Один из параметров, который характеризует состояние электрической сети – это ее мощность. Она отражает величину работы, выполняемую электрическим током в единицу времени. Мощность устройств, включаемых в электрическую цепь, должна быть в рамках мощности сети. Иначе возможны неприятные сюрпризы – от выхода из строя оборудования до короткого замыкания и пожара.
Измеряют мощность электрического тока специальным прибором – ваттметром. И если в цепи постоянного тока она рассчитывается простым умножением силы тока на напряжение (достаточно наличия вольтметра и амперметра), то в сети переменного тока без измерительного оборудования не обойтись. Также им контролируют режим работы электрического оборудования и учитывают расход энергии.
Применение Ваттметров
Основная область применения – это электроэнергетическая промышленность и машиностроение, мастерские по ремонту электроприборов. Однако достаточно широко используют и бытовые измерители, которые приобретают любители электроники, компьютеров и просто обыватели – для учета и экономии энергопотребления.
Применяют ваттметры для:
- Определения мощности приборов;
- Тестирования электрических сетей, и их отдельных участков;
- Испытаний электрических установок (как показывающие приборы);
- Контроля работы оборудования;
- Учета расхода электроэнергии.
Типы ваттметров
Измерению мощности предшествует измерение силы тока и напряжения исследуемого участка цепи.
В зависимости способов измерения, преобразования данных и показа итоговой информации, ваттметры делятся на аналоговые и цифровые.
Аналоговые ваттметры бывают показывающие и самопишущие и отражают активную мощность участка цепи. Табло показывающего прибора имеет полукруглую шкалу и поворачивающуюся стрелку. Деления шкалы отградуированы в соответствии с определенными величинами мощности, измеряемой в ваттах (Вт).
Цифровые ваттметры измеряют как активную, так и реактивную мощность. Кроме того, на дисплей прибора могут выводиться (кроме показания мощности) также и сила тока, напряжение, и расход энергии по времени. Данные измерений можно вывести удаленно на компьютер оператора.
Видео о ваттметре из Китая:
Измерение реактивной мощности осуществляется с помощью специального прибора варметра, также можно определить косвенным методом с помощью ряда приборов вольтметра, амперметра, фазометра.
Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электрооборудование изменениями энергии электромагнитного поля в цепях переменного тока:
Q = UIsin φ
Единица измерения реактивной мощности — вольт-ампер реактивный (вар).. Реактивная мощность в электрических сетях вызывает дополнительные активные потери и падение напряжения. В электра установках специального назначения (индукционные печи) реактивная мощность значительно больше активной. Это приводит к увеличению реактивной составляющей тока и вызывает перегрузку источников электроснабжения. Для устранения перегрузок и повышения мощности коэффициента электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.
НЕОБХОДИМА КОНСУЛЬТАЦИЯ?
Позвоните:
+7 (495) 730-73-62, +7, +7
Напишите:
или заполните простую форму
Чтобы правильно определить необходимое значение мощности установки компенсации реактивной мощности надо произвести измерения в электросети.
Применение современных электрических измерительных приборов на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии в сети.
Анализатор качества энергии и параметров сети потребителей является универсальной измерительной системой, предназначенной для измерения, хранения в памяти и контроля электрических параметров в электросетях с низким и средним напряжением. Измерение осуществляется в однофазных и трёхфазных сетях. Одним из главных достоинств анализатора качества энергии и параметров сети потребителей являются высокая точность измерений, компактные размеры и возможность измерения гармоник тока и напряжения в сети. Один анализатор качества энергии и параметров сети потребителей совмещает в себе 13 различных измерительных приборов: амперметр, вольтметр, ваттметр, измерители реактивной и полной мощности, коэффициента мощности cos φ, частотомер, анализатор гармоник тока и напряжения, счётчики активной, реактивной и полной потребляемой электроэнергии. Трёхфазная электронная измерительная система прибора измеряет и оцифровывает действующие значения напряжения и тока в трёхфазной сети с частотой 50/60 Гц. Прибор производит 2 измерения в течение секунды. Из полученных значений микропроцессором высчитываются электрические параметры. Максимальные, минимальные значения параметров и программные данные сохраняются в памяти. Выбранные измеряемые значения, а также данные о перебоях в сети записываются в буферную память с указанием даты и времени. После чего данную информацию можно просмотреть и проанализировать на мониторе компьютера или распечатать на принтере.
НЕОБХОДИМА КОНСУЛЬТАЦИЯ?
Позвоните:
+7 (495) 730-73-62, +7, +7
Напишите:
или заполните простую форму
Устройство и принцип действия
Аналоговые ваттметры
Наиболее распространенными и точными аналоговыми ваттметрами являются приборы электродинамической системы.
Принцип работы основан на взаимодействии двух катушек. Одна из них – неподвижная, имеет толстую обмотку с небольшим числом витков и малое сопротивление. Подключается последовательно с нагрузкой. Вторая катушка – подвижная.
Ее намотка выполнена из тонкого провода и имеет большое количество витков, поэтому и сопротивление у нее высокое.
Подключается она параллельно нагрузке и снабжается еще добавочным сопротивлением (для исключения короткого замыкания между катушками).
При подключении прибора к сети, в катушках образуются магнитные поля. Их взаимодействие создает вращающий момент, который отклоняет подвижную катушку с подсоединенной к ней стрелкой на определенный угол.
Величина угла эквивалентна произведению силы тока и напряжения в данный момент времени.
Цифровые ваттметры
В основе работы цифрового ваттметра лежит предварительное измерение силы тока и напряжения. Для этого на входе устанавливаются: последовательно нагрузке – датчик тока, параллельно – датчик напряжения. Они могут выполняться на базе термисторов, измерительных трансформаторов, термопар и других элементов.
Мгновенные значения полученных величин тока и напряжения посредством аналого-цифрового преобразователя передаются к встроенному микропроцессору. Здесь производятся необходимые вычисления (находится активная и реактивная мощности) и выдаются в виде итоговой информации на дисплей и подключенные внешние устройства.
Рисунок — Схема подключения Ваттметра
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
В практике электрорадиоизмерений с задачей измерения мощности приходится сталкиваться практически 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 электромеханических приборов. На высоких частотах (ВЧ) предпочтительным и более точным становится прямое измерение мощности, а на сверхвысоких частотах (СВЧ) — это единственный вид измерений, однозначно характеризующий интенсивность электромагнитных колебаний.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОГЛОЩАЕМОЙ МОЩНОСТИ НА ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ
Измерение поглощаемой мощности наиболее распространено на ВЧ и СВЧ. Первичные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности являются эквивалентом согласованной нагрузки и, как видно из рис. 4.1, а, включаются на конце передающей линии. Для измерения поглощаемой мощности может быть использовано большинство методов, перечисленных в § 4.1.
ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ
Тепловые методы основаны на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую с последующим измерением количества выделенного тепла (приращения температуры) либо замещающей мощности постоянного тока (низкой частоты), вызывающей эквивалентное приращение температуры. Основным достоинством тепловых ваттметров является возможность калибровки и аттестации их на постоянном токе, что способствует достижению высокой точности измерения мощности.
Калориметрический метод
Калориметрический метод является одним из наиболее точных методов измерения мощности на ВЧ и СВЧ. Устройство калориметрических ваттметров весьма разнообразно и определяется уровнем измеряемой мощности, диапазоном частот и требуемой точностью. Однако во всех случаях первичным преобразователем ваттметра является калориметр,
где и осуществляется преобразование электромагнитной энергии в тепловую. Все калориметры подразделяются на калориметры с переменной и постоянной температурой.
Калориметры с переменной
температурой могут конструктивно выполняться как статические и проточные. В статических калориметрах рабочее тело, где электромагнитная энергия превращается в тепловую, неподвижно и в процессе измерений не изменяет формы и физических свойств. Рабочим телом могут служить вода и твердые (объемные или пленочные) поглотители. В первом случае калориметр представляет собой сосуд Дьюара, а калориметры с твердыми поглотителями называют «сухими». Сухие калориметры наиболее распространены и конструктивно представляют собой коаксиальные (рис. 4.3,
а)
или волноводные (рис. 4.3,
б)
согласованные нагрузки, в которых повышение температуры рабочего тела измеряется с помощью термопар. Калибровка в таких калориметрах осуществляется постоянным током, который проходит либо непосредственно по нагрузке (СВЧ резистор на рис. 4.3, а), либо по специальному подогревателю (обмотка на рис. 4.3,
б).
Рис. 4.3. Схематическое устройство сухого калориметра:
а — коаксиального: 1 — внутренний проводник; 2 — внешний проводник; 3 — СВЧ резистор; 4 — экран; б — волноводного; 1 — волновод; 2 — экран; 3 — подогреватель; 4 —поглотитель.
В проточных калориметрах рабочее тело представляет собой циркулирующую жидкость, а процесс измерения мощности сводится к измерению приращения температуры и расхода этой жидкости. Такие калориметры также могут быть коаксиальными (рис. 4.4, а) и волноводными (рис. 4.4,6).
В качестве жидкости используется вода, кремний-органическая жидкость и др.
Рис. 4.4. Схематическое устройство проточного калориметра:
а — коаксиального: 1—диэлектрическая шайба; 2— корпус нагрузки; б— волноводного: / — корпус нагрузки; 2 — диэлектрический клин.
Вторая группа калориметров — калориметры с постоянной
температурой — представлена в настоящее время калориметрами с фазовым переходом, компенсационными калориметрами и калориметрами, основанными на методе замещения. В калориметрах с фазовым переходом электромагнитная энергия, превращенная в тепловую, определяется по количеству твердого вещества (например, льда), перешедшего в жидкое состояние. В компенсационных калориметрах одновременно и с одинаковой скоростью протекают процессы выделения и эквивалентного поглощения тепла. Для калориметров, основанных на методе замещения, характерен предварительный подогрев рабочего тела постоянным или переменным током. После подачи
Рх
тепловой режим рабочего тела поддерживают неизменным, уменьшая мощность подогрева, а значение
Рх
определяют по изменению этой мощности.
В ИУ калориметрических ваттметров может быть реализован как метод прямого преобразования путем измерения приращения температуры рабочего тела, так и метод сравнения путем измерения замещающей мощности постоянного или переменного тока. Калориметрические ваттметры прямого преобразования почти не применяются из-за малой чувствительности и низкой точности. Рассмотрим поэтому калориметрический ваттметр с проточным калориметром, реализующий метод сравнения.
Рис. 4.5. Структурная схема калориметрического ваттметра с проточным калориметром
.
Как видно из рис. 4,5, в процессе измерения осуществляется сравнение теплового воздействия измеряемой мощности Рх,
подаваемой в первичный преобразователь
I,
с тепловым воздействием мощности постоянного тока, подаваемой в опорную нагрузку
4.
Процесс измерения замещающей мощности автоматизирован благодаря замкнутой циркуляционной системе. Рабочая и опорная нагрузки последовательно омываются одним потоком жидкости, причем за счет теплообменника
5
обеспечивается равенство температур жидкости на входах обеих нагрузок. В конструкции нагрузок предусмотрено размещение терморезисторов
2 и 3,
которые совместно с резисторами
R1
и
R2
образуют мост, питаемый от генератора низкой частоты. При отсутствии
Рх
температура терморезисторов одинакова и мост сбалансирован. После подачи
Рх
мост разбалансируется, и сигнал разбаланса через усилитель переменного тока поступает на детектор, где преобразуется в постоянное напряжение компенсации. Это напряжение через УПТ подается в опорную нагрузку и одновременно измеряется магнитоэлектрическим прибором. Сопротивления терморезисторов в результате изменения температуры опорной нагрузки выравниваются, баланс моста восстанавливается, а показание прибора оказывается пропорциональным измеряемому значению
Рх.
Таким образом, мы получаем прямоотсчетный калориметрический ваттметр с автоматической термобалансировкой.
Основными достоинствами калориметрических ваттметров являются исключительно широкий частотный диапазон, широкие пределы и высокая точность измерений, определяемая в основном погрешностью измерения мощности замещения (напряжения компенсации) и параметрами рабочей нагрузки, которые точно известны для каждого ваттметра. Поэтому на базе калориметрического метода разработаны государственные специальные эталоны единицы мощности электромагнитных колебаний в коаксиальных и волноводных трактах, утвержденные ГОСТ 8.073—73, ГОСТ 8.102—73 и ГОСТ 8.277—78. Они обеспечивают воспроизведение ватта при СКО не более 0,15 % и неисключенной систематической погрешности, не превышающей 0,5 %. Недостатки калориметрических ваттметров: большая инерционность (время установления показаний может достигать и нескольких минут) и сложность в эксплуатации.
Термоэлектрический метод
Термоэлектрический метод основан на преобразовании с помощью термопар энергии СВЧ в тепловую и измерении возникающей термоЭДС ЕТ,
пропорциональной рассеиваемой в термопаре СВЧ мощности. Таким образом, термопары одновременно выполняют (в отличие от сухого калориметра) функции согласованной нагрузки и термометра.
Термоэлектрический метод, как и болометрический, применим для измерения малых уровней мощности. Однако он имеет существенное преимущество перед болометрическим: значение ЕТ
практически не зависит от температуры окружающей среды, и отпадает необходимость в специальных схемах термокомпенсации. Кроме того, термопары не требуют начального подогрева, имеют высокую чувствительность и совместно с простым ИУ позволяют реализовывать термоэлектрические ваттметры прямого преобразования.
Рис. 4.10. Эквивалентная схема термоэлектрического преобразователя с дифференциальным включением термопар.
Рис. 4.11. Амплитудная характеристика термоэлектрического преобразователя.
Конструкция термоэлектрических головок коаксиального и волноводного типа в целом аналогична конструкции болометрических (см. рис. 4.7 и 4.8). Для повышения чувствительности термопары выполняют дифференциальными, причем по постоянному току ветви термопары соединяют последовательно, а по высокой частоте — параллельно. Как видно из эквивалентной схемы рис. 4.10, это достигается с помощью конструктивного конденсатора С2. Конденсатор С1(также конструктивный) позволяет развязать цепи постоянного тока и СВЧ. Значения RТ1 и RТ2 выбирают из условия согласования головки. В основном применяют пленочные термопары (металлические пленки, напыленные на диэлектрические подложки), причем наибольшее распространение получили термопары висмут — сурьма, копель — сурьма и хромель — копель.
Основной характеристикой термоэлектрического преобразователя является амплитудная характеристика ЕТ(РХ),
типичный вид которой представлен на рис. 4.11. Линейный участок характеристики определяет пределы измерения
Рх,
причем максимальную линейность имеют характеристики дифференциальных термопар.
Поскольку выходным сигналом преобразователя является постоянное напряжение, ИУ термоэлектрических ваттметров представляет собой вольтметр постоянного тока, шкала которого проградуирована в значениях Рх.
В практических схемах ваттметров применяют как аналоговые, так и цифровые вольтметры. Дополнительным функциональным узлом ИУ является калибратор мощности— стабилизированный генератор меандра частоты 20…50 кГц. С его помощью производится калибровка ваттметра перед началом работы и после смены преобразователя. Благодаря этому устраняется разброс характеристик ЕТ(РХ).
Основные достоинства и параметры термоэлектрических ваттметров те же, что и у болометрических (термисторных). Дополнительным важным преимуществом, как уже отмечалось, является малая зависимость результатов измерений от температуры окружающей среды. Основной недостаток ваттметров — малые пределы измерений и малая устойчивость к перегрузкам.
ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ
Общим для электронных методов является преобразование измеряемой мощности в пропорциональное напряжение постоянного или переменного тока с последующим измерением этого напряжения. Основное достоинство этих методов — малая инерционность, благодаря чему они позволяют прямо измерять РИ. В ваттметрах поглощаемой мощности реализуются, как правило, метод вольтметра и метод с использованием эффекта «горячих» носителей тока.
Метод вольтметра
Метод вольтметра, называемый еще методом измерения напряжения на известном сопротивлении, весьма прост и заключается в измерении с помощью вольтметра напряжения на резисторе, включаемом в качестве нагрузки на конце линии передачи. Так как нагрузка должна быть согласована с линией передачи, имеющей волновое сопротивление W, значение Рхможет быть определено по показаниям вольтметра, как ,
если детектор вольтметра квадратичный, либо
,
если детектор пиковый (при измерении, например
РИ).
Рис. 4.12. Схематическое устройство нагрузки и детектора электронного ваттметра.
Основные трудности при реализации метода и источники погрешностей связаны с конструированием и согласованием нагрузки и детектора вольттметра. Для расширения частотного диапазона детектор конструктивно объединяют с нагрузкой, как это схематично показано на рис. 4.12, снимая напряжение либо со всего резистора, либо с его части. На практике применяют как полупроводниковые, так и ваккумные детекторы (при измерении больших мощностей). Полупроводниковые диоды в сочетании с пленочными СВЧ резисторами обеспечивают частотный диапазон ваттметров до 40 ГГц.
Основными достоинствами метода являются простота и высокая надежность ваттметров, а также возможность измерения малых и больших значений Р
и
Ри.
Однако погрешность измерения может достигать ±25 %.
МЕТОД ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СТЕНКИ
Метод поглощающей стенки относится к тепловым методам, но в отличие от случая измерения поглощаемой мощности в тепло превращается только часть мощности, проходящей в нагрузку. Конструктивно это достигается выполнением одного из участков тракта в виде термочувствительного резистивного элемента с потерями. В простейшем случае такой элемент (энтракометр) представляет собой поглощающую пленку из платины, встроенную в боковую стенку волновода (рис. 4.14). Аналогично болометру энтракометр включается в схему моста (см. рис. 4.9), с помощью которого измеряется значение поглощаемой энтракометром мощности, и по формуле, аналогичной (4.16), определяется значение Рпр. Для обеспечения термокомпенсации на внешней стороне волновода помещают аналогичную пленку, также включаемую в схему моста.
Ваттметры с обычными энтракометрами позволяют измерять малые и средние уровни мощности. В ваттметрах большой мощности наружная поверхность энтракометра охлаждается проточной жидкостью, расход которой учитывается при определении Рпр. В результате получаются простые и надежные ваттметры для встроенного контроля Рпр в широком частотном диапазоне. Недостатками их являются значительные погрешность измерений (достигающая ±25 %) и инерционность.
Рис. 4.14. Схематическое устройство энтракометра.
ПОНДЕРОМОТОРНЫЙ МЕТОД
Пондеромоторный метод измерения мощности основан на преобразовании электромагнитной энергии в механическую. Это преобразование в свою очередь использует хорошо известный эффект механического (пондеромоторного) воздействия (давления) электромагнитных волн на стенки линии передачи или на отражающие элементы, расположенные внутри линии. Механическое давление пропорционально модулю перпендикулярного отражающей поверхности вектора Умова — Пойнтинга. Существуют два основных способа практической реализации пондеромоторного метода.
В ваттметрах, использующих первый способ, часть боковой стенки: волновода заменяется упругой пласти-^ ной — СВЧ мембраной, которая деформируется под воздействием РПр. Для измерения степени деформации могут использоваться пьезоэлемент или конденсаторный элемент. При этом верхний предел измеряемых мощностей
Рис. 4.16. Схематическое устройство крутильного ваттметра.
практически ограничивается только электрической прочностью волновода.
Ваттметры, реализующие второй способ, получили название крутильных. Как видно из рис. 4.16, конструктивно такой ваттметр представляет собой отрезок волновода, внутри которого помещена металлическая пластинка 1,
подвешенная на упругой кварцевой нити
2, а с
другой стороны укрепленная на жестком стержне
4,
второй конец которого опущен в масляный амортизатор 7. Нить в свою очередь соединяется с осью крутильной головки
3,
на которой нанесены деления в градусах. Согласующая диафрагма
9
компенсирует неоднородность, вносимую пластиной /. Пластина с помощью крутильной головки располагается под некоторым начальным углом к оси волновода (оптимальным является угол 45°).
При распространении по волноводу волны Н10
возникает вращающий момент, который дополнительно поворачивает пластину на угол, пропорциональный значению
Рпр-
Этот угол фиксируется оптической системой, состоящей из зеркала
6,
укрепленного на стержне
4,
источника света
5
и шкалы
8.
Противодействующий момент создается нитью
2.
Пондсромоторные ваттметры — одни из самых точных измерителей мощности на СВЧ. Для них характерны также- широкие пределы измерений (от нескольких милливатт до сотен киловатт), причем приборы не выходят из строя даже при значительных перегрузках. В то же время пондеромоторные ваттметры очень чувствительны к вибрациям и не могут работать в жестких условиях эксплуатации. Необходимость в тщательном согласовании с трактом существенно ограничивает диапазон рабочих частот ваттметров. Они применяются как образцовые СИ при проведении метрологических исследований.
РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ
Принцип работы резонансных частотомеров (РЧ) базируется на явлении резонанса в колебательных системах. Основой Р4 является измерительный резонансный контур, связанный с источником сигнала fx
и индикатором резонанса. Хотя в принципе РЧ могут применяться для измерения частоты в диапазонах В4 и СВ4, практическое использование их, как уже указывалось, ограничивается диапазоном СВ4. Это легко объясняется возможностью создания в диапазоне СВЧ высокодобротных колебательных систем с резким проявлением резонанса и точной фиксацией его. Именно в диапазоне СВЧ удается реализовать классы точности РЧ 0,005; 0,01; 0,02 и 0,05, позволяющие им конкурировать с цифровыми частотомерами.
Колебательными системами в диапазоне СВЧ являются контуры с распределенными постоянными в виде коаксиальных и волноводных резонаторов. Как известно из теории длинных линий, размеры резонаторов в момент настройки их в
Рис. 5.1. Схематическое устройство резонансного частотомера СВЧ.
резонанс однозначно связаны с длиной волны возбуждаемых колебаний. Это позволяет определять по результатам измерения λ искомое значение fx.
Рассмотрим в качестве примеров РЧ с коаксиальным полуволновым резонатором (рис. 5.1, а) и с цилиндрическим волноводным резонатором (рис. 5.1,
б).
Как видно из рис. 5.1, а,
коаксиальный резонатор представляет собой отрезок короткозамкнутой коаксиальной линии, длина которого изменяется перемещением поршня П с помощью микрометрического механизма, снабженного соответствующей шкалой. Связь резонатора с источником сигнала
fx
и индикатором резонанса — индуктивная, осуществляемая с помощью петель связи 1 и 2
.
Индикатор резонанса состоит из детекторной камеры
3
с полупроводниковым диодом и индикатора И, в качестве которого при измерении частоты непрерывных сигналов применяются магнитоэлектрические приборы, а при измерении частоты импульсно-модулированных сигналов — селективные измерительные усилители.
Резонанс в такой системе наступает каждый раз, когда l
= nλ/2
,
где я=1,2,3, …, и фиксируется по максимальным показаниям И. Если отсчитать по шкале микрометрического механизма положения П, соответствующие двум соседним резонансам
(li
и /г), то
Δl=( l1 — l2)=
λ
/2,(5.3)
т. е. по результатам измерения Δl
определяется λи далее
fx.
Соотношение (5.3) и конструкция механизма перемещения П определяют оптимальный диапазон измеряемых
fx
≈ 2,5 … 10 ГГц. На более низких частотах применяют РЧ с коаксиальными четвертьволновыми резонаторами, а на более высоких—РЧ с волноводными резонаторами.
Из рис. 5.1 видно, что РЧ с волноводным и коаксиальным резонаторами аналогичны по конструкции и методике измерения fx. Разница заключается в том, что для РЧ с волноводным резонатором вместо (5.3) справедливо соотношение Δl
= λ в/2, где
определяется не только значением λ,
но и критической длиной волны λк, зависящей от типа возбуждаемой в резонаторе волны. Чаще всего в качестве волноводных резонаторов применяют короткозамкнутые отрезки цилиндрических волноводов, возбуждаемые через отверстие
4
в центре торцевой стенки (рис. 5.1, б). В этом случае в волноводе возбуждается волна типа Н11
скритической длиной = 3,41, а.
Методика (5.3) не совсем удобна, так как требует отсчетов двух положений П. Поэтому шкалу механизма перемещения П часто предварительно градуируют в значениях fx,
и тогда мы получаем прямоотсчетный РЧ с фиксацией только одного резонанса. Класс точности таких РЧ определяется как добротностью резонатора, чувствительностью И и погрешностью микрометрического механизма П, так и влиянием на РЧ внешних условий — температуры и влажности. Для минимизации этого влияния применяются материалы с малым температурным коэффициентом расширения (например, инвар), температурная компенсация и герметизация резонаторов.
ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ
Цифровые частотомеры (ЦЧ) являются следующими за ЦВ характерными представителями ЦИП. Они, как уже отмечалось, практически вытеснили все остальные виды частотомеров и занимают доминирующее положение в комплексе аппаратуры для частотно-временных измерений. Современные типы ЦЧ позволяют измерять fx, Tx, Δtx,
отношение частот и нестабильность частоты. При комплектовании соответствующими преобразователями они превращаются в ЦВ и мультиметры (см.§3.6).
Общая идея построения ЦИП уже рассмотрена в гл. 3 и конкретизирована на примере ЦВ. Опираясь на классификацию ЦВ и данные ГОСТ 22335—77, можно утверждать, что подавляющее большинство типов ЦЧ являются приборами прямого преобразования, осуществляющими счет числа идентичных событий за определенный интервал времени измерения. В зависимости от значения этого интервала (называемого иногда «временными воротами») можно выделить ЦЧ мгновенных значений, измеряющие fx
за один период колебаний
Тх
(аналогичны неинтегрирующим ЦВ), и ЦЧ средних значений, измеряющие
fx
путем подсчета числа периодов
Тх
за интервал времени измерения
ТИ>ТХ
и деления полученного числа на
Ти
(аналогичны интегрирующим ЦВ).
Несмотря на многофункциональность, современные ЦЧ могут быть охарактеризованы некоторой типовой структурной схемой и определенной номенклатурой параметров, позволяющей оценить их возможности как радиоизмерительных приборов.
Измерение частоты
При измерении fx
сигнал подается на вход
1,
а блок образцовой частоты (БОЧ) подключается к ФУ2. Формирующие устройства ФУ1 и ФУ2 необходимы для преобразования гармонических сигналов в короткие импульсы, соответствующие моментам перехода сигналов через нуль в одну сторону. Благодаря этому образуются периодическая последовательность импульсов с периодом
Тх
(ФУ1), которые удобно считать при измерении
fx,
и импульсы, с помощью которых (ФУ2) формируется интервал
Ти
(метки времени). В качестве БОЧ применяется кварцевый генератор с системой делителей
Рис. 5.2. Типовая структурная схема ЦЧ.
и умножителей частоты, позволяющих выбрать требуемый коэффициент деления или умножения при формировании Т
и
.
Само формирование
Т
и осуществляется с помощью УУ. Как и в ЦВ, управление работой ЦЧ может быть ручным или автоматическим.
Процесс измерения fx
наглядно поясняется временными диаграммами, приведенными на рис. 5.3. Импульсы
U1
поступают на вход селектора, который открыт во время действия напряжения U3, сформированного из колебаний БОЧ U2 . Это напряжение может иметь вид прямоугольного импульса длительностью
Т
и
,
называемого
стробирующим
импульсом (строб-импульсом), либо меток времени, аналогичных старт- и стоп-импульсу в ЦВ. Таким образом, счетчик фиксирует число импульсов
N
(диаграмма U4), связанное с
Тх
и Ти очевидным соотношением
Tи=N Tx
откуда
fx=N / Tи,(5.4)
т. е. при Tи=10n с (n = 0, ±1, ±2, …) показание счетчика соответствует fx,
и мы получаем прямоотсчетный интегрирующий ЦЧ.
Рассмотренный режим работы ЦЧ может быть использован для измерения долговременной нестабильности частоты путем фиксации значений ft,
определения относительной вариации частоты 0о,- или относительного отклонения ег и расчета по формулам (5.1) или (5.2)
требуемого значения σ
или δ. Этот процесс автоматизируется по заданной программе в реальном масштабе времени. Кроме того, для измерения отклонения частоты от номинального значения и выдачи результата измерения в процентах от этого значения применяют так называемые процентные частотомеры, которые относятся к приборам специального назначения.
Рис. 5.3. Временные диаграммы, характеризующие работу ЦЧ.
Измерение периода
При измерении Тх
сигнал подается на вход
2,
а БОЧ подключается к ФУ1 (см. рис. 5.2). В этом случае интервал времени измерения определяется величиной
Тх,
а счетными являются импульсы, сформированные из напряжения
02
(рис. 5.3). Для уменьшения шага квантования частота f0 может быть умножена в требуемое число раз. Таким образом, для этого режима работы ЦЧ
Tx=N T0/10n(5.5)
где 10n (n = 0,
1, 2, …) определяется коэффициентом умножения f0. Из (5.5) видно, что при достаточно больших значениях
Тх
(в диапазоне низких и инфранизких частот) и я требуемый интервал времени измерения может быть равен
Тх.
Отсюда видна возможность измерения
fx
за один период сигнала — неинтегрирующий ЦЧ. В практических схемах ЦЧ предусматривается возможность измерения не только одного, но и нескольких периодов
Тх
с последующим усреднением результатов измерений. Поэтому в общем случае интервал времени измерения выбирается с помощью УУ равным 10m
Тх (т = 0,
1, 2, …), и из (5.5) следует
Tx=N T0 /10(n+m)(5.6)
Возможность измерения одного или нескольких периодов Тх
позволяет использовать этот режим для измерения кратковременной нестабильности частоты в реальном масштабе времени.
Измерение отношения частот
Режим измерения отношения частот двух сигналов является производным режимов измерения fx
и
Тх.
В этом режиме БОЧ исключается из схемы, сигнал большей частоты f, подается на вход 1, а сигнал меньшей частоты f2 —на вход
2
(см. рис. 5.2). Таким образом, интервал Тиформируется из сигнала частоты f2, а счету подвергаются импульсы, сформированные из сигнала частоты
}и
Как видно из формулы (5.4), этому соответствует
N= f1 / f2(5.7)
т. е. с помощью ЦЧ могут быть реализованы не только абсолютные, но и относительные измерения частоты.
Другие режимы работы ЦЧ
Многофункциональность ЦЧ не исчерпывается рассмотренными режимами работы. Как уже отмечалось, дополнение базовой схемы рис. 5.2 соответствующими преобразователями превращает ЦЧ в ЦВ и мультиметры. Кроме того, каждый ЦЧ имеет специальный выход сигналов БОЧ, т. е. может эксплуатироваться как источник сигналов стабильных частот. Предусматриваются также возможность работы ЦЧ от внешнего источника опорной частоты, режим самоконтроля, вывод информации об измеряемой величине на внешнее регистрирующее устройство и возможность дистанционного управления работой. Часто ЦЧ применяются как счетчики числа электрических импульсов. Поэтому интервал времени измерения Tипринято называть временем счета
и устанавливать в наносекундах микросекундах, миллисекундах или секундах.
Основные параметры ЦЧ
Номенклатура параметров ЦЧ регламентируется ГОСТ 22335— 77 и соответствует комплексу общих параметров СИ (см. § 2.2). Специальные пояснения необходимо сделать только в отношении погрешностей измерения fx, Тх, fjf2
и
Atx,
так как они характеризуют возможности ЦЧ в каждом из рассмотренных режимов работы и позволяют уточнить принципиальные особенности, имеющие место при измерении низких и высоких частот.
Относительная погрешность измерения
fxнормируется величиной
(5.8)
где =k10n — составляющая, определяемая относительной погрешностью по частоте опорного генератора БОЧ, причем k=1,0; 1,5; 2,0; 2,5 или 5,0, а п=
— 4, —5 и т. д. Значение б0 должно нормироваться для интервалов времени из следующего ряда: 10, 15, 30 мин; 1, 2, 8, 24 ч; 10, 15, 30 сут.; 6 и 12 мес.
Второе слагаемое в формуле (5.8) характеризует погрешность дискретности. Действительно, абсолютное значение этой погрешности нормируется в общем случае как ± 1 младшего разряда счета (см. § 3.6.1), т. е. относительное значение, определяемое как 1/N,
оказывается равным, согласно (5.4), второму слагаемому в формуле (5.8). Возникновение погрешности дискретности иллюстрируется рис. 5.3 и обусловлено несинфазностью сигналов
Их
и
и2-
При
ТИ=
=const эта погрешность обратно пропорциональна
fx,
т. е. точное измерение низких частот сопряжено с ростом
Тж.
В ряде случаев требуемое значение
ТИ
может оказаться непомерно большим. Например, измерение
fx=
10 Гц с погрешностью дискретности 10~5 требует, согласно (5.8), значения
Тя=104
с, что нереально. На высоких частотах эта погрешность уменьшается, но возникают другие факторы, ограничивающие максимальное значение
fx.
Относительная погрешность измерения Тх
нормируется отдельно для гармонического и импульсного сигналов. В качестве примера рассмотрим импульсный сигнал, для которого с учетом (5.6)
(5.9)
Второе слагаемое в формуле (5.9) также характеризует погрешность дискретности и определяет границы измеряемых с требуемой точностью значений Тх.
Эта же формула справедлива для оценки относительной погрешности измерения
Δtx,
но в случае, если
Δtx
— длительность импульса, появляется дополнительная составляющая 8д<> обусловленная крутизной фронта и спада импульса.
Относительная погрешность измерения
f1/f2не содержит в отличие от формул (5.8) и (5.9) составляющей δ0, так как БОЧ в этом режиме исключается из работы. Если при измерении f1/f2производится усреднение результатов измерений, то в соответствии с (5.7) и (5.6)
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
В практике электрорадиоизмерений с задачей измерения мощности приходится сталкиваться практически 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 электромеханических приборов. На высоких частотах (ВЧ) предпочтительным и более точным становится прямое измерение мощности, а на сверхвысоких частотах (СВЧ) — это единственный вид измерений, однозначно характеризующий интенсивность электромагнитных колебаний.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ
Мощность Р
в электрической цепи представляет собой, как известно, 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 общеизвестных соотношений
P = IU=I2R = U2/R.
(4.1)
В цепях переменного тока используется несколько понятий мощности, требующих уточнения. Прежде всего по аналогии с мгновенными значениями тока и напряжения (см. § 3.1) вводится понятие мгновенной
мощности
P(t) =U(t) • I(t).
Далее для оценки энергетического воздействия переменного тока вводят понятие
активной
мощности, определяемой как среднее за период значение
P(t)
по формуле, аналогичной (3.1). Доказывается, что для периодических сигналов сложной формы
(4.2)
т. е. активная мощность сигнала равна сумме мощности постоянной составляющей и активных мощностей всех гармоник. Активная мощность гармонического сигнала
P = IckUck cos
(4.3)
где — фазовый сдвиг между током и напряжением в нагрузке. Активная мощность, как и мощность постоянного тока, измеряется в ваттах (Вт), а приборы, предназначенные для измерения активной мощности, называются ваттметрами.
На ВЧ и СВЧ сигналы часто имеют вид импульсно-модулированных колебаний (радиоимпульсы). Для них вводят понятие
импульсного
(пикового) значения мощности, связанного со значением
Р
соотношением
(4.4)
где под понимается длительность практически прямоугольных радиоимпульсов, следующих с периодом повторения T.
При отличии формы радиоимпульсов от прямоугольной понятие
импульсная мощность
может стать неопределенным, если не уточнено, как должно определяться значение .На практике значение измеряют на уровне 0,5 от амплитуды импульса. Однако такое правило в известной степени условно и при косвенных измерениях
Р„
погрешность определения Ри по формуле (4.4) увеличивается. Этот недостаток устраняется с помощью введения так называемых обобщенных параметров импульсов.
В случаях, когда для расчета тех или иных элементов цепи важно знать не только мощность, но и наибольшие допускаемые для них ток и напряжение, пользуются понятием полной
мощности, определяемой для сигналов сложной формы как
(4.5)
откуда для гармонического сигнала
(4.6)
Полная мощность измеряется в вольт-амперах (В*А) и связана с активной мощностью определенными соотношениями. В частности, отношение =P/S
называется
коэффициентом мощности.
При гармонических сигналах, согласно (4.3) и (4.6), =cos . Так как , то в цепях переменного тока должна существовать еще одна мощность, называемая
реактивной.
По аналогии с (4.2) реактивная мощность
Подключение Ваттметра
Ваттметры имеют четыре клеммы (2 входа, 2 выхода) для подключения. Две из них используют при сборе последовательной (токовой) цепи – ее подключают первой, а две – для параллельной (цепи напряжения).
Начало цепи напряжения (вход) подключают к началу токовой цепи (соединить клеммы перемычкой), соединенному с одним зажимом сети. Конец цепи напряжения (выход) соединяют с другим зажимом сети.
Рассмотрим несколько ваттметров разного исполнения и разных производителей:
Многофункциональный цифровой ваттметр СМ3010 класса точности 0,1
Предназначен для измерения активной мощности, тока, напряжения и частоты в цепях постоянного тока и в однофазных цепях переменного тока; для поверки ваттметров, амперметров, вольтметров класса 0,3 и ниже, частотомеров класса 0,01 и ниже.
Пределы измерения тока Iп:
- на постоянном и переменном токе: 0,002-0,005-0,01-0,02-0,05-0,1-0,2-0,5-1-2-5-10 А.
Пределы измерения напряжения Uп:
- постоянный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700-1000 В.
- переменный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700 В.
Пределы измерения мощности соответственно Uп* Iп
Пределы измерения частоты от 40 до 5000Гц.
Основная погрешность:
- приведенная погрешность измерения тока, напряжения и мощности на постоянном токе ±0,1%;
- приведенная погрешность измерения тока и напряжения на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1500Гц ±0,1%;
- приведенная погрешность измерения мощности на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1000Гц ±0,1%;
- относительная погрешность измерения частоты в диапазоне частот от 40 до 5000Гц ±0,003%;
Габаритные размеры 225х100х205 мм. Масса не более 1кг. Потребляемая мощность не более 5Вт.
Ваттметры многофункциональные СМ3010 выпускаются по ТУ 4221-047-16851585-2014, соответствуют требованиям ТР ТС 004/2011, ТР ТС 020/2011.
Производство – ЗИП-Научприбор.
Устройства измерительные ЦП8506-120 (далее – устройства).
Предназначены для измерения активной, реактивной, активной и реактивной трехфазных трехпроводных цепей переменного тока, отображения текущего значения измеряемой мощности на цифровом индикаторе и преобразования его в аналоговый выход-ной сигнал (далее – выходной сигнал).
Измеренные значения отображаются в цифровой форме на встроенных индикаторах. Отображение измеренных величин на цифровых индикаторах производится в единицах измеряемой величины, поступающей непосредственно на вход устройства, или в единицах измеряемой величины, поступающей на вход трансформаторов тока и напряжения с учетом коэффициентов трансформации, в ваттах, киловаттах, мегаваттах, варах, киловарах, мегаварах. Цифровые индикаторы имеют по четыре значащих разряда.
Назначение ЦП8506-120:
- для измерения активной и реактивной мощности в трехфазных трехпроводных электрических цепях переменного тока частотой от 45 до 55 Гц
Краткие технические характеристики ЦП8506-120 (Ваттметр)
Варметр щитовой цифровой трехфазный:
- Коэффициент мощности: для ваттметра cos φ=1, для варметра sin φ=1
- Габаритные размеры: 120х120х150 мм
- Высота знака: 20 мм
- Максимальный диапазон отображения: 9999
- Класс точности: 0,5
- Время преобразования: не более 0,5 с
- Рабочая температура: +5 … +40 град С (О4.1), -40…+50 град С (УХЛ3.1)
- Степень защиты по передней панели: IP40
- Потребляемая мощность: 5ВА
- Масса: не более 1,2 кг
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Измерение мощности постоянного тока, определяемой формулой
где U и І — соответственно напряжение тока и ток, производится либо косвенным методом — по показаниям вольтметра и амперметра, либо прямым методом — по показаниям ваттметра.
Сущность косвенного метода измерения мощности заключается в измерении с помощью вольтметра и амперметра напряжения U и тока І цепи и последующем вычислении в соответствии с выражением (2). На рис. 1 приведены две возможные схемы включения вольтметра и амперметра в цепь при измерении мощности, потребляемой нагрузкой RH,
Для схемы 1, а
мощность, потребляемая схемой, равна:
где ІН и ІВ — токи, протекающие соответственно через нагрузку и вольтметр; РН и РВ — мощность, потребляемая соответственно нагрузкой и вольтметром.
Таким образом, для данной схемы включения рассчитанное значение мощности Р
будет больше действительного значения мощности, потребляемой нагрузкой РН
, на величину
РВ
=
UIB.
При этом погрешность определения мощности, потребляемой нагрузкой, будет тем меньше, чем меньше ток ІВ по сравнению с ІН, т. е. чем больше входное сопротивление вольтметра (RВ)
.
Потребляемая схемой (рис. 1,
б)
т. е. определяемая расчетом мощность будет больше действительной мощности нагрузки PH на величину потери мощности в амперметре Pa=IHRа. Погрешность определения потребляемой нагрузкой мощности будет тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки.
Анализ показывает, что погрешность измерения мощности будет минимальной при включении измерительных приборов по схеме, приведенной на рис. 1,а, если выполняется условие
При включении приборов по схеме, показанной на рис. 1, б, погрешность измерения будет минимальной при условии
При точных измерениях упомянутую погрешность можно учесть, если известно сопротивление измерительных приборов.
потребляемая им мощность Ра определяется путем измерения тока Iн, протекающего через него, или падения напряжения на нем Un .
Расчет мощности производится в соответствии с выражениями:
Рассмотренные методы определения мощности, потребляемой нагрузкой, применяются и при измерении мощности генераторов постоянного тока.
Измерение мощности в цепи постоянного тока прямым методом в основном производится с помощью ваттметров электродинамической системы.
где I1 и I2 — токи, протекающие соответственно через неподвижную и подвижную катушку; f (α)
— функция, учитывающая изменение вращающего момента в зависимости от угла поворота а подвижной катушки (обусловлена изменением взаимной индукции между катушками).
Противодействующий момент создается токопроводящими пружинами подвижной катушки
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.
«Актуальность создания школьных служб примирения/медиации в образовательных организациях»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Тема: Измерение активной и реактивной мощности в трехфазных электрических цепях методом одного ваттметра.
Цель: Научится измерять на опыте методом одного ваттметра
Метод применяется при измерении мощности в симметричных трехфазных цепях.Для измерения активной мощности обмотка напряжения ваттметра включается на фазное напряжение, а обмотка тока включается в провод какой-либо фазы. Для получения активной мощности всей трехфазной цепи необходимо показания ваттметра утроить: Р = ЗР .
Для измерения реактивной мощности обмотка напряжения ваттметра включается на линейное напряжение(штриховая линия). Для получения реактивной мощности всей трехфазной цепи необходимо показания ваттметра умножить на v 3: Q = V 3 P .
1. Ознакомиться с приборами, необходимыми для работы, записать их основные технические данные в таблицу 1.
2. Определить зажимы последовательных и параллельных обмоток ваттметра.
3. Соединить приборы по схеме, приведенной выше, и показать ее для проверки преподавателю.
4. Включить цепь по схеме для измерения активной мощности и измерить активную мощность по данным ваттметра Р . По показаниям определить Р всей цепи.
5. Включить цепь по схеме для измерения реактивной мощности (штриховая линия) и измерить реактивную мощность по данным ваттметра Р . По показаниям определить Q всей цепи.
6. Сравнить значение мощности по показаниям ваттметра, амперметра, вольтметра.
8.
Наблюдения и расчеты записать в таблицу.
1. Что собой представляет предел измерения у электроизмерительных приборов?
8.
Наблюдения и расчеты записать в таблицу.
Мнение эксперта
It-Technology, Cпециалист по электроэнергетике и электронике
Задавайте вопросы «Специалисту по модернизации систем энергогенерации»
Мощность трехфазной цепи при несимметричной нагрузке кратко. В заключение отметим, что если при соединении в звезду задаются линейные напряжения что обычно имеет место на практике , то с учетом того, что сумма последних равна нулю, их можно однозначно задать с помощью двух источников ЭДС, например, и. Спрашивайте, я на связи!
