НОУ ІНТУЇТ | лекція | Вимірювання потужності

1. Вимірювання потужності в ланцюгах постійного струму і змінного промислової частоти З виразу для потужності...
2. Методи вимірювання потужності на високих і надвисоких частотах

Вимірювання потужності в ланцюгах постійного струму і змінного промислової частоти

З виразу для потужності на постійному струмі видно, що її можна виміряти за допомогою амперметра і вольтметра непрямим методом. Однак в цьому випадку необхідно проводити одночасний відлік по двом приладам і обчислення, що ускладнюють вимірювання і знижують його точність.

Для вимірювання потужності в колах постійного і однофазного змінного струму застосовують прилади, які називаються ватметр, для яких використовують електродинамічні та феродинамічні вимірювальні механізми.

Електродинамічні ватметри випускають у вигляді переносних приладів високих класів точності (0,1 - 0,5) і використовують для точних вимірювань потужності постійного і змінного струму на промислової і підвищеної частоті (до 5000 Гц). Феродинамічні ватметри найчастіше зустрічаються у вигляді щитових приладів щодо низького класу точності (1,5 - 2,5).

Застосовують такі ватметри головним чином на змінному струмі промислової частоти. На постійному струмі вони мають значну похибку, яка обумовлена ​​гистерезисом сердечників.

Для вимірювання потужності на високих частотах застосовують термоелектричні і електронні ватметри, що представляють собою електромагнітний вимірювальний механізм, забезпечений перетворювачем активної потужності в постійний струм. У перетворювачі потужності здійснюється операція множення і отримання сигналу на виході, залежить від твору UI, т. е. від потужності.

на Мал. 8.1 показана можливість використання електродинамічного вимірювального механізму для побудови ваттметра і вимірювання потужності.

Мал.8.1.

Схема включення ватметра

Нерухома котушка 1, що включається в ланцюг навантаження послідовно, називається послідовним колом ватметра, рухлива котушка 2 (з додатковим резистором), що включається паралельно навантаженню - паралельним ланцюгом.

Для ваттметра, що працює на постійному струмі:

Розглянемо роботу електродинамічного ватметра на змінному струмі. Векторна діаграма на Мал. 8.2 побудована для індуктивного характеру навантаження. Вектор струму паралельного ланцюга відстає від вектора напруги на кут? внаслідок деякої індуктивності рухомої котушки.

Мал.8.2.

Векторна діаграма для індуктивного характеру навантаження

З цього виразу випливає, що ватметр правильно вимірює потужність лише в двох випадках: при і .

Умова може бути досягнуто створенням резонансу напруг в паралельній ланцюга, наприклад включенням конденсатора З відповідною ємності, як це показано штриховою лінією на Мал. 8.1 . Однак резонанс напруг буде лише при деякій певній частоті. Зі зміною частоти умова порушується. при ватметр вимірює потужність з похибкою , Яка носить назву кутовий похибки.

При малому значенні кута ( зазвичай становить не більше 40 - 50 '), відносна похибка

при кутах , Близьких до 90o, кутова похибка може досягати великих значень.

Другий, специфічної, похибкою ватметрів є похибка, обумовлена ​​споживанням потужності його котушками.

При вимірюванні потужності, споживаної навантаженням, можливі дві схеми включення ватметра, що відрізняються включенням його паралельної ланцюга ( Мал. 8.1 ).

Мал.8.3.

Схеми включення паралельної обмотки ватметра

Якщо не враховувати фазових зрушень між струмами і напругами в котушках і вважати навантаження H чисто активної, похибки і , Обумовлені споживанням потужності котушками ваттметра, для схем ( Мал. 8.3 ):

де і - відповідно потужність, споживана послідовним і паралельним колом ватметра.

З формул для і видно, що похибки можуть мати помітні значення лише при вимірах потужності в малопотужних ланцюгах, т. е. коли і сумірні з .

Якщо поміняти знак тільки одного з струмів, то зміниться напрямок відхилення рухомої частини ваттметра.

