Схема ваттметр: СХЕМА ПРОСТОГО ВАТТМЕТРА

Содержание

Схема включения ваттметра

Из выражения для мощности на постоянном токе видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по
двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность
.

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы
.

Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 — 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 — 2,5).

Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность
, обусловленную гистерезисом сердечников.

Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения UI
, т. е. от мощности.

Рис.
8.3.

Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать нагрузку H
чисто активной, погрешности и , обусловленные потреблением мощности катушками ваттметра, для схем (рис. 8.3):

где и – соответственно мощность
, потребляемая последовательной и параллельной цепью ваттметра.

Из формул для и видно, что погрешности могут иметь заметные значения лишь при измерениях мощности в маломощных цепях, т. е. когда и соизмеримы с .

Если поменять знак только одного из токов, то изменится направление отклонения подвижной части ваттметра.

У ваттметра имеются две пары зажимов (последовательной и параллельной цепей), и в зависимости от их включения в цепь направление отклонения указателя может быть различным. Для правильного включения ваттметра один из каждой пары зажимов обозначается знаком «*» (звездочка) и называется «генераторным зажимом».

Измерение мощности с использованием эффекта Холла

Перемножение значений силы тока и разности потенциалов при измерении мощности можно получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла.

Если специальную полупроводниковую пластину, по
которой течет ток I
(рис. 8.4), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле
с напряженностью Н (индукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой
, перпендикулярной направлениям протекающего тока I
и магнитного поля, возникает разность
потенциалов (эффект Холла), определяемая как

где k
– коэффициент пропорциональности.

Рис.
8.4.

Согласно теореме Умова-Пойнтинга, плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяется векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля:

Отсюда, если ток I
будет функцией электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения от проходящей мощности:

где g
– постоянный коэффициент, характеризующий образец. Для измерения такой мощности пластину полупроводника (пластинку Холла – ПХ) помещают в волновод, как показано (рис. 8.5).

Рис.
8.5.

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;
высокое быстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении импульсной мощности.

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

Методы измерения мощности на высоких и сверхвысоких частотах

Мощность
в общем виде есть физическая величина, которая определяется работой, производимой в единицу времени. Единица
мощности – ватт (Вт) – соответствует мощности, при которой за одну секунду выполняется работа в один джоуль (Дж).

На постоянном токе и переменном токе низкой частоты непосредственное измерение мощности зачастую заменяется измерением действующего значения электрического напряжения на нагрузке U
, действующего значения тока, протекающего через нагрузку I
, и угла сдвига фаз между током и напряжением . При этом мощность
определяют выражением:

В СВЧ диапазоне измерение напряжения и тока становится затруднительным. Соизмеримость размеров входных цепей измерительных устройств с длиной волны является одной из причин неоднозначности измерения напряжения и тока.

Измерения сопровождаются значительными частотными погрешностями. Следует добавить, что измерение напряжения и тока в волноводных трактах при некоторых типах волн теряет практический смысл, так как продольная составляющая в проводнике отсутствует, а разность
потенциалов между концами любого диаметра сечения волновода равна нулю. Поэтому на частотах, начиная с десятков мегагерц, предпочтительным и более точным становится непосредственное измерение мощности, а на частотах свыше 1000 МГц – это единственный вид измерений, однозначно характеризующий интенсивность электромагнитных колебаний.

Для непосредственного измерения мощности СВЧ применяют методы, основанные на фундаментальных физических законах, включающие метод прямого измерения основных величин: массы, длины и времени.

Несмотря на разнообразие методов измерения СВЧ мощности, все они сводятся к преобразованию энергии электромагнитных СВЧ колебаний в другой вид энергии, доступной для измерения: тепловую, механическую и т. д. Среди приборов для измерения СВЧ мощности наибольшее распространение получили ваттметры, основанные на тепловых методах. Используют также ряд других методов – пондеромоторный, зондовый и другие.

Принцип действия подавляющего большинства измерителей мощности СВЧ, называемых ваттметрами, основан на измерении изменений температуры или сопротивления элементов, в которых рассеивается энергия
исследуемых электромагнитных колебаний. К приборам, основанным на этом явлении, относятся калориметрические и терморезисторные измерители мощности. Получили распространение ваттметры, использующие пондеромоторные явления (электромеханические силы), и ваттметры, работающие на эффекте Холла. Особенность первых из них – возможность абсолютных измерений мощности, а вторых – измерение мощности независимо от согласования ВЧ-тракта.

По
способу включения в передающий тракт различают ваттметры проходящего типа и поглощающего типа. Ваттметр проходящего типа представляет собой четырехполюсник, в котором поглощается лишь небольшая часть общей мощности. Ваттметр поглощающего типа, представляющий собой двухполюсник, подключается на конце передающей линии, и в идеальном случае в нем поглощается вся мощность
падающей волны. Ваттметр проходящего типа часто выполняется на основе измерителя поглощающего типа, включенного в тракт через направленный ответвитель.

Калориметрические методы измерения мощности основаны на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую в сопротивлении нагрузки, являющейся составной частью измерителя. Количество выделяемого тепла определяется по
данным изменения температуры в нагрузке или в среде, куда передано тепло. Различают калориметры статические (адиабатические) и поточные (неадиабатические). В первых мощность
СВЧ рассеивается в термоизолированной нагрузке, а во вторых предусмотрено непрерывное протекание калориметрической жидкости. Калориметрические измерители позволяют измерять мощность
от единиц милливатт до сотен киловатт. Статические калориметры измеряют малый и средний уровни мощности, а поточные – средние и большие значения мощности

Условие баланса тепла в калориметрической нагрузке имеет вид:

где P
– мощность
СВЧ, рассеиваемая в нагрузке; T
и T 0
– температура нагрузки и окружающей среды соответственно; c
, m
– удельная теплоемкость и масса калориметрического тела; k
– коэффициент теплового рассеяния. Решение уравнения представляется в виде

где – тепловая постоянная времени.

В случае статического калориметра время измерения много меньше постоянной и мощность
СВЧ равна:

Основными элементами статических калориметров являются термоизолированная нагрузка и прибор для измерения температуры. Нетрудно рассчитать поглощаемую мощность
СВЧ по
измеренной скорости повышения температуры и известной теплоемкости нагрузки.

В приборах используются различные высокочастотные оконечные нагрузки из твердого или жидкого диэлектрического материала с потерями, а также в виде пластинки или пленки высокого сопротивления. Для определения изменения температуры применяют термопары и различные термометры.

Рассмотрим статический калориметр, в котором снижены требования к термоизоляции и отпадает необходимость в определении теплоемкости калориметрической насадки (рис. 8.6). В этой схеме используется метод замещения. В ней для калибровки прибора 4, измеряющего повышение температуры при рассеянии измеряемой мощности, подводимой к плечу 1, используется известная мощность
постоянного тока или тока низкой частоты, подводимая к плечу 2. Предполагается, что температура насадки 3 изменяется одинаково при рассеянии равных значений мощности СВЧ и постоянного тока. Статические калориметры позволяют измерять мощность
несколько милливатт с погрешностью менее .

Измерение мощности производят обычно с помощью ваттметра электродинамической системы, в котором имеются две катушки — неподвижная и подвижная.

Подвижная катушка, выполненная из очень тонкого провода, имеет практически чисто активное сопротивление и называется параллельной обмоткой. Ее включают параллельно участку цепи, подобно вольтметру. Жестко скрепленная со стрелкой (указателем), она может вращаться в магнитном поле, создаваемом непод вижной катушкой.

Неподвижная катушка, выполненная из довольно толстого провода, имеет очень малое активное сопротивление и называется последовательной обмоткой. Ее включают в цепь последовательно, подобно амперметру.

На электрической схеме ваттметр изображают, как показано на рис. 3.22. Одна пара концов (на рисунке обычно расположена горизонтально) принадлежит последовательной обмотке, другая пара концов (на рисунке расположена вертикально) — параллельной. На концах одноименных зажимов обмоток (например, у начала обмоток) принято ставить точки.

Вращающий момент ваттметра, а следовательно, и его показания пропорциональны действительной части произведения комплексного напряжения на параллельной обмотке ваттметра на сопряженный комплекс тока втекающего в конец последовательной (токовой) обмотки ваттметра и снабженной точкой:

Напряжение на параллельной обмотке берут равным разности потенциалов между ее концом, имеющим точку (точка а), и ее концом, не имеющим точки (точка ). Предполагается, что ток втекает в конец последовательной обмотки, у которого поставлена точка.

Цена деления ваттметра определяется как частное от деления произведения номинального напряжения на номинальный ток (указывают на лицевой стороне прибора) на число делений шкалы.

Пример 41. Номинальное напряжение ваттметра 120 В. Номинальный ток 5 А. Шкала имеет 150 делений. Определить цену деления ваттметра.

Решение. Цена деления ваттметра равна

Для непосредственного измерения мощности цепи постоянного тока применяется ваттметр. Неподвижная последовательная катушка или катушка тока ваттметра соединяется последовательно с приемниками электрической энергии. Подвижная параллельная катушка или катушка напряжения, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, образует параллельную цепь ваттметра, которая присоединяется параллельно приемникам энергии.

Угол поворота подвижной части ваттметра:

α = k2IIu = k2U/Ru

где I
— ток последовательной катушки; I
и — ток параллельной катушки ваттметра.

Рис. 1. Схема устройства и соединений ваттметра

Так как в результате применения добавочного сопротивления параллельная цепь ваттметра имеет практически постоянное сопротивление ru
, то α = (k2/Ru)IU = k2IU = k3P

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи.

Шкала ваттметраравномерна. При работе с ваттметром необходимо иметь в виду, что изменение направления тока в одной из катушек вызывает изменение направления вращающего момента и направления поворота подвижной катушки, а так как обычно шкала ваттметра делаетсяодносторонней, т. е. деления шкалы расположены от нуля вправо, то при неправильном направлении тока в одной из катушек определение измеряемой величины по ваттметру будет невозможно.

По указанным причинам следует всегда различать зажимы ваттметра. Зажим последовательной обмотки, соединяемый с источником питания, называется генераторным и отмечается на приборах и схемах звездочкой. Зажим параллельной цепи, присоединяемый к проводу, соединенному с последовательной катушкой, также называется генераторным и отмечается звездочкой.

Таким образом, при правильной схеме включения ваттметра токи в катушках ваттметра направлены от генераторных зажимов к негенераторным. Могут иметь место две схемы включения ваттметра (см. рис. 2 и рис. 3).

Рис. 2. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 3. Правильная схема включения ваттметра

В схеме, данной на рис. 2, ток последовательной обмотки ваттметра равен току приемников энергии, мощность которых измеряется, а параллельная цепь ваттметра находится под напряжением U»
большим, чем напряжение приемников, на величину падения напряжения в последовательной катушке. Следовательно, Рв = IU» = I(U+U1) = IU = IU1
, т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности последовательной обмотки ваттметра.

В схеме, данной на рис. 3, напряжение на параллельной цепи ваттметра равно напряжению на приемниках, а ток в последовательной обмотке больше тока, потребляемого приемником, на величину тока параллельной цепи ваттметра. Следовательно, P
в = U(I+Iu) = UI+ UIu
, т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности параллельной цепи ваттметра.

При измерениях, в которых мощностью обмоток ваттметра можно пренебречь, предпочтительнее пользоваться схемой, показанной на рис. 2, так как обычно мощность последовательной обмотки меньше, чем параллельной, а следовательно, показания ваттметра будут более точными.

При точных измерениях необходимо вводить поправки в показания ваттметра, обусловленные мощностью его обмотки, и в таких случаях можно рекомендовать схему на рис.3, так как поправка легко вычисляется по формуле U
2 /Ru
, где Ru
обычно известно, а поправка остается неизменной при различных значениях тока, если U постоянно.

При включении ваттметра по схеме на рис. 2 потенциалы концов катушек разнятся только на величину падения напряжения в подвижной катушке, так как генераторные зажимы катушек соединены вместе. Падение напряжения в подвижной катушке незначительно по сравнению с напряжением на параллельной цепи, так как сопротивление этой катушки незначительно по сравнению с сопротивлением параллельной цепи.

Рис. 4. Неправильная схема включения ваттметра

На рис. 4 дана неправильная схема включения параллельной цепи ваттметра. Здесь генераторные зажимы катушек соединены через добавочное сопротивление, вследствие чего разность потенциалов между концами катушек равна напряжению цепи (иногда весьма значительному 240 — 600 В), а так как неподвижная и подвижная катушки находятся в непосредственной близости одна от другой, то создаются условия, благоприятные для пробоя изоляции катушек. Кроме того, между катушками, имеющими весьма различные потенциалы, будет наблюдаться электростатическое взаимодействие, могущее вызвать дополнительную погрешность при измерении мощности в электрической цепи.

В
настоящее время необходимо измерять
мощность и энергию постоянного
тока, активную мощность и энергию
переменного однофазного
и трехфазного тока, реактивную мощность
и энергию трехфазного
переменного тока, мгновенное значение
мощности, а также количество электричества
в очень широких пределах.

Электрическая
мощность определяется работой, совершаемой
источником
электромагнитного поля в единицу
времени.

Активная
(поглощаемая электрической цепью)
мощность

P
a
=UIcos


> = I

2


R=U
2
/R,
(1)

где
U
,
I

—
действующие значения напряжения и тока;

— угол сдвига
фаз.

Реактивная мощность

Р
р

=
UIsin


=
I
2
X
.
(2)

Полная мощность

P
n

=
UI
=
PZ
.
Эти
три типа мощности связаны выражением

P

=(Р
а

2
+Р
2
р
)
(3)

Так,
мощность измеряется в пределах 1 Вт…
10 ГВт (в цепях постоянного
и однофазного переменного тока) с
погрешностью ±(0,01…0,1)
%, а при СВЧ — с погрешностью ±(1…5) %.
Реактивная
мощность от единиц вар до Мвар измеряется
с погрешностью ±(0,1. ..0,5)%.

Диапазон
измерения электрической энергии
определяется диапазонами
измерения номинальных токов (1 нА…1О
кА) и напряжений (1 мкВ…1 MB),
погрешность измерения составляет
±(0,1…2,5)%.

Измерение
реактивной энергии представляет интерес
только для
промышленных трехфазных цепей.

Измерение
мощности в цепях постоянного тока.
При
косвенном измерении
мощности используют метод амперметра
и вольтметра и
компенсационный метод.

Метод
амперметра и вольтметра. В этом случае
приборы
включаются по двум схемам (рис.1).

Метод
прост, надежен, экономичен, но обладает
рядом существенных
недостатков: необходимостью снимать
показания по двум

Рис.
.1.
Схемы измерения мощности по показаниям
вольтметра и амперметра при малых (а) и
больших (б)
сопротивлениях
нагрузки

приборам;
необходимостью производить вычисления;
невысокой точностью
за счет суммирования погрешности
приборов.

Мощность
Р
х
,
вычисленная
по показаниям приборов (рис. 1а), имеет
вид

Она
больше действительного значения
мощности, расходуемой
в нагрузке Р н,
на значение мощности потребления
вольтметра
Р
v
,
т.
е. Р н
= Р
х

– Р
v
.

Погрешность
определения мощности в нагрузке тем
меньше, чем
больше входное сопротивление вольтметра
и меньше сопротивление
нагрузки.

Мощность
Р
х
,
вычисленная
по показаниям приборов (рис 1.,
б),
имеем
вид

Она
больше действительного значения мощности
потребления нагрузки
на значение мощности потребления
амперметром Р
А
.
Методическая
погрешность тем меньше, чем меньше
входное сопротивление
амперметра и больше сопротивление
нагрузки.

Компенсационный
метод. Этот метод применяется тогда,
когда требуется высокая точность
измерения мощности. С помощью
компенсатора поочередно измеряется
ток нагрузки и падение напряжения на
нагрузке. Измеряемая мощность определяется
по формуле

P
=
U
н

I
н
.
(4)

При
прямом измерении активная мощность
измеряется электромеханическими
(электродинамической и ферродинамической
систем), цифровыми и электронными
ваттметрами.

Электродинамические
ваттметры применяются как переносные
приборы
для точных измерений мощности (класс
0,1… 2,5) в цепях
постоянного и переменного тока с частотой
до нескольких тысяч
герц.

Ферродинамические
щитовые вольтметры применяются в цепях
переменного тока промышленной частоты
(класс 1,5…2,5).

В
широком диапазоне частот применяются
цифровые ваттметры, основу

составляют
различные преобразователи мощности
(например,
термоэлектрические), УПТ, микропроцессор
и ЦОУ. В
цифровых ваттметрах осуществляется
автоматический выбор пределов
измерений, самокалибровка и предусмотрен
внешний интерфейс.

Для
измерения мощности в высокочастотных
цепях также используются
специальные и электронные ваттметры.

Для
измерения реактивной мощности на низких
частотах служат реактивные ваттметры
(варметры), в которых путем использования
специальных схем отклонение подвижной
части электродинамического
ИМ пропорционально реактивной мощности.

Включение
электромеханических ваттметров
непосредственно в
электрическую цепь допустимо при токах
нагрузки, не превышающих
10… 20 А, и напряжениях до 600 В. Измерение
мощности при
больших токах нагрузки и в цепях высокого
напряжения производится
ваттметром с измерительными трансформаторами
тока ТА
и
напряжения TV
(рис..2).

Измерение
активной мощности в цепях трехфазного
тока.
Метод
одного ваттметра. Этот метод применяется
только в симметричной
системе с равномерной нагрузкой фаз,
одинаковыми
углами сдвига по фазе между векторами
I

и U

и
с полной симметрией напряжений (рис..3).

Рис..3.
Схемы включения ваттметра в трехфазную
трехпроводную цепь при
полной симметрии присоединения нагрузки:

а
—
звездой; б
—
треугольником;
в
~-
с
искусственной нулевой точкой

Рис.4.
Схемы включения двух ваттметров в
трехфазную цепь: а
—
в 1-ю и 3-ю; б
—
в 1-ю и 2-ю; в
—
в 2-ю и 3-ю

На
рис. .3, а
нагрузка
соединена звездой и нулевая точка
доступна. На рис.3, б
нагрузка
соединена треугольником, ваттметр
включен в фазу. На рис. .3, в
нагрузка
соединена треугольником
с искусственной нулевой точкой.
Искусственная нулевая точка
создается с помощью двух резисторов,
каждый из которых равен
сопротивлению цепи обмотки напряжения
ваттметра (обычно указывается
в техническом паспорте на ваттметр).

Показания
ваттметра будут соответствовать мощности
одной фазы,
а мощность всей трехфазной сети во всех
трех случаях включения
прибора будет равна мощности одной
фазы, умноженной на
три:

Р =
3
P
w

Метод
двух ваттметров. Этот метод применяется
в трехфазной
трехпроводной цепи независимо от схемы
соединения и характера
нагрузки как при симметрии, так и при
асимметрии токов
и напряжений. Асимметрия — это система,
в которой мощности
отдельных фаз различны. Токовые обмотки
ваттметров включаются
в любые две фазы, а обмотки напряжения
включаются на линейные напряжения (рис.
4).

Полная
мощность может быть выражена в виде
суммы показаний Двух
ваттметров. Так, для схемы, представленной
на рис..4,
а,

где
 1
— угол сдвига фаз между током I
1

и линейным напряжением U
12,
 2 —
угол сдвига фаз между током I
3

и линейным напряжением U
32
.
В
частном случае при симметричной системе
напряжений и одинаковой
нагрузке фаз  1 ,
= 30° — 
и  2
= 30° — 
показания ваттметров будут:

При
активной нагрузке (=
0) показания ваттметров будут одинаковы,
так как P
W
]

=
P
W
2

IUcos
30°.

При
нагрузке с углом сдвига ср = 60° показания
второго ваттметра равны нулю, так как
P
W
2

=
IU
cos(30°
+ )
= IU
cos(30°
+ 60°) = 0, и
в этом случае мощность трехфазной цепи
измеряется одним ваттметром.

При
нагрузке с углом сдвига 
> 60° мощность, измеряемая вторым
ваттметром, будет отрицательной, так
как (30° +) больше 90°. В этом случае подвижная
часть ваттметров повернется в обратную
сторону. Для отсчета необходимо изменить
на 180° фазу тока
в одной из цепей ваттметра. В этом случае
мощность цепи трехфазного
тока равна разности показаний ваттметров

Метод
трех ваттметров. Для измерения мощности
трехфазной
цепи при несимметричной нагрузке
включаются три ваттметра, и общая
мощность при наличии нулевого провода
будет равна арифметической сумме
показаний трех ваттметров. В этом случае
каждый ваттметр измеряет мощность одной
фазы, показания ваттметра независимо
от характера нагрузки будут положительные
(параллельная обмотка включается на
фазное напряжение,
т. е. между линейным проводом и нулевым).
Если нулевая точка недоступна
и нулевой провод отсутствует, то
параллельные цепи приборов
могут образовать искусственную нулевую
точку при условии,
что сопротивления этих цепей равны
между собой.

