Какой прибор измеряет мощность

Приборы для измерения мощности

Приемник энергии

Рис. 5. Схема для измерения мощности амперметром и вольтметром.

Этот способ обладает рядом недостатков, заключающихся:

1) в необходимости при каждом измерении производить вычисление, требующее затраты времени;

2) в значительной относительной погрешности при измерении мощности, равной сумме относительных погрешностей измерения напряжения и измерения тока;

3) в невозможности производить измерение при изменяющихся значениях тока и напряжения вследствие невозможности произвести одновременный отсчет по двум приборам и др.

Электродинамический ваттметр. Для непосредственного измерения мощности в цепи электрического тока применяется электродинамический ваттметр.

Электродинамический ваттметр (рис. 6) представляет собой измерительный механизм электродинамической системы. Неподвижная последовательная катушка или катушка тока ваттметра соединяется последовательно с приемниками энергии. Подвижная параллельная катушка или катушка напряжения, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, образует параллельную цепь ваттметра, которая присоединяется параллельно приемникам энергии.

Рис. 6. Схема устройства и соединений электродинамического ваттметра

Угол поворота подвижной части ваттметра

где I ─ ток последовательной катушки;

I_u ─ ток параллельной катушки ваттметра.

Так как вследствие применения добавочного резистора параллельно цепи ваттметра имеет практически постоянное сопротивление r_u , то

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи. Шкала ваттметра, как следует из уравнения (2), равномерна.

Приборы для измерения количества электричества. Электрические счетчики

Электрические счетчики представляют собой интегрирующие приборы, предназначенные для измерения электрической энергии и количества протекающего электричества за некоторый промежуток времени.

Счетчики, так же как и показывающие приборы, делятся на системы. Наибольшее распространение получили счетчики электрической энергии индукционной системы для цепей переменного тока и электродинамической системы для цепей постоянного тока.

Основное отличие счетчиков от показывающих приборов заключается в том, что угол поворота подвижной части их не ограничивается пружиной, а имеет нарастающее значение, причем каждому обороту подвижной части счетчика соответствует определенное значение измеряемой величины.

Для регистрации электрической энергии или количества электричества каждый счетчик имеет счетный механизм, представляющий собой, по существу, счетчик оборотов, соединенный с подвижной частью зубчатой передачей.

Индукционные счетчики активной энергии однофазного тока.

На рис. 7 дана схема устройства и соединения индукционного счетчика отечественного производства типа СО.

Счетчик состоит из последовательного А и параллельного Б электромагнитов, алюминиевого диска Д, укрепленного на оси, и постоянного тормозного магнита М.

При включении счетчика в цепь переменного тока по его последовательной обмотке (цепи) будет проходить ток потребителей энергии, вследствие чего в последовательном электромагните возникает магнитный поток Ф_I. Напряжение U на обмотке параллельного электромагнита вызовет в ней ток I_u, и в сердечнике электромагнита будет поддерживаться магнитный поток Ф_u, состоящий из двух частей: рабочего Ф_up и вспомогательного Ф_uB. Магнитный поток последовательного электромагнита и рабочий поток параллельного электромагнита, пронизывая диск, индуктируют в нем вихревые токи (рис. 7). Вращающий момент, возникающий от взаимодействия вихревых токов с магнитными потоками, заставит вращаться диск Д счетчика.

Следовательно, числом оборотов диска счетчика можно измерять электрическую энергию.

Рис. 7. Схема устройства и соединения индукционного счетчика.

Рис. 8. Схема устройства счетного механизма.

Число оборотов диска счетчика или пропорциональная ему электрическая энергия регистрируется счетным механизмом (рис. 8). Движение диска счетчика через червячную передачу и шестерни передается пяти роликам, на боковых поверхностях которых нанесены цифры от 0 до 9. Ролики свободно надеты на ось А. Первый (см. рис. 8 – правый) ролик скреплен с шестерней и при движении диска счетчика беспрерывно вращается. Один оборот его вызывает поворот второго ролика на 1/10 часть оборота. Один оборот второго ролика вызывает поворот третьего ролика также на 1/10 часть оборота и т. д. Ролики прикрываются алюминиевым щитком с отверстиями, через которые видно только по одной цифре на каждом ролике. Таким образом, прочитанное через отверстия в щитке числовое значение даст величину энергий, зарегистрированную счетчиком за весь период его работы, начиная с момента, когда показания его соответствовали нулевому значению.

