ЕТАЛОНИ ПАРАМЕТРІВ ІНТЕНСИВНОСТІ

ЕТАЛОНИ ПАРАМЕТРІВ ІНТЕНСИВНОСТІ

До параметрів інтенсивності в електрорадіотехниці, окрім напруги і сили струму, відносяться електрична потужність, напруженість електромагнітного поля, спектральна густина потужності шуму. Розглянемо питання забезпечення єдності цих видів вимірювань.

Еталони одиниці електричної потужності

Велике значення паливно-енергетичного комплексу в економіці будь-якої країни, активний розвиток енергоприладобудування, енергомашинобудування,… Тому саме в цьому діапазоні частот (як правило від 20 Гц до 2 кГц), де… У СРСР у 60-і рр. була забезпечена можливість вимірювання електричної потужності з похибкою 0,05 – 0,2 %. У 70-і рр.…

Еталон одиниці потужності змінного струму на промисловій і низькій частотах

, (6.1) де і − середньоквадратичне значення напруги і струму; − коефіцієнт… В окремому випадку, при чисто гармонічних та активна потужність визначається як скалярний добуток векторів напруги і…

Рис. 6.1. Відтворення одиниці потужності на основі еталонів вольта й ома

 

Процес відтворення одиниці потужності на основі еталонів вольта і ома наведено на рис. 6.1, де Вт₌, Вт_~ і Вт_ф − одиниця потужності на постійному струмі, змінному струмі і у формі фіктивної потужності відповідно. Спрощену схему еталона, що ґрунтується на методі «в» (фіктивної потужності), наведено на рис. 6.2.

 

 

 

 

Рис. 6.2. Спрощена структурна схема еталона одиниці потужності

 

Розглянемо окремі елементи цієї схеми. Джерело фіктивної потужності (ДФП) являє собою два окремих джерела струму і напруги з регулюванням фазового зсуву між ними (рис. 6.3).

 

 

Рис. 6.3. Джерело фіктивної потужності

 

Систему відтворення потужності поглинання (СВПП) і передачі розміру одиниці в область фіктивної потужності наведено на рис. 6.4.

Якщо через СВПП протікає змінний струм , то в його активному елементі – зразковому резисторі поглинається активна потужність . При цьому вимірюється за допомогою термоперетворювача ТП шляхом компарування з постійним струмом, а – відомий опір, що простежується до еталона ома.

Таким чином, у резисторі відтворюється реальна активна потужність невеликого розміру (0,1 – 10 Вт), яка визначена через еталони вольта (або ампера) і ома на постійному струмі.

 

 

Рис. 6.4. Система відтворення одиниці фіктивної потужності

 

Падіння напруги на резисторі за допомогою селективного нуль-індикатора (НІ) порівнюється з вихідною напругою дільника напруги (ДН), до якого прикладено напругу від ДФП (див. рис. 6.3). При цьому у варіанті =1 конденсатор “закорочено”. Нульові показання НІ, що відповідають рівності , забезпечуються шляхом регулювання коефіцієнта ділення і кута зсуву фаз між напругою і струмом. При синусоїдальних і і безреактивних і ДН напруга на затисках “” ДФП , а фіктивна потужність, відтворена на затисках “” і “” ДФП, буде дорівнювати потужності поглинання у СВПП, помноженої на :

. (6.3)

Для відтворення фіктивної потужності при <1 використовується - навантаження. У ланцюг напруги вводиться конденсатор (рис. 6.4), значення ємності якого встановлюється в залежності від необхідного , опору дільника і частоти:

.

Таким чином, відтворення фіктивної потужності в обох випадках зводиться до відтворення реальної потужності поглинання і визначення коефіцієнта ділення дільника напруги ДН. Як уже було сказано вище, установлюється методом компарування з потужністю постійного струму. Коефіцієнт ділення визначається відомими методами або на постійному струмі, або на змінному за допомогою еталонного індуктивного дільника.

