Измерение мощности в цепи однофазного синусоидального тока (стр. 2 из 6)

На сверхвысоких частотах мощность измеряют преобразованием мощности в теплоту (калориметрические методы), свет (фотометрические методы) и др.

2.1 Измерение мощности с использованием электронного выпрямительного ваттметра

Принципиальная схема электронного ваттметра с квадратором, выполненным на полупроводниковых диодах, представлена на рис. 4. Ваттметр имеет два резистора в цепи тока, сопротивления которых R₁=R₂ много меньше сопротивления нагрузки, и два резистора сопротивлениями R_s, R₄ в цепи напряжения. Резисторы R₃ и R₄ выполняют роль делителя напряжения, поэтому сопротивление R₃ + R₄ много больше сопротивления нагрузки Z_H.

Падение напряжения на резисторах R₁+R₂ пропорционально току нагрузки k₁i падение напряжения на резисторе R_s делителя пропорционально напряжению на нагрузке, т. е. k₂u. Как видно из схемы, напряжения u₁ и u₂ на диодах VD₁ и VD₂ будут соответственно:

;

При идентичных характеристиках диода и работе на квадратичном участке вольт-амперной характеристики токи i₁ и i₂ пропорциональны квадратам напряжений:

;

Рисунок 4 Принципиальная схема электронного выпрямительного ваттметра

Ток в цепи прибора

. Подставив в это выражение значения и , получим ,где

Постоянная составляющая тока, измеряемая магнитоэлектрическим прибором, при и

и пропорциональна активной мощности [см. (1)]:

, где P_x — измеряемая мощность.

Электронные ваттметры, в схему которых включены диоды, обладают невысокой точностью (определяющим является неидентичность характеристик диодов), погрешностью измерения
±(1,5—6)%, малой чувствительностью, большой мощностью потребления, ограниченным частотным диапазоном (до десятков килогерц).

2.2 Измерение мощности с использованием термоэлектрического ваттметра

Частотный диапазон может быть расширен до 1 МГц, если квадратор построить на бесконтактных термопреобразователях. Термоэлектрический ваттметр отличается от выпрямительного тем, что вместо диодов включаются нагреватели бесконтактных термопар, а разность термо-ЭДС на холодных концах, измеряемая магнитоэлектрическим милливольтметром, пропорциональна средней мощности потребления нагрузки.

Термоваттметры используют при измерении мощности в цепях несинусоидальной формой тока и напряжения; при измерении мощности в цепях с большим сдвигом фаз между напряжением и током, при определение частотой погрешности электродинамических ваттметров.

2.3 Измерение мощности с использованием ваттметра с преобразователем Холла

Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, выполненный в виде тонкой полупроводниковой монокристаллической пластины. Токовыми выводами Т—Т преобразователь Холла подключается к внешнему источнику постоянного или
переменного тока, потенциальными выводами X—X (холловскими), между которыми возникает ЭДС в момент, когда на пластину воздействует магнитное поле, — к измерителю напряжения.
Выводы X—X присоединяются к боковым граням в эквипотенциальных точках при отсутствии внешнего магнитного поля. Электродвижущая сила Холла:

где

- коэффициент, значение которого зависит от материала, размеров и формы пластин, а также от температуры окружающей среды и значения магнитного поля; В — магнитная индукция.

Электродвижущая сила Холла будет пропорциональна мощности, если одну из входных величин (например, магнитную индукцию В) сделать пропорциональной напряжению и, а другую (например, ток i_x) — току через нагрузку.

Для реализации ваттметра преобразователь Холла ПХ помещают в зазор электромагнита (рис. 5), намагничивающая катушка L которого питается током, пропорциональным току
нагрузки, а через T-T проходит ток, пропорциональный напряжению, приложенному нагрузке Z_н. Значение тока ограничивается добавочным резистором R_д. Направления магнитных силовых линий вектора индукции В в магнитном поле сердечника магнитопровода показаны на рис. 11.5 пунктирными линиями.

Электродвижущая сила Холла е_х = kui = kp регистрируется магнитоэлектрическим милливольтметром (k – коэффициент пропорциональности).

Рисунок 5 Ваттметр с преобразователем Холла

Ваттметры с преобразователем Холла позволяют измерять мощности в диапазоне частот до сотен мегагерц.

Достоинства этих ваттметров — безынерционность, простота конструкции, долговечность, надежность, а недостаток — зависимость параметров от температуры.

2.4 Измерение мощности с использованием осциллографического метода

К косвенным методам измерения мощности относят и осциллографический метод, который
рекомендуется применять тогда, когда цепь питается напряжением несинусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных источниках напряжения, работе электронных схем в
ключевом режиме, наличии в цепи нелинейных элементов и т.д.

В частности, при работе электронных схем в импульсном режиме посредством осциллографа измеряют мгновенные значения напряжения u(t) и тока i(t) на исследуемом участке схемы за время, равное периоду следования импульсов (особенно тщательно проводят измерения за время нарастания и спада импульса). По полученным данным строят эпюры напряжения и тока. Эпюру мгновенного значения мощности p(t) строят по произведению ординат кривых напряжения u(t) и тока i(t) для каждого момента времени действия импульса.

По кривой мгновенное значений мощности за период определяют максимальное значение мгновенной мощности р_иmах, среднее значение мощности Р и импульсную мощность Р_и.

Значение мощностей Р и Р_и связаны между собой соотношением:

=

Для определения среднего значения мощности Р и импульсной мощности Р_и вычисляют площадь, ограниченную кривой мгновенной мощности за период, и затем строят прямоугольник равной площади. Если основание прямоугольника равно длительности импульса, то его высота представляет собой значение импульсной мощности Р_и, если же основание прямоугольника равно периоду следования импульсов, то высота прямоугольника равна значению средней мощности P.

2.5 Измерение мощности с использованием калориметрического метода

Калориметры используются для измерения высокой мощности преимущественно в метрологических лабораториях. Калориметр состоит из нагрузочного сопротивления в теплоизолирующем корпуса погруженного в жидкость или воздушную среду. Жидкость может быть неподвижной или втекать в калориметр и вытекать из него с известной скоростью. Температуры жидкости на входе и выходе измеряются. Если скорость потока хладагента в [см³/с], d — его плотность в
[г/см³], s — удельная теплоемкость хладагента, T_i— его температура на входе и Т₀— на выходе, то мощность P_i рассеиваемая в калориметре, определяется выражением:

Вт

В калориметрических измерениях применим метод замещения. Например, после выполнения высокочастотных измерений на калориметр подается мощность постоянного тока, дающая ту же разность температур (To—Ti) при тех же условиях охлаждения. Затем мощность постоянного тока измеряется и считается равной мощности высокочастотного сигнала.