--PAGE_BREAK--
Рисунок 5 Ваттметр с преобразователем Холла
Ваттметры с преобразователем Холла позволяют измерять мощности в диапазоне частот до сотен мегагерц.
Достоинства этих ваттметров — безынерционность, простота конструкции, долговечность, надежность, а недостаток — зависимость параметров от температуры.
2.4 Измерение мощности с использованием осциллографического метода
К косвенным методам измерения мощности относят и осциллографический метод, который
рекомендуется применять тогда, когда цепь питается напряжением несинусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных источниках напряжения, работе электронных схем в
ключевом режиме, наличии в цепи нелинейных элементов и т.д.
В частности, при работе электронных схем в импульсном режиме посредством осциллографа измеряют мгновенные значения напряжения u(t)и тока i(t)на исследуемом участке схемы за время, равное периоду следования импульсов (особенно тщательно проводят измерения за время нарастания и спада импульса). По полученным данным строят эпюры напряжения и тока. Эпюру мгновенного значения мощности p(t)строят по произведению ординат кривых напряженияu(t)и тока i(t)для каждого момента времени действия импульса.
По кривой мгновенное значений мощности за период определяют максимальное значение мгновенной мощности риmах, среднее значение мощности Ри импульсную мощность Ри.
Значение мощностей Р и Ри связаны между собой соотношением:
=
Для определения среднего значения мощности Ри импульсной мощности Ри вычисляют площадь, ограниченную кривой мгновенной мощности за период, и затем строят прямоугольник равной площади. Если основание прямоугольника равно длительности импульса, то его высота представляет собой значение импульсной мощности Ри,если же основание прямоугольника равно периоду следования импульсов, то высота прямоугольника равна значению средней мощности P.
2.5 Измерение мощности с использованием калориметрического метода
Калориметры используются для измерения высокой мощности преимущественно в метрологических лабораториях. Калориметр состоит из нагрузочного сопротивления втеплоизолирующем корпуса погруженного в жидкость или воздушнуюсреду.Жидкостьможетбытьнеподвижнойиливтекатьвкалориметривытекатьизнегосизвестнойскоростью. Температурыжидкостинавходеивыходеизмеряются.Если скоростьпотокахладагентав[см3/с],d—егоплотностьв
[г/см3],s—удельнаятеплоемкостьхладагента,Ti—еготемпературанавходеиТ—навыходе,томощностьPiрассеиваемаявкалориметре,определяетсявыражением:
Вт
В калориметрическихизмеренияхприменимметодзамещения. Например,послевыполнениявысокочастотныхизмеренийна калориметрподаетсямощностьпостоянноготока, дающая туже разностьтемператур(To—Ti)притехжеусловияхохлаждения.Затеммощностьпостоянноготокаизмеряетсяисчитается равноймощностивысокочастотногосигнала.
2.6 Балометры.
Болометр представляетсобоймостодноплечо,котороговключается балластныйрезисторилитермистордлядетектирования, высокочастотноймощности.Балластныйрезисторпредставляетсобойтонкуюпроволочку,обычноизплатины, с положительнымтемпературнымкоэффициентомсопротивления.Проволочкаизготовляетсяочень тонкой и короткой, чтобыпоглощениенебольшоймощностивызывалосущественные
изменениетемпературы.Балластныйрезисторрассчитанвзависимостиотсмещениянарабочеесопротивлениеот50 до 400 Ом, обычноонэффективноработаетпри200 Ом.Балластныйрезисторприходитсяиспользоватьврежиме,близкомкперегораниюпроволочки,поэтомуонможетвыйтиизстрояпри
случайныхперегрузках.Внастоящеевремябалластныйрезисторвзначительнойстепенивытеснентерморезисторами.
Термистор—полупроводниковыйприборсотрицательным температурнымкоэффициентомсопротивления. Дляизмерениявысокочастотноймощности термисторизготовляетсяввидемаленькойбусинкидиаметром 0,5 ммспроволочнымивыводамидиаметромоколо0,3 мм(рис.6). Всесопротивлениетермисторасосредоточеновбусинкеименяетсянелинейно(рис.7),причемкаждомутермисторуприсущасобственнаянелинейнаяхарактеристика.
