Как измерить мощность высокомощного лазера?
В процессе работы лазера во многих приложениях зачастую требуется контроль энергетических параметров излучения. Компания Thorlabs предлагает универсальный измеритель мощности лазерного излучения S322C на основе термодатчика, способный регистрировать сигналы мощностью от 100 мВт до 200 Вт в широком диапазоне длин волн от 250 нм до 11 мкм. Такой измеритель является подходящим средством для контроля мощности как непрерывного излучения, так и импульсного излучения с длинными импульсами таких лазеров, как диодные лазеры, ArIo лазеры, KrIo лазеры, лазеры на красителях, CO2 лазеры, HeCd лазеры, Nd:YAG лазеры. Датчик работает от УФ до ИК диапазона с «плоским» откликом и низким обратным отражением от широкополосного покрытия, обладающего высоким порогом повреждения. Еще одно преимущество этих датчиков заключается в том, что они позволяют измерять среднюю мощность импульсных лазерных источников, пиковая мощность которых выше максимальной номинальной мощности, в том случае, если она не превышает порог повреждения покрытия чувствительного элемента.
Рисунок 1. Термический датчик мощности S322C и измерительная консоль PM100D компании Thorlabs
Принцип работы термического датчика
Датчики тепловой мощности включают в себя термопары и основаны на принципах термоэлектрического эффекте (эффекта Зеебека), согласно которому любой проводник, подверженный тепловому градиенту, генерирует напряжение.
Следовательно, если между двумя поверхностями присутствует разность температур, градиент температуры будет генерировать разность напряжений между этими двумя поверхностями. Этот процесс можно рассматривать как инверсию эффекта Пельтье.
В термическом датчике мощность падающего лазерного пучка поглощается верхней поверхностью термопары и преобразуется в тепло. Другая поверхность термопары остается холодной, так как она термически связана с радиатором. Градиент температуры между двумя поверхностями зависит от падающей оптической мощности. Следовательно, генерируемое напряжение между горячей и холодной поверхностями пропорционально падающей мощности.
Преобразование оптической мощности в измеряемое напряжение зависит от способности поверхности датчика поглощать оптическое излучение и преобразовывать его в тепло. Для увеличения поглощения на чувствительную поверхность датчика S322C нанесено широкополосное покрытие с эффективностью поглощения, не зависящей от длины волны, и высоким порогом повреждения (то есть оно способностью выдерживать высокие плотности оптической мощности).
Радиальная конфигурация термопар
Датчик мощности S322C является радиальным (рис. 2, вид сверху). При такой конструкции поглотитель света размещается в центре. Он окружен концентрическим кольцом термопар, соединенных последовательно, которые в свою очередь окружены концентрическим радиатором. Свет, падающий на поглотитель, генерирует тепло, которое распространяется в радиальном направлении через термопары к радиатору. Радиатор сконструирован таким образом, чтобы находиться в хорошем механическом контакте с внешним кольцом термопары, без теплового контакта с поглотителем света или внутренним кольцом термопары. Область за поглотителем изолирована от теплового контакта с чем-либо, что может отклонить тепловой поток от радиального направления. Преимущество радиальной конструкции датчиков состоит в том, что они могут использоваться для измерений высокомощного лазерного излучения.
Рисунок 2. Схема термодатчика с радиально сконфигурированными термопарами (свет падает на поглощающий слой в центре, тепло проходит через термопары к радиатору)
Основные технические характеристики датчика S322C
- Диапазон измерения мощности непрерывного излучения 100 мВт – 200 Вт
- Диапазон длин волн 250 нм – 11 мкм
- Диаметр активной области 25 мм
- Разрешение по мощности при использовании с консолью PM100D 5 мВт
- Линейность +/- 10%
- Максимальная средняя плотность мощности 4 кВт/см2 для излучения CO2 лазера
- Максимальная плотность энергии в импульсе 0.
5 Дж/см2 при длительности импульса 1 нс, 10 Дж/см2 при длительности импульса 1 мс
5 Дж/см2 при длительности импульса 1 нс, 10 Дж/см2 при длительности импульса 1 мс
Рисунок 3. График зависимости поглощения от длины волны
Рисунок 4. Уровень плотности энергии в импульсе и порога повреждения
©Thorlabs
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ
Поверметр: как измерить мощность и силу велосипедиста
Измерение мощности велосипедиста в последние годы становится всё более актуальным, так как помогает эффективнее тренироваться и добиваться высоких результатов без перенапряжений.
