Danas je nabavljen precizni laboratorijski mjerač električne snage (vatmetar) serije FW proizvod mađarske tvrtke Ganz Instruments iz 1960-tih godina.
Na priključnice označene sa 6 V dovodi se istosmjerni ili izmjenični napon iz nekog vanjskog izvora za napajanje žaruljice kao izvora svjetlosti za svjetlosnu značku. Preko priključnica U i I vatmetar se spaja paralelno u strujni krug za mjerenje napona i serijski u strujni krug za mjerenje struje. Zvijezdicom su označene priključnice istog polariteta kako bi otklon svjetlosne značke bio u ispravnom smjeru. Polaritet se može promijeniti i pomoću komutatorske sklopke sa oznakama + i -. Naponski mjerni opsezi biraju se preko 6-položajne sklopke, a strujni promjenom položaja kratkospojnika (čepova). U našem primjeru odabran je mjerni opseg 240V / 1A.
Tvrtka Ganz vuče korijene iz davne 1844. godine te je kao trgovačko ime i danas prisutna na tržištu. Poslovanje je započela kao ljevaonica željeza, odnosno proizvodnjom kotača od lijevanog željeza za poljoprivredne strojeve i željeznička vozila. Uskoro započinje naglo širenje tvrtke na sva područja proizvodnje gdje se koristi čelik i željezo te su do kraja 2. svjetskog rata pogoni tvrtke Ganz pokrivali veliki dio nacionalne proizvodnje parnih, dizel, benzinskih, plinskih i električnih strojeva te gotovih vozila za cestovni i željeznički promet, mornaricu i zrakoplovstvo. Osim toga proizvodila je turbine i druge teške željezne i čelične konstrukcije, primjerice za kranove i mostogradnju. Elektrotehnički pogon za proizvodnju električnih strojeva tvrtka Ganz formirala je 1878. godine, a 1889. godine predstavila je svoje prvo električno brojilo i vatmetar za izmjeničnu struju. Bila je pionir u primjeni jednofaznih i trofaznih izmjeničnih struja za pogon električne željeznice, proizvodila je električne motore, generatore, transformatore, pretvarače i sličnu električnu opremu za električne centrale, tramvaje i lokomotive. Nakon 2. svjetskog rata sve mađarske tvornice i pogoni Ganz se objedinjuju i postaju državna imovina, no već 1949. godine Ganz se ponovno razdjeljuje na više državnih poduzeća, među njima i na tri vezane uz proizvodnju električnih strojeva, transformatora i mjernih instrumenta. Početkom 1990-tih godina započinje transformacija Ganza u današnju holding organizaciju, odnosno tvrtka je rascjepkana i perspektivni pogoni rasprodani su stranim kompanijama koje uglavnom i dalje u nazivu koriste trgovačko ime Ganz.
Naš vatmetar može se povezati sa podružnicom GANZ Instruments Ltd. koja je formirana početkom 1960-tih godina i od tada proizvodi različite elektroničke i električne mjere uređaje i opremu te napajanja koji se izvoze širom svijeta. U 1980-tim godinama GANZ Instruments Ltd. potpada pod holding podružnicu Ganz Egypt Co. Ltd. (Egyptian Group – EGETD) koja objedinjuje više partnerskih tvrtki iz područja elektronike, elektrotehnike i energetike.
Vatmetar Ganz FW zasniva se na elektrodinamskom (elektrodinamičkom) instrumentu sa željeznom jezgrom (ferodinamski instrument), kojem na zakretnu zavojnicu nije spregnuta kazaljka već malo lagano ogledalo. Preko tog ogledala reflektira se fokusirana zraka svjetlosti na skalu instrumenta. Upotreba zrcala umjesto kazaljke smanjuje tromost i težinu pomičnog sistema, a svjetlosna zraka može se unutar kućišta instrumenta više puta lomiti čime se svaki puta udvostručuje dužina takve svjetlosne kazaljke i time i njezin kut otklona na skali. Takvi instrumenti zovu se instrumenti sa svjetlosnim znakom (značkom) i odlikuje ih visoka osjetljivost i preciznost. S obzirom da svjetlosna značka pada izravno na skalu nema greške paralakse te je očitanje vrijednosti brzo i jednostavno.