Рисунок 6Конструкция термистора для измерения высокочастотной мощности
Термистормонтируетсявволноводномиликоаксиальном корпусе,совместимомсизмерительнымилиниями,используемыминаВЧиСВЧ.Корпусдолженобеспечиватьсогласованиес импедансомизмерительнойлиниивовсемдиапазонерабочих
частот.Активныеиемкостныепотеридолжныбытьмалы,чтобыбольшаячастьмощностиВЧрассеиваласьвтермисторе.Он должентакжеобладатьхорошимиизолирующимисвойствами, чтобыпредотвратитьутечкиизтермистора,обеспечитьустойчивостькударамивибрациямиэкранированиеотпомех.
Нарис.8показанакоаксиальнаятермисторнаясхема,котораяиспользуетсясприборамиН.Р.478А.Четыресогласованныхтермистораустанавливаютсявтеплопроводящемкорпусе. МощностьВЧ рассеиваетсявпаретермисторовRm,котораяпоследовательносоединенасмостом,предназначеннымдляНЧ-измерений(зажимА).ДляизмеренийВЧ-сигналаэтидватермисторасоединяютсяпараллельно,посколькуконденсаторС2— развязывающий.Меняясмещение,устанавливаютдлякаждого термисторасопротивление100Ом,такчтовходноесопротивлениедляВЧ-сигналаравно50Ом.КонденсаторC1обеспечивает связьнаВЧ.
Рисунок 8Термисторная головка измерителя ВЧ-мощности
Пара термисторов Rc применяется для компенсации температурных вариаций. На них подается смещение от отдельного моста на клемму В, что обеспечивает их сопротивление по 100 Ом. Терморезисторы Rc электрически изолированы от ВЧ сигнала, но смонтированы в том же теплопроводящем корпусе, что и термисторы Rm Термисторный пробник, показанный на рис. 8, сконструирован в коаксиальном корпусе для измерений в диапазоне частот 10 МГц — 10 ГГц с максимальным коэффициентом отражения 0,2.
Для измерения изменений сопротивления балластного резистора или термистора и последующего расчета высокочастотной мощности можно использовать мост Уитстона. Абсолютные измерения изменений сопротивления не практикуются, поскольку и сопротивление, и коэффициент отражения зависят от высокочастотной мощности. Это ограничивает диапазон прибора примерно до 2 мВт. Поэтому для измерения высокочастотной мощности применяют другие методы. В методе уравновешивания моста на него подают постоянное или низкочастотное смещение отсутствие высокочастотного излучения на входе. Мост уравновешивается, затем на него подается высокочастотная мощность, которая нагревает датчик и нарушает равновесие моста. Постоянное смещение уменьшается с целью вернуть сопротивление к его первоначальному значению и уравновесить мост. Затем измеряют уменьшение мощности постоянного смещения, которое равно высокочастотной мощности.
На рис. 9 показана другая схема моста, содержащая два термистора. Термисторы R3 и R4 нагревательные резисторы Rhсогласованы. Любое нарушение равновесия моста регистрируется и результирующий сигнал подается на R4, чтобы вернуть мост в равновесие.
Рисунок 9Упрощенная схема термисторного моста для измерения мощности
Индикатор мощности регистрирует мощность, соответствующую разбалансировке моста, которая равна мощности высокочастотного излучения.
Современный прибор для измерения мощности, например Н.Р.432А, схема которого представлена на рис. 10, содержит два моста и пробник того же типа, что и на рис. 8. Напряжения постоянного смещения Vrfи Vcслужат для поддержания моста в равновесии. Изменение сопротивления любого из термисторов нарушает равновесие моста, которое автоматически компенсируется, чтобы привести сопротивление к исходному значению Вовремя калибровки Vсделается равным Vrfв отсутствие высокочастотной мощности на входе. Если теперь подать на прибор высокочастотную мощность Рг,можно' показать, что значение этой мощности определяется выражением (2.1) и регистрируется
прибором:
(2.1)
Здесь R— сопротивление термистора в равновесии.
Преимущество болометра на основе термистора состоит в том, что он работает при высоком уровне сигнала и поэтому не требует специальной экранировки в производственных условиях.