Технологии позволяют — велосипедисты используют.
Если кому интересно, то можете узнать, как происходили тренировки лет 50 назад. Тогда ведь не было великого множества компьютеров, датчиков и измерителей мощности.
Первые паверметры появились уже 1984 году (компания SRM) и были доступны только профессиональным спортсменам самого высокого уровня.
Ситуация со временем изменилась и теперь технологией могут пользоваться даже любители.
Учитывая простоту конструкции, фактор ценообразования оставляет много загадок.
Впрочем, паверметры еще не являются таким-же распространенным товаром, как покрышки или цепи, посему стоимость их взвинчена до невероятных высот (в среднем около 1000$), да и потребности рынка не так уже велики, а значит мы упираемся в небольшие объемы производства, что тоже весьма заметно влияет на формирование стоимости продукта. Не будем о грустном.
Конструкции измерителей и их функционал могут быть самыми разными. Давайте разбираться со всем по порядку.
Между прочим, мы написали похожие статьи по поводу тормозов, амортизационных вилок, МТБ трансмиссий, шоссейных трансмиссий, контактных педалей и велокомпьютеров.
Что такое измеритель мощности?Сначала давайте разберемся с понятием мощности.
Мощность — это энергия необходимая для перемещения массы на определенное расстояние за единицу времени, измеряется в Ваттах.
Для анализа мощности некоторые программы и приложения используют пройденное расстояние, скорость и некоторые другие параметры. Однако такие вычисления имеют очень большую погрешность, поэтому предпочтительным становится использование отдельного устройства.
Измерители мощности или паверметры позволяют снимать показатели мощности в режиме реального времени и сохранять данные для последующего анализа.
Продаются измерители мощности как с головным устройством, так и без него. Некоторые велокомпьютеры предполагают их подключение к себе через протоколы связи ANT+ или Bluetooth.
Если немного углубиться в технические особенности паверметров, то они просто-напросто измеряют величину, на которую искривляется шатун или любой другой компонент, куда он встроен. Да, глазу искривление шатуна не видно, но точные приборы могут фиксировать эти величины.
По своей сути это точные весы, данные которых совмещаются с каденсом, углом наклона шатуна и другими параметрами, чтобы на выходе получить уже заветное значение мощности.
Пример весов приведен не случайно, так как похожий принцип они и используют. Этот принцип заложен даже в системы взвешивания на больших подъемных кранах.
Общим и самым существенным недостатком любых конструкций является подверженность температурным колебаниям среды. Если велосипед и, к примеру, шатун, находился в квартире при температуре +25, а тренировка происходит на улице при температуре всего 5 градусов, то шатун изменит свою длину, тем самым внесет погрешность в измерения.
Производители стараются разрабатывать программное обеспечение для своих продуктов с учетом воздействия температуры, однако дополнительная калибровка, вероятнее всего, лишней не будет.
Применение измерителей мощности оправдано тем, что на тренировку и показатели времени на знакомом участке дороги может влиять направление и сила ветра, давление в покрышках… может влиять множество самых разных переменных. Устройство помогает отсеять всю лишнюю информацию и увидеть реальный показатель своей физической формы.
Не важно с какой скоростью из-за ветра ты проедешь участок, важно, что выдашь на нем необходимый уровень мощности.
В качестве дорогой игрушки прибор подойдет, однако важно понимать, что для его обслуживания потребуются средства, ведь это точная и тонкая электроника, которая любит нежность и внимание.
С помощью измерителей мощности можно добиться высоких результатов за довольно короткие сроки, если ставить себе четкие цели; можно скрупулезно исследовать свои возможности и выявлять слабые места; можно грамотно и равномерно распределить нагрузку на соревнованиях, чтобы не выдыхаться раньше времени… возможностей много. Важно также понимать, что самостоятельные занятия могут не дать ожидаемого результата, есть смысл обратиться к профессионалам своего дела.
Современные тренеры профессиональных гонщиков считают паверметр самым эффективным инструментом, который позволяет очень точно отслеживать текущие успехи и вносить изменения в цикл тренировок.
До широкого распространения измерителей мощности велосипедистам приходилось полагаться на частоту сердечных сокращений.
Но сердце не умеет реагировать на изменение нагрузки мгновенно, как это делает электроника. Да и суть тренировки не сводится к развитию способностей сердца, хотя и этот фактор тоже очень важен, суть тренировки сводится к наращиванию способности выдавать больше энергии.
