Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



но динамическим, когда требуется получить мгновенное значение сигнала либо процесса в заданный момент времени.

Динамические характеристики (ДХ) для первого и второго режимов нормируют в соответствии с табл. 2.12. Методы определения нормируемых ДХ зависят от схемы АЦП, наличия сигналов внешнего запуска и конца преобразования. Предпочтение отдают экспериментальным методам определения ДХ, но применяют и расчетные методы. Все большее применение при определении ДХ АЦП находят ЭВМ. Методы экспериментального определения ДХ весьма разнообразны. При экспериментальном определении ДХ необходимо выбрать вид испытательного сигнала, сформулировать требования к параметрам испытательного сигнала и метрологическим характеристикам средств измерений, выбрать схему измерения ДХ и способ обработки результатов измерений. Для примера рассмотрим определение Гр -

ДХ для первого режима работы АЦП. Чтобы правильно определить Тщ, целесообразно предварительно определить Гд и (3. Период Тпр определяется при скачкообразном испытательном сигнале, формируемом ЦАП (амплитуда) и ключом К (фронт). Амплитуду сигнала на входе АЦП изменяют кодом No, подаваемым на вход ЦАП. Минимально допустимая длительность фронта испытательного сигнала выбирается из условия [ДЙ(0]„„ = [(IM)y(t) - Й(()]„„ « Азад,

где h(t) - переходная характеристика входных линейных устройств; y(t) - отклик входного линейного устройства на реальный скачок сигнала вида

f Аф при 0<tG;

Uy(t)={

I А при t>G,

где A = Unp, [Дй (()]„„ -максимальная разность y{t); й(() - погрешность при замене идеального скачка на реальный с длительностью фронта G.

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

3.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЩНОСТИ

Протекание тока по электрической цепи сопровождается потреблением энергии от источника. Скорость поступления энергии характеризуется мощностью. Различают мгновенную, среднюю, активную, реактивную и кажущуюся мощности. Под мгновенной мощностью условились понимать произведение мгновенного значения напряжения и на участке цепи на мгновенное значение тока i, протекающего по этому участку:

Р = ui.

Под активной мощностью Р понимают среднее значение мгновенной мощности Р за период Т:

Р=± Т

uidt.

Если ток 1=1у8т(Ы, а напряжение на участке цепи и = Umax sin (tot -f- ф), то т

Р=-1 Т.

Активная мощность представляет собой энергию, которая выделяется в единицу

времени в виде тепла на сопротивлении R. Действительно, произведение U cos ф = IR, следовательно,

P = PR.

Активная мощность измеряется в ваттах.

Под реактивной мощностью понимают произведение напряжения U на участке цепи на ток 1, протекающий по этому участку, и на синус угла ф между ними:

Q = Wsinф.

Реактивную мощность принято измерять в вольт-амперах реактивных, сокращенно вар. Реактивная мощность характеризует собой ту энергию, которой обмениваются между собой генератор и приемник.

Кажущаяся мощность S равна произведению

S = UI.

Она измеряется в вольт-амперах, сокращенно В-А. Между Р, Q и S существует соотношение

р = 5 - Q\

Мощность, отдаваемая генератором с действующим напряжением 1/д и внутренним сопротивлением Zr = Rr+jXr в нагруз-



3.1. Характеристики .мощности

ку с полным сопротивлением Z„ = R„ + jX

Р = -

Наибольшая мощность отдается генератором только при условии полного согласования, когда Zh является комплексно-сопряженной величиной Z(Z„ = Z), при этом

4R, ~

Мощность Рд называется располагаемой мощностью генератора.

Если волновое сопротивление линии передачи, соединяющей нагрузку с генератором, Zo отличается от полного сопротивления нагрузки Zb, то в линии возникают стоячие волны тока и напряжения. Однако и в этом случае можно получить наибольшую мощность в нагрузке, если линия не имеет потерь, а входное полное сопротивление линии со стороны генератора является величиной, комплексно-сопряженной с Z„.

В общем случае для произвольного генератора, соединенного с произвольной нагрузкой однородной линией передачи (без потерь), имеющей волновое сопротивление Zo, мощность в нагрузке Рн может быть выражена через располагаемую мощность генератора Ро.

Из теории электромагнитного поля известно, что коэффициент отражения по напряжению невозбужденного генератора

Г =LZb. Zr + Z„

а коэффициент отражения от нагрузки

- Zq

Если нагрузка присоединена прямо к генератору, то

„ Ро(1-ГгР)(1-Г„Р)

1-ГгГ„Р

(3.1)

При постоянных значениях Гг1 и Г„ максимум мощности поступает в нагрузку, когда ГрГн = I ГнГг I, а это равенство удовлетворяется при условии, что сумма и Г„ равна нулю или кратна 2п. Минимум мощности поступает в нагрузку, когда ГгГ„ = = - ГгГ„, т. е. когда сумма и Г„ равна и кратна п нечетному.

Если нагрузка соединена с генератором с помощью линии без потерь, то мощность, поступающая в нагрузку, имеет значение, лежащее между указанными крайними значениями, и определяется электрической длиной

линии. Это объясняется тем, что однородная линия передачи без потерь трансформирует коэффициент отражения на выходе Г в коэффициент отражения на входе:

Гвх=Ге-Л

где р - коэффициент распространения; / - физическая длина линии. Так как при трансформации изменяется только фазовый угол, то очевидно, что выбором длины линии может быть получена любая мощность в указанных выше/пределах.