Для нахождения энергии, израсходованной за какое-то время, нужно из показания счетчика в конце измерения вычесть показания, снятые вначале. На щитке счетчика всегда указывается передаточное число счетчика С, т. е. число оборотов диска счетчика, соответствующее единице энергии, регистрируемой счетчиком, – например, 1 кВт • ч равен 4 000 оборотов диска.

Индукционные счетчики активной энергии в цепях трехфазного тока

Для измерения электрической энергии в четырехпроводных цепях применяются трехэлементные счетчики. Схема включения такого счетчика (рис. 9) принципиально та же, что и ваттметра. Как показывает название, такой счетчик имеет три электромагнитные системы, которые воздействуют или на три диска, укрепленных на одной оси (например, счетчик типа СА4-ТЧ), или на два диска, также укрепленных на одной оси (например, счетчик типа СА4-И45, в котором на один диск воздействуют две системы, на второй – одна). Счетчик имеет один счетный механизм. Устройство каждой электромагнитной системы трехэлементного счетчика ничем не отличается от устройства электромагнитной системы однофазного счетчика.

Рис. 9. Схема устройства и соединения трехэлементного

трехдискового счетчика типа СА4-ТЧ

Наиболее распространенными приборами для измерения электрической энергии в трехпроводных цепях трёхфазного тока являются двухэлементные счетчики.

Двухэлементный счетчик имеет две электромагнитные системы, которые воздействуют на два диска, укрепленных на одной оси (например, счетчик типа САЗ-И43, рис. 10).

Рис. 10. Схема устройства и соединения двухэлементного двухдискового счетчика типа САЗ-И43

3.3. Измерение мощности

Общие сведения. Измерение мощности весьма распространено в практике электрических и электронных измерений на постоянном и переменном токе во всем освоенном диапазоне частот — вплоть до миллиметровых и более коротких волн.

Особое значение имеет измерение мощности в диапазоне СВЧ, поскольку мощность является единственной характеристикой элект­рического режима соответствующего тракта, когда измерение тока и напряжения на СВЧ из-за большой погрешности практически не­возможно.

Мощность измеряется ваттметрами в пределах от долей микроватт до единиц — десятков гигаватт.

В зависимости от измеряемых мощностей приборы делятся на ватт­метры малой (10 Вт) мощности.

Основной единицей измерения мощности является ватт (Вт). Ис­пользуются также кратные и дольные единицы:

• гигаватт (1 ГВт = Вт);

• мегаватт (1 МВт = Вт);

• киловатт (1 кВт = Вт);

• милливатт (1 мВт = Вт);

• микроватт (1 мкВт = Вт).

Международные обозначения единиц измерения мощности приве­дены в Приложении 1.

Мощность может измеряться не только в абсолютных, но и в отно­сительных единицах — децибелах:

Для измерения мощности используют косвенные и прямой методы. В каталоговой классификации электронные ваттметры обозначаются следующим образом: Ml — образцовые, М2 — проходящей мощности» МЗ — поглощаемой мощности, М4 — мосты для измерителей мощно­сти, М5 — преобразователи (головки) ваттметров.

Электромеханические ваттметры классифицируются в соответ­ствии с единицами измерения мощности, указанными на их шкалах и лицевых панелях: W — ваттметры: kW — киловаттметры; mW — милливаттметры; W — микроваттметры.

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока низких частот. Для измерения мощности в цепях постоянного и пере­менного тока промышленных частот используются чаше всего элект­ромеханические ваттметры электродинамической и ферродинамической систем.

В лабораторной практике применяются в основном ваттметры электродинамической системы 3, 4 и 5-го классов точности (0,1; 0,2; 0,5). В промышленности при технических измерениях применяют ваттметры ферродинамической системы 6, 7 и 8-го классов точности (1,0; 1,5 и 2,5).

Шкалы однопредельных ваттметром градуированы в значениях измеряемой величины (ваттах, киловаттах и т.д.). Многопредельные ваттметры имеют неградуированную шкалу. Перед использованием таких ваттметров при известных номинальном значении тока и по­минальном значении напряжения выбранного предела, а также количестве делений шкалы применяемого ваттметра необходимо определить его цену деления с (постоянную прибора) при по формуле

Зная цену деления для данного ваттметра в выбранном пределе, несложно произвести отсчет значения измеряемой мощности. Измеренное значение мощности будет составлять

где п — отсчет количества делений по шкале прибора.

Ваттметры электродинамической системы применяются для из­мерения мощности в цепях постоянного и переменного тока частотой до нескольких килогерц.

Ваттметры ферродинамической системы применяются для изме­рения мощности в цепях постоянного и переменного тока промышлен­ных частот.

На постоянном и переменном токе низких, средних и высоких ча­стот используются косвенные методы измерения мощности, т.е. напря­жения, сила тока и фазовые сдвиги определяются путем последующего вычисления мощности. Активная мощность двухфазного переменного тока в цепи с комплексной нагрузкой определяется но формуле

где U, I— среднеквадратичное значение напряжения и силы тока;

— фазовый сдвиг между силой тока и напряжением.

В цепи с чисто активной нагрузкой , когда = 0, = 1, мощ­ность переменного тока составляет

мощность импульсного тока:

На практике обычно измеряется средняя мощность за период сле­довании импульсов:

где q — скважность: q = ;

— коэффициент формы импульсов 1;

— период следования импульсов.

Высокочастотные методы измерения мощности. Возможны два типовых метода измерения мощности (в зависимости от ее вида: по­глощаемая или проходящая).

Поглощаемая мощность — это мощность, потребляемая нагруз­кой. В этом случае нагрузка заменяется ее эквивалентом, а измеряе­мая мощность полностью рассеивается на этом эквиваленте нагрузки, и далее измеряется мощность теплового процесса. Нагрузка ваттметра полностью поглощает мощность, поэтому такие приборы называются ваттметрами поглощаемой мощности (рис. 3.16, а). Так как нагрузка полностью должна поглощать измеряемую мощность, то прибор может использоваться только при отключенном потребителе. Погрешность измерения будет тем меньше, чем более полно обеспечено согласование входного сопротивления ваттметра с выходным сопротивлением исследуемого источника или волновым сопротивлением линии передачи.

Рис. 3.16. Методы измерения ваттметрами поглощаемой (о) и проходящей мощности (б)

Проходящая мощность — это мощность, передаваемая генератором в реальную нагрузку. Приборы, ее измеряющие, называются ваттметрами проходящей мощности. Такие ваттметры потребляют незначительную долю мощности источника, а основная ее часть выделяется в реальной полезной нагрузке (рис. 3.16, б).

К ваттметрам проходящей мощности относятся приборы па преоб­разователях Холла, с поглощающей стенкой и другие приборы.

В диапазоне высоких и сверхвысоких частот косвенные методы из­мерения мощности не применяются, так как в разных сечениях линии передач значения силы тока и падения напряжения различны; кроме того, подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому на СВЧ используются другие методы: 1 например, преобразования электромагнитной энергии в тепловую (ка­лориметрический метод), изменения сопротивления резистора (термисторный метод).

Калориметрический метод измерения мощности характеризуется высокой точностью. Этот метод используется во всем радиотехни­ческом диапазоне частот при измерении сравнительно больших мощ­ностей, когда имеет место потеря тепла. Калориметрический метод основан на преобразовании электрической энергии в тепловую, когда нагревается некоторая жидкость в калориметре ваттметра (рис. 3.17). Далее мощность оценивается путем определения по известной разности температур и известному объему жидкости, протекающей через калориметр:

где — коэффициент используемой жидкости;

— объем нагретой жидкости.

Рис. 3.17. Устройство калориметрического ваттметра

Погрешность калориметрического метода составляет 1. 7%.