Кроме того, устройство помогает существенно экономить время необходимое для тренировки. Ведь выдать целевую мощность можно просто мгновенно, и полагаясь на показания прибора поддерживать ее на необходимом уровне заданное количество времени.
Удерживать в необходимом ритме пульс и добиваться его повышения до нужного уровня не очень удобно из-за большей инерционности организма во времени.
И опять-таки, при разном пульсе показатель мощности может оставаться на одном уровне.
Мы уже вкратце рассказали о принципе работы измерителей мощности. Он основан на изменении геометрических параметров предмета, на котором расположен датчик.
Нетрудно догадаться, что встроить систему можно не только в шатуны, а в любой элемент, который стоит на пути передачи энергии от ног к покрышке.
Помнить важно о том, что прибору необходимо питание для работы и передачи данных к головному устройству, а также вес прибора должен быть минимальным, ведь располагается он на вращающихся элементах, что увеличивает массу маховика.
На типы устройства делятся по способу размещения: в шатунах, передних звездах, педалях, задней втулке и каретке.
Размещение в шатунах является самым распространенным. Большинство производителей, например SRM, Stages и Quarq идет по этому пути, так как придумывать новые конструкции нет необходимости, они встраиваются в стандартные системы путем некоторых доработок.
Поверметры Stages доступны для разных систем шатунов — узнать цену и купить.
Бюджетные варианты подразумевают расположение датчика в левом шатуне и опираются на данные, полученные только от одной ноги. Но опять-таки, точная калибровка на заводе позволяет снимать показания довольно точно. Как они с этим моментом разбираются не совсем понятно, но нам остается верить своим глазам.
Ведь тесты показывают несущественные различия в показаниях мощности между разными способами размещения датчиков.
К шатунам можно отнести размещение датчика на ведущих звездах. Такое расположение позволяет измерять мощность двух ног одним датчиком, что повышает точность и снижает стоимость продукта. Хотя звезды имеют свойство изнашиваться и с этим моментом придется мириться.
КареткаКареточное размещение паверметра позволяет использовать старые стандарты посадки шатунов на квадрат или OctaLink Shimano.
Встречалась такая конструкция у компании Ergomo, и работала с собственным головным устройством, связь с которым осуществлялась с помощью проводов.
Похожее решение есть у компании Rotor и называется INpower, однако шатуны должны быть тоже от этого производителя, универсальность под сомнением.
Rotor 2Inpower — узнать цену и купить.
Размещение датчиков измерителя мощности на оси каретки встречается ещё у компаний Easton/RaceFace.
Конструкция считается наиболее сложной, так как установка требует разборки большого количества элементов, однако такое размещение одновременно обеспечивает высокий уровень защиты от воздействий внешней среды.
Измерение мощности через педали является самым универсальным, так как дорогостоящий компонент можно запросто перекинуть на любой другой велосипед за считанные минуты. Для этого понадобится всего-навсего педальный ключ.
Обратной стороной является уязвимость. Ведь даже если на вашем велосипеде нет царапин нигде, они обязательно найдутся на педалях (ты же любишь прислонять велосипед педалью к стене или бордюру). Точная электроника не любит к себе такого отношения. Да и падения на работе прибора положительно вряд ли скажутся.
Garmin Vector 3s
Самыми давними производителями такой разновидности паверметров являются Garmin Vector и Look Exakt.
Здесь тоже встречаются разновидности как с двумя, так и с одной педалью для измерений.
Расположение тонкой электроники в задней втулке, наверное, очень сложное занятие, ведь на рынке за почти 20 лет появился всего один производитель, который умеет это делать.
PowerTap предлагает к покупке или саму втулку, или всё колесо в сборе.
Считается, что такой способ является самым простым в контексте перестановки между велосипедами, ведь не требует даже гаечных ключей, как в случае с расположением датчиков в педалях.
PowerTap G3 – узнать цену и купить.
Однако тренироваться тогда придется на гоночных колесах, а втулка внесёт свои ограничения, так как ее вес и применяемые подшипники выбирать уже не придётся. К тому же, на измерения может влиять степень загрязнения цепи.
ФИО
Борик Владимир
Увлеченный велосипедист с 2014-го года. Терпеть не мог, когда велосипед в ходу издавал посторонние звуки, что заставляло его многократно все перебирать, перемазывать и обновлять. Любит вникать в тонкости, посему многочисленные переборки своего велосипеда вылились в дальнейшем в работу веломехаником.
