Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
R Z н PA2 PA3 PA1 б I 2 0 Суммирующее устройство Квадратор Вычитающее устройство Квадратор Вычитающее устройство Фильтр Раздел 2. Измерительная техника 454 2 2 2 1 2 3 2 3 cos 2 U U U U U (14.7) Сопротивление резистора R должно иметь значение, близкое к зна- чению |Z н |. Также желательно, чтобы внутренние сопротивления вольтметров во много раз превосходили значение |Z н |. По этой причине способ трех вольт- метров используют в тех случаях, когда Z н достаточно малó. Вторая схема (способ трёх амперметров) в основном используется при достаточно больших значениях Z н . По показаниям амперметров стро- ится треугольник токов, из которого определяют искомое значение cos φ: 2 2 2 1 2 3 2 3 cos 2 I I I I I (14.8) Во второй схеме желательно использовать амперметры, собственное сопротивление которых малó по сравнению с величиной нагрузки |Z н |. 14.3. Измерение мощности на промышленных частотах Более высокую точность умножения схем на квадраторах (рис. 14.1) обеспечивает операция интегрирования, которую применяют в точных из- мерительных преобразователях активной мощности промышленной часто- ты. Перемножение реализуют в два этапа. На первом этапе величину ( ) 1 i x запоминают путём её интегрирования в пределах строго определенного малого интервала времени t и : и 1 1 ( ) ( ) ( ) 1 1 и 1 0 t i i i x U k x dt k t x , (14.9) где k 1 – коэффициент пропорциональности; t и – постоянный интервал интегрирования; i – момент дискретизации перемножаемых величин. На втором этапе реализуют два процесса. Величину 1 ( ) i x u преобразуют в пропорциональный интервал времени: 1 1 ( ) ( ) ( ) 2 1 2 и 1 i i i x x T k u k k t x , (14.10) где k 2 – коэффициент пропорциональности. Глава 14. Измерение мощности 455 Практически эту операцию выполняют с помощью преобразования, аналогичного используемому в интегрирующих АЦП. Одновременно в пределах того же интервала времени 1 ( ) i x T осуществляют интегрирование второй перемножаемой величины. Результат интегрирования определяет выражение ( ) и и ( ) вых 3 2 i xi t T i t U k x dt , (14.11) где k 3 – коэффициент пропорциональности. Полагая, что 1 ( ) ( ) ( ) 2 2 i i i x x x T в пределах 1 ( ) i x T постоянна, имеем 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) вых 3 2 1 2 3 1 2 1 2 i i i i i i и x U k x T k k k t x x k x x , (14.12) где k = k 1 ·k 2 ·k 3 ·t и – коэффициент пропорциональности. Таким образом, выходное напряжение пропорционально произведе- нию входных величин. Внедрение в измерительную технику микропроцессоров позволяет осуществлять операцию умножения программным способом. При этом оп- ределение активной мощности по измеренным мгновенным значениям то- ка и напряжения сведется к реализации соотношения пр пр пр пр 1 0 1 1 T T F k j k t k P T U t i t dt T U , (14.13) где F = 1 / Δt – частота дискретизации силы тока и напряжения; T пр – период промышленной частоты. Практически частоту дискретизации выбирают в пределах несколь- ких десятков килогерц. 14.4. Электродинамические ваттметры В цепях с током промышленной частоты активная мощность измеря- ется с помощью электродинамических ваттметров, показания которых со- ответствуют формуле 0 1 cos T i P u dt UI T Принцип действия электродинамического ваттметра основан на том, что угол поворота α рамки (со стрелкой) электродинамического прибора Раздел 2. Измерительная техника 456 пропорционален произведению токов, умноженному на косинус угла между ними: α = k I 1 I 2 cos φ, (14.14) где k – постоянный для данного прибора коэффициент. Пусть требуется измерить активную мощность, потребляемую неко- торой нагрузкой Z н , к которой приложено действующее значение напряже- ния U н и через неё протекает гармонический ток со средним квадратическим значением I н , сдвинутый по фазе на угол по отношению к напряжению. Схема включения катушек ваттметра показана на рис. 14.3, где R доб – добавочное сопротивление. Если параметры ваттметра выбраны так, что R доб >> Z н , то ток в неподвижной катушке I 1 I н , а в подвижной – I 2 ≈ U н / R доб Поэтому угол отклонения стрелки α ваттметра с учетом (14.4) будет про- порционален активной мощности в нагрузке Р: α = (k I н U н / R доб ) cos φ ≈ kР, (14.15) где k – коэффициент пропорциональности. Рис. 14.3. Схема электродинамического ваттметра Ваттметры электродинамической системы могут применяться для измерения электрической мощности в цепях как постоянного, так и пере- менного тока, но наиболее широко используют их для измерения мощно- сти промышленной частоты. 14.5. Метод, основанный на эффекте Холла Эффектом Холла называют явление возникновения поперечной разности потенциалов во всякой проводящей пластине, помещённой в маг- нитное поле, если вдоль неё протекает электрический ток и магнитное по- I 2 R доб I 1 = I н U н Z н U Подвижная катушка Неподвижная катушка Глава 14. Измерение мощности 457 ле перпендикулярно направлению электрического тока. Под действием магнитной составляющей Н электромагнитного поля заряды, движущиеся с некоторой скоростью, испытывают силу, отклоняющую их к боковой грани пластины. В результате накопления зарядов создается холловское электрическое поле Е х Эффект Холла наиболее явно выражен в полупроводниковых эле- ментах, которые обладают большой подвижностью носителей тока (герма- ний, кремний и др.). Он заключается в возникновении поперечной разно- сти потенциалов Е (х) ЭДС Холла в полупроводниковой пластине, по кото- рой в продольном направлении протекает электрический ток, создаваемый электрическим полем электромагнитной волны, а сама пластина помещена в магнитное поле с индукцией В (рис. 14.4). Рис. 14.4. Схема конструкции ваттметра с преобразователем Холла Под действием электромагнитного поля(Е у и Н х )электрические заряды отклоняются к боковой грани преобразователя 1. Усредненное за период значение напряженности холловского поля Е ср = μ · u · П z ср , (14.6) где μ – магнитная проницаемость среды, Г/м; и – подвижность носителей тока, м 2 /В·с; П z ср – плотность потока мощности, Вт/м 2 При распространении электромагнитной волны в свободном про- странстве сдвиг фаз между составляющими поля равен нулю, поэтому П z ср = Е у · Н х / 2, (14.7) где Е у и Н х – амплитудные составляющие поля. Среднее значение ЭДС Холла пропорционально размеру l пластинки и определяется по формуле E ср (x) = μ · u · П z ср (14.8) H x E y P П z 1 2 l Раздел 2. Измерительная техника 458 Следовательно, среднее значение ЭДС Холла пропорционально мощности, проходящей через сечение пластинки, и гальванометр можно проградуировать в значениях мощности. Чувствительность германиевых элементов невелика и составляет 1…10 мкВ/Вт, у элементов из сурьмяни- стого индия – 3…7 мкВ/Вт, поэтому для увеличения чувствительности ваттметров используются усилители. Достоинствами ваттметров, в которых используется эффект Холла, являются: линейность градуировки шкалы, простота, надёжность и малая инерционность, что позволяет использовать элементы Холла для измере- ния импульсной мощности. Недостатки этих ваттметров: низкая чувстви- тельность и точность измерений, зависящая от температуры из-за измене- ния подвижности носителей тока, малый динамический диапазон. 14.6. Измерение мощности в диапазоне СВЧ Способы измерения мощности СВЧ существенно отличаются от рас- смотренных. Все они основаны на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения. Средства измерения мощности СВЧ подразделяют на измерители поглощаемой и проходящей мощностей. К первой группе относятся приборы, измеряющие мощность, рассеи- ваемую на активной нагрузке, являющейся частью самого измерительного прибора. Так как нагрузка должна полностью поглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенном потребителе. Результат измерения будет точным, если входное сопротив- ление прибора согласовано с внутренним сопротивлением исследуемого генератора или волновым сопротивлением линии передачи. Ко второй группе относятся приборы, измеряющие мощность, рас- пространяющуюся по линии передачи при нормальной работе потребите- ля. В основе их принципа действия, как правило, лежит теорема Умова – Пойнтинга, согласно которой плотность потока мощности определяется векторным произведением напряженностей электрической Е и магнитной Н составляющих поля: П = Е Н*. Знак * означает комплексную сопряжён- ность. В диапазонах ВЧ и СВЧ измерение мощности производится прямым методом при помощи специальных приборов – ваттметров. На частотах свыше 10 МГц широко применяются методы, основан- ные на преобразовании энергии электромагнитного поля в другие виды энергии, удобные для измерения. Это связано с тем, что размеры входных цепей измерительных устройств l соизмеримы с длиной волны λ, что явля- Глава 14. Измерение мощности 459 ется одной из причин неоднозначности измерения напряжения и тока. Ча- ще всего энергию СВЧ преобразуют в энергию постоянного тока. Ваттметр СВЧ – прибор для измерения мощности СВЧ-колебаний, шкала которого проградуирована в единицах мощности (ватт). Ваттметры СВЧ применяются при техническом обслуживании, регулировке, разра- ботке, поверке источников СВЧ-сигналов (генераторов СВЧ). Основными узлами любого ваттметра СВЧ являются: измерительный преобразователь; измерительный блок ваттметра с отсчётным устройством. В измерительном преобразователе энергия электромагнитных СВЧ-колебаний преобразуется в другой вид энергии (например, в тепло- вую, механическую и т. п.) или в электрический сигнал, достаточный для измерения низкочастотными устройствами. По характеру преобразования электромагнитной энергии в изме- рительном преобразователе ваттметры СВЧ подразделяются на следующие типы: тепловые ваттметры (калориметрические, болометрические, тер- мисторные, термоэлектрические); пондеромоторные ваттметры; электронные ваттметры (диодные, на эффекте Холла и др.). В зависимости от уровня измеряемой мощности различают ватт- метры: малой мощности (до 10 мВт); средней мощности (от 10 мВт до 10 Вт); большой мощности (свыше 10 Вт). В зависимости от конструкции ваттметры могут быть: с коаксиальным входом; с волноводным входом. По характеру измеряемой мощности различают ваттметры СВЧ средней и пиковой мощности. Среднее значение мощности в общем случае ср 0 1 Т P Р t dt Т , (14.9) где Т – интервал усреднения; Р(t) – мгновенное значение мощности. Под пиковой мощностью Р понимают усреднённое значение СВЧ пиковой мощности за один период несущей частоты, соответствующей максимуму огибающей импульса мощности. Связь между пиковой и средней мощностью пикового сигнала выра- жается зависимостью P пик = K фи · Q · P ср , (14.10) Раздел 2. Измерительная техника 460 где K фи – коэффициент формы импульса, имеющий значение отношения максимальной высоты (пиковой мощности) действительного импульса мощности к высоте эквивалентного прямоугольного импульса той же ши- рины и площади; Q – скважность импульсов. Для СВЧ-радиоимпульсов с огибающей прямоугольной формы K фи = 1 импульсная мощность (среднее значение мощности в импульсе) P и = Q · P ср (14.11) Если форма импульса отлична от прямоугольной, то понятие им- пульсная форма становится неопределённой. Ваттметры по точности подразделяются на следующие классы точ- ности: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0; 25,0. По способу включения ваттметров СВЧ в тракт для измерения мощ- ности различают ваттметры: проходящей мощности (проходные) – М2-....; поглощаемой мощности (оконечные) – М3-... . Структурные схемы таких ваттметров представлены на рис. 14.5, а и б соответственно. По назначению ваттметры можно разделить на следующие группы: установки для поверки ваттметров (М1); преобразователи приёмные (го- ловки ваттметров М5); ваттметры поглощаемой мощности (М3). а б Рис. 14.5. Структурные схемы ваттметров Принципиальное различие этих групп ваттметров заключается в том, что измерительные преобразователи проходящей мощности потребляют незначительную часть мощности, проходящей в нагрузку, и почти не ока- зывают никакого влияния на условия распространения электромагнитной энергии в передающем тракте. Измерительные преобразователи ваттмет- Вход Преобразователь первичный измерительный Блок измерительный Нагрузка Вход Преобразователь первичный измерительный Блок измерительный Глава 14. Измерение мощности 461 ров поглощаемой мощности (рис. 14.5, б) являются нагрузкой для источ- ника ЭМ колебаний и рассеивают всю подводимую к нему мощность. Из- мерительная цепь ваттметра СВЧ преобразует выходной сигнал измери- тельного преобразователя в сигнал, удобный для индикации и подачи на отсчётное устройство. В зависимости от применяемого преобразователя измерительная цепь может быть построена, например, в виде усилителей постоянного или переменного тока НЧ, импульсного усилителя, самоба- лансирующегося моста, механической измерительной системы. Отсчётное устройство индицирует измеряемую мощность в аналого- вой или цифровой форме. 14.7. Калориметрический метод Калориметрический способ – наиболее универсальный способ из- мерения мощности СВЧ в пределах от единиц милливатт до сотен киловатт. Обычно его используют при точных измерениях относительно больших мощностей. Способ основан на эквивалентном преобразовании измеряемой энергии СВЧ в теплоту и измерении приращения температуры калориметрического тела, поглотившего эту энергию. Энергия СВЧ может рассеиваться непосредственно в калориметрическом теле или на резистив- ной нагрузке, помещённой в нём. Вне зависимости от формы колебаний результатом измерения будет среднее значение мощности. Различают два вида калориметрических измерений: статический (адиабатический) и циркуляционный. Статический измеритель (рис. 14.6) состоит из согласованной по- глощающей нагрузки, калориметрического тела и измерителя температу- ры. Измеряемую мощность Р х по волноводу подводят к нагрузке, преобра- зуют в теплоту и нагревают калориметрическое тело. Связь между скоро- стью приращения температуры и значением измеряемой мощности определяется соотношением 2 1 2 1 4,17 0,24 τ τ x c n t t t t P c m , (14.12) где Р х – измеряемая мощность, Вт; 0,24 – тепловой эквивалент paботы, кал/Дж; M – масса калориметрического тела, г; с – его удельная теплоёмкость, кал/(г · град); Δτ – время измерения, с; (t 2 – t 1 ) – приращение температуры, °С. Раздел 2. Измерительная техника 462 Рис. 14.6. Калориметрический (статический) измеритель мощности В качестве калориметрического (рабочего) тела используют воду. Для получения высокой точности измерений необходимо обеспечить надежную теплоизоляцию калориметрического тела от окружающей сре- ды. Для этого в подводящем волноводе предусмотрена теплоизолирующая секция. Преимуществом способа является простота измерений. Предвари- тельную градуировку ваттметра можно выполнить при рассеивании калиб- рованной мощности постоянного тока (или тока промышленной частоты). Основным недостатком способа является необходимость в периодическом отключении ваттметра для его охлаждения. Кроме воды, в качестве рабочего тела используют твёрдые (объём- ные или пленочные) поглотители мощности СВЧ. Такой калориметр назы- вают сухим. Он представляет собой коаксиальную или волноводную со- гласованную нагрузку, помещённую в теплоэкранирующую камеру. По- вышение температуры рабочего тела регистрируют с помощью блока дифференциальных термопар, «горячие» спаи которых имеют контакт с рабочим телом, а «холодные» – с корпусом прибора. Поглощающие нагрузки бывают волноводными и коаксиальными. Корпус нагрузки, вставляемой в торец прямоугольного волновода, пред- ставляет собой пустотелый клин из специального диэлектрика с малыми потерями на рабочей частоте. Через нагрузку с постоянной скоростью про- текает вода, которая, будучи диэлектриком с большими потерями, обеспе- чивает непосредственное поглощение мощности СВЧ. Согласование на- грузки с волновым сопротивлением волновода обеспечивают выбором формы и размеров клина. Через основание клина проходят две трубки для включения нагрузки в циркуляционную систему калориметра. P x 1 2 3 4 5 6 Глава 14. Измерение мощности 463 Основными причинами погрешности измерений являются: отсутствие точного согласования нагрузки прибора с волновым сопротивлением волновода (коаксиальной линии); непостоянство расхода калориметрического тела и изменение его физических характеристик; неэквивалентность тепловых потерь при рассеянии энергии СВЧ и энергии низкой частоты. 14.8. Метод терморезистора, болометры, термисторы Для измерения малых уровней мощности применяются терморези- сторные ваттметры. В качестве чувствительных элементов – терморези- сторов – в таких ваттметрах используются болометры и термисторы, изме- няющие своё сопротивление под воздействием измеряемой мощности. |