Глава шестая

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

6.1. Общие сведения

Задачи измерения мощности, представляющей собой важную энергетическую характеристику, занимают значительное место в современной измерительной технике. Если измерение мощности СВЧ широко применялось на всех этапах развития сверхвысоко­частотной техники, то подобное измерение в цепях переменного тока низких частот долгое время занимало скромное место. За последние годы резко возрос интерес к измерению мощности в области низких и высоких частот. Измерения этой характеристи­ки стали одним из основных видов измерений в электроэнергети­ке, электромашиностроении, электрометаллургии, . магнитометрии, радиотехнике, электронике, автоматике, биофизике, метрологии и других отраслях техники и науки [5, 50]. Глубокое проникнове­ние вероятностных методов во многие области привело к необ­ходимости измерения средней мощности случайных процессов (эти вопросы рассматриваются в гл. 8).

Новые возможности решения задачи измерения мощности от­крыли достижения цифровой техники и микроэлектроники, осо­бенно появление микропроцессоров, позволивших упростить изме­рительную процедуру, автоматизировать ее, придать косвенным по своей природе измерениям характер прямых измерений.

Приборы для измерения мощности называют ваттметрами или измерителями мощности.

2. Измерение мощности в диапазонах низких и высоких частот

Основные определения. Рассмотрим методы измерения актив­ной мощности в цепях переменного тока.

Как известно, мощностью в электрической цепи называют энергию, выде­ляемую на нагрузке в единицу времени. В цепях постоянного тока значения мощности Р₀ определяется одним из следующих выражений:

где Iо и U₀ — значения постоянного тока через нагрузочный резистор сопротив­лением R и падения напряжения на нем.

В однофазных цепях переменного тока мгновенная мощность р определяет­ся произведением мгновенных значений тока и напряжения: Обыч­но измеряют среднюю мощность Р периодического электрического сигнала, пред­ставляющую собой среднее значение мгновенной мощности за период Т:

Для периодического сигнала сложной формы

где

Методы измерения средней мощности разнообразны [5, 50]. Их можно разделить на две группы. К первой относятся методы преобразования электрической энергии в тепловую или в термо- ЭДС, вторую составляют методы, основанные на выполнении вы­числительных операций в соответствии с математическим опреде­лением средней мощности. Преобразователи первой группы стро­ятся по тем же принципам, что и аналогичные преобразователи электронных вольтметров (§ 5.4).

Метод перемножения. Среднюю мощность, потребляемую на­грузкой цепи переменного тока, можно найти путем перемноже­ния мгновенных значений напряжения и тока с усреднением про­изведения. Эта задача решается перемножающими схемами — ана­логовыми и цифровыми.

Современная микроэлектроника располагает аналоговыми перемножителями в микросхемном исполнении, осуществляющими различные методы умножения: переменной крутизны, широтной модуляции, «логарифм — антилогарифм» и др. Принципы действия

Рис. 6.1

этих перемножителей, их достоинства и недостатки, оценка по­грешностей и способы испытания изложены в [89].

Многие ваттметры, построенные на основе аналоговых пере­множителей, имеют цифровое отсчетное устройство (дисплей). Структурная схема подобного ваттметра приведена на рис. 6.1. Его работа не требует особых пояснений.

На рис. 6.2 изображена структурная схема цифрового ваттмет­ра, в которой мгновенные значения напряжения и(t) и тока i(t) преобразуются в числовые эквиваленты. Перемножение получен­ных чисел выполняет цифровой перемножитель (такие перемножители выполняются в виде БИС; они входят в состав некоторых микропроцессорных комплектов [6, 11]). Эта схема, работающая по жесткой логике, характеризуется сравнительно высоким быст­родействием (оно определяется характеристиками АЦП и цифро­вого перемножителя).

В [132] описан цифровой ваттметр, основой которого служит АЦП двойного интегрирования, позволяющий получать произведе­ние значений тока и напряжения. От АЦП, применяемого в ин­тегрирующих цифровых вольтметрах, работающих по методу двой­ного интегрирования (§ 5.9), этот АЦП отличается наличием вто­рого интегратора (для тока) и второй схемы выборки и запомина­ния. Принцип его действия заключается в следующем. На вход первого интегратора с выхода первой схемы выборки и запоми­нания подается напряжение i-й выборки u(ti) (рис. 6.3), а к вхо­ду второго интегратора со второй схемы выборки — ток i-й вы­борки i(ti). В течение интервала времени Т1 первый интегратор

Рис. 6.2

Рис. 6.3

выполняет интегрирование «вверх» под действием напряже­ния и u(ti). В конце интервала Т1 к входу первого интегратора при­кладывается образцовое напряже­ние Uобр и в течение интервала Δt1 осуществляется интегрирование «вниз». В начале интервала Δt1 на вход второго интегратора пода­ется ток i(ti) и этот интегратор в течение интервала Δt1 интегрирует «вверх». В конце интервала Д^ь вход второго интегратора подключается к источнику образ­цового тока Iобр и начинается интегрирование «вниз». Несложно убедиться, что интервал времени Δt2, необходимый для возврата второго интегратора в исходное состояние, пропорционален иско­мому произведению. Действительно, согласно (5.23) Аналогично Δt1 Подставив в это выражение Δt1 из предыдущего выражения, получим

Число mj счетных импульсов, заполняющих интервал Δt2, подсчи­тывается счетчиком. Усреднение чисел mj дает значение средней мощности.

Цифровой ваттметр низкочастотных электрических сигналов строится также по схеме, содержащей микропроцессорную систе­му (рис. 6.4). Хотя быстродействие такой схемы ниже, чем схе­мы, приведенной на рис. 6.2, однако микропроцессорный ваттметр обладает многими свойствами, характерными для приборов с встроенным микропроцессором (§ 2.2). Следовательно, в пределах применимости он имеет преимущества перед ваттметром, работа­ющим по жесткой логике.