Как измерить электрическую мощность
Если продукт потребляет энергию, то измерения энергопотребления и качества электроэнергии должны быть частью дизайна и испытаний продукта. Эти измерения необходимы для оптимизации конструкции продукта, соответствия стандартам и предоставления клиентам информации с паспортной таблички. Но как измерить электричество?
В этой статье обсуждаются передовые методы измерения электрической мощности, начиная с основ измерения мощности и заканчивая типами приборов и связанных с ними компонентов, обычно используемых для проведения измерений. Статья завершится примерами из реальной жизни, в которых информация, представленная ранее в статье, применяется для решения практических задач измерения.
Хотя большинству из нас приходилось сталкиваться с основными уравнениями измерения мощности, полезно обобщить эту информацию и показать, как она применима к разработке и тестированию продукта.
Основы измерения мощности
Как измеряется электрический ток?
Измерение мощности постоянного тока относительно просто, так как формула просто ватты = вольты x амперы. Для измерения электрической мощности переменного тока коэффициент мощности (PF) представляет сложность, поскольку ватты = вольты x амперы x PF. Это измерение мощности переменного тока называется активной мощностью, истинной мощностью или реальной мощностью. В системах переменного тока умножение вольт на ампер = вольт-ампер, также называемое полной мощностью.
Потребляемая мощность измеряется путем ее расчета во времени с использованием как минимум одного полного цикла. Используя методы оцифровки, мгновенное напряжение умножается на мгновенный ток, затем накапливается и интегрируется в течение определенного периода времени, чтобы обеспечить измерение электрического тока.
Этот метод обеспечивает истинное измерение мощности и истинное среднеквадратичное значение для любой формы волны, синусоидальной или искаженной, включая содержание гармоник вплоть до полосы пропускания прибора.
Однофазное и трехфазное измерение электрической мощности
Преобразование Блонделя утверждает, что общая мощность измеряется на один ваттметр меньше, чем количество проводов в системе. Следовательно, для однофазной двухпроводной системы потребуется один ваттметр, для однофазной трехпроводной системы — два ваттметра (рис. 1), для трехфазной трехпроводной системы — два ваттметра, а для трехпроводной — два ваттметра. для трехфазной четырехпроводной системы потребуется три ваттметра.
Какое устройство измеряет ток?
Рис. 1. Метод двух ваттметров позволяет измерять мощность посредством прямого подключения к системе 3P3W. Pt = P1 + P2
В этом контексте ваттметр — это устройство, используемое для измерения тока через один вход тока и один вход напряжения.
В однофазной двухпроводной системе (рис. 2) напряжение и ток, определяемые ваттметром, равны общей мощности, рассеиваемой нагрузкой. Напряжение измеряется между двумя проводами, а ток измеряется в проводе, питающем нагрузку, который часто называют горячим проводом. Напряжение обычно может быть измерено непосредственно анализатором мощности до 1000 В RMS. Более высокие напряжения потребуют использования VT (трансформатора напряжения) в системе переменного тока для понижения напряжения до уровня, который может быть измерен прибором. Токи обычно могут быть измерены непосредственно анализатором мощности до 50 А, в зависимости от прибора. Более высокие токи потребуют использования трансформатора тока (ТТ) в системе переменного тока.
Рис. 2. В однофазной двухпроводной системе используются трансформатор тока и трансформатор напряжения.
В однофазной трехпроводной системе (рис. 3) общая мощность представляет собой алгебраическую сумму двух показаний ваттметра. Каждый ваттметр подключается от одного из горячих проводов к нейтрали, и в каждом горячем проводе измеряется ток. Общая мощность рассчитывается как Pt = P1 + P2.
Рис. 3. Два ваттметра подключаются к однофазной трехпроводной системе (1P3W).
В трехфазной четырехпроводной системе (рис. 4) каждый из трех ваттметров измеряет напряжение от горячих проводов к нейтрали, и каждый ваттметр измеряет ток в одном из трех горячих проводов.
Общая мощность для трех фаз представляет собой алгебраическую сумму трех измерений ваттметра, поскольку каждый счетчик, по сути, измеряет одну фазу трехфазной системы. Pt = P1 + P2 + P3
Рис. 4. В этой трехфазной четырехпроводной системе используются три ваттметра.
В трехфазной трехпроводной системе (рис. 5) два ваттметра измеряют фазный ток в любых двух из трех проводов. Каждый ваттметр измеряет междуфазное напряжение между двумя из трех линий электропитания. В этой конфигурации общая мощность в ваттах точно измеряется алгебраической суммой двух значений ваттметра. Пт = П1 + П2. Это верно, если система сбалансирована или несбалансирована.