Измерение
реактивной мощности в однофазных и
трехфазных цепях.
Несмотря
на то что реактивная мощность не
определяет ни совершаемой работы, ни
передаваемой энергии за единицу времени,
ее измерение также важно. Наличие
реактивной мощности
приводит к дополнительным потерям
электрической энергии
в линиях передачи, трансформаторах и
генераторах. Реактивная
мощность измеряется в вольт-амперах
реактивных (вар) как в однофазных, так
и в трехфазных трех- и четырехпроводных
цепях
переменного тока электродинамическими
и ферродинамическими или специально
предназначенными для измерения реактивной
мощности ваттметрами. Отличие реактивного
ваттметра
от обычного состоит в том, что он имеет
усложненную схему параллельной
цепи для получения сдвига по фазе,
равного 90°

между
векторами тока и напряжения этой цепи.
Тогда отклонение подвижной части
будет пропорционально реактивной
мощности
Р
р

=
UIsin

.
Реактивные
ваттметры преимущественно применяются
для лабораторных измерений и поверки
реактивных счетчиков.

Реактивную
мощность в трехфазной симметричной
цепи можно измерить и активным ваттметром:
для этого –токовая катушка последовательно
включается в фазу А, катушка напряжения
между фазами В и С.

Измерение
мощности в цепях повышенной частоты.
С
этой целью
можно использовать как прямые, так и
косвенные измерения и
в ряде случаев предпочтительнее могут
оказаться косвенные, так
как иногда легче измерить ток и напряжение
на нагрузке, чем непосредственно
мощность. Прямое измерение мощности в
цепях повышенных и высоких частот
производится термоэлектрическими,
электронными ваттметрами, ваттметрами,
основанными на эффекте
Холла, и цифровыми ваттметрами.

Косвенные
измерения осуществляются осциллографическим
методом.
Он применяется в основном тогда, когда
цепь питается напряжением
несинусоидальной формы, при высоких
частотах, маломощных
источниках напряжения и т. д.

Измерение
энергии в однофазных и трехфазных цепях.
Энергия
измеряется
электромеханическими и электронными
счетчиками электрической
энергии. Электронные счетчики электрической
энергии
обладают лучшими метрологическими
характеристиками,
большей надежностью и являются
перспективными средствами
измерений электрической энергии.

4.
Измерение фазы и частоты

Фаза
характеризует состояние гармонического
сигнала в определенный
момент времени t
.
Фазовый
угол в начальный момент времени (начало
отсчета времени), т.е. при t

= 0,
называют
нуле
вым
(начальным) фазовым сдвигом.
Разность
фаз 
измеряют обычно между
током и напряжением либо между двумя
напряжениями. В
первом случае чаще интересуются не
самим углом сдвига фаз, а величиной
cos
или коэффициентом мощности. Cos-
это косинус
того угла, на который опережает или
отстает ток нагрузки от
напряжения, приложенного к этой нагрузке.
Фазовым
сдвигом

двух гармонических сигналов одинаковой
частоты называют модуль
разности их начальных фаз 
=| 1 —
 2 |.
Фазовый сдвиг 
не
зависит от времени, если остаются
неизменными начальные фазы
 1 ,
и  2 .
Разность фаз выражается в радианах или
градусах.

Методы
измерения угла сдвига фаз.
Эти
методы зависят от диапазона
частот, уровня и формы сигнала, от
требуемой точности и Наличия средств
измерений. Различают косвенное и прямое
изменения
угла сдвига фаз.

Косвенное
измерение. Такое измерение угла сдвига
фаз Между
напряжением U

и
током I

в нагрузке в однофазных цепях

осуществляют
с помощью трех приборов — вольтметра,
амперметра и ваттметра (рис.5). Угол 
определяется расчетным путем из
найденного значения cos:

Метод
используется обычно на промышленной
частоте и обеспечивает
невысокую точность из-за методической
погрешности, вызванной
собственным потреблением приборов,
достаточно прост, надежен, экономичен.

В
трехфазной симметричной цепи величина
cos
может быть определена
следующими измерениями:

мощность, ток и
напряжение одной фазы;

измерение активной
мощности методом двух ваттметров;

измерение
реактивной мощности методом двух
ваттметров с искусственной
нейтральной точкой.

Среди
осциллографических методов измерения
фазы наибольшее
распространение получили методы линейной
развертки и эллипса.
Осциллографический метод, позволяющий
наблюдать и фиксировать
исследуемый сигнал в любой момент
времени, используется
в широком диапазоне частот в маломощных
цепях при грубых
измерениях (5… 10 %). Метод линейной
развертки предполагает
применение двухлучевого осциллографа,
на горизонтальные
пластины которого подают линейное
развертывающее напряжение,
а на вертикальные пластины — напряжение,
между которыми
измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных
кривых на экране
получаем изображение двух напряжений
(рис.6, а)
и
по измеренным
отрезкам АБ и АС вычисляется угол сдвига
между ними

где
АБ — отрезок между соответствующими
точками кривых при переходе их через
нуль по оси X
;
АС
— отрезок, соответствующий периоду.

Погрешность
измерения 
х

зависит
от погрешности отсчета и фазовой
погрешности осциллографа.

Если
вместо линейной развертки использовать
синусоидальное
развертывающее напряжение, то получаемые
на экране фигуры Лиссажу при равных
частотах дают на экране осциллографа
форму эллипса (Рис. 6б). Угол сдвига
 x =arcsin(АБ/ВГ).

Этот
метод позволяет измерять  х
в пределах 0 90 о
без определения знака фазового угла.

Погрешность
измерения  х
также определяется погрешностью отсчета

Рис..6.
Кривые, получаемые на экране двухлучевого
осциллографа: при
линейной (а)
и
синусоидальной (б) развертке

и
расхождениями в фазовых сдвигах каналов
Х
и

Y

осциллографа.

Применение
компенсатора переменного тока с
калиброванным
фазовращателем и электронным осциллографом
в качестве индикатора равенства фаз
позволяет произвести достаточно точное
измерение угла сдвига фаз. Погрешность
измерения в этом случае
определяется в основном погрешностью
используемого фазовращателя.

Прямое
измерение. Прямое измерение утла сдвига
фаз осуществляют
с помощью электродинамических,
ферродинамических,
электромагнитных, электронных и цифровых
фазометров. Наиболее
часто из электромеханических фазометров
используют
электродинамические и электромагнитные
логометрические
фазометры. Шкала у этих приборов линейная.
Используются
на диапазоне частот от 50 Гц до 6… 8 кГц.
Классы точности — 0,2; 0,5. Для них характерна
большая потребляемая мощность 1(5…10
Вт).

В
трехфазной симметричной цепи измерение
угла сдвига фаз 
или cos
осуществляется однофазным или трехфазным
фазометрами.

Цифровые
фазометры используются в маломощных
цепях в диапазоне
частот от единиц Гц до 150 МГц, классы
точности —
0,005;
0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных
цифровых фазометрах сдвиг по фазе между
двумя напряжениями преобразуется во
временной интервал, заполняемый
импульсами
стабильной частоты с определенным
периодом, которые под-считываются
электронным счетчиком импульсов.
Составляющие погрешности
этих приборов: погрешность дискретности,
погрешность генератора стабильной
частоты, погрешность, зависящая
от точности формирования и передачи
временного интервала.

Методы
измерения частоты.
Частота
является одной из важнейших
характеристик периодического процесса.
Определяется числом полных циклов
(периодов) изменения сигнала в единицу
времени. Диапазон используемых в технике
частот очень велик и колеблется от долей
герц до десятков. Весь спектр частот
подразделяется на два диапазона —
низкие и высокие.

Низкие частоты:
инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые —
20…20000 Гц; ультразвуковые — 20…200 кГц.

Высокие частоты:
высокие — от 200 кГц до 30 МГц; ультравысокие
— 30…300 МГц.

Поэтому
выбор метода измерения частоты зависит
от диапазона
измеряемых частот, необходимой точности
измерения, величины
и формы напряжения измеряемой частоты,
мощности измеряемого
сигнала, наличия средств измерений и
т.д.

Прямое
измерение. Метод основан на применении
электромеханических,
электронных и цифровых частотомеров.

Электромеханические
частотомеры используют измерительный
механизм
электромагнитной, электродинамической
и ферродинамической систем с
непосредственным отсчетом частоты по
шкале
логометрического измерителя. Они просты
в устройстве и эксплуатации, надежны,
обладают довольно высокой точностью.
Их
используют в диапазоне частот от 20 до
2500 Гц. Классы точности — 0,2; 0,5; 1,0; 1,5;
2,5.

Электронные
частотомеры применяются при измерениях
в частотном
диапазоне от 10 Гц до нескольких мегагерц,
при уровнях входного сигнала 0,5… 200 В.
Они имеют большое входное сопротивление,
что обеспечивает малое потребление
мощности. Классы точности — 0,5; 1,0 и ниже.

Цифровые
частотомеры применяются для очень
точных измерений
в диапазоне 0,01 Гц… 17 ГГц. Источниками
погрешности являются
погрешность от дискретности и
нестабильности кварцевого
генератора.

Мостовой
метод. Этот метод измерения частоты
основан на
использовании частотозависимых мостов
переменного тока, питаемых
напряжением измеряемой частоты. Наиболее
распространенной
мостовой схемой для измерения частоты
является емкостной
мост. Мостовой метод измерения частоты
применяют для измерения низких частот
в пределах 20 Гц… 20 кГц, погрешность
измерения составляет 0,5… 1 %.

Косвенное
измерение. Метод осуществляется с
использованием
осциллографов: по интерференционным
фигурам (фигурам
Лиссажу) и круговой развертки. Методы
просты, удобны и достаточно
точны. Их применяют в широком диапазоне
частот 10
Гц… 20 МГц. Недостатком метода Лиссажу
является сложность расшифровки фигур
при соотношении фигур более 10 и,
следовательно,
возрастает погрешность измерения за
счет установления истинного
отношения частот. При методе круговой
развертки погрешность
измерения в основном определяется
погрешностью квантования основной
частоты.

МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ЦЕПЕЙ

Схема — ваттметр — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Схема — ваттметр

Cтраница 1

Схема ваттметра состоит из двух цепей: последовательной ( токовой), в которую обычно входят неподвижные катушки, и параллельной, в которую входит рамка с последовательно включенным добавочным сопротивлением.
[1]

Схема ваттметра для измерения проходящей мощности коротких и ультракоротких волн, основанная на описанном принципе, изображена на рис. 4.20. Ваттметр состоит из отрезка линии /, волнозое сопротивление W которого разно полно ому сопоотиз-лению фидера, в который этот отрезок будет гключсн. Отрезок линии связан с двумя идентичными линиями 2 и Л, иягружен-ными нп противоположных концах сопротивлениями, равными кол-новому сопротивлению W2 этих линий.
[2]

Схема ваттметра для измерения активной мощности в трехфазной системе без нулевого провода приведена на рис. 32 а. При этом условии вращающий момент регистратора пропорционален активной мощности трехфазной системы.
[3]

Схема ваттметра калориметрического типа показана на рис. 6.12. Замкнутая водяная система состоит из охлаждаемого радиатора, насоса, водяной нагрузки и соединительных трубопроводов. Водяная нагрузка состоит из волноводной камеры с закрепленным внутри стеклянным конусом, заполненным водой. Вода протекает по замкнутому контуру с определенной скоростью. Форма конуса выбирается из условий полного поглощения энергии водяной нагрузкой. Конструктивно волноводная камера и водяная нагрузка выполняются в виде отдельного блока, называемого насадкой. Насадка к исследуемому генератору присоединяется с помощью волноводного перехода. Обычно приборы комплектуются набором волноводных переходов. Термопары, входящие в его состав, включены так, что развиваемые в них ЭДС направлены навстречу.
[4]

Основой схемы ваттметра является умножитель, собранный на двух парах смесительных ламп, соединенных двутактно. Прерывание измеряемого напряжения с частотой 10 гц обеспечивает стабильность и снижает погрешности за счет нелинейности характеристик ламп.
[6]

При составлении схемы ваттметра переменного тока необходимо иметь в — виду, что не только амплитуды управляющих величин должны быть пропорциональны току и напряжению контролируемой цепи, но и фазовый сдвиг между управляющими величинами должен быть тем же самым, что и между напряжением и током нагрузки.
[8]

Если в установке имеется переключатель схем ваттметров, то переключатель должен иметь соответствующую маркировку. Для проверки правильности маркировки на зажимы, предназначенные для поверяемых счетчиков, включают образцовые ваттметры по схеме, соответствующей проверяемой позиции переключателя схем, и сравнивают показания встроенных в установку ваттметров с показаниями ваттметров, включенных на зажимы установки, предназначенные для поверяемых счетчиков. Показания ваттметров сравнивают при нагрузках по току не менее 50 % номинальной.
[9]

При использовании перемножителей сигналов в схемах ваттметров достаточно в качестве выходного каскада включить низкочастотный фильтр.
[11]

На рис. 9 — 7 приведена схема ваттметра, использующего квадратичные участки сеточных характеристик ваккуумных триодов.
[13]

На рис. 11 — 16 дана схема ваттметра типа Д539 завода Точэлектроприбор для постоянного и переменного тока частоты 45 — 65 — 500 гц.
[15]

Страницы:

1

2

Схема включения ваттметра в электрическую цепь. Ваттметры. Виды и применение. Работа. Примеры и параметры

Если ток нагрузки больше допустимого тока ваттметра, то токовую катушку ваттметра включают через измерительный трансформатор тока (рис. 1, а).

Рис. 1. Схемы включения ваттметра в цепь переменного тока с большим током (а) и в высоковольтную сеть (б).

При выборе трансформатора тока необходимо следить за тем, чтобы номинальный первичный ток трансформатора I 1и был равен измеряемому току в сети или больше него.

Например, если значение тока в нагрузке достигает 20 А, то можно брать трансформатор тока, рассчитанный на первичный номинальный ток 20 А с номинальным коэффициентом трансформации по току Kн1 = I 1и / I 2и = 20/5 = 4.

Если при этом в измерительной цепи напряжение меньше допустимого ваттметром, то катушку напряжения включают непосредственно на напряжение нагрузки. Начало катушки напряжения при помощи перемычки / подключают к началу токовой катушки. Так же обязательно устанавливают перемычку 2 (начало катушки подключают к сети). Конец катушки напряжения подключают к другому зажиму сети.

Для определения действительной мощности в измеряемой цепи необходимо показание ваттметра умножить на номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока: P = Pw х Kн 1 = Pw х 4

Если ток в сети может превышать 20 А, то следует выбрать трансформатор тока с первичным номинальным током 50 А, при этом Kн 1 = 50/5 = 10.

В этом случае для определения значения мощности показания ваттметра надо умножать на 10.

Из выражения для мощности на постоянном токе Р = IU видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.

Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.

Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения ui = р и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения ui, т. е. от мощности.

На рис. 2, а показана возможность использования электродинамического измерительного механизма для построения ваттметра и измерения мощности.

Рис. 2. Схема включения ваттметра (а) и векторная диаграмма (б)

Неподвижная катушка 1, включаемая в цепь нагрузки последовательно, называется последовательной цепью ваттметра, подвижная катушка 2 (с добавочным резистором), включаемая параллельно нагрузке — параллельной цепью.

Для ваттметра, работающего на постоянном токе:

Рассмотрим работу электродинамического ваттметра на переменном токе. Векторная диаграмма рис. 2, б построена для индуктивного характера нагрузки. Вектор тока Iuпараллельной цепи отстает от вектора U на угол γ вследствие некоторой индуктивности подвижной катушки.

Из этого выражения следует, что ваттметр правильно измеряет мощность лишь в двух случаях: при γ = 0 и γ = φ.

Условие γ = 0 может быть достигнуто созданием резонанса напряжений в параллельной цепи, например включением конденсатора С соответствующей емкости, как это показано штриховой линией на рис. 1, а. Однако резонанс напряжений будет лишь при некоторой определенной частоте. С изменением частоты условие γ = 0 нарушается. При γ не равном 0 ваттметр измеряет мощность с погрешностью βy, которая носит название угловой погрешности.

При малом значении угла γ (γ обычно составляет не более 40 — 50″), относительная погрешность

При углах φ, близких к 90°, угловая погрешность может достигать больших значений.

Второй, специфической, погрешностью ваттметров является погрешность, обусловленная потреблением мощности его катушками.

При измерении мощности, потребляемой нагрузкой, возможны две схемы включения ваттметра, отличающиеся включением его параллельной цепи (рис. 3).

Рис. 3. Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать нагрузку Н чисто активной, погрешности β(а) и β(б), обусловленные потреблением мощности катушками ваттметра, для схем рис. 3, а и б:

где Рi и Рu — соответственно мощность, потребляемая последовательной и параллельной цепью ваттметра.

Из формул для β(а) и β(б) видно, что погрешности могут иметь заметные значения лишь при измерениях мощности в маломощных цепях, т. е. когда Рi и Рu соизмеримы с Рн.

Если поменять знак только одного из токов, то изменится направление отклонения подвижной части ваттметра.

Контрольные вопросы:

1. Какую энергию измеряет ваттметр электродинамической системы?

2. Влияет ли величина нагрузки на схему включения ваттметра?

3. Как расширяют пределы измерения ваттметра на переменном токе?

4. Как определить мощность в цепи постоянного тока по результатам измерения силы тока и напряжения?

5. Как правильно включить ваттметр однофазного тока при измерении мощности в контролируемой цепи?

6. Как измерить полную мощность однофазного тока, пользуясь амперметром и вольтметром?

7. Как определить реактивную мощность схемы?

Угол поворота подвижной части ваттметра:

α = k2IIu = k2U/Ru

где I
— ток последовательной катушки; I
и — ток параллельной катушки ваттметра.

Рис. 1. Схема устройства и соединений ваттметра

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи.

Рис. 2. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 3. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 4. Неправильная схема включения ваттметра

Одно из свойств, которое дает характеристику состояния электрической цепи – это мощность. Это свойство отражает значение работы, выполненное электрическим током за определенное время. Мощность оборудования, входящего в электрическую цепь, не должна выходить за рамки мощности сети. В противном случае оборудование может выйти из строя, возникнет замыкание или пожар.

Замеры мощности электрического тока производят специальными устройствами – ваттметры. В случае постоянного тока мощность вычисляется путем умножения напряжения на силу тока (нужен амперметр и вольтметр). В цепи переменного тока все происходит иначе, понадобятся измерительные приборы. Ваттметром измеряют режим работы электрооборудования, производят учет расхода электроэнергии.

Сфера использования

Основная сфера использования ваттметров – это отрасли промышленности в электроэнергетике, машиностроении, ремонта электрических устройств. Также часто применяют ваттметры и в быту. Их покупают специалисты по электронике, компьютерному оборудованию, радиолюбители – для расчета экономии потребления электрической энергии.

Ваттметры используют для:

Вычисления мощности устройств.
Проведения тестов электрических цепей, некоторых их участков.
Проведения испытаний электроустановок, в качестве индикаторов.
Проверка действия электрооборудования.
Учет потребления электроэнергии.

Разновидности

Сначала измеряется напряжение, затем сила тока, а потом на основе этих данных измеряется мощность. По методу измерения, преобразования параметров и выдачи результата ваттметры разделяются на цифровые и аналоговые виды.

Цифровые

ваттметры производят измерение . На экран также выводятся напряжение, сила тока, потребление электричества за период времени. Параметры замеров выводятся на компьютер.

Аналоговый

вариант ваттметра разделен на самопишущие и показывающие приборы. Они определяют активную мощность участка схемы. Экран ваттметра оснащен шкалой и стрелкой. Шкала отградуирована по делениям и величинам мощности, в ваттах.

Конструктивные особенности и принцип работы

Аналоговые типы ваттметров имеют широкое распространение, точное измерение, и являются устройствами электродинамической системы.

Принцип их действия основывается на взаимодействии между собой двух катушек. Одна катушка неподвижная, с толстым проводом обмотки, малым числом витков и небольшим сопротивлением. Она подключена по последовательной схеме с потребителем. Вторая катушка двигается. Ее обмотка состоит из тонкого проводника, имеющего значительное число витков, ее сопротивление большое. Она подключена по параллельной схеме с потребителем, снабжена дополнительным сопротивлением во избежание короткого замыкания обмоток.

При включении устройства в сеть, в обмотках возникают магнитные поля, взаимодействие которых образует момент вращения, отклоняющий двигающуюся обмотку с прикрепленной стрелкой, на расчетный угол. Значение угла зависит от произведения напряжения и силы тока в конкретный момент времени.

Главным принципом действия ваттметра цифрового типа является предварительный замер напряжения и силы тока. Для этих целей подключаются: по последовательной схеме к потребителю нагрузки – датчик тока, по параллельной схеме датчик напряжения. Эти датчики обычно изготавливаются из термисторов, термопар, измеряющих трансформаторов.

Мгновенные параметры измеренных напряжения и тока, путем преобразователя, поступают к внутреннему микропроцессору. В нем происходит вычисление мощности. На экране показывается результат информации, а также передается на внешние приборы.

Приборы электродинамического типа, которые имеют широкое применение, подходят для переменного и постоянного тока. Ваттметры индуктивного типа применяются только для переменного тока.

Рассмотрим некоторые варианты приборов (ваттметров) различных вариантов исполнения и различных фирм производителей.

Бытовые приборы китайского производства

В инструкции описаны все режимы работы этого устройства, технические характеристики.