Основними складовими НСП відтворення одиниці потужності є [40]:

- похибка відтворення потужності поглинання (куди входять похибки мір постійної напруги, опору і термокомпаратора);

- похибка визначення коефіцієнта ділення ДН;

- похибка передачі розміру одиниці від поглинутої до фіктивної потужності (визначається кутовими похибками ДН, конденсатора і спотвореннями форми напруги).

Еталони (рис. 6.5), побудовані на основі цього метода, мають такі типові характеристики:

діапазон вимірювань, Вт 0,01 – 6·10³;

НСП () (2 – 5)·10^-5;

СКВ () (5 – 10)·10^-6.

В Україні також створено державний еталон потужності, що працює в діапазоні частот від 40 Гц до 1 кГц. Еталон відтворює одиницю потужності в динамічному діапазоні 0,01 – 6·10³ Вт, його НСП на промисловій частоті становить 7·10^-5, СКВ 1·10^-5.

Крім державного первинного еталона, в економічно розвинутих країнах створюється еталонна база в даній області, що включає до себе ряд підсистем, які забезпечують відтворення одиниці електричної енергії – джоуля, а також передачу розмірів одиниць різним видам одно- і трифазних засобів вимірювання потужності й енергії, еталони передавання, у тому числі транспортабельні, а також ряд робочих еталонів різного рівня.

 

 

Рис. 6.5. Первинний еталон одиниці електричної потужності в діапазоні

частот 40 – 2500 Гц

 

Еталони одиниці потужності електромагнітних коливань ВЧ- і НВЧ- діапазонів

Хоча тракти передачі коливань у різних піддіапазонах частот суттєво відрізняються (коаксіальні, хвилеводні різних перетинів), що приводить до різних… Загальною для всіх еталонів є і їхня структура. Кожний еталон включає джерело… Динамічний діапазон еталонів потужності більшості країн становить 10-3 – 10-2 Вт. Вибір цього діапазону пояснюється…

Рис. 6.8. Калориметричний компаратор для частот 0,03 – 37,5 ГГц

 

 

Рис. 6.9. Первинний еталон потужності електромагнітних

коливань у діапазоні 37,5 –178,6 ГГц

Еталони одиниць напруженості електромагнітного поля

Загальні положення

Як відомо, перенос енергії електромагнітним полем однозначно описується за допомогою вектора Умова-Пойнтінга (рис. 6.10)      

Еталон напруженості електричного поля на частотах до 30 МГц

В основі еталона лежить метод еталонного поля [23]. Еталонне поле створюється між обкладинками плоского конденсатора, що відіграє роль перетворювача… , В/м, де –напруга між пластинами; –відстань між ними.

Еталон напруженості електричного поля в діапазоні вище 30 МГц

Спрощену структурну схему еталона наведено на рис. 6.14.  

Еталон напруженості магнітного поля в діапазоні до 30 МГц

Значення нормальної складової напруженості магнітного поля (в А/м) у точці розташування індикаторної антени розраховується за формулою , (6.6) де – діюче значення струму в передавальній антені; – площа еталонної антени; – відстань між еталонною й індикаторною…

Еталон одиниці спектральної густини потужності шумового

Радіовипромінювання

СГПШ () − це межа відношення потужності шумового радіовипромінювання у визначеному частотному інтервалі , до значення цього частотного… Відтворення одиниці СГПШ чи еквівалентної одиниці шумової температури –… , (6.7)

Рис. 6.19. Державний первинний еталон одиниці спектральної

густини потужності шумового радіовипромінювання

Значення СГПШ ГШ, що повіряється, визначається за допомогою еталонного ГШ шляхом почергового підключення їх до входу компаратора (радіометра). Останній являє собою модуляційний супергетеродинний приймач радіометричного типу, який функціонально і конструктивно розділяється на ВЧ- (НВЧ) тракт і систему індикації. Для того щоб послабити вплив власних шумів радіометра на похибки вимірювання, шуми джерела модулюються (“офарблюються”), підсилюються в приймачі і потім синхронно детектуються. Змінна складова сигналу на виході радіометра характеризує рівень шуму джерела, що досліджується, постійна складова – власні шуми радіометра. Спрощену схему модуляційного радіометра наведено на рис. 6.20.

