9zip.ru Инструкции Измерение мощности

В случае присоединения нагрузки к источнику мощности через линию передачи, волновое сопротивление которой отличается от полного сопротивления нагрузки, происходит отражение электромагнитной волны от нагрузки, и в линии возникают стоячие волны тока и напряжения. Мощность, поступающая в линию и поглощаемая в заданной нагрузке (для простоты считаем линию без потерь), будет в этом случае зависеть от электрической длины линии (т.е. от соотношения между геометрической длиной линии и длиной волны колебаний, происходящих в линии). Если полное сопротивление нагрузки, включённой на конце линии, пересчитать в плоскость, в которой расположены зажимы генератора, то задача приводится к рассмотренному выше случаю и условие получения максимальной мощности в нагрузке не отличается от приведённого выше, а именно полное сопротивление, наблюдаемое с зажимов генератора в сторону нагрузки, должно быть сопряженным с полным внутренним сопротивлением генератора и линия должна быть без потерь.

Таким образом, в общем случае, когда полные сопротивления генератора и нагрузки комплексны и линия не имеет потерь, передача максимальной мощности в нагрузку будет происходить при наличии стоячих волн в линии. Последнее приводит к повышению требований в отношении электрической прочности линий, в особенности, если требуется передавать значительную мощность или если сечение линии невелико. Кроме того, при наличии линии передачи сопряжённое согласование генератора и нагрузки весьма чувствительно к изменению частоты генератора.

При длинных же линиях передачи, потерями в которых пренебречь нельзя, не вся мощность, отбираемая от генератора, поглощается в нагрузке; часть её теряется в линии, и тем большая, чем меньше коэффициент бегущей волны в линии.

Чтобы избежать отражений и тем самым образования стоячей волны в линии, прибегают к виду согласования, согласно которому два полных сопротивления Z1 иZ2 считаются согласованными, если выполнено условие Z1=Z2.

Это — так называемое «равное» согласование. Чтобы устранить отражения в системе генератор — линия — нагрузка и получить максимальную мощность в нагрузке, нужно согласовать с линией как нагрузку, так и генератор. В области свч, где вопросы подобного согласования особенно актуальны, генераторы обычно имеют стандартное выходное сопротивление, равное волновому сопротивлению стандартных фидерных (коаксиальных) линий и волноводов. В таком случае остаётся лишь согласовать нагрузку с волновым сопротивлением линии. Если такое согласование выполнено, то эквивалентное сопротивление, на которое оказывается нагруженным генератор, равно волновому сопротивлению линии (или, иначе, выходному сопротивлению генератора) и мощность, выделяющаяся в нагрузке, будет максимальной.

Мощность переменного тока можно определить косвенным путём, сведя всё к измерению U, I и Z при условии выявления активной и реактивной составляющих Z (иначе говоря, определения cos фи) или к измерению U или I и активного сопротивления нагрузки в случае сопряжённого согласования. Таким косвенным методом измерения мощности пользуются на звуковых и радиочастотах в том диапазоне их (примерно до 100 Мгц), в котором измерение напряжения и тока не представляет больших трудностей.

На очень высоких частотах мощность определяют путём превращения её в тепло.

Тепловые методы измерения мощности пригодны на любых частотах, но практически широко применяются лишь на очень высоких частотах. Приводимые ниже описания тепловых методов измерения мощности относятся к диапазону сантиметровых, дециметровых и отчасти метровых волн.

К измерителям мощности, построенным на использовании теплового метода, относятся калориметрический, фотометрический, болометрический и термисторный измерители.

Ведётся успешная работа и области измерения мощности путём использования механического действия электромагнитного поля и эффекта Холла в полупроводниках. Хотя ваттметры этих типов разработаны ещё недостаточна и применяются редко, есть основания полагать, что в последующем подобные ваттметры найдут широкое применение, в особенности в области сверхвысоких частот.

По своему назначению ваттметры можно разбить на две группы: а) ваттметры поглощающего типа; б) ваттметры для измерения проходящей мощности. Наиболее распространены ваттметры поглощающего типа. Они применяются в тех случаях, когда желательно измерить мощность в нагрузке, согласованной с линией передачи или с источником мощности. В этом случае нагрузкой является сам ваттметр, измеряющий мощность, им же поглощаемую.

Ваттметры второй группы применяются в тех случаях, когда нужно измерить мощность в линиях передачи, работающих на произвольную нагрузку В этом случае сам ваттметр поглощает лишь незначительную часть мощности, проходящей по линии передачи. По пределам измерений ваттметры можно ориентировочно разделить на измерители: большой (10 — 10^7 вт), средней (0,1 — 10 вт) и малой (10^-1 - 10^-16вт) мощностей.

