Вимірювання електричної енергії

Вимірювання потужності на високих і надвисоких частотах (НВЧ) виконується завжди з попереднім перетворенням електричної енергії в інші види енергії, переважно в теплову. Ватметри поглинюваної потужності застосовують для виміряння потужності навантаження, узгодженого з хвильовому опору лінії електропередачі. Ватметр під’єднується до лінії замість навантаження. При цьому вся потужність, яка надходить від генератора, повністю поглинається в приладі, показ якого відповідає вхідній потужності генератора. Найбільш поширені термісторні, термоелектричні та калориметричні ватметрі поглинюваної потужності.

7. Термісторні складаються з коаксіальної або хвилевідної вимірювальної головки і мосту постійного струму (рис. 6.43,а). Коаксіальна вимірювальна головка - відрізок коаксіальної лінії, у внутрішній провід якої вмикається термістор R_т, що служить навантаженням (рис.6.43,а). Термістор нагрівається високочастотною енергією і його опір змінюється. Опір термістора вимірюється не зрівноваженим мостом постійного струму, який створюють опори термістора R_т і резисторів R₁, R₂, R₃. Показувальний пристрій мосту градуюється в одиницях потужності.

Рис. 6.43. Термісторний ватметр: а -будова;

б - еквівалентна схема вимірювальної головки

На рис. 6.43, б подана еквівалентна схема вимірювальної головки. Термістор R_т одночасно вмикається в коло НВЧ тракту і в коло постійного струму. Для розв‘язування кіл передбачається дросель L і розрив у зовнішній лінії. У повітряному зазорі установлюється слюдяна прокладка. Тим самим створюється конструктивний конденсатор С_к, через який змінний струм проходить безперешкодно, не попадаючи в мостову схему. Дросель L уберігає джерело високочастотної енергії від проникнення в нього постійного струму.

Термісторні ватметри призначаються для вимірювання рівнів потужності до 1 Вт у діапазоні 20 МГц…38,3 ГГц, відносна похибка складає ±4...15 %.

8. Термоелектричні ватметри базуються на вимірюванні термоЕРС термопар прямого або опосередкованого нагрівання, що виникає в результаті поглинання в них НВЧ потужності (рис. 6.44).

Рис. 6.44. Структурна схема термоелектричного ватметра

Термопари Т1, Т2 одночасно виконують функції узгодженого навантаження. Конденсатори С₁, С₂, С₃ призначаються для розв‘язання кіл змінного і постійного струму. Мінімальна основна відносна похибка ватметрів може бути одержана порядку ±1,5...4,0 % без урахування похибки неузгодженості.

9.Спрощена схема калориметричні ватметру показана на рис. 6.45.

Рис.6.45. Калориметричний ватметр

Він має дві ідентичні камери 1 і 2, в яких розміщуються резистори R₁ і R₂ (їх опори ). Обидва резистори безперервно омиваються рідиною. Резистор R₁ вмикається до джерела потужності НВЧ Р_нвч, а резистор R₂ - до джерела потужності постійного струму Р₌.

Процес вимірювання потужності Р_нвч зводиться до вимірювання потужності Р₌, значення якої установлюють за показами амперметра А і вольтметра V таким, щоб температура рідини на виходах обох камер була однаковою. Рівність температур визначають за нульовим показом чутливого індикатора, до якого належать термоперетворювачі 3 і 4, що вмикаються назустріч один одному, і високочутливий магнітоелектричний прилад.Теплообмінник 5 вирівнює температуру рідини на входах камер.

Калориметричні ватметри забезпечують вимірювання потужності в діапазоні частот від 30 МГц до 37,5 ГГц з основною відносною похибкою ±4...15 %. Похибка лабораторних калориметричних ватметрів <.

В системах промислової частоти 50 Гц електрична енергія вимірюється індукційними лічильниками. Останнім часом все більше застосовуються електронні лічильники енергії.

Індукційний лічильник має 2 електромагніти (рис. 6.46). Обмотка одного з них вмикається послідовно з приймачем енергії, обмотка іншого електромагніта - паралельно до нього. В зазорі сердечника паралельного електромагніта розміщується алюмінієвий диск. Він закріплюється на вісі, яка за допомогою черв‘ячної пари зв‘язана з лічильним механізмом.

Рис.6.46. Індукційний лічильник електричної енергії

Струми в обмотках електромагнітів створюють 2 магнітних потоки. Магнітний поток паралельного електромагніта пронизує диск один раз, а послідовного електромагніта- двічі. Ці потоки індукують у диску струми, що взаємодіють з магнітними потоками , і створюють обертальний момент. Протидійний момент виникає під час руху диска. Він обумовлений взаємодією постійного магніту із струмом у диску і пропорційний швидкості обертання диска (числу обертів n за одиницю часу). Виміряна лічильником енергія W пропорційна числу обертів N його диска та сталій лічильника A: . Вона вказується на самому приладі у вигляді напису “1 кВт×година - N обертів диска”. Наприклад, “1 кВт×година - 1800 обертів”, а отже, стала індукційного лічильника () складає . Активну енергію трифазного струму, як і потужність, можна виміряти двома лічильниками (при трипроводній системі) або трьома лічильниками (при чотирипроводній системі).

Схеми вмикання лічильників аналогічні схемам вмикання ватметрів при вимірюванні потужності трифазної системи.