По сути это прибор, измеряющий мощность различных электрических потребителей. Как он работает? Вставляете его в розетку, а в розетку этого прибора вставляете вилку потребителя, мощность которого вы хотите замерить. Этим прибором вы измерите мощность какого-либо потребителя в течение определенного времени и потом с помощью него вы можете даже рассчитать, например, сколько денег тратит за электроэнергию ваш холодильник или любой другой прибор.

В устройстве есть встроенный аккумулятор. Он нужен для запоминания мощности, которую вы замерили, и потом будете использовать для расчета цены. Передняя панель прибора имеет пять кнопок: переключение режимов, указатель цены, переключатель вверх-вниз, кнопка сброса, если прибор поймал какой-либо глюк. Сзади на корпусе указаны характеристики прибора:

Рабочее напряжение 230 вольт.
Частота 50 герц.
Максимальный ток 16 ампер.
Диапазон измеряемой мощности 0-3600 ватт.

Рассмотрим работу прибора. Вставляем его в розетку.

Включим в него настольную светодиодную лампу.

На дисплее сразу пошло время, в течение которого измеряется мощность потребителя, в данном случае лампы. 0,4 ватта – это мощность отключенной лампы. Включаем лампу, в рабочем режиме она потребляет 10,3 ватта. Цену за киловатт мы не указывали, поэтому там стоят нули.

У нас лампа может менять мощность света. При увеличении света лампы показания мощности увеличиваются. При включении второго режима вверху также показано время работы, во втором поле киловатт часы, так как прибор пока не проработал даже одного часа, то показаны нули. Внизу показано количество дней, в течение которых измерялся этот потребитель.

В следующем режиме во втором поле показано напряжение электросети, внизу показана частота тока. Вверху дисплея при всех режимах показывается время. При переходе на следующий режим в центре показывается сила тока. Внизу показывается параметр некоего фактора, о котором пока нет данных, так как производитель прибора китайский.

На пятом режиме показана мощность минимальная. На шестом режиме – максимальная мощность.

Интересно будет посмотреть показания этих режимов при работе компьютера. Например, в спящем режиме, при обычном открытом рабочем столе, либо при запуске мощной игры.

В следующем режиме устанавливается стоимость электроэнергии кнопками установки, для расчета стоимости расхода энергии. Так вы можете измерить и рассчитать потребление любого из домашних бытовых приборов и устройств, и будете знать, какие устройства у вас экономные, а какие слишком много потребляют электричества.

Такой прибор имеет невысокую стоимость, около 14 долларов. Это небольшая цена для того, чтобы оптимизировать ваши затраты, рассчитав мощность потребления ваших устройств.

Цифровой ваттметр многофункциональный СМ 3010

Прибор служит для проведения замера напряжения, частоты, мощности, постоянного и переменного тока с одной фазой. А также, предназначен для контроля подобных приборов с меньшей точностью.

Диапазон замеров тока 0,002 — 10 ампер.

Замеры напряжения:

Постоянного от 1 до 1000 вольт.
Переменного от 1 до 700 вольт.
Частота измеряется в интервале 40-5000 герц.

Погрешность измерения

Тока, напряжения, мощности постоянного тока +
0,1%.
Тока, напряжения, мощности переменного тока +
0,1% в интервале частот 40-1500 герц.
Относительная погрешность замера частоты в интервале 40-5000 герц +
0,003%.

Габариты корпуса прибора 225 х 100 х 205 мм. Вес 1 кг. Мощность потребления менее 5 ватт.

Измерительное устройство ЦП 8506 – 120

Служит для проведения замеров мощности активной и реактивной 3-фазной сети переменного тока, показывает текущее значение параметра мощности на индикаторе, преобразует в сигнал аналогового вида.

Произведенные замеры показываются в форме цифр на индикаторах в единицах величин, которые входят на устройство, либо на вход трансформатора тока или напряжения. При этом учитывается коэффициент трансформации. Цифровой дисплей разделен на четыре разряда.

Назначение устройства

– для проведения замеров активной и реактивной мощностей в 3-фазных сетях электрического тока частотой 50 герц.

Технические данные

Коэффициент мощности – 1.
Размеры корпуса 120 х 120 х 150 мм.
Высота цифр на дисплее 20 мм.
Наибольший интервал показаний 9999.
Степень точности: 0,5.
Время проведения преобразования: менее 0,5 с.
Температура работы: от +5 до + 40 градусов.
Класс защиты корпуса и панели: IР 40.
Мощность потребления: 5 ватт.
Вес менее 1,2 кг.

Наличие двух катушек у электродинамического прибора и возможность включения их в две разные цепи позволяет использовать эти приборы для измерения мощности электрического тока, т. е. как ваттметры.

Из выражения для угла поворота подвижной системы электродинамического прибора (2.12) следует, что, если неподвижную катушку включить последовательно нагрузке z (рис. 2-12), а последовательно с подвижной катушкой включить добавочное сопротивление Яд так, чтобы эту катушку можно было включать параллельно нагрузке, тогда ток в подвижной катушке равен

где — сопротивление катушки; U — напряжение на нагрузке; — постоянная данного прибора по мощности; Р — мощность, потребляемая нагрузкой. Такой прибор называют ваттметром. Его шкала равномерная.

Для измерения электрической мощности в цепях переменного тока используют ваттметры активной и реактивной мощности.

Ваттметр активной мощности. Если в цепь подвижной катушки включить активное добавочное сопротивление так, чтобы общее сопротивление этой цепи R было равно

тогда при напряжении и в сети и при токе i в нагрузке

ток в подвижной катушке равен

Мгновенное значение вращающего момента в этом случае равно

а среднее за период значение этого момента

Следовательно, ваттметр с активным добавочным сопротивлением в цепи подвижной катушки измеряет активную мощность цепи переменного тока.

Полученный вывод имеет простое физическое объяснение. В самом деле, если в цепь с индуктивностью включить амперметр, вольтметр и ваттметр (рис. 2-13), то , так как подвижная система вольтметра поворачивается под действием только приложенного напряжения, независимо от фазы этого напряжения (точнее, под действием тока в катушке, пропорционального приложенному напряжению), а подвижная часть амперметра поворачивается под действием только тока в катушке, независимо от фазы этого тока. Что касается подвижной части (катушки) ваттметра, то она поворачивается только в том случае, когда токи в обеих катушках не равны нулю, иначе не будет взаимодействия. Но в рассматриваемой цепи ток подвижной катушки максимален, когда ток в цепи i равен нулю, и наоборот. Прибор ничего не покажет. Этого и следовало ожидать, так как нагрузка то запасает энергию в магнитном поле, то возвращает в сеть.

Из графика токов данной цепи с индуктивностью (рис. 2-14) следует, что токи совпадают по направлению (на графике — по одну сторону от оси времени) только в течение двух (через одну) четвертей периода за период, а в две другие четверти периода токи имеют противоположные направления. Это означает, что направление вращающего момента изменяется четыре раза за период. Поэтому подвижная система ваттметра в течение периода будет испытывать действие четырех одинаковых по значению, но противоположных по направлению толчков и прибор ничего не покажет, так как вращающий момент, действующий на подвижную систему, определяется его средним значением за период.

Если же угол сдвига между токами невелик (рис. 2-15), то в течение периода положительные значения вращающего момента сильно превосходят отрицательные (по времени и по значениям) и подвижная система ваттметра повернется под действием среднего

значения реагируя на активную мощность, потребляемую данной нагрузкой.

Итак, ваттметр показывает активную мощность, потребляемую из сети.

Ваттметр реактивной мощности. В этом ваттметре последовательно с подвижной катушкой специально включается индуктивное добавочное сопротивление (рис. 2-16) такое, что

Пусть в цепи действует приложенное напряжение и нагрузка создает ток

Тогда мгновенное значение вращающего момента равно

После подстановки и преобразований получим:

Среднее за период значение вращающего момента равно

Отсюда и следует, что ваттметр с индуктивным сопротивлением в цепи подвижной катушки показывает реактивную мощность цепи переменного тока. Такой вывод объясняется просто: в случае, например, чисто индуктивной нагрузки, когда из сети безвозвратно не потребляется энергия, такая схема искусственно сдвигает фазу тока в подвижной катушке до совпадения с фазой тока в неподвижной, поэтому ваттметр показывает значение реактивной мощности.

Итак, у электродинамического ваттметра две катушки: одна — токовая, включаемая последовательно нагрузке, другая- катушка напряжения, включаемая параллельно нагрузке, потребляемую мощность которой необходимо измерить.

Для правильного включения прибора (чтобы стрелка отклонялась в нужную сторону) один из зажимов его обмотки помечают звездочкой эти зажимы ваттметра называют генераторными. Их следует подключать к тому зажиму нагрузки, который соединен с генератором (сетью).

Активная
(поглощаемая электрической цепью)
мощность

P
a
=UIcos


> = I

2


R=U
2
/R,
(1)

где
U
,
I

—
действующие значения напряжения и тока;

— угол сдвига
фаз.

Реактивная мощность

Р
р

=
UIsin


=
I
2
X
.
(2)

Полная мощность

P
n

=
UI
=
PZ
.
Эти
три типа мощности связаны выражением

P

=(Р
а

2
+Р
2
р
)
(3)

Измерение
реактивной энергии представляет интерес
только для
промышленных трехфазных цепей.

Метод
амперметра и вольтметра. В этом случае
приборы
включаются по двум схемам (рис.1).

Мощность
Р
х
,
вычисленная
по показаниям приборов (рис. 1а), имеет
вид

Мощность
Р
х
,
вычисленная
по показаниям приборов (рис 1.,
б),
имеем
вид

P
=
U
н

I
н
.
(4)

В
широком диапазоне частот применяются
цифровые ваттметры, основу

Для
измерения мощности в высокочастотных
цепях также используются
специальные и электронные ваттметры.

а
—
звездой; б
—
треугольником;
в
~-
с
искусственной нулевой точкой

Рис.4.
Схемы включения двух ваттметров в
трехфазную цепь: а
—
в 1-ю и 3-ю; б
—
в 1-ю и 2-ю; в
—
в 2-ю и 3-ю

Р =
3
P
w

При
активной нагрузке (=
0) показания ваттметров будут одинаковы,
так как P
W
]

=
P
W
2

IUcos
30°.

4.
Измерение фазы и частоты

В
трехфазной симметричной цепи величина
cos
может быть определена
следующими измерениями:

мощность, ток и
напряжение одной фазы;

измерение активной
мощности методом двух ваттметров;

измерение
реактивной мощности методом двух
ваттметров с искусственной
нейтральной точкой.

Погрешность
измерения 
х

зависит
от погрешности отсчета и фазовой
погрешности осциллографа.

Этот
метод позволяет измерять  х
в пределах 0 90 о
без определения знака фазового угла.

Погрешность
измерения  х
также определяется погрешностью отсчета

и
расхождениями в фазовых сдвигах каналов
Х
и

Y

осциллографа.

Низкие частоты:
инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые —
20…20000 Гц; ультразвуковые — 20…200 кГц.

Высокие частоты:
высокие — от 200 кГц до 30 МГц; ультравысокие
— 30…300 МГц.

Прямое
измерение. Метод основан на применении
электромеханических,
электронных и цифровых частотомеров.

МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ЦЕПЕЙ

Как измерить мощность в цепи трехфазного переменного тока

Мощность в цепи трехфазного тока может быть измерена с помощью одного, двух и трех ваттметров. Метод одного прибора применяют в трехфазной симметричной системе. Активная мощность всей системы равна утроенной мощности потребления по одной из фаз.

При соединении нагрузки звездой с доступной нулевой точкой или если при соединении нагрузки треугольником имеется возможность включить обмотку ваттметра последовательно с нагрузкой, можно использовать схемы включения, показанные на рис. 1.

Рис. 1 Схемы измерения мощности трехфазного переменного тока при соединении нагрузок а — по схеме звезды с доступной нулевой точкой; б — по схеме треугольника с помощью одного ваттметра

Если нагрузка соединена звездой с недоступной нулевой точкой или треугольником, то можно применить схему с искусственной нулевой точкой (рис. 2). В этом случае сопротивления должны быть равны Rвт+ Rа = Rb =Rc.

Рис 2. Схема измерения мощности трехфазного переменного тока одним ваттметром с искусственной нулевой точкой

Для измерения реактивной мощности токовые концы ваттметра включают в рассечку любой фазы, а концы обмотки напряжения — на две другие фазы (рис. 3). Полная реактивная мощность определяется умножением показания ваттметра на корень из трех. (Даже при незначительной асимметрии фаз применение данного метода дает значительную погрешность).

Рис. 3. Схема измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока одним ваттметром

Методом двух приборов можно пользоваться при симметричной и несимметричной нагрузке фаз. Три равноценных варианта включения ваттметров для измерения активной мощности показаны на рис. 4. Активная мощность определяется как сумма показаний ваттметров.

При измерении реактивной мощности можно применять схему рис. 5, а с искусственной нулевой точкой. Для создания нулевой точки необходимо выполнить условие равенства сопротивлений обмоток напряжений ваттметров и резистора R. Реактивная мощность вычисляется по формуле

где Р1 и Р2 — показания ваттметров.

По этой же формуле можно вычислить реактивную мощность при равномерной загрузке фаз и соединении ваттметров по схеме рис. 4. Достоинство этого способа в том, что по одной и той же схеме можно определить активную и реактивную мощности. При равномерной загрузке фаз реактивная мощность может быть измерена по схеме рис. 5, б.

Метод трех приборов применяется при любой нагрузке фаз. Активная мощность может быть замерена по схеме рис. 6. Мощность всей цепи определяется суммированием показаний всех ваттметров.

Рис. 4. Схемы измерения активной мощности трехфазного переменного тока двумя ваттметрами а — токовые обмотки включены в фазы А и С; б — в фазы А и В; в — в фазы В и С

Реактивная мощность для трех- и четырехпроводной сети измеряется по схеме рис. 7 и вычисляется по формуле

где РA, РB, РC — показания ваттметров, включенных в фазы А, В, С.

Рис. 5. Схемы измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока двумя ваттметрами

Рис. 6. Схемы измерения активной мощности трехфазного переменного тока тремя ваттметрами а — при наличии нулевого провода; б — с искусственной нулевой точкой

На практике обычно применяют одно-, двух- и трехэлементные трехфазные ваттметры соответственно методу измерения.

Чтобы расширить предел измерения, можно применить все указанные схемы при подключении ваттметров через измерительные трансформаторы тока и напряжения. На рис. 8 в качестве примера показана схема измерения мощности по методу двух приборов при включении их через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Рис. 7. Схемы измерения реактивной мощности тремя ваттметрами

Рис. 8. Схемы включения ваттметров через измерительные трансформаторы.

Схема нагрузки ваттметра » Вот схема!

Ваттметр, подключенный к передатчику должен обеспечивать КСВ близкий к единице. Это условие в основном зависит от конструкции его активной нагрузки. В диапазонах KB 2…30 МГц и в УКВ диапазоне 144 МГц для обеспечения необходимой рассеиваемой мощности нагрузку можно набирать из резисторов большего номинала, включенных параллельно (рисунок 1), общая номинальная рассеиваемая на них мощность равна их суммарной номинальной мощности.

Количество резисторов зависит, от номинальной мощности каждого резистора и от максимальной мощности, которую нужно измерить. Топология печатной платы такой нагрузки совпадает с электрической схемой. Если измерение мощности будет производится непродолжительное время, нужно учитывать, что резисторы, в кратковременном режиме выдерживают мощность в 3-4 раза большую номинальной. Но при длительной работе нагрузки суммарная мощность резисторов должна быть не менее той мощности, которая на них рассеивается.

Общее сопротивление нагрузки Rn для схемы на рисунке 1 определяется формулой : RH=R/n, где Rh — суммарное сопротивление нагрузки, R — сопротивление одного резистора, п — общее количество резисторов.

Если из имеющихся номиналов (0) резисторов трудно набрать необходимую мощность рассеяния и сопротивление, можно использовать схему, приведенную на рисунке 2. Здесь нагрузочные резисторы включены последовательно — параллельно и суммарное сопротивление нагрузки рассчитывается по такой формуле: Rh = 2R/n, где Rh — общее сопротивление, R — сопротивление одного резистора, n количество резисторов.

Топология печатной платы соответствует схеме, или можно монтировать резисторы непосредственно на выводе высокочастотного разъема (рис.3).

Для визуального наблюдения за мощностью можно в одно из плеч резисторов включить малогабаритную лампу накаливания или два светодиода (рисунки 4А и 4Б). При количестве резисторов более 5-ти включение светового индикатора практически не сказывается на параметрах нагрузки.

В заключение следует отметить, что для сборки нагрузки необходимо использовать безиндукционные резисторы.

Ваттметры — Включение — Схема

Измерение мощности трехфазного тока с нулевым проводом при равномерной нагрузке фаз может быть произведено одним ваттметром, включенным по схеме фиг. 71. Его показания должны быть умножены на 3. [c.373]

Мощность трехфазной цепи при нагрузке любого характера и отсутствии пулевой точки может быть измерена при помощи двух ваттметров, включенных по схеме Арона (фиг. 74). При углах сдвига фаз f[c. 374]

В промышленных условиях испытания с целью определения характер.истик насоса производят следующим образом. С помощью двух ваттметров, включенных по схеме Арона, определяют мощность, потребляемую электродвигателем [c.309]

Электрическая мощность, потребляемая электродвигателем компрессора, измерялась двумя ваттметрами, включенными по схеме Арона. [c.135]

Мощность, подводимая к двигателю из сети, определялась по показаниям двух ваттметров, включенных по схеме Арона. Так как в схему были введены трансформатор тока с коэффициентом трансформации 40/5 и трансформатор напряжения с коэффициентом 6000/100, то результаты отсчетов по ваттметрам пересчитывались с учетом общего коэффициента трансформации. В табл. 17 приведены данные по расходу электроэнергии при разных давлениях нагнетания. [c.165]

Наиболее точным способом поддержания требуемого os является спс-соб с применением однофазного ваттметра, вольтметра и амперметра, схема включения которых приведена на рис. 4. [c.508]

Показание ваттметра, включенного по схеме рис. 5-12, равно [c.206]

Из теории электростатического ваттметра [Л. 116] следует, что при его включении по схеме на рис. 5-48 мгновенный момент вращения его подвижной части равен [c.261]

При этом методе мощность трехфазной цепи будет равна сумме показаний двух ваттметров. По этим же схемам (фиг. 187) строятся трехфазные ваттметры, которые представляют собой суммирующие приборы, состоящие из двух однофазных ваттметров, связанных механически, но самостоятельных в электрическом отношении и включенных по одной из указанных выше схем однофазных ваттметров (см. фиг. 183). [c.235]

Измерение мощности в цепях переменного тока производится с помощью ваттметра. Схема включения ваттметра приведена на фиг. 22. Коэфициент мощности ( os (у) подсчитывается из выражения [c.526]

Фиг. 70.

Схема включения ваттметра в однофазную цепь.

При измерении мощности цепей переменного тока высокого напряжения включение обмоток ваттметров производится через измерительные трансформаторы. Например, схема Арона при высоком напряжении будет выглядеть так, как это показано на фир. 75. [c.374]

Фиг. 75. Включение ваттметра по схеме Арона через измерительные трансформаторы.

Фиг. 74. Непосредственное включение двух ваттметров по схеме Арона.

Измерение активной энергии производится при помощи счетчиков, схемы включения которых ничем не отличаются от соответствующих схем включения ваттметров. приведенных на фиг. 70—75. [c.374]

На фиг. 6 показана схема решающего устройства при компенсации влияния груза, помещенного в правую плоскость исправления на левый датчик. Переключатель позволяет включить правый датчик так, чтобы его напряжение было в противофазе с напряжением левого датчика. Потенциометр посредством которого вводится компенсирующее напряжение, включен таким образом, что при увеличении компенсирующего напряжения одновременно уменьшается подаваемое на ваттметр напряжение основного датчика. Переключатель Я2 позволяет изменить полярность включения прибора, т. е. выбрать режим работы на добавление или удаление балансировочных грузов. Потенциометр шунтирует прибор и служит для плавного регулирования чувствительности станка. [c.404]

Мощность можно также измерить электродинамическим ваттметром, который имеет две катушки токовую (последовательную) и напряжения (параллельную). Схема включения ваттметра в измеряемую цепь показана на рис. 198, в. [c. 197]

Рис. 65. Схема включения ваттметра в однофазной цепи

Рис. 66. Схема включения ваттметра при доступной нулевой точке

Рис. 67. Схема включения ваттметра при недоступной нулевой точке

Рис. 4. Схема включения ваттметра, вольтметра и амперметра при контроле за os

Другие схемы включения ваттметра и фазометра см. Справочник электромонтажника, т. I. [c.508]

Рис. 5-12. Схема включения ваттметра для определения полных потерь.

Рис. 5-29. Схема включения ваттметра в установке для измерения потерь на целых листах.

