32.Измерение электрической мощности

К измерению мощности в практической радиотехнике прибегают во всем частотном диапазоне — от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин волн Из­мерять уровни мощности приходится в очень широких пределах—от 10-18 до 108 Вт.

В последние годы при измерениях наряду с абсолютными (ватт, милливатт и т.д.) широко используют относительные (логарифмические) единицы мощности (децибелы).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 прочее.

Новые возможности в решении задач измерения мощности открыли достижения в области физики, микроэлектроники и особенно цифровой техники, позволившие авто­матизировать измерительную процедуру и проводить ее в интерактивном режиме

 

9.1. Общие сведения

Как физическая величина, электрическая мощность определяется работой со­вершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Размерность электрической мощности записывается следующим образом: джоуль/сек = ватт.

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

Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность однофазного переменного тока определяетcя как

                                          P = UIcosφ ,                            (9.1)

Где U,I - средкие квадратические значения напряжения и тока; φ  — сдвиг фазы между  мгновенными значениями напряжения и тока.

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

P = UI = I2 Rн = U2 / Rн  ,            (9.2)

Для сигнала произвольной формы, имеющего периодическую структуру, электрическую мощность  можно оценить с помощью ряда Фурье:

P = U0 I0 + U1 I1cosφ1 + U2 I2cosφ2 + … + Un Incosφn ,     (9.3)

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

Электрическую  мощность переменного тока можно измерять непосредст-венно с помощью  специальных приборов — ваттметров, или косвенно путем измерения  величин, входящих в приведенные соотношения. Принцип действия ваттметров  основан на реализации операции умножения. Применяют устройства  прямого и косвенного перемножения. Примерами устройств прямого перемножения являются измерительные механизмы ваттметров электродинамической  системы. Прямое перемножение напряжения и тока можно обеспечить  с помощью преобразователей Холла, или специальных схем на полевых  транзисторах и т. д.

В устройствах  косвенного перемножения произведение величин находят в результате  использования таких математических операций, как сложение (вычитание), возведение в степень, логарифмирование, интегрирование и пр.Для этих целей служат аналоговые интегральные перемножители. Современные ваттметры  на частоты 1... 10 МГц строятся на основе интегральных перемножителей  с использованием термопреобразователей.