Если нагрузка несбалансированная, т.е. фазные токи разные, общая мощность будет правильной, но общая мощность, ВА и коэффициент мощности, могут быть ошибочными. Однако анализаторы мощности могут иметь специальную схему подключения 3V3A для обеспечения точных измерений в трехфазных трехпроводных системах со сбалансированной или несимметричной нагрузкой.
Этот метод использует три ваттметра для контроля всех трех фаз. Один ваттметр измеряет напряжение между фазами R и T, второй ваттметр измеряет напряжение между фазами S и T, а третий ваттметр измеряет напряжение между фазами R и S. Фазные токи измеряются каждым ваттметром. Метод двух ваттметров до сих пор используется для расчета полной мощности. Пт = П1 + П2. Однако общая VA рассчитывается как (√3/3)(VA1 + VA2 + VA3). Все три значения напряжения и тока используются для точного измерения и расчета несимметричной нагрузки.
Рис. 5. Трехфазная трехпроводная система использует метод трех ваттметров для достижения точных измерений на несбалансированной нагрузке.
Измерение коэффициента мощности
Необходимо часто измерять коэффициент мощности, и это значение должно быть как можно ближе к единице (1,0).
В системе электроснабжения нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности при одинаковом количестве передаваемой полезной мощности.
Более высокие токи увеличивают потери энергии в системе распределения и требуют более крупных проводов и другого оборудования. Из-за стоимости более крупного оборудования и потерь энергии электрические коммунальные предприятия обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих потребителей с низким коэффициентом мощности.
На рис. 6 показано отставание тока от напряжения на 44,77°, что дает коэффициент мощности 0,70995. Полная мощность S1 составляла 120,223 ВА. Однако истинная мощность, или реальная мощность, P1 составляла всего 85,352 Вт.
Если у энергопотребляющих устройств хорошие коэффициенты мощности, то и у всей энергосистемы будет хороший коэффициент мощности, и наоборот. Когда коэффициент мощности падает, часто приходится использовать устройства коррекции коэффициента мощности, что требует значительных затрат. Эти устройства, как правило, представляют собой конденсаторы, поскольку большая часть потребляемой мощности является индуктивной.
Ток отстает от напряжения в дросселе; это известно как отстающий коэффициент мощности. Ток опережает напряжение в конденсаторе; это известно как ведущий фактор мощности. Двигатель переменного тока является примером индуктивной нагрузки, а компактная люминесцентная лампа — примером емкостной нагрузки.
Для определения общего коэффициента мощности в трехфазной 4-проводной системе требуются три ваттметра. Каждый счетчик измеряет ватты, а также измеряются вольты и амперы. Затем рассчитывается коэффициент мощности путем деления общего количества ватт от каждого счетчика на общее количество вольт-ампер.
В трехфазной трехпроводной системе коэффициент мощности следует измерять с помощью метода трех ваттметров вместо метода двух ваттметров, если нагрузка несимметрична, то есть если фазные токи различаются. Поскольку метод двух ваттметров измеряет только два ампера, любые различия в показаниях ампер на третьей фазе вызовут неточности.
Измерение мощности бытовой техники
Типичным приложением для измерения мощности является питание в режиме ожидания для бытовой техники, основанной на стандартах Energy Star или IEC62301.
Оба стандарта определяют требуемую точность измерения мощности, разрешение и другие параметры измерения мощности, такие как гармоники. В стандарте IEC62301 есть еще 25 стандартов, которые определяют конкретные параметры испытаний для различных устройств. Например, IEC60436 определяет методы измерения производительности электрических посудомоечных машин.
Режим ожидания определяется как режим с наименьшим энергопотреблением, который не может быть отключен пользователем и который может сохраняться в течение неопределенного времени, когда приложение подключено к основному источнику питания и используется в соответствии с инструкциями производителя. Мощность в режиме ожидания — это средняя мощность в режиме ожидания при измерении в соответствии со стандартом.
Существует три основных метода измерения энергопотребления в режиме ожидания или других подобных приложений. Если значение мощности стабильно, то можно использовать мгновенные показания прибора в любой момент времени.
Если значение мощности нестабильно, возьмите либо среднее значение показаний прибора с течением времени, либо измерьте общее потребление энергии. Ватт-часы можно измерить за определенный период времени, а затем разделить на это время.