По точности измерений ваттметры разделяются на ваттметры высокой точности (погрешность менее 5%) и ваттметры средней точности (погрешность до 25%).

Схема ваттметра поглощающего типа должна содержать следующие элементы 1) нагрузочное сопротивление, включаемое в цепь исследуемого источника мощности взамен реальной нагрузки, на которую нормально работает этот источник, 2) устройство, позволяющее определить мощность, выделяющуюся в нагрузочном сопротивлении.

Эта мощность наиболее часто определяется а) тепловыми методами, при которых используется тепло, развиваемое в нагрузочном сопротивлении, или б) методами измерения напряжения (или тока) на нагрузочном сопротивлении.

Калориметрический метод. Ввиду сложности и громоздкости он используется, главным образом, в области очень коротких волн (сантиметровых, дециметровых, метровых) для измерения больших мощностей — примерно от 1 до 1000 вт с погрешностью порядка 3—5%.

Разработано значительное число вариантов калориметрического метода измерения мощности, различающихся как видом нагрузочного сопротивления, так и способами определения тепла, выделяемого в нём. В радиоизмерительной практике наибольшее распространение получили калориметры с проточной водой (циркуляцяонные), которая используется как рассеивающая или как охлаждающая среда. Принцип работы калориметра, в котором поток воды используется как охлаждающая среда, прост. Нагрузочное сопротивление Rн обтекается водой, температура которой вследствие этого повышается. Измерив после установления теплового равновесия объём воды, протекающей за секунду (что выполняется с помощью специальных водомеров), и перепад температур воды, можно определить среднюю мощность Р, поглощаемую нагрузкой.

В зависимости от системы ввода воды циркуляционные калориметры можно разбить на открытые и замкнутые. В открытой системе вода поступает из водопроводной сети в водонапорный бак, всегда заполненный водой и обеспечивающий постоянную скорость воды. Отсюда вода поступает в калориметр и затем выводится в сточную трубу. В замкнутом калориметре одна и та же масса воды перегоняется вдоль системы насосом, а охлаждающие устройства приводят воду к температуре окружающей среды до повторного поступления воды в калориметр. Замкнутый калориметрический измеритель мощности конструктивно более сложен, но он более независим и даёт возможность использовать в качестве охлаждающей жидкости не только воду.

Калориметр должен быть выполнен так, чтобы вода нагревалась равномерно и чтобы, по возможности, отсутствовали потери тепла в окружающее пространство. Так как эти потери пропорциональны разности между средней температурой воды и температурой окружающего пространства, то желательно работать с наименьшим перепадом температур. С этой целью скорость протекания воды выбирается так, чтобы перепад температур составлял примерно 1—2°С.

Как указывалось выше, нагрузочное сопротивление Rн должно быть возможно лучше согласовано с линией передачи и выполнено так, чтобы допустимая мощность рассеивания на нём была не меньше максимальной мощности, отдаваемой генератором. На относительно длинных волнах нагрузочное сопротивление можно выполнять в виде проволочного или угольного сопротивления.

На сантиметровых волнах используют воду как рассеивающую среду, применяя так называемые водяные нагрузки, конструирование которых основано на том, что на этих волнах диэлектрические потери в самой воде весьма значительны. Так, например, при длине волны 10 см диэлектрические потери в дистиллированной воде характеризуются «0,1. Добавляя в воду соли, можно увеличить угол потерь. Однако, если часть волновода, через который передаётся измеряемая мощность, просто заполнить водой, то вследствие весьма значительной диэлектрической проницаемости воды будет иметь место сильное отражение энергии. Поэтому приходится производить согласование нагрузки с волноводом.

Пример схемы калориметрического ваттметра для прямоугольного волновода при колебаниях типа Н10. Нагрузкой является отрезок волновода длиной l1, заполняемый водой, входящей через трубку и выходящей через трубку. Диэлектричеокая перегородка изолирует указанный отрезок волновода от остальной его части и вместе с тем является четвертьволновым трансформатором, согласующим сопротивление нагрузки с волновым сопротивлением волновода. Для осуществления согласования толщина диэлектрической перегородки должна быть равна lд/4 где lд —длина волны в волноводе, заполненном диэлектриком, из которого изготовлена перегородка; волновое сопротивление волновода на участке, занимаемом перегородкой, должно быть равно Wд=SQR(WoWn) где Wн — волновое сопротивление волновода на участке, занимаемом водой. Длина отрезка волновода, заполненного водой, берётся равной нескольким длинам волны, чтобы обеспечить полный переход поглощаемой электромагнитной энергии в тепло.

