Схема включения ваттметра. Аналоговый и цифровой ваттметр Ваттметр схема электрическая прибора

Одной из важнейших характеристик электрической цепи является ее мощность. С помощью данного параметра определяется величина работы, которую электрический ток выполняет за определенную единицу времени. Все устройства включаемые в цепь должны иметь мощность, соответствующую мощности конкретной сети. Для замеров мощности электрического тока применяется специальный измерительный прибор - ваттметр.

В основном он нужен в сетях переменного тока, определяя мощность включенных приборов, а также для тестирования сетей и их отдельных участков, контроля и слежения за режимом работы электрооборудования, учета потребленной электроэнергии.

Классификация ваттметров

До того, как выполняется измерение мощности ваттметром, на исследуемом участке предварительно измеряется сила тока и напряжение. Для того чтобы получить наглядную итоговую информацию, эти данные следует преобразовать с помощью ваттметров, которые могут быть аналоговыми и цифровыми.

Большая часть всех измерений в течение длительного времени проводилась аналоговыми устройствами, в свою очередь разделяющихся на категории показывающих и самопишущих. Они отображают значение активной мощности на заданном участке цепи. Типичным представителем считается показывающий прибор с полукруглой шкалой и поворачивающейся стрелкой. На шкалу нанесена градуировка, соответствующая величинам нарастающей мощности, которую он измеряет в .

Другой тип - ваттметр цифровой относится к измерительным приборам, способным выполнять . Все подобные устройства оборудованы дисплеем, на который кроме мощности, выводятся показания силы тока, напряжения, расхода электроэнергии за определенный период времени. Наиболее совершенные приборы подключаются и позволяют выводить полученные данные на компьютер, расположенный удаленно от места проведения измерений.

Принцип действия аналогового ваттметра

Основой конструкции наиболее распространенных аналоговых ваттметров является электродинамическая система. Приборы этого типа дают возможность сделать максимально точные замеры и получить необходимые результаты.

Принцип действия ваттметра аналогового типа осуществляется на основе двух взаимодействующих катушек. Первая катушка является неподвижной, в ее конструкции используется толстый обмоточный провод с небольшим количеством витков и незначительным сопротивлением. Подключение этой катушки выполняется последовательно с потребителем.

Вторая катушка находится в движении. Для ее обмотки применяется тонкий проводник с большим числом витков и высоким сопротивлением. Эта катушка подключается параллельно с потребителем и оборудуется дополнительным сопротивлением для защиты от коротких замыканий обмоток.

Когда ваттметр включается в сеть, в обмотках его катушек появляются магнитные поля, взаимодействующие между собой. За счет этого взаимодействия происходит образование момента вращения, отклоняющего движущуюся обмотку на величину расчетного угла. На данный показатель оказывает влияние произведение силы тока и напряжения в установленный момент времени.

Как работает цифровой ваттметр

Основной принцип работы цифрового ваттметра заключается в предварительном измерении силы тока и напряжения на исследуемом участке цепи. К потребителю нагрузки последовательно подключается датчик тока, а датчик напряжения подключается по параллельной схеме. Главным конструктивным элементом датчика служит , или измеряющий трансформатор.

По такому же принципу работает ваттметр бытовой, широко используемый в домашних условиях. Такое устройство достаточно включить в розетку, чтобы начать процесс измерения.

Основой устройства служит микропроцессор, к которому поступают измеренные параметры тока и напряжения, после чего и вычисляется мощность. Полученные результаты выводятся на экран и одновременно передаются на внешние приборы. В самом микропроцессоре присутствуют элементы, в том числе и микроконтроллеры, позволяющие автоматически управлять рабочими режимами, дистанционно переключать пределы измерений. С их помощью выполняется индикация условных обозначений измеряемых величин.

При работе с преобразователями больших и средних уровней мощности, выполняется калибровка цифрового устройства с помощью калибратора мощности постоянного тока. Самостоятельная калибровка ваттметра осуществляется калибратором мощности переменного тока. Питание всех узлов и элементов происходит через источник питания постоянного тока, встроенный внутрь измерительного прибора.

Напряжение, поступающее с приемного преобразователя, включенного в розетку, усиливается УПТ - усилителем постоянного тока до значений, делающих более устойчивой работу АЦП - блока аналого-цифрового преобразователя. Далее напряжение, пропорциональное измеряемой мощности, преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами опорной частоты.

Количество этих импульсов, пропорциональное измеряемой мощности будет отображаться на ЦОУ - цифровом отсчетном устройстве. Полученные данные могут быть введены в специальное устройство, предназначенное для обработки информации.

Схема подключения измерительного прибора

От того, насколько правильно подключен ваттметр в конкретном участке цепи, будет зависеть точность полученных данных. Правильная схема включения ваттметра выглядит следующим образом: неподвижная катушка тока измерительного прибора последовательно соединяется с нагрузкой или потребителями электроэнергии.

Подвижная катушка напряжения последовательно соединяется с добавочным сопротивлением, а затем весь этот участок параллельно подключается к нагрузке. Подвижная часть ваттметра имеет определенный угол поворота, вычисляемый по формуле: α = k2IхIu = k2U/Ru, в которой I и Iu являются соответственно токами последовательной и параллельной катушек прибора.

Поскольку в схеме используется добавочное сопротивление, параллельная цепь устройства будет обладать практически постоянным сопротивлением (Ru). В этом случае угол поворота будет равен: α = (k2/Ru)хIхU = k2IхU = k3P. То есть, мощность цепи будет определяться именно по этому параметру.

В ваттметре равномерно нанесена измерительная шкала, сделанная в одностороннем варианте, когда расположение делений начинается от нуля в правую сторону. Когда электрический ток в неподвижной катушке изменяет свое направление, это приводит к изменению направления поворота и вращающего момента подвижной катушки. Если подключение ваттметра выполнено неправильно и направление тока будет другим, электронный прибор не сработает.

По этим причинам не следует путать зажимы, которые используют для подключения. Последовательная обмотка имеет зажим для соединения с источником питания, называемый генераторным. Параллельная цепь также называется генераторной и имеет собственную нужную клемму, чтобы подключить участок к проводу, соединенному с последовательной катушкой.

При нормальном подключении, токи в катушках прибора от генераторных зажимов направляются к негенераторным.

Для непосредственного измерения мощности цепи постоянного тока применяется ваттметр. Неподвижная последовательная катушка или катушка тока ваттметра соединяется последовательно с приемниками электрической энергии. Подвижная параллельная катушка или катушка напряжения, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, образует параллельную цепь ваттметра, которая присоединяется параллельно приемникам энергии.

Угол поворота подвижной части ваттметра:

α = k2IIu = k2U/Ru

где I - ток последовательной катушки; I и - ток параллельной катушки ваттметра.

Рис. 1. Схема устройства и соединений ваттметра

Так как в результате применения добавочного сопротивления параллельная цепь ваттметра имеет практически постоянное сопротивление ru , то α = (k2/Ru)IU = k2IU = k3P

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи.

Шкала ваттметраравномерна. При работе с ваттметром необходимо иметь в виду, что изменение направления тока в одной из катушек вызывает изменение направления вращающего момента и направления поворота подвижной катушки, а так как обычно шкала ваттметра делаетсяодносторонней, т. е. деления шкалы расположены от нуля вправо, то при неправильном направлении тока в одной из катушек определение измеряемой величины по ваттметру будет невозможно.

По указанным причинам следует всегда различать зажимы ваттметра. Зажим последовательной обмотки, соединяемый с источником питания, называется генераторным и отмечается на приборах и схемах звездочкой. Зажим параллельной цепи, присоединяемый к проводу, соединенному с последовательной катушкой, также называется генераторным и отмечается звездочкой.

Таким образом, при правильной схеме включения ваттметра токи в катушках ваттметра направлены от генераторных зажимов к негенераторным. Могут иметь место две схемы включения ваттметра (см. рис. 2 и рис. 3).

Рис. 2. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 3. Правильная схема включения ваттметра

В схеме, данной на рис. 2, ток последовательной обмотки ваттметра равен току приемников энергии, мощность которых измеряется, а параллельная цепь ваттметра находится под напряжением U" большим, чем напряжение приемников, на величину падения напряжения в последовательной катушке. Следовательно, Рв = IU" = I(U+U1) = IU = IU1 , т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности последовательной обмотки ваттметра.

В схеме, данной на рис. 3, напряжение на параллельной цепи ваттметра равно напряжению на приемниках, а ток в последовательной обмотке больше тока, потребляемого приемником, на величину тока параллельной цепи ваттметра. Следовательно, P в = U(I+Iu) = UI+ UIu , т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности параллельной цепи ваттметра.

При измерениях, в которых мощностью обмоток ваттметра можно пренебречь, предпочтительнее пользоваться схемой, показанной на рис. 2, так как обычно мощность последовательной обмотки меньше, чем параллельной, а следовательно, показания ваттметра будут более точными.

При точных измерениях необходимо вводить поправки в показания ваттметра, обусловленные мощностью его обмотки, и в таких случаях можно рекомендовать схему на рис.3, так как поправка легко вычисляется по формуле U 2 /Ru , где Ru обычно известно, а поправка остается неизменной при различных значениях тока, если U постоянно.

При включении ваттметра по схеме на рис. 2 потенциалы концов катушек разнятся только на величину падения напряжения в подвижной катушке, так как генераторные зажимы катушек соединены вместе. Падение напряжения в подвижной катушке незначительно по сравнению с напряжением на параллельной цепи, так как сопротивление этой катушки незначительно по сравнению с сопротивлением параллельной цепи.

Рис. 4. Неправильная схема включения ваттметра

На рис. 4 дана неправильная схема включения параллельной цепи ваттметра. Здесь генераторные зажимы катушек соединены через добавочное сопротивление, вследствие чего разность потенциалов между концами катушек равна напряжению цепи (иногда весьма значительному 240 - 600 В), а так как неподвижная и подвижная катушки находятся в непосредственной близости одна от другой, то создаются условия, благоприятные для пробоя изоляции катушек. Кроме того, между катушками, имеющими весьма различные потенциалы, будет наблюдаться электростатическое взаимодействие, могущее вызвать дополнительную погрешность при измерении мощности в электрической цепи.

Нередко требуется измерить мощность того или иного электрооборудования. Кроме того, иногда полезно знать одновременно и ток нагрузки I, и напряжение U, и не просто мощность (всё равно какую), а и полную P, и активную S (их нередко путают и не всегда уточняют, которая из них имеется в виду в том или ином случае). Также в ряде специфических случаев требуется знать коэффициент мощности сети, равный P/S (он же косинус φ (фи) - угла сдвига фаз между напряжением и током), реактивную мощность Q и сам φ.

Объяснение различных электрических терминов и глубоких теоретических основ выходит за рамки данной статьи, это всё можно найти в специализированных источниках, таких как учебники по ТОЭ (например, ) и ряд публикаций в интернете.

Обычный мультиметр в решении вышеозначенных задач не поможет, т.к. измерив, пусть даже одновременно (2-мя приборами), ток нагрузки и напряжение в сети мы сможем получить только S=UI, а все остальные параметры остаются недоступными, т.к. для их вычисления одних U и I недостаточно.

Имеющиеся решения

Для решения этих задач существуют специальные приборы – ваттметры и универсальные вольт-ампер-фазометры, но т.к. они являются спецтехникой, а не приборами широкого назначения, то их довольно сложно найти и стоят они порой недёшево. Кроме того, далеко не всегда такие приборы показывают все параметры сразу. В интернете встречаются очень простые и дешёвые конструкции, например, , но они очень узкоспециализированные (так, измеряет только φ).

Фирма Atmel публикует в качестве одного из примера использования МК AVR описание конструкции некоего счётчика электроэнергии на доступной элементной базе – . Но в качестве измерительного прибора это изделие вряд ли годится, т.к. показывает только потреблённую мощность на электро-механическом счётчике с колёсиками с цифрами (подобно бытовым счётчикам электроэнергии).

Автору статьи удалось найти в интернете довольно универсальный прибор - . Это ваттметр, построенный на МК ATMega8, измеряющий все вышеозначенные параметры. Но при детальном анализе выяснилось, что у устройства немало недостатков, некоторые из которых обозначены в той статье. Подробнее об этом также сказано ниже.

Фирма предлагает целый спектр различных электроизмерительных микросхем (Energy-Meter IC), предназначенных для построения электросчётчиков и решения прочих электроизмерительных задач. Они не очень дорогие, на них есть подробная техническая документация и немало примеров по их применению совместно с различными микроконтроллерами, но, к сожалению, эти микросхемы далеко не везде и не всегда доступны (порой проще найти какой-нибудь списанный или слегка разбитый электросчётчик с какой-либо микросхемой, чем саму микросхему), что для автора статьи послужило основной причиной отказа от их использования в предлагаемом устройстве.

В то же время все вышеописанные задачи вполне «по зубам» обычным МК AVR, которые гораздо более доступны и порой дешевле микросхем от AD. Тем более, что для создания универсального измерительного прибора без МК и прочих узлов всё равно не обойтись.

Способы измерения переменных напряжения/тока, мощностей и частоты

Перед тем, как рассматривать конструкцию самого прибора необходимо остановиться на некоторых теоретических аспектах измерения переменных напряжения, тока и прочих параметров электросети.
Сразу отметим, что мы будем измерять среднеквадратические значения напряжения и тока, как наиболее точно соответствующие привычным действующим значениям – .

Любой сигнал перед измерением необходимо нормировать – т.е. привести его к допустимому диапазону и прочим параметрам используемого измерительного узла. В нашей схеме измерительный узел – интегрированный в МК AVR АЦП, способный измерять напряжение в диапазоне 0-5в. Подача на него других напряжений (отрицательных либо больших 5в) приведёт к выходу из строя в лучшем случае только АЦП, в худшем – всего МК.

Измерение сетевого переменного напряжения заключается в 2-х пунктах:

1. «Куда-то деть» отрицательную полуволну синусоиды, т.к. она не попадает в диапазон АЦП.
2. Сделать так, чтобы максимальное (амплитудное) значение положительной полуволны не превышало 5в.

В простейшем случае оба пункта решаются последовательно включёнными диодом и делителем напряжения (можно использовать обычные резисторы плюс многооборотный потенциометр для облегчения настройки).
Правильно включённый диод играет роль однополупериодного выпрямителя и срезает отрицательную полуволну, не пропуская её в дальнейшую схему.

Делитель уменьшает (масштабирует) напряжение до требуемого диапазона. Коэффициент деления следует подбирать исходя не из стандартных 220в, а хотя бы из 260в, т.к. напряжение в сети крайне редко бывает 220в, оно чаще колеблется в каких-то пределах и, кроме того, часто бывают кратковременные «выбросы» (высокое напряжение) и «провалы» (низкое напряжение).

Такая схема проста, дёшева, надёжна и обладает достаточной точностью, вследствие чего именно на ней основано подавляющее большинство вольтметров переменного тока, как цифровых, так и аналоговых. По такому принципу работает и прибор .

Для получения реального напряжения необходимо измеренное напряжение на входе АЦП умножить на коэффициент деления делителя и на 2, для «компенсации» срезанной диодом отрицательной полуволны.
Недостатки такого подхода следующие:

1. Только идеальный диод срезает отрицательную полуволну напряжения по нулевому уровню. Реальные диоды открываются несколько позже, при напряжении +0.4..+1в. Т.е. мы всегда теряем часть положительной полуволны.
2. Умножение на 2 при расчёте реального действующего напряжения справедливо лишь для истинной синусоиды, т.е. когда отрицательная полуволна абсолютно симметрична положительной того же периода. В реальных электросетях, при наличии массы наводок, реактивных нагрузок и пр. факторов можно сказать, что половинки синусоиды вообще несимметричны. Поэтому умножение на 2 несёт в себе некоторую дополнительную ошибку, оценить (и учесть) которую достоверно невозможно.

Впрочем в условиях постоянно меняющегося по амплитуде и по действующему значению напряжения эти погрешности можно не учитывать.

Есть и другой способ измерения напряжения – «вписать» всю синусоиду в диапазон 0..+5в. Для этого её нужно «поднять» на полдиапазона АЦП (т.е. на +2.5 в) и подогнать делитель так, чтобы вся синусоида целиком лежала между 0 и +5в.

В этом случае исключаются оба недостатка – не нужен диод и АЦП измеряет обе полуволны напряжения со всеми их «особенностями». При дальнейших расчётах также необходимо как-то учесть добавленные схемой +2.5в. Но с помощью программных (вычислительных) средств микроконтроллера это сделать очень легко.
Единственный зримый минус этого способа – коэффициент деления д.б. в 2 раза больше (т.к. мы вписываем обе полуволны, а не одну), что увеличивает ошибку измерений. Но опять же, в условиях постоянно меняющегося по амплитуде и по значению напряжения, к заметным погрешностям это не ведёт.

Схемных решений этого способа, по крайней мере, два – делители и конденсаторы, как в и использованный в схеме предлагаемого устройства формирователь средней точки (тех самых +2.5в) на ОУ.
Но делители не обеспечивают гальванической развязки измеряемой сети и нашего устройства. Это создаёт ряд неудобств.

Так, устройством без гальваноразвязки необходимо пользоваться с повышенной осторожностью, его нельзя заземлять, необходимо тщательно изолировать все узлы схемы от окружающей среды и предпринимать какие-то прочие меры предосторожности. Кроме того, если мы захотим передать результаты измерений куда-либо, допустим в ПК, мы не сможем подключать наш прибор непосредственно, например, к COM-порту через простой преобразователь типа MAX232. Для этого придётся развязывать все линии связи, например, оптопарами и т.п.