Prema shemi putanje zrake koju smo nacrtali za naš instrument vidimo da se svjetlost dva puta odbija prije upada na zrcalo zakretnog mjernog sustava, a ovo je potrebno iz razloga da se svjetlost žaruljice kroz trostruke sustave leća dobro fokusira u jedan snop sa oštrom crtom sjene po sredini koja služi kao marker za očitanje vrijednosti na skali. Nakon odbijanja svjetlosne zrake sa zrcala zakretnog mjernog sustava ista se još dva puta odbija prije dolaska na skalu instrumenta, a ovime se postiže veća duljina svjetlosne kazaljke. Naime, ukupnu duljinu puta zrake svjetlosti možemo usporediti sa duljinom neke materijalne kazaljke, pa je jasno da se na ovaj način efektivno dobivaju duljine kazaljke koje višestruko premašuju ukupnu duljinu kućišta instrumenta pri čemu nema nikakvog negativnog utjecaja mase kazaljke na zakretni mjerni sustav kao što je to slučaj kod materijalnih kazaljki. U konkretnom slučaju naš vatmetar ima svjetlosnu kazaljku duljine preko 30 cm, dok materijalne kazaljke nikad ne premašuju duljinu od 10 cm. Što je kazaljka instrumenta veća to se za isti kut pomaka zakretnog mjernog sustava dobivaju veći kutovi pomaka na skali instrumenta čime se postiže i bolja osjetljivost instrumenta. Skala kod našeg vatmetra je duljine 16 cm, a to su ujedno i najveće (jednoprolazne) duljine skala kod analognih mjernih instrumenta.
Princip rada samog ferodinamičkog mjernog sistema opisali smo u objavi FERODINAMIČKI VATMETAR ISKRA EL2 i ovakav tip instrumenta u praksi se koristi gotovo isključivo samo za vatmetre (iako se može spojiti i kao ampermetar i kao voltmetar). Kod vatmetra ISKRA EL2 za jezgru nepomične zavojnice koristi se lamelirano željezo, dok se kod vatmetra Ganz FW koristi specijalna prašinasta feritna jezgra pa je takav instrument upotrebljiv za mjerenje izmjeničnih struja u većem frekvencijskom opsegu, precizno 30-400 Hz (max 1000 Hz). Za usporedbu, vatmetar ISKRA EL2 baždaren je samo za frekvenciju od 50 Hz i vjerojatno bi već na 100 Hz gubici u željeznoj jezgri bili preveliki za mjerenje unutar deklarirane klase točnosti. Osim toga, na višim frekvencija sve više dolazi do izražaja induktivitet i međuinduktivitet zavojnica mjernog sistema, utjecaj vrtložnih struja te fazni pomak struje i napona na naponskoj grani što unosi pogrešku mjerenja posebno na trošilima sa malim faktorom snage. Stoga se i najbolji elektrodimački vatmetri mogu koristiti samo do frekvencija od najviše 10 kHz. S obzirom da ferodinamički instrumenti nemaju permanentnih magneta, nego se električki gledano koristi princip elektromagneta napajanog sa izvorom struje mjernog strujnog kruga, time je potrošnja ovakvih instrumenata velika i ne mogu se koristiti za mjerenje jako niskih napona i slabih struja.
Prema oznakama na skali klasa točnosti vatmetra je 0,2 i namijenjen je za mjerenje snage trošila na istosmjernim i izmjeničnim strujnim krugovima. Mjerni sistem zasniva se na elektrodinamskom instrumentu sa željezom jezrom. Negdje u literaturi ovakvi mjerni sistemi nazivaju se elektrodinamički sistemi zatvoreni željezom ili ferodinamski (ferodinamički) instrumenti. Vatmetar je predviđen za korištenje u vodoravnom položaju sa ispitnim naponom (izolacije) od 2 kV. Trokut sa uskličnikom označava da se kod mjerenja potrebno služiti dodatnim uputama koje idu uz instrument (određivanje koeficijenta instrumenta za pojedine mjerne opsege, točnost instrumenta na pojedinim dijelovima skale i s obzirom na nazivni napon). Na skali su osim ovih standardnih simbola naznačene i druge električne karakteristike: maksimalni naponi i struje dozvoljeni za zavojnice mjernog sistema, te omski otpor i induktivitet zavojnica. Naznačen je i frekvencijski opseg u kojem vatmetar mjeri sa deklariranom klasom točnosti.
