Справочници, схемотехника, теория > Теория на измерванията
Универсален метод за измерване на мощност
tsvetan.filev:
Здравейте.
Доста време не бях влизал във форума.
Разледах как се е развил и въпреки че съм запознат с много от темите пак намерих полезни неща.
За това реших и аз да споделя малко опит и да добавя към общото знание.
От много време се опитвах да намеря евтин и точен метод за измерване на мощност на произволен по форма и вид сигнал.
Осцилоскопи много, но скъпи. Ватметри много, но скъпи. Домашни уреди за мощност много и евтини, но нечувствителни. Електромерите - скъпи.
Тогава се сетих за дефиницията на електрическа мощност, която бях учил в техникума и университета: Електрическата мощност е пропорционална на отделената температура T от съпротивление R през което тече ток I, под напрежение U за единица време t.
http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_power
Необходими елементи:
- Съпротивление 1 ом съобразено с максималната мощност, която може да мине през него без да изгори (Pr = Ur.Ir). Продават тук http://www.comet.bg/main/index.html (както и на много други места :) )
- Кутия за съпротивлението (може от PVC)
- Arduino uno платка http://www.robotev.com/product_info.php?cPath=1_21&products_id=269
- Инфрачервен безконтактен термометър MLX90614ESF-BAA http://www.robotev.com/product_info.php?cPath=1_29&products_id=266
- Програма за измерване на температурата
http://bildr.org/2011/02/mlx90614-arduino/
http://code.bildr.org/download/777.zip
- Свързващи проводници
- Програма за четене на данните от серийния порт и съхраняване в база данни
- Програма за визуализация и изчисляване на резултатите
Метода е универсален. Това значи, че с него може да се мерят сигнали с произволна форма и честота, без значение променливи или постоянни.
Пояснения:
Метода е малко капризен от към стайна температура и трябва да се внимава, но пък е доста лесен и евтин за реализация.
Единствено трябва да се знае порядъка на сигнала, за да не изгори съпротивлението R, когато се закачи директно към източника.
R се поставя в кутия, а над него на 1-2 см се фиксира термо сеонзора и се облепя със скоч за по-добро измерване.
Съпротивленията са симетрични устроиства: съпротивлението в двете посоки на свързване е едно и също, следователно и отделената топлина е една и съща.
Съпротивлнението действа като интегратор http://en.wikipedia.org/wiki/Integral и в резултат се акумулира температура, равна на площта на мощността без значение от формата на сигнала.
Съпротивленията се продават с даден толеранс, но това не води до грешка, понеже чрез тока и напрежението лесно може да се изчисли точно колко е то (R = U/I).
Грешката на метода идва от флуктуации в захранването на сензора за температура и флуктуации в измерването (периодични промени на стойностите с времето). Но те са отстраними и най-често грешката е една и съща и не влияе много на измерването.
Метод:
- Дадено помещение (стая) се затваря плътно и чрез климатик се климатизира до дадена температура (например 26 градуса C).
Забележка: Обикновено изчаквам 1 час, но може и 20 минути.
- Съпротивление R (1 ом) се закача към източник на напрежение (обикновено трансформатор) и се измерва напрежението Ur и тока Ir.
Забележка: Измеренето Ur е по-малко от напрежението на свободен ход (без товар), понеже обикновено трансформаторите нямат стабилизатор на напрежение и то пада
- Изчислява се мощност Pr (W) = Ur (V) .Ir (A)
- След 1 час (може и по-малко) измервам температурата Т1 на свързаното съпротивление R към източника
- Изчислявам температурата за 1 W: 1 (W) = Tx (градуса C)
- Закачам консуматора, който искам да измеря последователно на съпротивлението R
- След 1 час (или по - малко), меря температурата T2 на съпротивлението R
- Изчислявам консумираната неизвестна мощност Px (W) според T2
Формули:
Pr (W) = Ur (V) * Ir (A)
R (ohm) = Ur (V) / Ir (A);
temp_for_one_watt (C) = T1 (C) / Pr (W)
Px (W) = T2 (C) / temp_for_one_watt (C)
Забележка: това в скобите са мерните единици
Пояснения:
Измерването на температурата се прави в период от няколко минути и след това се извлича средната стойност поради флуктуациите на стойностите от термодатчика.
