Измерение мощности в цепи однофазного синусоидального тока

 При проведении измерений на вход поступает  высокочастотный импульс, и уровень  опорного постоянного напряжения регулируется до совмещения с максимумом импульса. Это значение регистрируется прибором на постоянном токе, который прокалиброван в единицах мощности. Для калибровки на вход подключается источник непрерывного высокочастотного сигнала, а оконечная нагрузка заменяется измерителем непрерывной мощности. Теперь можно прокалибровать выход диодного детектора путем сравнения с показаниями измерителя непрерывной мощности.

 Метод сравнения с мощностью постоянного  тока пригоден для измерений импульсной мощности в диапазоне 50 МГц — 2 ГГц при максимальной длительности импульса 0,25 мкс. Точность измерений лучше, чем ± 1 дБ при частоте повторения импульсов до 2 МГц.

Рисунок 12 Блок-схема измерения мощности на высоких частотах 
 
 
 

4. Цифровые  измерители мощности

     В цифровом измерительном приборе  показания представляются в виде дискретных чисел на отсчетном устройстве. Преимущества такого представления связаны с уменьшением субъективных ошибок при снятии отсчетов, отсутствием ошибок из-за параллакса и ускорением считывания. Цифровые измерительные приборы содержат встроенные электронные схемы, обычно микропроцессоры, которые позволяют подсоединить дополнительные устройства. Например, некоторые приборы снабжены программой,   которая   позволяет   выполнять основные   вычисления, в частности линеаризовать показания прибора и выводить их на дисплей.

     Некоторые приборы содержат различные диагностические устройства, что уменьшает время устранения отказов. Кроме того, большинство современных стендовых приборов имеет внутренние приспособления для калибровка. Калибровка осуществляется с пульта прибора, а значения параметров хранятся в долговременной памяти. В последующие отсчеты вносятся поправки с учетом этих параметров. Многие цифровые приборы снабжены также шиной интерфейса, например типа IEE 488, и могут благодаря этому работать как части больших измерительных систем.

   Параметры   типичного   универсального   цифрового   измерительного прибора таковы:

• диапазон  входных  величин;   20  мВ—1   кВ,   0,2   мА — 2 А, 200 мОм — 10 МОм;
• абсолютная   погрешность  0,001—0,5%   от   верхнего  предела измерений;
• стабильность 0,002%   (за сутки) и 0,008%   (за 6 месяцев) от верхнего предела измерений;
• разрешение 10 г>;
• входные   характеристики:   сопротивление   10   МОм,   емкость 40 ПФ;
• время выполнения операции 2 мс — 1 с;  частота  (для переменного напряжения)  100 кГц—1  МГц,

   Обычно  крупные приборы могут выбирать необходимый диапазон   входной   величины   автоматически.   Небольшие   приборы, как правило имеют индикатор перегрузки, который напоминает оператору о необходимости переключения диапазона. Приборы высокой точности должны иметь входное сопротивление порядка 10 ГОм, чтобы не нагружать измеряемую схему. Время выполнения операции обычно определяется используемым АЦП и включает время восстановления после перегрузки. Разрешение определяет минимальное напряжение, которое может быть зарегистрировано. Например, разрешение 10 ^-6 означает, что в диапазоне входных напряжений до 1 В можно зарегистрировать 1 мкВ. Во всех цифровых приборах используются основные схемы преобразователей ЦАП и АЦП. Например, на рис. 13 представлена блок-схема типичного цифрового вольтметра.

   

   Рисунок 13 Блок-схема типичного цифрового вольтметра. 