Термисторный (болометрический) метод измерения мощности основан на использовании свойства терморезисторов изменять свое сопротивление под воздействием поглощаемой ими мощности элек­тромагнитных колебаний. В качестве терморезисторов используют термисторы и болометры.

Термистор представляет собой полупроводниковую пластину (или диск), заключенную в стеклянный баллон. Термисторы имеют отрица­тельный температурный коэффициент, т.е. с повышением температу­ры их сопротивление падает.

Болометр представляет собой тонкую пластину из слюды или стекла с нанесенным на нее слоем (пленкой) платины. Пленоч­ные болометры обладают очень высокой чувствительностью (до . Вт). Болометры имеют положительный температурный коэффициент, т.е. с повышением температуры их сопротивление растет.

Чувствительность и надежность термисторов выше, чем боломет­ров, однако параметры болометров стабильнее, поэтому они применя­ются в образцовых ваттметрах (подгруппа M1).

Термисторный метод обеспечивает высокую чувствительность, поэтому его применяют для измерения малых и средних мощностей. Использование ответвителей и делительных устройств позволяет применять метод и для измерения больших мощностей. Погрешность термисторных ваттметров составляет 4. 10% и чаще всего зависит от степени согласованности нагрузки.

К основным метрологическим характеристикам ваттметров, кото­рые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:

• тип прибора (поглощаемой или проходящей мощности);

• диапазон измерения мощности;

• допустимая погрешность измерений;

• коэффициент стоячей волны (КСВ) входа измерителя мощности или модуль коэффициента отражения.

Контрольные вопросы

1. Приведите правило включения амперметра в исследуемую цепь.

2. Каково назначение шунтов?

3. Как изменяется сопротивление амперметра с подключением шунта?

4. Как шунт подключается к амперметру?

5. Амперметры какой системы чаще используются при измерении силы постоянного тока?

6. Амперметры какой системы используются при измерении силы I переменного тока высоких частот?

7. Какие правила необходимо соблюдать при измерении силы тока высоких частот?

8. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы тока низких частот.

9. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы тока высоких частот.

10. Перечислите основные параметры амперметра.

11. Какое требование предъявляется к внутреннему сопротивлению амперметра?

12. Почему нельзя использовать электромеханический амперметр электродинамической системы при измерении силы переменного тока высоких частот?

13. Перечислите достоинства амперметров магнитоэлектрической системы.

14. Перечислите недостатки амперметров магнитоэлектрической системы.

15. Сколько шунтов содержит электромеханический амперметр с пятью пределами измерения?

16. В чем состоит принципиальное отличие вольтметра от амперметра?

17. Как вольтметр включается в цепь?

18. Каково назначение добавочных резисторов?

19. Что необходимо сделать для расширения диапазона измерения на­пряжения электромеханического вольтметра?

20. Перечислите достоинства и недостатки электромеханических вольтметров.

21. По каким признакам классифицируются электронные аналоговые вольтметры?

22. По каким структурным схемам строятся электронные аналоговые вольтметры?

23. Перечислите достоинства и недостатки электронных аналоговых вольтметров.

24. Почему вольтметры типа У — Д имеют высокую чувствитель­ность?

25. Почему вольтметры типа Д — У имеют широкий частотный диапа­зон?

26. Каковы преимущества электронных цифровых вольтметров по сравнению с электронными аналоговыми?

27. Зачем электронные аналоговые вольтметры имеют шкалу, градуированную в децибелах?

28. По каким основным метрологическим характеристикам выбирают вольтметр?

29. В каких единицах измеряется напряжение?

30. Что представляют собой мультиметры?

31. Какими приборами можно измерить мощность в цепях постоян­ного тока?

32. Какими приборами можно измерить мощность в цепях переменно­го синусоидального тока промышленных частот?

33. Каким методом можно измерить малую мощность в СВЧ — диапазоне?

34. Каким методом можно измерить большую мощность в СВЧ — диапазоне?

35. Что необходимо знать при определении мощности импульсного сигнала?