Измерение общего энергопотребления и деление на время дает наиболее точные значения как для постоянной, так и для флуктуирующей мощности. Этот метод обычно используется при использовании наших анализаторов мощности. Но для измерения общего энергопотребления требуется более сложный прибор, поскольку мощность необходимо постоянно измерять и суммировать.
Инструменты для измерения мощности
Мощность обычно измеряется с помощью цифрового анализатора мощности или цифрового запоминающего осциллографа с программным обеспечением для анализа мощности. Большинство современных анализаторов мощности полностью электронные и используют дигитайзеры для преобразования аналоговых сигналов в цифровые формы. Анализаторы более высокого класса используют методы цифровой обработки сигналов для выполнения вычислений, необходимых для определения значений.
DSO, занимающиеся анализом мощности, используют специальную прошивку для точного измерения мощности. Однако они несколько ограничены, поскольку основаны на выборочных данных из оцифрованных волновых форм. Благодаря пробникам тока и напряжения они хорошо подходят для работы на уровне плат и компонентов, где абсолютная точность не является обязательной, а частота сети относительно высока.
Анализаторы мощности обычно могут измерять до 50 А (среднеквадратичное значение) непосредственно при уровне напряжения до 1000 В (среднеквадратичное значение), поэтому большинство тестируемых продуктов можно подключать напрямую. С другой стороны, DSO потребует использования пробников напряжения и тока для измерения мощности.
ТТ рассчитаны на соотношение входного и выходного тока, например 20:5. Другими важными параметрами ТТ являются точность, фазовый сдвиг и диапазон частот для измерения мощности переменного тока. ТН используются для понижения фактического напряжения до уровня, который может быть воспринят прибором для измерения мощности.
Например, если тестируемый продукт рассчитан на 480 В переменного тока, а прибор ограничен 120 В переменного тока, то требуется ТН 4:1.
DSO обычно не обеспечивает точности анализатора мощности и не может напрямую принимать входные сигналы высокого тока и напряжения, но он может измерять мощность на гораздо более высоких частотах до 500 МГц с помощью соответствующих пробников. Он также обеспечивает другие преимущества по сравнению с анализаторами мощности в определенных приложениях, включая специальные пробники для простоты подключения, компенсацию фазы пробника и до восьми многоканальных входов.
Типичным применением DSO может быть любой тип измерения на уровне платы, например, при разработке печатных плат для импульсного источника питания. Параметры, которые обычно измеряются и анализируются с помощью DSO или анализатора мощности, включают, помимо прочего, потери мощности при переключении, энергопотребление устройства, уровень шума при переключении, гармоники, выходную мощность и стабильность выходного сигнала.
При использовании DSO необходимое оборудование будет включать датчики дифференциального напряжения и датчики тока (рис. 7). Токоизмерительный датчик подключается к одному из главных токонесущих проводов, как показано на рисунке. Часто напряжения компонентов не привязаны к уровню земли. Поэтому для изоляции заземления DSO от заземления компонентов требуется дифференциальный пробник напряжения. В дополнение к анализатору мощности или DSO, а также ТТ и ТП, при необходимости, другими вспомогательными компонентами для измерения мощности являются пробники, клещи и провода. После того, как все необходимые инструменты и компоненты будут в наличии, следующим шагом будет определение того, какие именно инструменты необходимы и как эти инструменты должны быть подключены к нагрузке.
Рис. 7. Используйте пробники напряжения и пробники тока с осциллографом для измерения напряжения и тока.
Анализаторы мощности обычно выбирают для измерения мощности бытовых приборов и других измерений мощности с относительно высокими уровнями напряжения, низкими частотами и высокими требованиями к точности.
Однако для измерений на уровне платы обычно используется DSO.
С помощью приведенной выше информации можно выбрать и подключить правильные приборы и инструменты для различных приложений измерения мощности. Информация, полученная от этих приборов, может затем использоваться для оптимизации конструкции, соответствия стандартам и предоставления информации с паспортных данных.
Как измеряются мощность и энергия?
Энергия и мощность
Если вы не поставщик коммунальных услуг или физик, вам, вероятно, не приходилось спрашивать себя, в чем разница между энергией и мощностью? Хотя различия могут показаться незначительными, знание различий может улучшить ваше понимание вашего счета за электроэнергию. Давайте рассмотрим определения энергии и мощности, чтобы дать вам лучшее представление о том, о чем мы говорим.
Что такое энергия?
Энергия — это способность выполнять работу — или, другими словами, создавать изменения — посредством физических или химических процессов и ресурсов.
