Vatímetro

El vatímetro es un instrumento para medir la potencia eléctrica activa (o el promedio del caudal de energía eléctrica) en vatios de cualquier circuito determinado. Los vatímetros electromagnéticos se utilizan para medir la frecuencia de la red pública y la potencia de audiofrecuencia; Se requieren otros tipos para mediciones de radiofrecuencia.

Un vatímetro lee el valor medio del producto v(t)i(t) = p(t), donde v(t) es la tensión con positivo polaridad de referencia en el terminal ± con respecto al otro terminal de la bobina de potencial, y i(t) es la corriente con dirección de referencia que fluye hacia el terminal ± de la bobina de corriente. El vatímetro indica P = (1/T) ∫₀^T v(t)i(t) dt, que en estado estacionario sinusoidal se reduce a V_rms I_rms cos(φ), donde T es el período de p(t) y φ es el ángulo por el cual la corriente se retrasa con respecto al voltaje.

Historia

El Húngaro Ottó Bláthy patentó su wattímetro AC.

En 1974, Maghar S. Chana, Ramond L. Kraley, Eric A. Hauptmann Barry y M. Pressman patentaron uno de los primeros vatímetros electrónicos. Este dispositivo está formado por transformadores de potencia, corriente y tensión, que miden la potencia media.

Electrodinámica

El vatímetro analógico tradicional es un instrumento electrodinámico. El dispositivo consta de un par de bobinas fijas, conocidas como bobinas de corriente, y una bobina móvil conocida como bobina de potencial.

Las bobinas de corriente están conectadas en serie con el circuito, mientras que la bobina de potencial está conectada en paralelo. Además, en los vatímetros analógicos, la bobina de potencial lleva una aguja que se mueve sobre una escala para indicar la medida. Una corriente que fluye a través de la bobina actual genera un campo electromagnético alrededor de la bobina. La intensidad de este campo es proporcional a la corriente de línea y está en fase con ella. La bobina de potencial tiene, por regla general, una resistencia de alto valor conectada en serie con ella para reducir la corriente que fluye a través de ella.

El resultado de esta disposición es que en un circuito de corriente continua (CC), la desviación de la aguja es proporcional a ambas la corriente (I) y el voltaje (V), conformándose así a la ecuación P=VI.

Para la alimentación de CA, la corriente y el voltaje pueden no estar en fase, debido a los efectos retardantes de la inductancia o capacitancia del circuito. En un circuito de CA, la deflexión es proporcional al producto instantáneo promedio de voltaje y corriente, midiendo así la potencia activa, P=VI cos φ. Aquí, cos φ representa el factor de potencia que muestra que la potencia transmitida puede ser menor que la potencia aparente obtenida multiplicando las lecturas de un voltímetro y un amperímetro en el mismo circuito.

Electrónica

Los vatímetros electrónicos se utilizan para mediciones directas de potencia pequeña o para mediciones de potencia en frecuencias más allá del rango de instrumentos tipo electrodinamómetro.

Digital

Un vatímetro digital moderno toma muestras del voltaje y la corriente miles de veces por segundo. Para cada muestra, el voltaje se multiplica por la corriente en el mismo instante; el promedio de al menos un ciclo es la potencia real. La potencia real dividida por los voltamperios (VA) aparentes es el factor de potencia. Un circuito de computadora utiliza los valores muestreados para calcular el voltaje RMS, la corriente RMS, VA, la potencia (vatios), el factor de potencia y los kilovatios-hora. Las lecturas pueden mostrarse en el dispositivo, conservarse para proporcionar un registro y calcular promedios, o transmitirse a otro equipo para su uso posterior. Los vatímetros varían considerablemente a la hora de calcular correctamente el consumo de energía, especialmente cuando la potencia real es mucho menor que VA (cargas altamente reactivas, por ejemplo, motores eléctricos). Los medidores simples pueden calibrarse para alcanzar la precisión especificada sólo para formas de onda sinusoidales. Las formas de onda de las fuentes de alimentación de modo conmutado que se utilizan en muchos equipos electrónicos pueden estar muy lejos de ser sinusoidales, lo que genera errores desconocidos y posiblemente grandes en cualquier potencia. Es posible que esto no esté especificado en el manual del medidor.

Precisión y exactitud

Existen limitaciones para medir la potencia con vatímetros económicos o, incluso, con cualquier medidor que no esté diseñado para mediciones de baja potencia. Esto afecta particularmente a la baja potencia (por ejemplo, menos de 10 vatios), como se utiliza en modo de espera; las lecturas pueden ser tan inexactas que resulten inútiles (aunque confirman que la energía de reserva es baja, en lugar de alta). La dificultad se debe en gran medida a la dificultad para medir con precisión la corriente alterna, en lugar del voltaje, y la relativamente poca necesidad de mediciones de baja potencia. La especificación del medidor debe especificar el error de lectura para diferentes situaciones. Para un medidor enchufable típico, el error en potencia se indica como ±5% del valor medido ±10 W (por ejemplo, un valor medido de 100 W puede estar equivocado en un 5% de 100 W más 10 W, es decir, ±15 W, o 85-115 W); y el error en kW·h se indica como ±5% del valor medido ±0,1 kW·h. Si una computadora portátil en modo de suspensión consume 5 W, el medidor puede leer entre 0 y 15,25 W, sin tener en cuenta los errores debidos a la forma de onda no sinusoidal. En la práctica, la precisión se puede mejorar conectando una carga fija, como una bombilla incandescente, añadiendo el dispositivo al modo de espera y aprovechando la diferencia en el consumo de energía. Esto saca la medición de la problemática zona de baja potencia.

Radiofrecuencia

Los instrumentos con bobinas móviles se pueden calibrar para corriente continua o corrientes de frecuencia industrial de hasta unos pocos cientos de hercios. En radiofrecuencias (RF), un método común es un circuito rectificador dispuesto para responder a la corriente en una línea de transmisión; el sistema está calibrado para la impedancia del circuito conocida. Los detectores de diodos se conectan directamente a la fuente o se utilizan con un sistema de muestreo que desvía sólo una parte de la potencia de RF a través del detector. Los termistores y termopares se utilizan para medir el calor producido por la energía de RF y pueden calibrarse directamente o comparándolos con una fuente de energía de referencia conocida. Un sensor de potencia bolómetro convierte la energía de radiofrecuencia incidente en calor. El elemento sensor se mantiene a una temperatura constante mediante una pequeña corriente continua. La reducción de la corriente necesaria para mantener la temperatura está relacionada con la potencia de RF incidente. Los instrumentos de este tipo se utilizan en todo el espectro de RF e incluso pueden medir la potencia de la luz visible. Para mediciones de alta potencia, un calorímetro mide directamente el calor producido por la potencia de RF.

Contadores de vatios-hora

Un instrumento que mide la energía eléctrica en vatios hora es esencialmente un vatímetro que integra la potencia en el tiempo (esencialmente multiplica la potencia por el tiempo transcurrido). Los instrumentos electrónicos digitales miden muchos parámetros y pueden usarse cuando se necesita un vatímetro: voltios, corriente en amperios, potencia instantánea aparente, potencia real, factor de potencia, energía en [k]W·h durante un período de tiempo y costo de la electricidad. consumado.