Watomierz to przyrząd do pomiaru mocy czynnej (P) pobieranej przez odbiornik lub przenoszonej obwodem, wskazujący wynik w watach (W). Ma tor prądowy włączany szeregowo z odbiornikiem i tor napięciowy włączany równolegle, a jego wskazanie odpowiada iloczynowi U · I · cos φ.
Zostań elektrykiem z uprawnieniami SEP
Kurs online G1 / G2 / G3 + egzamin państwowy - 100% zdawalności
z kodem ELEKTRYCZKA = 10% rabatu!
Jak działa watomierz?
Moc to iloczyn napięcia i prądu, więc watomierz musi „czuć” obie wielkości naraz. Klasyczny przyrząd wskazówkowy ma ustrój elektrodynamiczny z dwiema cewkami. Cewka prądowa jest nieruchoma, nawinięta kilkoma zwojami grubego drutu i ma bardzo małą rezystancję – płynie przez nią prąd odbiornika. Cewka napięciowa jest ruchoma, nawinięta cienkim drutem i połączona szeregowo z dużym rezystorem dodatkowym, dlatego płynie przez nią prąd proporcjonalny do napięcia.
Pola magnetyczne obu cewek oddziałują na siebie i obracają cewkę ruchomą razem ze wskazówką. Moment obrotowy w każdej chwili jest proporcjonalny do iloczynu napięcia i prądu, a ruchomy organ ze względu na bezwładność ustawia się według jego wartości średniej. Średnia z iloczynu chwilowych wartości u · i to właśnie moc czynna:
P = U · I · cos φ
- P – moc czynna wskazywana przez watomierz (W)
- U – wartość skuteczna napięcia na torze napięciowym (V)
- I – wartość skuteczna prądu w torze prądowym (A)
- φ – kąt przesunięcia fazowego między napięciem a prądem
Ten sam ustrój działa przy prądzie stałym (wtedy cos φ = 1) i przy prądzie przemiennym. Odmiana ferrodynamiczna ma cewki na rdzeniu ferromagnetycznym, dzięki czemu jest odporniejsza na drgania i obce pola – takie watomierze montuje się na drzwiach rozdzielnic.
Watomierz cyfrowy nie ma cewek ani wskazówki. Czujniki napięcia i prądu podają sygnały do przetwornika analogowo-cyfrowego, który próbkuje je tysiące razy na sekundę. Mikroprocesor mnoży każdą parę próbek i uśrednia wynik, więc poprawnie mierzy moc także przy prądzie odkształconym, np. pobieranym przez zasilacz impulsowy.
| Cecha | Watomierz elektrodynamiczny | Watomierz cyfrowy |
|---|---|---|
| Zasada działania | oddziaływanie pól dwóch cewek | próbkowanie u oraz i i obliczenia w procesorze |
| Odczyt | wskazówka na podziałce, przeliczana stałą | wynik w watach na wyświetlaczu |
| Mierzone wielkości | tylko moc czynna | zwykle P, S, Q, cos φ, U, I, f |
| Wrażliwość na przeciążenie | cewka prądowa grzeje się niezależnie od wskazania | przekroczenie zakresu sygnalizuje wyświetlacz |
| Typowe zastosowanie | pracownie dydaktyczne, laboratoria | pomiary w terenie, rozdzielnice, gniazdka |
Jaką moc pokazuje watomierz?
Watomierz pokazuje moc czynną, czyli tę część mocy, która zamienia się w ciepło, światło albo pracę mechaniczną. Energia krążąca między źródłem a cewkami i kondensatorami odbiornika uśrednia się do zera, więc wskazówka jej nie widzi. Do pomiaru mocy biernej służy waromierz, czyli przyrząd o podobnej budowie, ale z obwodem napięciowym przesuniętym o 90°.
Watomierze cyfrowe zwykle wyświetlają kilka wielkości po kolei. Jeżeli przy odczycie widzisz „VA”, masz przed sobą moc pozorną, a „PF” to współczynnik mocy. Dla grzałki obie moce są prawie równe, dla lodówki ze sprężarką albo ładowarki laptopa – wyraźnie różne.
Jak podłączyć watomierz?
Watomierz łączy w sobie dwa sposoby włączania przyrządów. Tor prądowy włączasz szeregowo w przewód fazowy L, tak jak amperomierz przy pomiarze natężenia prądu. Tor napięciowy włączasz równolegle do odbiornika, między L i N, tak jak woltomierz przy pomiarze napięcia. Na schemacie watomierz rysuje się jako okrąg z literą W, z czterema wyprowadzeniami.
Na obudowie jeden zacisk prądowy i jeden napięciowy są oznaczone gwiazdką (*) lub kropką. To początki cewek. Łączysz je ze sobą po stronie zasilania, wtedy przy normalnym kierunku przepływu energii wskazówka wychyla się w prawo. Gdy wychyla się w lewo, zamieniasz końce cewki napięciowej.
Tor napięciowy możesz dołączyć przed cewką prądową albo za nią. W pierwszym wariancie wynik zawiera straty w cewce prądowej, w drugim – pobór cewki napięciowej. Przy odbiornikach o dużym prądzie i małym napięciu tor napięciowy dołączasz bezpośrednio do zacisków odbiornika, za cewką prądową; przy małym prądzie i wysokim napięciu – przed nią. Watomierz włączasz zawsze przy odłączonym zasilaniu.