В приборе используется фундаментальное предположение, что одинаковые уровни высокочастотной и постоянной мощности вызывают одинаковый нагрев в термисторе
продолжение
--PAGE_BREAK--
Рисунок 10Прибор для измерения мощности типа Н.Р.432А
3. Измерение импульсной мощности
Для измерения мощности, поступающей в виде импульсов, необходимы четыре метода: метод измерения средней мощности с учетом коэффициента заполнения; метод сравнения с мощностью на постоянном токе; интегрально-дифференциальный метод и метод дискретизации с запоминанием отсчета.
3.1 Метод измерения средней мощности с учетом коэффициента заполнения.
Этот метод проиллюстрирован на рис. 11. Высокочастотный сигнал от генератора импульсов подается через направленный ответвитель к оконечной нагрузке. К направленному ответвителю подключается прибор, который измеряет среднюю мощность последовательности импульсов. Затем он заменяется прибором, измеряющим длительность и частоту повторения импульсов, что позволяет определить коэффициент заполнения.
Рисунок 11 Метод измерения импульсной мощности путём усреднения с учётом коэффициента заполнения.
3.2 Метод сравнения с мощностью постоянного тока.
Этот метод проиллюстрирован на рис. 12. Входной высокочастотный импульс расщепляется в делителе мощности. Часть мощности импульса поступает в диодный пиковый детектор, который вырабатывает постоянный сигнал, пропорциональный максимальному значению высокочастотного импульса. Импульс выводится на экран осциллографа. На диод в детекторе подается прямое смещение, которое переводит его рабочую точку в область требуемых импедансов, чтобы отклик на детектируемую мощность стал почти линейным.
Напряжение с выхода диода поступает на один из входов механического прерывателя. На другой его вход подается регулируемое постоянное напряжение. При правильной синхронизации оба сигнала видны на экране осциллографа. Вначале до прихода импульса обе кривые на экране сливаются на нулевом уровне. Регулятор установки нуля на передней панели прибора позволяет эффективно регулировать уровень постоянного смещения на видеовыходе, а также компенсировать долговременный дрейф диода.
При проведении измерений на вход поступает высокочастотный импульс, и уровень опорного постоянного напряжения регулируется до совмещения с максимумом импульса. Это значение регистрируется прибором на постоянном токе, который прокалиброван в единицах мощности. Для калибровки на вход подключается источник непрерывного высокочастотного сигнала, а оконечная нагрузка заменяется измерителем непрерывной мощности. Теперь можно прокалибровать выход диодного детектора путем сравнения с показаниями измерителя непрерывной мощности.
Метод сравнения с мощностью постоянного тока пригоден для измерений импульсной мощности в диапазоне 50 МГц — 2 ГГц при максимальной длительности импульса 0,25 мкс. Точность измерений лучше, чем ± 1 дБ при частоте повторения импульсов до 2 МГц.
Рисунок 12Блок-схема измерения мощности на высоких частотах
4.
Цифровые измерители мощности
В цифровом измерительном приборе показания представляются в виде дискретных чисел на отсчетном устройстве. Преимущества такого представления связаны с уменьшением субъективных ошибок при снятии отсчетов, отсутствием ошибок из-за параллакса и ускорением считывания. Цифровые измерительные приборы содержат встроенные электронные схемы, обычно микропроцессоры, которые позволяют подсоединить дополнительные устройства. Например, некоторые приборы снабжены программой, которая позволяет выполнять основные вычисления, в частности линеаризовать показания прибора и выводить их на дисплей.
Некоторые приборы содержат различные диагностические устройства, что уменьшает время устранения отказов. Кроме того, большинство современных стендовых приборов имеет внутренние приспособления для калибровка. Калибровка осуществляется с пульта прибора, а значения параметров хранятся в долговременной памяти. В последующие отсчеты вносятся поправки с учетом этих параметров. Многие цифровые приборы снабжены также шиной интерфейса, например типа IEE 488, и могут благодаря этому работать как части больших измерительных систем.
Параметры типичного универсального цифрового измерительного прибора таковы:
диапазон входных величин; 20 мВ—1 кВ, 0,2 мА — 2 А, 200 мОм — 10 МОм; абсолютная погрешность 0,001—0,5% от верхнего предела измерений; стабильность 0,002% (за сутки) и 0,008% (за 6 месяцев) от верхнего предела измерений; разрешение 10 г>; входные характеристики: сопротивление 10 МОм, емкость 40 ПФ; время выполнения операции 2 мс — 1 с; частота (для переменного напряжения) 100 кГц—1 МГц,
Обычно крупные приборы могут выбирать необходимый диапазон входной величины автоматически. Небольшие приборы, как правило имеют индикатор перегрузки, который напоминает оператору о необходимости переключения диапазона. Приборы высокой точности должны иметь входное сопротивление порядка 10 ГОм, чтобы не нагружать измеряемую схему. Время выполнения операции обычно определяется используемым АЦП и включает время восстановления после перегрузки. Разрешение определяет минимальное напряжение, которое может быть зарегистрировано. Например, разрешение 10 -6 означает, что в диапазоне входных напряжений до 1 В можно зарегистрировать 1 мкВ. Во всех цифровых приборах используются основные схемы преобразователей ЦАП и АЦП. Например, на рис. 13 представлена блок-схема типичного цифрового вольтметра.
Рисунок 13Блок-схема типичного цифрового вольтметра.
Входное напряжение ослабляется, а затем подается на усилитель с фиксированным коэффициентом усиления. Ослабление меняется вручную или автоматически, как показано на рис. 13, так что на выходе усилителя сигнал всегда находится в заданном диапазоне. Выходной сигнал сравнивается со ступенчатым сигналом от ЦАП, и когда оба сигнала равны, генератор синхроимпульсов блокируется и передает цифровое значение аналогового напряжения сигнала в декадные счетчики. Частота синхроимпульсов составляет около5 кГц. Генератор тактовых импульсов работает значительно медленнее, с частотой около 2Гц, и передает информацию от счетчиков на дисплей, а затем производит сброс в исходное состояние. Эта схема применяется в приборах общего назначения
Примеры цифровых измерителей мощности:
Цифровой измеритель мощности и КСВ DPM-5000
Цифровой измеритель мощности DPM-5000 представляет собой современный комплексный измерительный прибор, обеспечивающий измерения передаваемой и отраженной мощности, измерения КСВ и эффективности приемо-передающего тракта. Прибор выполнен в соответствии с последними достижениями инженерной мысли и дизайна и всех современных требований, предъявляемых к этому классу приборов.
Основные возможности:
· Измерения передаваемой и отраженной мощности;
· Анализ КСВ, возвратных потерь и эффективности тракта;
· Отображение на одном экране передаваемой и отраженной мощности в цифровом виде;
· Гибкое переключение режимов;
· Выносная измерительная головка 5010
· Широкий выбор специализированных измерительных элементов.
Удобное отображение данных:
Прибор обеспечивает отображение данных в «прямом» и «обратном» направлениях. При этом выбор типа представляемых данных осуществляется независимо. Так, например, можно одновременно отображать уровень передаваемой мощности и КСВ в обратном направлении.
Удобным также является установки масштаба отображаемых величин, которые также устанавливаются независимо для каждого направления.
Выносная измерительная головка:
Вторым несомненным удобством прибора является наличие выносной измерительной головки, которая соединяется с прибором кабелем передачи данных.
В качестве измерительной головки используется описанная нижг головка 5010 с устанавливаемыми двумя измерительными элементами, соответствующими «прямому» и «обратному» направлениям.
Меняя измерительные элементы, можно настроить измерительную головку на необходимый диапазон мощностей и частот.
Выносная измерительная головка 5010
B
и сенсорные элементы серии
DPM
Назначение:
Измерительная головка 5010B предназначена для использования совместно с семейством Site Analyzer или прибором DPM-5000EX. С одной стороны она включается в разрыв фидерного тракта (типы разъёмов выбираются при заказе), с другой стороны 5010B подключается к измерительному прибору (соединительный кабель входит в стандартный комплект поставки). Для измерения мощности сигнала стандарта TETRA, компанией BIRD разработана специальная выносная измерительная головка 5010T.
В измерительную головку вставляются сенсорные элементы, один из которых измеряет прямую мощность, а другой отраженную. Компания Bird выпускает целый ряд сенсорных элементов семейства DPM для различных мощностей и частот исследуемого сигнала.
С помощью анализатора, подключенного к фидерному тракту, строится частотный отклик линии в виде зависимости КСВ от частоты.
Терминальный датчик мощности 5011
Работает в частотном диапазоне от 40МГц до 4ГГц (40МГц — 12ГГц для модели 5011EF). Предназначен для совместной работы с измерителями серии SiteAnalyzerи прибором DPM-5000EXв качестве терминального устройства. Он позволяет точно измерять мощность различных сигналов, как с цифровой, так и с аналоговой модуляцией в диапазоне от 10 мкВт до 10 мВт (-20...+10 дБм). Опциональные фиксированные аттенюаторы (30 дБ, 40 дБ) позволяют увеличить верхний порог измеряемой мощности до 50 Вт.
Входной импеданс 50 Ом. Рабочие температуры от -10° до +50°С. Коннектор N-типа. Типовое значение КСВ 1.33 (36.6 дБ возвратные потери).
Широкополосный измерительный датчик 5012
Широкополосный измерительный датчик 5012 применяется для измерения мощности в разрыве антенно-фидерного тракта. Он может использоваться как совместно с анализаторами семейства SiteAnalyzerили DPM-5000EX, так и подключаться напрямую к персональному компьютеру (ноутбуку). В последнем случае для работы датчика необходимо опциональное программное обеспечение VirtualPowerMeterSoftware.
Датчик 5012 работает в диапазоне частот от 350 МГц до 4ГГц и идеально подходит для измерения мощности цифровых сигналов.
Технические характеристики датчика 5012:
· Диапазон рабочих частот, МГц: 350...4000
· Диапазон измеряемых мощностей: 0,15Вт-15Вт (средняя), 400Вт (пиковая)
· Тип входных разъемов: N(розетка) Импеданс: 50 Ом (номинально)
· Вносимые потери:
· Вносимый КСВ: 1.05 до 2.5 ГГц, 1.10 от 2.5 до 4.0 ГГц
· Сопротивление к механической вибрации: MIL-PRF-28800Fclass3
· Диапазон рабочих температур: -10… +50°C
· Масса: 0,5 кг
5.
Индукционные счетчики электрической энергии переменного тока
В настоящее время для измерений широко применяются индукционные счетчики электрической энергии переменного тока.
Индукционные счетчики электрической энергии переменного тока. На рис. 14 в упрощенном виде показано устройство индукционного счетчика. Он состоит из двух электромагнитов 1 и 5, сердечники которых набраны из тонких листов электротехнической стали, алюминиевого диска 3, закрепленного на оси подвижной части, постоянного магнита 4, счетного механизма 2 и других узлов.
Рисунок 14Устройство индукционного счетчика и схема его включения в цепь
Рассмотрим более подробно распределение магнитных потоков в индукционном счетчике (рис. 15, а).
а б
Рисунок 15. Индукционный счетчик: а — схема; б — векторная диаграмма
Трехстержневой электромагнит fимеет обмотку из тонкого медного провода с числом витков порядка 8-12 тысяч, включенную параллельно нагрузке. При прохождении по обмотке тока Ivсоздается магнитный поток Фи, который в нижней части среднего сердечника разветвляется на рабочий поток Фр и нерабочий, или вспомогательный, поток Фв. Рабочий поток Фр пронизывает диск 2, индуцируя в нем вихревые токи, и замыкается через стальной противополюс 3.Нерабочий поток Фв не пересекает диск, а замыкается через боковые стержни сердечника 1. Он не принимает непосредственного участия в создании вращающего момента и служит для получения необходимого сдвига фаз между потоком Фр и напряжением сети U. Обмотка сердечника1 из-за большого числа витков обладает значительной индуктивностью, и ток в ней Iyотстает от напряжения U
на угол, близкий к 90°. Нерабочий поток Фв вызывает в сердечнике Iнезначительные потери, поэтому он отстает от тока Iyна небольшой угол (1-2°), Рабочий поток Фр отстает от этого же тока на существенно больший угол (20-25°), поскольку, кроме потерь в стали, имеются активные потери в алюминиевом дискет Поток Фиявляется геометрической суммой потоков Фр и Фв.
П-образный электромагнит 4 имеет обмотку с небольшим числом витков, выполненную из медного сравнительно толстого провода и включенную последовательно с нагрузкой цепи Z
. По этой обмотке проходит ток нагрузки /, который при ее активно-индуктивном характере (наиболее часто встречающийся характер нагрузки) отстает от напряжения U
наугол φ (рис. 15, 6). Ток Iсоздает магнитный поток ФI, который отстает от тока /на угол а (порядка 5-15°) из-за наличия потерь в стали электромагнита. Поток ФIдважды пересекает диск 2 (рис. 15, с), индуцируя в нем вихревые токи, которые, согласно закону электромагнитной индукции, отстают по фазе от потока на угол 90° (сопротивление диска считается чисто активным).
Дальнейший анализ работы индукционного счетчика показывает, что значение вращающего момента зависит от взаимодействия магнитных потоков ФIи Фр и от угла сдвига фаз между ними у и вычисляется согласно выражению
(5.1)
где k
— коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции электромагнитов и диска.
Из-за наличия воздушных зазоров сердечники обоих электромагнитов находятся в ненасыщенном состоянии, поэтому потоки ФIи Фр будут пропорциональны токам в обмотках, то есть
ФI= kII; Фр = kuIuU/Zu,
где ZU
— полное сопротивление параллельной обмотки, которое при неизменной частоте — величина постоянная.
Подставляя значения потоков в уравнение (5.1) и объединяя постоянные, получим:
Mвр= kUIsinψ
Для того чтобы показания счетчика соответствовали потребляемой нагрузкой энергии, его вращающий момент должен быть пропорционален активной мощности переменного тока, то есть
Mвр= kUI
cosφ=
kP
(5.2)
Для этого необходимо, чтобы sinψ= cosφ, а это будет в том случае, если угол сдвига фаз между потоками ФI, и Фр
ψ=90°-φ(5.3)
Из векторной диаграммы, приведенной на рис. 15, б, следует, что ψ= β — α -φ. Таким образом, для выполнения условия (5.3) угол β — α должен быть равен 90°.
Выполнение этого условия достигается конструкцией электромагнита 1, которая позволяет получить угол β> 90°. Для регулировки угла αна электромагнит 4 (рис. 15, а) накладывают короткозамкнутые витки w
и обмотку 5, замкнутую на проволочный резистор R
, выполненный в виде петли с перемещающимся контактом. Регулируя сопротивление R
, меняют потери на пути потока ФIи, следовательно, изменяют угол α, добиваясь, таким образом, равенства β — α = 90° и выполнения условия (5.3), а значит и соотношения (5.2).
Роль противодействующего момента в счетчиках выполняет тормозной момент Мт, возникающий при вращении алюминиевого диска 3 подвижной части в поле постоянного магнита 4 (см. рис. 15). Так как значения индуцируемых в диске вихревых токов пропорциональны скорости изменения магнитного потока, то есть скорости вращения диска dα/dt, то тормозной момент определяется выражением
Мт = k1dα/dt(5.4)
где k
1
— коэффициент пропорциональности.
Под действием вращающего момента диск начинает вращаться с ускорением, что увеличивает тормозной момент до тех пор, пока моменты не уравновесят друг друга (Мвр= Мт) и вращение не станет равномерным. С учетом зависимостей (5.2) и (5.4) имеем
Kp= k1(dα/dt) или Pdt= (k1/ k) * dα
Интегрируя последнее равенство в пределах интервала времени ∆t
, получим:
w
=
cn
где W
— энергия, израсходованная в нагрузке за интервал времени ∆
t
,
N
— число оборотов диска за этот же интервал времени; С — постоянная счетчика.
Отсчет энергии производится по показаниям счетного механизма 2 (рис. 15) — счетчика оборотов, градуированного в единицах энергии. Единице электрической энергии (обычно 1 кВтч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика (диска). Это соотношение, которое называется передаточным числом А,указывается на лицевой панели счетчика.
В настоящее время промышленностью выпускается довольно большое количество типов индукционных счетчиков, среди которых отметим СА4У-И682, СА4У-И670М и СР4У-И689.
продолжение
--PAGE_BREAK--