52. Общие сведения о мощности. Классификация методов и средств измерений мощности.

Приборы для измерения мощности называют ваттметрами или измерителями мощности. Доминирующее положение занимают ваттметры СВЧ.

Ваттметры СВЧ различают:

• в зависимости от способа включения в передающий тракт-проходящей мощности (вид М2) и поглощаемой мощности (вид М3);

• по виду используемых первичных измерительных преобразователей — тепловые, пондермоторные, электронные;

• соответственно измеряемому параметру — среднего значения мощности и импульсной мощности;

• в зависимости от конструкции — с коаксиальным и волноводным входом (входом и выходом);

• соответственно уровню средних значений измеряемых мощностей — малой мощности (до 10 мВт), средней мощности (от 10мВт до 10Вт), большой мощности (свыше 10Вт и до 10кВт);

• по применению измерительных преобразователей -  с встроенными и выносными преобразователями.

Выпускаемые ваттметры могут принадлежать к одному из восьми классов точности: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0; 25,0.

Методы измерения, применяемые в диапазонах низких и высоких частот

1. МЕТОД ПЕРЕМНОЖЕНИЯ.Активную мощностьP_a=UIcos φ (случай синусоидальных колебаний) можно определить путем перемножения напряжения и тока нагрузки.

Хорошие результаты дает схема перемножения, выполненная на квадраторах — устройствах, обладающих параболической (квадратичной) характеристикой.

Схема блока перемножения с квадраторами

Если x₁=Usinωt, аx₂=Isin (ωt — φ), то на выходе схемы получается напряжение 4x₁x₂= 4UIsinωtsin (ωt — φ) = 2UIcos φ — 2UIcos (2ωt— φ). Это напряжение измеряется магнитоэлектрическим прибором, дополненным фильтром нижних частот, и отклонение указателя прибора пропорционально члену 2UIcosφ, т.е. мощности.

Погрешность измерения описанным методом составляет ±5-10%. Она определяется погрешностью преобразования, вносимой блоком перемножения, и классом точности магнитоэлектрического прибора.

2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА В ЦЕПИ РЕЗИСТОРА С ИЗВЕСТНЫМ РАЗМЕРОМ СОПРОТИВЛЕНИЯ.Применяется для измерения выходной мощности генератора. Обычную нагрузку заменяют специальным резистором с малой реактивностью, способным поглощать значительную энергию. Измерив ток в цепи резистора, определяют мощностьP=I²R.

3. Сравнение мощности исследуемого источника с мощностью постоянного тока или низкочастотного переменного тока. Калориметрический метод измерения мощности

Калориметрический методоснован на преобразовании электромагнитной энергии, поглощаемой согласованной нагрузкой, в тепловую и является одним из точных методовизмерения мощности СВЧ. Измеряемое значение мощности находят по изменению температуры нагрузки. Этот метод —абсолютный:мощность измеряется непосредственно, без замещения мощностью постоянного тока.

Калориметрические ваттметры— это измерители большой и средней мощности, применяемые во всем диапазоне СВЧ.

Они состоят из двух основных частей:

1. поглощающей нагрузки;

2. измерителя температуры.

Наиболее распространены поглощающие нагрузкис проточной водой, хотя встречаются и нагрузки из твердых поглощающих материалов. Мощность, поглощаемая в водяной нагрузке с проточной водой, определяется по разности температур на выходе и входе нагрузки и скорости протекания воды.

В промышленных ваттметрах, как правило, расход воды автоматически поддерживается постоянным и для определения мощности достаточно измерять разность температур.

Водяные нагрузки бывают волноводнымиикоаксиальными.

В случае необходимости измерять мощности столь больших уровней, при которых электрическая прочность волновода оказывается недостаточной, применяют герметизированные нагрузки, в которые нагнетают воздух при повышенном давлении (0,15— 0,3 Па).

Разность температур измеряюттермопарами, устанавливаемыми на входе воды в нагрузку и выходе из нее. Термопары включают так, что развиваемые в них э. д. с. направлены навстречу друг другу и измерительный прибор фиксирует разность температур. Обычно применяюттермоблоки, состоящие из сотентермопардля повышения чувствительности.

Основным недостатком метода является инерционность.

Погрешности калориметрических ваттметров не превышают 5—10% (образцовые приборы характеризуются погрешностью менее 1 %). Они складываются из погрешностей преобразования и погрешности измерения разности температур, а также неточности установки расхода воды. Первая составляющая в основном связана с неполным согласованием нагрузки с трактом,утечкой мощности СВЧ, несовершенством теплоизоляции.

В качестве примера калориметрического ваттметра может быть назван прибор МЗ-13/1, работающий в диапазонах частот 2,59—16,65 и 25,86—37,5 ГГц и характеризующийся такими данными:

• пределы измерения мощности 6—2000 Вт при непрерывной генерации и 6—1000 Вт при измерении импульсной мощностипо средней (мощность в импульсе до 1 МВт и длительность импульса до 10 мкс в диапазоне 2,59-3,94 ГГц);

• погрешность измерения (4+3P_k/P_изм);

• время установления показаний 60 с;

• КСВ ≤ 1,2.