   Входное напряжение ослабляется, а затем  подается на усилитель с фиксированным  коэффициентом усиления. Ослабление меняется вручную или автоматически, как показано на рис. 13, так что на выходе усилителя сигнал всегда находится в заданном диапазоне. Выходной сигнал сравнивается со ступенчатым сигналом от ЦАП, и когда оба сигнала равны, генератор синхроимпульсов блокируется и передает цифровое значение аналогового   напряжения  сигнала   в декадные счетчики. Частота синхроимпульсов составляет около5 кГц. Генератор тактовых импульсов работает значительно медленнее, с частотой около 2Гц, и передает информацию от счетчиков на дисплей, а затем производит сброс в исходное состояние. Эта схема применяется в приборах общего назначения

Примеры цифровых измерителей  мощности:

Цифровой измеритель мощности и КСВ DPM-5000

Цифровой  измеритель мощности DPM-5000 представляет собой современный комплексный  измерительный прибор, обеспечивающий измерения передаваемой и отраженной мощности, измерения КСВ и эффективности приемо-передающего тракта. Прибор выполнен в соответствии с последними достижениями инженерной мысли и дизайна и всех современных требований, предъявляемых к этому классу приборов.

Основные  возможности:

• Измерения передаваемой и отраженной мощности;
• Анализ КСВ, возвратных потерь и эффективности тракта;
• Отображение на одном экране передаваемой и отраженной мощности в цифровом виде;
• Гибкое переключение режимов;
• Выносная измерительная головка 5010
• Широкий выбор специализированных измерительных элементов.

Удобное отображение данных:

Прибор  обеспечивает отображение данных в  «прямом» и «обратном» направлениях. При этом выбор типа представляемых данных осуществляется независимо. Так, например, можно одновременно отображать уровень передаваемой мощности и КСВ в обратном направлении.

     

   Удобным также является установки масштаба отображаемых величин, которые также  устанавливаются независимо для  каждого направления.

   Выносная  измерительная головка:

   Вторым  несомненным удобством прибора является наличие выносной измерительной головки, которая соединяется с прибором кабелем передачи данных. 

           

   В качестве измерительной головки используется описанная нижг головка 5010 с устанавливаемыми двумя измерительными элементами, соответствующими «прямому» и «обратному» направлениям.

   Меняя измерительные элементы, можно настроить  измерительную головку на необходимый  диапазон мощностей и частот. 
 

   Выносная  измерительная головка 5010B и сенсорные элементы серии DPM

   

   Назначение:

   Измерительная головка 5010B предназначена для использования совместно с семейством Site Analyzer или прибором DPM-5000EX. С одной стороны она включается в разрыв фидерного тракта (типы разъёмов выбираются при заказе), с другой стороны 5010B подключается к измерительному прибору (соединительный кабель входит в стандартный комплект поставки). Для измерения мощности сигнала стандарта TETRA, компанией BIRD разработана специальная выносная измерительная головка 5010T.

   В измерительную головку вставляются  сенсорные элементы, один из которых измеряет прямую мощность, а другой отраженную. Компания Bird выпускает целый ряд сенсорных элементов семейства DPM для различных мощностей и частот исследуемого сигнала.

   С помощью анализатора, подключенного  к фидерному тракту, строится частотный отклик линии в виде зависимости КСВ от частоты.

Терминальный  датчик мощности 5011

      

   Работает  в частотном диапазоне от 40МГц  до 4ГГц (40МГц - 12ГГц для модели 5011EF). Предназначен для совместной работы с измерителями серии SiteAnalyzer и прибором DPM-5000EX в качестве терминального устройства. Он позволяет точно измерять мощность различных сигналов, как с цифровой, так и с аналоговой модуляцией в диапазоне от 10 мкВт до 10 мВт (-20...+10 дБм). Опциональные фиксированные аттенюаторы (30 дБ, 40 дБ) позволяют увеличить верхний порог измеряемой мощности до 50 Вт.

   Входной импеданс 50 Ом. Рабочие температуры  от -10° до +50°С. Коннектор N-типа. Типовое значение КСВ 1.33 (36.6 дБ возвратные потери).

   Широкополосный  измерительный датчик 5012

   

   Широкополосный измерительный датчик 5012 применяется для измерения мощности в разрыве антенно-фидерного тракта. Он может использоваться как совместно с анализаторами семейства SiteAnalyzer или DPM-5000EX, так и подключаться напрямую к персональному компьютеру (ноутбуку). В последнем случае для работы датчика необходимо опциональное программное обеспечение Virtual Power Meter Software.

   Датчик 5012 работает в диапазоне частот от 350 МГц до 4ГГц и идеально подходит для измерения мощности цифровых сигналов. 

   Технические характеристики датчика 5012:

• Диапазон рабочих частот, МГц: 350...4000
• Диапазон измеряемых мощностей: 0,15Вт-15Вт (средняя), 400Вт (пиковая)
• Тип входных разъемов: N (розетка) Импеданс: 50 Ом (номинально)
• Вносимые потери: <0.05 дБ до 1 ГГц, <0.1 дБ от 1 ГГц до 4.0 ГГц
• Вносимый КСВ: 1.05 до 2.5 ГГц, 1.10 от 2.5 до 4.0 ГГц
• Сопротивление к механической вибрации: MIL-PRF-28800F class 3
• Диапазон рабочих температур: -10 ... +50°C
• Масса: 0,5 кг

  5. Индукционные счетчики электрической энергии переменного тока

  В настоящее время для измерений  широко применяются индукционные счетчики электрической энергии переменного тока.

  Индукционные  счетчики электрической  энергии переменного  тока. На рис. 14 в упрощенном виде показано устройство индукционного счетчика. Он состоит из двух электромагнитов 1 и 5, сердечники которых набраны из тонких листов электротехнической стали, алюминиевого диска 3, закрепленного на оси подвижной части, постоянного магнита 4, счетного механизма 2 и других узлов.

  

  

 
 
 
 
 
 
 
 

  Рисунок 14 Устройство индукционного счетчика и схема его включения в цепь 

  Рассмотрим  более подробно распределение магнитных  потоков в индукционном счетчике (рис. 15, а).

  

                                          а                                               б

  Рисунок 15. Индукционный счетчик: а — схема; б — векторная диаграмма

  Трехстержневой  электромагнит f имеет обмотку из тонкого медного провода с числом витков порядка 8-12 тысяч, включенную параллельно нагрузке. При прохождении по обмотке тока I_v создается магнитный поток Ф_и, который в ниж ней части среднего сердечника разветвляется на рабочий поток Ф_р и нерабочий, или вспомогательный, поток Ф_в. Рабочий поток Ф_р пронизывает диск 2, индуцируя в нем вихревые токи, и замыкается через стальной противополюс 3. Нерабочий поток Ф_в не пересекает диск, а замыкается через боковые стержни сердечника 1. Он не принимает непосредственного участия в создании вращающего момента и служит для получения необходимого сдвига фаз между потоком Ф_р и напряжением сети U. Обмотка сердечника 1 из-за большого числа витков обладает значительной индуктивностью, и ток в ней I_y отстает от напряжения U на угол, близкий к 90°. Нерабочий поток Ф_в вызывает в сердечнике I незначительные потери, поэтому он отстает от тока I_y на небольшой угол (1-2°), Рабочий поток Ф_р отстает от этого же тока на существенно больший угол (20-25°), поскольку, кроме потерь в стали, имеются активные потери в алюминиевом дискет Поток Ф_и является геометрической суммой потоков Ф_р и Ф_в.

  П-образный электромагнит 4 имеет обмотку с небольшим числом витков, выполненную из медного сравнительно толстого провода и включенную последовательно с нагрузкой цепи Z. По этой обмотке проходит ток нагрузки /, который при ее активно-индуктивном характере (наиболее часто встречающийся характер нагрузки) отстает от напряжения U на угол φ (рис. 15, 6). Ток Iсоздает магнитный поток Ф_I, который отстает от тока /на угол а (порядка 5-15°) из-за наличия потерь в стали электромагнита. Поток Ф_I дважды пересекает диск 2 (рис. 15, с), индуцируя в нем вихревые токи, которые, согласно закону электромагнитной индукции, отстают по фазе от потока на угол 90° (сопротивление диска считается чисто активным).

  Дальнейший  анализ работы индукционного счетчика показывает, что значение вращающего момента зависит от взаимодействия магнитных потоков Ф_I и Ф_р и от угла сдвига фаз между ними у и вычисляется согласно выражению

  

(5.1)