Недостатки калориметра с подобной нагрузкой заключаются в узкополосности устройства, неравномерности нагревания воды вдоль нагрузочного сопротивления и значительной потере тепла из-за теплопроводности стенок волновода.

Помимо описанного выше способа согласования водяной нагрузки с волновым сопротивлением волновода, возможны и другие способы; в частности, можно применять водяные нагрузки переменного сечения (полые клинья), что даёт возможность осуществлять согласование в более широком диапазоне частот и притом без согласующих диэлектрических перегородок. Кроме того, в таких нагрузках происходит более равномерное нагревание воды. Примером такой нагрузки может служить полый клин из полиэтилена, заполняемый водой.

На дециметровых волнах размеры водяной нагрузки становятся недопустимо большими, и поэтому нагрузочные сопротивления изготовляют из диэлектриков с угольным наполнителем.

Пример схемы калориметрического ваттметра для дециметровых волн может быть таким. Rн — нагрузка, представляющая собой слой сопротивления, нанесённый на тонкий диэлектрик с конической поверхностью, образующая которой изменяется по экспоненциальному закону. Такая форма сопротивления при соответствующем выборе его размеров обеспечивает хорошее согласование его с волновым сопротивлением линии в довольно широкой полосе частот.

Во внутреннюю полость сопротивления через трубку подаётся вода, выходящая затем через другую трубку. Температура воды на входе и выходе измеряется термометрами или при помощи ряда термопар, устанавливаемых на входе и выходе потока воды так, что соседние термопары включены навстречу друг другу. В таком случае показания гальванометра Г пропорциональны разности температур Твых — Твх. Подобные способы измерения температур воды на входе и выходе применяются и в описанных выше калориметрах.

Рассмотренные выше схемы калориметров дают возможность определить измеряемую мощность 1) расчётным путём по расходу воды и перепаду её температуры; 2) непосредственно по шкале (отградуированной в единицах мощности) измерителя
разности температур воды на входе и выходе калориметра, если скорость протекания воды неизменна. Последние калориметры представляют собой ваттметры с непосредственным отсчётом.

Значительно более точные результаты будут получены, если измеряемую мощность высокой частоты замещать или сравнивать с равной ей мощностью постоянного или 50-периодного тока. Пример схемы такого измерения следующий. Термочувствительные сопротивления, погруженны в поток воды и соединённы по схеме моста, который уравновешивается при температуре воды, равной температуре окружающего воздуха. Через подогреватель, помещённый в другой такой же, как основной, калориметр, расположенный так, чтобы приходящая к нему вода успевала охлаждаться до окружающей температуры, можно пропускать постоянный или 50-периодный ток. При подаче энергии высокой частоты температура сопротивления повысится, и мост разбалансируется. Регулируя величину тока в подогревателе, можно добиться того, что разность температур воды на выходе и входе второго калориметра будет равна разности температур воды первого калориметра. При этом условии мост будет уравновешен и количество тепла, выделяемое мощностью высокой частоты в водяной нагрузке, будет равно количеству тепла, выделяемому в подогревателе постоянным или 50-периодным током. Амперметр можно проградуировать непосредственно в единицах мощности.

Калориметрический метод, как и все тепловые методы, даёт возможность измерять среднюю мощность. При определении импульсной мощности следует производить пересчёт. Калориметрическими ваттметрами можно измерять импульсную мощность до 10000 квт при коэффициенте заполнения порядка 0,0001.

Достоинства калориметрических ваттметров: высокая точность измерения; возможность градуировки по постоянному или 50-периодному току, возможность использования на самых высоких частотах и для любых видов линий передачи. Поэтому калориметрические ваттметры применяются и для градуировки ваттметров других типов.

Недостатки калориметрических ваттметров: медленно устанавливается указатель отсчёта, вследствие чего необходимо значительное время для производства измерения; громоздкость и сложность конструкции прибора.

Погрешности калориметрических ваттметров с непосредственным отсчётом обусловлены следующими основными причинами: неточностью измерения разности температур входящей и выходящей воды и скорости протекания воды; несовершенством согласования нагрузки с линией передачи; потерями, обусловленными несовершенством теплоизоляции и тепловым излучением. В хороших калориметрических ваттметрах погрешность составляет величину порядка 3—4%.