Для преодоления этого недостатка можно поставить перед делителем обычный понижающий трансформатор (как в БП) и скорректировать первым коэффициент деления для вписывания синусоиды в диапазон АЦП. Именно такое решение и применено в предлагаемом приборе.

В завершение приведём формулу для расчёта среднеквадратического значения напряжения: , где N – кол-во замеров за период (частота выборки), u i - мгновенные замеры напряжения. К – коэффициент, учитывающий делитель и трансформатор.
Замеры можно проводить как за период так и за несколько периодов с последующим усреднением. Если речь не идёт о построении конструкций типа осциллографа, то усреднение предпочтительнее, т.к. обычно интересны именно средние значения, а не мгновенные.

Измерение тока .
Ни один АЦП сам по себе ток как таковой измерять не может. АЦП измеряет только напряжение. Значит, необходимо преобразовать ток в напряжение, измерить это напряжение, и пересчитать его обратно в ток.
Самый простой способ преобразования тока в напряжение – шунт, по сути – мощный низкоомный резистор Rш. Протекаемый ток нагрузки Iн создаёт на резисторе падение напряжения Uш, прямопропорциональное величине Iн. Зная сопротивление шунта, по закону Ома мы можем вычислить ток нагрузки: Iн=Uш/Rш. На базе шунта устроено подавляющее большинство амперметров, как стрелочных, так и цифровых.

Такой способ очень прост, понятен и дёшев. Кроме того такой узел полностью линеен (равенство Iн=Uш/Rш соблюдается на всём диапазоне рабочих токов) и не имеет никаких реактивных составляющих, т.к. резистор – 100% активный элемент.
Но, наряду с простотой и дешевизной, у схем на базе шунта есть ряд недостатков:

Недостатки 2, 3 и 4 очень серьёзные, они могут привести к весьма плачевным последствиям (порча прибора, поражение электрическим током и пр.). Именно поэтому на всех амперметрах широкого потребления стоят предупреждающие надписи со смыслом «измерять большие токи (10А и выше) не более 10-20 секунд».
Конструкция построена на базе шунта, а, значит, обладает всеми четырьмя недостатками.

Другой способ измерения тока заключается в использовании токового трансформатора (ТТ). Такой трансформатор представляет собой катушку, через которую продевается несколько (1-3) витков провода, через который запитывается нагрузка. В мощных промышленных ТТ вместо витков провода применяется толстая металлическая шина (пластина). Принцип действия ТТ по сути такой же, как и у обычного трансформатора – электромагнитное поле тока проводника первичной обмотки (I1, ток нагрузки, Iн) наводит во вторичной обмотке ток (I2), пропорциональный Iн. Т.e. I2=Iн*K, K – коэффициент передачи тока (его значения стандартизованы – 1:500, 1:1000 и т.д.). Далее этот ток шунтом Rb превращается в напряжение, которое уже можно измерять обычным вольтметром (либо АЦП) и пересчитывать в напряжение. Т.к. ток вторичной обмотки всегда очень мал, то здесь не требуются очень мощные шунты и они не перегорают из-за того, что работают на предельной мощности.

Для ТТ, рассчитанных на токи до 25А мощность шунтового резистора составляет обычно всего 0.125 Вт. А это уже обычный легкодоставаемый резистор широкого потребления, а не какая-то редкая и дефицитная спецдеталь.

Расчёт тока нагрузки при использовании ТТ имеет вид: Iн=I2/K. I2=U2/(Rb+R2), где U2 – напряжение на шунте Rb, R2 – сопротивление вторичной обмотки. Отсюда Iн= U2/(К*(Rb+R2)). По сути – тот же закон Ома.
Детальнее о ТТ и принципах их функционирования можно прочитать в специализированных статьях, например, в .

Основные преимущества ТТ перед шунтом:

1. Гальваническая развязка.
2. Возможность измерения огромных токов (например, промышленных 500А).
3. Обрыв обмотки не ведёт к выгоранию всей остальной измерительной схемы.
4. ТТ не вносит практически никаких искажений в измеряемую цепь в силу того, что первичная обмотка это несколько витков провода, и её индуктивность крайне мала. В мощных промышленных ТТ нет даже и этих считанных витков, там просто один толстый мощный провод, продетый сквозь обмотку, либо шина.

Но есть и ряд недостатков:

1. ТТ гораздо дороже шунтовых резисторов.
2. В ряде случаев ТТ дают некоторый фазовый сдвиг выходного тока относительно входного.
3. Обрыв шунта вторичной обмотки ведёт к её перегоранию (по сути порче самого ТТ) и к искажению параметров измеряемой цепи.
4. На большом диапазоне токов ТТ нелинейны, т.е. вышеупомянутый K не является константой. Это – прямое следствие магнитного гистерезиса сердечника трансформатора. Компенсировать это можно разбиением всего диапазона измеряемых токов на части (поддиапазоны) и применением для каждого поддиапазона своего К. Кроме того, существуют ТТ с сердечниками из разных специальных сплавов, обладающих малым гистерезисом.

Иные методы измерения тока и разновидности ТТ здесь не рассматриваются. Существует немало обзоров и статей на эту тему, например, .

Предлагаемый прибор использует ТТ для обеспечения гальванической развязки от измеряемой сети.
Формула для расчёта среднеквадратического значения тока практически такая же, как и для напряжения.

Измерение активной и реактивной мощностей .
Из ТОЭ () известно, что активная мощность нагрузки вычисляется как интеграл произведения мгновенных напряжения и тока за один период частоты: . В цифровых измерительных устройствах интегралы не вычисляются, поэтому данная формула приобретает вид: , где u, i – мгновенные значения тока и напряжения, замеренные с помощью АЦП, N – кол-во замеров тока и напряжения за период. Аналогично напряжению и току, активную мощность можно измерять и за несколько периодов и соответствующей корректировкой N.
Полная (S), активная (P) и реактивная (Q) мощности связаны равенством . Поэтому, зная S и P, можно легко вычислить .

Измерение коэффициента мощности сети и угла сдвига фаз .
Эти два параметра строго однозначно взаимосвязаны, ибо коэффициент мощности – не что иное, как косинус угла сдвига фаз (φ) между напряжением и током (см. ТОЭ). Поэтому измерять можно любой из них, а второй вычисляется путём простейшей тригонометрии.

Первый способ (м.б. наиболее очевидный и простой) – засечь время между началом периода синусоиды напряжения и началом синусоиды тока, пересчитать его в φ и далее определить косинус. Так работает алгоритм определения угла в .

Однако у него есть один и очень серъёзный недостаток – этот способ чётко работает лишь на идеальных и «чистых», без помех синусоидах, которые в реальной жизни встречаются крайне редко. По факту же в электросетях полно различных наводок, помех и пр. «артефактов», из-за которых точно определить «настоящее» начало периода непросто.

Поэтому, если, допустим, в квартире этот метод будет давать вполне нормальный результат, то на каком-нибудь заводе с массой станков, сварочных аппаратов и прочего мощного силового оборудования может получиться откровенная ерунда (например, постоянно меняющееся значение угла). Даже на «безобидных» нагрузках порой могут наблюдаться сильные искажения, например, синусоиды тока. У автора, например, есть колонки Sven BF-11R, форма тока через которые больше напоминает некую изуродованную пилу с многоступенчатыми пирамидальными полуволнами, нежели синусоиду. Хотя, справедливости ради, следует отметить, что масштабные исследования на эту тему автором не проводились в силу отсутствия у него технических возможностей.

Второй способ вытекает из соотношения . Т.е., зная напряжение, ток и активную мощность можно легко определить коэффициент мощности. Далее, . По мнению автора, этот способ самый надёжный. Именно он используется в предлагаемом приборе.

Понятно, что вычислять все три мощности, угол и косинус следует только тогда, когда U<>0 и I<>0. В противном случае их можно просто обнулить без проведения каких-либо вычислений.

Схема устройства, детали

Схема электрическая принципиальная ваттметра приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

Схема устройства состоит из 2-х частей – аналоговой (слева от DIP выключателей SW1) и цифровой (справа).

Аналоговая часть состоит из измерительных трансформаторов напряжения (Т1), тока (Т2) и согласующих узлов.
Резистор R2 – потенциометр для точной настройки напряжения, поступающего на АЦП.
Т2 – токовый трансформатор Talema AC1025, нагруженный на шунт-резистор R1 номиналом 100 Ом мощностью 0.125Вт. Такие параметры резистора рекомендованы фирмой-производителем трансформатора. Кроме того, согласно исследованиям автора, такой резистор обеспечивает наилучшую линейность применяемого ТТ. Первичная обмотка – 2 витка обычного одножильного провода сечением 1-1.5 мм, этого вполне достаточно для бытовых нагрузок мощностью до 2 кВт и током до 10А. На характеристики и настройку схемы толщина этого провода не влияет.

Узел R3, C1, C3, DA1.1 – формирователь средней точки для «поднятия» синусоид на полдиапазона АЦП. ОУ DA1 – в принципе любой. Автор использовал и LM358, и rail-to-rail MCP601. По цоколёвке корпусов (по крайней мере DIP) они идентичны.

