.
Список деталей, который я выбрал:
1 — усилитель датчика веса HX711 — к нему подключается мостовой датчик, на выходе получаем некоторое значение, уже в цифровом виде, удобно для обработки
2 — датчик каденса — геркон, — нужен для измерения скорости вращения педалей, так как просто измерить приложенное усилие к педелям не достаточно, чтобы измерить мощность, нужно знать и частоту вращения
3 — передатчик, bluetooth модуль HC-05, для передачи данных на компьютер или телефон
4 — контроллер Arduino nano — мозги устройства, обрабатывают поступившие с усилителя и геркона данные, отправляют на передатчик
5 — питание — так как все модули требуют питания 5В, нужен источник питания и преобразователь, источником было решено взять батарейный отсек от весов, с которых был снят и дачик нагрузки
Собрав все вместе я получил следующую картину
Нда, и как это все поместить на педаль?
Пришлось все умещать в корпусе от все тех же весов, едва получилось. От разводки и травления плат я далек, поэтому просто подпаял к ножкам микросхем провода. Если разводить отдельную плату и устанавливать на нее smd компоненты, то получится, конечно же, намного меньше.
Все было собрано и, на удивление, аппаратная часть заработала с первого же раза. Блок с микросхемами я примотал к шатуну изолентой, а датчик нагрузки приклеил к шатуну горячим клеем (как в дальнейшем оказалось — не лучшая идея, датчик настолько точный, что меряет легчайшие передвижки, а клей обладает текучестью, от чего наблюдался дрейф сигнала)
Получилось так, неказисто, но ездить не мешает.
Калибровка
Модуль датчика веса передает не граммы или килограммы, а некие попугаи, которые нужно поставить в соответствии с нагрузкой. Это было проделано с помощью простейших инструментов.
Нанокалибратор
Данные нагрузки сразу передавались на компьютер, с помощью чего я нашел соответствие сигнала и приложенного усилия:
Нелинейность сигнала возникает из-за того, что шатун не только прогибается под нагрузкой, но еще и закручивается
Была написана простейшая утилита, принимающая данные через bluetooth и отображающая их на экране в реальном времени. Снова в неказистом стиле 🙂
А это точно интерфейс айфона 7?
Итак, что же мы видим на интерфейсе?
Большие цифры сверху и есть мощность, на одну сторону (помните, у нас датчик только на левом шатуне?), поэтому для полной мощности нужно умножить на 2. Кстати формула мощности: N = момент * угловую скорость, в программе она так и считается.
kad — каденс
kilos — давление на педаль, в килограммах
График показывает, как распределялось давление на педаль во времени, вертикальные полоски показывают момент прохождение геркона мимо магнита, необходим для измерения частоты педалирования.
Круговая диаграмма показывает как распределялась нагрузка в рамках одного круга педалирования — красный сектор это давление на педаль, зеленый сектор, то когда педаль идет наверх, и мы опираемся на нее ногой (паразитная нагрузка)
На все вместе, включая паяльник, бюджет составил 30$.
Скорее всего, у именитых производителей цены так задраны из-за отсутствия спроса, на мой взгляд, на весь мир годовой объем рынка паверметров всего около 100 тыс. единиц на всех производителей вместе взятых.
Мое устройство показало работоспособность, снято с велосипеда и отложено до лучших времен, когда я смогу развести нормально плату, чтобы уменьшить ее размеры и прочие интерфейсные вопросы 🙂
Источник