Меню

Средства измерения мощности электрических сигналов



§102. Измерение мощности и электрической энергии

Измерение мощности. В цепях постоянного тока мощность измеряют электро- или ферродинамическим ваттметром. Мощность может быть также подсчитана перемножением значений тока и напряжения, измеренных амперметром и вольтметром.

В цепях однофазного тока измерение мощности может быть осуществлено электродинамическим, ферродинамическим или индукционным ваттметром. Ваттметр 4 (рис. 336) имеет две катушки: токовую 2, которая включается в цепь последовательно, и напряжения 3, которая включается в цепь параллельно.

Ваттметр является прибором, требующим при включении соблюдения правильной полярности, поэтому его генераторные зажимы (зажимы, к которым присоединяют проводники, идущие со стороны источника 1) обозначают звездочками.

Рис. 336. Схема для измерения мощности

Рис. 336. Схема для измерения мощности

Для расширения пределов измерения ваттметров их токовые катушки включают в цепь при помощи шунтов или измерительных трансформаторов тока, а катушки напряжения — через добавочные резисторы или измерительные трансформаторы напряжения.

Измерение электрической энергии. Способ измерения . Для учета электрической энергии, получаемой потребителями или отдаваемой источниками тока, применяют счетчики электрической энергии. Счетчик электрической энергии по принципу своего действия аналогичен ваттметру. Однако в отличие от ваттметров вместо спиральной пружины, создающей противодействующий момент, в счетчиках предусматривают устройство, подобное электромагнитному демпферу, создающее тормозящее усилие, пропорциональное частоте вращения подвижной системы. Поэтому при включении прибора в электрическую цепь возникающий вращающий момент будет вызывать не отклонение подвижной системы на некоторый угол, а вращение ее с определенной частотой.

Число оборотов подвижной части прибора будет пропорционально произведению мощности электрического тока на время, в течение которого он действует, т. е. количеству электрической энергии, проходящей через прибор. Число оборотов счетчика фиксируется счетным механизмом. Передаточное число этого механизма выбирают так, чтобы по показаниям счетчика можно было отсчитывать не обороты, а непосредственно электрическую энергию в киловатт-часах.

Наибольшее распространение получили ферродинамические и индукционные счетчики; первые применяют в цепях постоянного тока, вторые — в цепях переменного тока. Счетчики электрической энергии включают в электрические цепи постоянного и переменного тока так же, как и ваттметры.

Ферродинамический счетчик (рис. 337) устанавливают на э. п. с. постоянного тока. Он имеет две катушки: неподвижную 4 и подвижную 6. Неподвижная токовая катушка 4 разделена на две части, которые охватывают ферромагнитный сердечник 5 (обычно из пермаллоя). Последний позволяет создать в приборе сильное магнитное поле и значительный вращающий момент, обеспечивающий нормальную работу счетчика в условиях тряски и вибраций. Применение пермаллоя способствует уменьшению погрешности счетного механизма 2 от гистерезиса магнитной системы (он имеет весьма узкую петлю гистерезиса).

Чтобы уменьшить влияние внешних магнитных полей на показания счетчика, магнитные потоки отдельных частей токовой катушки имеют взаимно противоположное направление (астатическая система). При этом внешнее поле, ослабляя поток одной части, соответственно усиливает поток другой части и оказывает в целом небольшое влияние на результирующий вращающий момент, создаваемый прибором. Подвижная катушка 6 счетчика (катушка напряжения) расположена на якоре, выполненном в виде диска из изоляционного материала или в виде алюминиевой чаши. Катушка состоит из отдельных секций, соединенных с пластинами коллектора 7 (эти соединения на рис. 337 не показаны), по которому скользят щетки из тонких серебряных пластин.

Ферродинамический счетчик работает принципиально как двигатель постоянного тока, обмотка якоря которого подключена параллельно, а обмотка возбуждения — последовательно с потребителем электроэнергии. Якорь вращается в воздушном зазоре между полюсами сердечника. Тормозной момент создается в результате взаимодействия потока постоянного магнита 1 с вихревыми токами, возникающими в алюминиевом диске 3 при его вращении.

Читайте также:  Радиатор биметаллический рифар 500 мощность

Для компенсации влияния момента трения и уменьшения благодаря этому погрешности прибора в ферродинамических счетчиках устанавливают компенсационную катушку или в магнитном поле неподвижной (токовой) катушки помещают лепесток из пермаллоя, который имеет высокую магнитную проницаемость при малой напряженности поля. При небольших нагрузках этот лепесток усиливает магнитный поток токовой катушки, что приводит к увеличению вращающего момента и компенсации трения. При увеличении нагрузки индукция магнитного поля катушки увеличивается, лепесток насыщается и его компенсирующее действие перестает возрастать.

При работе счетчика на э. п. с. возможны сильные толчки и удары, при которых щетки могут отскакивать от коллекторных пластин. При этом под щетками будет возникать искрение. Для его предотвращения между щетками включают конденсатор С и резистор R1. Компенсация температурной погрешности осуществляется с помощью термистора Rт (полупроводникового прибора, сопротивление которого зависит от температуры). Он включается совместно с добавочным резистором R2 параллельно подвижной катушке. Чтобы уменьшить влияние тряски и вибраций на работу счетчиков, их устанавливают на э. п. с. на резинометаллических амортизаторах.

Индукционный счетчик имеет два электромагнита (рис. 338,а), между которыми расположен алюминиевый диск 7. Вращающий момент в приборе создается в результате взаимодействия переменных магнитных потоков Ф1 и Ф2, созданных катушками электромагнитов, с вихревыми токами Iв1 и Iв2, индуцируемыми ими в алюминиевом диске (так же, как и в обычном индукционном измерительном механизме, см. § 99).

В индукционном счетчике вращающий момент М должен быть пропорционален мощности P=UIcos?. Для этого катушку 6 одного из электромагнитов (токовую) включают последовательно с нагрузкой 5, а катушку 2 другого (катушку напряжения) — параллельно нагрузке. В этом случае магнитный поток Ф1 будет пропорционален току I в цепи нагрузки, а поток Ф2 — напряжению U, приложенному к нагрузке. Для обеспечения требуемого угла сдвига фаз ? между потоками Ф1 и Ф2 (чтобы sin? = cos?) в электромагните катушки напряжения предусмотрен магнитный шунт 3, через который часть потока Ф2 замыкается

Рис. 337. Ферродинамический счетчик электрической энергииРис. 337. Ферродинамический счетчик электрической энергии

Рис. 338. Индукционный счетчик электрической энергииРис. 338. Индукционный счетчик электрической энергии

помимо диска 7. Угол сдвига фаз между потоками Ф1 и Ф2 точно регулируется изменением положения металлического экрана 1, расположенного на пути потока, ответвляющегося через магнитный шунт 3.

Тормозной момент создается так же, как в ферродинамическом счетчике. Компенсация момента трения осуществляется путем создания небольшой несимметрии в магнитной цепи одного из электромагнитов с помощью стального винта.

Для предотвращения вращения якоря при отсутствии нагрузки под действием усилия, созданного устройством, компенсирующим трение, на оси счетчика укрепляется стальной тормозной крючок. Этот крючок притягивается к тормозному магниту 4, благодаря чему предотвращается возможность вращения подвижной системы без нагрузки.

При работе же счетчика под нагрузкой тормозной крючок практически не влияет на его показания.

Чтобы диск счетчика вращался в требуемом направлении, необходимо соблюдать определенный порядок подключения проводов к его зажимам. Нагрузочные зажимы прибора, к которым подключают провода, идущие от потребителя, обозначают буквами Я (рис. 338,б), генераторные зажимы, к которым подключают провода от источника тока или от сети переменного тока,— буквами Г.

Читайте также:  Мощность двигателя лада веста 2020

Источник

Тема 4. Измерение мощности электрических сигналов

4.1. Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока

4.1.1 Общие сведения

В практике электрорадиоизмерений с задачей измерения мощности приходится сталкиваться практически во всем используемом диапазоне – от постоянного тока и переменного тока низкой частоты до оптического диапазона. Методы измерения мощности в различных диапазонах различны. Например, мощность постоянного тока и переменного тока низкой частоты (при чисто активной нагрузке) измеряют в основном косвенным методом, с помощью вольтметра и амперметра измеряют ток и напряжение и по известным формулам определяют конечный результат

P = UI = I 2 R = U 2 /R (4.1)

Современные вычислительные средства позволяют реализовать данные вычисления аппаратурно и тем самым свести косвенные измерения к прямым.

На высокой частоте (ВЧ) предпочитают пользоваться прямыми измерениями мощности, т.к. такие измерения дают более точные результаты.

На сверхвысоких частотах (СВЧ) применяют только прямые измерения, однозначно характеризующие интенсивность электромагнитных колебаний.

Современные приборы позволяют измерять мощность в пределах от 10 -18 до 10 8 Вт во всем частотном диапазоне от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин волн. При измерениях наряду с абсолютными (ватт, милливатт и т. д.) широко используют относительные (логарифмические) единицы мощности. При этом измеряемую мощность Рх оценивают числом децибел, определяемым из соотношения

а (дБ)= 10 log Рх, (4.2)

где Ро – мощность, принимаемая за исходный уровень. Практически значение Ро выбирают равным 1 мВт или 1 Вт. В первом случае единица измерения 1 дБ/ мВт, во втором 1 дБ/Вт. В зависимости от соотношения Рх и Р значение а может быть положительным или отрицательным. Знак минус означает, что Рх меньше Ро. 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 т. д.

Активная составляющая мощности однофазного переменного тока определяется по формуле

P = U I cos φ, (4.3)

где U, I — среднеквадратические значения напряжения и тока;

φ — фазовый сдвиг между ними.

Если нагрузка чисто активная (φ = 0), то мощность переменного тока определяется, как показано в формуле (4.1)

P = U I = I 2 Rн = U 2 /Rн (4.4)

Здесь Rн – активная нагрузка.

Отметим, что при активной нагрузке электрическая энергия полностью преобразуется в теплоту и ее количество Q, выделяющееся за , пропорционально подведенной мощности:

Q = k Px (4.5)

где k — коэффициент пропорциональности.

4.1.2 Измерение мощности постоянного тока и переменного тока низкой частоты Измерение мощности постоянного тока

Измерение мощности постоянного тока может производиться косвенным или прямым методом. При косвенном методе снимаются показания вольтметра и амперметра и по известной формуле P = UI производят расчет мощности. При этом возможны два варианта включения вольтметра и амперметра в цепь (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схемы косвенного измерения мощности

Для схемы 4.1, а мощность, потребляемая схемой, равна:

P = U(Iн + Iв) = U Iн + U Iв = Pн + Pв,

где Iн и Iв – токи, протекающие соответственно через нагрузку и вольтметр; Pн и Pв – мощность, потребляемая нагрузкой и вольтметром соответственно.

Таким образом, видно, что рассчитанное значение мощности в этом случае будет больше действительного значения мощности, потребляемой нагрузкой на величину Pв = U Iв. Погрешность определения мощности будет тем меньше, чем меньше ток, протекающий через вольтметр. А это значит, что внутреннее сопротивления вольтметра должно быть как можно большим.

Читайте также:  Как пишется мощность генератора

Для схемы 4.1, б потребляемая мощность равна:

P = UIн = (Uн + Iн Rа) Iн = Pн + Pа,

т.е. определяемая расчетная мощность будет больше действительного значения, рассеиваемого на нагрузке на величину потери мощности в амперметре. Погрешность определения мощности в этом случае будет тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра.

Анализ показывает, что погрешность будет минимальной, когда выполняются условия:

Rн > (4.6)

Источник

Измерение мощности электрических сигналов

Измерение мощности электрических сигналов относится к од­ной из важных проблем систем связи, радиотехники и любых радио­электронных средств (РЭС). На практике мощность измеряют в ши­роком частотном диапазоне — от постоянного тока до оптических волн, и в пределах уровней — от 10 -18
до 108 Вт.

Мощность электромагнитных колебаний. Электрическую мощ­ность определяют работой, совершаемой источником электромагнит­ного поля в единицу времени. Мощность в ваттах: 1Вт =1 Дж/с.

Измерение мощности в различных частотных диапазонах имеет определенные особенности. Измерители мощности промышленной частоты наряду со счетчиками энергии являются основой действую­щей системы учета потребления электрической энергии в быту и 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 напряжений и токов теряют однозначность и ре­зультаты измерений начинают зависеть от места подключения прибо­ра. Поскольку поток мощности через любое поперечное сечение ли­нии передачи всегда остается неизменным, то основным параметром, характеризующим режим работы практически любого устройства СВЧ, становится мощность.

Активную (поглощаемую электрической цепью) мощность однофазного переменного тока определяют по формуле

P = UI cosφ, (12.1)

где U, I — средние квадратические значения напряжения и тока; (р — сдвиг фазы между их мгновенными значениями.

Если нагрузка в электрической цепи активная (φ = 0), то мощ­ность переменного тока

Р= UI = 12 RН = U2 / RН
.
(12.2)

Для периодического сигнала произвольной формы электриче­скую мощность можно оценить с помощью ряда Фурье:

Р = U0I0 + U1I1 cosφ1
+ U2I2 cosφ2 +…+ UnIn cosφn ,
(12.3)

где U0,I0 — постоянные составляющие; Un,In — средние квадратиче­ские значения гармоник напряжения и тока; φn — фазовый сдвиг ме­жду гармониками напряжения Un и тока In.

Электрическую мощность переменного тока можно измерять не­посредственно с помощью специальных приборов — ваттметров, или косвенно путем измерения величин, входящих в приведенные выше соотношения. Принцип действия ваттметров основан на реализации операции перемножения.

Для измерения мощности электрических колебаний применяют­ся устройства как прямого, так и косвенного перемножения. Приме­рами устройств прямого перемножения являются измерительные ме­ханизмы ваттметров электродинамической системы. Прямое пере­множение напряжений или токов можно обеспечить с помощью преобразователей Холла (Холл Э.Г., 1855-1938, амер. физик) или специальных схем на полевых транзисторах и т. д. В устройствах косвенного перемножения произведение величин находят путем сло­жения (вычитания), возведения в степень, логарифмирования, интег­рирования и пр. Для этих целей служат аналоговые интегральные пе­ремножители. Современные ваттметры на частоты 1. 10 МГц созда­ют на основе интегральных перемножителей с использованием термопреобразователей.

Источник