Делитель R4, R5, R6 – цепочка для измерения больших (от 4-5А) токов.
Диодные пары VD1-VD2, VD3-VD4, VD5-VD6 и R7 – классическая защита входов АЦП от перенапряжения (точнее – от выхода синусоиды за границы 0..+5в). VD1-VD4 – желательно Шоттки. Можно также применить «специализированные» диодные сборки типа BAV199 (1 сборка содержит 1 пару диодов) или аналогичные.
Все потенциометры (R2, R3 и R5) желательно многооборотные. Они позволят провести наиболее точную настройку узлов схемы.

В схеме отсутствуют какие-либо фильтры на входах АЦП по той причине, что используемые трансформаторы рассчитаны на работу с токами частоты 50/60 Гц и плохо передают сигналы высоких частот. Но детальные исследования автором не проводились за неимением необходимого оборудования (генераторы разных частот и пр.).

Для измерения тока предусмотрено 2 канала – слаботочный (T2-R7-ADC2) и сильноточный (T2-R4-R5-R6-ADC3). Такое решение вызвано тем, что большие нагрузки (4-5А и выше) приводят к появлению на выходе ТТ напряжения, превышающего по амплитуде 4.5-5в. Вершины полуволн такого напряжения будут срезаны диодной парой VD3, VD4, что означает фактическую невозможность измерения тока выше указанных значений. Микропрограмма контроллера автоматически выбирает, который из двух сигналов использовать.

Цифровая часть схемы – микроконтроллер AtMega16, стандартный алфавитно-цифровой ЖК дисплей типа HD44780 и пр. элементы. Схемы включения – стандартные для этих компонентов. При подключении дисплея следует руководствоваться документацией на конкретную модель, т.к. существуют разные их цоколёвки (распиновки). Автору известны 2. На схеме приведена наиболее распространённая.
Единственное требование к дисплею – он должен быть русифицированным, т.к. все сообщения выдаются на русском языке.

Резистор R8 – обычный (не многооборотный), служит для установки желаемого уровня контрастности изображения на LCD.
R9 и SB5 – подсветка. Номинал R9 не указан, т.к. разные модели LCD имеют разный ток подсветки. Его можно вычислить по закону Ома, используя значение тока подсветки для конкретного дисплея. Если дисплей без подсветки, то R9 и SB5 вообще не нужны.

R11, VD6 – индикатор «Питание подано».
Никаких специальных настроек цифровой части не требуется. При исправных деталях, правильном монтаже и запрограммированном контроллере схема начинает работать сразу после подачи питания.

Сам МК может быть модификаций AtMega 16/16A. Модификацию буквой L использовать нельзя – штатно она не работает на частоте 16MHz. Вопросы разгона типа «как заставить AVRы c буквой L заставить работать на частоте 16 MHz» здесь не рассматриваются. Можно использовать и другие – Mega32, 64, 128, но под них необходимо будет перекомпилировать соответствующим образом микропрограмму.

При программировании (прошивке) кроме заливки в контроллер файла wattmetr.hex также необходимо:
1. выставить режим кварцевого резонатора (CKSEL3..0=1111)
2. выставить CKOPT=0 (обязательно, т.к. кварц 16MHz)
3. выставить JTAGEN=1. Если этого не сделать, то LCD не будет корректно работать, ибо JTAG контроллер (4 старших бита PC) программно не выключается.
4. прошить EEPROM первоначальной конфигурационной информацией (файл wattmetr.eep).

Автор использовал для программирования отдельный программатор PonyProg с LPT интерфейсом. В авторской конструкции использованы контроллер в корпусе DIP, и колодка под него, поэтому на схеме и на печатной плате отсутствует разъём для подключения ISP программатора, но ножки PB5-PB7 (к ним подключается программатор) специально оставлены свободными.

Все кнопки без фиксации. Их конструкция любая, в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации. SB1-SB3 и VD5 используются только при настройке и калибровке прибора, поэтому их можно разместить непосредственно на плате, SB4 и SB2 используются ещё и для переключения режимов отображения информации на дисплее, поэтому её лучше вывести наружу либо для удобства калибровки продублировать (2 параллельно включённые кнопки – на плате и на корпусе). Для подключения дублирующих кнопок на плате сделаны специальные отводы для разъёмов.
Назначение кнопок и светодиода будет описано ниже, в разделах «Калибровка» и «Эксплуатация».

Следует отметить, что на схеме отсутствует какой-либо преобразователь уровней UART (ножки 14, 15 контроллера). Это связано с тем, что тип и само наличие либо отсутствие такого преобразователя сильно зависит от того, к чему будет подключаться прибор. Если COM-порт, то это микросхема MAX232, если USB – то что-то типа FT232BM, если к другому контроллеру, то, может быть, преобразователи вообще не нужны и т.д.

Авторская конструкция предполагает подключение к другому МК AVR, поэтому преобразователь в ней вообще отсутствует. Резистор R12 необходим для поддержания на входе Rx высокого уровня в отсутствие передачи (согласно правилам работы UART), либо когда этот интерфейс вообще не используется.

Схемы узлов на MAX232, FT232 и пр. здесь не приводятся, их можно найти в документации на эти микросхемы. Также можно использовать USB шнуры от старых мобильников с нативным интерфейсом UART (типа PL2303). Но перед этим следует убедиться, что на выходе шнура лог. уровни ТТЛ, а не RS232.
Для тестирования работы интерфейса автором использовался узел на MAX232, собранный на другой плате. Этот узел подключался к прибору стандартным аудиошлейфом от компьютерного CD/DVD привода.

Питание схемы осуществляется от любого источника постоянного тока напряжением 5в. Например, от классического блока питания на однокристальном стабилизаторе LM7805 – рис. 2. Можно также использовать любой другой БП, дающий 5в, батарейку, порт USB компьютера и т.п.

Рис. 2. Блок питания

Если предполагается запитывать схему от той же сети, куда включается измеряемая нагрузка (как, например, в быту, в квартире), то можно объединить трансформаторы T1 обеих схем. Т.е. использовать один, с двумя независимыми вторичными обмотками. Так, в авторском экземпляре использован один трансформатор с двумя вторичками по 15в каждая.

Схема собирается любым удобным способом.

К статье также прилагается чертёж печатной платы, созданный в широко известной программе . Она предполагает использование двухстороннего текстолита и реализацию небольшого количества переходных (металлизированных) отверстий. Однако, если сделать двухстороннюю разводку и металлизированные отверстия представляется невозможным (например, в домашних условиях, с использованием ), то:
1. развести на одностороннем текстолите только слой M2, содержащий основную массу всех дорожек;
2. вместо переходных металлизированных отверстий можно сделать обычные;
3. все дорожки слоя M1 (вместе с соответствующими переходными отверстиями) заменить проволочными перемычками. Очень удобно использовать для этого обрезки ножек радиодеталей, например, резисторов и конденсаторов.

Следует отметить также следующие особенности:

• Измерительные трансформаторы T1 и Т2 на плате неразведены, т.к. они могут быть разной конструкции и габаритов. Авторский экземпляр, например, использует в качестве T1 вторую обмотку трансформатора блока питания. Обмотки трансформаторов подключаются к плате проводами с разъёмами.
• R1 (шунт ТТ) на плате не разведен, его следует припаять непосредственно к выводам ТТ. Это снижает риск обрыва шунта.
• Для подключения LCD на плате предусмотрен разъём, последовательность контактов которого соответствует наиболее часто встречающейся разводке дисплея, приведенной на рис.1. При сборке устройства обязательно сверяйтесь с описанием своего экземпляра LCD, т.к. на практике встречается немало отличий – нестандартный порядок контактов, расположение их на боковой стороне платы дисплея, SMD контакты и т.д.
• На плате указан счетверённый DIP выключатель, т.к. найти в продаже тройной не всегда возможно. Если есть возможность использовать тройной, то вместо левого на плате (цепь 40-й ноги контроллера) выключателя следует запаять проволочную перемычку (либо проложить дорожку в слое M1 и сделать 2 дополнительных металлизированных отверстия).

Внимание! Автор собирал и отлаживал прибор на макетной плате, т.к. предполагается его использования в составе другого устройства. Поэтому предлагаемый чертёж п/п лишь теоретический и на практике не проверен.
БП по рис. 2 был собран на готовой п/п заводского изготовления. Её чертёж также прилагается.

Настройка схемы

Внимание! Перед настройкой схемы следует разомкнуть все 3 DIP выключателя SW1 (либо удалить МК из схемы). Если используется счетверённый выключатель, то линию 40-й ноги контроллера размыкать не нужно.
В общем случае, манипуляции DIP выключателями предпочтительнее, т.к. есть информация, что некоторые экземпляры (или модели) LCD сгорают, если сразу же по включении их не инициализировать, хотя автору такие не встречались. Если контроллер убрать, то инциализировать его будет некому.

