Вимірювання потужності і енергії схеми. Вимірювання потужності постійного і змінного однофазного струму

З виразу для потужності на постійному струмі Р \u003d IU видно, що її можна виміряти за допомогою амперметра і вольтметра непрямим методом. Однак в цьому випадку необхідно проводити одночасний відлік по двом приладам і обчислення, що ускладнюють вимірювання і знижують його точність.

Для вимірювання потужності в колах постійного і застосовують прилади, які називаються ватметр, для яких використовують електродинамічні та феродинамічні вимірювальні механізми.

Електродинамічні ватметри випускають у вигляді переносних приладів високих класів точності (0,1 - 0,5) і використовують для точних вимірювань потужності постійного і змінного струму на промислової і підвищеної частоті (до 5000 Гц). Феродинамічні ватметри частіше в цього зустрічаються у вигляді щитових приладів щодо низького класу точності (1,5 - 2,5).

Застосовують такі ватметри головним чином на змінному струмі промислової частоти. На постійному струмі вони мають значну похибку, яка обумовлена \u200b\u200bгистерезисом сердечників.

Для вимірювання потужності на високих частотах застосовують термоелектричні і електронні ватметри, що представляють собою електромагнітний вимірювальний механізм, забезпечений перетворювачем активної потужності в постійний струм. У перетворювачі потужності здійснюється операція множення ui \u003d р і отримання сигналу на виході, залежить від твору ui, т. Е. Від потужності.

На рис. 1, а показана можливість використання електродинамічного вимірювального механізму для побудови ваттметра і вимірювання потужності.

Рис. 1. Схема включення ватметра (а) і векторна діаграма (б)

Нерухома котушка 1, що включається в ланцюг навантаження послідовно, називається послідовним колом ваттметра, рухлива котушка 2 (з додатковим резистором), що включається паралельно навантаженню - паралельним ланцюгом.

Для ваттметра, що працює на постійному струмі:

Розглянемо роботу електродинамічного ватметра на змінному струмі. Векторна діаграма рис. 1, б побудована для індуктивного характеру навантаження. Вектор струму Iu паралельної ланцюга відстає від вектора U на кут γ внаслідок деякої індуктивності рухомої котушки.

З цього виразу випливає, що ватметр правильно вимірює потужність лише в двох випадках: при γ \u003d 0 і γ \u003d φ.

Умова γ \u003d 0 може бути досягнуто створенням в паралельній ланцюга, наприклад включенням конденсатора З відповідною ємності, як це показано штриховою лінією на рис. 1, а. Однак резонанс напруг буде лише при деякій певній частоті. Зі зміною частоти умова γ \u003d 0 порушується. При γ що не дорівнює 0 ватметр вимірює потужність з похибкою β y, Яка носить назву кутовий похибки.

При малому значенні кута γ (Γ зазвичай становить не більше 40 - 50 "), відносна похибка

при кутах φ, близьких до 90 °, кутова похибка може досягати великих значень.

Другий, специфічної, похибкою ватметрів є похибка, обумовлена \u200b\u200bспоживанням потужності його котушками.

При вимірюванні потужності, споживаної навантаженням, можливі дві, що відрізняються включенням його паралельної ланцюга (рис. 2).

Рис. 2. Схеми включення паралельної обмотки ватметра

Якщо не враховувати фазових зрушень між струмами і напругами в котушках і вважати навантаження Н чисто активної, похибки β (а) і β (б), обумовлені споживанням потужності котушками ваттметра, для схем рис. 2, а і б:

де Р i і Рu - відповідно потужність, споживана послідовним і паралельним колом ватметра.

З формул для β (а) і β (б) видно, що похибки можуть мати помітні значення лише при вимірах потужності в малопотужних ланцюгах, т. Е. Коли Рi і Рu порівнянні з Рн.

Якщо поміняти знак тільки одного з струмів, то зміниться напрямок відхилення рухомої частини ваттметра.

У ваттметра є дві пари затискачів (послідовної і паралельної ланцюгів), І в залежності від їх включення в ланцюг напрямок відхилення покажчика може бути різним. Для правильного включення ватметра один з кожної пари затискачів позначається знаком «*» (зірочка) і називається «генераторним затискачем».

Міністерство освіти і науки РФ

Пензенський державний університет

Кафедра «Метрологія та системи якості»

Реферат на тему

«Вимірювання електричної потужності і енергії»

Виконала: ст. гр. 07ПЦ1

Разакова Е. Х.

Перевірила: к. Т. Н., Доц.

Сафронова К. В.

Пенза 2009

Введение ................................................................................. ..3

1 Вимірювання потужності в ланцюгах підвищеної та високої частот ............... 6

2 Вимірювання імпульсної потужності ................................................ .11

А) метод вимірювання середньої потужності з урахуванням коефіцієнта

заповнення .............................................................................. ..11

Б) метод порівняння з потужністю постійного струму……………………..12

В) інтегрально - диференційний метод ................................. ... 13

Г) метод дискретизації із запам'ятовуванням відліків ........................... .14

3 Цифрові вимірювачі потужності ................................................ ..15

4 Лічильники електричної енергії змінного струму на

основі індукційних вимірювальних механізмів .............................. 16

5 Цифрові лічильники електричної енергії……………………………….18

Список використаної літератури ................................................... .20

Вступ

Вимірювання потужності здійснюється в ланцюгах постійного і змінного струмів низької, високої частоти, а також в імпульсних ланцюгах різної вимірювальної, електротехнічної, радіоприймальної і передавальної апаратури. Діапазон вимірюваних потужностей лежить в межах 10 -16 - 10 9 Вт.

Методи вимірювання істотно відрізняються один від одного в залежності від параметрів ланцюга, в якій проводиться вимірювання потужності, межі зміни потужності і частотного діапазону.

У ланцюгах постійного струму потужність споживання навантаження визначається твором струму в навантаженні і падіння напруги на ній:

Р \u003d UI \u003d I 2 R.

У ланцюгах змінного струму миттєве значення потужності споживання: p (t) \u003d u (t) i (t).

Якщо u (t) і i (t) - періодичні функції часу з періодом Т, то середнє значення потужності споживання за період називають потужністю, або активною потужністю Р. Потужність Р з миттєвим значенням потужності p (t) пов'язана виразом

Р \u003d 1 / Т ∫ p (t) dt \u003d 1 / T∫ uidt.

Потужність вимірюється в абсолютних одиницях - ватах, похідних вата і відносних одиницях - децібелваттах ± α \u003d 10lg (P / Po), де Р - абсолютне значення потужності у ватах (або міліватах), Po - нульовий (відліковий) рівень потужності, рівний 1мВт ( або 1мВт), пов'язаний з абсолютними нульовими напруги Uo і струму Io через стандартне опір Rо співвідношенням Po \u003d U 2 o / Rо \u003d I 2 o Ro. Для вимірювання потужності використовують прямі і непрямі методи вимірювання. Прямі вимірювання здійснюються за допомогою електродинамічних, феродинамічні і електронних ватметрів, непрямі - зводяться до визначення потужності за допомогою амперметра і вольтметра або осцилографа.

Реактивна потужність повинна бути зведена до мінімуму; постачальники електроенергії карають споживачів за включення в мережу навантажень з поганим коефіцієнтом потужності. На малюнку 1 представлена \u200b\u200bсхема, що працює на змінному струмі. Видно, що реактивну потужність можна виключити, якщо вжити заходів щодо забезпечення рівності VC \u003d VL, тобто виконати корекцію коефіцієнта потужності.

На низьких частотах потужність зазвичай розраховується за виміряним значенням струму і напруги. На високих частотах, що перевищують 1 МГц, більш зручні і точні вимірювання потужності, а напруга і струм можна розрахувати. На частотах вище 1 ГГц поняття напруги і струму втрачають сенс, і потужність залишається практично єдиним вимірюваних параметром.

У колі змінного струму потужність безперервно змінюється разом зі змінами напруги і струму. Прилади вимірюють середню або постійну потужність, що при роботі на радіочастотах означає усереднення по великому числу циклів. Період, за яким здійснюється усереднення, залежить від типу сигналу. Для безперервного сигналу потужність усредняется по великому числу періодів високої частоти. У разі амплітудно - модульованого сигналу усереднення потужності проводиться за кількома циклам, а для імпульсного сигналу - по великому числу імпульсів.

Відносні результати вимірювання потужності часто виражаються в децибелах (дБ). Децибел становить одну десяту ьела. Наприклад, якщо Р2 - потужність на вході підсилювача, а Р1 - потужність на виході, то коефіцієнт посилення дорівнює

G (дБ) \u003d 10lg Р1 / Р2.

Децибел зручний для вимірювання потужності, оскільки забезпечує більш компактну форму запису; щоб знайти посилення многокаскадной схеми, досить скласти коефіцієнти посилення окремих каскадів замість їх перемноження.

На мережевих і низьких частотах найбільш широко застосовується електродинамічний вимірювальний механізм. Він придатний для вимірювання відносно високих рівнів потужності.

Прилади, призначені для вимірювання потужності на високих і надвисоких частотах, бувають двох типів: поглинають вимірювачі потужності, що містять власну навантаження, і вимірювальні лінії, в яких навантаження розташовується на деякій відстані. Поглинають прилади більш точні і зазвичай включають в себе 50-омную навантаження для роботи на високих частотах.

Вимірювання потужності в ланцюгах підвищеної та високої частот.

У ланцюгах підвищеної та високої частот проводять прямі і непрямі вимірювання потужності. У ряді випадків непрямі вимірювання краще, так як простіше вимірювати напругу, струм і опір, ніж потужність. Прямі вимірювання в основному здійснюють за допомогою електронних ватметрів. У деяких електронних ваттметром використовують електродинамічні вимірювальні механізми з попередніми посиленням струму і напруги або з попередніми випрямленням цих величин. В якості вимірювального механізму в них можна використовувати електростатичний електромер з підсилювачами напруги і струму, а також магнітоелектричні механізми з квадратора. Квадратори виконують на напівпровідникових діодах, перетворювачах і інших нелінійних елементах, робота яких здійснюється на квадратичном ділянці вольт-амперної характеристики. Операція множення ui в квадратора замінюється операціями підсумовування і зведення в квадрат. В діапазоні частот до сотень мегагерц застосовують ватметри з датчиками Холла.

На надвисоких частотах потужність вимірюють перетворенням потужності в теплоту (калориметричні методи), світло (фотометричні методи) і ін.

Калориметр. Калориметри використовуються для вимірювання високої потужності переважно в метрологічних лабораторіях. Калориметр складається з навантажувального опору в теплоизолирующем корпусі, зануреного в рідину або повітряне середовище. Рідина може бути нерухомою або втікати в калориметр і витікати з нього з відомою швидкістю. Температури рідини на виході і вході вимірюються. Якщо r - швидкість потоку холодоагенту в [см 3 / с], d - його щільність в [г / см 3], s - питома теплоємність холодоагенту, Тi - його температура на вході і То - на виході, то потужність Рi, що розсіюється в калориметр, визначається виразом

Рi \u003d \u200b\u200b(То - Тi) rds / 0, 2389 Вт

У калориметричних вимірах застосуємо метод заміщення. Наприклад, після виконання високочастотних вимірювань на калориметр подається потужність постійного струму, що дає ту ж різницю температур

(Те - Тi) при тих же умовах охолодження. Потім потужність постійного струму вимірюється і вважається рівною потужності високочастотного сигналу.

Вимірювання потужності електронним випрямним ваттметром.Принципова схемаелектронного ваттметра з квадратором, виконаним на напівпровідникових діодах, показана на рісунке2. Ватметр має два резистора в ланцюзі струму, опору яких R1 \u003d R2 багато менше опору навантаження, і два резистора опорами R3, R4 в ланцюзі напруги. Резистори R3 і R4 виконують роль подільника напруги, тому опір R3 + R4 багато більше опору навантаження ZH.

Падіння напруги на резисторах R1 \u003d R2 пропорційно току навантаження k1i, падіння напруги на резисторі R3 дільника пропорційно напрузі на навантаженні, т. Е. K2u. Як видно зі схеми, напруги u1 і u2 на діодах VD1 і VD2 будуть відповідно:

u1 \u003d k2u + k1i; u2 \u003d k2u - k1i.

При ідентичних характеристиках діода і роботі на квадратичном ділянці вольт-амперної характеристики струми i1 і i2 пропорційні квадратах напружень.

малюнок 2 Принципова схема електронного випрямного ваттметра

Струм в ланцюзі приладу I та \u003d (i1 - i2) R / Rи. Постійна складова струму, яка вимірюється магнітоелектричним приладом, при u \u003d Umaxsinωt і i \u003d Imax sin (ωt ± φ) пропорційна активної потужності:

I та \u003d 1 / Т∫kuidt \u003d k 1 / T uidt \u003d kUIcosφ \u003d kPx,

де Px - вимірювана потужність.

Електронні ватметри, в схему яких включені діоди, мають невисоку точністю, похибкою вимірювання ± (1,5 - 6)%, малою чутливістю, великою потужністю споживання, обмеженим частотним діапазоном.

Вимірювання потужності термоелектричним ваттметром.Частотний діапазон може бути розширений до 1МГц, якщо квадратор побудувати на безконтактних термоперетворювачем. Термоелектричний ватметр відрізняється від випрямного тим, що замість діодів включаються нагрівачі безконтактних термопар, а різниця термо-ЕРС на холодних кінцях, яка вимірюється магнітоелектричним милливольтметром, пропорційна середньої потужності споживання навантаження.

Термоваттметри використовують при вимірюванні потужності в ланцюгах з несинусоїдної формою струму і напруги; при вимірюванні потужності в ланцюгах з великим зрушенням фаз між напругою і струмом, при визначенні частотної похибки електродинамічних ватметрів.

Вимірювання потужності ваттметром з перетворювачем Холла. Перетворювач Холла є чотириполюсник, виконаний у вигляді тонкої напівпровідникової монокристаллической пластини. Струмовими висновками Т - Т перетворювач Холла підключається до зовнішнього джерела постійного або змінного струму, потенційними висновками

Х - Х, між якими виникає ЕРС в момент, коли на пластину впливає магнітне поле, - до вимірника напруги. Висновки Х - Х приєднуються до бічних граней в еквіпотенційних точках при відсутності зовнішнього магнітного поля.

Електрорушійна сила Холла

де kx - коефіцієнт, значення якого залежить від матеріалу, розмірів і форми пластин, а також від температури довкілля і значення магнітного поля; В - магнітна індукція.

Електрорушійна сила Холла буде пропорційна потужності, якщо одну з вихідних величин зробити пропорційної напрузі u, а іншу - струм через навантаження.

Для реалізації перетворювач Холла поміщають в зазор електромагніту, котушка, що намагнічує L якого живиться струмом, пропорційним струму навантаження, а через Т - Т проходить струм, пропорційний напрузі, що додається до навантаження Z. Значення струму обмежується додатковим резистором Rд. ЕРС Холла ех \u003d kui \u003d kp реєструється магнітоелектричним милливольтметром (k - коефіцієнт пропорційності) .ізмереній електричної потужності і енергії. Такі прилади були розроблені ... і чутливі цифрові засоби виміру електричної потужності і енергії. Широке застосування знайшли вимірювальні ...

З виразу для потужності на постійному струмі видно, що її можна виміряти за допомогою амперметра і вольтметра непрямим методом. Однак в цьому випадку необхідно проводити одночасний відлік по двом приладам і обчислення, що ускладнюють вимірювання і знижують його точність.

Для вимірювання потужності в колах постійного і однофазного змінного струму застосовують прилади, які називаються ватметр, для яких використовують електродинамічні та феродинамічні вимірювальні механізми.

Електродинамічні ватметри випускають у вигляді переносних приладів високих класів точності (0,1 - 0,5) і використовують для точних вимірювань потужності постійного і змінного струму на промислової і підвищеної частоті (до 5000 Гц). Феродинамічні ватметри найчастіше зустрічаються у вигляді щитових приладів щодо низького класу точності (1,5 - 2,5).

Застосовують такі ватметри головним чином на змінному струмі промислової частоти. На постійному струмі вони мають значну похибку, яка обумовлена \u200b\u200bгистерезисом сердечників.

Для вимірювання потужності на високих частотах застосовують термоелектричні і електронні ватметри, що представляють собою електромагнітний вимірювальний механізм, забезпечений перетворювачем активної потужності в постійний струм. У перетворювачі потужності здійснюється операція множення і отримання сигналу на виході, залежить від твору UI, т. Е. Від потужності.

Якщо не враховувати фазових зрушень між струмами і напругами в котушках і вважати навантаження H чисто активної, похибки і, зумовлені споживанням потужності котушками ваттметра, для схем (рис. 8.3):

де і - відповідно потужність, споживана послідовним і паралельним колом ватметра.

З формул для і видно, що похибки можуть мати помітні значення лише при вимірах потужності в малопотужних ланцюгах, т. Е. Коли й співставні з.

Якщо поміняти знак тільки одного з струмів, то зміниться напрямок відхилення рухомої частини ваттметра.

У ваттметра є дві пари затискачів (послідовної і паралельної ланцюгів), і в залежності від їх включення в ланцюг напрямок відхилення покажчика може бути різним. Для правильного включення ватметра один з кожної пари затискачів позначається знаком "*" (зірочка) і називається "генераторним затискачем".

Вимірювання потужності з використанням ефекту Холла

Перемноження значень сили струму і різниці потенціалів при вимірюванні потужності можна отримати, використовуючи напівпровідникові перетворювачі Холла.

Якщо спеціальну напівпровідникову пластину, по якій тече струм I (рис. 8.4), що порушується електричним полем напруженістю Е, помістити в магнітне поле з напруженістю Н (індукцією В), то між її точками, що лежать на прямій, перпендикулярній напрямками протікає струму I і магнітного поля, виникає різниця потенціалів (ефект Холла), що визначається як

де k - коефіцієнт пропорційності.

Згідно з теоремою Умова-Пойнтінга, щільність потоку що проходить потужності НВЧ-коливань в деякій точці поля визначається векторним твором електричної і магнітної напруженостей цього поля:

Звідси, якщо струм I буде функцією електричної напруженості Е, то за допомогою датчика Холла можна отримати наступну залежність напруги від прохідної потужності:

де g - постійний коефіцієнт, що характеризує зразок. Для вимірювання такої потужності пластину напівпровідника (пластинку Холла - ПХ) поміщають в хвилевід, як показано (рис. 8.5).

Розглянутий вимірювач прохідної потужності володіє наступними перевагами:

1. може працювати при будь-якому навантаженні, а не тільки при узгодженій;
2. високу швидкодію ваттметра дає можливість застосовувати його при вимірюванні імпульсної потужності.

Однак практична реалізація ватметрів на ефекті Холла - досить складне завдання в силу багатьох факторів. Проте, існують ватметри, що вимірюють проходить імпульсну потужність до 100 кВт з похибкою не більше 10%.

Методи вимірювання потужності на високих і надвисоких частотах

Потужність в загальному вигляді є фізична величина, Яка визначається роботою, виробленої в одиницю часу. Одиниця потужності - ват (Вт) - відповідає потужності, при якій за одну секунду виконується робота в один джоуль (Дж).

На постійному струмі і змінному струмі низької частоти безпосереднє вимірювання потужності часто замінюється вимірюванням діючого значення електричної напруги на навантаженні U, діючого значення струму, що протікає через навантаження I, і кута зсуву фаз між струмом і напругою. При цьому потужність визначають виразом:

У СВЧ діапазоні вимірювання напруги і струму стає скрутним. Соизмеримость розмірів вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв з довжиною хвилі є однією з причин неоднозначності вимірювання напруги і струму.

Вимірювання супроводжуються значними частотними похибками. Слід додати, що вимір напруги і струму в хвилеводних трактах при деяких типах хвиль втрачає практичний сенс, тому що поздовжня складова в провіднику відсутня, а різниця потенціалів між кінцями будь-якого діаметру перетину хвилеводу дорівнює нулю. Тому на частотах, починаючи з десятків мегагерц, кращим і більш точним стає безпосереднє вимірювання потужності, а на частотах понад 1000 МГц - це єдиний вид вимірювань, однозначно характеризує інтенсивність електромагнітних коливань.

для безпосереднього вимірювання потужності СВЧ застосовують методи, засновані на фундаментальні фізичні закони, що включають метод прямого вимірювання основних величин: маси, довжини і часу.

Незважаючи на різноманітність методів вимірювання НВЧ потужності, всі вони зводяться до перетворення енергії електромагнітних НВЧ коливань в інший вид енергії, доступної для вимірювання: теплову, механічну і т. Д. Серед приладів для вимірювання НВЧ потужності найбільшого поширення набули ватметри, засновані на теплових методах. Використовують також ряд інших методів - пондеромоторних, зондський і інші.

Принцип дії переважної більшості вимірювачів потужності СВЧ, званих ватметр, заснований на вимірюванні змін температури або опору елементів, в яких розсіюється енергія досліджуваних електромагнітних коливань. До приладів, заснованим на цьому явищі, відносяться калориметричні і терморезисторні вимірювачі потужності. Набули поширення ватметри, що використовують пондеромоторні явища (електромеханічні сили), і ватметри, що працюють на ефекті Холла. Особливість перших з них - можливість абсолютних вимірювань потужності, а друге - вимірювання потужності незалежно від узгодження ВЧ-тракту.

За способом включення до передавальний тракт розрізняють ватметри проходить типу і поглинає типу. Ваттметри проходить типу являє собою чотириполюсник, в якому поглинається лише невелика частина загальної потужності. Ватметр поглинаючого типу, що представляє собою двухполюсник, підключається на кінці передавальної лінії, і в ідеальному випадку в ньому поглинається вся потужність падаючої хвилі. Ваттметри проходить типу часто виконується на основі вимірювача поглинаючого типу, включеного в тракт через спрямований відгалужувач.

Калориметрические методи вимірювання потужності засновані на перетворенні електромагнітної енергії в теплову в опорі навантаження, що є складовою частиною вимірювача. Кількість тепла, що виділяється визначається за даними зміни температури в навантаженні або в середовищі, куди передано тепло. Розрізняють калориметри статичні (адіабатичні) і потокові (неадіабатичних). У перших потужність СВЧ розсіюється в термоізольованому навантаженні, а по-друге передбачено безперервне протікання калориметричної рідини. Калориметрические вимірювачі дозволяють вимірювати потужність від одиниць мілліватт до сотень кіловат. Статичні калориметри вимірюють малий і середній рівні потужності, а потокові - середні і великі значення потужності

Умова балансу тепла в калориметричної навантаженні має вигляд:

де P - потужність СВЧ, розсіює в навантаженні; T і T 0 - температура навантаження і навколишнього середовища відповідно; c, m - питома теплоємність і маса калориметричного тіла; k - коефіцієнт теплового розсіювання. Рішення рівняння представляється у вигляді

де - теплова постійна часу.

У разі статичного калориметр час вимірювання багато менше постійної і потужність СВЧ дорівнює:

Основними елементами статичних калориметр є термоізольована навантаження і прилад для вимірювання температури. Неважко розрахувати поглинається потужність СВЧ по вимірюваної швидкості підвищення температури і відомої теплоємності навантаження.

У приладах використовуються різні високочастотні кінцеві навантаження з твердого або рідкого діелектричного матеріалу з втратами, а також у вигляді пластинки або плівки високого опору. Для визначення зміни температури застосовують термопари і різні термометри.

Розглянемо статичний калориметр, в якому знижені вимоги до термоізоляції і відпадає необхідність у визначенні теплоємності калориметричній насадки (рис. 8.6). У цій схемі використовується метод заміщення. У ній для калібрування приладу 4, що вимірює підвищення температури при розсіюванні вимірюваної потужності, що підводиться до плеча 1, використовується відома потужність постійного струму або струму низької частоти, що підводиться до плеча 2. Передбачається, що температура насадки 3 змінюється однаково при розсіюванні рівних значень потужності СВЧ і постійного струму. Статичні калориметри дозволяють вимірювати потужність кілька мілліватт з похибкою менш.