Измерение мощности электрических сигналов

Контрольная работа

Содержание

1. Общие положения

2. Измерение мощности низкочастотных и высокочастотных колебаний

3. Измерение мощности СВЧ-колебаний

3.1. Измерение мощности СВЧ – колебаний ваттметрами поглощающего типа

3.2. Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами проходящей мощности

4. Цифровые методы измерения мощности

Литература

1. Общие положения

Измерение мощности электрических сигналов относится к одной из важных проблем систем связи, радиотехники и любых радиоэлектронных средств (РЭС). На практике мощность измеряют в широком частотном диапазоне — от постоянного тока до оптических волн, и в пределах уровней — от 10 -18 до 108 Вт.

Мощность электромагнитных колебаний. Электрическую мощность определяют работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Мощность в ваттах: 1Вт =1 Дж/с.

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

Активную (поглощаемую электрической цепью) мощность однофазного переменного тока определяют по формуле

P = UI cos, (1)

где U, I — средние квадратические значения напряжения и тока; (р - сдвиг фазы между их мгновенными значениями.

Если нагрузка RН в электрической цепи активная ( = 0), то мощность переменного тока

Р= UI = 12 RН = U2 / RН . (2)

Для периодического сигнала произвольной формы электрическую мощность можно оценить с помощью ряда Фурье:

Р = U0I0 + U1I1 cos1 + U2I2 cos2 +…+ UnIn cosn , (3)

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

Электрическую мощность переменного тока можно измерять непосредственно с помощью специальных приборов — ваттметров, или косвенно путем измерения величин, входящих в приведенные выше соотношения. Принцип действия ваттметров основан на реализации операции перемножения.

Для измерения мощности электрических колебаний применяются устройства как прямого, так и косвенного перемножения. Примерами устройств прямого перемножения являются измерительные механизмы ваттметров электродинамической системы. Прямое перемножение напряжений или токов можно обеспечить с помощью преобразователей Холла (Холл Э.Г., 1855-1938, амер. физик) или специальных схем на полевых транзисторах и т. д. В устройствах косвенного перемножения произведение величин находят путем сложения (вычитания), возведения в степень, логарифмирования, интегрирования и пр. Для этих целей служат аналоговые интегральные перемножители. Современные ваттметры на частоты 1... 10 МГц создают на основе интегральных перемножителей с использованием термопреобразователей.

2. Измерение мощности низкочастотных и высокочастотных колебаний

В диапазоне частот 1...10 кГц при измерениях электрической мощности используют ваттметры электродинамической системы.

Как и у всех приборов электродинамической системы, принцип действия ваттметра основан на том, что угол поворота а рамки (со стрелкой) измерительного механизма пропорционален произведению токов, умноженному на косинус угла между ними:

= k I1I2 cos, (4)

где k — постоянный для данного прибора коэффициент.

Пусть требуется измерить активную мощность, потребляемую некоторой нагрузкой ZH к которой приложено среднее квадратическое значение гармонического напряжения UH и через нее протекает ток со средним квадратическим значением IH сдвинутый по фазе на угол по отношению к напряжению.

Схема включения катушек ваттметра показана на рис. 1. Неподвижную катушку, сопротивление которой должно быть мало, включают последовательно с нагрузкой, а цепь рамки, состоящую из обмотки рамки и добавочного резистора Rдоп, — параллельно нагрузке.

Рисунок 1

Если Rдоп >> ZH , то ток в неподвижной катушке I1 IH , а в подвижной — I2 UH /RДОБ. Поэтому угол отклонения стрелки с учетом формулы (4) будет пропорционален активной мощности в нагрузке Р:

(k IH UH / RДОБ) cos kP (5)

Ваттметры электродинамической системы можно применять для измерения электрической мощности в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Для измерения мощности низкочастотных и высокочастотных колебаний применяют ваттметры на интегральных аналоговых перемножителях.

Интегральный перемножитель реализует передаточную функцию

pВЫХ = ka u1 u2, (6)

где ka — масштабный коэффициент; u1 u2— напряжения.

Рассмотрим упрощенную структурную схему аналогового интегрального перемножителя двух напряжений, в основу работы которого заложен метод перемножения с воспроизведением квадратичной зависимости (рис. 2). В этой схеме: + - сумматор; – - вычитающее устройство; Кв — устройство возведения в квадрат; :4 — делитель напряжения на четыре. Фактически выходная величина перемножителя пропорциональна квадрату значения, приложенного к входу. В технике измерения мощностей данную схему называют квадратором.

При перемножении двух напряжений выполняют операции:

• суммирование — u1 + u2, ;

• вычитание — u1 - u2;

• возведение в квадрат — (u1 + u2)2, (u1 - u2)2;

• вычитание квадратов — (u1 + u2)2- (u1 - u2)2 = 4 u1 u2,;

• деление напряжения на четыре — 4 u1 u2 / 4 = u1 u2 ;

Рисунок 2. Упрощенная структурная схема аналогового перемножителя

При использовании перемножителя сигналов в схеме ваттметр на выходе последнего следует включать низкочастотный фильтр.

Если входные перемножаемые напряжения u1 = Um cost и u2 = Im R cos (t – ), где R — эталонное сопротивление, то сигнал на выходе перемножителя:

Рвых = ka Um Im R (cost) [cos(t- )]. Приняв коэффициент ka = 1, R = 1 Ом и учитывая формулу произведения косинусов, получим Рвых = 0,5Um Im cos + 0,5Um Im cos (2t- ). Выделенная фильтром постоянная составляющая пропорциональна измеряемой мощности

Р0 = 0.5Um Im cos = UI cos (7)

где U, I— средние квадратические значения напряжения и тока.

В перемножителях применяют идентичные, со стабильными параметрами нелинейные элементы, имеющие квадратичные вольтамперные характеристики. Более высокую точность измерения мощности по методу прямого умножения сигналов обеспечивает операция интегрирования, которую применяют в прецизионных измерительных преобразователях активной мощности промышленной частоты.

По уровню измеряемой электрической мощности все измерители мощности делятся на ваттметры малой (до 10 мВт), средней (10 мВт... 10 Вт) и большой мощностей (свыше 10 Вт).

3. Измерение мощности СВЧ-колебаний

Методы измерения мощности СВЧ-колебаний (часто проще, СВЧ-мощности, мощности СВЧ) существенно отличаются от рассмотренных выше. Фактически все они основаны на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. Косвенные методы, изложенные ранее, не находят применения, поскольку значения токов и напряжений могут быть различны в разных сечениях линии передач (так называемые стоячие волны) и подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому в СВЧ-диапазоне используют методы преобразования энергии электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения.

В телекоммуникационных системах используют два основных метода измерения мощности СВЧ-колебаний. Средства измерения мощности СВЧ подразделяют на измерители (ваттметры) поглощаемой и проходящей мощностей.

Ваттметры поглощаемой мощности включают в СВЧ-тракт вместо фактических нагрузок. Поэтому с их помощью нельзя измерять мощность в реальных условиях работы систем, так как 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.

Ваттметры проходящей мощности позволяют измерять мощность, проходящую к нагрузке, в реальных условиях эксплуатации систем. В этом заключается их несомненное преимущество.

Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами поглощающего типа. Согласно общепринятому определению, под мощностью генератора электрических колебаний понимают мощность, отдаваемую им в согласованную нагрузку (рис. 8.3, а). В этом случае измеряемая мощность полностью рассеивается на некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса.

а б

Рисунок 3. Способы измерения мощности ваттметром:

а — поглощающего типа; б — проходящей мощности

Такие измерители мощности называют ваттметрами поглощающего типа. Поскольку нагрузка должна полностью поглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенной нагрузке. Результат измерения наиболее точен, если входное сопротивление измерителя полностью согласовано с выходным сопротивлением исследуемого генератора, а выходное — с волновым сопротивлением линии передачи .

Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами проходящей мощности. При этом полное сопротивление нагрузки может быть произвольно. В этом случае между генератором и нагрузкой включают специальное устройство, преобразующее в другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линии энергии и не нарушающее процесса ее передачи (рис. 3, б).

3.1. Измерение мощности СВЧ – колебаний ваттметрами поглощающего типа

Измерение мощности СВЧ-колебаний резистивными термочувствительными элементами. Наиболее распространенным методом измерения малых мощностей, на котором построены промышленные ваттметры, является метод измерения сопротивления резистивного термочувствительного элемента (терморезистора) при рассеянии в нем электромагнитной энергии. В качестве терморезисторов используют болометры, сопротивление которых растет с повышением температуры (положительный температурный коэффициент сопротивления), и термисторы, чье сопротивление с ростом температуры падает. Основные преимущества термисторов перед болометрами — более высокая чувствительность и, большая устойчивость к перегрузкам. Для удобства монтажа в тракта передачи мощности и обеспечения требуемого режима измерении мощности терморезисторы монтируются в специальные конструктивные элементы (коаксиальные и волноводные вставки).

Термистором называют терморезистор, изготовленный из специального полупроводникового материала, обладающего большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Применяют два типа термисторов: стержневой и бусинковый. Стержневые термисторы обладают более высокой электрической прочностью. Термисторы бусинкового типа при прочих равных условиях имеют меньшую поверхность охлаждения и поэтому характеризуются большей чувствительностью (10... 100 Ом/мВт). Для получения высокой чувствительности рабочую точку термистора выбирают на участке с максимальной крутизной характеристики.

Болометр — проволочный или пленочный терморезистор с положительной температурной характеристикой, помещенный в стеклянный (вакуумный или наполненный инертным газом) баллон. Для увеличения чувствительности нить выполняют из материала с высоким температурным коэффициентом сопротивления. Болометры менее чувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные характеристики, не зависящие от температуры окружающей среды.

Термистор или болометр помещают внутрь измерительной головки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Изменение сопротивления терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энергии обычно измеряют с помощью мостовых схем. Используют два метода измерения сопротивления термистора: с помощью неуравновешенного и уравновешенного мостов. Неуравновешенные мосты применяют для построения измерителей мощности по типу приборов прямого действия, уравновешенные — в ваттметрах, основанных на методе сравнения.

Схема неуравновешенного моста с терморезистором представлена на рис. 4. Исходное уравновешивание моста (т. е. при отсутствии на его входе измеряемой мощности СВЧ-колебаний) обеспечивается схемой температурной компенсации, состоящей из потенциометра К плавной регулировки и вспомогательного генератора Г с частотой выходных колебаний 50...100 кГц. При равновесии моста ток в измерительной диагонали и показания гальванометра равны нулю. Измеряемая мощность СВЧ РВХ попадает на термистор R1, в результате его сопротивление понизится и через гальванометр начнет протекать ток. Шкалу гальванометра градуируют в единицах электрической мощности, используя калиброванный источник постоянного тока ЕПИТ. Индуктивность L препятствует протеканию переменного тока генератора в цепь моста постоянного тока.

Рисунок 4. Схема неуравновешенного моста с терморезистором

К преимуществу измерителя электрической мощности, построенного на основе неуравновешенного моста с терморезистором, относится наглядность индикации результата измерений, а к недостатку — сравнительно малая точность измерений. Последнее объясняется двумя основными причинами. Во-первых, неизбежное при измерении мощности СВЧ-колебаний изменение сопротивления терморезистора влечет за собой нарушение согласования сопротивлений термисторной камеры и линии передачи электромагнитных колебаний. Вследствие этого возникает частичное отражение электромагнитной волны от нагрузки, а значит, неполное рассеяние измеряемой мощности на термисторе. Во-вторых, по мере естественного изменения характеристик термистора (или при его замене) нарушается установленное при градуировке соответствие между показаниями прибора и величиной рассеиваемой мощности СВЧ-колебаний.

Более высокую точность измерений обеспечивают уравновешенные мосты, в которых измеряемую мощность СВЧ-колебаний сравнивают с калиброванной мощностью постоянного тока. Одна из таких схем измерительного уравновешенного моста с терморезистором представлена на рис. 5.

Рисунок 5. Схема уравновешенного моста с терморезистором

Терморезистор Rt, находящийся в измерительной головке, включают в одно из плеч моста. Остальными плечами моста являются резисторы R1, R2, R3, равные по значению условному сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Напряжение питания Е на уравновешенный мост подают через резистор R4,, сопротивление которого велико, и поэтому через него протекает достаточно малый ток питания I0. Параллельно мосту включен делитель из сопротивлений R5, R6. Резистор R6 представляет собой реостат, с движком которого связана измерительная шкала (для упрощения на рис. 8.5 не показана); через этот резистор протекает ток Iш, отсчитываемый по шкале. От сопротивления резистора R6 зависит ток 1Rt , протекающий через терморезистор. Поскольку ток питания моста IМ = I0 - Iш, то при уравновешенном мосте ток терморезистора IRt = 0,5IМ.

До подачи мощности СВЧ-колебаний мост балансируют двумя источниками питания: напряжениями постоянного тока Е и переменного тока генератора Г. При этом положение движка реостата R6 устанавливают так, чтобы его сопротивление было максимальным, если используют термистор, или минимальным, если используют болометр. При подаче мощности СВЧ-колебания баланс моста нарушается, и его восстанавливают, изменяя ток питания моста с помощью сопротивления R6 и источника питания Е. Для термисторов нужно увеличивать шунтирующее действие, т. е. уменьшать сопротивление реостата R6, а для болометров — наоборот. Обычно шкалу движка реостата R6 градуируют в ваттах. Начальная балансировка моста переменным напряжением генератора позволяет исключить влияние температуры окружающей среды и сохранить градуировку при старении терморезисторов и их замене.

Промышленные терморезисторные ваттметры имеют общую абсолютную погрешность порядка 4... 10 %.

Измерение мощности СВЧ-колебаний с помощью термопар. Этот метод измерения мощности СВЧ-колебаний основан на регистрации значения термо-ЭДС, возникающей при нагревании термопары СВЧ-энергией. Структурная схема ваттметра состоит из приемного термопреобразователя и измерительной части. Основным элементом термопреобразователя является блок высокочастотных дифференциальных термопар, одновременно выполняющих функции согласованной нагрузки и дифференциального термометра. В СВЧ-диапазоне применяются термопары в виде тонких металлических пленок, напыленных на специальную диэлектрическую подложку. Измерительная часть такого прибора содержит вольтметр постоянного тока с цифровым дисплеем.

К преимуществам ваттметров с термопарами следует отнести малую зависимость результатов измерения от колебаний температуры окружающей среды и короткое время подготовки прибора к работе. Недостатки ваттметров — ограниченный верхний уровень динамического диапазона измерения и слабая устойчивость к перегрузкам, ограничивающая допустимое значение средней мощности при измерении импульсных сигналов.

Практически стандартные термисторы способны выдерживать без физического разрушения уровни мощности, не превышающие 75... 100 мВт. Уровень измеряемой мощности можно несколько увеличить, если перед термисторной камерой поместить калиброванный аттенюатор.

Аттенюатор — СВЧ-устройство, у которого выходная мощность Рвых в заданное число раз меньше входной мощности Рвх. Результат измерения СВЧ-мощности равен показанию прибора, умноженному на коэффициент ослабления аттенюатора: kосл = Рвх / Рвых. Аттенюаторы различают по принципу действия (поглощающие, предельные) и конструкции (волноводные, коаксиальные, полосковые). Они бывают с фиксированным или изменяемым (в том числе и нецелочисленным) коэффициентом ослабления (затухания). Аттенюаторы СВЧ-диапазона существенно отличаются от аттенюаторов, упоминавшихся выше при описании схем вольтметров и универсальных осциллографов (они работают на частотах ниже СВЧ-диапазона), которые выполняются на элементах с сосредоточенными параметрами.

Волноводный поглощающий аттенюатор состоит из отрезка металлического волновода, внутри которого помещен слой специального вещества, эффективно поглощающего СВЧ-энергию. Коэффициент ослабления (поглощения) энергии определяют свойства вещества, а также размеры и расположение поглощающего слоя относительно электрической составляющей электромагнитного поля волновода.

В предельных аттенюаторах используют явление экспоненциального затухания электромагнитного поля вдоль волновода, поперечные размеры которого для рабочей длины волны должны быть выбраны меньше критических.

Аттенюаторы с плавным изменением коэффициента затухания и шкалой, проградуированной в децибелах, чаще всего применяются в приборах, в которых результат измерения фиксируется в относительных единицах.

Калориметрический измеритель мощности СВ Ч-колебаний. Калориметрический метод измерения мощности является наиболее универсальным и его используют во всем радиотехническом диапазоне частот как для малых, так и для больших мощностей. Он отличается от других методов повышенной точностью измерения.

Калориметрический метод основан на преобразовании энергии электромагнитных колебаний, поглощаемых согласованной нагрузкой, в тепловую. Поглощение энергии поглотителем, являющимся основным элементом прибора, можно зарегистрировать либо непосредственно по изменению его температуры, либо косвенно как изменение объема, давления или других характеристик.

Калориметрические измерители состоят из двух частей: поглощающей нагрузки и измерителя температуры. Наиболее распространены нагрузки с проточной водой. Для определения величины уровня мощности используют формулу

P 4.17 cGdT, (8)

где для калориметрической воды ваттметра: с — удельная теплоемкость, кал/(г · град); G — расход, см3/с; d — удельная масса, г/см2 ; T — разность температур на входе и выходе калориметра, град.

Структура водяной поглощающей калориметрической нагрузки показана на рис. 6. Внутри отрезка волновода 1 закреплен стеклянный конус 2, через который протекает вода. В основание конуса впаяны две трубки 3 и 4. Вода входит в трубку 4, а вытекает через трубку 3. Нагрузку соединяют с источником измеряемой мощности соединительным фланцем 5. Заполненный водой конус представляет собой нагрузку с большим затуханием. Разность температур измеряют термопарами, включенными на входе и выходе воды в нагрузку. Термопары включены встречно, так что индикаторный прибор фиксирует разность температур. Погрешности образцовых калориметров составляют около 1%, а промышленные калориметры обеспечивают погрешность 2,5... 5%.

Рисунок 6. Структура водяной поглощающей нагрузки калориметрического ваттметра

3.2. Измерение мощности СВЧ-колебаний ваттметрами проходящей мощности

Под проходящей мощностью Рпр понимают разность мощностей падающей Рпад и отраженной Ротр электромагнитных волн:

Рпр = Рпад + Ротр. (9)

Измерение мощности с помощью направленных ответвителей. Проходящую мощность можно измерить с помощью направленных ответвителей.

Направленным ответвителем называется СВЧ-устройство из двух отрезков волноводов, в котором часть энергии электромагнитной волны, распространяющейся в основном волноводе, посредством элементов связи ответвляется во вспомогательный волновод и передается в требуемый канал.

Наряду с направленными ответвителями в ваттметрах применяются приборы, действие которых основано на использовании физических явлений, не требующих полного поглощения измеряемой энергии. К таким приборам относятся измерители мощности на преобразователях Холла, ваттметры с поглощающей стенкой и др. В последние годы для измерения мощности СВЧ-колебаний начали использовать эффект так называемых горячих носителей тока в полупроводниках.

В волноводных измерителях мощности падающие и отраженные волны СВЧ-энергии разделяют волноводным направленным ответвителем, структурная схема которого показана на рис. 7. Конструкция, классического волноводного направленного ответвителя состоит из двух волноводных линий: главной А и вспомогательной В, имеющих общую стенку. По главной волноводной линии распространяется падающая волна от генератора к нагрузке и отраженная от нагрузки к генератору. Вспомогательная волноводная линия работает в режиме согласования с обеих сторон.

Рисунок 7. Структурная схема волноводного направленного ответвителя:

А — главная; В — вспомогательная

Между главной и вспомогательной волноводов линиями в общей стенке проделаны отверстия. Расстояние между отверстиями с - d равно четверти длины волны, распространяющейся в главной линии. Через отверстия c и d падающая и отраженная волны проникают во вспомогательную линию, однако фазовые сдвиги этих волн таковы, что около отверстия d падающие волны складываются — точка 1, а отраженные — вычитаются и взаимно компенсируются — точка 2. Около отверстия с, наоборот, складываются отраженные волны — точка 3 и взаимно компенсируются падающие волны — точка 4. В результате падающая волна поступает на ваттметр, а мощность отраженной волны рассеивается на согласованной нагрузке 5. Таким образом измеряют мощность падающей волны. Измерение мощности отраженной волны, необходимое для определения проходящей мощности, можно осуществить тем же ответвителем, или вторым, развернутым на 180 °.

Достоинствами ваттметров, построенных на основе волноводных направленных ответвителей, являются достаточно широкие пределы измеряемой мощности (10-4...105 Вт); возможность раздельного измерения падающей, отраженной и проходящей мощности. Диапазон рабочих частот составляет 0,03...40 ГГц, пределы допускаемых погрешностей — 2,5... 10 %.

Измерение мощности ваттметрами с преобразователями Холла. Прямое перемножение сигналов при измерении мощности также можно получить с помощью полупроводниковых преобразователей Холла (рис. 8).

а б

Рисунок 8. Преобразователи Холла:

а — возникновение эффекта в электромагнитном поле;

б — принцип измерения мощности в волноводе

Если специальную полупроводниковую пластину, по которой протекает ток I (показан штриховой линией на рис. 8, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью Я (индукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям протекающего тока I и магнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла):

UX = kEH, (10)

где k — коэффициент пропорциональности.

Согласно общеизвестной в физике теоремы Умова — Пойнтинга (Н.А. Умов, 1846-1915, русск. физик; Дж. Пойнтинг, 1852-1914, англ, физик), плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в нет которой точке поля определяется векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля: П = [Е * H]. Этот вектор является вектором плотности потока электрической мощности — вектором Пойнтинга, указывающим направление распространении электромагнитных волн.

Из приведенных рассуждений следует, что если ток I будет функции ей электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения от проходящей мощности: UX = gР, где g — постоянный коэффициент, характеризующий образец (частоту, проводимость и пр.) Для измерения такой мощности пластину полупроводника — пластинку Холла (ПХ) помещают в волновод, как показано на рис. 8, б.

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

• может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;

• высокое быстродействие ваттметра позволяет применять его при измерении импульсной мощности.

Однако практическая реализация ваттметров, построенных на эффекте Холла, — достаточно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее разработаны такие ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.

Ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока. Из курса физики известно, что под воздействием электрического поля в полупроводнике увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей заряда (электронов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры относительно температуры кристаллической решетки материала. Это явление называют разогревом носителей зарядов. При неоднородном «разогреве» полупроводниковой пластины возникнет поток носителей зарядов из «горячей» области в «холодную». При этом оказывается, что ток в замкнутой цепи практически равен нулю, что свидетельствует о возникновении ЭДС, противодействующей движению потока носителей зарядов. Значение возникшей ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины. Для усиления описанного эффекта, неоднородному «разогреву» следует подвергать полупроводник, концентрация носителей в котором пространственно неоднородна.

Если «разогрев» осуществляют энергией СВЧ-поля, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощности. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколько порядков меньше времени установления температуры кристаллической решетки, ваттметры на основе разогрева носителей зарядов позволяют непосредственно измерять импульсную мощность при длительностях импульсов до 0,1 мкс. Основные узлы ваттметра на эффекте «горячих» носителей тока — приемный преобразователь с полупроводниковым элементом и измерительное устройство с цифровым отсчетом.

Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механического) ваттметра основано на использовании давления электромагнитных волн. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Пондеромоторные ваттметры обладают высокой точностью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. К их недостаткам можно отнести необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности.

4. Цифровые методы измерения мощности

Повсеместно внедряемая в последние годы в измерительной технике автоматизация процессов измерения распространилась и на средства измерения мощности. Необходимость в автоматизации; средств измерения мощности обусловлена двумя основными причинами: во-первых, развитием автоматических систем контроля и, во-вторых, сложностью управления работой, связанной с балансировкой мостовых схем.

В цифровых ваттметрах применяют различные типы преобразователей мощности, в том числе и терморезисторные. Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра показана на рис. 9.

Рисунок 9. Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра

Основным элементом структурной схемы ваттметра является микропроцессор. Усилитель постоянного тока УПТ усиливает выходное напряжение термоэлектрического приемного преобразователя до значения, обеспечивающего устойчивую работу блока АЦП. Напряжение, пропорциональное значению измеряемой мощности, преобразуется с помощью времяимпульсного преобразователя (на схеме для упрощения не показан) в интервал времени, который заполняют импульсами опорной частоты. Число импульсов, заполнивших интервал времени, пропорциональное измеряемой мощности, отображается в значениях мощности на ЦОУ или выводится в специализированное; устройство обработки измерительной информации.

Микропроцессор ваттметра содержит элементы автоматического управления режимами работы прибора и дистанционного переключения пределов измерения, индикации условного обозначения измеряемой величины. Калибратор мощности переменного тока используют для самокалибровки ваттметра, а калибратор мощности постоянного тока — для калибровки цифрового ваттметра, работающего с преобразователями на средних и больших уровнях мощности. Все электронные узлы ваттметра подключают к встроенному источнику питания.

Приемный преобразователь состоит из отрезка коаксиальной, полосковой или волноводной линии со стандартным высокочастотным разъемом, поглощающего элемента, термоэлектрического модуля и «образца сравнения». Поглощающий элемент представляет собой тонкопленочный резистор на теплопроводящей (бериллиевой) керамике. Центральным проводником коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавеющей стали, исключающая тепловое влияние внешней среды на поглощающий элемент. Для уменьшения потерь в СВЧ-диапазоне трубку покрывают медью и серебром. Один конец поглощающего элемента за счет плотной посадки имеет электрический контакт с центральным проводником, а другой — впаян в согласующий медный экран с серебряным покрытием. В согласующем экране предусмотрено ступенчатое изменение диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот. Термоэлектрический модуль представляет собой диск с отверстием и расположен так, что горячий спай имеет тепловой контакт с внешней поверхностью согласующего экрана в месте пайки поглощающего элемента, а холодный спай — с «образцом сравнения». К выводам термоэлектрического модуля припаивают провода соединительного кабеля. Для защиты модуля от случайных внешних тепловых воздействий используют внутренний и внешний экраны. На внешнем экране укреплены ребра, образующие вместе с экраном радиатор. Применение радиатора позволяет увеличить мощность рассеяния преобразователя.

Цифровой ваттметр с микропроцессором осуществляет ряд автоматизированных операций: автоматический выбор пределов измерений уровня электрической мощности, автоматическую установку нуля и самокалибровку. Кроме того, предусматривают выход информации на канал общего пользования при включении ваттметра в состав информационно-измерительной системы.

Литература

Ляшко, А.А. Товароведение, экспертиза и стандартизация: Учебник / А.А. Ляшко, А.П. Ходыкин, Н.И. Волошко. - М.: Дашков и К, 2013. - 660 c.

Маргвелашвили, Л.В. Метрология, стандартизация и сертификация на транспорте: Лабораторно-практические работы: Учебное пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / Л.В. Маргвелашвили. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 208 c.

Нефедов, В.И. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник / А.С. Сигов, В.И. Нефедов, В.К. Битюков, Е.В. Самохина; Под ред. А.С. Сигов. - М.: Форум, 2012. - 336 c.

Николаева, М.А. Стандартизация, метрология и подтверждение соответствия : Учебник / М.А. Николаева, Л.В. Карташова. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 336 c.

Прорвич, В.А. Стандартизация оценки недвижимого имущества / В.А. Прорвич. - М.: Экономика, 2006. - 602 c.

Радкевич, Я.М. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник для бакалавров / Я.М. Радкевич, А.Г. Схиртладзе. - М.: Юрайт, 2013. - 813 c.

Романычев, Н.Н. Социальная квалиметрия, оценка качества и стандартизация социальных услуг: Учебник для бакалавров / Н.Н. Романычев, Н.Н. Стрельникова, Л.В. Топчий. - М.: Дашков и К, 2013. - 184 c.

Сергеев, А.Г. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник для бакалавров / А.Г. Сергеев, В.В. Терегеря. - М.: Юрайт, ИД Юрайт, 2013. - 838 c.

Суворова, С.П. Основы внутрифирменной стандартизации аудиторской деятельности : учеб. пособ. / С.П. Суворова, Н.В. Парушина, Е.В. Галкина, А.М. Ковалева. - М.: ИД ФОРУМ, ИНФРА-М, 2011. - 336 c.

Схиртладзе, А.Г. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник / А.Г. Схиртладзе, Я.М. Радкевич. - Ст. Оскол: ТНТ, 2013. - 540 c.

Сыцко, В.Е. Стандартизация и оценка соответствия: Учебное пособие / В.Е. Сыцко, Л.В. Целикова, К.И. Локтева. - Мн.: Вышэйшая шк., 2012. - 237 c.

Тартаковский, Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений / Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов. - М.: Высшая школа, 2001. - 346 c.

Хрусталева, З.А. Метрология, стандартизация и сертификация. Практикум: Учебное пособие / З.А. Хрусталева. - М.: КноРус, 2013. - 176 c.

Шишмарев, В.Ю. Метрология, стандартизация, сертификация и техническое регулирование : Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / В.Ю. Шишмарев. - М.: ИЦ Академия, 2012. - 320 c.

Эрастов, В.Е. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебное пособие / В.Е. Эрастов. - М.: Форум, 2010. - 208 c.

Подвижная катушка

UН

Неподвижная

катушка

RДОП

ZН

1=IН

Генератор

Нагрузка

Измеритель поглощаемой мощности

Нагрузка – измеритель поглощаемой мощности

Генератор

Измеряемая мощность

ЦОУ

Микропроцессор

АЦП

УПТ

Приемный преобразователь

Источник питания

Измерение мощности электрических сигналов