Za naš vatmetar Ganz FW nismo pronašli nikakve tvorničke ni tehničke podatke. Radi se o instrumentu sa 6 naponskih i 2 strujna mjerna opsega sa jednom zajedničkom skalom koja je podijeljena u 150 jedinica (podjeljaka). To znači da skala nije baždarena izravno u vatima već se za svaki opseg mora izračunati kojoj očitanoj vrijednosti odgovara koja snaga u vatima. Svaki mjerni opseg ima dakle neku svoju konstantu koja čini odnos mjernog opsega prema broju podjeljaka. Tako bi na primjer za mjerni opseg 240V/1A konstanta instrumenta iznosila 1,6 odnosno jedna podjela skale odgovara snazi od 1,6 W. Naime, sa odabranim opsezima 240V/1A može se mjeriti maksimalna snaga od 240 W (P = U x I = 240 x 1 = 240 W), a 240 / 150 = 1,6. Naravno da je ovdje teško preračunati izmjerenu vrijednost u vate snage izravno kod mjerenja (množenje očitanje vrijednosti sa 1,6) pogotovo ako vršimo više uzastopnih mjerenja, pa se prilikom mjerenja najčešće prvo samo bilježe brojevi očitanih podjela na skali, a kasnije se isti pomnože sa odgovarajućom konstantom instrumenta kako bi se dobile stvarne vrijednosti.
Kod izmjeničnih mjerenja pitanje konstante instrumenta se dodatno komplicira jer treba uzeti u obzir faktor snage trošila na kojem vršimo mjerenje. Naime, ukoliko je faktor snage trošila malen (velik udio jalove snage naspram radne snage), a znamo da elektrodinamički vatmetar mjeri samo radnu snagu, onda će otklon kazaljke instrumenta na takvim trošilima biti malen i težak za točno očitanje. Stoga se vatmetri mogu baždariti tako da puni otklon imaju pri faktoru snage koji je manji od jedinice (sva snaga je djelatna ili cos ϕ=1), a to mogu biti i vrlo niski faktori snage, čak i do cos ϕ=0,05 gdje je samo 5% ukupne snage djelatno. Ovo bi naravno moralo biti nekako naznačeno na instrumentu ili popratnoj dokumentaciji tako da je šteta što nemamo nikakve podatke o našem vatmetru Ganz FW osim onih ispisanih na skali.
Na primjeru Ferodinamičkog vatmetra Iskra EL2 vidjeli smo kako su konstante za svaki mjerni opseg ispisane na kućištu instrumenta. Nekim sličnim instrumentima konstante su ispisane na praznim poljima na površini skale, a kod nekih na posebnoj dokumentaciji koja dolazi uz instrument kao što je to slučaj i kod našeg vatmetra. Stoga na skali uočavamo simbol trokuta sa uskličnikom u sredini koji upozorava da se uz instrument koristi i odgovarajuće uputstvo u kojem su navedene konstante i ograničenja vezana uz svaki mjerni opseg. Ova ograničenja također se odnose i na definiranje dijelova mjernih područja u kojima je instrument najprecizniji.
Između dvije jezgre od feritnog materijala uočavaju se dvije nepokretne strujne zavojnice elektrodinamskog mjernog sistema čijim serijskim ili paralelnim prespajanjem dobivano dva strujna mjerna opsega. Unutar njih se nalaze zakretne zavojnice naponske grane sa kojima je preko zajedničke osovine spregnuto malo zrcalo. Zrcalo reflektira svjetlosnu značku na skalu instrumenta.
Kod ferodinamskih mjernih sistema sav magnetski tok koji stvaraju zavojnice prenosi se preko (unutar) zatvorene željezne jezgre tako da je utjecaj stranih (vanjskih) magnetskih polja na zavojnice zanemariv. Ipak, ovdje je čitav ferodinamski sistem svejedno još i oklopljen metalnim tijelom kako bi se dodatno spriječio utjecaj vanjskih magnetskih polja (kao kod elektrodinamskih mjernih sistema bez željeza), a taj oklop ujedno i poboljšava temperaturnu kompenzaciju mjernog sistema.