Армирование пластмасс 5 — 591 Арона схема включения ваттметра 2 — 374 [c.398]

Опыт короткого замыкания проводится по схеме, изображенной на фиг. 150, б. При замыкании вторичного контура машины накоротко в сварочной цепи протекает очень большой ток, поэтому непосредственное включение токовой обмотки ваттметра обычно невозможно. В связи с этим прибор включается через трансформатор тока ТТ. При [c.215]

При технич. И. вторыми членами, представляющими мощность, потребляемую самими приборами, можно пренебречь. Чтобы ваттметр давал отклонения в надлежащую сторону, необходимо при включении соблюдать полярность зажимов. У одного из зажимов последовательной обмотки и у одноименного с ним зажима ответвленной ставятся значки ( или ), к-рые показывают, что именно к этим зажимам д. б. подведены провода со стороны генератора. Зажимы эти часто называют генераторными. Если ваттметр имеет наружное отдельное добавочное сопротивление Я, то его следует включить по схеме фиг. 12, чтобы избежать большой разности потенциалов между обмотками ваттметра и электростатич. взаимодействия между ними. Первое может повести к повреждению прибора, второе вызывает погрешность показания. Когда по условиям опыта требуется изменить направление тока в ответвленной обмотке, следует переключать провода только на зажимах прибора, не менян местом доба- [c.510]

Схемы включения счётчика электрической энергии ничем не отличаются от схем включения ваттметров. [c.715]

Ваттметр, включенный в схему, измеряет сумму полных потерь в образце, помещенном в аппарат, и мощностей, потребляемых обмоткой вольтметра и вольтметровой обмоткой ваттметра. [c.212]

Вестингауз, у которой катушка, упомянутая в п. 3, также является неподвижной, но она намагничивает железный подвин ной сердеч-ни1(, связанный со стрелкой и имеющий форму буквы 7. Эта катушка з включается параллельно в сеть (фиг. 41). Две неподвижные катушки, 2 и 2 (п. 2) сдвинуты в пространстве на угол 120 и включены в провода разных фаз последовательно с приемником (фиг. 42). В случае равномерной нагрузки сдвиг фаз в трехфазной цепи м. б. определен также и по показанию двух однофазных ваттметров, включенных по схеме Арона если обозначить 01 наибольшее из показаний двух ваттметров, а 2 — наименьшее, то [c.517]

Ваттметрический метод определения полных потерь на гистерезис и вихревые токи [36]. Ваттметрический метод основан на измерении потерь мощности в трансформаторе с разомкнутой вторичной цепью (т. е. не потребляющий мощности), причем в качестве сердечника трансформатора используется испытуемый материала (аппарат Эпштейна). Принципиальная схема установки представлена на рис. 17.68. В четыре секции трансформатора П], Пг набирается образец из пластин, которые образуют магнитную цепь. В цепь первичной намагничивающей катушки щ включен амперметр А и токовая обмотка ваттметра в цепь вторичной обмотки трансформатора включены вольтметр V и обмотка напряжения ваттметра —1 2. Полные потери на гистерезис и вихревые токи Рт. в равны Р . в = ( — E 2lR2]wl w2, где Р — показания ваттметра [c.317]

Рассмотрим, например, анализатор типа АГ-1, который служит для измерения амплитуды и фазы составляющих вибрации основной и двойной частоты вращения. Блок-схема прибора приведена на рис. 2-38. Источником опорного сигнала служит блок генераторов опорного напряжения, состоящий из ГОН-1 и ГОН-2. ГОН-1 соединяется с ротором непосредственно, а ГОН-2 — через редуктор с отношением 2 1. Таким образом, ротор ГОН-2 вращается с удвоенной угловой скоростью по отношению к испытуемому ротору. В качестве фазорегулятора используется сельсин типа СГСМ-1. Сигнал с ротора фазорегулятора через усилитель поступает на одну из обмоток ваттметра 1 . На его вторую обмотку подается через усилитель Уз полигармоническое напряжение от вибродатчика ВД, пропорциональное вибрации. Отклонение ваттметра в зависимости от включения ГОН-1 или ГОН-2 пропорционально амплитуде первой или второй гармонической составляющей вибрации [c.93]

В общем случае потерн измеряемого и эталонного образцов могут быть иеодииаковыми, поэтому при включении тока в схему стрелка дифференциального ваттметра отклонится на некоторое число делегшй. [c.214]

Вариации показаний 4 — 4 Ваттметры — Включение — Схема 2 — 373, 374 Вайерштрасса признак 1 — 177 Вектор-функцни линейные 1 — 236 Векторная алгебра 1 — 226 Векторно-векторное произведение 1 — 229 [c.403]

И. активной мощности в треу-фазной цепи осуществляются следующими методами, а) Метод одного ваттметра применяется только при полной симметрии цепи. Если нейтральная точка доступна, включение производят по фиг. 18, а. Мощность Р = 3 Р , где Р — показание ваттметра. Если же нейтральная точка недоступна или приемник соединен тр-ком, ваттметр включают по фиг. 18,6. Сопротивления г д. б. безиндукционными и равными друг другу и сопротивлению ответвленной цепи ваттметра т- . Полная мощность и в этом случае Р = 3 Р . Ваттметр д. б. электродинамическим. б) М е т о д двух ваттметров (метод Арона) позволяет измерять полную мощность как при симметричной, так и при несимметричной системе и при любом соединении приемника или генератора. Метод отот неприменим для четырехпроводной цепи. Ваттметры включают по схеме фиг. 19. Мощность трехфазной цепи в этом случае равна алгебраич. сумме показаний обоих ваттметров, причем [c.511]

Для И. реактивной мощности трехфазной цепи существует много методов и различных схем включения ваттметров. а) Способ двух ваттметров с измененной схемой включения (ваттметры обычной активной мощности) применяется только при полной симметрии токов и напряжений (фиг. 24). Реактивная мощность равна алгебраич. сумме показаний обоих ваттметров (как и [c.512]

И. угла сдвига фаз. 1. Одно-фа з н ы й ток. Наиболее простым и точным способом измерения угла сдвига фаз между током и напрн/кением в однофазном токе является измерение при помощи фазометра, схема включения которого вполне аналогична со схемой включения ваттметра (фиг. 12). Конструкции однофазных фазометров весьма разнообразны. Характерными чертами, присущими всем этим конструкциям, являются 1) отсутствие механического противодействующего момента, 2) наличие двух пространственно сдвинутых катушек, по к-рым проходят токи, сдвинутые по фазе во времени и создающие т. о. вращающееся магнитное поле, 3) наличие третьей катушки с током, фазу к-рого необходимо измерить. Подвижную часть составляют либо указанные в п. 2 скрещенные катушки (в таком случае катушка п. 3 остается неподвижной) либо, наоборот, катушка, указанная в п. 3 (тогда катушки п. 2 остаются неподвижными). Сдвиг фаз токов, идущих по катушкам 2, создается [c.516]

Измерение электрических величин | Испытание электрических машин

Страница 3 из 44

Схемы измерения электрических величин постоянного тока (рис. 1.4, а, б). При испытании малых электрических машин с большим отношением U/I при токах /, соизмеримых с током вольтметра Iv, применяется схема рис. 1.4, я, при которой напряжение на ИМ £/им отличается от измеренного Uна падение напряжения в амперметре AUa .

При малых отношениях Ufl применяется схема на рис. 1.4, б, в которой ток /им отличается от измеренного I на iv.
Для схемы на рис. 1.4, я

где AUa — падение напряжения в амперметре при предельном токе Αιρ (см. § 1.7).

Рис. 1.4. Измерения при постоянном токе:

а ~ для больших ί///; б — для малых U/J

Для схемы на рис. 1.4,6

где 1у — ток вольтметра при предельном напряжении ί/πρ (знак «плюс для генераторного, «минус» — для двигательного режима ИМ).

Схема для измерения в цепях однофазного тока (рис. 1.5).

Для измерения используются вольтметры и амперметры, измеряющие среднеквадратические значения (СКЗ) I и U, и ваттметры, измеряющие активную мощность Р:

Р = UI cos φ. , Яц/д ~ добавочные сопротивления вольтметра и ваттметра

Изменение фазы измеряемой величины при переключении подводящих концов не изменяет знаки показаний U и /, но такая перемена меняет знак показаний ваттметров (направление передачи мощности) , и для возможности отсчета при односторонней шкале предусматривается переключатель знака (+, —), поэтому входные зажимы I и U ваттметра имеют обозначение (* ).

Для расширения диапазона измерения и соблюдения техники безопасности при токах более 5—10 А и напряжениях более 220—380 В применяются трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) (рис. 1.6).
Включение трансформаторов не должно менять знака показаний ваттметров, что особенно важно в схеме двух ваттметров, в связи с этим при подключении приборов к вторичным обмоткам трансформаторов должны сохраняться знаки на выводах первичной и вторичной обмоток.

Измерительные цепи ТТ не должны размыкаться под нагрузкой, так как при этом из-за многократного увеличения потока будет повреждаться ТТ.
В тех случаях, когда потребляемая ИМ мощность мала, включение вольтметра и обмотки напряжения ваттметра производится так, как указано на рис. 1.5, чтобы потребляемая ими мощность не входила в показания ваттметра. Это важно, в частности, при измерении потерь холостого хода при низком cos φ.

Так, например, при U- 150 В, / = 5 А мощность, измеренная ваттметром при cosφ= 0,1, равна 75 Вт.
При токах вольтметра и обмотки напряжения ваттметра 7,5 мА потребляемая ими мощность составит 150(7,5 + 7,5)/1000 = 2,25 Вт, или 3% измеряемой мощности, что в большинстве случаев недопустимо.

В схеме на рис. 1.5 напряжение на зажимах ИМ будет меньше (двигательный режим) или больше (генераторный режим) измеренного на падение напряжения в амперметре и в токовой обмотке ваттметра.

Рис. 1.7. Измерение мощности одной фазы трехфазной обмотки: а — звезда; б — треугольник

Рис. 1.6. Блок измерения мощности с трансформаторами тока и напряжения: * — входные зажимы

При расчете потерь холостого хода Рх в случае низких номинальных напряжений падение напряжения в обмотках амперметра и ваттметра желательно учесть, а при построении кривой Рх — f(U2) можно внести поправки на указанное падение напряжения; при единичном (контрольном) измерении следует устанавливать U выше номинального на это падение напряжения.

Выпускаемые в настоящее время электронные ваттметры, амперметры и вольтметры полностью исключают необходимость поправок на собственное потребление. Если, однако, такой подбор приборов невозможен, то поправки на собственное потребление могут быть сделаны по методу, изложенному в [1.2].

1.3.3. Схемы для измерения в цепях трехфазного или m-фазного тока.

Для этих измерений могут применяться три или т схем, приведенных на рис. 1.5, каждая из которых измеряет мощность одной фазы по схеме рис. 1.7. Схема пригодна для любого нагружения фаз, в том числе и при наличии тока через нулевую точку. Общая мощность системы равна сумме мощностей фаз.

Присимметричной нагрузке трехфазной системы Р = ЗРф = можно ограничиться одним ваттметром, тремя ампер

метрами для контроля симметрии нагрузки, одним вольтметром с переключателем, позволяющим измерить все фазные и линейные напряжения.
При симметричной нагрузке и недоступной нулевой точке также можно применить схему с одним ваттметром, обмотка напряжения которого подключается одним концом к искусственной нулевой точке (рис. 1.8). Для измерения фазных напряжений вольтметр также подключается к отдельной искусственной нулевой точке.

Наибольшее распространение для измерения в трехфазных системах получила схема двух ваттметров (рис. 1.9), пригодная для всех случаев нагружения фаз и их соединений ( Λ , Δ), но при отсутствии тока через нулевую точку.
Общая мощность трехфазной системы равна в этом случае Рw = = Pwi + Pwh где Pw1, pW2 “ мощности, измеренные ваттметрами

Рис. 1.8. Измерение мощности симметричной трехфазной системы с искусственными нулевыми точками:

сопротивления вольтметра — RoV’ ваттметра — RoW
Рис. 1.9. Измерение мощности трехфазной системы двумя ваттметрами

Pm ~Pw2 при cos φ =0· При cos φ =0,5 показания одного из ваттметров Рт обращаются в нуль и при дальнейшем уменьшении cos φ меняют знак (для выполнения отсчета необходимо повернуть переключатель знака). Мощность системы становится равной разности показаний ваттметров.

Указанное выше положение имеет место при симметричном включении входных зажимов ваттметров (рис. 1.9). Правильность сборки схемы можно проверить, проведя измерение с примерно известным cos φ =, например при нагрузке на активное сопротивление (cos φ == 1) или на АД (мощностью < 1 кВт) при холостом ходе (cos φ < 0,5).
Коэффициент мощности симметричной трехфазной системы может быть определен по формуле
(1.4)
Он может быть определен и по общему уравнению
(1.5)
где U, I — линейные значения напряжения и тока.

Проверка совпадения значений cos φ, рассчитанных по (1.4) и (1.5), используется для контроля правильности схемы.
Относительная погрешность измерения мощности двумя ваттметрами

где Ркл,т — основная погрешность, соответствующая классу точности примененных ваттметров; cos φ =PHOM — номинальный коэффициент мощности ваттметра; Unp, /пр — предельные значения U, /, cos φ =, измеренные в опыте.

Весьма удобными являются трехфазные ваттметры, в которых две измерительные системы воздействуют ка один указатель (стрелку).
Особое внимание должно уделяться измерению мощности при низких cos φ9 например при определении потерь холостого хода (XX) в АД. В этом случае, если применить ваттметр, градуированный при cos φ = 1, то при cos φ = 0,1, имеющем место в опыте XX, и при предельных значениях U и / отсчет составит лишь 1/10 шкалы. Относительная погрешность увеличится при этом в 10 раз. Поэтому для таких измерений необходимо применять малокосинусные ваттметры, градуированные при cos φ = ОД и дающие в приведенном выше примере полное отклонение указателя.

Рис. 1.10. Измерение реактивной мощности симметричной трехфазной системы

Если при таких измерениях приходится применять ТТ, то необходимо учитывать влияние их угловой погрешности.

Поправка на угловую погрешность ТТ определяется [0. 9] из уравнения

где Р, Ри — действительная и измеренная мощность; — измеренный arccos φ («минус» — для отстающего тока, «плюс» — для опережающего тока).

Угловая погрешность δ в градусах приводится в паспортах ТТ. После корректировки значения Р должен быть по (1.5) откорректирован cos φ.
Учитывая, что в схеме двух ваттметров один работает с весьма низким cos φ (с углом φ + 30°), рекомендуется измерение потерь XX АД выполнять по схеме трех ваттметров. Предельная мощность, которая может быть при этом измерена без ТТ при U = 300 В и I = 10 А, при cos φ = 0,1 составляет 900 Вт.

Следует также иметь в виду, что при измерении мощности на повышенных частотах (до 500 Гц) ваттметрами с номинальной частотой 50 Гц дополнительная погрешность из-за углового сдвига в цепях напряжения ваттметра, вызванного индуктивностью обмотки, может быть значительной.
Несимметрия трехфазного напряжения, питающего ИМ, из-за появления обратно вращающегося поля в сильной мере влияет на потери, нагрев и шум.

Схема двух ваттметров является несимметричной и в некоторых случаях при низких напряжениях падение напряжения в обмотках ваттметров и амперметров может вызывать несимметрию напряжений на зажимах ИМ. В этом случае согласно [0.9] можно включить третий ваттметр по схеме рис. r.

При низких cos φ это дает возможность дополнительного контроля точности измерения.

Измерения в цепях несинусоидального тока

. При работе ЭМ в стационарном режиме в цепях переменного тока с сильно искаженной (несинусоидальной) формой кривой напряжения и тока могут определяться гармонический состав тока и напряжения, их средние, среднеквадратические (СКЗ) и амплитудные значения.

Измерения напряжения и тока. При несинусоидальной форме кривой приборы различных систем будут давать различные результаты измерения при одном и том же значении измеряемой величины.

Приборы электродинамической системы реагируют на СКЗ измеряемой величины. Приборы выпрямительной системы (магнитоэлектрические измерительные механизмы с выпрямителями на германиевых или кремниевых диодах) измеряют среднее значение измеряемой величины.
Обычно приборы электродинамической и выпрямительной систем используются для измерения СКЗ тока и напряжения, и поэтому их шкалы градуируются в этих же значениях. ф> ясно, что выпрямительный прибор может быть градуирован в СКЗ тока (напряжения) только для заданной формы кривой. Если форма кривой отличается от заданной, в показаниях прибора появляется погрешность. Поэтому приборы выпрямительной системы могут практически применяться только для измерения синусоидальных напряжений и токов.

Термоэлектрические приборы представляют собой соединение одного или нескольких термопреобразователей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом. Ток в цепи измерительного механизма пропорционален квадрату СКЗ измеряемого тока и не зависит от формы его кривой.
Электростатические вольтметры реагируют на СКЗ измеряемого напряжения. Форма кривой напряжения на показания не влияет.

Электронные вольтметры (ЭВ) переменного тока представляют собой сочетание выпрямителя на полупроводниковых диодах, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма.
В зависимости от того, какое значение переменного напряжения измеряет ЭВ, различают вольтметры среднего, СКЗ и амплитудного значения.

ЭВ среднего значения строятся с использованием схем одно- или двухполупериодного выпрямителя на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке характеристики. Поэтому постоянная составляющая тока выпрямителя определяется выражением Iср = KUCр. При градуировке шкалы вольтметра в СКЗ напряжения в показаниях прибора появится дополнительная погрешность за счет несинусоидальности измеряемого напряжения.
В ЭВ СКЗ используются выпрямители с квадратичной вольт-амперной характеристикой вида ι = аи2 (и > 0). При периодическом входном напряжении u(t) постоянная составляющая выпрямленного тока двухполупериодного выпрямителя Iср = aU*K3. Шкала прибора при этом получается квадратичной с градуировкой в СКЗ напряжения. Такая зависимость справедлива для симметричных периодических сигналов u(t) практически любой формы кривой. Однако следует иметь в виду, что при сильно искаженной форме кривой (Кф > 5) может иметь место значительная дополнительная погрешность.

* Периодическое изменение какой-либо величины во времени с постоянной частотой, амплитудой, фазой и формой кривой следует рассматривать как стационарный процесс. Для определения параметров такого процесса (гармонического состава, частот и амплитуд отдельных гармонических составляющих) не требуется записывающей аппаратуры.
ЭВ амплитудного значения являются такие приборы, у которых показания соответствуют амплитуде измеряемого синусоидального напряжения или максимальному его значению при искаженной форме кривой. Шкала прибора может быть градуирована как в максимальных значениях напряжения UmaX9 так и в СКЗ. Для синусоиды

Измерение мощности. Для измерения мощности могут использоваться обычные ваттметры электродинамической системы. Дополнительная погрешность здесь невелика, тем более, что потери мощности от высших гармонических токов и напряжений резко уменьшаются с повышением порядка гармоник. Ваттметры электродинамической системы обладают свойством избирательности: подвижная часть прибора отклоняется в результате взаимодействия тбков одинаковой частоты. При синусоидальном напряжении и несинусоидальном токе в цепи ваттметр будет показывать только мощность первой гармоники.

Для определения спектрального состава кривых напряжения и тока исследуются их энергетические спектры (спектральный состав тока определяется по падению напряжения, мВ, на безындуктивных шунтах) путем частотного анализа формы кривой. Методика частотного анализа и технические характеристики анализаторов частот приведены в § 7.4.
Для измерения частоты несинусоидального периодического сигнала следует применять электронные частотомеры (со встроенным магнитоэлектрическим механизмом) и электронно-счетные (цифровые) частотомеры в режиме импульсных измерений, при условии, что измеряемый сигнал имеет не более двух экстремумов за период. Сведения о частотомерах приведены в π. 1.7.4.

1.3.5. Измерения в цепях пульсирующего тока. Пульсирующий ток (напряжение) содержит постоянную составляющую — среднее значение этих величин — и периодическую переменную составляющую, которая может быть представлена в виде ряда гармоник.
Такое напряжение и ток имеют место в коллекторных двигателях постоянного тока, работающих в схемах с выпрямителями или широтно-импульсными регуляторами.

Измерение постоянной составляющей проводится приборами постоянного тока (магнитоэлектрической системы).
Измерение напряжения и тока переменной составляющей проводится электронными вольтметрами с конденсаторным входом (напряжение) и электронными милливольтметрами на безындуктивных шунтах (ток).

Переменная составляющая тока может быть измерена амперметром через трансформатор тока с разомкнутым сердечником или воздушным, в которых постоянная составляющая не вызывает насыщения магнитной цепи.
Для определения гармонического состава измерения проводятся с помощью электронных анализаторов гармоник. Для измерения мощности переменной составляющей применяют электронные вольтметры и ваттметры, в том числе малокосинусные,

В установках большой мощности для измерения могут использоваться малокосинусные ваттметры, токовые обмотки которых включаются в цепь пульсирующего тока, а в цепь обмотки напряжения включается блокирующий конденсатор. Во избежание появления дополнительной погрешности напряжение на нем должно быть существенно меньше напряжения на обмотке.

3 Простые схемы ваттметра переменного тока

Если вам требуется измерение мощности переменного тока. Использовать его совсем немного, чего не стоит. Когда нужно купить дорогой инструмент. Потому что мало использовать не требует высокой точности. Я хотел бы предложить концепцию схемы ваттметра настолько простой, насколько она была. Я собрал все три схемы следующим образом.

1.) Схема Easy In-Line RF ваттметра

Это небольшая идея схемы Easy In-Line RF ваттметра, она нечувствительна к частоте, поэтому калибровка будет лучше, чем широкий частотный спектр.

Например, весь любительский КВ спектр; Если значения L2,
, делителя напряжения на конденсаторах C1 и C2 и сопротивления R1 и R2 выбраны правильно, R1-R2 и C1-R2 должны быть согласованы для достижения наилучшего результата.

Обычно резисторы R1 и R2 должны быть небольшими по сравнению с реактивным сопротивлением L2, чтобы избежать какого-либо важного влияния на ток L2, которое индуцируется током линии передачи, протекающим через L1.

Нижний предел частоты моста определяется отношением R1-R2 / L2,
, и точка отсечки при значении R1-R2 становится большой по отношению к реактивному сопротивлению L2 в этой частотной точке.
Амперметр 100uA — 200uA, ток ограничен R6.
S1 использует для выбора диапазона частоты от низкого до высокого.

2.) Измеритель частоты линии электропередач

Этот измеритель показывает частоту генератора , напряжение которого составляет 110–240 В при 10–100 Гц.
Выходные синусоидальные волны преобразуются в прямоугольные с помощью резистора 100 кОм 2 Вт и стабилитрона 6,8 В 1 Вт (1N3829A).
Затем прямоугольная волна преобразуется в 0.Конденсатор 22 мкФ, и ток усредняется диодами 1N4148.

Средний ток прямо пропорционален частоте, поэтому его можно прочитать на амперметре 100 мА (M1).
Для калибровки зарезервируйте схему до 60 Гц. Линия питания и отрегулируйте потенциометр VR1 5K на значение 60 мА.

3.) Простой светодиодный ватт-монитор

Эта схема является принципом разделения напряжения. И тока разделили. Перед вами светодиодный дисплей мощностью до 80 Вт. Работа схемы при протекании тока через сопротивление.Он разделит напряжение в зависимости от диапазона ватт. Он имеет сопротивление 100 Ом для уменьшения потока перед светодиодом. При этом светодиодный дисплей будет гореть бесконечно долго. В зависимости от количества ватт. Например, 10-ваттные LED1, LED2, LED3 зажгут все. Постарайтесь увидеть, есть ли наблюдение, что даже ватт высокий. Сопротивление разделенному напряжению также дороже. То есть резисторы R1, R4, R7, R9, R11 и R13 определяют площадь в ваттах схемы.

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

Как работает ваттметр?

Ваттметр выполняет сложную работу, измеряя мощность, протекающую через электрическую цепь. Он одновременно измеряет значения напряжения и тока и умножает их, чтобы получить мощность в ваттах. Три основных типа: электродинамический, электронный и цифровой.

Электродинамические

Электродинамические ваттметры — это конструкция, которая восходит к началу 20 века. Они работают с использованием трех катушек: две закреплены последовательно с электрической нагрузкой, а подвижная катушка — параллельно ей.Последовательные катушки измеряют ток, протекающий по цепи, параллельная катушка измеряет напряжение. Последовательный резистор ограничивает ток через подвижную катушку. Он расположен между двумя неподвижными катушками и прикреплен к стрелке индикатора. Магнитные поля во всех трех катушках влияют на движение стрелки. Пружина возвращает иглу в нулевое положение при отсутствии напряжения или тока. Эта конструкция проста, надежна и прочна, хотя катушки могут перегреваться.

Электронный

Людям, использующим радио и микроволновое оборудование, необходимо измерять мощность в ваттах на частотах, намного превышающих 60 герц в электросети.Электродинамические ваттметры подходят для измерений в линиях электропередач переменного тока, но катушки — это частотно-зависимые части, которые не работают для радио. Что касается радио, вам нужен полностью электронный подход. Здесь электронная схема измеряет ток и напряжение, умножает их в другой цепи и выдает результат в виде пропорционального тока или напряжения стандартному перемещению измерителя.

Цифровой

Цифровые ваттметры измеряют ток и напряжение электронным способом тысячи раз в секунду, умножая результаты в компьютерном чипе для определения ватт.Компьютер также может выполнять статистику, такую как пиковая, средняя, низкая потребляемая мощность и киловатт-часы. Они могут контролировать линию электропередачи на предмет скачков напряжения и отключений. В 2009 году потребителям стали доступны различные недорогие цифровые ваттметры. С падением цен и улучшенными возможностями цифровой электроники они стали популярными для удобного измерения энергопотребления в бытовых приборах с целью экономии энергии и денег.

▷ Как работает ваттметр? (вернуться к основам)

Вы знаете, как работает ваттметр? Если нет, не волнуйтесь, потому что наш преданный член Насир решил посвятить эту новую часть своей серии руководств по измерительным приборам ваттметру.

Вы по-прежнему можете присылать нам свои статьи по почте для публикации в блоге!

Первый вопрос, который приходит в голову, прежде чем приступить к работе ваттметра, — это «для чего он используется?». Как видно из названия, ваттметр используется для измерения полной мощности в любой цепи.

Мы знаем, что единицей мощности являются ватты, поэтому, как и для многих других инструментов, мы можем легко узнать, откуда произошло название этого инструмента. Проще говоря, ваттметр используется для измерения ватт в цепи.

Конструкция ваттметра

Внутренняя конструкция ваттметра такова, что он состоит из двух столбцов. Одна из катушек включена последовательно, а другая — параллельно. Катушка, подключенная последовательно к цепи, называется токовой катушкой, а катушка, подключенная параллельно цепи, называется катушкой напряжения.

Эти катушки названы в соответствии с соглашением, потому что ток в цепи проходит через катушку тока, а напряжение падает на катушку потенциала, также называемую катушкой напряжения.

Стрелка, которая должна перемещаться по отмеченной шкале, чтобы указать количество энергии, также присоединена к катушке потенциала. Причина этого в том, что катушка потенциала может двигаться, тогда как катушка тока остается неподвижной.

Механическая конструкция ваттметра показана на рисунке ниже.

Работа ваттметра

Когда ток проходит через токовую катушку, он создает вокруг катушки электромагнитное поле.Сила этого электромагнитного поля прямо пропорциональна величине тока, проходящего через него.

В случае постоянного тока, ток также находится в фазе с генерируемым им электромагнитным полем. Напряжение падает на катушке потенциала, и в результате этого полного процесса стрелка перемещается по шкале. Отклонение стрелки таково, что оно соответствует произведению проходящего тока на падение напряжения, то есть P = VI.

Это был случай питания постоянного тока.Мы знаем, что мощность переменного тока определяется формулой P = VIcosθ, и мы знаем, что этот коэффициент cosθ возникает из-за того, что ток и напряжение не совпадают по фазе.

Но здесь возникает вопрос: как ваттметр будет измерять мощность переменного тока и этот коэффициент мощности? Таким образом, ваттметр просто измеряет среднюю мощность в случае, если требуется питание переменного тока.

Принцип измерения ваттметра показан на рисунке ниже:

Применение ваттметра

1. Как и другие измерительные приборы, ваттметры также широко используются для измерения и отладки электрических цепей.
2. Они также используются в промышленности для проверки номинальной мощности и потребления электроприборов.
3. Электромагнитные ваттметры используются для измерения рабочих частот.
4. Они используются с холодильниками, электронагревателями и другим оборудованием для измерения номинальной мощности.

Это все о ваттметрах. Для чего они используются, какова их механическая конструкция и как они работают. Очевидно, что они чрезвычайно важны и широко используются в отраслях, связанных с электричеством, и, как и другие измерительные устройства, довольно просты в использовании и точны.

В следующем уроке Насир расскажет об еще одном очень важном измерительном устройстве. Вы можете угадать, какой именно?

Аудио ваттметр или схема измерителя мощности / уровня аудио со схемой

Измеритель мощности звука

Как вы измеряете выходную мощность усилителя? с помощью аудиоваттметра. Название Audio Watt Meter ’- это собирательное название всех устройств, которые используются для измерения выходной мощности усилителя, поэтому многие виды оборудования подпадают под эту категорию.В этом проекте мы намереваемся создать простую схему, которая может измерять выход любого усилителя.

Описание

Это простой способ измерить выход усилителя. Здесь резистор R2 действует как нагрузка для усилителя, и он должен выдерживать удвоенную максимальную мощность усилителя, который вы собираетесь измерять. Шкала измерителя должна быть откалибрована, и, приложив немного усилий, можно получить хорошие результаты.

Схема аудиоваттметра со списком деталей

Схема аудио ваттметра

Банкноты

Если мост 1A недоступен, сделайте его с четырьмя диодами 1N 4007.
Резистор R2 должен быть в два раза больше мощности усилителя, который вы собираетесь измерять.
Для калибровки устройства подключите выход усилителя к порту 1. Также подключите вольтметр переменного тока к порту 1.
Полностью выключите R1. Это означает полное вращение против часовой стрелки при обычном подключении.
Отрегулируйте выход усилителя так, чтобы на вольтметре было среднеквадратичное значение 20 Вольт. Это эквивалент 50 Вт при нагрузке 8 Ом.
Отрегулируйте R1 для полного отклонения на измерителе M1.Теперь закрепите стеклоочиститель предустановки R1 с помощью суперклея.
Теперь уменьшите напряжение на порте 1, уменьшив выходную мощность тестируемого усилителя, в соответствии с таблицей, приведенной ниже, и отметьте показания на шкале измерителя. Прибор готов к измерению.

Стол для калибровки счетчика

У нас есть другие аудиосхемы и измерительные схемы, которые вы, возможно, захотите прочитать; Взгляните:

1. Цепь индикатора отсечения звука

2.Измеритель искажений звука

3. Измеритель уровня звука

4. Схема усилителя звука

5. Схема автомобильного усилителя

Ваттметр линейного измерителя мощности

RF »Примечания по электронике

Линейные ваттметры или измерители мощности могут измерять ВЧ-мощность, передаваемую от источника к нагрузке, путем измерения мощности, протекающей в фидере.

Измеритель ВЧ- и СВЧ-мощности Включает:
Измеритель ВЧ-мощности
PEP, средняя и импульсная мощность
Методы измерения мощности
Встроенный измеритель мощности
Измерители и датчики абсорбционной мощности

Встроенные измерители мощности или ваттметры RF подключаются к фидерной линии и могут измерять мощность, протекающую от источника к нагрузке, а также в обратном направлении.

Встроенные ваттметры или измерители мощности используют направленный ответвитель для передачи небольшого количества энергии из фидерной линии в сам датчик.

Большим преимуществом встроенных ваттметров RF является то, что они могут измерять мощность, пока она подается на нагрузку, то есть их можно использовать для тестирования работающей системы. Измерители абсорбционной мощности образуют нагрузку, и мощность не может быть передана другой нагрузке.

Одним из знаковых ваттметров RF является ваттметр Bird 43 Thruline ®, который используется уже много лет и до сих пор широко используется.

Знаменитый ваттметр Bird 43 Thuline®

Встроенный ваттметр

Встроенный радиочастотный ваттметр основан на использовании направленного ответвителя. Это элемент ВЧ-схемы, который передает небольшое количество энергии, протекающей по фидеру, во вторичную цепь, которая используется для измерения мощности в фидере. Во вторичной цепи небольшая мощность, небольшая и не вызывает чрезмерных потерь.

Используя этот метод, можно по отдельности обнаруживать поток энергии в любом направлении, т.е.е. прямая мощность и обратная мощность, которые были отражены от нагрузки из-за несоответствия и т. д. Таким образом, можно использовать встроенный ваттметр для измерения КСВН, коэффициента стоячей волны напряжения в фидере.

Простая схема направленного ответвителя, которую можно использовать для измерения мощности в сети.

Схема представляет собой очень простую форму направленного ответвителя и иллюстрирует основную концепцию. В точных встроенных измерителях мощности используется больше компонентов, что позволяет получать более точные результаты в более широком диапазоне частот.

В схеме передатчик и нагрузка соединены фидером, который соединен с двумя дополнительными короткими линиями внутри встроенного ВЧ измерителя мощности. На каждой из этих соединенных линий есть резистор, используемый для согласования импеданса, и диод — их положение относительно направления потока мощности определяет, измеряется ли прямая или отраженная мощность.

Диод выпрямляет связанную мощность, так что она может быть непосредственно считана измерителем, а конденсатор удаляет остаточную радиочастоту.

Во многих встроенных ВЧ-ваттметрах используется только одна подключенная линия, и компоненты переключаются для выбора прямого и обратного измерения мощности.

Преимущество встроенного измерителя мощности означает, что измеритель мощности может оставаться в цепи, пока нагрузка активна. Это может быть особенно полезно, если нагрузка должна оставаться активной во время измерения мощности — этого нельзя достичь с помощью абсорбционного ваттметра.

Другие темы тестирования:
Анализатор сети передачи данных
Цифровой мультиметр
Частотомер
Осциллограф
Генераторы сигналов
Анализатор спектра
Измеритель LCR
Дип-метр, ГДО
Логический анализатор
Измеритель мощности RF
Генератор радиочастотных сигналов
Логический зонд
Тестирование и тестеры PAT
Рефлектометр во временной области
Векторный анализатор цепей
PXI
GPIB
Граничное сканирование / JTAG

Вернуться в меню тестирования.. .

Серия тренингов по электричеству и электронике ВМС (NEETS), Модуль 21, с 3-11 по 3-20

Модуль 21 — Методы и практика испытаний

Страницы i — ix,
От 1-1 до 1-10,
От 1-11 до 1-20,
1-21 до 1-26,
От 2-1 до 2-10,
2-11 до 2-20,
2-21 до 2-30,
2-31 до 2-40,
2-41 к 2-48,
С 3-1 по 3-10,
3-11 до 3-20,
С 3-21 до 3-30,
От 3-31 до 3-39,
С 4-1 по 4-10,
С 4-11 по 4-14,
С 5-1 по 5-10,
С 5-11 до 5-20,
С 5-21 до 5-30,
От 5-31 до 5-35, от AI-1 до AI-3, индекс

Достигнуто соотношение

. Это
Однако следует понимать, что антенна имеет определенный импеданс на данной частоте и что, когда
При необходимости этот импеданс может быть определен с помощью моста импеданса RF.

Типичное сопротивление RF
мостовая схема показана на рисунке 3-9. Для измерения импеданса моста требуется генератор ВЧ сигналов,
детектор и откалиброванный ВЧ мост для определения импеданса линии передачи. Мост сравнивает параллель
резистивно-реактивная комбинация с последовательной комбинацией и обычно может измерять импеданс по частоте
диапазон от 500 кГц до 60 МГц.

Рисунок 3-9. — Типовой ВЧ мост.

Обычно мост балансируется с известной емкостью в условиях короткого замыкания. Неизвестный
Затем вместо короткой шины вставляется импеданс, и мост повторно балансируется. Разница между
известный импеданс в условиях короткого замыкания и измерения баланса, полученные с неизвестным импедансом
вместо короткого замыкания вставлено значение неизвестного импеданса.

В-7. Каков результат
Несоответствие импеданса между приемником или передатчиком и его линией передачи или антенной?

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

Часто бывает необходимо проверить уровни мощности входного и выходного сигналов электронного оборудования. В
определение мощности постоянного тока вычисляется с использованием производной закона Ома (P = IE = I ² R = E ² / R).
Однако наличие реактивной составляющей в цепях переменного тока означает, что полная мощность измеряется или
рассчитывается, если среднеквадратичное значение напряжения-тока не умножается на коэффициент мощности для получения более низкого значения.В
Измерение мощности переменного тока дополнительно осложняется частотными ограничениями различных измерителей мощности. Если там есть
без разности фаз, мощность переменного тока может быть вычислена таким же образом, как мощность постоянного тока, путем определения среднего значения
произведение напряжения и тока. В практических цепях переменного тока полную мощность необходимо умножить на
косинус фазового угла между напряжением и током для вычисления истинной мощности.

В повторном
Для измерения мощности звуковой частоты (AF) вы можете использовать обычный измеритель мощности, откалиброванный непосредственно в ваттах.Тем не мение,
когда реактивные составляющие диссипативного импеданса вводят

3-11

фазовый угол, устройство, которое пропорционально коэффициенту мощности и полной мощности, должно быть
использовал. Поскольку измерения уровня мощности связаны с децибелами, практические знания о децибелах необходимы.
требуется для правильной интерпретации тестов мощности. Децибел используется для определения соотношения изменений мощности или
для указания уровня мощности в цепи по отношению к 0 или стандартному опорному уровню.

МОЩНОСТЬ AF

В электрической передаче речи или музыки участвуют быстро меняющиеся амплитуды и частоты.
Измерение среднего уровня мощности и скорость его изменения зависят от характеристик сигнала и временного интервала.
за которое берется это среднее значение. Измерения мощности для схем AF обычно указываются в децибелах.
(дБ), децибелы относительно 1 милливатта (дБм) или единицы громкости (vu).Например, коэффициент усиления усилителя
может быть выражено в дБ; уровень мощности синусоидального сигнала по сравнению с ссылкой на 1-милливатт указывается в
дБм; и уровень мощности сложного сигнала, такого как голос, музыка или мультиплексированная информация, по сравнению с
эталонный уровень 1 милливатт, указывается в ву.

В-8. Какие три единицы измерения больше всего
обычно используется при измерении мощности автофокусировки?

DECIBEL METERS

Измеритель дБ
представляет собой электронный вольтметр переменного тока, калиброванный в дБ.Эти измерители полезны для проведения измерений там, где
желательна прямая индикация в децибелах. Однако помните, что это вольтметры, а измерения мощности
не имеет смысла, если не известен импеданс цепи. Когда измеритель дБ откалиброван, контрольная точка, основанная на
конкретная мощность или значение напряжения на указанном сопротивлении выбирается для представления 0 дБ. Многие электронные
вольтметры используют шкалу в единицу дБ, основанную на 1 милливатте на нагрузке 600 Ом, что соответствует 0 дБмВт.Основываясь на этом
контрольной точкой, различные показания напряжения могут быть сделаны по шкале низкого напряжения переменного тока. Цифры + дБ, соответствующие
отношения к напряжению, которые существуют между последовательными диапазонами и диапазоном низкого переменного тока, были вычислены для каждого диапазона.
Эти числа, отображаемые на передней панели прибора, алгебраически добавляются к каждому последующему диапазону.
чтение для получения правильного значения для диапазона. Термин децибел сам по себе не указывает на мощность. Это
указывает соотношение или сравнение между двумя уровнями мощности, которое позволяет вам рассчитать мощность. Часто это
более желательно выражать измерения производительности в децибелах с использованием фиксированного уровня мощности в качестве эталона.
Первоначальный стандартный эталонный уровень составлял 6 милливатт, но для упрощения расчетов стандартный эталонный уровень составлял
Был принят 1 милливатт.

Q-9. По отношению к измерителям дБ, 0 дБм означает 1 милливатт
значение нагрузки?

ЕДИНИЦЫ ОБЪЕМА

Единица измерения громкости (vu) метр используется в аудио
оборудование для индикации входной мощности передатчика или линии передачи.Этот тип счетчика имеет особые
такие характеристики, как стандартизованная скорость перемещения указателя, скорость возврата и калибровка. В
измерение среднего уровня мощности и скорости его изменения во времени зависит не только от
характеристики сигнала, но также и на временном интервале, за который производится усреднение. Соответственно,
Скорость отклика прибора, используемого для измерения средней мощности, вызывает особую озабоченность. Единица
измерение — это единица громкости (vu), которая численно равна количеству дБ выше или ниже эталона.
уровень 1 милливатт на нагрузку 600 Ом (при условии, что стандартный прибор откалиброван под
постоянная амплитуда, условия синусоидальной волны).Изменение одного вю — это то же самое, что изменение одного децибела. Следовательно,
полученное значение vu представляет собой средние мгновенные значения мощности речи или музыки, полученные с помощью инструмента.
с особыми динамическими характеристиками. Показания vu эквивалентны уровню мощности в децибелах, только если
синусоидальный сигнал имеет постоянную амплитуду.

Q-10. В чем основное отличие vu от a
измеритель дБ?

3-12

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВАТТМЕТР

Электродинамический ваттметр используется для измерения потребляемой мощности.
от источников переменного или постоянного тока.Электродинамический ваттметр, показанный на рисунке 3-10, использует реакцию между
магнитные поля двух токоведущих катушек (или наборов катушек), одна неподвижная, а другая подвижная. Когда
ток через обмотку возбуждения с фиксированным положением такой же, как ток через нагрузку и ток
через подвижную катушку пропорционально напряжению нагрузки, то мгновенное отклонение стрелки равно
пропорционально мгновенной мощности. Поскольку движущийся указатель не может отслеживать быстрые изменения крутящего момента
из-за своего количества движения он принимает отклонение, пропорциональное средней мощности.Ваттметр динамометрического типа
автоматически компенсирует ошибку коэффициента мощности тестируемой цепи. Он указывает только на
мгновенная мощность, возникающая из синфазных значений тока и напряжения. При противофазных отношениях
пик тока через подвижную катушку никогда не возникает в тот же момент, что и пик напряжения на нагрузке,
что приводит к меньшему отклонению стрелки, чем когда ток и напряжение совпадают по фазе. Простой счетчик, показанный на
рисунок 3-10 не компенсируется.Когда нагрузка отключена, этот измеритель все равно будет показывать, что питание
потребляется в цепи. Эту трудность можно устранить, установив две компенсационные обмотки.
с первичными токовыми обмотками фиксированной катушки, как показано на рисунке 3-11. Эти неподвижные обмотки используются для
создают магнитный поток, пропорциональный току через подвижную катушку. Как показано стрелками, токи
через первичную подвижную катушку и компенсационную катушку течет в противоположных направлениях, создавая крутящий момент, вызванный
противоположными магнитными полями.Эти противоположные поля отменяются. Следовательно, при снятии нагрузки с цепи
счетчик покажет нулевую мощность через нагрузку.