Из рассмотрения (3.1) можно сделать ряд выводов. Например, из (3.1) следует, что при Гг = PS в нагрузку поступает располагаемая мощность генератора и нагрузка сопряженно согласована с ним. В общем случае условие согласования не выполняется, и не вся мощность генератора поступает в нагрузку. Если внутреннее сопротивление генератора носит чисто активный характер (Zr = = Rr), то оптимальной нагрузкой является активное сопротивление Zn = R„. Зависимость отдаваемой генератором мощности от сопротивления нагрузки носит в рассматриваемом случае достаточно пологий характер (отклонение нагрузочного сопротивления от оптимального значения в 2 раза уменьшает значение отдаваемой источником мощности менее чем на 1 дБ).

Уравнение (3.1) может быть также использовано для определения погрешности измерения мощности в тех случаях, когда " действительная рабочая нагрузка генератора отличается от нагрузки, использованной при измерении. Отношение мощностей, поступающих в нагрузки А и Б,

где Гг, Га и Pg - коэффициенты отражения по напряжению соответственно генератора, нагрузок А и Б, измеренные в точке присоединения. Обычно известны только модули отдельных коэффициентов отражения: это дает возможность определить возможную (но не действительную) погрешность, вызываемую неравенством и Г. Погрешность может быть сведена к минимуму согласованием генератора с линией. Если генератор полностью согласован (Гг = 0), то, зная Га и Гб, погрешность можно определить достаточно достоверно.

На постоянном и переменном токах низкой частоты измерение мощности производится, как правило, косвенными методами по результатам прямых измерений тока, напряжения и сдвига фаз между ними. На сверхвысоких частотах (СВЧ) методы, осно-



ванные на измерении тока и напряжения, менее удобны или очень трудно реализуемы. Это обусловлено прежде всего тем, что в используемых на СВЧ линиях передачи энергии значения тока и напряжения, измеренные в произвольном сечении, могут отличаться от тока и напряжения на нагрузке. Кроме того, сами измерители тока и напряжения в диапазоне СВЧ оказывают сильное влияние на цепь, в которой производится измерение. Поэтому на частотах выше 30 МГц широкое распространение получили методы, основанные на преобразовании энергии электромагнитного поля в другие виды, более удобные для измерения, но за это приходится расплачиваться потерей точности. Соизмеримость размеров входных цепей измерительных устройств с длиной волны также является одной из причин неоднозначности измерения тока. Измерения сопровождаются значительными частотными погрешностями. В волноводных трактах при некоторых типах волн, например Нц, в круглом волноводе, измерение напряжения и тока теряет практический смысл, так как продольная составляющая в проводнике отсутствует, а разность потенциалов между концами волновода любого диаметра равна нулю.

3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ

Для прямых измерений мощности на низких частотах применяют методы, основанные на умножении мгновенных значений тока и напряжения. В этом случае вычисляется произведение

С cos ю1 cos (rot + ф) = 0,51 cos ф +

+ 0,51 cos (2ю( + ф),

а затем с помощью магнитоэлектрического прибора измеряется постоянная составляющая 0,5 W cos ф, равная мощности. Для умножения можно использовать ферродинами-ческие приборы.

При измерении СВЧ мощности используются в основном следующие методы измерения проходящей и поглощаемой мощностей.

Измерение проходящей мощности по первому методу осуществляется с помощью передающей линии, обеспечивающей сквозное прохождение энергии к приемному преобразователю, который выдает сигнал, пропорциональный могцности. Чувствительные элементы преобразователя реагируют на напряженность электромагнитного поля или плотность потока мощности в тракте, потре-

бляя при этом незначительную часть мощности. В зависимости от типа приемных преобразователей и вида связи, существующей между выходным параметром приемного преобразователя и проходящей мощностью, используются следующие способы измерения: поглощающей стенки, зондовый, понде-ромоторный и метод, основанный на использовании эффевпга Холла. .

При идеально согласованной нагрузке (Гн = 0) в линии передачи отсутствует отраженная волна и мощность, проходягцая в нагрузку, равна падающей:

прох = пая-

В реальных случаях Гн О и проходящая мощность всегда меньше падающей:

-f*npox - -под -отр - -пад(1 ~ н),

где Ротр - отраженная мощность.

Чувствительные элементы приемных преобразователей должны быть слабо связаны с полем в основном тракте, чтобы они не искажали поле и не снижали выходную мощность. В идеальном случае

вх ~ вых - 0.

Проходящую мощность можно измерять также с помощью ваттметров поглощаемой мощности в сочетании с направленными ответвителями.

Способ, основанный на измерении поглощаемой мощности, более широко распространен в области СВЧ диапазона. Приемные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности являются, как правило, эквивалентом согласованной нагрузки, включенным на конце передающей линии. В зависимости от вида применяемых преобразователей различают следующие разновидности методов измерения поглощаемой мощности: тепловые (калориметрический, болометрический, термоэлектрический), метод вольтметра и метод с использованием частотно-избирательных ферритовых элементов.

Простейшим случаем применения измерителя мощности поглощающего типа является непосредственное измерение, при котором выходная мощность источника измеряется по схеме, изображенной на рис. 3.1.

Источник может представлять собой произвольную комбинацию волноводных элементов тракта, включая генератор, часть мощности которого поступает на измеритель мощности. Если генератор стабилен и развязан от нагрузки, т. е. от ее изменений, то нормированную амплитуду падающей на нагрузку бегущей волны можно выразить как

ai=r,6.-6r, (3.2)



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 [39] 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0132