Kod preciznih vatmetara više faktora utječe na točnost mjerenja, posebice kad mjerimo izmjenične napone i struje. Kao što smo već prije napomenuli, važno je znati da elektrodinamički vatmetar u izmjeničnom krugu mjeri samo djelatnu (radnu, aktivnu) komponentu snage. U objavi W – VATMETAR opisali smo osnovne pojmove vezane uz elektrodinamičke vatmetre i način spajanja istih u strujni krug. Smjer otklona kazaljke (svjetlosne značke) vatmetra ovisi o redoslijedu priključivanja njegovih strujnih i naponskih zavojnica pa su kod vatmetra Ganz FW dovodne strujne i naponske priključnice označene zvjezdicom koja određuje polaritet spajanja, a osim toga napon na naponsku zavojnicu dovodi se preko komutatorske sklopke kojom se jednostavno promijeni polaritet napona u slučaju pogrešnog otklona mjernog sistema. Za razliku od voltmetra ili ampermetra kod vatmetra nam otklon kazaljke nije pokazatelj opterećenja mjernog sistema, odnosno strujna ili naponska zavojnica mjernog sistema može biti već preopterećena do granice pregaranja, a da kazaljka nije dosegla ni približno puni otklon na skali. Stoga se treba striktno pridržavati naponskih i strujnih ograničenja na pojedinim mjernim opsezima i nerijetko se u strujni krug sa vatmetrom spajaju kontrolni voltmetri ili ampermetri. Osim kontrole preopterećenja, ovi dodatni mjerni instrumenti mogu poslužiti i za određivanje prividne i jalove snage, odnosno faktora snage (omjer djelatne i prividne snage ili cos ϕ).
Mjerni opsezi na strujnoj grani (0,5A i 1A) u našem slučaju mijenjaju se promjenom načina spajanja dvije strujne zavojnice u elektrodinamičkom mjernom sistemu (paralelno ili serijski) preko kratkospojnika u obliku kontaktnih čepišta na prednjoj ploči vatmetra. Mjerni opsezi na naponskoj grani (30V, 60V, 120V, 240V, 360V, 600V) mijenjaju se promjenom vrijednosti predotpornika koji se dodaje serijski naponskoj zavojnici u elektrodinamičkom mjernom sistemu preko 6-položajne sklopke na prednjoj ploči vatmetra.
Žaruljica kao izvor svjetlosti za svjetlosnu značku i transformator 6 V za napajanje iste.
Kod mjerenja snage trošila nužno je istovremeno mjeriti napon i struju koja teče kroz trošilo. Ovo donekle usložnjava spajanje instrumenta u mjereni strujni krug, pa se mjerenje struje kod pogonskih i panel vatmetara često vrši beskontaktno preko strujnih senzora (princip isti kao kod mjernih kliješta) tako da se ne mora fizički prekidati strujni krug (vod) sa trošilom. Kod preciznih laboratorijskih mjerenja snage senzori se ne koriste jer se njima unose dodatne pogreške mjerenja. Naš vatmetar Ganz FW namijenjen je za precizno mjerenje snage trošila spojenih na izmjenične ili istosmjerne napone do 600 V koji ne vuku struju jaču od 1 A. Tako nam može izvrsno poslužiti za mjerenje snage mnogih elektroničkih sklopova, bilo da su spojeni na izmjenični mrežni napon preko ispravljača ili na neki istosmjerni izvor napona. Vatmetar je inače rijetko zastupljen mjerni instrument u amaterskim elektroničkim radionicama jer nije komplicirano izmjeriti posebno napon i struju da se iz toga izračuna snaga trošila, a osim toga naponi su uglavnom u startu poznati i fiksni jer se koriste stabilizirana istosmjerna napajanja pa je dovoljno izmjeriti samo struju. Vatmetar Ganz FW mogao bi biti praktično koristan za izravna mjerenja snage u onim krugovima gdje se napon i struja mijenjanju ili pak u kakvim uzastopnim, usporednim ili testnim mjerenjima snage više sličnih trošila. Moderni digitalni elektronički vatmetri imaju vrlo mali strujni otpor, vrlo veliki naponski otpor, nemaju induktivitete te daju izravna očitanja i izračune svih komponenti snage pa je njihov utjecaj u mjerenom strujnom krugu zanemariv, pogreška očitanja svedena je na nulu, a često su i učinkovito zaštićeni i od svih drugih ljudskih pogrešaka, posebice od pogrešnog spajanja i preopterećenja 🙂
Svjetlosna značka koja pada na skalu instrumenta dovoljno dobro se uočava i na dnevnom svjetlu.