Настройка схемы сводится к регулировке потенциометров R2, R3 и R5 в следующем порядке:
1. При отключенной нагрузке выставить с помощью R3 в точке А напряжение +2.5в относительно земли схемы.
2. Подать на T1 напряжение и выставить на выходе R2 1в относительно точки А. При наличии осциллографа проконтролировать синусоиду на выходе R2, чтобы она лежала в пределах +1..+4.5в (т.е. не обрезалась диодами VD1-VD2). Если есть лабораторный автотрансформатор, либо стабилизатор с возможностью некоторого повышения напряжения, то можно подать на вход T1 завышенное напряжение (например 260-270в) и отрегулировать синусоиду по нему, чтобы был некоторый запас по диапазону входного напряжения.
3. Подключить мощную нагрузку (4-5А – например, утюг 1 кВт) и выставить с помощью R5 на выходе делителя напряжение примерно в 5 раз меньшее, чем на его входе. Если обычным вольтметром, то относительно точки А. Если есть осциллограф, то убедиться, что синусоида с выхода делителя не обрезается диодами.

Замеры осциллографом всегда проводить относительно земли.
Если синусоида будет где-то обрезаться, то показания прибора будут неверны.
После настройки восстанавливаем связь аналоговой части схемы с МК (включаем все DIP выключатели).
Калибровка прибора описана ниже.

Микропрограмма

Микрокод контроллера написан на языке Си с использованием компилятора CvAVR.
Он постоянно опрашивает каналы АЦП, пересчитывает напряжение на его входах в реальные измеряемые величины и выводит полученные значения на дисплей.

Каждый цикл замеров длится 0.5 сек, после чего данные обрабатываются (рассчитываются измеряемые параметры) и выводятся на дисплей. Каждый замер включает в себя измерение напряжений на входах ADC1-ADC3 и расчёт предварительных величин, на основании которых вычисляются искомые напряжение, ток и пр. Подробнее этот подход описан ниже.

Замеры проводятся по прерываниям таймера TC0 с частотой 5 кГц.
Т.е. 100 раз за период (20 мс), в прерывании таймера, снимаются замеры со всех 3-х каналов АЦП (ADC1-ADC3). По истечении 0.5 сек таймер выключается и проводятся расчёты. Замер напряжения средней точки (ADC0) проводится каждый раз перед запуском таймера. Эти позволяет снизить влияние случайных пульсаций напряжения средней точки на показания прибора.

Теперь рассмотрим способы измерений физических величин, реализованные в микрокоде контроллера.
Теоретические подходы к измерениям различных электрических величин были приведены выше, но здесь необходимо рассмотреть практические отличия от теории и особенности реализации этих замеров.
Все формулы, приведенные в теоретическом введении в непосредственном виде реализовать в микроконтроллере очень сложно, если не сказать, что это невозможно вообще.

Дело в том, что все они всегда подразумевают, что все входящие в них величины (например, мгновенные напряжение и ток) – вещественные (с плавающей точкой, если говорить языком программирования) числа. Но в микроконтроллерах вообще, и в AVR в частности, нет арифметического сопроцессора, способного пусть даже за 10 тактов сложить или перемножить два таких числа. Такие действия проводятся путём программной эмуляции, которая работает очень медленно. Не говоря уж о длительных, итерационных алгоритмах извлечения квадратного корня и вычисления тригонометрической функции arccos (арккосинус), используемой при вычислении φ.

Иными словами, если реализовать подобные действия в обработчике прерывания, вызывающемся даже раз в миллисекунду, то такой обработчик не сумеет завершиться в течении 1 мс, что в лучшем случае приведёт к жутким «тормозам», а скорее всего – к полному зависанию контроллера. И то, и другое фактически означает полную неработоспособность прибора.

Можно использовать другие способы их вычисления, такие как табличные алгоритмы (для квадратного корня и арккосинуса) и манипулирование «масштабированными» величинами (например, ток можно вычислять не в дробных амперах, а в целочисленных миллиамперах – 1.253A=1253mA) и т.п. Но у них немало своих недостатков – программный код «раздувается» лишними операциями, делая и без того достаточно непростые алгоритмы путаными и малопонятными. Кроме того, при этом возрастает и расход памяти (и RAM и Flash), которой в МК и без того порой очень не хватает. Также нередко страдает и точность таких расчётов.
В то же время, несложные математические преобразования теоретических формул позволяют полностью уйти от всех этих проблем при сохранении возможности использования плавающей точки и функций sqrt и arccos из стандартной библиотеки языка Си.

Рассмотрим этот способ на примере вычисления напряжения.
В теоретической части статьи приведена формула (1), где u i – мгновенное значение напряжения, которое, в свою очередь, вычисляется как u=K*u adc (2), где u adc - напряжение на входе АЦП, K – константа, учитывающая общий коэффициент деления трансформатора T1 и делителя R2. Согласно документации на МК (3). Подставляя (3) в (2), а затем в (1), получим , где ADC i - значение, считываемое из регистра данных АЦП по завершении измерения. А это – величина сугубо целочисленная и даже беззнаковая.
Отсюда следует, что возведение в квадрат (по сути умножение) и суммирование (которые необходимо проводить в теле обработчика прерываний таймера TC0) – целочисленные операции, с которыми МК (не забудем, что в его составе есть аппаратный целочисленный умножитель) справляется без труда за 1-2 такта. А имея на руках целочисленную сумму квадратов мгновенных отсчётов АЦП за какое-то кол-во периодов частоты и зная их кол-во (N в вышеприведенных формулах), можно прекратить замеры и проводить все дальнейшие расчёты уже с использованием плавающей точки и стандартных математических функций языка Си.

Также, непосредственно после замера каждого канала из считанного кода АЦП вычитается код с канала ADC0 (средняя точка), компенсируя тем самым поднятие синусоид вверх на 2.5в.

Родственные утверждения справедливы и для тока (там только другой коэффициент K, учитывающий связь ток нагрузки – напряжение на шунте R1) и для активной мощности.

Для косинуса и пр. величин никаких преобразований формул не требуется, т.к. все они рассчитываются вне прерывания таймера на основе уже имеющихся напряжения, тока и активной мощности.

Существенным недостатком предлагаемой прошивки является практически полное отсутствие механизмов компенсации нелинейности ТТ. Причин тому две.

Первая и основная – отсутствие у автора некоего испытательного стенда для создания различных токов нагрузки с целью построения точного графика зависимости напряжения на выходе ТТ от тока нагрузки. Бытовые приборы для этого слабо подходят, т.к. они не позволяют равномерно исследовать полностью весь диапазон токов. Графики, приведенные в ДШ на ТТ, также не годятся, т.к. они слишком мелкие и слишком грубые для подобного рода задачи. Этим недостатком страдают ДШ на многие модели ТТ.

Вторая – возможная нехватка у использованного МК оперативной памяти RAM для реализации подобного алгоритма. Возможно, необходима замена на другой МК с большим объёмом памяти, например, на AtMega32. Однако детальные исследования в этом направлении не проводились в силу первой причины.
Этот недостаток отчасти компенсируется наличием 2-х каналов измерения тока и управляемым порогом переключения между ними, т.к. для каждого канала используется свой калибровочный коэффициент. Т.е. можно добиться приемлемых показаний для наиболее часто измеряемых нагрузок.

Ещё один недостаток – прибор иногда показывает отрицательную активную мощность P (чего быть не может, если, конечно, не воткнуть в розетку электрогенератор J). Это происходит из-за несихронизиванности измерений с сетью – т.е. измерения надо начинать с началом периода, но в предлагаемых схеме и микрокоде подобная синхронизация.

Т.к. ошибка касается только знака мощности, то данный недостаток отчасти можно «скомпенсировать» использованием P по модулю, что задаётся в настройках.

Калибровка/настройка прибора

Т.к. прибор измерительный, то перед эксплуатацией его необходимо откалибровать.
Калибровка производится с помощью кнопок SB1-SB4. Вход в режим настроек/калибровки и переключение этапов калибровки осуществляется кнопкой SB1. В некоторых случаях на экране может отображаться несколько значений, но изменяемое на каждом этапе значение всегда одно, оно заключено в угловые скобки "<", ">". Остальные приводятся для справки и общей информации.

Редактируемые значения можно изменять кнопками SB2, SB3 – уменьшить/увеличить соответственно. Все значения (если не указано иное), следует задавать с точностью до сотых. Режим точности задаётся кнопкой SB4 и отображается светодиодом VD5. Если VD5 включён – шаг изменения равен 0.01 (повышенная точность), иначе – 0.1.

Ход калибровки/настройки:

1. Подать питание на схему.
2. Нажать SB1. Прибор перейдёт в режим настроек, на дисплее появится надпись «Настройки», затем, спустя примерно 1 сек, «U питания (опоры)». Здесь следует указать напряжение питания схемы, либо напряжение опоры (ножка AREF контроллера).
3. Нажать SB1. Появится надпись «Вольтметр». Число справа от неё – действующее переменное напряжение на входе ADC1 (относительно точки A), во 2-й строке – коэффициент пересчёта напряжения ADC1 в результирующее напряжение и редактируемое, т.н. «желаемое» напряжение – какое мы хотим видеть на дисплее. Здесь следует выставить желаемое напряжение (по эталонному вольтметру). Коэффициент пересчёта вычисляется автоматически.