Zakres i stała watomierza – jak odczytać wynik?
Watomierz laboratoryjny ma osobno przełączany zakres prądowy i zakres napięciowy. Ich iloczyn wyznacza zakres mocy. Skala ma zwykle tylko działki, więc wynik w watach dostajesz dopiero po pomnożeniu odczytu przez stałą watomierza:
C = Un · In · cos φn / αmax P = C · α
- C – stała watomierza (W/dz)
- Un, In – ustawione zakresy napięcia (V) i prądu (A)
- cos φn – znamionowy współczynnik mocy przyrządu, dla typowych watomierzy równy 1
- αmax – liczba działek całej podziałki
- α – liczba działek wskazana przez wskazówkę
Przy zakresach 300 V i 5 A oraz podziałce 150 działek stała wynosi 300 · 5 / 150 = 10 W/dz. Wskazówka na 87. działce oznacza 870 W.
Na tym samym przyrządzie widać pułapkę związaną z przeciążeniem toru prądowego. Odbiornik indukcyjny pobierający z sieci 230 V prąd 8 A przy cos φ = 0,3 ma moc czynną 552 W. Wskazówka zatrzyma się na 55. działce, daleko od końca skali, a mimo to cewka prądowa przewodzi 8 A przy zakresie 5 A i się przegrzewa. Dlatego razem z watomierzem włącza się amperomierz i woltomierz: kontrolują, czy prąd i napięcie mieszczą się w zakresach, niezależnie od tego, co pokazuje wskazówka. Do pomiarów przy małym cos φ produkuje się watomierze o znamionowym cos φn równym 0,1 lub 0,2.
Watomierz do gniazdka – co pokaże w domu?
Najprostsza odmiana to watomierz gniazdkowy: przejściówka wpinana w gniazdo 230 V, do której podłączasz badane urządzenie. Wewnątrz pracuje układ cyfrowy, więc na wyświetlaczu odczytasz moc czynną, napięcie, prąd, współczynnik mocy i zużytą energię w kWh. Typowe modele przenoszą prąd do 16 A, czyli moc do około 3680 W przy 230 V.
Takim przyrządem sprawdzisz pobór urządzeń w trybie czuwania albo porównasz dwa czajniki. Watomierz gniazdkowy sam też pobiera z sieci niewielką moc na zasilanie elektroniki i wyświetlacza. Do dokumentowania pomiarów w instalacji ani do rozliczeń się go nie używa – to rola przyrządów pomiarowych o znanej klasie dokładności i liczników energii.
Watomierz w pracy elektryka i na egzaminie SEP
W rozdzielnicach przemysłowych prąd rzędu setek amperów nie przechodzi przez przyrząd. Watomierz tablicowy podłącza się przez przekładnik prądowy, który zmniejsza prąd do wartości 5 A albo 1 A. Wskazanie mnożysz wtedy przez przekładnię: przy przekładniku 200/5 A (przekładnia 40) odczyt 95 W oznacza 3800 W po stronie pierwotnej. Skale watomierzy tablicowych wyskalowane są często od razu w kW z uwzględnieniem przekładni. Wymagania dla analogowych watomierzy i waromierzy określa norma PN-EN 60051-3.
W codziennej pracy przy instalacjach 230/400 V klasyczny watomierz zastąpiły analizatory sieci i cęgowe mierniki mocy, które wyliczają moc z próbek napięcia i prądu. Na egzaminie SEP grupy 1 może jednak pojawić się pytanie o to, który tor watomierza włącza się szeregowo, a który równolegle, jaką moc wskazuje przyrząd albo jak przeliczyć działki na waty.
Najczęściej zadawane pytania
Watomierz służy do pomiaru mocy czynnej, czyli mocy zamienianej przez odbiornik na ciepło, światło lub pracę mechaniczną. Wynik podaje w watach lub kilowatach. Stosuje się go w laboratoriach, rozdzielnicach i w domu, np. w postaci przejściówki do gniazdka.
Tor prądowy watomierza włącza się szeregowo z odbiornikiem w przewód fazowy, a tor napięciowy równolegle do odbiornika, między przewód fazowy i neutralny. Zaciski oznaczone gwiazdką lub kropką, czyli początki cewek, łączy się po stronie zasilania. Podłączenie wykonuje się przy wyłączonym napięciu.
Watomierz pokazuje moc czynną, wyrażaną w watach. Mocy biernej nie wskazuje, bo ta uśrednia się w nim do zera; do jej pomiaru służy waromierz. Watomierze cyfrowe często wyświetlają dodatkowo moc pozorną w VA i współczynnik mocy.
Tak, każdy watomierz zużywa niewielką ilość energii. W przyrządzie analogowym płynie prąd przez cewkę napięciową, a na cewce prądowej odkłada się mały spadek napięcia. Watomierz cyfrowy, np. gniazdkowy, dodatkowo zasila z sieci własną elektronikę i wyświetlacz.
Źródła:
