В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного тока, активную мощность и энергию переменного однофазного и трехфазного тока, реактивную мощность и энергию трехфазного переменного тока, мгновенное значение мощности, а также количество электричества в очень широких пределах. Электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность Pa=UIcos > = I2 R=U2/R, (1) где U, I — действующие значения напряжения и тока; — угол сдвига фаз. Реактивная мощность Рр = UIsin = I2X. (2) Полная мощность Pn = UI=PZ. Эти три типа мощности связаны выражением P =(Ра 2+Р2р) (3) Так, мощность измеряется в пределах 1 Вт... 10 ГВт (в цепях постоянного и однофазного переменного тока) с погрешностью ±(0,01...0,1) %, а при СВЧ — с погрешностью ±(1...5) %. Реактивная мощность от единиц вар до Мвар измеряется с погрешностью ±(0,1...0,5)%. Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами измерения номинальных токов (1 нА...1О кА) и напряжений (1 мкВ...1 MB), погрешность измерения составляет ±(0,1...2,5)%. Измерение реактивной энергии представляет интерес только для промышленных трехфазных цепей. Измерение мощности в цепях постоянного тока. При косвенном измерении мощности используют метод амперметра и вольтметра и компенсационный метод. Метод амперметра и вольтметра. В этом случае приборы включаются по двум схемам (рис.1). Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом существенных недостатков: необходимостью снимать показания по двум Рис. .1. Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра при малых (а) и больших (б) сопротивлениях нагрузки приборам; необходимостью производить вычисления; невысокой точностью за счет суммирования погрешности приборов. Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис. 1а), имеет вид Она больше действительного значения мощности, расходуемой в нагрузке Рн, на значение мощности потребления вольтметра Рv, т. е. Рн = Рх – Рv. Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра и меньше сопротивление нагрузки. Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис 1., б), имеем вид Она больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности потребления амперметром РА. Методическая погрешность тем меньше, чем меньше входное сопротивление амперметра и больше сопротивление нагрузки. Компенсационный метод. Этот метод применяется тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряется ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Измеряемая мощность определяется по формуле P=Uн Iн. (4) При прямом измерении активная мощность измеряется электромеханическими (электродинамической и ферродинамической систем), цифровыми и электронными ваттметрами. Электродинамические ваттметры применяются как переносные приборы для точных измерений мощности (класс 0,1... 2,5) в цепях постоянного и переменного тока с частотой до нескольких тысяч герц. Ферродинамические щитовые вольтметры применяются в цепях переменного тока промышленной частоты (класс 1,5…2,5). Рис.2 В широком диапазоне частот применяются цифровые ваттметры, основу составляют различные преобразователи мощности (например, термоэлектрические), УПТ, микропроцессор и ЦОУ. В цифровых ваттметрах осуществляется автоматический выбор пределов измерений, самокалибровка и предусмотрен внешний интерфейс. Для измерения мощности в высокочастотных цепях также используются специальные и электронные ваттметры. Для измерения реактивной мощности на низких частотах служат реактивные ваттметры (варметры), в которых путем использования специальных схем отклонение подвижной части электродинамического ИМ пропорционально реактивной мощности. Включение электромеханических ваттметров непосредственно в электрическую цепь допустимо при токах нагрузки, не превышающих 10... 20 А, и напряжениях до 600 В. Измерение мощности при больших токах нагрузки и в цепях высокого напряжения производится ваттметром с измерительными трансформаторами тока ТА и напряжения TV(рис..2). Измерение активной мощности в цепях трехфазного тока. Метод одного ваттметра. Этот метод применяется только в симметричной системе с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига по фазе между векторами I и U и с полной симметрией напряжений (рис..3). Рис..3. Схемы включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь при полной симметрии присоединения нагрузки: а — звездой; б — треугольником; в ~- с искусственной нулевой точкой Рис.4. Схемы включения двух ваттметров в трехфазную цепь: а — в 1-ю и 3-ю; б — в 1-ю и 2-ю; в — в 2-ю и 3-ю На рис. .3, а нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна. На рис.3, б нагрузка соединена треугольником, ваттметр включен в фазу. На рис. .3, в нагрузка соединена треугольником с искусственной нулевой точкой. Искусственная нулевая точка создается с помощью двух резисторов, каждый из которых равен сопротивлению цепи обмотки напряжения ваттметра (обычно указывается в техническом паспорте на ваттметр). Показания ваттметра будут соответствовать мощности одной фазы, а мощность всей трехфазной сети во всех трех случаях включения прибора будет равна мощности одной фазы, умноженной на три: Р = 3Pw Метод двух ваттметров. Этот метод применяется в трехфазной трехпроводной цепи независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Асимметрия — это система, в которой мощности отдельных фаз различны. Токовые обмотки ваттметров включаются в любые две фазы, а обмотки напряжения включаются на линейные напряжения (рис. 4). Полная мощность может быть выражена в виде суммы показаний Двух ваттметров. Так, для схемы, представленной на рис..4, а, где 1 — угол сдвига фаз между током I1 и линейным напряжением U12, 2- угол сдвига фаз между током I3 и линейным напряжением U32. В частном случае при симметричной системе напряжений и одинаковой нагрузке фаз 1, = 30° - и 2 = 30° - показания ваттметров будут: При активной нагрузке (= 0) показания ваттметров будут одинаковы, так как PW] = PW2 IUcos30°. При нагрузке с углом сдвига ср = 60° показания второго ваттметра равны нулю, так как PW2 = IUcos(30° + ) = IUcos(30° + 60°) = 0, и в этом случае мощность трехфазной цепи измеряется одним ваттметром. При нагрузке с углом сдвига > 60° мощность, измеряемая вторым ваттметром, будет отрицательной, так как (30° + ) больше 90°. В этом случае подвижная часть ваттметров повернется в обратную сторону. Для отсчета необходимо изменить на 180° фазу тока в одной из цепей ваттметра. В этом случае мощность цепи трехфазного тока равна разности показаний ваттметров Метод трех ваттметров. Для измерения мощности трехфазной цепи при несимметричной нагрузке включаются три ваттметра, и общая мощность при наличии нулевого провода будет равна арифметической сумме показаний трех ваттметров. В этом случае каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы, показания ваттметра независимо от характера нагрузки будут положительные (параллельная обмотка включается на фазное напряжение, т. е. между линейным проводом и нулевым). Если нулевая точка недоступна и нулевой провод отсутствует, то параллельные цепи приборов могут образовать искусственную нулевую точку при условии, что сопротивления этих цепей равны между собой. Измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях. Несмотря на то что реактивная мощность не определяет ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии за единицу времени, ее измерение также важно. Наличие реактивной мощности приводит к дополнительным потерям электрической энергии в линиях передачи, трансформаторах и генераторах. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (вар) как в однофазных, так и в трехфазных трех- и четырехпроводных цепях переменного тока электродинамическими и ферродинамическими или специально предназначенными для измерения реактивной мощности ваттметрами. Отличие реактивного ваттметра от обычного состоит в том, что он имеет усложненную схему параллельной цепи для получения сдвига по фазе, равного 90° между векторами тока и напряжения этой цепи. Тогда отклонение подвижной части будет пропорционально реактивной мощности Рр = UIsin. Реактивные ваттметры преимущественно применяются для лабораторных измерений и поверки реактивных счетчиков. Реактивную мощность в трехфазной симметричной цепи можно измерить и активным ваттметром: для этого –токовая катушка последовательно включается в фазу А, катушка напряжения между фазами В и С. Измерение мощности в цепях повышенной частоты. С этой целью можно использовать как прямые, так и косвенные измерения и в ряде случаев предпочтительнее могут оказаться косвенные, так как иногда легче измерить ток и напряжение на нагрузке, чем непосредственно мощность. Прямое измерение мощности в цепях повышенных и высоких частот производится термоэлектрическими, электронными ваттметрами, ваттметрами, основанными на эффекте Холла, и цифровыми ваттметрами. Косвенные измерения осуществляются осциллографическим методом. Он применяется в основном тогда, когда цепь питается напряжением несинусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных источниках напряжения и т. д. Измерение энергии в однофазных и трехфазных цепях. Энергия измеряется электромеханическими и электронными счетчиками электрической энергии. Электронные счетчики электрической энергии обладают лучшими метрологическими характеристиками, большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии. 4. Измерение фазы и частоты Фаза характеризует состояние гармонического сигнала в определенный момент времени t. Фазовый угол в начальный момент времени (начало отсчета времени), т.е. при t = 0, называют нулевым (начальным) фазовым сдвигом. Разность фаз измеряют обычно между током и напряжением либо между двумя напряжениями. В первом случае чаще интересуются не самим углом сдвига фаз, а величиной cos или коэффициентом мощности. Cos— это косинус того угла, на который опережает или отстает ток нагрузки от напряжения, приложенного к этой нагрузке. Фазовым сдвигом двух гармонических сигналов одинаковой частоты называют модуль разности их начальных фаз =|1- 2|. Фазовый сдвиг не зависит от времени, если остаются неизменными начальные фазы 1, и 2. Разность фаз выражается в радианах или градусах. Методы измерения угла сдвига фаз. Эти методы зависят от диапазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности и Наличия средств измерений. Различают косвенное и прямое изменения угла сдвига фаз. Косвенное измерение. Такое измерение угла сдвига фаз Между напряжением U и током I в нагрузке в однофазных цепях осуществляют с помощью трех приборов — вольтметра, амперметра и ваттметра (рис.5). Угол определяется расчетным путем из найденного значения cos: Метод используется обычно на промышленной частоте и обеспечивает невысокую точность из-за методической погрешности, вызванной собственным потреблением приборов, достаточно прост, надежен, экономичен. В трехфазной симметричной цепи величина cos может быть определена следующими измерениями: мощность, ток и напряжение одной фазы; измерение активной мощности методом двух ваттметров; измерение реактивной мощности методом двух ваттметров с искусственной нейтральной точкой. Среди осциллографических методов измерения фазы наибольшее распространение получили методы линейной развертки и эллипса. Осциллографический метод, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени, используется в широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измерениях (5... 