книги / Электрорадиоизмерения

20. Рассчитайте искусственную линию с временем задержки 5 мкс, нагруженную на коаксиальный кабель с волновым сопротивлением

75Ом.

21.Объясните принцип трансформации масштаба времени осцилло­ граммы в стробоскопическом осциллографе.

22.Перечислите и объясните факторы, ограничивающие частотный диапазон использования электронного осциллографа.

23.Объясните принцип осциллографического метода получения амплитудно-частотных характеристик.

24.Пользуясь схемой, приведенной на рис. 6-5, объясните, какую и как нужно произвести регулировку, чтобы нерезкое и бледное изобра­ жение осциллограммы, смещенное в правую нижнюю часть экрана, получить нормальным, т. е. в середине экрана, ярким и четким.

25.Каким образом, используя лишь один звуковой генератор, можно получить па экране осциллографа С1-5 фигуру Лиссажу?

26.Каким образом практически можно проверить правильность установки ручки калибратора длительности, т. е. градуировку его шкалы, у осциллографа С1-5?

27.Объясните, что нужно сделать для смещения осциллограммы вверх-влево.

28.На каких частотах работает калибратор длительности осцилло­ графа С1-5?

29.Можно ли измерить время нарастания переднего фронта иссле­

при измерении с наибольшей точностью частоты следования импульсов порядка 250 Гц методом калибратора длительности?

П р и м е ч а н и е . Градуировка частоты непрерывной развертки (Ги и кГц) дана внутри шкалы, а длительности ждущей развертки (мкс) — снаружи.

31. Можно ли использовать осциллограф С1-5 для исследования

32.Каким образом можно использовать осциллограф типа С1-15 для одновременного наблюдения двух осциллограмм?

33.Пользуясь блок-схемой осциллографа С1-5 и изображением его лицевой панели управления, объясните порядок работы с ним при различных режимах его работы.

Объясните также, каким образом этим прибором нужно исследовать импульсное напряжение, т. е. проверить его параметры:

/и = 1 кГц, Uu = 2 В, ти = 50 мкс.

Г Л А В А С Е Д Ь М А Я

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

7-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерение мощности является распространенным видом электрических и радиотехнических измерении. Частотный диапазон измерения мощности очень широк, т. е. ее изме­ ряют в цепи постоянного и переменного тока, в диапазоне звуковых и высоких частот, а также на СВЧ.

Особое значение имеет измерение мощности в диапазоне СВЧ, поскольку мощность является единственной характе­ ристикой электрического режима соответствующего тракта, например волновода, так как измерение тока и напряжения на СВЧ практически невозможно.

В связи с особенностями конструкций элементов тракта СВЧ измерение мощности этого диапазона рассматривается в отдельной главе данной книги.

Электрическая мощность Р представляет собой энергию, выделяемую в цепи за единицу времени. Однако практи­ чески в большинстве случаев мощность определяется через ток и напряжение на нагрузке.

В цепи постоянного тока мощность, потребляемая на­

В цепи переменного тока синусоидальных колебаний различают среднюю, т. е. активную мощность Р, реактив­ ную G и кажущуюся S.

Эти мощности определяются формулами:

ности.

При импульсном режиме в исследуемой цепи различают так называемую импульсную Р и и среднюю Р мощности.

Импульсная мощность представляет собой энергию W, выделяемую в цепи при прохождении импульса и отнесен­ ную к его длительности т„, т. е. Р„ = W7T„.

Средняя мощность определяется энергией W, выделен­ ной в цепи при прохождении импульса и отнесенной к дли­

где Q„ — скважность импульсов.

в относительных единицах. В первом случае мощность измеряется в ваттах, микроваттах, милливаттах, гектоват­ тах, киловаттах и мегаваттах. Большое удобство представ­ ляют собой относительные единицы измерения мощности, т. е. децибелы, когда в исследуемом тракте имеются гра­ дуированные в децибелах аттенюаторы.

Например, если между исследуемым генератором и мил­ ливаттметром имеется определенное затухание, то мощность генератора удобно измерять в децибелах относительно какого-либо условного уровня мощности, например одного

Например, если за уровень считать 1 Вт, то при изме­ рении мощности генератора, равной 1000 Вт, для получе­ ния показания ваттметра 1 Вт необходимо ввести затуха­ ние, равное

£>„= 10 Ig 1000 = 30 дБ.

В данном случае измеряемая мощность на 30 дБ больше условного уровня мощности, равного 1 Вт.

Пределы измерения мощности очень широкие. Мощность можно измерять в пределах от 10~18 до 10я Вт.

Погрешность измерения также лежит в широких пре­ делах, зависящих от частоты, метода измерения и других факторов.

В качестве примера сравним данные двух ваттметров разных назначений, принципа действия и частотного диа­ пазона. Низкочастотный стрелочный ваттметр типа Д57 имеет класс точности 0,1. Калориметрический же ваттметр МЗ-11А частотного диапазона 1—11 500 МГц с пределами

измерения 0,003—10 Вт имеет погрешность измерений, определяемую по формуле (5,8 + ^ -^ -^ , %. Для мини­

мального показания прибора эта погрешность составляет 26%. В зависимости от частотного диапазона величины и ха­ рактера измеряемой мощности может быть использовано в практике измерений большое количество методов и раз­ личных приборов.

В диапазоне высоких и сверхвысоких частот может измеряться мощность, потребляемая нагрузкой или посту­ пающая к ней. Соответственно существуют методы измере­ ния поглощаемой или проходящей мощности. В первом случае нагрузка заменяется ее эквивалентом, а во втором измерения производятся при подключении реальной на­ грузки, например антенны к передатчику, что позволяет вести непрерывный контроль его работы.

7-2. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Метод амперметра и вольтметра. Из формулы (7-1) видно, что в цепи постоянного тока мощность можно изме­ рять косвенным методом по показаниям амперметра и вольтметра. При этом возможны две схемы включения приборов (рис. 7-1).

Рис. 7-1. Схемы измерения мощности методом ампер- метра-вол ьтметра.

Действительное значение мощности, потребляемой на­ грузкой, равно Яд = U J U.

В первой схеме (рис. 7-1, а) амперметр показывает зна­ чение тока нагрузки, а вольтметр — сумму падений напря­ жений на амперметре и на нагрузке. Мощность, определен­

ная по показаниям приборов, равна:

Во второй схеме (рис. 7-1, б) показания вольтметра соот­ ветствуют напряжению на нагрузке {/„, а амперметр пока­ зывает сумму токов, протекающих по нагрузке и по вольт­ метру. Измеренное значение мощности равно:

где R n — сопротивление вольтметра.

Анализ формул (7-9) и (7-11) показывает, что первую схему следует применять, если сопротивление амперметра мало по сравнению с сопротивлением нагрузки, а вторую — если сопротивление вольтметра велико по сравнению с со­ противлением нагрузки. При точных измерениях небольших мощностей вносятся поправки, равные Ря (для первой схемы) или Р п (для второй схемы). После внесения поправки погрешность измерения этим косвенным методом склады­ вается из погрешностей амперметра и вольтметра. Если же измеряемая мощность несоизмеримо больше мощностей, потребляемых приборами, то рассмотренные методические погрешности можно не учитывать.

Недостатком этого метода является необходимость вы­ числений после каждого измерения тока и напряжения. Кроме того, им нельзя пользоваться при изменяющихся значениях U n i из-за невозможности одновременного отсчета по двум приборам.

В цепях переменного тока метод амперметра и вольтметра для измерения активной мощности пригоден только в слу­ чае чисто активной нагрузки (cos ср = 1).

Измерение мощности постоянного и переменного одно­ фазного тока ваттметрами. В настоящее время для изме­ рения мощности постоянного и переменного тока исполь­ зуют электродинамические и ферродинамические ватт­ метры. Устройство механизма электродинамической системы изображено на рис. 2-11, а принцип действия рассмотрен в § 2-6.

Схемы включения электродинамического ваттметра

в цепь постоянного или однофазного переменного тока представлены на рис. 7-2. Неподвижная катушка А вклю­ чается последовательно с нагрузкой (как амперметр) и называется катушкой тока. Подвижная катушка Б вместе с добавочным резистором /?д включается параллельно на­ грузке (как вольтметр) и называется катушкой напряжения. По обмотке тока и сопротивлению нагрузки течет ток /, а по обмотке напряжения — ток / б.

Докажем, что электродинамические механизмы могут применяться для измерения мощности постоянного тока. В уравнение шкалы (2-16) подставим значения токов непод­ вижной и подвижной катушек для схемы, изображенной на рис. 7-2, а:

где R б — сопротивление подвижной катушки постоянному току.

Из уравнения (7-12) следует, что угол поворота подвиж­ ной части пропорционален мощности, т. е. шкала ваттметра равномерная.

Рассмотрим работу ваттметра, включенного в цепь однофазного переменного тока. В уравнении шкалы (2-17) для схемы, изображенной на рис. 7-2, а, значения токов неподвижной и подвижной катушек равны:

где Zs — полное сопротивление параллельной цепи пере­ менному току (включая добавочное сопротивление).

Тогда угол поворота подвижной части равен:

(7-13)

в

Практически индуктивное сопротивление подвижной обмотки на промышленной частоте очень мало по сравнению с активным добавочным сопротивлением, поэтому ZB ~

~R B + /?я. При этом можно считать, что ток в параллель­

ной цепи ваттметра / б совпадает по фазе с напряжением U. Тогда угол сдвигаф между токами равен углу сдвига между током I и напряжением t/, а уравнение (7-13) примет вид:

(7-14)

Следовательно, электродинамический ваттметр, вклю­ ченный в цепь переменного тока, измеряет активную мощ­ ность и имеет равномерную шкалу.

Таким образом, электродинамические ваттметры можно использовать в цепях как постоянного, так и переменного тока. Градуировка и поверка электродинамических ватт­ метров (без стали), как правило, производится на постоян­ ном токе.

Ваттметр имеет четыре зажима: два токовых и два зажима напряжения. Из уравнений (2-16) и (2-17) следует, что при изменении направления тока в одной из катушек изменится знак угла поворота.

Поэтому, чтобы стрелка при измерениях отклонялась в нужную сторону, необходимо правильно включать зажимы ваттметра. Один токовый и один потенциальный зажимы обозначаются звездочками и называются генераторными, так как они присоединяются к одному полюсу источника питания (генератора). Наиболее часто применяется схема, когда генераторные зажимы соединяются между собой и подключаются к источнику (рис. 7-2, а). Возможно также включение ваттметра по схеме, изображенной на рис. 7-2, б. Из сравнения рисунков 7-1 и 7-2 видно, что схема вклю­ чения ваттметра (рис. 7-2, а) аналогична схеме включения амперметра и вольтметра (рис. 7-1, а), схема ваттметра (рис. 7-2, б) — схеме, изображенной на рис. 7-1, б. Мето­ дические погрешности для различных схем включения ваттметра можно определить так же, как и для соответст­ вующих схем включения амперметра и вольтметра [см. формулы (7-9) и (7-11)]. Показания ваттметра в схеме, изображенной на рис. 7-2, а, будут больше мощности на­ грузки на величину потерь мощности в его последовательной обмотке, а в схеме на рис. 7-2, б — на величину потерь мощ­ ности в параллельной цепи ваттметра. Первая схема (рис. 7-2, а) применяется чаще, так как потери в последова­ тельной обмотке меньше и показания ваттметра будут точ­ нее.

Ваттметры обычно имеют несколько пределов измерения и неименованные шкалы. Если на приборе не указана цена деления для каждого предела, то ее определяют по формуле

где Uмакс и / макс — максимальные значения напряжения и тока для данного предела;

а мякс — полное число делений шкалы. Помимо погрешности, вызванной собственным потребле­

нием мощности, электродинамическим ваттметрам свойст­ венна так называемая угловая погрешность. Эта погреш­ ность вызвана тем, что сопротивление параллельной цепи ваттметра не является чисто активным, а носит индуктив­ ный характер и ток в этой цепи отстает от напряжения на некоторый угол. В большинстве случаев угловой погреш­ ностью можно пренебречь. Она становится существенной лишь при малых значениях cos (р. Для измерения мощности в цепях с низким cos ср (например, cos ф = 0,1) применяют

специальные малокосинусные ваттметры. При значительном увеличении частоты возрастает индуктивное сопротивление подвижной обмотки ваттметра, которое может стать соиз­ меримым с активным сопротивлением /?д, в результате чего также возрастает угловая погрешность. В некоторых ватт­ метрах применяют специальные схемы для уменьшения угловой погрешности. Электродинамические ваттметры, как правило, обладают достаточно высокой точностью, вплоть до класса 0,1.

проводной трехфазной цепи (с нулевым проводом) тремя ваттметрами.

Для измерения мощности переменного тока помимо электродинамических широко применяются ферродинамические ваттметры. Электрические схемы включения и урав­ нения электродинамических и ферродинамических ваттмет­ ров аналогичны.

Ферродинамическим ваттметрам свойственны все до­ стоинства и недостатки, характерные для ферродииамнческих измерительных механизмов по сравнению с эл ек ­ тродинамическими (см. §2-6). Точность их ниже по сравне­ нию с электродинамическими, но более высокая чувстви­ тельность и механическая прочность обеспечивают широкое применение ферродинамических ваттметров. Помимо пока­ зывающих выпускаются также и самопишущие ферродинамические приборы для измерения мощности.