У ваттметра є дві пари затискачів (послідовної і паралельної ланцюгів), і в залежності від їх включення в ланцюг напрямок відхилення покажчика може бути різним. Для правильного включення ватметра один з кожної пари затискачів позначається знаком "*" (зірочка) і називається "генераторним затискачем".

Вимірювання потужності з використанням ефекту Холла

Перемноження значень сили струму і різниці потенціалів при вимірюванні потужності можна отримати, використовуючи напівпровідникові перетворювачі Холла.

Якщо спеціальну напівпровідникову пластину, по якій тече струм I ( Мал. 8.4 ), Що порушується електричним полем напруженістю Е, помістити в магнітне поле з напруженістю Н (індукцією В), то між її точками, що лежать на прямій, перпендикулярній напрямками протікає струму I і магнітного поля, виникає різниця потенціалів (ефект Холла), що визначається як

де k - коефіцієнт пропорційності.

Мал.8.4.

Пристрій перетворювача Холла

Згідно з теоремою Умова-Пойнтінга, щільність потоку що проходить потужності НВЧ-коливань в деякій точці поля визначається векторним твором електричної і магнітної напруженостей цього поля:

Звідси, якщо струм I буде функцією електричної напруженості Е, то за допомогою датчика Холла можна отримати наступну залежність напруги від прохідної потужності:

де g - постійний коефіцієнт, що характеризує зразок. Для вимірювання такої потужності пластину напівпровідника (пластинку Холла - ПХ) поміщають в хвилевід, як показано ( Мал. 8.5 ).

Пристрій перетворювача Холла із застосуванням хвилеводу

Розглянутий вимірювач прохідної потужності володіє наступними перевагами:

1. може працювати при будь-якому навантаженні, а не тільки при узгодженій;
2. високу швидкодію ваттметра дає можливість застосовувати його при вимірюванні імпульсної потужності.

Однак практична реалізація ватметрів на ефекті Холла - досить складне завдання в силу багатьох факторів. Проте, існують ватметри, що вимірюють проходить імпульсну потужність до 100 кВт з похибкою не більше 10%.

Методи вимірювання потужності на високих і надвисоких частотах

Потужність в загальному вигляді є фізична величина, яка визначається роботою, виробленої в одиницю часу. Одиниця потужності - ват (Вт) - відповідає потужності, при якій за одну секунду виконується робота в один джоуль (Дж).

На постійному струмі і змінному струмі низької частоти безпосереднє вимірювання потужності часто замінюється вимірюванням діючого значення електричної напруги на навантаженні U, діючого значення струму, що протікає через навантаження I, і кута зсуву фаз між струмом і напругою . При цьому потужність визначають виразом:

У СВЧ діапазоні вимірювання напруги і струму стає скрутним. Соизмеримость розмірів вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв з довжиною хвилі є однією з причин неоднозначності вимірювання напруги і струму.

Вимірювання супроводжуються значними частотними похибками. Слід додати, що вимір напруги і струму в хвилеводних трактах при деяких типах хвиль втрачає практичний сенс, тому що поздовжня складова в провіднику відсутня, а різниця потенціалів між кінцями будь-якого діаметру перетину хвилеводу дорівнює нулю. Тому на частотах, починаючи з десятків мегагерц, кращим і більш точним стає безпосереднє вимірювання потужності, а на частотах понад 1000 МГц - це єдиний вид вимірювань, однозначно характеризує інтенсивність електромагнітних коливань.

Для безпосереднього вимірювання потужності СВЧ застосовують методи, засновані на фундаментальні фізичні закони, що включають метод прямого вимірювання основних величин: маси, довжини і часу.

Незважаючи на різноманітність методів вимірювання НВЧ потужності, всі вони зводяться до перетворення енергії електромагнітних НВЧ коливань в інший вид енергії, доступної для вимірювання: теплову, механічну і т. Д. Серед приладів для вимірювання НВЧ потужності найбільшого поширення набули ватметри, засновані на теплових методах. Використовують також ряд інших методів - пондеромоторних, зондський і інші.