Рисунок 3-10. — Типовой электродинамический ваттметр.

3-13

Рисунок 3-11. — Электрический эквивалент компенсированного электродинамического ваттметра.

Электродинамические ваттметры подвержены ошибкам, возникающим из-за различных факторов, таких как температура и
частотные характеристики и вибрация.Нагрев через механизм управления может привести к удлинению пружин и
терять напряжение; в результате возникают ошибки отклонения. На рисунке 3-12 показан механический эквивалент
электродинамический ваттметр. Большие токи в цепи также вызовут ошибки. Следовательно, максимальная
Диапазон тока электродинамических ваттметров обычно ограничивается примерно 20 ампер. При больших токах нагрузки
трансформатор тока подходящего диапазона используется вместе с ваттметром.Однако
Трансформатор тока нельзя использовать, если тестируемая цепь переменного тока содержит компонент постоянного тока.

Рисунок 3-12. — Механический эквивалент электродинамического ваттметра.

Диапазон напряжения ваттметров обычно ограничивается несколькими сотнями вольт из-за нагрева.
рассеяние в цепи напряжения. Однако диапазон напряжения можно расширить, используя внешнее напряжение.
разделители.Ваттметры, используемые в качестве лабораторных эталонов, имеют точность 0,1%, высококачественные портативные ваттметры и
точность от 0,2% до 0,25%, а высококачественные распределительные ваттметры с точностью до 1% от

3-14

полномасштабное значение. Поскольку погрешности электродинамического ваттметра увеличиваются с увеличением частоты, они используются
в первую очередь для измерения линейной мощности 60 Гц. Неэкранированные электродинамические ваттметры не следует размещать в
близость паразитных магнитных полей.Ваттметр имеет номинальные значения тока, напряжения и мощности; поэтому ущерб может
результат при превышении любого из этих рейтингов.

Электродинамический ваттметр может быть преобразован в
прибор для измерения реактивной мощности путем замены сопротивления, обычно включенного последовательно, с катушкой напряжения на
большая индуктивность. Запаздывание по току в катушке напряжения на 90 градусов обеспечивает прямое считывание, пропорциональное
реактивная мощность в цепи. Необходимо использовать компенсирующие цепи, чтобы фазовый сдвиг составлял точно 90 °.

В-11. Какой тип устройства используется для расширения токоизмерительных возможностей электродинамических ваттметров?

Ваттметры с железным сердечником, композитными катушками и торсионными головками

Ваттметры с железным сердечником в основном используются в качестве
щитовые приборы и используют принцип индукции. Катушки напряжения и тока намотаны на ламинированный
железный сердечник, имеющий форму для создания взаимно перпендикулярного магнитного поля через воздушный зазор.Вихревые токи, наведенные в
тонкий металлический цилиндр, вращающийся в этом воздушном зазоре, взаимодействует с магнитным полем, создавая крутящий момент, пропорциональный
мгновенная мощность. Этот тип конструкции обеспечивает преимущества увеличенного рабочего крутящего момента, большего
углы поворота, прочность, компактность и отсутствие ошибок, вызванных полями рассеяния. Он имеет
недостаток в очень узком частотном диапазоне.

Ваттметр с композитной катушкой использует повышенный крутящий момент, создаваемый измеряемой мощностью переменного тока, в отличие от
крутящий момент, создаваемый регулируемым постоянным током в наборе обмоток, перемешанных или намотанных внутри обмоток переменного тока.С помощью этого метода достигается более высокая точность считывания, чем при использовании простых ваттметров, и
ошибки, вызванные эластичностью пружинной подвески, несущей систему подвижной спирали, исключаются. В
торсионный ваттметр используется для восстановления подвижной катушки в исходное положение после отклонения и для снятия
ошибка взаимной индуктивности.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ВАТТМЕТР

Электронные ваттметры используются для прямых измерений малой мощности
или для измерения мощности на частотах, выходящих за пределы диапазона приборов электродинамометрического типа. Упрощенный
Схема электронного ваттметра показана на рисунке 3-13. Согласованные триоды работают в нелинейной части
их характеристические кривые напряжение сетки и ток пластины. Симметричная резистивная Т-сеть между генератором
и нагрузка будет обеспечивать напряжения V1 и V2, пропорциональные току и напряжению нагрузки и синфазно с ними,
соответственно. Источник переменного тока подключается к нагрузке через последовательные резисторы R1 и R2. Эти двое
резисторы имеют одинаковый номинал и сделаны небольшими, чтобы падение напряжения на них не уменьшало нагрузку.
напряжение заметно.R3 сделан достаточно большим, чтобы потреблять незначительную мощность. Следовательно, напряжение R3 равно
равно напряжению нагрузки, а напряжение на любом последовательном резисторе пропорционально разнице в
выходные токи ламп. Среднее значение разницы можно измерить с помощью измерителя постоянного тока, подключенного к
Считайте потенциал напряжения между сетками V1 и V2. Этот метод подходит только для низких частот. Как
частота увеличивается, паразитные емкости и индуктивности также увеличиваются.Частотный диапазон электронного
ваттметр можно увеличить до 20 мегагерц, используя пентоды вместо триодных ламп. Условия эксплуатации
в пентоде регулируются так, чтобы ток пластины был пропорционален произведению линейной функции пластины
напряжение и экспоненциальная функция напряжения сети.

3-15

Рисунок 3-13. — Простая схема электронного ваттметра.

Q-12. Что касается измерения мощности, какое преимущество имеет электронный ваттметр перед электродинамическим?
ваттметр?

СЧЕТЧИКИ МОЩНОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ

Измерители мощности поглощения поглощают либо все, либо
часть источника питания. Им требуются средства для рассеивания поглощенной мощности, измерения рассеиваемой мощности,
и указывает количество мощности, потребляемой сенсорной сетью. Измерители выходной мощности, линейные ваттметры и
измерители с использованием болометров являются примерами измерителей мощности поглощения, используемых ВМФ.

Измерители выходной мощности

На рисунке 3-14 показан общий измеритель выходной мощности, используемый в ОВЧ-УВЧ.
Приложения. Он имеет диапазон от 0 до 150 Вт, охватываемый двумя ступенями: 0–50 Вт и 0–150 Вт. Аттенюатор АТ1
обеспечивает номинальную резистивную (фиктивную) нагрузку 50 Ом и использует металлическую пленку на стеклянной конструкции. Этот фиктивный груз
отводится, чтобы обеспечить надлежащее рабочее напряжение на счетчике. Резисторы R3 и R5 образуют калибровочную цепь на 50 Ом.
ватты; R7 и R8 образуют калибровочную сеть на 150 Вт.Точность при приблизительно 20º C составляет ± 5% для частот.
от 30 МГц до 600 МГц, ± 10% для частот от 0,6 ГГц до 0,8 ГГц и ± 20% для частот от 0,8
и 1,0 ГГц. Когда на AT1 подается радиочастотная (RF) мощность, этот аттенюатор сводит к минимуму влияние мощности.
факторы, порождаемые реактивными компонентами. Затем радиочастотная энергия обнаруживается и фильтруется с помощью CR1 и C1,
соответственно. Результирующее постоянное напряжение, пропорциональное входной мощности, подается на чувствительный
микроамперметра через одну из калибровочных сетей.Этот измеритель имеет шкалу с двумя диапазонами: 0-50 Вт и
0-150 Вт. Чтобы защитить глюкометр, вы всегда должны сначала пробовать более высокий диапазон. Если значение окажется ниже
50 Вт, переход на нижнюю шкалу обеспечит повышенную точность.

3-16

Рисунок 3-14. — Ваттметр УКВ-УВЧ.

Ваттметры в линии

Ваттметры в линии AN / URM-120, показанные на рисунке 3-15,
измеряет мощность, приложенную к нагрузке с сопротивлением 50 Ом, и мощность, отраженную от этой нагрузки.Внутренний направленный
ответвитель ориентирован так, что он реагирует только на волну, распространяющуюся в одном направлении по линии передачи. В
ответвитель можно поворачивать для компенсации падающей или отраженной мощности. Затем RF выпрямляется, фильтруется,
и применяется к измерителю, который масштабируется в ваттах. ВЧ-мощность от 50 до 1000 Вт может быть измерена между
частоты от 2 МГц до 30 МГц; и от 10 до 500 Вт в диапазоне частот от 30 МГц до 1000 МГц.

Рисунок 3-15. — Типовой линейный ваттметр.

3-17

Q-13. В чем преимущество линейных ваттметров перед измерителями выходной мощности?

Болометр

Болометр имеет специально сконструированный элемент термочувствительного
материал. Активный материал представляет собой полупроводниковую бусину, закрепленную между двумя выводами гибкого кабеля.Когда мощность RF
приложенная к элементу болометра, поглощение энергии элементом нагревает элемент и вызывает изменение его
электрическое сопротивление. Таким образом, в мостовой схеме можно использовать болометр, что позволяет избежать небольших изменений сопротивления.
легко обнаруживается, и измерение мощности может быть выполнено методом подстановки (т. е. подстановки постоянного тока
или низкочастотная энергия для создания эквивалентного теплового эффекта). Обычно используется измерительный механизм D’Arsonval.
как нулевой индикатор.

Согласно одному принципу измерения (принципу, используемому в сбалансированном мосту), мост изначально
сбалансированный с низкочастотной мощностью смещения. Затем на болометр подается ВЧ-мощность, и мощность смещения постепенно уменьшается.
снимается, пока мост снова не будет уравновешен. В этом случае фактическая ВЧ-мощность равна удаленной мощности смещения.

Согласно другому принципу измерения (принципу, используемому в несимметричном мосту), мост не является
перебалансируется после подачи мощности РЧ.Скорее, показания индикатора преобразуются непосредственно в мощность с помощью
ранее проведенная калибровка.

Рисунок 3-16 иллюстрирует базовую мостовую схему болометра. В
элемент болометра должен быть физически маленьким, чтобы быть высокочувствительным; он должен одинаково реагировать на низкочастотные
и мощность RF; и он должен быть согласован с линией питания с РЧ-входом. Размер поперечного сечения болометра
элемент примерно равен глубине скин-слоя проникновения ВЧ-тока на самой высокой частоте срабатывания.Это условие позволяет постоянному току и высокочастотному сопротивлению быть практически равными реактивной составляющей
сопротивление болометра минимум. Термисторы, являющиеся разновидностью болометров, используют полупроводниковый материал в форме
как бусинка, с большей толщиной пленки и меньшей длиной, чтобы минимизировать эффекты стоячей волны. Эти физические
свойства обеспечивают соответствие между продольным низкочастотным и радиочастотным распределением мощности для обеспечения
необходимая присущая точность болометра.

Рисунок 3-16. — Базовая мостовая схема болометра.

Пневматический болометр обеспечивает чувствительность по мощности в 100 или более раз большую, чем та, которую обеспечивает
статические калориметрические устройства. Дополнительную чувствительность можно получить, установив элемент в вакуумированном
конверт для исключения конвективных потерь тепла. Небольшие размеры элементов болометра связаны с малым тепловым
массовые и малые тепловые постоянные времени.Тепловая постоянная времени напрямую зависит от отношения объема к площади
элемент определенной формы и композиции. Типичное время до 0,1

3-18

секунда для бусин термистора. Термисторный элемент болометра обычно состоит из
керамическая смесь оксидов металлов, имеющая большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Два штрафа
Проволоки из платинового сплава заделываются в валик, после чего валик нагревается и покрывается стеклянной пленкой.Типичные размеры борта термистора, используемого для микроволновых измерений, составляют 0,015 дюйма по его главной оси и
0,010 дюйма вдоль малой оси. Бусина термистора может работать при высоких температурах; он прочный, оба
электрически и механически; имеет высокую резистивно-силовую чувствительность; и имеет хорошую температуру-мощность
чувствительность. Кроме того, он может выдерживать большие импульсы энергии; имеет вялую термическую реакцию; и у него есть
незначительные ошибки измерения импульсной мощности.Более чувствительный термистор требует тепловой защиты или нагрева.
компенсация за лучшую работу.

К-14. Из какого материала изготовлены болометры
а термисторы?

Болометр измеритель мощности

Стандартный измеритель мощности, используемый на флоте
(Hewlett-Packard 431 C) — это автоматический самобалансирующийся прибор, использующий двухмостовые схемы. Он разработан
для работы с креплениями термистора с температурной компенсацией, которые позволяют измерять мощность в 50-омном коаксиальном
в системе от 10 МГц до 18 ГГц и в волноводной системе от 2.От 6 ГГц до 40 ГГц. Этот измеритель мощности может работать
от первичного источника питания переменного или постоянного тока. Источник переменного тока может быть 115 или 230 вольт при частоте от 50 до 400 герц.
Источником постоянного тока является аккумуляторная батарея на 24 В. Семипозиционный переключатель диапазонов обеспечивает полную мощность
измерения от 10 микроватт до 10 милливатт или от -20 дБмВт до +10 дБмВт. Эти диапазоны можно расширить с помощью
помощь аттенюаторов. Крепление термистора (как показано на рис. 3-17) содержит два термистора: один в
мост обнаружения, который поглощает измеряемую микроволновую мощность, а другой — для компенсации и измерения
мост, который обеспечивает температурную компенсацию и преобразует измеренную мощность ВЧ в показания счетчика.Каждый
мост включает соответствующий элемент термистора в качестве плеча моста.

3-19

Рисунок 3-17. — Сил-о-Метр.

Схема измерителя мощности в основном состоит из двух мостов; каждый мост включает в себя один термистор
элементы в качестве моста. Мосты выполнены самобалансирующимися за счет использования контуров обратной связи. Положительный или
в контуре обратной связи 1 используется регенеративная обратная связь; в обратной связи используется дегенеративная (отрицательная) обратная связь

3-20

NEETS Содержание

Введение в материю, энергию,
и постоянного тока
Введение в переменный ток и трансформаторы
Введение в защиту цепей,
Контроль и измерение
Введение в электрические проводники, электромонтаж
Методики и схематическое чтение
Введение в генераторы и двигатели
Введение в электронную эмиссию, трубки,
и блоки питания
Введение в твердотельные устройства и
Блоки питания
Введение в усилители
Введение в волновую генерацию и формирование волн
Схемы
Введение в распространение и передачу волн
Линии и антенны
Принципы СВЧ
Принципы модуляции
Введение в системы счисления и логические схемы
Введение в микроэлектронику
Принципы синхронизаторов, сервоприводов и гироскопов
Знакомство с испытательным оборудованием
Принципы радиочастотной связи
Принципы работы радаров
Справочник техника, Главный глоссарий
Методы и практика испытаний
Введение в цифровые компьютеры
Магнитная запись
Введение в волоконную оптику

пр.189

Elliott Sound Products

Проект 189

Введение

Аудиоваттметр обычно не особо востребован, поскольку большинство людей достаточно счастливы, чтобы оценить мощность на основе приложенного напряжения и номинального импеданса динамика.По большей части это действительно все, что вам нужно, но иногда вам может потребоваться узнать фактическую мощность, потому что импеданс громкоговорителя вряд ли является плоским и он сильно варьируется в зависимости от частоты.

Для одного драйвера вы можете просто измерить сопротивление звуковой катушки постоянному току, а затем измерить среднеквадратичный ток, подаваемый на динамик. Мощность определяется по стандартной формуле P = I² × R, где R — сопротивление звуковой катушки постоянному току. Это работает, потому что подавляющая часть мощности, подаваемой на любой динамик, просто преобразуется в тепло, и большая часть этого тепла рассеивается в звуковой катушке.Есть некоторые дополнительные безреактивные потери, но они сравнительно небольшие. Обычно вы можете рассчитывать получить в пределах 5% от фактической мощности с помощью этой техники.

Однако, когда задействована система с динамиком , этот простой трюк не сработает. Это может быть близко, но есть еще слишком много других вещей, которые могут вызвать ошибки. Главным из них является кроссоверная сеть, которая делает определение резистивных потерь где-то между трудным и невозможным. Хотя описанный выше метод (вероятно) не будет слишком далеким от истины, потери в подвеске динамиков и кроссоверной сети нелегко компенсировать.Тем не менее, это, безусловно, самый простой способ получить репрезентативное измерение для без особых проблем. Конечный результат обычно будет ближе к фактической мощности, чем вы получите, используя среднеквадратичное значение напряжения и номинальное сопротивление.

Хотя ваттметр может быть построен с использованием PIC (или другого микроконтроллера), АЦП (аналого-цифровые преобразователи) должны быть как минимум 14-битными, иначе точность будет сильно нарушена. Наиболее распространенные PIC недостаточно быстры, чтобы обрабатывать полнодиапазонный аудиосигнал (минимум 41.Требуется выборка 1 кГц, для и аналоговых входов), и когда это объединено с кодом, необходимым для расчета мгновенной мощности, вы, вероятно, обнаружите, что вам нужно что-то намного более быстрое, чем обычно доступно. Я не собираюсь этого делать, так что если вы этого хотите, вам придется поискать в другом месте.

Вы также увидите бесчисленное количество «ваттметров» в сети, но подавляющее большинство из них — всего лишь вольтметры. Они показывают только напряжение , подаваемое на динамик, но, хотя они могут показывать калибровку в ваттах, это просто оценка, основанная на напряжении и номинальном сопротивлении динамика.Сюда входит ESP Project 180, который измеряет только пиковое напряжение и отображает только «номинальные» ватты. Проект можно охарактеризовать как «конфетка для глаз» — он выглядит красиво и при правильной настройке сообщит вам, что усилитель ограничивает мощность, но он измеряет мощность , а не .

Хотя они не особенно распространены, вы можете купить настоящий ваттметр, хотя и с ограниченным частотным диапазоном и множеством функций, которые вы не будете использовать (по крайней мере, при любых измерениях звука). Тот, на который я смотрел, продается за жалкие 1276 австралийских долларов, и это вариант для людей, у которых есть глубокие карманы (с кучей денег в нем) или где требуется сертифицированное измерение.Описанный здесь счетчик даже не пытается конкурировать, потому что по большей части он не актуален.

При условии, что вы можете обойтись стоимостью аналогового умножителя IC (около 20 долларов за штуку), этот проект интересен. Я построил основы и убедился, что он работает, как ожидалось, и результаты интересны. Более того, это отличный инструмент для обучения, и его можно использовать для измерения мощности, потребляемой всем, что работает от переменного тока. Хотя он может быть адаптирован для измерения мощности сети, это , абсолютно не рекомендуется .Он будет работать, но риск для жизни просто слишком велик, а ваттметры переменного тока в сети можно получить за очень небольшую плату на ebay и т.п. (см. Проект 172, если вы хотите измерить мощность сети).

Измерение мощности

Настоящих измерителей мощности, предназначенных для работы со звуком, очень мало. В первую очередь это связано с минимальным спросом — в основном людей не волнует реальная мощность, а только ее значение, определяемое приложенным напряжением и номинальным сопротивлением. Вы не можете просто измерить среднеквадратичное значение напряжения и тока и умножить их вместе, потому что это дает показатель ВА (вольт × ампер), который в электротехнике известен как «кажущаяся мощность».Это то, что должен обеспечивать усилитель, но громкоговорители являются реактивной нагрузкой и объединяют сопротивление, емкость и индуктивность для создания полного сопротивления. Как большинство людей увидят, импеданс широко варьируется в диапазоне рабочих частот. Реактивные нагрузки вызывают сдвиг фазы тока относительно напряжения (обычно до ± 45 °, иногда больше).

Чисто реактивная нагрузка (без сопротивления) потребляет ток от источника, но не рассеивает мощность. Это относится к конденсаторам, но индукторы всегда имеют некоторое последовательное сопротивление и всегда рассеивают некоторую мощность.В отличие от электрической цепи, которая работает на одной частоте, громкоговоритель подвергается воздействию постоянно меняющейся частоты (или частот), потому что это сама природа звука. Следовательно, сложно (но на самом деле невозможно) заставить громкоговоритель работать как чисто резистивная нагрузка. Дополнительные схемы (катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы) в конечном итоге потребляют значительную мощность, но не влияют на производительность самих драйверов. В некоторых случаях (например, в настроенном корпусе) имеются дополнительные реактивные элементы, создаваемые портом настройки, воздушной массой (индуктивностью), а захваченный воздух обеспечивает конусную нагрузку и «упругость» (емкость).

