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)

 Несколько слов, поясняющих, почему точное значение мощности нельзя получить, просто взяв и перемножив ток на напряжение.

  Такой способ — вполне корректен для «идеального» синуса, у которого ток точно совпадает по фазе с напряжением; но в наших розетках нет идеального синуса и нет точного совпадения по фазе тока и напряжения!

   Вот пример осциллограммы напряжения в розетке:

   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, разный для разных гармоник сигнала, 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.

   Раскрываем прибор:

   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»:

   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.

Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

   Кроме протестированного варианта ваттметра в таком же корпусе выпускается ваттметр на основе другого процессора. Он не тестировался, но, вероятно, должен показать аналогичные характеристики.

   Всем спасибо за внимание!