Измерение мощности в цепи однофазного синусоидального тока

 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_{и mах}, 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.

  2.6 Балометры.

    Болометр представляет собой мост одно плечо, которого включается балластный резистор или термистор для детектирования, высокочастотной мощности. Балластный резистор представляет собой тонкую проволочку, обычно из платины, с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Проволочка изготовляется очень тонкой и короткой, чтобы поглощение небольшой мощности вызывало существенные 
изменение температуры. Балластный резистор рассчитан в зависимости от смещения на рабочее сопротивление от 50 до 400 Ом, обычно он эффективно работает при 200 Ом. Балластный резистор приходится использовать в режиме, близком к перегоранию проволочки, поэтому он может выйти из строя при 
случайных перегрузках. В настоящее время балластный резистор в значительной степени вытеснен терморезисторами.

  Термистор — полупроводниковый прибор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Для измерения высокочастотной мощности термистор изготовляется в виде маленькой бусинки диаметром 0,5 мм с проволочными выводами диаметром около 0,3 мм (рис. 6). Все сопротивление термистора сосредоточено в бусинке и меняется нелинейно (рис. 7), причем каждому термистору присуща собственная нелинейная характеристика.

Рисунок 6 Конструкция термистора для измерения высокочастотной мощности 

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Термистор монтируется в волноводном или коаксиальном корпусе, совместимом с измерительными линиями, используемыми на ВЧ и СВЧ. Корпус должен обеспечивать согласование с импедансом измерительной линии во всем диапазоне рабочих 
частот. Активные и емкостные потери должны быть малы, чтобы большая часть мощности ВЧ рассеивалась в термисторе. Он должен также обладать хорошими изолирующими свойствами, чтобы предотвратить утечки из термистора, обеспечить устойчивость к ударам и вибрациям и экранирование от помех.

  На рис. 8 показана коаксиальная термисторная схема, которая используется с приборами Н.Р.478А. Четыре согласованных термистора устанавливаются в теплопроводящем корпусе. Мощность ВЧ рассеивается в паре термисторов R_m, которая последовательно соединена с мостом, предназначенным для НЧ-измерений (зажим А). Для измерений ВЧ-сигнала эти два термистора соединяются параллельно, поскольку конденсатор С₂ — развязывающий. Меняя смещение, устанавливают для каждого термистора сопротивление 100 Ом, так что входное сопротивление для ВЧ-сигнала равно 50 Ом. Конденсатор C₁ обеспечивает связь на ВЧ.

 Рисунок 8 Термисторная головка измерителя ВЧ-мощности

 Пара  термисторов Rc применяется для компенсации  температурных вариаций. На них подается смещение от отдельного моста на клемму В, что обеспечивает их сопротивление по 100 Ом. Терморезисторы Rc электрически изолированы от ВЧ сигнала, но смонтированы в том же теплопроводящем корпусе, что и термисторы Rm  Термисторный пробник, показанный на рис. 8, сконструирован в коаксиальном корпусе для измерений в диапазоне частот 10 МГц — 10 ГГц с максимальным коэффициентом отражения 0,2.

 Для измерения изменений сопротивления  балластного резистора или термистора и последующего расчета высокочастотной мощности можно использовать мост Уитстона. Абсолютные измерения изменений сопротивления не практикуются, поскольку и сопротивление, и коэффициент отражения зависят от высокочастотной мощности. Это ограничивает диапазон прибора примерно до 2 мВт. Поэтому для измерения высокочастотной мощности применяют другие методы. В методе уравновешивания моста на него подают постоянное или низкочастотное смещение отсутствие высокочастотного излучения на входе. Мост уравновешивается, затем на него подается высокочастотная мощность, которая нагревает датчик и нарушает равновесие моста. Постоянное смещение уменьшается с целью вернуть сопротивление к его первоначальному значению и уравновесить мост. Затем измеряют уменьшение мощности постоянного смещения, которое равно высокочастотной мощности.

   На рис. 9 показана другая схема моста, содержащая два термистора. Термисторы R₃ и R₄ нагревательные резисторы R_h согласованы. Любое нарушение равновесия моста регистрируется и результирующий сигнал подается на R₄, чтобы вернуть мост в равновесие.

Рисунок 9 Упрощенная схема термисторного моста для измерения мощности 

Индикатор мощности регистрирует мощность, соответствующую разбалансировке моста, которая равна мощности высокочастотного излучения.

  Современный прибор для измерения мощности, например Н.Р.432А, схема которого представлена на рис. 10, содержит два моста и пробник того же типа, что и на рис. 8. Напряжения постоянного смещения V_rf и V_c служат для поддержания моста в равновесии. Изменение сопротивления любого из термисторов нарушает равновесие моста, которое автоматически компенсируется, чтобы привести сопротивление к исходному значению Вовремя калибровки V_с делается равным V_rf в отсутствие высокочастотной мощности на входе. Если теперь подать на прибор высокочастотную мощность Р_г, можно' показать, что значение этой мощности определяется выражением (2.1) и регистрируется 
прибором:

  

(2.1)

Здесь R — сопротивление термистора в равновесии.

  Преимущество болометра на основе термистора состоит в том, что он работает при высоком уровне сигнала и поэтому не требует специальной экранировки в производственных условиях. 
В приборе используется фундаментальное предположение, что одинаковые уровни высокочастотной и постоянной мощности вызывают одинаковый нагрев в термисторе

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 10 Прибор для измерения мощности типа Н.Р.432А

3. Измерение импульсной  мощности

Для измерения  мощности, поступающей в виде импульсов, необходимы четыре метода: метод измерения  средней мощности с учетом коэффициента заполнения; метод сравнения с мощностью на постоянном токе; интегрально-дифференциальный метод и метод дискретизации с запоминанием отсчета. 

3.1 Метод измерения  средней мощности  с учетом коэффициента  заполнения.

 Этот метод проиллюстрирован на рис. 11. Высокочастотный сигнал от генератора импульсов подается через направленный ответвитель к оконечной нагрузке. К направленному ответвителю подключается прибор, который измеряет среднюю мощность последовательности импульсов. Затем он заменяется прибором, измеряющим длительность и частоту повторения импульсов, что позволяет определить коэффициент заполнения.

Рисунок 11 Метод измерения импульсной мощности путём усреднения с учётом коэффициента заполнения. 

 3.2 Метод сравнения  с мощностью постоянного тока.

 Этот  метод проиллюстрирован на рис. 12. Входной  высокочастотный импульс расщепляется в делителе мощности. Часть мощности импульса поступает в диодный  пиковый детектор, который вырабатывает постоянный сигнал, пропорциональный максимальному значению высокочастотного импульса. Импульс выводится на экран осциллографа. На диод в детекторе подается прямое смещение, которое переводит его рабочую точку в область требуемых импедансов, чтобы отклик на детектируемую мощность стал почти линейным.

 Напряжение с выхода диода поступает на один из входов механического прерывателя. На другой его вход подается регулируемое постоянное напряжение. При правильной синхронизации оба сигнала видны на экране осциллографа. Вначале до прихода импульса обе кривые на экране сливаются на нулевом уровне. Регулятор установки нуля на передней панели прибора позволяет эффективно регулировать уровень постоянного смещения на видеовыходе, а также компенсировать долговременный дрейф диода.