36. Определите мощность, выделенную на резисторе R = 1 кОм при протекании постоянного тока силой 5 мА.

37. Определите рассеиваемую резистором R — 2 кОм мощность, если через него протекает синусоидальный ток амплитудой 4 мА.

38. В чем состоит калориметрический метод измерения мощности?

39. В чем состоит термисторный метод измерения мощности?

40. Что такое болометр и где он используется?

41. Укажите достоинства термистора по сравнению с болометром.

42. Укажите недостатки термистора по сравнению с болометром.

43. Перечислить достоинства и недостатки электродинамических ваттметров.

44. К какой группе и подгруппе относятся ваттметры поглощаемой мощности?

45. Какую часть энергии потребляют ваттметры проходящей мощности?

ВАТТМЕ́ТР

Схема включения ваттметра: а – непосредственно; б – через трансформаторы тока (5) и напряжения (6); W – ваттметр; 1 – цепь тока; 2 – цепь напряжения; 3 – нагрузка; .

ВАТТМЕ́ТР (от ватт и …метр ), при­бор для из­ме­ре­ния элек­трич. мощ­но­сти, по­треб­ляе­мой уча­ст­ком элек­трич. це­пи (на­груз­кой). В. име­ет две це­пи: то­ка (вклю­ча­ет­ся по­сле­до­ва­тель­но с на­груз­кой) и на­пря­же­ния (вклю­ча­ет­ся с до­ба­воч­ным ре­зи­сто­ром па­рал­лель­но на­груз­ке). По­ка­за­ния В. (в ват­тах) про­пор­цио­наль­ны про­из­ве­де­нию си­лы то­ка на на­пря­же­ние, а при пе­ре­мен­ном то­ке – так­же на ко­си­нус уг­ла сдви­га фаз ме­ж­ду то­ком и на­пря­же­ни­ем. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны элек­тро­ди­на­мич. В., пред­на­зна­чен­ные для из­ме­ре­ний в це­пях по­сто­ян­но­го или пе­ре­мен­но­го (на час­то­тах до 5 кГц) то­ка; ра­бо­та ос­но­ва­на на взаи­мо­дей­ст­вии маг­нит­ных по­лей под­виж­ной и не­под­виж­ной ка­ту­шек при про­хо­ж­де­нии по ним элек­трич. то­ка (см. Элек­тро­ди­на­ми­че­ский из­ме­ри­тель­ный при­бор ). При­ме­ня­ют­ся так­же фер­ро­ди­на­мич. В., ре­же ин­дук­ци­он­ные и тер­мо­элек­три­че­ские (как пра­ви­ло, при по­вы­шен­ных и вы­со­ких час­то­тах).

Какую мощность измеряет вольтметр и амперметр, а какую ваттметр?

Ваттметр — мощность электрического тока или электромагнитного сигнала.
Вольтметр — отсчет для определения напряжения. Амперметр — сила тока.

ВОЛЬТ̘ЕТР (от вольт и греч. metron — мера, metreo — измеряю) , прибор для измерения электродвижущей силы или напряжения (в мкВ, мВ, В, кВ) в электрических цепях.

ВАТТ̘ЕТР (от ватт и греч. metron — мера, metreo — измеряю) , электрический прибор для измерения активной мощности (в ваттах) в цепях постоянного или переменного тока.

АМПЕР̘ЕТР (от ампер и греч. metron — мера, metreo — измеряю) , электроизмерительный прибор для измерения силы постоянного и (или) переменного тока

ВОЛЬТМ˜ЕТР (от вольт и греч. metron — мера, metreo — измеряю) , прибор для измерения электродвижущей силы или напряжения (в мкВ, мВ, В, кВ) в электрических цепях.

ВАТТМ˜ЕТР (от ватт и греч. metron — мера, metreo — измеряю) , электрический прибор для измерения активной мощности (в ваттах) в цепях постоянного или переменного тока.

АМПЕРМ˜ЕТР (от ампер и греч. metron — мера, metreo — измеряю) , электроизмерительный прибор для измерения силы постоянного и (или) переменного тока