 

Рис. 6.20. Схема модуляційного радіометра

 

При обертанні диска, частково покритого поглинаючим матеріалом, у хвилевод періодично вводиться поглинач. Таким чином, відкритий стан входу радіометра чергується з закритим, коли до його входу підключене погоджене навантаження з кімнатною температурою. Генератор імпульсів виробляє сигнали синхронно з обертанням диска і за допомогою пристрою синхронізації керує процесом детектування в приймачі, у результаті чого показання індикатора пропорційні рівню шуму, що надходить на вхід радіометра. Відзначимо, що існує багато різновидів схем модуляційних радіометрів, але всі вони призначені для модуляції вимірюваних шумів.

Центральна задача дослідження еталона СГПШ – метрологічна атестація еталонних ГШ, що включає в себе виконання таких процедур, як вимірювання ослаблення, внесеного лінією передачі, вимірювання температури випромінювача, визначення розподілу температури вздовж лінії передачі, розрахунок еквівалентної шумової температури на виході ГШ, розрахунок СГПШ на виході ГШ і аналіз похибок.

Еталон Росії (рис. 6.19) має такі метрологічні характеристики [23]:

- діапазон частот, ГГц 0,002 – 37,5 37,5 – 178,3

- діапазон вимірювань СГПШ, Вт/Гц 1,07·10^-21 – 1,1·10^-21 1,17·10^-21 – 2,12·10^-21 (шумової температури, К) (77,4 – 153,5) (85,0 – 153,5)

- СКВ, К 0,1 0,5 – 0,7

- НСП, К 0,2 – 0,4 0,6 – 1,0.

Висновки

 

Основним методом відтворення параметрів інтенсивності (напруги, струму, потужності, напруженості поля на змінному струмі) є метод теплового компарування. Тому одним з основних напрямків подальшого вдосконалення еталонів інтенсивності слід вважати розвиток техніки і технології даного методу (термоперетворювачів, калориметрів і їхніх елементів). Іншим перспективним напрямком представляється створення комплексних еталонів потужності, напруги, струму, повного опору і затухання в діапазоні ВЧ і НВЧ, що дозволяє реалізувати в єдиній апаратурі найкращі технологічні і конструкторські рішення в суміжних підвидах і мінімізувати частотні похибки, похибки неузгодженості, нестабільності і т.д.

Якщо говорити про конкретні еталони, зокрема про еталон потужності в промисловому і низькочастотному діапазоні частот, то тут дуже перспективним є використання цифрової і обчислювальної техніки для реалізації перемножування миттєвих значень напруги і струму і одержання значення потужності. Цей метод уже використовується у ряді країн і в перспективі дає можливість визначення програмно-обчислювальним шляхом ряду інших параметрів, зокрема, параметрів якості електричної енергії. Точне вимірювання параметрів якості і забезпечення простежуваності цих вимірювань до еталонів – один з актуальних напрямків вимірювань в електроенергетиці.

Контрольні питання

1. Які параметри інтенсивності , крім напруги і сили струму, ви знаєте?

2. Який метод лежить в основі еталонів потужності від низьких до надвисоких частот?

3. Що таке “відтворення вата у формі фіктивної електричної потужності”? Чому змушені використовувати “фіктивну потужність” при створенні еталона?

4. Що характеризує коефіцієнт ефективності в еталонах потужності на НВЧ?

5. Який процес описується вектором Умова-Пойнтінга? Наведіть формулу.

6. В яких одиницях вимірюється напруженість електричного поля? магнітного поля?

7. Що таке метод “еталонного поля” і метод “еталонної антени”?

8. Яку властивість радіоелектронної апаратури характеризують “спектральною густиною потужності шуму”?