Когда дело доходит до энергии в вашем доме, проделанная работа приводит к подаче энергии вашим электрическим устройствам (например, лампочкам, телевизору) и теплу от ваших газовых приборов (например, печи, водонагревателя).
Существует множество различных типов энергии, включая химическую, тепловую, ядерную, электрическую и гравитационную, которые делятся на две основные категории энергии: потенциальную и кинетическую. Типы энергии, которые проходят через ваш дом, по большей части являются химическими, тепловыми и электрическими. Химическая и тепловая энергия являются потенциальной и кинетической соответственно, а электрическая энергия состоит из того и другого. Давайте подробнее рассмотрим эти различные виды энергии.
Потенциальная и кинетическая энергия
Существует два основных вида энергии: потенциальная и кинетическая .
Потенциальная энергия — запасенная энергия. Это потенциал для того, чтобы что-то работало или создавало изменения.
Химическая энергия , энергия, которая удерживает молекулярные связи вместе, является примером потенциальной энергии. Когда связи разрываются, эта химическая энергия высвобождается.
Кинетическая энергия — это движение. Это может быть что угодно, от движения атомов и волн до движущегося автомобиля или тела. Тепловая энергия , которая создает тепло за счет быстрого движения частиц воздуха, является примером кинетической энергии.
Энергия может преобразовываться из одного вида в другой, и природный газ является прекрасным примером. При добыче природный газ полон химической энергии. Химическая энергия удерживает вместе молекулярные связи в метане, этане и других типах соединений природного газа, из которых состоит природный газ, который вы получаете дома.
Когда источник тепла — скажем, запальник в вашей домашней печи — нагревает газ, он разрывает эти молекулярные связи. Когда облигации рвутся, 9Химическая энергия 0181 преобразуется в тепловую энергию , которая течет по всему дому, чтобы поддерживать в нем тепло и уют.
Электрическая энергия
Когда дело доходит до электричества, которое вы используете в своем доме, электрическая энергия имеет значение. Электрическая энергия может быть потенциальной или кинетической в зависимости от ее состояния. Электрическая потенциальная энергия накапливается, когда атомы в ваших электрических проводах накапливают заряд. Например, как только вы активируете электрический прибор или включаете свет, эта потенциальная электрическая энергия преобразуется в кинетическую по мере того, как заряженные атомы переместите через электрический провод. Помните, кинетическая энергия – это движение!
Что такое сила?
Вместо того, чтобы быть полностью отдельным от энергии объектом, сила на самом деле зависит от энергии. По своей сути мощность — это поток энергии во времени ; когда мы измеряем мощность, мы измеряем скорость, с которой прибор использует энергию. Если энергия — это количество выполненной работы, то мощность — это скорость выполнения этой работы.
Поскольку при этом учитывается скорость, мощность измеряется в таких единицах, как ватты (джоули в секунду), которые включают время как фактор.
Что касается вашего счета за коммунальные услуги, вы, скорее всего, увидите мощность, описывающую использование вами электроэнергии, а не использование природного газа. Что касается электричества, мощность связана с напряжением или давлением, которое заставляет электроны двигаться и создавать устойчивый заряд. Электроэнергия — это напряжение, умноженное на объем движущейся электроники, известный как ток. Чем выше напряжение, тем больше у вас электроэнергии.
В чем измеряется энергия?
Итак, мы знаем, что энергия отражает работу — как потенциальную, так и физическую. Но в какой единице измерения энергии можно уловить оба этих аспекта? Джоулей измеряют энергию. У нас есть целое руководство, которое поможет вам лучше понять, что такое джоуль, но мы быстро разберем его здесь.
Основной единицей измерения электроэнергии является мощность, которая представляет собой скорость потребления энергии.
Если ватт (мощность) равен одному джоулю в секунду, то джоуль электрической энергии равен одному ватт-секунде. В следующем разделе мы более подробно рассмотрим, в чем измеряется мощность.
Что касается природного газа, вы можете использовать джоули для измерения количества тепловой энергии, необходимой вашей печи для выпечки пирога или печи для обогрева вашего дома. Но на приборах, работающих на природном газе, вы, скорее всего, увидите оценку BTU (британская тепловая единица), а не оценку в джоулях. Для простоты преобразования одна БТЕ равна 1055 джоулей. Если ваша печь имеет рейтинг БТЕ 100 000 БТЕ/час, она потребляет 105 500 000 джоулей энергии в час.
