جهاز الواتميتر عبارة عن جهاز لقياس القدرة الكهربية أو الطاقة الكهربية المستهلكة عبر فترة زمنية ما، فإن كان يقرأ القدرة المستهلكة فى الساعة يكون قياس القدرة المستهلكة أما إن كان يقيس كم الطاقة المستهلك منذ بدء التشغيل فيكون مقياس الطاقة الكلية للكهرباء.
ما هى الطاقة؟ هى ببساطة حاصل ضرب التيار فى الجهد ، و تمتد عبر فترة زمنية ما. ومن هذا لو ثبت الحمل (المقاومة)، فقياس الجهد أو التيار دليل على الطاقة ، ولو ثبت الجهد يكون التيار دليل على الطاقة ، ولو ثبت التيار ، يكون الجهد دليل على الطاقة. و بأخذ الزمن كوحدة واحدة ، تكون الطاقة = القدرة. و لكن الجهد و التيار لهما تردد أيضا!! حسنا هذا يضيف بعضا من التعقيد على الأمور حيث: أولا: كل وسائل القياس و كل المكونات تعتمد بشكل أساسى على التردد وهذا يجعل أسلوب القياس يعتمد أساسا على التردد ثانيا: وجود فرق فى الوجه يجعل هناك طاقة فاعلة يستفيد منها الحمل و أخري تتردد بين الحمل و المصدر فارضة حملا على الشبكة و المولد بينما لا يستغلها الحمل ولا تستفيد منها الشركة التى تبيع الكهرباء.
القدرة = ف × ت × جتا س حيث س الزاوية بين التيار ت والفولت ف. لهذا يجب أن نأخذ كل هذه الاعتبارات فى الحسبان. هناك نوعان رئيسيان من أجهزة قياس الطاقة أو القدرة – النوع الرقمى و النوع التماثلى التقليدى. النوع التماثلى يعتمد على فكرة الموتور حيث يوجد قرص ألومنيوم رقم 4 فى الشكل التالى
[img]/uploads/default/original/2X/6/6f628f860f06bba51601b88bc37399c4f869864c.jpg[/img]و المشروح فى الرابط
يقع على هذا القرص مجالين مغناطيسيين بينهما 90 درجة أحدهما يولد بواسطة ملف يوصل بين طرفى المدخل الكهربى أى يعتمد على الفولت الأخر يولد من ملف يمر فيه نفس التيار الذاهب للحمل و بالتالى تكون سرعة الدوران دالة فى القدرة المستهلكة الفاعلة أى ما تستهلكه فعليا. لو وضعت ملف مثل محول مثلا ستجد أن التيار يمر فيه و العداد لا يقرأ ولا يتحرك. من هذا المنطلق تعترض شركات توزيع الكهرباء على وجود مثل تلك الأحمال و التى تسحب تيار لا تجنى من ورائه ربحا.
الشكل التالى
[img]/uploads/default/original/2X/0/0c9b6dbfc4e12700124583afde8eda5203fd5c66.png[/img]نفس الفكرة ولكن بمؤشر حتى يقيس القدرة المستهلكة بالكيلو وات/ساعة و لكن لا يقول لك كم استهلكت اليوم مثل الجهاز الأول كما شاهدنا، نجد أنه يتكون أساسا من ملفين وبالتالى التردد عامل حاسم فى دقة القياس فزيادة التردد عن المصمم له القياس سيجعل التيار فى ملف الفولت يقل بالضرورة و بالتالى يقل العزم و يقل التسجيل و العكس بانخفاض التردد، أيضا لا يصلح لقياس الطاقة أو القدرة للتيار المستمر. قبل أن نترك هذا الجزء يجب أن نتذكر "بماذا ضحينا فى المعادلة الأصلية؟" التردد لأنه يجب أن يثبت ولا يتغير
هل قدمت لنا الإلكترونيات حلا لهذا الإشكال؟
الأجهزة الإلكترونية لقياس القدرة والطاقة
فى بداية المرة الماضية تحدثنا عن أساليب مختلفة لقياس الطاقة و لكن المشكلة المطلوب حلها هى المعادلة القدرة = ف × ت × جتا س بالتحديد هو تلك العلامة × التى تقلق مضجعنا لماذا؟ - مكبر العمليات سمى مكبر عمليات لأنه يقوم بعمليات حسابية، و التكبير هو حاصل ضرب الدخل فى قيمة.
أجل أكمل الجملة!! "قيمة ثابتة" و ما نريده هو: أولا الضرب فى قيمة متغيرة أى أن الكسب يتغير بتغير الفولت و الدخول يمثل التيار أو العكس فيكون الناتج حاصل ضرب الفولت × التيار ثانيا مراعاة تلك المشكلة المسماة جتا س. أى أن الضرب يكون ضرب اتجاهى (ضرب متجهات وليس ضرب قيم).
حسنا لنتناول المشاكل كل على حدة ونرى إلى أين تقودنا الأمور. لو عدنا للمكبر التفاضلى
[img]/uploads/default/original/2X/6/66abe98b978be1121eae06c796000c0fad06de05.png[/img]لوجدنا أن الكسب يعتمد أساسا على قيمة التيار المار فى الترانزيستور رقم 3 و بهذا لو وضعنا فولتا ما على قاعدته و آخر على قاعدة رقم1 سيكون الخرج هو حاصل الضرب هذه النظرية استغلت فى تصنيع عدد من المتكاملات IC's هذه وظيفتها و تسمى Four Quadrant Multipliers مثل LM13700
http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/8641/NSC/LM13700.html
و سميت لأنها تعطى نتيجة ضرب متجه عكس المحاولات السابقة التى كانت تعطى الضرب العددى فقط دون مراعاة لزاوية الوجه.
هذه المكونات لها كثير من التطبيقات العملية منها على سبيل المثال True RMS أو وسائل قياس القيمة الحقيقية لجذر متوسط التربيع لأى شكل موجى غير تقليدى و ذلك بضربه فى نفسه ينتج التربيع و من ثم نأخذ المتوسط
هذه المكونات الإلكترونية مكنت من توسيع النطاق الترددى لمئات الكيلو هرتز و حتى بضع ميجا باستخدام مكبرات خاصة و هو تطبيق يفيد جدا فى قياس الطاقة الفعلية فى تطبيقات الصوت و الفيديو و حتى الإرسال اللاسلكى حتى ترددات الموجة المتوسطة و القصيرة.
[img]/uploads/default/original/2X/5/5a71becf9f810ef2064c0c5fab683d56a14a0266.png[/img]الدائرة بالرسم من الصفحة 9 بالداتا شيت للمتكاملة السابقة وهى الشكل رقم 6 من الدوائر الموجودة بهذا الملف المليء بالدوائر القيمة. الدائرة كما سبق الشرح وهى تقوم بعملية الضرب للإشارة Vin1 داخل المربع الأحمر فى الإشارة Vin2 داخل المربع الأزرق و الناتج فى الطرف Vo داخل المربع الأصفر.
فى نفس الملف ستجد فى الصفحة رقم 20 الشكل 27 دائرة True RMS Converter وهى أيضا دائرة هامة جدا لكنها لا تعطى الطاقة الفاعلة. True RMS يعنى أننا نحسب المكافئ للجهد المستمر حينما لا يكون شكل الموجة جيبى ، فمثلا لمن يهتم بالمحولات Inverter فعادة ما يكون شكل النبضة مربع وهنا يستخدم هذه الدائرة لتحديد ما يوازى 220 متردد، ثم خطوة أخرى سيبدأ البحث عن دوائر تقرب الخرج من الموجة ألجيبية فيستخدم موجات مركبة من أكثر من موجة مربعة و هذه الدائرة تساعد فى هذا التقييم أيضا بعض التطبيقات تحتاج موجة مثلثة أو أى شكل آخر، بهذه الدائرة تعرف كم تساوى. المرة القادمة إن شاء الله نبحث قياس القدرة على الترددات الأعلى من ذلك.
قياسات الترددات العالية High Frequency Measurements
عندما يرتفع التردد لا يمكن أن نضع مقياس تيار كما نفعل فى التيار المستمر ولا التيار المتردد ذو الترددات المنخفضة. السبب؟ ببساطة أن الوسط الناقل للقدرة يتغير من كابل ناقل للقدرة لا تؤثر قياساته كثيرا إلى خط نقل قدرة أو المسمى Transmission Line و السبب الرئيسى هو أن التردد الأعلى يكون موجة ذات طول موجى أقصر هذا من جهة و من جهة أخرى كما نعلم أن إعاقة المكثف تقل بزيادة التردد و إعاقة الملف تزيد بزيادة التردد و مع الترددات العالية تكون أقل قطعة من السلك المزدوج تمثل دائرة رنين لأن السلك له حث و بين الموصلين سعة و لهذا يكون لهذا الخط ما يسمى بالإعاقة النوعية أى Characteristic Impedance و لا بد من ثبات قيمتها من المنبع و على مدى الخط إلى الحمل والذى يكون غالبا الهوائى. نلاحظ أن العامل الأساسى هنا هو شكل الخط الناقل للقدرة لأن الحث يعتمد أساسا على شكل السلك و السعة على الأطوال و المسافات. إذن أى تغيير فى الشكل يسبب مشاكل ناجمة عن اختلاف الإعاقة النوعية. الحل؟ ببساطة أن ندرس المشكلة ونبحث عن الحل. خط نقل القدرة له معاوقة ثابتة حتى الحمل. أيضا الحمل ذاته له نفس المعاوقة. هذا يفتح لنا طريق الحل الأول وهو قياس التيار أو الفولت دليل على القدرة. الحل الثانى مثل قياس خرج المكبر الكلى بصرف النظر عن توصيله لهوائى بهدف الاختبار، يفتح لنا طريق الحل الثانى وهو قياس الحرارة دليل على القدرة. الحل الثانى ببساطة يعتمد على استخدام مقاومة حمل كربونية تمتص كل الطاقة، و قياس الحرارة الناتجة هو دليل القدرة التى اكتسبتها المقاومة. تتميز هذه الطريقة بالبساطة فهى تحتاج مقاومة تتأثر بالحرارة و مقياس، لكن يعيبها ألبطء حيث فى القدرات العالية، تحتاج لمقاومة ذات حجم كبير لتمتص هذه القدرة
[img]/uploads/default/original/2X/0/0a39e3b7694fbbc9e56dcb9a53f561a0df1ff081.jpg[/img]
لو حدث اختلال فى قيمة المعاوقة النوعية Characteristic Impedance لخط أو للهوائى ، لن تذهب الطاقة كلها للحمل (الهوائى) و ستنعكس نسبة منها
لقياس القدرة الفعلية التى يستهلكها الهوائى، يجب أن نقيس القدرة الصادرة للهوائى و المنعكسة نستخدم "مقاطع" من الخط تكون مهيأة بصورة خاصة لأخذ عينة من الطاقة المارة فى الخط حيث توجه لمقياس حرارى يترجم هذه القدرة إلى حرارة ثم الحرارة إلى تغير فى مقاومة الحساس و تترجم هذه المقاومة على قدرة مارة فى المسار الأصلى.
طبعا سيكون السؤال أن هذا يأخذ دهرا لإتمامه ولكن الإجابة هى السرعة تعتمد أساسا على الحساس. كلنا نعلم LM35 الشهير وهو يعتمد على 2 ترانزيستور فى قياس درجة الحرارة ولهذا يمكن عمل نماذج منها سريعة الاستجابة وهناك وحدات تستهلك مايكرو وات لتتجاوب. إذن بقى أن نعرف كيف نأخذ العينة – حسنا كما قلنا مقطع من خط نقل القدرة. خطوط نقل القدرة عند الترددات العالية تكون أساسا كابل محورى ذو إعاقة نوعية إما 50 أوم أو 75 أوم و عليه نصنع وحدة ذات قلب هوائى لها نفس الإعاقة النوعية و نضع بها حلقة تعمل عمل المحول لتأخذ قليلا من المجال المغناطيسى الموجود داخل خط النقل. هذا الرابط يحتوى مزيد من الشرح حول هذا الموضوع
http://www.radartutorial.eu/17.bauteile/bt26.en.html
هكذا نقول أن فى الترددات العالية نقيس قدرة تسير عبر خط ولكن لا نعلم إن كانت فاعلة أو غير فاعلة! القدرة الغير فاعلة فى خطوط الكهرباء هى خسارة على الشركة المنتجة لكن لا تسبب تلف ما، أما فى هذه الترددات، كل الطاقة مولدة بترانزيستور و يجب أن يشعها الهوائى، ولو ارتدت عنه ستتسبب فى دمار فورى للمراحل الأخيرة من جهاز الإرسال. لهذا قياسها و مراقبتها أكثر أهمية فى هذه الدوائر لهذا تستخدم وحدة مثل السابقة توصل عكسيا لقياس القدرة المرتدة من الهوائى أو يمكن استبدال المقاومة Zo بدائرة قياس فما تمتصه هذه المقاومة فعليا فو القدرة المرتدة من الهوائى.
أرجو أن يكون هذا الموضوع قد أفاد من بذل الوقت مشكورا لقراءته
لتحميل الموضوع كاملا بصيغة PDF
WattMeter-PDF.pdf (177.2% u)