10 %). Метод линейной развертки предполагает применение двухлучевого осциллографа, на горизонтальные пластины которого подают линейное развертывающее напряжение, а на вертикальные пластины — напряжение, между которыми измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных кривых на экране получаем изображение двух напряжений (рис.6, а) и по измеренным отрезкам АБ и АС вычисляется угол сдвига между ними где АБ — отрезок между соответствующими точками кривых при переходе их через нуль по оси X; АС — отрезок, соответствующий периоду. Погрешность измерения х зависит от погрешности отсчета и фазовой погрешности осциллографа. Рис. 5. Если вместо линейной развертки использовать синусоидальное развертывающее напряжение, то получаемые на экране фигуры Лиссажу при равных частотах дают на экране осциллографа форму эллипса (Рис. 6б). Угол сдвига x=arcsin(АБ/ВГ). Этот метод позволяет измерять х в пределах 0 90о без определения знака фазового угла. Погрешность измерения х также определяется погрешностью отсчета Рис..6. Кривые, получаемые на экране двухлучевого осциллографа: при линейной (а) и синусоидальной (б) развертке и расхождениями в фазовых сдвигах каналов Х и Y осциллографа. Применение компенсатора переменного тока с калиброванным фазовращателем и электронным осциллографом в качестве индикатора равенства фаз позволяет произвести достаточно точное измерение угла сдвига фаз. Погрешность измерения в этом случае определяется в основном погрешностью используемого фазовращателя. Прямое измерение. Прямое измерение утла сдвига фаз осуществляют с помощью электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров. Наиболее часто из электромеханических фазометров используют электродинамические и электромагнитные логометрические фазометры. Шкала у этих приборов линейная. Используются на диапазоне частот от 50 Гц до 6... 8 кГц. Классы точности — 0,2; 0,5. Для них характерна большая потребляемая мощность 1(5...10 Вт). В трехфазной симметричной цепи измерение угла сдвига фаз или cos осуществляется однофазным или трехфазным фазометрами. Цифровые фазометры используются в маломощных цепях в диапазоне частот от единиц Гц до 150 МГц, классы точности — 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных цифровых фазометрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые под-считываются электронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала. Методы измерения частоты. Частота является одной из важнейших характеристик периодического процесса. Определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Диапазон используемых в технике частот очень велик и колеблется от долей герц до десятков. Весь спектр частот подразделяется на два диапазона — низкие и высокие. Низкие частоты: инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые — 20...20000 Гц; ультразвуковые — 20...200 кГц. Высокие частоты: высокие — от 200 кГц до 30 МГц; ультравысокие — 30...300 МГц. Поэтому выбор метода измерения частоты зависит от диапазона измеряемых частот, необходимой точности измерения, величины и формы напряжения измеряемой частоты, мощности измеряемого сигнала, наличия средств измерений и т.д. Прямое измерение. Метод основан на применении электромеханических, электронных и цифровых частотомеров. Электромеханические частотомеры используют измерительный механизм электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем с непосредственным отсчетом частоты по шкале логометрического измерителя. Они просты в устройстве и эксплуатации, надежны, обладают довольно высокой точностью. Их используют в диапазоне частот от 20 до 2500 Гц. Классы точности — 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5. Электронные частотомеры применяются при измерениях в частотном диапазоне от 10 Гц до нескольких мегагерц, при уровнях входного сигнала 0,5... 200 В. Они имеют большое входное сопротивление, что обеспечивает малое потребление мощности. Классы точности — 0,5; 1,0 и ниже. Цифровые частотомеры применяются для очень точных измерений в диапазоне 0,01 Гц... 17 ГГц. Источниками погрешности являются погрешность от дискретности и нестабильности кварцевого генератора. Мостовой метод. Этот метод измерения частоты основан на использовании частотозависимых мостов переменного тока, питаемых напряжением измеряемой частоты. Наиболее распространенной мостовой схемой для измерения частоты является емкостной мост. Мостовой метод измерения частоты применяют для измерения низких частот в пределах 20 Гц ... 20 кГц, погрешность измерения составляет 0,5... 1 %. Косвенное измерение. Метод осуществляется с использованием осциллографов: по интерференционным фигурам (фигурам Лиссажу) и круговой развертки. Методы просты, удобны и достаточно точны. Их применяют в широком диапазоне частот 10 Гц... 20 МГц. Недостатком метода Лиссажу является сложность расшифровки фигур при соотношении фигур более 10 и, следовательно, возрастает погрешность измерения за счет установления истинного отношения частот. При методе круговой развертки погрешность измерения в основном определяется погрешностью квантования основной частоты. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ studfiles.net Каким прибором измеряют мощность? Вопрос достаточно актуальный, так как в настоящее время электрическая сеть имеется повсюду. Без электричества не работает практически ничего. Неудивительно, что это привело к огромной популярности приборов, измеряющих показатели таких сетей. Важный факт - измерение мощности можно провести только в ваттах. Однако в некоторых случаях возникает потребность перевода ватта в киловатт. Чаще всего это делается для удобства расчетов. Мощность - это один из трех основных параметров, который характеризует электрическую сеть. Данный параметр отражает то количество работы, которую выполняет сила тока за одну единицу времени. Здесь важно понимать, что общая мощность всех включенных приборов в сеть не должна превышать ту, которая подается поставщиком. Если это произойдет, то возможны негативные последствия, начиная с выхода из строя оборудования и заканчивая коротким замыканием и последующим пожаром. Для того чтобы избежать таких неприятностей, были изобретены измерители мощности, которые называются ваттметрами. Тут важно понимать, что в цепи постоянного тока измерить этот параметр можно и без использования данного прибора. Для этого используют умножение. Перемножаются значения напряжения и силы тока в цепи. Однако обойтись тем же самым методом в цепи переменного тока не получится. Именно для таких сетей и были изобретены измерительные приборы и инструменты. Основными источниками, использующими эти агрегаты, стали мастерские, занимающиеся ремонтом электрических приборов. Активно используют ваттметры и в электроэнергетической промышленности, а также машиностроении. Еще одной довольно распространенной моделью стали бытовые приборы. Основными покупателями таких изделий стали любители электроники, владельцы компьютеров или просто люди, желающие экономить на электроэнергии. Один небольшой факт. В некоторых случаях приходится проводить преобразование ватт в киловатты. Чаще всего это делается в промышленных отраслях, где мощность настолько велика, что, если измерять ее в Вт, то значения будут слишком велики. При переводе единиц измерений есть такое правило: 1000 ВТ - это 1 кВт. Чаще всего устройства применяются для таких целей, как: Здесь важно начать с того, что, прежде чем начать измерять мощность, обычно измеряют силу тока и напряжение. Основываясь на выбранном способе измерения, последующем преобразовании и выводе полученных данных, различают такие виды измерительных приборов и инструментов, как цифровые и аналоговые. Аналоговые типы приборов отличаются тем, что они имеют полукруглую шкалу, а также движущуюся стрелку. Они также разделяются на две более мелких группы - самопишущие и показывающие. Эти приборы отражают мощность лишь активного участка цепи. Измерение прибор ведет в ваттах (Вт). Цифровые измерители мощности (ваттметры) могут использовать для измерения и активной и реактивной мощности. К тому же у этого аппарата функционал намного шире, так как на его табло выводится показатель не только мощности, а также силы тока, напряжения и расхода энергии во времени. Еще одно преимущество заключается в том, что вывод всех значений можно производить удаленно, то есть на компьютер оператора. Если говорить об устройствах аналогового типа для измерения мощности, то наиболее точными и часто используемыми стали приспособления электродинамической системы. Принцип действия этого измерителя мощности основывается на работе двух катушек. Одна из них характеризуется тем, что она не двигается, ее сопротивление мало, как и число витков. А вот обмотка, наоборот, довольно толстая. Второй же экземпляр противоположен первому. То есть катушка движется, толщина обмотки низкая, а вот число витков довольно велико, из-за чего сопротивление также повышено. Подключение этого прибора осуществляется параллельно нагрузке. Для того чтобы избежать возникновения короткого замыкания между внутренними катушками устройства, прибор снабжается добавочным сопротивлением. Принцип действия этих измерителей мощности сложнее, чем у предыдущего типа. Причиной тому стало то, что мощность измеряется не напрямую. Основа работы устройства лежит в том, что сначала производятся предварительные измерения силы тока и напряжения. Для того чтобы их провести, нужно последовательно нагрузке подключить датчик тока, а параллельно - датчик напряжения. Выполнены эти агрегаты могут быть на базе термисторов или измерительных трансформаторов. Мгновенные значения, полученные посредством аналого-цифрового преобразователя, передаются на микропроцессор, имеющийся у измерителя. В этом моменте производятся необходимые расчеты, благодаря которым можно получить значение активной и реактивной мощности. Итоговые результаты всех измерений выдаются на дисплей этого прибора, а также на дисплей тех устройств, которые подключены к нему. Оптическая мощность не измеряется этими видами приборов. На сегодняшний день довольно распространенным и удобным прибором в быту стал ваттметр, при помощи которого можно измерить расход электрической энергии в доме. Данная модель является портативной версией устройства, при помощи которой измеряется мощность на отдельном участке. Благодаря этому становится возможным посчитать материальные расходы, которые уйдут на электроэнергию, если оставить работать сеть с такими же параметрами. Данное приспособление довольно удобно, если необходимо распланировать расход средств, а также поможет провести оптимизацию некоторых участков домашней цепи. Этот агрегат относится к цифровой группе приборов. По своему внешнему виду он сильно напоминает адаптер или же переходник, который обладает дисплеем индикаторного типа. Кроме того, на корпусе расположено несколько кнопок, управляющих работой устройства. Основное предназначение этого прибора - регистрация и вывод на экран результатов потребления мощности любым бытовым прибором, который подключается к сети через него. Таких параметров довольно много, и это не только потребляемая мощность. Если ввести конкретный тариф, то устройство может даже показать количество материальных средств, которые будут уплачены за работу именно этого прибора. Оно может также фиксировать мощность излучения. Кроме обычных показателей этот прибор способен также зафиксировать такие значения, как пиковая мощность и пиковое значение силы тока. Кроме этого имеется и несколько других функций. Устройство показывает также текущее время, может работать как обычные часы реального времени. Еще одна возможность использования аппарата - звуковая сигнализация, которая сработает, если прибор начнет потреблять большее количество мощности, чем пользователь задаст вручную. Кнопки, имеющиеся на приборе, могут быть использованы для того, чтобы вручную настраивать функции работы устройства. Имеется возможность выставить максимально допустимую мощность излучения, выставить стоимость киловатта за час и т.д. В плане эксплуатации этот прибор очень прост. Для его работы необходимо подключить его к сети, то есть воткнуть в розетку. Далее необходимо подключить вилку исследуемого прибора к этому бытовому ваттметру. Отображение всех параметров подключенного устройства начнется автоматически. Из основных параметров этого прибора можно выделить то, что к нему можно подключить практически любую бытовую технику. Общая максимальная мощность приборов не должна превышать показателя в 3600 Вт. Также нельзя превышать показатель силы тока в 16 А. fb.ru Мощность измеряют различными способами. Мощность в электрических цепях постоянного и однофазного переменного тока, измеряют в основном ваттметрами электродинамической системы. На рис. 4.4 приведены схемы включения ваттметра для измерения мощности, потребляемой сопротивлением нагрузки RНАГ в цепях постоянного и однофазного переменного тока. В цепях напряжения включено добавочное сопротивление RД. Начало токовой обмотки напряжения, так же как и в последующих схемах, показано, соответственно, левой и верхней точками на обмотках ваттметра W; перемена полярности одной из обмоток приведет к отклонению стрелки ваттметра в обратную сторону. Если включить ваттметр в цепь постоянного тока (рис. 4.4, схема а), то он учтёт потребляемую электроприемниками мощность и потери в токовой обмотке ваттметра. Мощность Р определяют по формуле P=IU'=I(U+IRт)=IU+I2RT=Pпp+Pт, где I и U - соответственно, ток и напряжение на нагрузке; U’ - напряжение питания; Rт - сопротивление токовой обмотки ваттметра; Рпр и Рт - соответственно, потребляемая приемниками мощность и потери мощности в токовой обмотке. При включении (рис. 4.4, схема б) по схеме ваттметра учитываются дополнительные потери в обмотке напряжения Рн: P=U(I+Iн)=UI+UIн=Pнр+Pн. Таким образом, систематической погрешности, возникающей в следствии того, что цепи тока и напряжения измерительного механизма должны включаться также, как и приборы для измерения тока и напряжения избежать не удается. Если ожидаются значительные колебания мощности за счёт колебаний тока, то предпочтительней будет схема а. При включении ваттметра (рис. 4.4, схема в) на добавочном сопротивлении Rд окажется почти полное напряжение источника, на которое не может быть рассчитана изоляция подвижной катушки. Кроме того, появляется дополнительная погрешность за счет электростатического взаимодействия обмоток. Такую схему не следует применять. Показания ваттметра, включенного в цепь переменного тока, пропорциональны произведению подведенного к нему напряжения U, тока в токовой обмотке I и cosφ: Р = с·U·I·cosφ, где с - цена деления ваттметра. При определенном положении переключателей пределов по току и напряжению цена деления составит с = (UПРIПР)/ где UПР и IПР - верхние пределы ваттметра, При определении мощности косвенным методом в цепи постоянного тока измеряют ток и напряжение, а в цепи переменного тока (дополнительно, с помощью фазометра), коэффициент мощности cosφ. Для расширения пределов измерения по току и напряжению применяют шунты, добавочные сопротивления и измерительные трансформаторы (рис. 4.5). Цену деления ватт-метра при пользовании измерительными трансформаторами определяют по уравнению: СИЗМ= СКIHКUH, Вт/дел. На сверхвысоких частотах (СВЧ) способы измерения мощности, рассмотренные выше очень трудно реализуемы, поэтому применяются другие способы измерения мощности. Несмотря на кажущееся разнообразие, все они сводятся к преобразованию энергии электромагнитных колебаний в другой вид энергии, более применяемый для измерения (тепловую, механическую и другие) с последующим вторичным преобразованием в электрический сигнал. Измерение производится в основном цифровыми приборами. При измерении активной мощности в трёхфазных цепях (три фазовых провода и один нулевой - четырех проводная сеть) используют три однофазных ваттметра, включенных в отдельные фазы; измеряемую мощность определяют как сумму мощностей всех фаз. В, этом случае не следует пользоваться ваттметром, включенным в одну из фаз, так как велика вероятность неравномерности нагрузки, и погрешность измерения может оказаться значительно больше допустимой. В трехфазных цепях без нулевого провода возникает затруднение с подключением цепи напряжения ваттметра, потому что в цепи имеется линейное напряжение. Однако при симметричной, нагрузке можно измерить мощность одним ваттметром. Для этого в месте измерения создается искусственная нулевая точка. Сопротивления всех фаз, образующие звезду, должны быть равными. Мощность в этом случае равна утроенному показанию ваттметра. В несимметричных трехфазных трехпроводных цепях мощность можно измерить так же, как и в четырехпроводных цепях, т.е. как сумму трех мощностей. Здесь также необходима искусственная нулевая точка, однако ее можно очень просто создать соединением в звезду трех (одинаковых!) цепей напряжения ваттметров. Более универсальным и точным методом измерения трехфазной мощности является метод двух ваттметров или так называемая схема Арона (рис. 4.6). Токовые обмотки ваттметров включены на линии А, В; обмотки по напряжению на АС и ВС (рис. 4.6, а). Токовые обмотки ваттметров включены на линии А, С; обмотки по напряжению - на АВ и СВ (рис. 4.6, б). Токовые обмотки ваттметров включены в линии В, С; обмотки по напряжению – на ВА и СА (рис. 4.6, в). Построим векторную диаграмму (рис. 4.7) для схемы Арона (рис. 4.6, схема б). Мощность определяют по сумме показаний ваттметров P=P1+P2=UавIаcosψ1+UсвIсcosψ2. В зависимости от характера нагрузки один из углов (ψ1 или ψ2) может стать больше 90°. В этом случае один из ваттметров будет показывать отклонение в противоположную сторону. Чтобы получить отсчет, надо изменить направление тока в одной из обмоток этого ваттметра. Показания берут со знаком минус, т.е. общая мощность равна алгебраической сумме показаний. В частном случае, когда система симметрична, ψ1=30+φ, ψ2=30-φ и общую мощность находят по формуле P=P1+P2=UавIаcos(30+φ)+UсвIсcos(30-φ)=UлIл2cos30cosφ= UлIлcosφ. Даже при полной симметрии показания ваттметров не равны и зависят от величины и знака угла φ. При значении φ, равном 0-60 показания обоих положительны; при φ=60 показания первого ваттметра Р1=0; при φ>60 оба покажут отрицательные значения. При измерении реактивной мощности однофазные реактивные ваттметры применяют для лабораторных измерений и поверки индукционных счетчиков. В отличии от обыкновенного ваттметра реактивный имеет усложненную схему параллельной цепи, в которую включают реактивное сопротивление для получения сдвига по фазе на 90° между током и напряжением. Тогда угол отклонения подвижной части будет пропорционален реактивной мощности. При измерении реактивной мощности в трехфазных цепях нет необходимости получать сдвиг по фазе на 90°, так как при переходе от схемы звезды к схеме треугольника всегда имеется напряжение, которое пропорционально измеряемому и сдвинуто по фазе на 90°. В соответствии с этим, например в несимметрично нагруженной трех- и четырехфазной сети, реактивную мощность Q определяют по схеме трех активных ваттметров, включенных по напряжению на "чужие" фазы (рис. 4.8). Тогда реактивная мощность Q = (P1+P2+P3)/ При равномерной нагрузке можно ограничиться одним из ваттметров. Тогда Q = Q = Реактивную мощность в трехфазной сети с равномерной и неравномерной загрузкой фаз Q находят по схеме с искусственной нулевой точкой (рис. 4.9): Q = Сопротивление, включенное на свободную фазу (R), подбирают так, чтобы оно вместе с обмотками напряжения ваттметров образовало симметричную звезду, а к ваттметрам были подведены фазовые напряжения: R=Rw1=Rw2. Для определении реактивной мощности указанными выше методами необходимо знать порядок чередования фаз сети. Если он окажется обратным, показания ваттметров во многих случаях будут отрицательными. xn----8sbnaarbiedfksmiphlmncm1d9b0i.xn--p1ai Лекция №11 ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ Общие сведения К измерению мощности в практической радиотехнике прибегают во всем частотном диапазоне — от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин волн. Измерять уровни мощности приходится в очень широких пределах — от 10-18 до 108 Вт. В последние годы при измерениях наряду с абсолютными (ватт, милливатт и т.д.) широко используют относительные (логарифмические) единицы мощности (децибелы). Отметим, что относительные единицы измерения имеют ряд существенных преимуществ и применяются для оценки мощности источников радиотехнических сигналов, степени их усиления или ослабления, чувствительности приемных устройств, погрешностей измерений и пр. Новые возможности в решении задач измерения мощности открыли достижения в области физики, микроэлектроники, и особенно цифровой техники, позволившие автоматизировать измерительную процедуру и проводить ее в интерактивном режиме. Как физическая величина, электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Размерность электрической мощности записывается следующим образом: джоуль/сек = ватт. Измерение мощности в различных частотных диапазонах имеет определенные особенности. Измерители электрической мощности промышленной частоты наряду со счетчиками энергии являются основой действующей системы учета потребления электрической энергии в народном хозяйстве. Измерение мощности на постоянном токе, а также в диапазоне звуковых и высоких частот имеет ограниченное значение, поскольку на частотах до нескольких десятков мегагерц часто удобнее измерять напряжения, токи и фазовые сдвиги, а мощность определять расчетным путем. На частотах свыше 300 МГц вследствие волнового характера процессов значения напряжения и токов теряют однозначность и результаты измерений начинают зависеть от места подключения прибора. Вместе с тем поток мощности через любое поперечное сечение линии передачи всегда остается неизменным. По этой причине основным параметром, характеризующим режим работы устройства СВЧ, становится мощность. В этой лекции пойдет речь об измерении мощности в основном на высоких и сверхвысоких частотах. Краткие сведения об измерении мощности на постоянном токе и токе промышленной частоты приведены постольку, поскольку они необходимы для описания методов и средств измерений на более высоких частотах. Измерение мощности в электрических цепях является распространенным видом измерения, характеризующим работу электрических устройств. В технике СВЧ в связи с соизмеримостью размеров цепей и длины волны — это единственный способ однозначной оценки интенсивности электромагнитного поля. В цепях постоянного тока мощность, потребляемая нагрузкой, равна произведению тока и напряжения и ее можно определить косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра или прямым — с помощью электродинамического ваттметра. В цепях переменного синусоидального тока различают активную (среднюю за период) мощность (1) и реактивную мощность Q= UI sin φ, где U — действующее значение напряжения на нагрузке; I — действующее значение тока, протекающего через нагрузку; φ — фазовый сдвиг между напряжением и током. Преимущественно измеряется значение активной мощности. Если нагрузка RH в электрической цепи чисто активная (φ = 0), то мощность переменного тока Для сигнала произвольной формы, имеющего периодическую структуру, электрическую мощность можно оценить с помощью ряда Фурье: где U0, I0 — постоянные составляющие; Un, In — средние квадратические значения гармоник напряжения и тока;φ— фазовый сдвиг между гармониками напряжения Un и тока In. В цепях с током промышленной частоты активная мощность измеряется с помощью электродинамических ваттметров, показания которых соответствуют формуле (1). Принцип действия электродинамического ваттметра основан на том, что угол поворота α рамки (со стрелкой) электродинамического прибора пропорционален произведению токов, умноженному на косинус угла φ между ними: где k — постоянный для данного прибора коэффициент. Пусть требуется измерить активную мощность, потребляемую некоторой нагрузкой ZH, к которой приложено действующее значение напряжения Uн и через нее протекает гармонический ток со средним квадратическим значением Iн и сдвинутый по фазе на угол φ по отношению к напряжению. Схема включения катушек ваттметра показана на рис. 11.1, где Rдоб — добавочное сопротивление. Если параметры ваттметра выбраны так, что Rдоб » ZH, то ток в неподвижной катушке I1≈Iн а в подвижной — I2≈Uн/Rдоб. Поэтому угол отклонения α стрелки ваттметра будет пропорционален активной мощности в нагрузке Р: где k — коэффициент пропорциональности. Ваттметры электродинамической системы могут применяться для измерения электрической мощности в цепях как постоянного, так и переменного тока, но наиболее широко используют их для измерения мощности промышленной частоты. Применяя вольтметр и амперметр переменного тока, можно определить значение полной мощности S = UI, которое при чисто активной нагрузке R совпадает с значением активной мощности Р =UI = I2R = U2/R. В цепях высоких и сверхвысоких частот используют сигналы импульсной формы — радио- или видеоимпульсы. В этом случае представляет интерес не только средняя мощность, но и импульсная При прямоугольной огибающей импульса (рис. 11.2, а) импульсная мощность Ри и ее среднее значение Р за период Т повторения импульсов связаны соотношением (2) где τ — длительность импульса; Q — скважность последовательности импульсов. Практически измеряют среднюю мощность Р и по формуле (2) определяют импульсную РИ. Если форма импульса отлична от прямоугольной (рис.11.2,б), мощность определяют по эквивалентному прямоугольному импульсу той же высоты, длительность которого равна интервалу времени между точками огибающей импульса на уровне половины его высоты. Иногда представляется необходимым измерить среднюю мощность за период несущей частоты импульсно-модулированного сигнала в точке его максимальной высоты. Такая мощность называется пиковой мощностью и определяется из формулы (2): где k — отношение максимальной высоты импульса к высоте эквивалентного прямоугольного импульса. На низкой частоте находят применение ваттметры на интегральных аналоговых перемножителях. Интегральный перемножитель сигналов реализует передаточную функцию где kа — масштабный коэффициент, а u1 и u2 — перемножаемые аналоговые напряжения. Рассмотрим упрощенную структурную схему аналогового интегрального перемножителя двух напряжений (рис. 11.3), в основу принципа действия которого заложен четырехквадрантный метод перемножения. В этой схеме (в технике измерения мощностей ее иногда называют квадратором) приняты следующие обозначения: (+) — сумматор; (-) — вычитающее устройство; (Кв) — устройство возведения в квадрат; (:4) — делитель напряжения на четыре (этот элемент необязателен). При перемножении двух аналоговых напряжений производятся операции: суммирование: u1 + u2; вычитание: u1 - u2; возведение в квадрат: (u1 + u2)2, (u1 - u2)2, вычитание квадратов: (u1 + u2)2- (u1- u2)2 = 4 u1 u2 деление напряжения на четыре: 4 u1 u2/4 = u1 u2. Чтобы применить перемножитель сигналов в схеме ваттметра, достаточно в качестве выходного каскада измерителя включить низкочастотный фильтр. Если напряжения u1 = Umcosωt и u2 = ImRcos(ωt-φ), где R — эталонное сопротивление, то сигнал на выходе: Pвых=kaUmImR.cosωt.cos(ωt-φ). Приняв коэффициент kа = 1, сопротивление R=1 Oм и учитывая формулу произведения двух косинусов, получим: Выделенная специальным низкочастотным фильтром постоянная составляющая данной мощности будет пропорциональна измеряемой мощности (вторым слагаемым на выходе фильтра можно пренебречь), т.е. Ро= UIcosφ В перемножителях используют идентичные, со стабильными параметрами нелинейные элементы, имеющие квадратичные характеристики. Более высокую точность измерения мощности по методу прямого умножения двух сигналов обеспечивает операция интегрирования, которую применяют в прецизионных измерительных преобразователях активной мощности промышленной частоты. Погрешность измерения мощности колеблется в широких пределах: от 0,1—0,2 % при измерении мощностей на постоянном токе и токе промышленной частоты до 4—10 % и более при измерении мощностей на СВЧ. Это объясняется возможностями применяемых методов и средств измерений в различных частотных диапазонах. В диапазоне СВЧ измеряют поглощаемую нагрузкой мощность или мощность, проходящую к нагрузке. В соответствии с этим существуют ваттметры поглощаемой и проходящей мощности. Поглощаемую мощность измеряют тогда, когда надо определить мощность, отдаваемую источником в согласованную нагрузку. В этом случае реальная нагрузка обычно заменяется эквивалентной, часто находящейся в ваттметре, т. е. нагрузкой генератора Г (рис. 11.4, а) является сам ваттметр Вт, измеряющий поглощаемую им же мощность. Проходящая мощность измеряется в линии передачи энергии (рис. 11.4, б) при определении мощности, рассеиваемой в произвольной нагрузке ZH. При измерении мощности ее значение выражают в ваттах (или его кратных и дольных значениях) или децибел-ваттах (децибел-милливаттах). Последнее значение определяется выражением ±а = 10lg P/P0, где a — число децибел-ватт со знаком плюс, если Р > Р0), и со знаком минус, если Р < Р0; Р — абсолютное значение мощности в ваттах; Р0 — исходный уровень мощности, равный 1 Вт Так, например, ноль децибел-ватт соответствует мощности 1 Вт. Если исходный уровень равен 1 мВт, то 30 дБм соответствуют 1 Вт, а минус 30 дБм соответствуют 1 мкВт. Если за Р0 принят 1 мВт единицу измерения обозначают дБм (децибел относительно милливатта). Относительные единицы мощности удобно использовать при определении уровней мощности в различных точках тракта передачи энергии, содержащего устройства, поглощающие или усиливающие мощность. При измерении мощности на высоких и сверхвысоких частотах определяющую роль играет согласование полных сопротивлений в тракте передачи энергии. От качества согласования зависит уровень мощности, получаемой от генератора или усилителя, значение отражений в тракте генератор — линия — нагрузка и мощность, поглощаемая нагрузкой. Если нагрузка с полным сопротивлением Zн=Rн+jXн подключена к генератору непосредственно, то, как известно, генератор с внутренним сопротивлением Zг = Rг + jXr отдает в эту нагрузку мощность (3) где Ur — действующее значение напряжения на выходе генератора. Наибольшую мощность Рмакс генератор будет отдавать нагрузке при комплексно-сопряженном согласовании их сопротивлений, т. е. при Rг = RH и Хг = —Хн. Эта мощность называется располагаемой мощностью генератора, и ее значение определяется из формулы (3): Рмакс=. Если нагрузка подключена к генератору через линию передачи, то согласование усложняется. Электромагнитная энергия передается от генератора к нагрузке, как правило, по однородной линии с распределенными параметрами, определяющими ее волновое сопротивление . Для простоты считают, чго такие линии вносят потери настолько малые, что ими можно пренебречь, и тогда мощность, отдаваемая генератором в согласованную с его сопротивлением линию, нагруженную на любое сопротивление ZH, определяется по формуле где Гн — коэффициент отражения от нагрузки по напряжению. Если волновое сопротивление линии передачи согласовано с сопротивлением нагрузки (Zн=ρ), то коэффициент отражения равен нулю и к нагрузке поступает максимальная мощность. В общем случае, когда и генератор и нагрузка не согласованы, мощность в последней представляется так: Следует иметь в виду, что в зависимости от электрической длины линии передачи (l — физическая длина линии, а λ — длина волны) мощность, поступающая в нагрузку, может принимать любые значения в некоторых пределах, определяемых фазовыми сдвигами между напряжениями отраженной и падающей волн на выходе генератора и входе нагрузки. Это явление объясняется тем, что фазовый сдвиг изменяется от конца линии к ее началу и в соответствии с этим коэффициенты отражения также меняют свое значение. Широкий диапазон частот, большие пределы значений мощности и различие допустимых погрешностей вызвали применение значительного числа методов измерений и основанных на них ваттметров. Мощность на высоких частотах (f < 100 МГц) определяют косвенным методом путем измерения тока или напряжения на соответствующих резисторах с известными сопротивлениями. На частотах до 2 ГГц этот метод применяют в виде «метода вольтметра», на основе которого выпускается ваттметр для измерения поглощаемой мощности. В диапазоне СВЧ электромагнитную энергию преобразуют в другой вид энергии, более удобный для измерения. Наибольшее применение находит преобразование электромагнитной энергии в тепловую, на базе которого разработаны методы: калориметрический, терморезисторный (болометрический и термисторный) и термоэлектрический. Находят применение пондеромоторный метод, основанный на механическом действии электромагнитного поля, и метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике. Любой ваттметр (рис. 11.5) состоит из приемного измерительного преобразователя ППр, измерительного узла ИУ и отсчетного устройства ОУ. Конструкция приемного преобразователя зависит от метода измерения и диапазона частот. Ваттметры характеризуются коэффициентом стоячей волны (КСВ) входной цепи приемного преобразователя, диапазоном частот, пределами измеряемой мощности, временем установления показаний, эффективностью приемного преобразователя и классом точности. Измерение поглощаемой мощности Метод вольтметра и амперметра. Этот метод применяется в том случае, когда при измерении значение тока, проходящего через амперметр и нагрузку, одинаково и напряжения на нагрузке и вольтметре равны. В цепях с распределенными параметрами эти условия выполняются только в определенных местах цепи измеряемого объекта. Амперметр следует включать возможно ближе к нагрузке, так, чтобы расстояние l1 (рис. 11.6, а) было, по крайней мере, в сто раз меньше длины волны λ. При l1/λ < 0,01 погрешность от включения не превышает 1 %. Вольтметр нужно включать на расстоянии l2 = n λ /2 от нагрузки, где n— любое целое число; в этом случае напряжение на нагрузке равно напряжению в месте измерения. При измерении мощности источников энергии (генераторов, радиопередатчиков, усилителей) обычно используют эквивалент согласованной нагрузки RH и один прибор — амперметр или вольтметр (рис. 11.6, в), а мощность вычисляют по формулам: Р = или , где IА и Uv —показания амперметра и вольтметра. Эквивалент нагрузки, рассчитанный на необходимую мощность, подключают непосредственно к выходным зажимам источника. Если при измерении мощности передатчика П допускается излучение, то измеряется ток в антенне (рис. 11.6, б), сопротивление которой известно. В качестве эквивалента нагрузки применяют прецизионные резисторы (проволочные, силикатные, карборундовые, углеродистые). При измерении больших мощностей предусматривают принудительное охлаждение нагрузки воздухом или водой. Выбор измерительного прибора — амперметра или вольтметра — определяется диапазоном частот, значением измеряемой мощности и сопротивления нагрузки, допустимой погрешностью измерения. Так, например, на частотах до 100 МГц при заданной погрешности измерения до ±5 % можно применить термоэлектрический амперметр и электронный вольтметр класса точности 1,0 и 2,5 соответственно. Таким образом измеряют значения мощностей от единиц ватт до сотен киловатт. На более высоких частотах используют прямопоказывающий ваттметр (рис. 11.7), в приемном преобразователе которого помещен поглощающий резистор RH с сопротивлением 75 Ом, рассчитанный на включение в коаксиальную линию с помощью коаксиального входа 1. Резистор заключен в экран 2 специальной формы, улучшающий условия согласования ваттметра с линией передачи. В качестве измерительного узла используется диодный пиковый вольтметр 3, отсчетное устройство которого градуировано в единицах мощности. Для расширения пределов измерения пиковый вольтметр подключается к части резистора. Погрешность измерения таким ваттметром составляет 15—20%. Ваттметр измеряет среднюю мощность, поэтому при импульсных сигналах мощность определяется в соответствии с формулой (2). Калориметрический метод. Этот метод относится к наиболее точным измерениям высокочастотной мощности больших и средних значений практически на любой частоте. Он основан на преобразовании электромагнит' ной энергии в тепловую. Калориметрический ваттметр состоит из приемного преобразователя, в котором расположена нагрузка, поглощающая электромагнитную энергию. При этом выделяется теплота, нагревающая некоторое рабочее тело. С помощью измерительного узла измеряется температура рабочего тела, и по ее значению определяется значение мощности. Ваттметры выполняются с твердым или, чаще, с жидким рабочим телом, работают в адиабатном режиме (без теплоотдачи во внешнюю среду) или при постоянной температуре рабочего тела. Наибольшее распространение получили проточные (поточные) калориметрические ваттметры с непрерывно циркулирующей жидкостью — водой или кремнийорганической смесью (рис. 11.8), Здесь значение мощности функционально связано с разностью температур жидкости на входе и выходе преобразователя, Т1 и Т2 соответственно. В установившемся режиме количество теплоты, выделяемой на нагрузке Rн, равно количеству отводимой жидкостью теплоты: QH = 0,24I2RHt = Qж= сv(T2-T1), откуда 0,24Р = с (v/t)∆T (с — удельная теплоемкость, v — объем жидкости). Измеряемая мощность При постоянных удельной теплоемкости и скорости протекания жидкости v/t измеряемая мощность прямо пропорциональна разности температур: Р=a∆T. Для измерения ∆T применяют батареи термопар, термоЭДС которых определяется с помощью магнитоэлектрического милливольтметра. Если термобатареи включить последовательно и встречно, то показание милливольтметра будет пропорционально ∆T и его шкалу можно градуировать в единицах мощности — ваттах. Погрешность измерения мощности калориметрическим методом возникает вследствие изменения удельной теплоемкости жидкости при ее значительном нагревании, дополнительного нагрева жидкости за счет трения, изменения скорости и характера движения жидкости, потерь теплоты на излучение. Для уменьшения погрешности используют метод сравнения, в котором тепловой эффект, вызванный СВЧ-энергией, сравнивается с тепловым эффектом, вызванным энергией постоянного тока или тока низкой частоты. Для примера на рис. 11.9 приведена упрощенная схема проточного калориметрического вагтметра, работающего по методу сравнения. Приемный преобразователь представляет собой камеру 1, в которую помещен нагрузочный СВЧ-резистор R1. В аналогичной камере 2 находится резистор R2, на который подается мощность постоянного тока. Оба резистора омываются непрерывно циркулирующей жидкостью. Процесс измерения мощности СВЧ заключается в измерении мощности постоянного тока, значение которой устанавливается оператором таким образом, чтобы температура вытекающей из обеих камер жидкости была одинаковой. Равенство температур определяется по нулевому показанию чувствительного микроамперметра постоянного тока, соединенного последовательно с двумя термобатареями 3, 4, которые включены встречно друг другу. Теплообменник 5 выравнивает температуру жидкости на входах обеих камер. Очевидно, что в таком калориметрическом ваттметре не требуется определять скорость течения жидкости, ее удельную теплоемкость и температуру. Погрешность зависит от точности измерения мощности постоянного тока и от коэффициента эффективности преобразователя Кэ, значение которого для каждого ваттметра известно. Измеряемую мощность определяют как Метод терморезистора. Этот метод основан на измерении сопротивления болометра или термистора, изменяющегося под влиянием мощности СВЧ, поэтому его часто называют болометрическим или термисторным методом. Болометр представляет собой вольфрамовую или платиновую нить, заключенную в стеклянный баллончик, заполненный инертным газом. Поперечное сечение нити 3—10 мкм, а длина l<0,1λ. К нити припаяны выводы для включения в измерительную схему. Допустимая мощность рассеивания для нитевидных болометров находится в пределах от 50 мВт до 2 Вт; чувствительность от 1,5 до 8 Ом/мВт; рабочая частота ниже 1 ГГц; сопротивление нити в холодном состоянии 6—120 Ом. На частотах выше 1 ГГц используются пленочные болометры. Тонкая платиновая или палладиевая пленка наносится в вакууме на подложку из стекла или слюды, соизмеримую с сечением волновода. Для включения в измерительную цепь края подложки покрываются серебром. Пленочные болометры хорошо согласуются с волноводным трактом, их конструкция удобна для включения, и, что очень ценно, они могут применяться до частот миллиметрового диапазона волн. Чувствительность 3—3,5 Ом/мВт при работе на частотах ниже 10 ГГц; на более высоких частотах она снижается. Рабочее сопротивление несколько сот Oм. Температурный коэффициент болометров положительный. Термистор представляет собой бусинку (или диск) спрессованной смеси окиси марганца, никеля и кобальта, покрытую тонким слоем стекла. Бусинка заключена в стеклянный баллончик между более жесткими выводами, чем впрессованные в бусинку платиновые проволочки. Материал, из которого изготавливают термисторы, является полупроводником, поэтому их температурный коэффициент отрицательный. Чувствительность термисторов много выше чувствительности болометров — до 100 Ом/мВт; они широко применяются для измерения малых и очень малых мощностей на частотах до 78 ГГц. Сопротивление термисторов в холодном состоянии колеблется от сотен Oм до сотен кOм. Рабочая точка устанавливается предварительным подогревом постоянным током или током низкой частоты и выбирается для согласования с волноводным трактом в несколько сот Oм. Основными характеристиками болометров и термисторов являются зависимость их сопротивления и чувствительности от поглощаемой мощности и максимальная допустимая мощность рассеивания. Терморезисторный ваттметр состоит из приемного преобразователя, в котором размещены болометр или термистор и элементы согласования; измерительного узла в виде моста постоянного тока для измерения сопротивления терморезистора; отсчетного устройства с цифровой или стрелочной индикацией; стабилизированного блока питания. Приемный преобразователь в зависимости от диапазона частот изготавливается из отрезка коаксиальной или волноводной линии. В коаксиальном преобразователе (рис. 11.10, а) терморезистор, например термистор, включается в разрыв центрального проводника 1 в конце линии. Для максимального поглощения мощности СВЧ предусматривается возможность перемещения термистора в пределах четверти длины волны. Термистор одновременно включен в цепь СВЧ-тракта и в цепь постоянного тока — одно из плеч моста. Для развязки этих цепей предусмотрен дроссель 2, предохраняющий мост от проникновения в него энергии СВЧ и обеспечивающий прохождение постоянного тока через термистор. Внешний проводник коаксиальной линии преобразователя имеет разрыв со слюдяной прокладкой, без которого термистор был бы замкнут накоротко по постоянному току. Разрыв представляет собой конструктивный конденсатор Ск, через емкость которого энергия СВЧ замыкается беспрепятственно. Коаксиальные приемные преобразователи применяются при измерении мощности в диапазоне частот 20 МГц— 6 ГГц. На более высоких частотах используют преобразователи волноводной конструкции. Волноводный приемный преобразователь (рис. 11.10, б) представляет собой отрезок короткозамкнутого прямоугольного волновода, в конце которого помещен терморезистор, закрепленный в цилиндрических патрубках, перпендикулярных широкой стороне волновода. Для согласования термистора с волноводом он должен располагаться на расстоянии l= (2n + 1)λ/4 от замкнутого конца волновода. Для установки этого расстояния (настройки согласования) предусмотрен поршень 3. Прохождение по термистору постоянного тока обеспечивается разрывом Ск в одном из патрубков. Измерение сопротивления терморезистора (а следовательно, и мощности) производится с помощью моста постоянного тока. В одно плечо моста включается болометр или термистор, а в остальные — постоянные резисторы, сопротивления которых равны сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Такой равноплечий мост обладает наибольшей чувствительностью. Измерение мощности можно выполнять при неуравновешенном или уравновешенном состоянии моста. Схема ваттметра с неуравновешенным мостом представлена на рис. 11.11, а. Измерение выполняют следующим образом. Сначала, до включения энергии СВЧ, мост приводят в равновесие на постоянном токе. Для этого, изменяя сопротивление резистора R1 в цепи питания моста, добиваются нулевого показания на шкале микроамперметра в диагонали моста. Это свидетельствует о равенстве сопротивления терморезистора всем остальным сопротивлениям плеч. Затем на вход преобразователя подают измеряемый сигнал, мощность которого нагревает терморезистор; сопротивление его изменяется, мост выходит из равновесия и стрелка микроамперметра отклоняется. Шкала микроамперметра градуируется заранее по мощности постоянного тока, и потому его показания соответствуют измеряемой мощности СВЧ. refdb.ru Измерение мощности и энергии. Электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность где U, I – действующие значения напряжения и тока; φ – угол сдвига фаз. Реактивная мощность Полная мощность Эти три типа мощности связаны выражением Так, мощность измеряется в пределах 1 Вт... 10 ГВт (в цепях постоянного и однофазного переменного тока) с погрешностью ±(0,01...0,1) %, а при СВЧ – с погрешностью ±(1...5) %. Реактивная мощность от единиц вар до Мвар измеряется с погрешностью ±(0,1-0,5) %. Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами измерения номинальных токов (1 нА... 10 кА) и напряжений (1 мкВ... 1 MB), погрешность измерения составляет ±(0,1...2,5)%. Измерение реактивной энергии представляет интерес только для промышленных трехфазных цепей. Измерение мощности в цепях постоянного тока. При косвенном измерении мощности используют метод амперметра и вольтметра и компенсационный метод. Метод амперметра и вольтметра. В этом случае приборы включаются по двум схемам (рисунок 3.1). а б Рисунок 3.1 – Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра при малых (а) и больших (б) сопротивлениях нагрузки Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом существенных недостатков: необходимостью снимать показания по двум приборам; необходимостью производить вычисления; невысокой точностью за счет суммирования погрешности приборов. Мощность Она больше действительного значения мощности, расходуемой в нагрузке Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра и меньше сопротивление нагрузки. Мощность Она больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности потребления амперметром Компенсационный метод применяется, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряется ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Измеряемая мощность равна: При прямом измерении активная мощность измеряется электромеханическими (электродинамической и ферродинамической систем), цифровыми и электронными ваттметрами. Электродинамические ваттметры применяются как переносные приборы для точных измерений мощности (класс 0,1 ...2,5) в цепях постоянного и переменного тока с частотой до нескольких тысяч герц. Рисунок 3.2 – Схема включения электродинамического ваттметра через измерительные трансформаторы тока и напряжения В широком диапазоне частот применяются цифровые ваттметры, в которых осуществляется автоматический выбор пределов измерений, самокалибровка и предусмотрен внешний интерфейс. Для измерения мощности в высокочастотных цепях также используются специальные и электронные ваттметры. Измерение активной мощности в цепях трехфазного тока. Метододного ваттметра. Этот метод применяется только в симметричной системе с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига по фазе между векторами I и U и с полной симметрией напряжений. Метод двух ваттметров применяется в трехфазной трехпроводной цепи независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений (рисунок 3.3). Рисунок 3.3 – Схемы включения двух ваттметров в трехфазную цепь Полная мощность может быть выражена в виде суммы показаний двух ваттметров Метод трех ваттметров используется для измерения мощности трехфазной цепи при несимметричной нагрузке, и общая мощность при наличии нулевого провода будет равна арифметической сумме показаний трех ваттметров. В этом случае каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы, показания ваттметра независимо от характера нагрузки будут положительные (параллельная обмотка включается на фазное напряжение, т.е. между линейным проводом и нулевым). Если нулевая точка недоступна и нулевой провод отсутствует, то параллельные цепи приборов могут образовать искусственную нулевую точку при условии, что сопротивления этих цепей равны между собой. Измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях.Несмотря на то, что реактивная мощность не определяет ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии за единицу времени, ее измерение также важно. Наличие реактивной мощности приводит к дополнительным потерям электрической энергии в линиях передачи, трансформаторах и генераторах. Реактивные ваттметры преимущественно применяются для лабораторных измерений и поверки реактивных счетчиков. Измерение мощности в цепях повышенной частоты.С этой целью можно использовать как прямые, так и косвенные измерения и в ряде случаев предпочтительнее могут оказаться косвенные, так как иногда легче измерить ток и напряжение на нагрузке, чем непосредственно мощность. Измерение энергии в однофазных и трехфазных цепях. Энергия измеряется электромеханическими и электронными счетчиками электрической энергии. Электронные счетчики электрической энергии обладают лучшими метрологическими характеристиками, большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии. Измерение фазы и частоты. Фаза характеризует состояние гармонического сигнала в определенный момент времени t. Фазовый угол в начальный момент времени (начало отсчета времени), т.е. при Методы измерения угла сдвига фаз зависят от диапазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности и наличия средств измерений. Различают косвенное и прямое изменения угла сдвига фаз. Косвенное измерение. Такое измерение угла сдвига фаз между напряжением U и током I в нагрузке в однофазных цепях осуществляют с помощью трех приборов – вольтметра, амперметра и ваттметра (рисунок 3.4). Угол φ определяется расчетным путем из найденного значения Метод используется обычно на промышленной частоте и обеспечивает невысокую точность из-за методической погрешности, вызванной собственным потреблением приборов, достаточно прост, надежен, экономичен. Рисунок 3.4 – Измерение угла сдвига фаз методом трех приборов В трехфазной симметричной цепи величина – мощность, ток и напряжение одной фазы; – измерение активной мощности методом двух ваттметров; – измерение реактивной мощности методом двух ваттметров с искусственной нейтральной точкой. Осциллографический метод измерения фазы, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени, используется в широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измерениях (5... 10%). Метод линейной развертки предполагает применение двухлучевого осциллографа, на горизонтальные пластины которого подают линейное развертывающее напряжение, а на вертикальные пластины – напряжение, между которыми измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных кривых на экране получаем изображение двух напряжений (рисунок 3.5 а) и по измеренным отрезкам АБ и АС вычисляется угол сдвига между ними Если вместо линейной развертки использовать синусоидальное развертывающее напряжение, то получаемые на экране фигуры Лиссажу при равных частотах исследуемых напряжений дают на экране осциллографа изображение эллипса (рисунок 3.5 б). Угол сдвига Рисунок 3.5 – Кривые, получаемые на экране двухлучевого осциллографа: при линейной (а) и синусоидальной (б) развертке Прямое измерение. Прямое измерение угла сдвига фаз осуществляют с помощью электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров. Наиболее часто из электромеханических фазометров используют электродинамические и электромагнитные логометрические фазометры. Шкала у этих приборов линейная. Используются на диапазоне частот от 50 Гц до 6... 8 кГц. Классы точности – 0,2; 0,5. Для них характерна большая потребляемая мощность (5... 10 Вт). В трехфазной симметричной цепи измерение угла сдвига фаз φ или Цифровые фазометры используются в маломощных цепях в диапазоне частот от единиц Гц до 150 МГц, классы точности – 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных цифровых фазометрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые подсчитываются электронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала. Методы измерения частоты. Частота является одной из важнейших характеристик периодического процесса. Определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Диапазон используемых в технике частот очень велик и колеблется от долей герц до десятков. Весь спектр частот подразделяется на два диапазона – низкие и высокие. Низкие частоты: инфразвуковые – ниже 20 Гц; звуковые – 20..20000 Гц; ультразвуковые – 20...200 кГц. Высокие частоты: высокие – от 200 кГц до 30 МГц; ультравысокие – 30...300 МГц. Поэтому выбор метода измерения частоты зависит от диапазона измеряемых частот, необходимой точности измерения, величины и формы напряжения измеряемой частоты, мощности измеряемого сигнала, наличия средств измерений и т.д. Прямое измерение. Метод основан на применении электромеханических, электронных и цифровых частотомеров. Электромеханические частотомеры используют измерительный механизм электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем с непосредственным отсчетом частоты по шкале логометрического измерителя. Они просты в устройстве и эксплуатации, надежны, обладают довольно высокой точностью. Их используют в диапазоне частот от 20 до 2500 Гц. Классы точности – 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5. Электронные частотомеры применяются при измерениях в частотном диапазоне от 10 Гц до нескольких мегагерц, при уровнях входного сигнала 0,5...200 В. Они имеют большое входное сопротивление, что обеспечивает малое потребление мощности. Классы точности – 0,5; 1,0 и ниже. Цифровые частотомеры применяются для очень точных измерений в диапазоне 0,01 Гц...17 ГГц. Источниками погрешности являются погрешность от дискретности и нестабильности кварцевого генератора. Мостовой метод измерения частоты основан на использовании частотозависимых мостов переменного тока, питаемых напряжением измеряемой частоты. Наиболее распространенной мостовой схемой для измерения частоты является емкостной мост. Мостовой метод измерения частоты применяют для измерения низких частот в пределах 20 Гц...20 кГц, погрешность измерения составляет 0,5... 1 %. Косвенное измерение. Метод осуществляется с использованием осциллографов: по интерференционным фигурам (фигурам Лиссажу) и круговой развертки. Методы просты, удобны и достаточно точны. Их применяют в широком диапазоне частот 10 Гц...20 МГц. Недостатком метода Лиссажу является сложность расшифровки фигур при соотношении фигур более 10 и, следовательно, возрастает погрешность измерения за счет установления истинного отношения частот. При методе круговой развертки погрешность измерения в основном определяется погрешностьюквантования образцовой частоты. Контрольные вопросы 1 Приборы каких систем можно использовать для измерения постоянного тока и напряжения? 2 Какими приборами осуществляются: а) прямые измерения малых токов и напряжений; б) косвенные измерения малых токов и напряжений; в) прямые измерения малых количеств электричества; г) прямые измерения больших количеств электричества; д) прямые измерения больших постоянных токов и напряжений? 3 Приборы каких систем можно использовать для измерения переменного тока и напряжения? 4 В чем сущность прямых и косвенных измерений: а) малых и больших переменных токов; б) малых и больших переменных напряжений; в) мощности в цепях постоянного тока; г) мощности в цепях переменного тока; д) фазы; е) частоты? 5 Приведите схемы включения индукционных счетчиков электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях. Лекция 4 infopedia.su В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного тока, активную мощность и энергию переменного однофазного и трехфазного тока, реактивную мощность и энергию трехфазного переменного тока, мгновенное значение мощности, а также количество электричества в очень широких пределах. Электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность Pa=UIcosj > = I×2× R=U2/R, (1) где U, I — действующие значения напряжения и тока; j — угол сдвига фаз. Реактивная мощность Рр = UIsin j = I2X. (2) Полная мощность Pn = UI=PZ. Эти три типа мощности связаны выражением P = (Ра2+Р2р) (3) Так, мощность измеряется в пределах 1 Вт... 10 ГВт (в цепях постоянного и однофазного переменного тока) с погрешностью ±(0,01...0,1) %, а при СВЧ — с погрешностью ±(1...5) %. Реактивная мощность от единиц вар до Мвар измеряется с погрешностью ±(0,1...0,5)%. Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами измерения номинальных токов (1 нА...1О кА) и напряжений (1 мкВ...1 MB), погрешность измерения составляет ±(0,1...2,5)%. Измерение реактивной энергии представляет интерес только для промышленных трехфазных цепей. Измерение мощности в цепях постоянного тока.