Джоуль энергии относительно невелик, поэтому поставщик коммунальных услуг, скорее всего, измеряет потребление природного газа в гигаджоулях (ГДж). Один ГДж равен одному миллиарду джоулей; для контекста, для обогрева нового одноместного дома среднего размера в Канаде в течение одного года требуется около 100 гигаджоулей.
В чем измеряется мощность?
Поскольку мощность зависит от энергии, состав этого измерения также зависит от единиц измерения энергии, в частности, от джоулей.
Мощность измеряется в Вт ; ватт равен одному джоулю в секунду . Что это значит в реальном мире? Возвращаясь к нашему примеру с включением света, ватты измеряют количество энергии, которое ваша лампочка использует за каждую секунду, когда выключатель включен. Итак, если у вас есть 60-ваттная лампочка, она потребляет 10 джоулей энергии за каждую секунду включения.
Один ватт — очень маленькая единица мощности. Поэтому для измерения энергопотребления более крупных машин и приборов (таких как электрическая плита или вся домашняя система освещения) мощность обычно измеряется в киловаттах (кВт) — 1000 Вт.
Когда ваш поставщик электроэнергии измеряет потребление электроэнергии, ему необходимо знать количество киловатт, потребленных за определенный период. Вот тут-то и появляется киловатт-часов (кВтч) , и, вероятно, это то, что вы видели в своем счете за электроэнергию.
Дифференциация кВт и кВтч проста: киловатт — это единица мощности, тогда как киловатт-часы измеряют энергию, потребляемую этой выходной мощностью.
Как понять ваш счет за электроэнергию
Чтобы понять ваш счет за электроэнергию, вам просто нужно умножить ежемесячное потребление электроэнергии и природного газа на тариф, взимаемый вашим поставщиком коммунальных услуг. Энергетические компании обычно взимают плату за электроэнергию по цене за кВтч, а за природный газ — по цене за ГДж.
Допустим, у вас есть беговая дорожка мощностью 600 Вт, которую вы используете по два часа каждый день. Чтобы выяснить, сколько вы ежемесячно платите за занятия на беговой дорожке, начните с:
- .
Преобразование ватт в киловатты (кВт).
600 Вт 1000 Вт = 0,6 кВт
Умножение киловатт на ежедневное потребление
0,6 кВт X 2 часа = 1,2 кВтч
Умножение ежедневного использования на 30 дней (один месяц)
1,2 кВтч X 30 дней = 36 кВтч/месяц
Наконец, умножьте свое ежемесячное потребление на регулируемый тариф на электроэнергию.
Если, например, ваш поставщик электроэнергии взимает плату в размере 0,08 доллара США за кВтч, вы будете должны 2,88 доллара США (0,08 доллара США X 36 кВтч в месяц) за электроэнергию за использование вашей беговой дорожки в течение месяца.
Для расчета затрат на природный газ давайте возьмем в качестве примера печь мощностью 100 000 БТЕ/час и предположим, что вы используете ее 150 часов в месяц. Во-первых, нам нужно выяснить, сколько ГДж энергии вы используете для обогрева своего дома:
Умножьте показатель BTU на количество часов использования.
100 000 БТЕ/час X 150 часов = 15 000 000 БТЕ
Преобразование БТЕ в джоули.
15 000 000 БТЕ X 1055 Дж/БТЕ = 15 825 000 000 Дж
Перевести джоули в гигаджоули.
15 825 000 000 джоулей 1 миллиард джоулей = 15,825 ГДж
Последним шагом к определению стоимости отопления вашего дома является умножение ГДж на регулируемый тариф на природный газ.
Для этого примера мы скажем, что это 2,25 доллара США за ГДж, что означает, что вы должны будете заплатить около 35,60 долларов США за электроэнергию в месяц.
Дополнительные позиции в вашем счете за электроэнергию
Теперь, когда вы знаете, в каких единицах отражается мощность и энергопотребление вашего домохозяйства, ваш ежемесячный счет за электроэнергию должен показаться немного более простым. Но также может быть несколько дополнительных статей, требующих определения:
- Передача или доставка сборы отражают стоимость перемещения электроэнергии или природного газа от источника через систему передачи, провода для электричества и трубопроводы для природного газа включая техническое обслуживание линий электропередач, опор и трубопроводов.
- Распределение Сборы учитывают процесс доставки электроэнергии и природного газа в ваш дом или бизнес от системы передачи, включая содержание линий электропередач, опросы по электроснабжению и распределительные трубопроводы.
