Раздел 5. Измерение мощности

5.1 Общие сведения и классификация методов и приборов для измерения мощности

В практике электрорадиоизмерений с задачей измерения мощности приходится сталкиваться во всем используемом диапазоне частот – от постоянного и переменного тока низкой частоты до оптического диапазона. В цепях постоянного и переменного тока низкой частоты мощность измеряется прямо или косвенно с помощью электродинамических приборов. На ВЧ и СВЧ предпочтительным и более точным становится прямое измерение мощности калориметрическим и термоэлектрическим методами.

Мощность P в электрической цепи представляет собой энергию, потребляемую нагрузкой от источника в единицу времени. В цепях постоянного тока, если известны ток I, проходящий через нагрузку, напряжение U, приложенное к ней, или сопротивление нагрузки R, мощность может быть определена с помощью одного из соотношений

(5.1)

В цепях переменного тока различают активную мощность , т.е. мощность, поглощенную в нагрузке, и реактивную мощность

(5.2)

(5.3)

где U,I- среднее квадратическое значение напряжения и тока; -фазовый сдвиг между напряжением и током.

Активная мощность представляет собой энергию, которая выделяется в единицу времени на сопротивление нагрузки R. В практике измерения мощности электромагнитного поля используется понятие среднего значения активной мощности, т.е. (5.4)

где T- период усреднения, P(t)- мгновенное значение мощности.

На ВЧ и СВЧ сигналы часто имеют вид импульсно-модулированных колебаний (радиоимпульсы). Для них вводится понятие импульсного (пикового) значения мощности, связанного со значением P соотношением

(5.5)

где - длительность импульса; Т- период следования импульсов;Q- скважность данной последовательности импульсов.

Активная мощность, как и мощность в цепях постоянного тока, измеряется в ваттах(Вт), а приборы для измерения мощности называются ваттметрами. Из выражений (5.1) и (5.2) следует, что мощность в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты можно измерять как прямо, так и косвенно. На практике прямые измерения осуществляются с помощью электродинамических и электростатических ваттметров. Наибольшее распространение получили электродинамические ваттметры.

При измерении мощности неподвижная катушка электродинамического измерительного механизма включается последовательно с нагрузкой, а подвижная катушка вместе с добавочным резистором образует параллельную цепь, которая может быть подключена либо параллельно к нагрузке. Т.о. могут применяться две схемы включения ваттметра, отмеченные на рис.5.1 буквами А и Б. На рисунке 5.1 звездочкой(*) обозначается начало обмоток катушек измерительного механизма. Выводы, обозначенные этим знаком, называются генераторными выводами или генераторными зажимами. Такое название обусловлено тем, что чаще всего они оказываются включенными в провода, идущие от источника тока (к генератору), а не к нагрузке. Сравнивая обе схемы включения на рис.5.1, нетрудно заметить, что схему соединения А целесообразно изменять при сравнительно большом сопротивлении нагрузки, а схему Б при относительно малом сопротивлении нагрузки. Обычно ваттметры такого типа используется для измерения мощности в цепях переменного тока частотой 50 Гц. С увеличением частоты проявляется индуктивный характер катушек и

Рисунок.5.1Схемы включения электродинамического ваттметра.

точность показаний ваттметра уменьшается, однако, рабочая область частот ваттметров электродинамической системы может достигать несколько килогерц. Существенное расширение частотного диапазона достигается в выпрямительных и термоэлектрических ваттметрах. Особенностью измерений мощности на высоких и СВЧ является то, что при определенных условиях в тракте передачи, соединяющим источник мощности с нагрузкой, могут одновременно существовать падающая волна, характеризуемая падающей мощностью Pпад и ограниченная волна, характеризуемая отраженной мощностью Ротр. Пдающая олна распространяется от источника к нагрузке, отраженная- от нагрузки к источнику. Поступающую в нагрузку мощность определяют по разности мощностей падающей и отраженной волн и называют ее проходящей мощностью (рис. 5.2).

(5.6)

Принципы измерения мощности излучения в области высоких и сверхвысоких частот основаны на преобразовании энергии электромагнитного поля в другой, более удобный для измерения вид энергии с помощью соответствующих измерительных преобразователей. По роду используемых преобразователей ваттметры подразделяются на тепловые, механические и электронные.

В зависимости от способа включения в тракт ваттметры измеряют падающую, отраженную или поглощенную мощность. Ваттметры проходящей мощности (Wпрох) позволяют измерять мощность, проходящую к нагрузке, в реальных условиях эксплуатации систем. В этом заключается их несомненное преимуществ(рис. 5.2б). Ваттметры поглощаемой мощности включают в тракт вместо реальных нагрузок (рис. 5.2а). Поэтому они не позволяют измерять мощность в реальных условиях работы систем, т.к. полное сопротивление ваттметра в общем случае всегда отличается от полного сопротивления нагрузки, вследствие чего возникает так называемая погрешность рассогласования. Однако в связи с большой простотой схемных решений и методик измерения, ваттметры поглощаемой мощности получили более широкое распространение.

Рисунок 5.2.-Тракт передачи мощности

По значению верхнего предела измеряемой мощности различают ваттметры малой- до 10 Вт и большой - свыше 10 Вт мощности.

Наиболее распространены ваттметры с тепловыми измерительными преобразователями. Общим для различных типов тепловых преобразователей является наличие некоего рабочего тела, которое при воздействии на него электромагнитного поля нагревается за счет поглощения мощности излучения. При этом перегрев рабочего тела над температурой окружающей среды

Является функцией поглощенной мощности Рпогл. Отсюда следует, что, измерив, нагрев рабочего тела и имея зависимость Θ (Рпогл) можно определить Рпогл В качестве рабочего тела в тепловых преобразователя мощности используются температурозависимые резисторы, термопары, объемы воды (калориметры). Для технических измерений чаще используются измерительные преобразователи с температурозависимыми резисторами: балометрами и термисторами. Ваттметры на основе балометров и термисторов обеспечивают измерения малых уровней мощности ( от 100мВт и ниже).

Балометрами называются терморезисторы, выполненные в виде тонкой (1…10 мкм) проволочки или пленки из чистого металла (платины, вольфрама). Зависимость сопротивления балометра от температуры описывается известной формулой

(5.7)

где - сопротивление при;

-температурный коэффициент сопротивления металла;

-температура.

С учетом (5.7) перегрев балометра на над температурой окружающей среды приводит к приращению его сопротивления на, которое может быть измерено.

Термисторы представляют собой полупроводниковые терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Термисторы для измерения мощности изготавливают из смеси окислов различных металлов в виде миниатюрных бусинок диаметром 0,2 … 0,5 мм, снабженных тончайшим проволочными выводами. Зависимость сопротивления термисторов от температуры нелинейна. Температурный коэффициент сопротивления термистора зависит от температуры; в пределах рабочего диапазона температур он на порядок

Рисунок 5.3.Схема терморезисторного моста для измерения мощности.

выше, чем у балометра, что обеспечивает большую чувствительность термисторного ваттметра.

Для удобства монтажа в тракт передачи мощности и обеспечения требуемого режима измерения мощности терморезисторы монтируются в специальные конструктивные элементы(коаксиальные и волноводные вставки). Измерение сопротивления терморезистора чаще всего производится с помощью мостовых схем. Упрощенная схема терморезисторного моста постоянного тока приведена на рис. 5.3. Терморезистор включен в одно из плеч моста. Сопротивления плеч. Измерения поглощаемой мощности производится в два этапа. В начале, не подавая на вход ваттметра мощность, уравновешивают мост подбором сопротивленияи вольтметром с высоким входным сопротивлением измеряют напряжениена резистореR3

Поскольку при равновесии, R3 =R4 то мощность, рассеиваемая резистором:

(5.8)

Затем на вход моста падают измеряемую мощность Pв4, в результате чего происходит нагрев терморезистораR4. Регулировкой напряжения питания моста вновь уравнивают и измеряют напряжениена резисторе. При этом суммарная мощность, поглощаемая терморезистором:

(5.9)

Поскольку и в первом, и во втором случаях мост уравновешен, то уравняв (5.8) и (5.9) получим

(5.10)

В ваттметрах последних выпусков обычно измеряются мостовые схемы с автоматическим уравновешиванием, что упрощает процедуру измерения. Достоинством терморезисторных ваттметров является широкий диапазон частот (0,03…100ГГц) и относительная простота схемных решений. К недостаткам можно отнести возможность измерения только малых уравнений мощности, малую перегрузочную способность их сопротивления.