Коррекция импеданса важна вблизи частоты кроссовера, чтобы гарантировать, что частота (или частоты) кроссовера не будет подвергаться отрицательному влиянию изменяющегося импеданса драйверов на (или около) частоты кроссовера. Эти сети неизменно потребляют некоторую мощность, но это не всегда легко рассчитать. Во многом это связано с постоянно меняющейся частотой и амплитудой любого звукового сигнала. Сочетание всех этих факторов очень затрудняет точное измерение мощности.

Рисунок 1 — Имитация акустической системы

Схема выше показывает акустическую систему, состоящую из низкочастотного динамика, высокочастотного динамика и основного кроссовера 12 дБ / октаву.Не было предпринято никаких попыток оптимизировать что-либо, кроме коррекции импеданса вуфера (6,8 Ом и 22 мкФ), схема коррекции импеданса твитера отсутствует, и это просто пример. Далее показан график импеданса, и мы можем поэкспериментировать с основными расчетами. Динамик имеет номинальный импеданс 8 Ом, что означает только то, что это среднее сопротивление , измеренное во всем частотном диапазоне. Фактическое сопротивление варьируется от минимум 5,56 Ом (при 270 Гц) до максимум 44 Ом в резонансе низкочастотного динамика.Импеданс является резистивным (в основном) на двух частотах — 47 Гц (резонанс низкочастотного динамика) и 270 Гц, хотя в диапазоне от 1 кГц до 3,6 кГц он сносно резистивный. Совершенно очевидно, что при резонансе на низкочастотный динамик подается лишь небольшая мощность (11 Вт при входном напряжении 22 В при 47 Гц).

Рисунок 2 — Имитация импеданса динамика

Если входное напряжение настроено как шумовой сигнал с номинальным выходным значением 22 В RMS, мы можем проверить три метода расчета мощности. Если использовать 20.7 В в качестве эталона (фактическое напряжение шума симулятора), мощность составляет 53,6 Вт. Среднеквадратичный ток, потребляемый системой, составил 2,54 А, что дает мощность 51,6 Вт. Симулятор сообщает мне, что фактическая мощность составляет чуть более 49 Вт, поэтому два других метода довольно завышают истинную мощность. Если мы умножим среднеквадратичное напряжение и среднеквадратичный ток, получится 52,6 Вт (фактически ВА, вольт-амперы), что также является ошибкой. Общая погрешность составляет около 7%, что не совсем точное измерение.Вы можете видеть, что измерение среднеквадратичного тока дает наиболее близкую к реальной мощности, и во многих случаях этого будет «достаточно хорошо». Обратите внимание, что непрерывные измерения мощности с использованием напряжения или тока надежно работают только при малой мощности. При высокой мощности звуковая катушка нагревается, ее сопротивление увеличивается, а мощность уменьшается.

Настоящая проблема здесь в том, «кого это волнует?». В большинстве случаев мы этого не делаем, но если вы действительно хотите получить лучший результат, вам нужно читать дальше. Имейте в виду, что этот пример может быть либо намного лучше, либо намного хуже, чем реальная система, поэтому, если у вас нет средств для расчета истинной мощности , вы никогда не узнаете, ошиблись ли ваши базовые измерения или нет.

На самом деле, поскольку громкоговорители используются с непредсказуемыми уровнями и с материалом, точные измерения обычно не важны. Однако есть много людей, которые действительно хотят знать правильный ответ или , и возможность измерить истинную мощность, безусловно, поможет количественно определить реальную чувствительность динамика или системы. Он также позволяет оценить степень сжатия мощности, не требуя точных измерений SPL (уровня звукового давления).Тем не менее, тестируемый динамик по-прежнему будет издавать много шума, поэтому звукоизоляционная камера может быть хорошей идеей.

Измеритель мощности

Первые счетчики электроэнергии работали по тому же принципу, что и счетчики электроэнергии старого образца, которые использовались в блоке предохранителей на открытом воздухе. В них использовались две катушки с проволокой — одна с толстым проводом (и несколькими витками) для контроля тока, а другая с тонким проводом (и множеством витков) для измерения напряжения. Две катушки были (расположены) расположены таким образом, что мощность (не ВА) заставляла алюминиевый диск вращаться, причем скорость вращения определялась используемой мощностью.Затем были запущены шестерни с указателями, показывающими общий расход.

Подобное расположение использовалось в измерителях мощности, в которых вместо алюминиевого диска использовалась стрелка, а шкала измерителя показывала мгновенную потребляемую мощность. Хотя это были произведения искусства ^[1], их частотная характеристика была ограничена примерно 1 кГц в качестве верхнего предела. В отличие от счетчиков киловатт-часов, они также могут измерять мощность постоянного тока. К сожалению, если вы найдете один из этих счетчиков в продаже, он почти наверняка будет очень дорогим, поскольку теперь они являются предметами коллекционирования и требуют более высокой цены.

Измерение истинной мощности (в отличие от ВА) определяется путем непрерывного умножения мгновенного значения напряжения и тока. Это можно сделать в цифровом виде, но для получения аналогового выходного сигнала требуются АЦП (аналого-цифровые преобразователи) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). В качестве альтернативы весь процесс может быть выполнен с использованием микроконтроллера или PIC для обеспечения цифрового считывания. Это включает в себя значительный объем программирования, и программисту все еще необходимо обеспечить точное измерение входящего напряжения и тока и их масштабирование, чтобы они не перегружали АЦП и не вызывали ошибки «вне диапазона» во время вычислений.

ИС аналогового умножителя все еще легко доступны, но они являются дорогими ИС по сравнению с большинством операционных усилителей и других ИС, используемых в аудио. Множитель вполне способен на необходимые математические вычисления, а формула работы рекомендованного умножителя AD633 составляет …

Vout = (X1 — X2) × (Y1 — Y2) / 10

Итак, напряжение X, равное (скажем) 5 В (мгновенное значение) и напряжение Y, равное 4 В, дадут выходной сигнал 2 В. Конфигурация выводов AD633 показана ниже, и для наших целей входы X2 и Y2 заземлены, поэтому в приведенной выше формуле вычитать нечего.Результат основан на мгновенных значениях напряжения и тока, поэтому фазовые углы приспособлены для получения «истинной» мощности, а не вольт-ампер.

Рисунок 3 — Контакты AD633JN и внутренние функции

AD633 — это 4-квадрантный умножитель, что означает, что и вход, и выход могут быть как положительными, так и отрицательными. Это абсолютное требование, поэтому «меньшие» множители (например, двухквадрантные типы) использовать нельзя. Не то чтобы их еще много, и даже AD633 — дорогая микросхема, которая продается примерно за 22 австралийских доллара.00 каждый. Есть и другие в наличии, но все они на намного дороже на !

Для того, что нам нужно, выводы X2 и Y2 заземлены, как и вывод Z (который можно использовать в конечной схеме для обнуления любого остаточного смещения). Отдельные входы (X и Y) могут быть обнулены с помощью , а не , заземляющего контакты X2 и Y2, а с помощью многооборотных подстроечных резисторов для обнуления любого смещения постоянного тока, которое может присутствовать. Вывод с маркировкой «W» является выходом. Обратите внимание, что существует несколько вариантов базового AD633, и не все имеют одинаковые распиновки.Помните об этом, если вы используете что-то другое, кроме версии JN. Существует также версия AN, но она рассчитана на гораздо более широкий диапазон температур и обычно значительно дороже.

Тот факт, что AD633 представляет собой 4-квадрантный умножитель, важен, потому что, когда сигнал имеет напряжение и ток не в фазе, напряжение может быть положительным, а ток — отрицательным (и наоборот), и это именно то, что реактивная цепь (например, громкоговоритель) будет производить на разных частотах.Выход умножителя усредняется (с использованием интегрирующей схемы), и при измерении динамика результат (выходной сигнал умножителя) всегда будет положительным. Если вы измеряете выходную мощность усилителя (источника), результат всегда будет (или должен быть) отрицательным, , потому что это источник энергии, а не прием энергии. Вы также можете измерить отрицательную мощность, если трансформатор тока не совпадает по фазе, поэтому просто поменяйте полярность первичной обмотки или на противоположную.

Разница между мощностью источника и потребляемой мощностью невелика, и идея здесь состоит в том, чтобы определить мощность, потребляемую динамиком, поэтому мы ожидаем общего положительного результата. Перед интегрированием напряжение будет отрицательным на некоторых участках формы волны, потому что динамик возвращает мощность усилителю. Этот довольно маловероятный сценарий связан с реактивной природой громкоговорителя и является ключом к получению «истинного» измерения мощности. Этого не происходит с резистивной нагрузкой.

AD633 может принимать пиковое значение на любом входе ± 10 В (7 В RMS для синусоиды), и важно, чтобы это значение не превышалось. Поскольку микросхема внутренне делит выход на 10, если на оба входа подается 10 В, выход будет 10 В (100/10). Интересно, что входы Y более точны, чем входы X, но это не должно нас сильно беспокоить. Однако имеет смысл использовать вход Y1 для тока, поскольку его более высокая точность позволяет точно измерить нижний уровень выходного тока.

Рисунок 4 — Принцип работы умножающего ваттметра

Базовая компоновка показана выше. Ток контролируется входом Y1 (через трансформатор тока), а напряжение — входом X1. Выходное напряжение является мерой мгновенной мощности в любой момент времени, и результат усредняется простым интегратором. Если вы предпочитаете использовать резистор (например, 0,1 Ом, минимум 5 Вт) для контроля тока, это тоже возможно, но не показано выше для ясности.Он просто подключается последовательно с выходом (относительно земли), и напряжение на нем будет таким же, как у трансформатора тока. Пиковый ток слишком пессимистичен, и в последней схеме он ограничен пиковым значением 10 А (но это можно легко изменить).

Из-за природы аудиосигнала максимальный входной уровень умножителя ограничен примерно 2 В RMS для напряжения или тока. Это соответствует пиковому значению около 6-7 В для материала с «типичным» отношением пикового значения к среднему 10 дБ.Вход напряжения легко организовать с помощью простого делителя напряжения, но для контроля тока мы должны использовать либо резистивный шунт (обычно 0,1 Ом), либо трансформатор тока 1000: 1, как показано выше. Оба будут производить выходное напряжение 100 мВ / А, поэтому, если динамик потребляет 5 А, выходной сигнал измерения тока будет 500 мВ. Вы можете задаться вопросом, предпочитаю ли я быть трансформатором тока. Они идеальны, потому что не создают значительного сопротивления в линии динамика и практически не рассеивают мощность.Резистор не только снижает напряжение (хотя и немного), но и сам рассеивает мощность.

На самом деле это, наверное, не имеет большого значения. Ожидать, что мощность широкополосного звука будет лучше, чем 5%, нереально, потому что она настолько изменчива по самой своей природе. Измерения шума ничем не отличаются, и розовый шум имеет примерно такое же соотношение пикового и среднего значения, как и у большинства музыкальных произведений, хотя, конечно, оно может меняться в зависимости от конкретного типа музыки. Кроме того, существуют пределы точности, которые можно ожидать от любого широкополосного сигнала.Хотя теория подсказывает, что множитель даст правильный ответ, из этого не обязательно следует, что практическое применение будет точным. Даже моделирование с «идеальным» множителем (настроенным как «нелинейная передаточная функция») не всегда дает правильный ответ. «Идеальные» результаты обычно возможны с одним синусоидальным сигналом, но случайный шум (отфильтрованный или другой) приближает вас, но он не точен (есть типичный вариант 1-2 Вт для нагрузки 40 Вт). Нельзя ожидать, что аппаратное решение будет лучше, но можно ожидать, что будет хуже.

Процесс усложняется тем, что нет простого способа откалибровать систему. Резистивная нагрузка может дать точное значение, но как только используется сложная нагрузка (т.е. реактивная), больше не существует эталона, который гарантировал бы точность калибровки во всем частотном диапазоне. «Идеальный» множитель (в симуляторе SIMetrix) дает идеальный результат с резистивной нагрузкой, и он равен почти идеальным с реактивной нагрузкой, но с одной частотой. Когда вместо него используется случайный шумовой сигнал, все может немного развалиться, даже после того, как он был отфильтрован для удаления самых высоких частот.

Диапазоны измерения

Это на самом деле сложнее, чем кажется. При стандартной чувствительности по напряжению и току, полученной из концептуальной схемы, показанной на рисунке 4, выходной уровень составляет всего 1 мВ / Вт. Это затрудняет получение точных показаний при низкой мощности, потому что неизбежно будет некоторое смещение от микросхемы умножителя (хотя мой тестовый образец показывает, что он очень маленький). Даже при максимальной мощности, которая может обрабатываться с помощью этого устройства (70 В и 70 А RMS — допускается трансформатор тока), если используется музыкальный или шумовой сигнал, вы ограничены напряжением около 22 В RMS, что обеспечивает соотношение пиковое / среднее 10 дБ. (10 дБ).В нагрузке 4 Ом получается ток 5,5 А (в зависимости от номинального импеданса), что дает входной ток 550 мВ после трансформатора тока. Это не может быть усилено на 10, так как это вызовет перегрузку токового входа. Реальность отличается, потому что ток, протекающий вблизи резонанса, низкий, что снижает общий ток, но пики все еще слишком высоки.

Разработать диапазоны, которые имеют смысл и не требуют калькулятора, непросто. Нам нужно избегать очень низких напряжений, потому что даже небольшое смещение вызовет ошибки, но пиковое напряжение на любом входе умножителя никогда не может превышать 10 В, что является конструктивным пределом IC.Единственное, что мы можем сделать, — это убедиться, что входные сигналы умножителя имеют очень низкий импеданс, поскольку AD633 имеет (в худшем случае) входной ток 2 мкА (200 мкВ при 10 кОм). Диапазоны по умолчанию приемлемы только в том случае, если смещение постоянного тока на умножителе может быть ниже 1 мВ («ошибка» 1 Вт).

К настоящему времени вы должны увидеть, что общая концепция не так проста, как хотелось бы, и наименьшая непрерывная средняя мощность, которую мы можем надежно измерить, будет около 10 Вт (с ошибкой в худшем случае до 10%).Это означает, что громкоговорители мощностью менее 100 Вт при сопротивлении 4 Ом становятся проблемой. Высокий диапазон чувствительности может выдавать 100 мВ / Вт, поэтому может работать с маломощными динамиками с пиковой мощностью не более 10 Вт (в среднем около 1 Вт с музыкой). Также возможен большой диапазон, позволяющий проводить измерения на основе выходного сигнала 1 мВ / Вт, который может выдерживать пиковую мощность 1 кВт.

Как показано ниже, диапазоны составляют 1 мВ / Вт (высокий), 10 мВ / Вт (средний) и 100 мВ / Вт (низкий). Можно включить очень высокий диапазон (Макс!) С 0.1 мВ / Вт (100 мкВ / Вт), но польза от этого, вероятно, будет довольно ограниченной. Он показан в таблице ниже, но это , а не , включенный в принципиальную схему. Включенные мной диапазоны показаны без звездочки (*). На схеме ниже используются диапазоны, показанные светло-желтым цветом. Наиболее подходящим диапазоном для большинства усилителей будет «Средний» — до 70 В RMS и до 7 A RMS (синусоида).

Диапазон	Показание	Пиковая мощность	Сред.Мощность *	Пиковое напряжение	Пиковый ток
Макс!	100 мкВ / Вт	10 кВт	1 кВт	1000 В	100 A *
Высокий	1 мВ / Вт	1 кВт	100 Вт	100 В	100 A
Средний	10 мВ / Вт	100 Вт	10 Вт	100 В	10 A
Низкий	100 мВ / Вт	10 Вт	1 Вт	10 В	10 A

Таблица 1 — Диапазоны ваттметров (* — см. Текст)

Средняя мощность основана на сигнале с отношением пикового значения к среднему 10 дБ.Если вы проводите тестирование с шумом (обычно с розовым шумом), пиковую амплитуду необходимо обрезать с помощью стабилитронов или других средств, чтобы гарантировать, что отношение пикового к среднему не превышает 10 дБ (разница напряжений 3,16: 1, пиковое значение к среднеквадратичному значению). ). Если вы этого не сделаете, существует риск того, что пиковое значение множителя будет превышено, что приведет к ошибочным результатам. Без каких-либо ограничений, шумовой сигнал может иметь отношение пикового значения к среднему до 15 дБ, при этом статистическая вероятность некоторых пиков превышает это значение.

На самом деле, пиковый ток ограничен чуть менее 100 А, в зависимости от трансформатора тока. Я тестировал ТТ от 5А до 20А (до 30 Гц), и это было нормально, но это то, что вы должны проверить, прежде чем решите поверить результатам. Диапазон 10 кВт просто не будет — ни один известный усилитель не может обеспечить 700 В RMS (пиковое значение 1 кВ), и даже если бы это было так, минимальная нагрузка составила бы 7 Ом. Однако высокий диапазон позволяет измерять средней мощности до 500 Вт на 4 или 8 Ом.

В то время как промежуточные диапазоны легко достигаются с помощью соответствующих значений аттенюатора и усиления, считывание напряжения становится бессмысленным, если намерение состоит в том, чтобы использовать цифровой мультиметр для считывания мощности. Большинство людей сразу увидят, что в диапазоне 10 мВ / Вт средний выход 2 В (например) соответствует 200 Вт, или что 50 мВ в диапазоне 1 мВ / Вт составляет 500 Вт. Если используются «нечетные» коэффициенты умножения, тогда простая ментальная арифметика для большинства людей не работает так хорошо. Хотя этого можно избежать, используя измеритель с подвижной катушкой с (скажем) шкалами 0-3 и 0-10 (т.е.е. разделенные на 10 дБ), я не думаю, что это заинтересует большинство конструкторов.

Описание проекта

Разобравшись с основной теорией расчета мощности, мы можем увидеть, как это переводится в схему, которую можно использовать. Выход может быть либо измерителем с подвижной катушкой с чувствительностью не менее 1 мА для FSD (отклонение полной шкалы), и если вы это сделаете, после интегратора необходим буфер. В противном случае вы можете использовать мультиметр для измерения выходного напряжения.На самом деле нам не нужно использовать умножитель IC, поскольку его можно построить с использованием логарифмических усилителей (операционный усилитель с транзистором, подключенным для обеспечения логарифмического вывода). Однако для того, чтобы это работало, транзисторы должны быть в едином корпусе (массив транзисторов), чтобы гарантировать точное согласование характеристик транзистора и обеспечить тепловую связь. Они доступны, но обычно по значительной цене, и вы никогда не получите точность, доступную от ИС умножителя.

Диапазоны напряжения просты, поскольку для получения необходимых диапазонов требуется только переключаемый аттенюатор.В идеале измерения должны составлять 100 В RMS (141 В пиковое, 1,25 кВт на 8 Ом), но большинству конструкторов не нужно заходить так далеко. Для тока самый высокий полезный диапазон составляет 25 А (среднеквадратичное значение) (чуть больше 35 А в пике), но 50 А (пиковое значение) не так уж глупо и, вероятно, является максимальным значением, необходимым на практике. Резистор 100 мОм будет работать, но если вы проведете тест синусоидального сигнала с выходным током 25 А, резистор будет рассеивать более 62 Вт. Это явно недопустимо.

Как уже отмечалось, я предпочитаю использовать трансформатор тока (ТТ).Хотя некоторые могут считать их « архаичными » (то есть старой технологией), сегодня они так же полезны, как и когда-либо, и их производительность намного лучше, чем думает большинство людей. Я тестировал ТТ 5А до 20А без признаков искажения, а частотная характеристика простирается от 30 Гц до более 20 кГц … плоский . Здесь нет ± 3дБ, это полная выходная характеристика. Если вы хотите узнать больше об этих недооцененных и неправильно понятых компонентах, см. Трансформаторы, часть 2, раздел 17, где подробно объясняется их использование.Ключом к правильному использованию трансформаторов тока является нагрузочный резистор, который преобразует выходной ток в напряжение. Текущий рейтинг трансформатора тока важен для поддержания наилучшей линейности, и для этого проекта я предлагаю устройство 1000: 1 5A. Их можно приобрести у большинства крупных поставщиков не более чем по цене около 4 австралийских долларов каждый.

Трансформатор тока, который я использовал, тот же, что показан в проекте 139A, и является AC-1005. Подходящие трансформаторы тока также доступны на ebay, и их стоит приобрести, потому что они очень полезны.Несмотря на то, что он рассчитан на 5 А, вы можете ожидать хорошей линейности как минимум от 20 А (RMS) до 40 Гц или около того. Поскольку это составляет до 1,6 кВт на 4 Ом, маловероятно, что он будет обнаружен каким-либо образом. Если вы используете более крупный трансформатор тока, соотношение , а не будет равно 1000: 1, и вам придется изменить коэффициент усиления U1B на рисунке 5, чтобы вернуться к 100 мВ / A. Например, трансформатор 500: 1 будет требуется усиление 2 и 20 для среднего и низкого диапазонов соответственно.

Чтобы еще больше улучшить линейность, выходной ток может быть получен с помощью «трансимпедансного» усилителя — преобразователя тока в напряжение.Однако никакие обычные операционные усилители не могут справиться с резистором обратной связи, который необходим для условия единичного усиления, и простой нагрузочный резистор на 100 Ом — лучший вариант. Выходной ток ТТ составляет 1 мА / А, поэтому на выходе 20 А выходной ток составляет 20 мА. Нагрузочный резистор 100 Ом преобразует его в напряжение 2,0 В. Входное напряжение получается от простого переключаемого делителя напряжения. Определить наиболее подходящие диапазоны непросто, и в идеале выходная мощность должна быть разумной, с выходной мощностью не менее 1 мВ / Вт.Это означает, что при (скажем) 50 Вт в динамик выходной сигнал будет 50 мВ, что легко измерить с помощью мультиметра.