При косвенном измерении мощности используют метод амперметра и вольтметра и компенсационный метод. Метод амперметра и вольтметра. В этом случае приборы включаются по двум схемам (рис.1). Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом существенных недостатков: необходимостью снимать показания по двум Рис. .1. Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра при малых (а) и больших (б) сопротивлениях нагрузки приборам; необходимостью производить вычисления; невысокой точностью за счет суммирования погрешности приборов. Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис. 1а), имеет вид Она больше действительного значения мощности, расходуемой в нагрузке Рн, на значение мощности потребления вольтметра Рv, т. е. Рн = Рх – Рv. Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра и меньше сопротивление нагрузки. Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис 1., б), имеем вид Она больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности потребления амперметром РА. Методическая погрешность тем меньше, чем меньше входное сопротивление амперметра и больше сопротивление нагрузки. Компенсационный метод. Этот метод применяется тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряется ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Измеряемая мощность определяется по формуле P=Uн Iн. (4) При прямом измерении активная мощность измеряется электромеханическими (электродинамической и ферродинамической систем), цифровыми и электронными ваттметрами. Электродинамические ваттметры применяются как переносные приборы для точных измерений мощности (класс 0,1... 2,5) в цепях постоянного и переменного тока с частотой до нескольких тысяч герц. Ферродинамические щитовые вольтметры применяются в цепях переменного тока промышленной частоты (класс 1,5…2,5). Рис.2 В широком диапазоне частот применяются цифровые ваттметры, основу составляют различные преобразователи мощности (например, термоэлектрические), УПТ, микропроцессор и ЦОУ. В цифровых ваттметрах осуществляется автоматический выбор пределов измерений, самокалибровка и предусмотрен внешний интерфейс. Для измерения мощности в высокочастотных цепях также используются специальные и электронные ваттметры. Для измерения реактивной мощности на низких частотах служат реактивные ваттметры (варметры), в которых путем использования специальных схем отклонение подвижной части электродинамического ИМ пропорционально реактивной мощности. Включение электромеханических ваттметров непосредственно в электрическую цепь допустимо при токах нагрузки, не превышающих 10... 20 А, и напряжениях до 600 В. Измерение мощности при больших токах нагрузки и в цепях высокого напряжения производится ваттметром с измерительными трансформаторами тока ТА и напряжения TV(рис..2). Измерение активной мощности в цепях трехфазного тока.Метод одного ваттметра. Этот метод применяется только в симметричной системе с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига по фазе между векторами I и U и с полной симметрией напряжений (рис..3). Рис..3. Схемы включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь при полной симметрии присоединения нагрузки: а — звездой; б — треугольником; в ~- с искусственной нулевой точкой Рис.4. Схемы включения двух ваттметров в трехфазную цепь: а — в 1-ю и 3-ю; б — в 1-ю и 2-ю; в — в 2-ю и 3-ю На рис. .3, а нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна. На рис.3, б нагрузка соединена треугольником, ваттметр включен в фазу. На рис. .3, в нагрузка соединена треугольником с искусственной нулевой точкой. Искусственная нулевая точка создается с помощью двух резисторов, каждый из которых равен сопротивлению цепи обмотки напряжения ваттметра (обычно указывается в техническом паспорте на ваттметр). Показания ваттметра будут соответствовать мощности одной фазы, а мощность всей трехфазной сети во всех трех случаях включения прибора будет равна мощности одной фазы, умноженной на три: Р = 3Pw Метод двух ваттметров. Этот метод применяется в трехфазной трехпроводной цепи независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Асимметрия — это система, в которой мощности отдельных фаз различны. Токовые обмотки ваттметров включаются в любые две фазы, а обмотки напряжения включаются на линейные напряжения (рис. 4). Полная мощность может быть выражена в виде суммы показаний Двух ваттметров. Так, для схемы, представленной на рис..4, а, где y1 — угол сдвига фаз между током I1 и линейным напряжением U12, y2- угол сдвига фаз между током I3 и линейным напряжением U32. В частном случае при симметричной системе напряжений и одинаковой нагрузке фаз y1, = 30° - j и y2 = 30° - j показания ваттметров будут: При активной нагрузке (j= 0) показания ваттметров будут одинаковы, так как PW]= PW2 IUcos30°. При нагрузке с углом сдвига ср = 60° показания второго ваттметра равны нулю, так как PW2= IUcos(30° + j) = IUcos(30° + 60°) = 0, и в этом случае мощность трехфазной цепи измеряется одним ваттметром. При нагрузке с углом сдвига j > 60° мощность, измеряемая вторым ваттметром, будет отрицательной, так как (30° +j ) больше 90°. В этом случае подвижная часть ваттметров повернется в обратную сторону. Для отсчета необходимо изменить на 180° фазу тока в одной из цепей ваттметра. В этом случае мощность цепи трехфазного тока равна разности показаний ваттметров Метод трех ваттметров. Для измерения мощности трехфазной цепи при несимметричной нагрузке включаются три ваттметра, и общая мощность при наличии нулевого провода будет равна арифметической сумме показаний трех ваттметров. В этом случае каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы, показания ваттметра независимо от характера нагрузки будут положительные (параллельная обмотка включается на фазное напряжение, т. е. между линейным проводом и нулевым). Если нулевая точка недоступна и нулевой провод отсутствует, то параллельные цепи приборов могут образовать искусственную нулевую точку при условии, что сопротивления этих цепей равны между собой. Измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях.Несмотря на то что реактивная мощность не определяет ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии за единицу времени, ее измерение также важно. Наличие реактивной мощности приводит к дополнительным потерям электрической энергии в линиях передачи, трансформаторах и генераторах. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (вар) как в однофазных, так и в трехфазных трех- и четырехпроводных цепях переменного тока электродинамическими и ферродинамическими или специально предназначенными для измерения реактивной мощности ваттметрами. Отличие реактивного ваттметра от обычного состоит в том, что он имеет усложненную схему параллельной цепи для получения сдвига по фазе, равного 90° между векторами тока и напряжения этой цепи. Тогда отклонение подвижной части будет пропорционально реактивной мощности Рр = UIsinj. Реактивные ваттметры преимущественно применяются для лабораторных измерений и поверки реактивных счетчиков. Реактивную мощность в трехфазной симметричной цепи можно измерить и активным ваттметром: для этого –токовая катушка последовательно включается в фазу А, катушка напряжения между фазами В и С. Измерение мощности в цепях повышенной частоты.С этой целью можно использовать как прямые, так и косвенные измерения и в ряде случаев предпочтительнее могут оказаться косвенные, так как иногда легче измерить ток и напряжение на нагрузке, чем непосредственно мощность. Прямое измерение мощности в цепях повышенных и высоких частот производится термоэлектрическими, электронными ваттметрами, ваттметрами, основанными на эффекте Холла, и цифровыми ваттметрами. Косвенные измерения осуществляются осциллографическим методом. Он применяется в основном тогда, когда цепь питается напряжением несинусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных источниках напряжения и т. д. Измерение энергии в однофазных и трехфазных цепях.Энергия измеряется электромеханическими и электронными счетчиками электрической энергии. Электронные счетчики электрической энергии обладают лучшими метрологическими характеристиками, большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии. 4. Измерение фазы и частоты Фаза характеризует состояние гармонического сигнала в определенный момент времени t. Фазовый угол в начальный момент времени (начало отсчета времени), т.е. при t = 0, называют нулевым (начальным) фазовым сдвигом. Разность фаз Dj измеряют обычно между током и напряжением либо между двумя напряжениями. В первом случае чаще интересуются не самим углом сдвига фаз, а величиной cosj или коэффициентом мощности. Cosj— это косинус того угла, на который опережает или отстает ток нагрузки от напряжения, приложенного к этой нагрузке. Фазовым сдвигом Dj двух гармонических сигналов одинаковой частоты называют модуль разности их начальных фаз Dj =|j1- j2|. Фазовый сдвиг Dj не зависит от времени, если остаются неизменными начальные фазы j1, и j2. Разность фаз выражается в радианах или градусах. Методы измерения угла сдвига фаз.Эти методы зависят от диапазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности и Наличия средств измерений. Различают косвенное и прямое изменения угла сдвига фаз. Косвенное измерение. Такое измерение угла сдвига фаз Между напряжением U и током I в нагрузке в однофазных цепях осуществляют с помощью трех приборов — вольтметра, амперметра и ваттметра (рис.5). Угол j определяется расчетным путем из найденного значения cosj: Метод используется обычно на промышленной частоте и обеспечивает невысокую точность из-за методической погрешности, вызванной собственным потреблением приборов, достаточно прост, надежен, экономичен. В трехфазной симметричной цепи величина cosj может быть определена следующими измерениями: • мощность, ток и напряжение одной фазы; • измерение активной мощности методом двух ваттметров; • измерение реактивной мощности методом двух ваттметров с искусственной нейтральной точкой. Среди осциллографических методов измерения фазы наибольшее распространение получили методы линейной развертки и эллипса. Осциллографический метод, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени, используется в широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измерениях (5... 10 %). Метод линейной развертки предполагает применение двухлучевого осциллографа, на горизонтальные пластины которого подают линейное развертывающее напряжение, а на вертикальные пластины — напряжение, между которыми измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных кривых на экране получаем изображение двух напряжений (рис.6, а) и по измеренным отрезкам АБ и АС вычисляется угол сдвига между ними где АБ — отрезок между соответствующими точками кривых при переходе их через нуль по оси X; АС — отрезок, соответствующий периоду. Погрешность измерения jхзависит от погрешности отсчета и фазовой погрешности осциллографа. Если вместо линейной развертки использовать синусоидальное развертывающее напряжение, то получаемые на экране фигуры Лиссажу при равных частотах дают на экране осциллографа форму эллипса (Рис. 6б). Угол сдвига jx=arcsin(АБ/ВГ). Этот метод позволяет измерять jх в пределах 0 90о без определения знака фазового угла. Погрешность измерения jх также определяется погрешностью отсчета Рис..6. Кривые, получаемые на экране двухлучевого осциллографа: при линейной (а) и синусоидальной (б) развертке и расхождениями в фазовых сдвигах каналов Х и Y осциллографа. Применение компенсатора переменного тока с калиброванным фазовращателем и электронным осциллографом в качестве индикатора равенства фаз позволяет произвести достаточно точное измерение угла сдвига фаз. Погрешность измерения в этом случае определяется в основном погрешностью используемого фазовращателя. Прямое измерение. Прямое измерение утла сдвига фаз осуществляют с помощью электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров. Наиболее часто из электромеханических фазометров используют электродинамические и электромагнитные логометрические фазометры. Шкала у этих приборов линейная. Используются на диапазоне частот от 50 Гц до 6... 