Аз мерих импулсна мощност от сорта на 0.3 W, но може и по-слаби, просто по-прецизно трябва да се върши.
Написъл съм си програма на PHP, която чете данните от серийния порт и ги записва в база данни. След това имам една уеб страница, която ми прави необходимите изчисления.
Още:
Има и други методи за мерене на мощност като ефект на Хол http://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect, но не съм сигурен че лесно и евтино може да се реализира ватметър.
Не забравяйте:
“The day when we shall know exactly what “electricity” is, will chronicle an event probably greater, more important than any other recorded in the history of the human race. The time will come when the comfort, the very existence, perhaps, of man will depend upon that wonderful agent.”
- Nikola Tesla
tsvetan.filev:
Още малко теория за измерването на мощност:
Най - често при мерене на мощност се интересуваме от средноквадратичната стойност или още ефективната стойност.
http://en.wikipedia.org/wiki/Root_mean_square
Ето пояснения при мерене на мощност.
http://en.wikipedia.org/wiki/Root_mean_square#Average_electrical_power
Средно квадратична или ефективна стойност, е статистическа мярка за големината на променлива величина. Тя е особено полезно когато величините са положителни и отрицателни, например синусоида.
При синусоидален сигнал ефективната стойност на мощността е a/sqrt(2) от максималната стойност която достига сингала.
Максималната (пиковата) стойност на сигнала е важна с оглед на предотвратяване на претоварвания на схемите и елементите (нежелани режими на работа).
Ефективната стойност ни показва реалната консумация във времето.
Моментаната мощност е стойността само в една точно определена точка от времето.
При импулсни сигнали например формата на сигнала никога не е идеален правогълник и винаги има паразитни допълнителни импулси.
Меренето на мощността косвено чрез температурата е изключително ефективно и отразява максимално близко реалната консумация понеже отделената температура е правопропорционална на протеклия ток породен от приложенето напрежение във времето.
tsvetan.filev:
Ето интересна статия по темата за измерване на мощност:
http://engineering-review.bg/engineering-statii.aspx?br=48&rub=500&id=1344
tsvetan.filev:
Нека сега разгледаме следната схема 1.jpg
RC схема е закачена към батерия. Ключ S първоначално е затворен и се отваря във време t = 0.
a. Да се намери напрежението на кондензатора Vc(t) за t >= 0
2.jpg
b. Какви са началните и крайните стойности (t = безкрайност) на съхранената енергия в кондензатора? (Wfld = 1/2 . ( q ^ 2 ) / C , където q = C . Vo)
Каква е енергията съхранена в кондензатора като функция на времето ?
3.jpg
Така 4.jpg
c. Каква е разсеяната мощност в резистора, като функция на времето? Каква е общата енергия разсеяна в резистора?
5.jpg
tsvetan.filev:
Разглеждма схемата на фигура 1.jpeg
Една RL схема е свързана към батерия. Ключ S първоначално е затворен и се отваря във време t = 0.
Докато ключа е затворен диода е включен в обратна посока и може да се приеме като отворена (прекъсната) верига.
Веднага след като ключа се отвори диода става включен в права посока и може са се приеме като късо съединение.
http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_3/1.html
Диода се поставя за да обере тока и напрежението произведени от обратната електромагнитна сила (back EMF) породена от колабирането на магнитното поле обратно в проводника при спиране на тока от батерията. Магнитния поток има посока обратна на пораждащата го и напрежението е с орбатен знак на пораждащото.
На фигура 1.1.jpeg е показана схема за събиране на back EMF с диод
На фигура 1.2.jpeg е показана схема за по ефективно предапзване от back EMF с използване на Metal Oxide Varistor (MOV)
http://en.wikipedia.org/wiki/Varistor
Ето един тук: http://bg.farnell.com/epcos/b72205s0140k101/varistor-0-4j-14vac/dp/1004303
Варисторите са по - ефективни от диодите при предапзване на схемите от силни токове.
a. Какъв е тока iL(t) през бобината за t > 0.
2.jpeg
b. Какви са началните и крайни (t = безкрайност) стойности на съхранената енергия в бобината ? Каква е съхранената енергия в бобината като функция на времето ?
3.jpeg
c. Каква е разсеяната мощност в резистора като функция на времето ? Каква е общата енергия разсеяна в резистора ?
4.jpeg
Навигация
[0] Списък на темите
Премини на пълна версия