При максимальной расчетной входной мощности, установленной на 1200 Вт, выходная мощность будет 1,2 В постоянного тока, но выходная мощность может достигать 10 В (10 кВт!), Что вряд ли возможно измерить на практике. Фактически, необходимо использовать только один диапазон, который допускает пик 100 В и пик 100 А. Пиковый ток не будет использоваться, так как он представляет собой нагрузку в 1 Ом, которую могут выдержать некоторые усилители. Подавляющее большинство измерений будет при среднеквадратичном напряжении менее 50 В и до 12 В.5A RMS (625 Вт на резистивную нагрузку). Хотя заманчиво использование одного диапазона, включение трех предложенных диапазонов имеет смысл для тестирования усилителей (и динамиков) большего и меньшего размера. «Низкий» диапазон позволяет проводить репрезентативные измерения при более низкой мощности, а результаты можно экстраполировать на фактическую используемую мощность. Затем диапазон «Средний» позволяет измерить компрессию мощности (снижение эффективности динамика при нагревании звуковой катушки). Обычно это делается акустически, но также можно использовать ваттметр — вы сможете измерить потери мощности при нагревании звуковой катушки.

В любом диапазоне вы не можете превысить максимальное пиковое значение на входе умножителя, поэтому стоит включить детектор перегрузки. Это предупредит вас о состоянии перенапряжения или перегрузки по току, при любом из которых показания будут неточными. Хотя это, очевидно, делает схему ваттметра более сложной, без нее вы могли бы блаженно не осознавать, что возникла проблема, что приведет к ошибочным результатам. ИМО, было бы глупо не включать это, поскольку это предназначено в качестве инструмента для тестирования и должно быть как можно более точным.

Рисунок 5 — Схема ваттметра

Сам по себе ваттметр не представляет особой сложности. В диапазонах используются отдельные переключатели SPST для изменения диапазонов напряжения и / или тока на более высокую чувствительность. Для каждого переключателя верхнее значение соответствует разомкнутому переключателю, а нижнее значение — замкнутому переключателю. Также есть переключатель «быстро / медленно», который изменяет время интеграции. Обратите внимание на четыре стабилитрона (12 В, 400 мВт или 1 Вт), которые защищают схему от перенапряжения или перегрузки по току.Серьезное перенапряжение, вероятно, вызовет дымку R2 и R3 (это может произойти, если переключатель 10 В / 100 В находится в положении 10 В и подается высокое напряжение). Резисторы дешевы, и при разумной эксплуатации этого все равно не произойдет. Индикатор перегрузки предупредит вас о любом повреждении.

Для тех, кто думает, что им нужен «Макс!» При допустимой мощности нагрузочный резистор ТТ (R4) изменяется на 10 Ом, а R1 необходимо увеличить до 200 кОм (погрешность составляет 1%, но это вряд ли будет иметь значение при таких высоких уровнях мощности).При желании вы можете изготовить резистор 198 кОм, используя резистор 20 МОм параллельно с резистором 200 кОм. Польза от этого в лучшем случае сомнительна, так как в основном я ожидаю, что в любом случае будут использоваться резисторы 1%.

Имеется два выхода, один мгновенный (Inst.), Чтобы можно было наблюдать пиковую мощность на осциллографе, а другой — усредненный (Avg.), Чтобы его можно было отобразить на измерителе. Мгновенный выходной сигнал интересен тем, что он показывает пиковую мощность, в то время как среднее значение (естественно) является средней мощностью за более длительный период времени.Оба они полезны, и возможность видеть их стоит минимальных затрат на дополнительный выходной разъем.

Возможно, вы заметили, что для нулевого смещения, как показано, нет положения. В построенной мной тестовой схеме я измерил смещение на 0,7 мВ, что для большинства измерений несущественно. Если вы действительно хотите удалить остаточное напряжение постоянного тока, достаточно просто подать очень небольшое корректирующее напряжение на контакт 5 (вход «Z»). Вам, вероятно, понадобится не более ± 2 мВ или около того, и это легко сделать с помощью потенциометра 10 кОм между + 15 В и -15 В.Контакт 5 возвращается на землю с резистором 10 Ом, а стеклоочиститель потенциометра подключается к резистору 10 Ом через резистор 39 кОм. Это позволяет корректировать смещение ± 3,8 мВ, чего должно быть более чем достаточно. Хотя схема обладает разумной точностью, на самом деле это не основная цель. Это больше касается понимания отношений между напряжением, током и мощностью с реактивной нагрузкой.

Одна вещь, которая может случиться легко, — это то, что вы получите отрицательный результат, а не ожидаемый положительный результат.Если это произойдет, просто поменяйте местами подключения трансформатора тока (первичного или вторичного, но не обоих). Это изменит полярность и станет правильным. Вероятность того, что у вас все получится с первого раза, составляет 50:50.

Соединения постоянного тока с U1A и U1B не показаны для ясности. Контакт 8 — +15 В, контакт 4 — -15 В. Операционный усилитель и умножитель должны быть соединены конденсаторами емкостью 100 нФ от каждого источника питания к земле. Вход по напряжению защищен с помощью резистора 2 кОм (R3, который при желании может быть увеличен до 10 кОм для несколько лучшей защиты) и пары стабилитронов на землю.Никакая защита не является строго необходимой для токового входа, потому что ни один известный усилитель не может обеспечить достаточный ток, чтобы вызвать перегрузку (пик 100 А или 4,9 кВт на 1 Ом!), Но операционный усилитель по-прежнему защищен другой парой стабилитронов на 12 В. Обратите внимание на два выхода перегрузки (I O / L и V O / L). Они подключаются к детекторам перегрузки, показанным ниже.

Рисунок 6 — Детекторы перегрузки (требуется два)

Датчики перегрузки рассчитаны на работу при напряжении около 10 В. Фактическая цифра — 9.1 В, но возможны небольшие отклонения, так как он зависит от напряжения питания ± 15 В. Однако небольшие вариации не должны вызывать никаких проблем, потому что имеется достаточно буфера, чтобы гарантировать, что перегрузка будет обнаружена. Используются два сдвоенных операционных усилителя LM358, они дешевы, как микросхемы, и идеально подходят для этой цели. Вам нужно два, один для напряжения, а другой для тока. Хотя их можно комбинировать, вы не узнаете, какой раздел перегружен, что будет довольно неприятно. Стоимость невелика, и их всегда можно «обновить» до Project 146, если вы решите, что измеритель мощности не стоит усилий.

Обратите внимание, что для индикаторов перегрузки нет развязки, чтобы скачки напряжения не влияли на умножитель. В этом нет необходимости, потому что светодиоды перегрузки никогда не должны загораться во время теста. Если они это сделают, точность в любом случае ухудшится, поэтому небольшой шум питания не имеет значения. В отличие от усилителя мощности или микшерного пульта, кратковременное ограничение не допускается

Рисунок 7 — Фильтр нижних частот 22 кГц

Одна небольшая проблема с аналоговыми умножителями заключается в том, что они относительно шумные.Выходной шум можно минимизировать, включив фильтр с частотой -3 дБ около 22 кГц. Показанная схема представляет собой оптимизированную конструкцию для заказа 4 ^-го для необходимого диапазона частот и только на 1,2 дБ ниже на 20 кГц. На частоте 13 кГц наблюдается очень маленький пик (менее 0,1 дБ), который не оказывает существенного влияния на показания. Максимальный спад составляет 24 дБ / октаву, при измеренной частоте -3 дБ чуть менее 23 кГц. Все значения находятся в наиболее распространенном диапазоне E12 (12 значений на декаду), поэтому нет необходимости в нечетных значениях.Конечно, можно добиться именно 22 кГц с «правильными» значениями резистора, но в этом нет смысла — как показано ниже, этого более чем достаточно.

Использование ваттметра

При использовании усилитель подключается к входным клеммам, а динамик — к выходным клеммам (держу пари, это стало неожиданностью). Увеличивайте громкость, пока не добьетесь желаемого уровня мощности, поступающей на динамик (или нагрузку). Средняя мощность контролируется цифровым мультиметром в диапазоне постоянного напряжения.Для большинства материалов показания не будут стабильными, поэтому вы можете использовать настройку «Медленно», чтобы получить общее среднее значение. Для стабилизации медленной настройки потребуется время, потому что интегрирующий конденсатор довольно большой, и до достижения конечного напряжения требуется не менее пяти секунд. Он по-прежнему будет двигаться, потому что музыкальный (или шумовой) сигнал нестабилен.

При желании для считывания можно использовать измеритель с подвижной катушкой. Обычно людям довольно легко определить среднее значение, даже когда указатель движется, но с цифровым дисплеем это намного сложнее.Если измеритель используется для долговременных показаний мощности, то C2 можно увеличить с 220 мкФ до чего-то большего (до 1000 мкФ не является необоснованным), но потребуется около одной минуты, прежде чем вы получите реалистичное измерение. Если тестируется громкоговоритель высокой мощности, этого достаточно, чтобы произошло значительное сжатие мощности, поэтому показание может быть ниже ожидаемого.

При запуске, если вы не уверены на 100% в выходной мощности усилителя, начинайте с разомкнутых переключателей. Это обеспечивает диапазон 1 мВ / Вт, и вы можете довольно быстро решить, какой переключатель можно замкнуть, чтобы улучшить чувствительность.Когда оба переключателя диапазонов замкнуты, чувствительность находится на максимальном уровне (нижний диапазон), позволяя пиковое значение до 10 В и / или 10 А. Вероятно, наиболее распространенным диапазоном будет 100 В и 10 А. Это позволяет тестировать большинство усилителей мощности и громкоговорителей средней мощности. Имейте в виду, что при пиковом напряжении 50 В пиковый ток может составлять около 6,25 А для динамика 8 Ом, но может достигать 12,5 А для динамика 4 Ом. Если загорается один из светодиодов перегрузки, вам необходимо выбрать более высокий диапазон напряжения или тока.

Обратите внимание: При использовании с усилителем BTL никогда не пытайтесь использовать осциллограф для измерения пиковой мощности, поскольку осциллографы всегда заземлены в целях безопасности.
Подключение заземленного осциллографа может вызвать отказ усилителя, а также может повредить осциллограф и / или провод осциллографа. Если у вас есть дифференциальный датчик, который обеспечивает всего
изоляция, которую можно использовать, но она есть у немногих любителей, так как они очень дороги.

Указанные диапазоны см. В таблице 1. Я не включил «Макс!» Диапазон, потому что сомнительно, что он когда-нибудь понадобится, но дополнительная схема включает только добавление еще одного делителя напряжения, чтобы получить деление 100, а также варианты деления на 10 и единичного усиления, показанные на рисунке 5.Вы также можете указать промежуточные диапазоны, но выходное напряжение не будет основываться на десятичных множителях, поэтому для расчета мощности потребуется некоторая математика.

Рисунок 8 — Мгновенный выходной сигнал измерителя мощности (осциллограмма)

Я приложил все усилия для написания этой статьи, и с моей стороны было бы упущением не включить в нее захват результатов. Это было сделано с использованием диапазонов 10 В и 10 А, поэтому выходная мощность составляет 100 мВ / Вт. Кривая была намеренно смещена до -200 мВ, чтобы я мог лучше показать пики.Пиковая мощность во время захвата составляла 5 Вт, но, конечно, она все время меняется в зависимости от программного материала. Прицел также показывает уровень RMS (не средний), но для этого они достаточно близки. Мне не удалось одновременно наблюдать форму волны и милливольтметр (по крайней мере, с какой-либо точностью), но во время теста уровень постоянного тока (средняя мощность) колебался около 70 мВ (700 мВт). Это отношение пикового значения к среднему составляет 8,5 дБ.

Средняя мощность обычно измеряется с помощью измерителя постоянного тока, и измеритель с подвижной катушкой лучше, чем цифровой, потому что легче увидеть среднее значение с помощью указателя, чем пытаться угадать среднее значение чисел, которые постоянно меняются.Бывают периоды, когда выходной сигнал очень слабый, что указывает на то, что нагрузка ( была громкоговорителем) реактивная. Однако динамик, который я использовал, довольно доброкачественный, поэтому радикальных негативных экскурсий здесь нет. Я использовал встроенный фильтр нижних частот осциллографа, чтобы удалить все, что выше 20 кГц, чтобы убедиться, что след был как можно более чистым, потому что я не построил схему фильтра, показанную на Рисунке 7, когда был проведен тест.

Усилители BTL

Есть некоторые особые меры предосторожности, о которых вы должны знать перед использованием измерителя мощности с усилителем мощности BTL (мостовая нагрузка).Поскольку оба выхода передают сигнал, вы не должны подключать осциллограф , потому что зажим заземления приведет к короткому замыканию на одном выходе усилителя! Вы также не можете использовать трансформатор для передачи мгновенной выходной мощности на осциллограф, потому что выход является «однополярным» (одной полярности) и в основном несет постоянно изменяющееся смещение постоянного тока. Хотя трансформатор 1: 1 может (теоретически) иметь емкостную связь, выходной сигнал, отображаемый на осциллографе, будет чрезвычайно трудно интерпретировать.

Можно обеспечить выход с оптической связью, который будет работать с постоянным током, но это непростая задача. Это то, что я могу изучить дальше в какой-то момент (я уже провел некоторое исследование и есть несколько решений, некоторые лучше, чем другие). Вы можете купить полностью изолированный усилитель, но это будет стоить немалых денег. Analog Devices выпускает усилитель с изоляцией AD215AY в 12-контактном SIP-корпусе (с одним встроенным контактом), но почти по 150 австралийских долларов каждый (на момент написания), это, вероятно, не то, что большинство людей будут готовы покупать.

Итак, если вам действительно нужно протестировать усилитель BTL, вы сможете прочитать среднюю мощность на измерителе, но анализ пиковой мощности не является жизнеспособным вариантом. Поскольку основная идея состоит в том, чтобы охарактеризовать громкоговорители, а не усилители, используйте «обычный» усилитель мощности, чтобы не было проблем с измерением пикового выхода. Использование усилителя BTL, который не позволяет измерять пиковое напряжение и ток на осциллографе, очень ограничивает.

Выводы

Это не тот проект, который нужен всем, хотя интересно посмотреть, сколько мощности вы фактически используете при прослушивании на своем нормальном уровне.Более чем что-либо еще, это еще один инструмент, который можно использовать, и, что более важно, вы многому научитесь, построив его и используя его. Маловероятно, что печатные платы будут доступны, поскольку они вряд ли будут достаточно популярны, чтобы гарантировать изготовление плат. Конечно, я могу ошибаться, и если да, то разработаю подходящую доску.

Для схемы требуется источник питания ± 15 В (например, Project 05-Mini, а должен быть линейного типа. Импульсные источники питания слишком шумны, особенно если вы хотите использовать осциллограф для измерения мгновенной мощности.Поскольку выходные уровни низкие (обычно около 50 мВ или около того), любой уловленный шум затрудняет чтение дисплея. Линейные источники очень тихие и добавляют наименьшее количество шума к выходному сигналу. Выход источника питания должен быть плавающим (т.е. выход не должен быть подключен к земле / земле).

Во всех тестах, которые я проводил с моим прототипом, смещение выходного постоянного тока меньше 1 мВ, что представляет ошибку 1 Вт в диапазоне «High». Если ваттметр получает только напряжение или ток (не оба сразу), изменение выходного сигнала невелико — достаточно, чтобы его обычно можно было игнорировать.AD633 — это прецизионная ИС, и ее более чем достаточно для работы. Должно быть очевидно, что если у вас есть только напряжение, но нет тока, мощность равна нулю.

В конечном счете, для большинства любителей, вероятно, довольно сложно оправдать создание «настоящего» измерителя мощности, если у вас нет реальной необходимости в нем. Поскольку мне нравится следить за тем, чтобы все, что я публикую, работало так, как заявлено, у меня не было выбора, но маловероятно, что это устройство когда-либо найдет широкое применение. В течение многих лет люди были вполне счастливы использовать приложенное напряжение и номинальное сопротивление динамика для определения мощности, и оказалось, что это достаточно точно для общих расчетов.Однако, если вам нужно абсолютно количественно оценить сжатие мощности (например), то вам, вероятно, понадобится один из них в вашем наборе инструментов. Конечно, вы можете просто использовать трансформатор тока и наблюдать, как падает ток, когда звуковая катушка нагревается при постоянной мощности, но это не так весело.

Хотя схему можно (теоретически) использовать для измерения мощности, потребляемой устройством с питанием от сети (при 50/60 Гц), это не просто не рекомендуется, но и абсолютно запрещено! Все будет подключено к сети, что делает это чрезвычайно опасным и может привести к летальному исходу.Однако он может использоваться при низких напряжениях, получаемых от трансформатора, при условии, что трансформатор обеспечивает изоляцию от напряжения сети. Если вы используете его таким образом, вы делаете это исключительно на свой страх и риск. Ваттметр Project 172 — гораздо лучший вариант, если вам нужно измерить мощность сети.

Список литературы

https://hackaday.com/2018/12/18/old-wattmeter-uses-magnetics-to-do-the-math/
Analog Devices — Руководство по применению умножителей (1978).

Схема ваттметр: СХЕМА ПРОСТОГО ВАТТМЕТРА

Схема включения ваттметра

Измерение мощности с использованием эффекта Холла

Методы измерения мощности на высоких и сверхвысоких частотах

Схема — ваттметр — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Схема — ваттметр

Схема включения ваттметра в электрическую цепь. Ваттметры. Виды и применение. Работа. Примеры и параметры

Ваттметры используют для:

Рассмотрим некоторые варианты приборов (ваттметров) различных вариантов исполнения и различных фирм производителей.

Рассмотрим работу прибора. Вставляем его в розетку.

Замеры напряжения:

Как измерить мощность в цепи трехфазного переменного тока

Схема нагрузки ваттметра » Вот схема!

Ваттметры — Включение — Схема

Измерение электрических величин | Испытание электрических машин

1.3.3. Схемы для измерения в цепях трехфазного или m-фазного тока.

Измерения в цепях несинусоидального тока

3 Простые схемы ваттметра переменного тока

1.) Схема Easy In-Line RF ваттметра

2.) Измеритель частоты линии электропередач

3.) Простой светодиодный ватт-монитор

Как работает ваттметр?

Электродинамические

Электронный

Цифровой

▷ Как работает ваттметр? (вернуться к основам)

Конструкция ваттметра

Работа ваттметра

Применение ваттметра

Аудио ваттметр или схема измерителя мощности / уровня аудио со схемой

Измеритель мощности звука

RF »Примечания по электронике

Линейные ваттметры или измерители мощности могут измерять ВЧ-мощность, передаваемую от источника к нагрузке, путем измерения мощности, протекающей в фидере.

Встроенный ваттметр

Серия тренингов по электричеству и электронике ВМС (NEETS), Модуль 21, с 3-11 по 3-20

пр.189

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Схема включения ваттметра

Измерение мощности с использованием эффекта Холла

Методы измерения мощности на высоких и сверхвысоких частотах

Схема — ваттметр — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Схема — ваттметр

Схема включения ваттметра в электрическую цепь. Ваттметры. Виды и применение. Работа. Примеры и параметры

Ваттметры используют для:

Рассмотрим некоторые варианты приборов (ваттметров) различных вариантов исполнения и различных фирм производителей.

Рассмотрим работу прибора. Вставляем его в розетку.

Замеры напряжения:

Как измерить мощность в цепи трехфазного переменного тока

Схема нагрузки ваттметра » Вот схема!

Ваттметры — Включение — Схема

Измерение электрических величин | Испытание электрических машин

1.3.3. Схемы для измерения в цепях трехфазного или m-фазного тока.

Измерения в цепях несинусоидального тока

3 Простые схемы ваттметра переменного тока

1.) Схема Easy In-Line RF ваттметра

2.) Измеритель частоты линии электропередач

3.) Простой светодиодный ватт-монитор

Как работает ваттметр?

Электродинамические

Электронный

Цифровой

▷ Как работает ваттметр? (вернуться к основам)

Конструкция ваттметра

Работа ваттметра

Применение ваттметра

Аудио ваттметр или схема измерителя мощности / уровня аудио со схемой

Измеритель мощности звука

RF »Примечания по электронике

Линейные ваттметры или измерители мощности могут измерять ВЧ-мощность, передаваемую от источника к нагрузке, путем измерения мощности, протекающей в фидере.

Встроенный ваттметр

Серия тренингов по электричеству и электронике ВМС (NEETS), Модуль 21, с 3-11 по 3-20

пр.189

alexxlab

Вам также может понравиться

Плавкие предохранители это: виды и типы, выбор плавкой вставки, маркировка и обозначение

Материк как называется: Материки — Мехрибан Алиева — Первая леди Азербайджана

Какой источник энергии является неисчерпаемым: К неисчерпаемым источникам энергии относится энергия ветра

Добавить комментарий Отменить ответ