Фотометрический метод. Принцип фотометрического метода измерения мощности высокой частоты заключается в том, что яркость свечения специальной лампы накаливания, используемой в качестве нагрузочного сопротивления, служит мерой мощности.
В качестве индикатора яркости свечения обычно используется расположенный перед лампой фотоэлемент с внутренним фотоэффектом и магнитоэлектрический гальванометр.

Пример схемы фотометрического ваттметра может быть таким: ЛН — лампа накаливания с прямолинейной тонкой вольфрамовой нитью, включённая в отрезок коаксиальной линии.
Стеклянный баллон лампы заполняют водородом, чтобы повысить допустимую мощность рассеяния. Длину нити выбирают в 8—10 раз меньше самой короткой волны, на которую рассчитан ваттметр. Один конец линии замыкается накоротко при помощи передвижного поршня, другой её конец соединяется с телескопической линией К дающей возможность изменять общую длину линии. Поршень и раздвижная линия К являются элементами, с помощью которых сопротивление лампы накаливания трансформируется так, что входное сопротивление ваттметра оказывается равным выходному сопротивлению источника мощности. В стенке линии против лампы накаливания сделано отверстие О, через которое световое излучение лампы действует на фотоэлемент Ф. Перед последним устанавливают светофильтр С из стекла, слабо пропускающего инфракрасные лучи и устраняющего тепловое воздействие лампы на фотоэлемент.

Измеряемую мощность определяют одним из следующих способов 1) по градуировке гальванометра фотоэлемента, произведённой в единицах мощности, рассеиваемой в лампе при питании её постоянным или 50-периодным током, 2) заменой мощности высокой частоты мощностью постоянного или 50-периодного тока. Регулируя последнюю, добиваются такого же отклонения стрелки гальванометра, какое получалось под действием высокочастотной мощности. Измеряемая мощность высокой частоты равна мощности постоянного или 50-периодного тока, которую нетрудно измерить обычными методами. Этот способ измерения мощности даёт более точные результаты, чем первый.

Фотометрические ваттметры используются для измерения мощности от десятых долей ватта до 100—150 вт, главным образом, в диапазоне дециметровых волн (примерно до 10—8 см).

Достоинства фотометрического метода: отсутствие непосредственной связи индикатора с цепью высокой частоты, возможность градуировки или сравнения показаний ваттметра с мощностью постоянного или 50-периодного тока; относительная простота конструкции.

Недостатки метода: зависимость входного сопротивления, точности и чувствительности ваттметра от величины измеряемой мощности; снижение со временем чувствительности фотоэлемента.

Погрешность измерения фотометрических ваттметров составляет примерно ±10 —15%.

Болометрический и термисторный методы. Принцип болометрического и термисторного методов измерения мощности: три плеча моста образованы равными сопротивлениями R, а четвертое - термочувствительным сопротивлением Rт. Емкости С и дроссели Др разделяют цепи высокой частоты и постоянного тока. С помощью сопротивления R1 постоянный ток, питающий мост, подбирается так, чтобы мощность, выделяющаяся в сопротивлении Rт, обусловила такой нагрев его, при котором Rт = R. В этом случае мост будет уравновешен. Если теперь к зажимам А—Б подвести энергию высокой частоты, то мощность, поглощаемая сопротивлением Rт, возрастёт, в связи с чем нарушится равновесие моста. Величина отклонения стрелки гальванометра Г зависит от величины мощности высокой частоты, поглощаемой в сопротивлении Описанным мостом можно измерять и весьма слабые токи высокой частоты, определяемые по величине сопротивления Rт и измеренной мощности Р.

Описанный принцип измерения мощности можно использовать в любом диапазоне частот. Однако практически он широко применяется в области дециметровых и сантиметровых волн для измерения мощности от долей микроватт до долей ватт. В качестве термочувствительных сопротивлений при измерении мощности применяются болометр и термистор.

Болометр представляет собой весьма тонкую платиновую или вольфрамовую нить, запаянную в стеклянный баллон и снабжённую выводами. Диаметр вольфрамовой нити обычно равен 10—15мк, диаметр платиновых нитей доходит до 1,5 мк. Нить и выводы от неё делаются прямолинейными, что облегчает включение болометра в коаксиальную линию и в волновод. Стеклянный баллон вакууммируется или наполняется водородом или аргоном, что повышает допустимую мощность рассеяния в нити. Другим видом болометров является так называемый плёночный болометр, образуемый тонкой металлической плёнкой, осаждённой на подложке из стекла или слюды. Преимущества его: 1) сопротивление, близкое к волновому сопротивлению линии передачи, можно получить, не применяя очень тонкие проволоки; 2) придавая ему форму и .размеры, соответствующие форме и размерам линии передачи, можно устанавливать его в тракте высокой частоты, не прибегая к согласующим устройствам; 3) вследствие малой толщины плёнки сопротивление болометра даже на миллиметровых волнах остается равным сопротивлению на постоянном токе.