8 кГц. Классы точности — 0,2; 0,5. Для них характерна большая потребляемая мощность 1(5...10 Вт). В трехфазной симметричной цепи измерение угла сдвига фаз j или cosj осуществляется однофазным или трехфазным фазометрами. Цифровые фазометры используются в маломощных цепях в диапазоне частот от единиц Гц до 150 МГц, классы точности — 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных цифровых фазометрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые под-считываются электронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала. Методы измерения частоты.Частота является одной из важнейших характеристик периодического процесса. Определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Диапазон используемых в технике частот очень велик и колеблется от долей герц до десятков. Весь спектр частот подразделяется на два диапазона — низкие и высокие. Низкие частоты: инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые — 20...20000 Гц; ультразвуковые — 20...200 кГц. Высокие частоты: высокие — от 200 кГц до 30 МГц; ультравысокие — 30...300 МГц. Поэтому выбор метода измерения частоты зависит от диапазона измеряемых частот, необходимой точности измерения, величины и формы напряжения измеряемой частоты, мощности измеряемого сигнала, наличия средств измерений и т.д. Прямое измерение. Метод основан на применении электромеханических, электронных и цифровых частотомеров. Электромеханические частотомеры используют измерительный механизм электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем с непосредственным отсчетом частоты по шкале логометрического измерителя. Они просты в устройстве и эксплуатации, надежны, обладают довольно высокой точностью. Их используют в диапазоне частот от 20 до 2500 Гц. Классы точности — 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5. Электронные частотомеры применяются при измерениях в частотном диапазоне от 10 Гц до нескольких мегагерц, при уровнях входного сигнала 0,5... 200 В. Они имеют большое входное сопротивление, что обеспечивает малое потребление мощности. Классы точности — 0,5; 1,0 и ниже. Цифровые частотомеры применяются для очень точных измерений в диапазоне 0,01 Гц... 17 ГГц. Источниками погрешности являются погрешность от дискретности и нестабильности кварцевого генератора. Мостовой метод. Этот метод измерения частоты основан на использовании частотозависимых мостов переменного тока, питаемых напряжением измеряемой частоты. Наиболее распространенной мостовой схемой для измерения частоты является емкостной мост. Мостовой метод измерения частоты применяют для измерения низких частот в пределах 20 Гц ... 20 кГц, погрешность измерения составляет 0,5... 1 %. Косвенное измерение. Метод осуществляется с использованием осциллографов: по интерференционным фигурам (фигурам Лиссажу) и круговой развертки. Методы просты, удобны и достаточно точны. Их применяют в широком диапазоне частот 10 Гц... 20 МГц. Недостатком метода Лиссажу является сложность расшифровки фигур при соотношении фигур более 10 и, следовательно, возрастает погрешность измерения за счет установления истинного отношения частот. При методе круговой развертки погрешность измерения в основном определяется погрешностью квантования основной частоты. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ megalektsii.ru Cтраница 1 Измерения средней мощности и дисперсии случайных сигналов необходимы при разработке, производстве и эксплуатации систем управления, многоканальных систем электросвязи, испытании генераторов случайных и шумоподобных сигналов, оценке мощности шумов квантования в цифровых устройствах, проведении разнообразных научно-технических экспериментов, исследовании биологических процессов, осуществлении медицинской и технической диагностики. [1] Измерение средней мощности и дисперсии производится с помощью электронных вольтметров, содержащих квадратичный детектор. Эти вольтметры должны обладать рядом особенностей по сравнению с квадратичными вольтметрами. Прежде всего большой протяженностью квадратичного участка характеристики детектора, поскольку шумовые напряжения обладают большим коэффициентом пиковости Um / U. Если квадратичный участок оказывается недостаточно большим, на входе применяют калиброванный аттенюатор. Вольтметры, предназначенные для измерения шумового напряжения, должны обладать высокой чувствительностью. Применяется широкополосное додетекторное усиление. Между детектором и магнитоэлектрическим прибором включается усреднитель с большим временем усреднения. [2] Измерение средней мощности и дисперсии производится с помощью квадратичных вольтметров, описанных в гл. Поскольку случайные процессы часто характеризуются большим отношением пикового значения к эффективному, необходим достаточный динамический диапазон. В ряде случаев измеряемые флуктуационные напряжения имеют весьма малое пиковое значение, поэтому перед квадратичным вольтметром включается широкополосный усилитель. Если измеряется средняя мощность, необходимо использовать УПТ. Среднее значение выходного напряжения квадратичного преобразователя обычно измеряют магнитоэлектрическим прибором. Если постоянная времени последнего недостаточна, то перед магнитоэлектрическим прибором в схему вводится узкополосный фильтр нижи их частот. [3] Измерение средней мощности передатчика можно производить, с помощью измерителя мощности, подключаемого вепосред -, етвеяно к входному каскаду. [4] Для измерения средней мощности в цепях переменного тока применим ваттметр электродинамической системы. [5] Для измерения средней мощности Р уравновешенной системы достаточен один ваттметр, включенный в одну фазу, показание которого утраивается. Для измерения в трехфазной неуравновешенной системе с нулевым проводом необходимо включить ваттметры во все три фазы. При отсутствии нулевого провода достаточны два ваттметра, последовательные обмотки и начала параллельных обмоток которых включаются в две фазы, а концы параллельных - в третью фазу; тогда средняя мощность всей системы равна алгебраической сумме показаний обоих ваттметров. [6] Для измерения средней мощности излучения ОКГ, работающих в дальней области инфракрасного диапазона ( 28 мк), применяется калориметр с проточной жидкостью. Калориметр представляет собой сосуд из оргстекла с полиэтиленовым окном толщиной 0 75 мм, имеющим хорошее пропускание излучения. [7] Приборы для измерения средней мощности должны иметь открытый вход. [8] Аналоговые приборы для измерения средней мощности, имеют ряд недостатков: неточность воспроизведения квадратичной зависимости, узкий динамический диапазон уровней входных сигналов, температурную и временную нестабильности. [9] Данный спектр обеспечивает измерение средней мощности, связанной с ошибкой на различных частотах. Он зависит как от природы входа г ( t), так и от динамических характеристик системы и модели. [10] Таким образом, измерение средней мощности сводится к возведению напряжения реализации в квадрат и определению среднего значения. Измерители дисперсии отличаются тем, что на вход квадратичного преобразователя подается центрированная реализация. Центрирование сводится к определению математического ожидания и его вычитанию из реализации. В некоторых приборах центрирование реализации осуществляется за счет разделительного конденсатора большой емкости. [11] Однако этот способ измерения средней мощности недостаточно точен и часто заменяется измерением средней мощности с помощью мостовых схем, у которых в качестве чувствительного плеча применяются болометры. [13] Измерение дисперсии сводится к измерению средней мощности центрированного случайного процесса. Поэтому для измерителя дисперсии характерно наличие во входном блоке схемы, центрирующей реализацию x ( t) исследуемого стационарного эргоди-ческого случайного процесса. [14] Поверка осуществляется сличением с образцовым средством измерения средней мощности ОКГ 1-го разряда на одной из длин волн ( 0 49 или 0 63 мкм) спектрального диапазона и поэлементной аттестацией на границах спектрального диапазона поверяемого прибора. Методика поверки изложена в техническом описании. [15] Страницы: 1 2 3 www.ngpedia.ruИзмерение мощности и энергии. Измерение фазы и частоты. Мощность измерение
3. Измерение мощности и энергии
Измерители мощности. Измерительные приборы и инструменты
Общее описание электрических сетей
Использование аппаратуры
Краткое описание типов приборов
Суть работы аналоговых приборов
Суть работы цифровых приспособлений
Бытовые приспособления
Бытовые ваттметры
Функции прибора
4.2. Измерение мощности
ПР, Вт/дел,ПР - количество делений шкалы ваттметра.
·Р1. В трехфазной сети с равномерной нагрузкой (рис. 4.6, любая схема), реактивную мощность Q определяют по формуле·(P1-P2).·(P1+ Р2).
4.1. Измерение тока и напряжения< Предыдущая
Следующая >4.3. Измерение энергии
Лекция №11 измерение мощности - Лекция
Измерение мощности и энергии. Измерение фазы и частоты.
,(3.1)
. (3.2)
.
. (3.3)
, вычисленная по показаниям приборов (рисунок 3.1 а), имеет вид
.
, на значение мощности потребления вольтметра 
,т.е. 
.
, вычисленная по показаниям приборов (рисунок 3.1 б), имеет вид
.
. Методическая погрешность тем меньше, чем меньше входное сопротивление амперметра и больше сопротивление нагрузки.
. (3.4)
, где 
, – угол сдвига фаз между током 
, и линейным напряжением 
; 
– угол сдвига фаз между током 
и линейным напряжением 
.
, называют нулевым (начальным) фазовым сдвигом. Разность фаз 
измеряют обычно между током и напряжением либо между двумя напряжениями. В первом случае чаще интересуются не самим углом сдвига фаз, а величиной 
, или коэффициентом мощности. 
– это косинус того угла, на который опережает или отстает ток нагрузки от напряжения, приложенного к этой нагрузке. Фазовым сдвигом 
двух гармонических сигналов одинаковой частоты называют модуль разности их начальных фаз 
. Фазовый сдвиг 
не зависит от времени, если остаются неизменными начальные фазы 
и 
. Разность фаз выражается в радианах или градусах.
:
.
может быть определена следующими измерениями:
, где АБ – отрезок между соответствующими точками кривых при переходе их через нуль по оси Х АС – отрезок, соответствующий периоду.
. Этот метод позволяет измерять 
в пределах 0... 
без определения знака фазового угла. Погрешность измерения 
также определяется погрешностью отсчета и расхождениями в фазовых сдвигах каналов X и Y осциллографа.
осуществляется однофазным или трехфазным фазометрами.Измерение мощности и энергии — МегаЛекции
Измерение - средняя мощность - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Измерение - средняя мощность
интернет-магазин светодиодного освещения
Пн - Вс с 10:30 до 20:00
Санкт-Петербург, просп. Энгельса, 138, корп. 1, тк ''Стройдвор''
Поделиться с друзьями: