Измерение мощности

Общие сведения. Измерение мощности весьма распространено в практике электрических и электронных измерений на постоянном и переменном токе во всем освоенном диапазоне частот — вплоть до миллиметровых и более коротких волн.

Особое значение имеет измерение мощности в диапазоне СВЧ, поскольку мощность является единственной характеристикой элект­рического режима соответствующего тракта, когда измерение тока и напряжения на СВЧ из-за большой погрешности практически не­возможно.

Мощность измеряется ваттметрами в пределах от долей микроватт до единиц — десятков гигаватт.

В зависимости от измеряемых мощностей приборы делятся на ватт­метры малой (<10 мВт), средней (10 мВт... 10 Вт) и большой (>10 Вт) мощности.

Основной единицей измерения мощности является ватт (Вт). Ис­пользуются также кратные и дольные единицы:

• гигаватт (1 ГВт = Вт);

• мегаватт (1 МВт = Вт);

• киловатт (1 кВт = Вт);

• милливатт (1 мВт = Вт);

• микроватт (1 мкВт = Вт).

Международные обозначения единиц измерения мощности приве­дены в Приложении 1.

Мощность может измеряться не только в абсолютных, но и в отно­сительных единицах — децибелах:

(3.29)

Для измерения мощности используют косвенные и прямой методы. В каталоговой классификации электронные ваттметры обозначаются следующим образом: Ml — образцовые, М2 — проходящей мощности» МЗ — поглощаемой мощности, М4 — мосты для измерителей мощно­сти, М5 — преобразователи (головки) ваттметров.

Электромеханические ваттметры классифицируются в соответ­ствии с единицами измерения мощности, указанными на их шкалах и лицевых панелях: W — ваттметры: kW — киловаттметры; mW — милливаттметры; W — микроваттметры.

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока низких частот. Для измерения мощности в цепях постоянного и пере­менного тока промышленных частот используются чаше всего элект­ромеханические ваттметры электродинамической и ферродинамической систем.

В лабораторной практике применяются в основном ваттметры электродинамической системы 3, 4 и 5-го классов точности (0,1; 0,2; 0,5). В промышленности при технических измерениях применяют ваттметры ферродинамической системы 6, 7 и 8-го классов точности (1,0; 1,5 и 2,5).

Шкалы однопредельных ваттметром градуированы в значениях измеряемой величины (ваттах, киловаттах и т.д.). Многопредельные ваттметры имеют неградуированную шкалу. Перед использованием таких ваттметров при известных номинальном значении тока и по­минальном значении напряжения выбранного предела, а также количестве делений шкалы применяемого ваттметра необходимо определить его цену деления с (постоянную прибора) при по формуле

(3.30)

Зная цену деления для данного ваттметра в выбранном пределе, несложно произвести отсчет значения измеряемой мощности. Измеренное значение мощности будет составлять

(3.31)

где п — отсчет количества делений по шкале прибора.

Ваттметры электродинамической системы применяются для из­мерения мощности в цепях постоянного и переменного тока частотой до нескольких килогерц.

Ваттметры ферродинамической системы применяются для изме­рения мощности в цепях постоянного и переменного тока промышлен­ных частот.

На постоянном и переменном токе низких, средних и высоких ча­стот используются косвенные методы измерения мощности, т.е. напря­жения, сила тока и фазовые сдвиги определяются путем последующего вычисления мощности. Активная мощность двухфазного переменного тока в цепи с комплексной нагрузкой определяется но формуле

(3.32)

где U, I— среднеквадратичное значение напряжения и силы тока;

— фазовый сдвиг между силой тока и напряжением.

В цепи с чисто активной нагрузкой , когда = 0, = 1, мощ­ность переменного тока составляет

, (3.33)

мощность импульсного тока:

. (3.34)

На практике обычно измеряется средняя мощность за период сле­довании импульсов:

(3-35)

где q — скважность: q = ;

— длительность импульсов;

— коэффициент формы импульсов 1;

— период следования импульсов.

Высокочастотные методы измерения мощности. Возможны два типовых метода измерения мощности (в зависимости от ее вида: по­глощаемая или проходящая).

Поглощаемая мощность — это мощность, потребляемая нагруз­кой. В этом случае нагрузка заменяется ее эквивалентом, а измеряе­мая мощность полностью рассеивается на этом эквиваленте нагрузки, и далее измеряется мощность теплового процесса. Нагрузка ваттметра полностью поглощает мощность, поэтому такие приборы называются ваттметрами поглощаемой мощности (рис. 3.16, а). Так как нагрузка полностью должна поглощать измеряемую мощность, то прибор может использоваться только при отключенном потребителе. Погрешность измерения будет тем меньше, чем более полно обеспечено согласование входного сопротивления ваттметра с выходным сопротивлением исследуемого источника или волновым сопротивлением линии передачи.

Рис. 3.16. Методы измерения ваттметрами поглощаемой (о) и проходящей мощности (б)

Проходящая мощность — это мощность, передаваемая генератором в реальную нагрузку. Приборы, ее измеряющие, называются ваттметрами проходящей мощности. Такие ваттметры потребляют незначительную долю мощности источника, а основная ее часть выделяется в реальной полезной нагрузке (рис. 3.16, б).

К ваттметрам проходящей мощности относятся приборы па преоб­разователях Холла, с поглощающей стенкой и другие приборы.

В диапазоне высоких и сверхвысоких частот косвенные методы из­мерения мощности не применяются, так как в разных сечениях линии передач значения силы тока и падения напряжения различны; кроме того, подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому на СВЧ используются другие методы: 1 например, преобразования электромагнитной энергии в тепловую (ка­лориметрический метод), изменения сопротивления резистора (термисторный метод).