Принцип дії переважної більшості вимірювачів потужності СВЧ, званих ватметр, заснований на вимірюванні змін температури або опору елементів, в яких розсіюється енергія досліджуваних електромагнітних коливань. До приладів, заснованим на цьому явищі, відносяться калориметричні і терморезисторні вимірювачі потужності. Набули поширення ватметри, що використовують пондеромоторні явища (електромеханічні сили), і ватметри, що працюють на ефекті Холла. Особливість перших з них - можливість абсолютних вимірювань потужності, а друге - вимірювання потужності незалежно від узгодження ВЧ-тракту.

За способом включення до передавальний тракт розрізняють ватметри проходить типу і поглинає типу. Ваттметри проходить типу являє собою чотириполюсник, в якому поглинається лише невелика частина загальної потужності. Ватметр поглинаючого типу, що представляє собою двухполюсник, підключається на кінці передавальної лінії, і в ідеальному випадку в ньому поглинається вся потужність падаючої хвилі. Ваттметри проходить типу часто виконується на основі вимірювача поглинаючого типу, включеного в тракт через спрямований відгалужувач.

Калориметрические методи вимірювання потужності засновані на перетворенні електромагнітної енергії в теплову в опорі навантаження, що є складовою частиною вимірювача. Кількість тепла, що виділяється визначається за даними зміни температури в навантаженні або в середовищі, куди передано тепло. Розрізняють калориметри статичні (адіабатичні) і потокові (неадіабатичних). У перших потужність СВЧ розсіюється в термоізольованому навантаженні, а по-друге передбачено безперервне протікання калориметричної рідини. Калориметрические вимірювачі дозволяють вимірювати потужність від одиниць мілліватт до сотень кіловат. Статичні калориметри вимірюють малий і середній рівні потужності, а потокові - середні і великі значення потужності

Умова балансу тепла в калориметричної навантаженні має вигляд:

де P - потужність СВЧ, розсіює в навантаженні; T і T0 - температура навантаження і навколишнього середовища відповідно; c, m - питома теплоємність і маса калориметричного тіла; k - коефіцієнт теплового розсіювання. Рішення рівняння представляється у вигляді

де - теплова постійна часу.

У разі статичного калориметр час вимірювання багато менше постійної і потужність СВЧ дорівнює:

Основними елементами статичних калориметр є термоізольована навантаження і прилад для вимірювання температури. Неважко розрахувати поглинається потужність СВЧ по вимірюваної швидкості підвищення температури і відомої теплоємності навантаження.

У приладах використовуються різні високочастотні кінцеві навантаження з твердого або рідкого діелектричного матеріалу з втратами, а також у вигляді пластинки або плівки високого опору. Для визначення зміни температури застосовують термопари і різні термометри.

Розглянемо статичний калориметр, в якому знижені вимоги до термоізоляції і відпадає необхідність у визначенні теплоємності калориметричній насадки ( Мал. 8.6 ). У цій схемі використовується метод заміщення. У ній для калібрування приладу 4, що вимірює підвищення температури при розсіюванні вимірюваної потужності, що підводиться до плеча 1, використовується відома потужність постійного струму або струму низької частоти, що підводиться до плеча 2. Передбачається, що температура насадки 3 змінюється однаково при розсіюванні рівних значень потужності СВЧ і постійного струму. Статичні калориметри дозволяють вимірювати потужність кілька мілліватт з похибкою менш .

Пристрій статичного калориметр

Основними елементами поточного калориметр є: навантаження, де енергія електромагнітних коливань перетворюється в тепло, система циркуляції рідини і засоби для вимірювання різниці температур вхідної та вихідної рідини, що протікає через навантаження.

Потокові калориметри розрізняють за типом циркуляційної системи (відкриті і замкнуті), по типу нагрівання (прямий і непрямий) і за методом вимірювання (істинно калориметричні і заміщення).

У калориметр відкритого типу зазвичай застосовують воду, яка з водопровідної мережі надходить спочатку в бак для стабілізації тиску, а далі в калориметр. У калориметр замкнутого типу калориметрична рідина циркулює в замкнутій системі. Вона постійно накачується насосом і охолоджується до температури навколишнього середовища перед черговим надходженням в калориметр. У цій системі використовуються в якості охолоджуючих рідин крім дистильованої води розчин хлористого натрію, суміш води з етиленгліколем або гліцерином.

При прямому нагріванні ВЧ потужність поглинається безпосередньо циркулюючої рідиною. При непрямому нагріванні що циркулює рідина використовується тільки для відбору тепла від навантаження. Непрямий нагрів дозволяє працювати в більш широкому діапазоні частот і потужностей, оскільки функції перенесення тепла відділені в ньому від функції поглинання ВЧ-енергії і узгодження навантаження.

Схема істинно калориметричного методу представлена ​​на Мал. 8.7 . Вимірюється ВЧ потужність розсіюється в навантаженні 1 і прямо або побічно передає енергію протікає рідини. Різниця температур що входить в навантаження і виходить з неї рідини вимірюють за допомогою термоблоків 2. Кількість рідини, що протікає в системі в одиницю часу, вимірюють витратоміром 3. Природно, що потік рідини при таких вимірах повинен бути постійним

Схема істинно калориметричного методу

Похибки вимірювань ВЧ-потужності в розглянутій схемі пов'язані з низкою факторів. Нерівномірність швидкості течії калориметричної рідини, поява бульбашок повітря призводять до похибки при визначенні швидкості потоку рідини і зміни її ефективної теплоємності. Для зменшення цієї похибки застосовують вловлювачі бульбашок повітря і домагаються рівномірності течії рідини за допомогою регулятора потоку та інших засобів.

Схема вимірювань, що реалізує метод заміщення, відрізняється від розглянутої тим, що в ній послідовно з СВЧ-навантаженням вводиться додатковий нагрівальний елемент, розсіює потужність низькочастотного джерела струму. Зауважимо, що при непрямому нагріванні потужність НВЧ-сигналу і потужність низькочастотного струму вводяться в одну і ту ж навантаження і потреба в додатковому нагрівальному елементі відпадає.

Можливі два способи вимірів за методом заміщень - калібрування і балансу. Перший з них полягає у вимірюванні такої потужності низької частоти, поданої в нагрівальний елемент, при якій різниця температур рідини на вході і виході така ж, як і при подачі НВЧ-потужності. При балансному способі спочатку встановлюється будь-яка різниця температур рідини при подачі потужності низької частоти, потім подається вимірювана ВЧ потужність, а потужність низької частоти зменшується до такого значення, щоб різниця температур залишилася колишньою.

Розглянуті потокові калориметри застосовують для абсолютних вимірювань насамперед великих рівнів потужностей. У поєднанні з каліброваними спрямованими відгалужувачі вони служать для градуювання вимірників середньої і малої потужності. Є конструкції поточних калориметр і для безпосередніх вимірювань середніх і малих потужностей. Час вимірів не перевищує декількох хвилин, а похибка вимірювань може бути доведена до 1 - 2%.

Серед калориметричних ватметрів для вимірювання потужності безперервних коливань, а також середнього значення потужності імпульсно-модульованих коливань відзначимо прилади МЗ-11А, МЗ-13 і МЗ-13/1, які перекривають діапазон вимірюваних потужностей від 2 кВт до 3 МВт на частотах до 37, 5 ГГц.

Контрольні питання

1. Назвіть основні методи вимірювання потужності.
2. У чому полягає принцип калориметричного методу вимірювання потужності?
3. Розкажіть про методи вимірювання потужності на високих і надвисоких частотах.
4. Розкажіть, як влаштований калориметр, в якому використовується метод порівняння потужності СВЧ і постійного струму.