Болометры являются термочувствительными сопротивлениями с положительным температурным коэффициентом.

Термистор представляет собой полупроводник, которому обычно придают форму шарика (бусинки) или диска и который состоит из смеси окиси никеля, марганца, кобальта, железа, цинка и др. Бусинковый термистор представляет собой шарик диаметром меньше 1 мм (до 0,2 мм), закреплённый между двумя проволоками. После термической обработки шарик часто покрывают стеклянной плёнкой Проволоки приваривают к более толстым проводам диаметром 0,5—0,7 мм. Иногда бусинку запаивают в стеклянный баллон.

Дисковый термистор имеет форму диска, выполненного из полупроводника и помещенного между двумя металлическими пластинками. Такой термистор имеет сравнительно большую массу, и сопротивление его зависит, главным образом, от окружающей температуры, а не от величины тока, проходящего через него. Поэтому дисковые термисторы используются не для измерения мощности, а для компенсации влияния температуры на работу моста с бусинковым термистором.

Термисторы представляют собой термочувствительные сопротивления с отрицательным температурным коэффициентом.
лее широких пределах, чем у болометра, 2) чувствительность термистора заметно больше, чем у болометра Например, у термистора в рабочем диапазоне сопротивлений от 100 до 300 ом она лежит в пределах от 10 до 100 ом/мвт, а у болометра при рабочем сопротивлении порядка 200 ом она равна примерно 4,5 ом/мвт.

Термистор обладает также большей механической прочностью и способен выдерживать большие перегрузки, имеет малые размеры и больший срок службы, чем болометр Термисторы характеризуются большой инерционностью, вследствие чего автоматически усредняют измеряемую мощность и, следовательно, особенно пригодны для измерения импульсной мощности. Но они менее пригодны для тех измерений мощности, когда необходимо получить быстрый отсчёт

Недостатки термистора: сложность изготовления и сильное влияние температуры окружающей среды на его характеристики. Последнее приводит к необходимости применять термокомпенсацию в термисторных микроваттметрах.

Болометр имеет следующие преимущества перед термистором: относительная простота изготовления; однородность характеристик как по высокой частоте, так и по постоянному току; слабое влияние окружающей температуры на его характеристики, малая инерционность Недостатками болометра, кроме указанных выше, являются: опасность перегрузки и сравнительно большие размеры, что делает затруднительным применение болометра на волнах короче 10 см В настоящее время при измерении мощности менее 10 мвт, в особенности на волнах сантиметрового диапазона, применяются, главным образом, термисторы.

При работе с болометрическим или термисторным ваттметром перед измерением производится уравновешивание моста. В случае ваттметра, это осуществляется сопротивлением. После уравновешивания моста подают энергию высокой частоты в цепь термистора или болометра, предварительно согласованного с волновым сопротивлением питающей линии, и измеряют приращение мощности, рассеиваемой болометром или термистором, относительно той мощности, которая рассеивалась в нем при первоначальном уравновешивании моста на постоянном токе.

Измерение приращения мощности производится различно, в зависимости от того, какой тип моста использован: уравновешенный или неуравновешенный. Неуравновешенный мост характеризуется тем, что его предварительно градуируют, т.е. выясняют зависимость показаний гальванометра от мощности, поглощённой болометром или термистором. Если одинаковые мощности постоянного и высокочастотного токов вызывают одинаковое повышение температуры сопротивления то зависимость показаний гальванометра от величины мощности, поглощаемой сопротивлением, можно выяснить на постоянном токе.

Неуравновешенный мост даёт возможность измерять мощность методом непосредственного отсчёта, что представляет большое удобство с практической точки зрения. Если к тому же выбрать начальное положение рабочей точки на прямолинейном участке характеристики болометра или термистора, то прибор будет иметь линейную шкалу.

Однако, помимо влияния окружающей температуры, сопротивление болометра (или термистора) подобного моста при предварительном уравновешивании и последующей разбалансировке моста оказывается различным, что приводит к рассогласованию ваттметра с линией передачи.

Понравилась статья? Космический пират говорит: поделись с друзьями!