Далее аналогичным образом калибруются оба канала амперметра, задаётся порог переключения каналов измерения тока и режим использования активной мощности – как есть либо по модулю.. Далее можно сохранить настройки в EEPROM контроллера либо восстановить умолчания (т.н. «заводские» настройки).
Каналы тока обозначаются как Lo (ADC2) и Hi (ADC3). Их калибровать необходимо с подключенным последовательно с нагрузкой эталонным амперметром.

Канал высокого тока (Hi) следует калибровать на мощной (1 кВт и выше) нагрузке. Это связано в тем, что низкие токи нагрузки дают низкое напряжение на выходе ТТ, которое, будучи ещё и уменьшенным делителем R4-R6, может уйти в область шумов и погрешностей АЦП. В итоге показания м.б. неверны.
Порог переключения задаётся в амперах с точностью до десятых. Используя эту величину контроллер выбирает, какой канал тока использовать для отображения на дисплее и дальнейших вычислений S, P, Q и пр. Подбирать порог следует так, чтобы контроллер измерял неискажённую диодами VD3, VD4 синусоиду. По результатам исследования автора вполне приемлемой является величина в 4А. Это обычно чуть меньше тока потребления утюга в 1 кВт. Для диагностики работы порога можно использовать ножку 19 (PD5) контроллера. Лог. 0 на ней формируется, если прибор использует канал Lo, 1 – Hi. При желании можно подключить к этой ножке диагностический светодиод.

«Заводские» установки:
Опора АЦП (напряжение питания) – 5в.
Коэффициент пересчёта напряжения – 150.
Коэффициент пересчёта канала низкого тока – 1.30.
Коэффициент пересчёта канала высокого тока – 6.50.
Порог переключения каналов тока – 4.00 А.
Профиль отображения – 1.
Режим активной мощности – «как есть».

Эксплуатация прибора

Пользоваться предлагаемым устройством очень легко.
Сразу же после включения питания появляется приветственное сообщение, спустя 1 секунду прибор переходит в рабочее состояние и начинает отображать измеренные параметры на дисплее. Показания обновляются примерно раз в секунду.
Устройство имеет два т.н. «профилей отображения» - наборов одновременно отображаемых параметров:

1. 1-я строка дисплея – U, I, S; 2-я – P, cos(φ),φ.
2. 1-я - U, I, S; 2-я – P, Q, φ.

Набор профилей и их состав фиксированы, никаких средств модификации не предусмотрено.
Для смены профиля необходимо нажать кнопку SB4 и держать её до появления на дисплее надписи «Профиль изменён». После появления этой надписи кнопку отпустить.

«Заводские» настройки содержат активным 1-й профиль. Запомнить текущий профиль, чтобы прибор при включении сразу его использовал, можно кнопкой SB2. Кнопку SB2 необходимо держать до появления надписи «Профиль запомнен». При калибровке прибора текущий профиль не меняется, однако при сбросе настроек в заводские, текущим становится профиль 1.

Автоматически выбор профиля не сохраняется. Это сделано с целью экономии ресурса EEPROM.
На состав информации, выдаваемой по UART выбор профиля никак не влияет.

Следует также обратить внимание на следующую особенность – ТТ с первичной обмоткой по функционированию и конструктивно похож на антенну радиоприёмника. По такому принципу работают устройства поиска скрытой в стенах проводки и родственные конструкции. В связи с этим при отсутствии нагрузки прибор иногда показывает «мусор» - какой-то наведенный помехами ток и мощности. На результаты измерений при подключенной нагрузке эти наводки не проявляются.
Никаких средств по борьбе с этим явлением не предусмотрено.

По мнению автора, наиболее кардинальным способом побороть это является установка в розетку для нагрузки какого-то микровыключателя и опрос его в микрокоде. Если выключатель разомкнут, нагрузка не подключена и замеры тока не производятся либо игнорируются (ток принудительно выставляется в ноль).

Интерфейс обмена данными по UART

Предлагаемый прибор имеет возможность выдачи результатов измерений через стандартный последовательный интерфейс UART. Т.о. можно использовать его в составе более сложных устройств либо подключать его к компьютеру для автоматизированного сбора информации.
Параметры обмена данными – 38400, 8N1.
Протокол обмена очень прост – по однобайтовой команде 0xAA контроллер выдаёт блок информации размером 15 байт следующего формата – табл. 1.

Таблица 1.

Следует отметить следующую особенность протокола – все величины передаются в целочисленном формате (токи в миллиамперах, косинус, который всегда меньше 1, умноженным на 100). Это сделано по следующим причинам:
- целые числа занимают меньше места – 1 или 2 байта. Числа с плавающей точкой в используемом диалекте языка Си – всегда 4 байта. Кроме того, все выдаваемые величины укладываются в целочисленный формат без каких-либо значимых потерь точности.
- т.к. заранее неизвестно, вычислительная система какой архитектуры будет подключена к прибору, то формат плавающих чисел может оказаться совершенно иным, чем применяемый в приборе, что внесёт дополнительные сложности в декодирование блока данных.

Двухбайтовые числа передаются в формате т.н. маленького индейца – т.е. сперва идёт младший байт, затем старший.
Также имеют место особенности:
- возможность калибровки и считывания калибровочной информации через UART отсутствует;
- в режиме калибровки интерфейс UART недоступен (МК не реагирует на него). Запросы данных, присланные в то время, пока шла калибровка теряются;
- МК может отсылать информацию примерно раз в секунду (после оконцания замеров и вычисления всех измеряемых величин), это следует учитывать при разработке системы опроса прибора. Поэтому не стоит «заваливать» его запросами данных, это может помешать работе измеряющего модуля.

Для иллюстрации работы с прибором автором разработано демонстрационное Windows приложение WinAppWattmeter.exe для ПК. Оно написано на C# и работает в среде WinXP и выше. Также необходимо наличие платформы.NET 2.0 и одного COM-порта (физического либо виртуального USB), куда следует подключить прибор. Исходники этого приложения компилируются в среде VS.NET 2005 и выше. Версии VS Express и.NET Compact не проверялись.

Технические характеристики, достоинства и недостатки прибора

Достоинства:

1. Полная гальваническая развязка от измеряемой сети.
2. Возможность питания от любого источника – БП, батарейки, USB порт компьютера и т.п.
3. Широкий диапазон настроек.
4. Доступная элементная база.
5. Большой спектр измеряемых величин.
6. Возможность передачи результатов измерений в другие вычислительные системы (например, в ПК).

Недостатки:

1. Нелинейность ТТ ведёт к погрешностям измерения тока на всём диапазоне. Это существенно затрудняет оценку точности измерений (какие-то диапазоны токов измеряются точно, остальная часть с погрешностями, причём разными). Эти диапазоны сильно зависят от коэффициентов, регулируемых в режиме калибровки прибора, поэтому не являются фиксированными. Например, можно откалибровать так, что на малых нагрузках типа зарядок для мобильников, паяльников или квартирных лампочек показания будут правильными, а более мощные (утюги, фены, электрические плиты, духовки, микроволновки, стиральные машины) будут измеряться с ошибками.
2. Сам ТТ может оказаться труднодобываемой и дорогостоящей деталью.
3. При отсутствии нагрузки прибор иногда показывает какой-то ток, наведенный в первичной обмотках ТТ и, как следствие, какие-то мощности и пр. параметры.

Детальные технические характеристики прибора не приводятся, т.к. имеются довольно широкие возможности по его настройке и регулировке.

Используемая модель ТТ потенциально позволяет измерять токи до 25А, но для полного использования этого диапазона необходимо дорабатывать входной (аналоговый) каскад схемы и микрокод.
Диапазон измеряемых напряжений также зависит от используемого трансформатора. Если обычный, «из блока питания», то это «стандартный» диапазон порядка 180-250в, а если взять какой-то специально изготовленный трансформатор, то можно измерять и 380 вольт.

Диапазоны значений величин, обусловленные используемыми типами данных и алгоритмическими особенностями микрокода – U=1..999в, I=1мА..65А, S/P/Q – каждая 1..999 соответствующих единиц.
Ток потребления схемы составляет 28-30 mA без учёта тока подсветки дисплея. Этот ток разный у разных моделей LCD. Его типовое значение – 100-120 мА.
Также, ток может немного отличаться от приведенных значений при использовании разных моделей LCD и ОУ.

Фотографии

В завершение несколько фотографий устройства.

Блок питания. Трансформатор физически один, с двумя независимыми обмотками. Одна обслуживает сам БП, 2-я (2 жёлтых провода справа) – измерительный Т1.

Макетная плата устройства. Замечание (ещё раз): это – макетный экземпляр. По чертежу Sprint п/п не изготавливалась, т.к. планируется эксплуатация прибора в составе другого изделия, которое пока в разработке. Поэтому на две колодки, второй дисплей и светодиод слева просьба внимание не обращать. К описываемому прибору они отношения не имеют.

Паяльник на 25W. Профиль отображения 2.

Без нагрузки. Профиль отображения 2. Ловим наводки и глюки на обмотку ТТ. Результат – «левый» ток 68 мА со всеми вытекающими.

То же самое, что и выше, но без наводок. Профиль отображения 2.

Утюг 1кВт. Профиль отображения 1. Отрицательная активная мощность J - режим «коррекции» отключен. Светится второй слева светодиод – признак использования канала высокого тока (ножка 19 (PD5) контроллера). Задан порог – 4А

Список прилагаемых материалов

Wattmetr-Mega16-16MHz.zip – микропрограмма контроллера с исходниками . Также в архиве есть готовый файл микрокода wattmetr.hex и файл заводских установок (EEPROM) - wattmetr.eep.
WinAppWattmeter.zip – демонстрационное приложение с исходниками (.NET 2.0, С# под VS.NET 2005+). Там же готовый exe файл (без вирусов).
Plata\*.* - чертежи печатных плат в формате.lay (Sprint 5).

1. Л.А. Бессонов, Теоретические основы электротехники, изд. 9, в 2-х томах. Москва, «Высшая школа», 1996.
2. Электронный фазометр - http://kazus.ru/shemes/showpage/0/104/1.html Он же - Радио №5, 1990 г., стр.56
3. Atmel AVR465: Single-Phase Power/Energy Meter with Tamper Detection.
4. Цифровой ваттметр на МК - http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/23/
5. Трансформатор тока - http://bsvi.ru/transformator-toka/
6. Современные промышленные датчики тока. «Современная электроника», октябрь, 2004 г.
7. Измерение действующего значения напряжения - http://arv.radioliga.com/content/view/107/43/

Список радиоэлементов

Разрабатывать такие приборы для постоянного тока не имеет смысла ввиду того, что в этом случае все очень просто вычисляется с помощью известных законов и математических формул, при этом из измерительных приборов потребуется только амперметр. Для переменного тока все немного сложнее и раньше аналоговые ваттметры для переменного тока, хоть и обеспечивали высокую точность, были сложны в производстве, не говоря уже о цифровых ваттметрах и возможности сборки подобных приборов в домашних условиях. Современные технологии и элементная база позволяют проектировать многофункциональные устройства при минимальных затратах. Дешевые микроконтроллеры (МК) с богатой периферией и мощными вычислительными способностями заметно упрощают создание различных систем автоматизации и управления. Интегрированная прецизионная аналоговая периферия, а в некоторых МК и подсистема цифровой обработки сигналов, дают возможность разрабатывать многофункциональные измерительные приборы.

Цифровой ваттметр, конструкцию которого мы рассмотрим, предназначен для измерения потребляемой мощности устройств, подключенных к сети переменного напряжения 207 - 235 В / 50 Гц. Основным элементом ваттметра является 8-разрядный PIC микроконтроллер компании серии , который с помощью внешних АЦП выполняет измерение протекающег через нагрузку тока, напряжения на нагрузке, вычисляет действующее значение напряжения (эффективное значение) в сети, действующее значение тока и среднее значение потребляемой мощности. Все указанные параметры отображаются на двухстрочном символьном ЖК индикаторе.

Прибор не имеет отдельного источника питания. Используется встроенный сетевой блок питания, благодаря чему микроконтроллерная часть прибора полностью изолирована от аналоговых узлов, находящихся под напряжением сети.

Принципиальная схема

Схема и проект печатной платы разработаны в бесплатной среде проектирования SoloPCB tools. Принципиальная схема прибора изображена на Рисунке 2. Полный список примененных компонентов приведен в Таблице 2.

Для вычисления потребляемой мощности нам необходимо знать напряжение на нагрузке и потребляемый нагрузкой ток. Напряжение, которое должно быть измерено, является напряжением сети переменного тока, поэтому необходимо учитывать, что оно может быть в диапазоне 207 В - 253 В. С целью повышения точности измерений необходимо выполнять измерение напряжения сети, а не использовать в расчетах фиксированное среднее значение 230 В.

Линии сети электропитания подключаются к разъему J1 (AC IN, вход переменного напряжения). Аналоговый узел для измерения напряжения сети состоит из резистивного делителя (R1, R2 R3), прецизионного источника опорного напряжения (U3) и АЦП (U5). Резистивный делитель, включенный между фазой и нейтралью, предназначен для понижающего масштабирования напряжения с коэффициентом R1/(R1+R2+R3)=1/201 . Таким образом мы понижаем пиковое значение напряжения величиной ±320 В в уровня ±1.59 В. Затем с помощью источника опорного напряжения REF03 () мы задаем смещение этого напряжения вверх на величину 2.5 В, и в результате диапазон ±320 В будет соответствовать входному диапазону АЦП 0.91 В - 4.09 В.

После масштабирования и смещения напряжение на резисторе R2 считывается аналого-цифровым преобразователем (U5) MCP3202 (Microchip) и передается в 12-разрядном формате по интерфейсу SPI в микроконтроллер. Для изолирования микроконтроллера от аналоговых узлов используются высокоскоростные оптопары HCPL-0630 . Второй канал АЦП используется для измерения опорного напряжения 2.5 В - это значение будет использоваться в качестве поправочного коэффициента в расчетах.

Линии сети переменного тока, нейтраль и заземление от разъема J1 непосредственно подключаются к выходному разъему J2 (AC OUT), линия фазы проходит через датчик тока (U4) ACS712-20A компании . Это малошумящий аналоговый датчик тока на основе эффекта Холла с гальванической развязкой от измеряемой линии и возможностью измерения постоянного и переменного тока. Для повышения шумовых характеристик и точности измерений имеется вывод для подключения фильтрующего конденсатора. При нулевом токе выходное напряжение датчика составляет 2.5 В. При протекании тока через выводы IP+ и IP- выходное напряжение датчика меняется в соответствии с масштабным коэффициентом 100 мВ/А, следовательно, при протекающем токе +20 А выходное напряжение составит 4.5 В и 0.5 В при токе -20 А. Аналоговое значение датчика тока преобразуется в цифровую форму с помощью еще одной микросхемы АЦП MCP3202.

Датчик тока имеет диапазон измерений ±20 А, но, учитывая ограничения по току для разъемов и держателя предохранителя, узел измерения переменного тока защищен предохранителем 16 А, включенным в фазовую линию.

Для питания аналоговых узлов и микроконтроллерной части используется трансформаторный блок питания (Рисунок 3). Трансформатор имеет две идентичные вторичные обмотки, с которых снимается переменное напряжение 6 В. Далее напряжение выпрямляется и стабилизируется с помощью микросхемы (U1, U2) с типовой схемой включения. Светодиоды D2 и D3 предназначены для индикации напряжения питания.

В ваттметре используется 8-разрядный МК PIC18F252. Он выполняет считывание значений напряжения и тока, выполняет вычисление их среднеквадратичных значений и среднее значение потребляемой мощности. Непосредственно к МК подключен ЖК индикатор, на котором отображаются указанные значения. Может использоваться как 4-, так и 8-битный режим работы. Для работы с внешними АЦП используется интегрированный в МК модуль SPI интерфейса. Несмотря на то, что в схеме используется кварцевый резонатор 20 МГц, микроконтроллер тактируется частотой 5 МГц. Для программирования микроконтроллера предусмотрен разъем ICSP (J3) (Рисунок 4).

Таблица 1. Список использованных компонентов.

Печатная плата

Проект печатной платы тоже выполнен в среде SoloPCB. Проектирование прибора в качестве портативного устройства было хорошей идеей, при этом контур печатной платы был спроектирован в Autocad и затем экспортирован в среду SoloPCB (Рисунок 5).

Печатные проводники силовых линий (фаза, нейтраль, заземление), соединяющие входной (AC IN) и выходной (AC OUT) разъемы, сделаны широкими, насколько это возможно, все блокировочные конденсаторы расположены как можно ближе к микросхемам. Шины аналоговой (AGND) и цифровой «земли» (DGND) выполнены отдельными. Все компоненты расположены на верхнем слое.

Примечание:

При проектировании схемы и печатной платы в среде SoloPCB некоторые элементы, которые отсутствовали в библиотеках, были созданы вручную. Библиотека этих элементов входит в состав архива с проектными файлами, который вы сможете скачать в секции загрузок.

Программа микроконтроллера

Как мы заметили выше, микроконтроллер считывает значения напряжения и тока каждую 1 мс и накапливает 40 измерений каждого параметра, что соответствует двум периодам для частоты 50 Гц. Затем выполняется вычисление действующих значений и потребляемой мощности. Период 1 мс генерируется с помощью встроенного таймера Timer A, работающего в 16-битном режиме с выработкой сигнала прерывания по переполнению.

После получения всех выборок выполняется вычисление действующих (среднеквадратичных) значений напряжения и тока по формуле:

Следует заметить, что полученные выборки содержат также фазовое соотношение между напряжением и током. Таким образом, активная мощность переменного тока, которая вычисляется по формуле (V×I×cosθ ), может быть получена вычислением средней мощности с использованием следующей формулы:

Все вычисленные значения отображаются на экране ЖК индикатора. Для работы с индикатором применяется библиотека lcd.h для компилятора CCS C.

На рисунках ниже изображены измерения с помощью цифрового ваттметра: Рисунок 6 - потребляемая мощность паяльной станции в режиме нагрева, Рисунок 7 - водонагревателя мощностью 2 кВт.

Загрузки

Листинг исходного кода программы микроконтроллера (компилятор CCS C) -

Проектные файлы SoloPCB (схема, печатная плата, библиотеки элементов) -

Измеритель активной потребляемой электрической мощности с высокой точностью, на основе специализированной микросхемы ADE775x, применяемой в современных электросчетчиках.

На основе ADE775x и плюс несложная схема на ATmega8, возможно создание прибора измеряющего активную потребляемую мощность, а также учет потреблённых киловатт часов от сети 220 вольт.

Для этого нужно собрать несложную схему на МК ATmega8, в виде отдельной приставки к бытовому электрическому счётчику или встроить эту схемку внутрь корпуса счетчика.

(ВНИМАНИЕ! прикрутить не к действующему прибору учета, а как отдельное устройство , после запломбированого прибора учета)

Все нужные файлы, для сборки такого прибора есть в этой статье.

Теперь всё по порядку, чтобы сэкономить трудозатраты на изготовление измерителя мощности, лучше купить готовый электросчетчик минимальной ценовой категории, со всеми требуемыми входными и нагрузочными цепями, и что очень важно это готовый корпус счетчика.

Вот такой счетчик был приобретен в электротоварах,

взамен штатного счетного механизма встраивается ЖК дисплей вместе с платой ваттметра.

прибор в сборе

Автор прошивки clawham , он разработал программу для универсального многоканального счетчика - ваттметра (он же измеритель активной мощности), на распространенном МК ATmega8 , с индикатором 16х2 , схема универсально может подстраиваться под схему любого электронного счетчика (проверено на счетчиках которые имеют в своём составе микросхему ADE775х у которых колич. импульсов 1600 на один кВт/ч и 6400имп на один кВт/ч ) замер активной мощности происходит с 0,1 ватт, максимум измерения зависит от параметров используемого счетчика, шаг измерения 0,1 ватт.
Здесь приводится описание работы и вывода показаний для дисплея 16х2 .

Описание меню.
1) " Выбор № персонального " счета кВт/ч с фиксацией времени периода активности ячейки
2) "Просмотр персонального " счета кВт/ч, 20 ячеек ( та которая выводится в первой строке, при нажатии кнопок"вправо/enter" обнуляется. )
3) "Сброс общего " (тотального) кВт/ч, (на персональные счета не влияет )
4) "Сброс текущего " счета кВт/ч, (в EEPROM не сохраняется )
5) >>НАСТРОЙКИ <<
5.1) "Частота кварца " настройка коррекции тактов кварцевого резонатора ATmega8 на 1 секунду (влияет только на расчет ватт)
5.2) "Ватт на герц " установка кол-ва ватт на 1 герц
5.3) "Импульс на кВт/ч " это количество импульсов со счетчика на 1 кВт/ч (доп. выводится калькулятор соотношения импульсов счетчика на ватт на герц )
5.4) "Тактов в секунду " внутренняя переменная внутренних часов на выводе PB1 она выдаёт импульс 0.5Гц, если часы спешат - число надо увеличивать, если отстаёт - число надо уменьшать.
5.5) "Калькулятор стоимости " Предварительно обсчитывается стоимость энергопотребления нагрузки за месяц и год.
Цена указывается в копейках для экрана двухстрочного и в гривнах для прошивки под 4 строки
5.6) "Сигнал превышения порога мощности " настраивается на любое потребление от ватта до максимальных киловатт, сигнал выводится на порт РС0 , в виде логической 1 .
5.7) <Вост. умолчания > восстановить настройки умолчания.
5.8) <Сохранить настройки > - пока вы не нажали этот пункт - всё действует только до выключения.
Сохраняются в EEPROM такие данные;
а ) общие настройки,
б ) тотальные показания (общая сумма всех счетчиков ) с фиксацией и отображением часов, периода работы активного состояния ваттметра.
в ) 20 персональных ячеек показаний кВт, с фиксацией и отображением часов, периода работы активного состояния отображаемой ячейки
Для тотальных и персональных данных за сохранение в память при обесточке схемы, отвечает вывод INT 0 он подсоединен через резисторный делитель, который подсоединен 2кОм на землю и 4.7кОм на + 12 V питания кренки.

Визуальная навигация по меню ваттметра.

Фьюзы многоканального счетчика - ваттметра для PonyProg

Прошивка 16х2 _Wattmetr .rar

Ваттметр в Proteus.

Варианты применения ваттметра счётчика разнообразны, например, если использовать как переносной прибор можно измерять диагностировать конкретную нагрузку (возможности широки, от светодиодного светильника до сварочного аппарата) и получать такие данные; потребляемую мощность наблюдать визуально, а потреблённая мощность в кВт/ч. будет запоминаться в персональной ячейки для каждой нагрузки.
Если счетчик - ваттметр использовать стационарно, то здесь возможно так же наблюдать визуально потребляемую мощность всего жилого или производственного помещения, и можно вести статистику потребляемой мощности в кВт/ч. ежедневную или помесячную с поочерёдной записью данных кВт/часов в персональные ячейки.
Использовав специфику схемы (например щитовая находится в отдаленном месте) саму схему ваттметра можно вывести в удобное место для обзора, используя обыкновенный слаботочный двухжильный провод типа «лапша».

Более того, благодаря тому что автор придумал такое универсальное меню в этом ваттметре, возможность подстроится под любой счетчик, можно использовать электросчётчик установленный местными электросетями, снимая информацию о потребляемой мощности с мигающего светодиода, фотоприёмником, и так же наблюдать визуально потребляемую мощность на ЖКИ дисплее и вести статистику потребляемой мощности в кВт/ч. ежедневную или помесячную.

Обсуждение темы ваттметра на радиокоте.

Аналоговое преобразование в цифровую частоту происходит с помощью микросхемы ADE7755 или ADE7751 , это специальная микросхемы серии ADE775х для применения в электронных счетчиках, применение происходит в промышленных масштабах (24-выводной корпус SSOP (RS-24))

Микросхема ADE775x - высокоточная ИС, предназначенная для простых, электронных счетчиков потребления электрической энергии. Технические характеристики этой ИС превосходят требования по точности IEC1036.

Особенности микросхемы ADE7755

Высокая точность; поддерживает стандарт 50 Гц/60 Гц I ЕС 687/1036. Ошибка менее 0,1% при динамическом диапазоне 500:1 ИС ADE7755 выдает значение средней активной мощности на частотных выходах F1 и F2. Высокочастотный выход CF предназначен для калибровки и выдает значение мгновенной активной мощности. Совместимость по выводам с микросхемой AD7755 с синхронными выходами CF и F1/F2. Логический выход REVP можно использовать для индикации возможного неправильного подключения к сети (отрицательной мощности). Прямое управление электромеханическими счетными механизмами и двухфазными шаговыми двигателями (выходы F1 и F2). Усилитель с программируемым коэффициентом усиления в канале измерения тока, позволяет использовать шунт, с малой величиной сопротивления. Собственные встроенные АЦП и цифровой сигнальный процессор обеспечивают высокую точность в широком диапазоне условий и долговременную стабильность. Встроенный контроль напряжения источника питания. Встроенная защита от самохода счетчика (имеется порог мощности нагрузки, начиная с которого счетчик работает). Встроенный источник опорного напряжения 2,5 В+8% (типичный дрейф составляет 30-10-6/°С) с возможностью подключения внешнего источника опорного напряжения Один источник питания 5 В, низкая потребляемая мощность (типичное значение 15 мВт). Недорогая КМОП технология.

Многие отечественные производители электронных счетчиков расходуемой электроэнергии применяют этот зарубежный аналог- специализированную микросхему ADE775x , для питания которой достаточен простой стабилизированный однополярный блок питания.

ADE7755: Интегральная Микросхема счетчика электроэнергии с импульсным выходом Data Sheet (pdf, 1221 kB)

Схема простого однофазного счетчика электроэнергии на основе ADE7755

Счетчик электроэнергии на микросхеме ADE7755 (pdf, 463 kB)

Проектирование однофазного многофункционального счетчика энергопотребления на основе

микросхем семейства ADE71xx/ADE75xx Application Note (pdf, 4163 kB)

Небольшое видео, сварочный аппарат подключен через ваттметр.