Калориметрический метод измерения мощности характеризуется высокой точностью. Этот метод используется во всем радиотехни­ческом диапазоне частот при измерении сравнительно больших мощ­ностей, когда имеет место потеря тепла. Калориметрический метод основан на преобразовании электрической энергии в тепловую, когда нагревается некоторая жидкость в калориметре ваттметра (рис. 3.17). Далее мощность оценивается путем определения по известной разности температур и известному объему жидкости, протекающей через калориметр:

, (3.36)

где — коэффициент используемой жидкости;

— объем нагретой жидкости.

Рис. 3.17. Устройство калориметрического ваттметра

Погрешность калориметрического метода составляет 1...7%.

Термисторный (болометрический) метод измерения мощности основан на использовании свойства терморезисторов изменять свое сопротивление под воздействием поглощаемой ими мощности элек­тромагнитных колебаний. В качестве терморезисторов используют термисторы и болометры.

Термистор представляет собой полупроводниковую пластину (или диск), заключенную в стеклянный баллон. Термисторы имеют отрица­тельный температурный коэффициент, т.е. с повышением температу­ры их сопротивление падает.

Болометр представляет собой тонкую пластину из слюды или стекла с нанесенным на нее слоем (пленкой) платины. Пленоч­ные болометры обладают очень высокой чувствительностью (до ... Вт). Болометры имеют положительный температурный коэффициент, т.е. с повышением температуры их сопротивление растет.

Чувствительность и надежность термисторов выше, чем боломет­ров, однако параметры болометров стабильнее, поэтому они применя­ются в образцовых ваттметрах (подгруппа M1).

Термисторный метод обеспечивает высокую чувствительность, поэтому его применяют для измерения малых и средних мощностей. Использование ответвителей и делительных устройств позволяет применять метод и для измерения больших мощностей. Погрешность термисторных ваттметров составляет 4... 10% и чаще всего зависит от степени согласованности нагрузки.

К основным метрологическим характеристикам ваттметров, кото­рые необходимо знать при выборе прибора, относятся следующие:

• тип прибора (поглощаемой или проходящей мощности);

• диапазон измерения мощности;

• частотный диапазон;

• допустимая погрешность измерений;

• коэффициент стоячей волны (КСВ) входа измерителя мощности или модуль коэффициента отражения.

Контрольные вопросы

1. Приведите правило включения амперметра в исследуемую цепь.

2. Каково назначение шунтов?

3. Как изменяется сопротивление амперметра с подключением шунта?

4. Как шунт подключается к амперметру?

5. Амперметры какой системы чаще используются при измерении силы постоянного тока?

6. Амперметры какой системы используются при измерении силы I переменного тока высоких частот?

7. Какие правила необходимо соблюдать при измерении силы тока высоких частот?

8. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы тока низких частот.

9. Приведите эквивалентную схему амперметра для измерения силы тока высоких частот.

10. Перечислите основные параметры амперметра.

11. Какое требование предъявляется к внутреннему сопротивлению амперметра?

12. Почему нельзя использовать электромеханический амперметр электродинамической системы при измерении силы переменного тока высоких частот?

13. Перечислите достоинства амперметров магнитоэлектрической системы.

14. Перечислите недостатки амперметров магнитоэлектрической системы.

15. Сколько шунтов содержит электромеханический амперметр с пятью пределами измерения?

16. В чем состоит принципиальное отличие вольтметра от амперметра?

17. Как вольтметр включается в цепь?

18. Каково назначение добавочных резисторов?

19. Что необходимо сделать для расширения диапазона измерения на­пряжения электромеханического вольтметра?

20. Перечислите достоинства и недостатки электромеханических вольтметров.

21. По каким признакам классифицируются электронные аналоговые вольтметры?

22. По каким структурным схемам строятся электронные аналоговые вольтметры?

23. Перечислите достоинства и недостатки электронных аналоговых вольтметров.

24. Почему вольтметры типа У — Д имеют высокую чувствитель­ность?

25. Почему вольтметры типа Д — У имеют широкий частотный диапа­зон?

26. Каковы преимущества электронных цифровых вольтметров по сравнению с электронными аналоговыми?

27. Зачем электронные аналоговые вольтметры имеют шкалу, градуированную в децибелах?

28. По каким основным метрологическим характеристикам выбирают вольтметр?

29. В каких единицах измеряется напряжение?

30. Что представляют собой мультиметры?

31. Какими приборами можно измерить мощность в цепях постоян­ного тока?

32. Какими приборами можно измерить мощность в цепях переменно­го синусоидального тока промышленных частот?

33. Каким методом можно измерить малую мощность в СВЧ - диапазоне?

34. Каким методом можно измерить большую мощность в СВЧ - диапазоне?

35. Что необходимо знать при определении мощности импульсного сигнала?

36. Определите мощность, выделенную на резисторе R = 1 кОм при протекании постоянного тока силой 5 мА.

37. Определите рассеиваемую резистором R - 2 кОм мощность, если через него протекает синусоидальный ток амплитудой 4 мА.

38. В чем состоит калориметрический метод измерения мощности?

39. В чем состоит термисторный метод измерения мощности?

40. Что такое болометр и где он используется?

41.Укажите достоинства термистора по сравнению с болометром.

42. Укажите недостатки термистора по сравнению с болометром.

43. Перечислить достоинства и недостатки электродинамических ваттметров.

44. К какой группе и подгруппе относятся ваттметры поглощаемой мощности?

45. Какую часть энергии потребляют ваттметры проходящей мощности?