Đo lường điện chi tiết

Đây là tài slide bài giảng chi tiết dùng để giảng dạy tại trường kĩ thuật rất chi tiết Đây là tài slide bài giảng chi tiết dùng để giảng dạy tại trường kĩ thuật rất chi tiết Đây là tài slide bài giảng chi tiết dùng để giảng dạy tại trường kĩ thuật rất chi tiết Đây là tài slide bài giảng chi tiết dùng để giảng dạy tại trường kĩ thuật rất chi tiết Đây là tài slide bài giảng chi tiết dùng để giảng dạy tại trường kĩ thuật rất chi tiết Đây là tài slide bài giảng chi tiết dùng để giảng dạy tại trường kĩ thuật rất chi tiết

Bài 9

Đo công suất

Môn học: Đo lường điện

Phần I : Khái niệm chung

Phần II : Các phương pháp đo

PhÇn I

Kh¸i niÖm chung

Phép đo công suất

Các đơn vị đo công suất

Các loại công suất

Phép đo công suất

CS là tham số quan trọng của các

thiết bị thu phát thông tin, đài điều

khiển tên lửa, trạm ra đa, động cơ

và máy phát điện, máy phát tín

hiệu đo lường

Phạm vi đo rộng:

Mỗi đối tượng đo có thành phần

công suất đặc trưng xác định

CS quá thấp – Tín hiệu sẽ bị che lấp bởi tạp âm

Tầm quan trọng của các mức CS

CS quá cao

– Méo phi tuyến

– Tăng độ phức tạp thiết kế, giá thành

thiết bị, giảm độ tin cậy

CS ra là một chỉ tiêu quan trọng

trong thiết kế và đánh giá chất

lượng hoạt động của các hệ thống.

Phép đo công suất ở các tần số khác nhau

DC: CS thường được đo gián tiếp

được đo trực tiếp

U và I thay đổi theo vị trí trên đường

truyền, trong khi P không thay đổi VInc

Khái niệm công suất

Biên độ

t

p(t)

i(t) u(t)

I

R

U+ -

Thành phần DC (trung bình) của CS Thành phần AC của CS

Với tải tùy ý

số liên quan thấp nhất

Lý thuyết mạch: p(t) = u(t)i(t)

Đơn vị CS: Oát (W)

1W = 1 joule/sec

Hệ SI : W là một đơn vị cơ bản 1 volt = 1 W/A

Số đo CS tương đối: dexibel (dB)

Dễ biểu diễn bằng số: VD +63 dB ÷ -153 dB gọn hơn so với

2 × 10+6 W ÷ 0.5 × 10-15 W

Dễ biểu diễn tăng ích - suy giảm của các hệ thống ghép

tầng: thay phép nhân (W) = phép cộng & trừ (dB)

Số đo CS tuyệt đối: dBm

Các đơn vị đo công suất

Các loại công suất

Công suất trung bình (Average Power)

chế xung Công suất xung(Pulse Power)

Công suất đường bao đỉnh

(Peak Envelope Power)

Công suất trung bình

(Average Power)

thời gian

Lấy trung bình qua một vài chu kỳ điều chế

Lấy trung bình qua nhiều xung thu được

Thông dụng, do thuận tiện về thiết bị đo và độ chính xác cao

Từ CS trung bình  có thể suy ra CS xung và

CS đường bao đỉnh (nếu biết dạng sóng)

Công suất xung (Pulse Power)

Biên độ đỉnh xung

Risetime Falltime

C/S trung bình

Biên độ đáy xung

T = CK lặp lại của xung

Công suất xung (tiếp theo)

Lấy trung bình mọi biến đổi bất thường trên đỉnh xung

P P

f

P tb – chỉ số trên máy đo CS trung bình; f – tần số lặp lại của xung; t

-độ rộng của xung tính theo mức 0,5 chiều cao đỉnh xung

f t (Duty Cycle) – thời gian mức cao trong 1 chu kỳ

 Dễ đo hơn ở RF

 Đo CS trung bình, từ đó tính ra CS xung

(1)

(2)

CS xung cũng có thể đo bằng máy Phân tích CS đỉnh

(Peak Power Analyzer)

• Lý thuyết

Xung Gauss và các loại CS khác nhau

Công suất đường bao đỉnh

(Peak Envelope Power)

CS đường

P xg tính theo (1)

điểm 50%

của biên độ CS tức thời ở t = t1

CS xung định nghĩa cho xung chữ nhật  với các xung dạng khác (VD: xung Gauss), cần đo CS đường bao đỉnh

CS đường bao đỉnh: giá trị cực đại của CS đường

CS đường bao: lấy trung bình CS trong khoảng thời gian << 1/ fm

fm là thành phần có tần số cao nhất của dạng sóng điều

chế

Yêu cầu về thời gian lấy trung bình:

(1) << chu kỳ của tần số điều chế cao nhất

(2) >> chu kỳ RF

Công suất đường bao đỉnh

(tiếp theo)

Đo CS đường bao đỉnh bằng máy Phân tích CS

đỉnh ( Peak Power Analyzer )

 Dùng MHS hiển thị liên tục CS đường bao (với một bộ

tách sóng có Ura ~ Pvào)  hình ảnh là hồ sơ công suất

(power profile) của dạng xung

 CS đường bao đỉnh là giá trị cực đại của CS đường bao

Khi các xung chữ nhật là hoàn hảo  CS đường bao đỉnh = CS xung  máy phân tích CS đỉnh có thể

dùng để lấy đặc tính đầy đủ của dạng sóng này

Công suất đường bao đỉnh

(tiếp theo)

Tóm tắt về các loại công suất

Đối với tín hiệu liên tục:

CS trung bình = CS xung = CS đường bao đỉnh

CS trung bình thông dụng nhất vì thiết bị đo dễ

sử dụng; độ chính xác cao; các chỉ tiêu kỹ thuật

có thể theo dõi được

Thông thường, CS xung và CS đường bao đỉnh

có thể được tính ra từ CS trung bình (nếu biết

dạng sóng)

Các thiết bị đo công suất RF và viba

Máy phân tích tín hiệu vec-tơ (Vector Signal Analyzer)

Máy phân tích phổ (Spectrum Analyzer)

Máy phân tích mạng RF (RF Network Analyzer)

Máy phân tích công suất (Power Analyzer)

Máy đo công suất dùng cảm biến (Power Meter with

Sensor), còn gọi là Oatmet (Wattmeter)

Máy đo CS dùng cảm biến (so với các thiết bị khác):

 Thông thường, có ĐCX cao nhất

 Không có khả năng chọn lọc tần số

Đo CS hấp thụ và CS truyền thụng

Đo CS hấp thụ: Đo CS tiêu th ụ trên tải hòa hợp của PTĐ; Tải của PTĐ hấp thụ toàn bộ CS của nguồn phát khi nguồn phát đú không mắc tải ngoài

Nguồn

CS cần đo

Tải hấp thụ

Biến đổi năng lượng

Thiết bị chỉ thị

Đường truyền

Oỏt một 18/58

Đo CS truyền thông: Đo CS trên đờng truyền tới tải thực;

Tải của PTĐ chỉ hấp thụ một phần năng lợng của nguồn phát

Nguồn

CS

cần đo

Tải hấp thụ

Biến đổi năng lượng

Thiết bị chỉ thị

Bộ phận ghộp

Tải thực

Đường truyền Đường truyền

Oỏt một

Phần II

Các phơng pháp đo công suất

2.1 PP nhiệt lợng

2.2 PP dùng chuyển đổi Hall

2.3 PP đo điện áp trên tải thuần trở

2.4 PP dựa trên tác động cơ học của sóng điện từ

2.5 PP dùng điện trở nhiệt

Đặc điểm chung của đo CS ở tần số cao:

 Biến đổi CS về một đại lượng trung gian rồi đo đại lượng đú

Phơng pháp nhiệt lợng mét

Các thành phần của nhiệt lợng mét:

 Nguồn nớc tạo ra dòng nớc chảy qua phần tử nung

(tải hấp thụ)

 Thiết bị đo hiệu nhiệt độ (2 cặp nhiệt)

 Thiết bị đo lu tốc nớc

V - thể tích nớc chảy qua phần tử nung

T o - hiệu nhiệt độ của nớc chảy ra và chảy vào

Theo định luật Jule-Lens: nhiệt lợng tỏa ra từ phần tử

nung có điện trở R do dòng điện I chạy qua trong thời

Phơng pháp nhiệt lợng

Nếu giữ v = const  CS cần đo đợc xác định trực tiếp

thông qua hiệu hai nhiệt độ T o  có thể khắc độ trực

tiếp thang đo của microampemét theo CS

Sai số (tổng cộng khoảng 5 – 10%)

 Lu tốc nớc không ổn định

 Sai số của phép đo hiệu nhiệt độ

 Phối hợp trở kháng giữa nguồn CS và vật nung

 Truyền nhiệt ra môi trờng xung quanh

2.2 Phơng pháp sử dụng hiệu ứng Hall

Bộ chuyển đổi Hall: Bản

dÉn vµ nhiÖt m«i trêng

B là tõ c¶m cña cuén d©y

B = K i i L = K u uL

víi K i vµ K u - c¸c hÖ sè tû lÖ

Do vËy

e H = K H K i i L i = K H K u u L i

Phơng pháp sử dụng hiệu ứng Hall

Trong mạch điện một chiều, nếu:

 Điện áp trên tải U t  cấp cho L

 Dòng điện qua tải I t  cấp cho D-D

 suất điện động Hall: e H = K H K U P t

Trong mạch điện xoay chiều hình sin, nếu:

 Điện áp trên tải U t (t) = U m sin t  cấp cho L

 Dòng điện qua tải I t (t) = I m sin (t - )  cấp cho D-D

(điện áp trên tải và dòng điện qua tải lệch pha nhau một góc  )

 suất điện động Hall:

e H = K H K U U m I m sin t sin (t - )

= K H K U U.I cos  - K H K U UI cos (2t - )

Phơng pháp sử dụng hiệu ứng Hall

Mắc CCĐ từ điện vào hai cực áp H-H  chỉ số của

CCĐ sẽ tỷ lệ với CS trung bình trong mạch dòng xoay

chiều  cú thể khắc độ trực tiếp thang đo của cơ cấu

đo từ điện theo CS

Sơ đồ với u L ~ I t và i ~ U t

Phơng pháp sử dụng hiệu ứng Hall

Đặc điểm:

 u điểm: Kích thớc nhỏ; hầu nh không có quán tính

(đo nhanh); dải tần rộng (đo tới tần số siêu cao ≥

4000 MHz)

 Nhợc điểm: suất điện động Hall phụ thuộc mạnh vào

nhiệt độ bên ngoài

Sai số (nhỏ nhất khoảng 0.5%):

 Do cấu tạo mạch đo

 Do biến thiên nhiệt độ môi trờng xung quanh

 Do biến thiên tần số của nguồn đo CS

2.3 Phương phỏp đo điện ỏp

trờn tải thuần trở

Nguyên tắc : đo CS thông qua đo điện áp trên

cấu trúc đặc biệt

Phương phỏp đo điện ỏp

trờn tải thuần trở

 Tải mẫu:điện trở bề mặt

có cấu trúc đặc biệt:

hình trụ lõi bằng gốm, phủ than chì đặc biệt;

màn chắn phối hợp nằm dọc theo chiều dài của phần điện trở,

đường kính biến thiên theo hàm mũ

 Thiết kế đảm bảo phối

Oát mét tách sóng

Đầu cắm

cao tần

Màn chắn phối hợp

Phương pháp đo điện áp

trên tải thuần trở

Quan hệ giữa điện áp đo được trên vôn mét tách sóng

và điện áp trên tải

Như vậy, công suất trên tải được xác định qua U đo như sau

®o

t m

Phương pháp đo điện áp

trên tải thuần trở

2.4 Phơng pháp dựa trên tác động

cơ học của sóng điện từ

Nguyên tắc: đo CS thông qua đo áp suất của sóng điện

từ tác động lên bề mặt của ống dẫn sóng khi lan truyền

Theo lý thuyết trờng điện từ:

 Sóng điện từ lan truyền trong ống dẫn sóng có thiết

diện hình chữ nhật gây ra một áp suất không đổi trênthành hẹp và biến đổi theo quy luật hình sin trên

Phơng pháp dựa trên tác động

cơ học của sóng điện từ

Đặt 1 lá thép mỏng đàn hồi trên thành hẹp của ống dẫn

sóng, gắn chuyển đổi áp điện hay điện dung  tín hiệu ra

của chuyển đổi này tỷ lệ với áp suất (CS cao tần)

Đo công suất dùng điện trở nhiệt

Bôlômét:

P(mW) 10

100 150

200

Rb(Ω)

a,

Rb=f(P) (D©y b¹ch kim)

b,

P(mW) 80

0 20

60

Rb(Ω)

Rb=f(P) (D©y Volfram) 40

Bôlômét là sợi dây rất mảnh làm từ bạch kim hay

Volfram đặt trong bình thủy tinh chứa khí trơ có độ chân

không cao để giảm sự truyền nhiệt ra môi trương

Đo công suất dùng điện trở nhiệt

400 600 800 1000

Rt(Ω)

60 0 C

20 0 C

0 0 C -40 0 C

Đo cụng suất dựng điện trở nhiệt dựa trờn mạch cầu khụng cõn bằng

• Trớc khi đo ta cần thay đổi điện trở Tesmitor

bằng nhiệt năng của dòng điện qua chuyển

đổi (thay đổi Rdc) để cầu cần bằng Lúc đó

μA chỉ “0”

• Khi có nguồn công suất cao tần tác động lên

Tesmitor làm cho điện trở của nó giảm dẫn

đến cầu mất cân bằng Lúc này μA xuất hiện

dòng điện với thang khắc độ trực tiếp qua

công suất

• Sai số của Oát mét này khoản 10% phụ thuộc

vào sự thay đổi nhiệt độ của ôi trờng, sự

không phối hợp trở kháng của Oát mét với

đ-ờng truyền và sai số của thiết bị chỉ thị

Đo cụng suất dựng điện trở nhiệt

dựa trờn cầu đo cõn bằng

Nguồn điện áp một chiều

• Khi cha có nguồn công suất tác động

lên Tesmitor ta điều chỉnh dòng điện

trong mạch để thay đổi điện trở Rt

-thiết lập cầu cân bằng ở thời điểm

cân bằng μA chỉ “0” còn mA chỉ I0

Đo cụng suất dựng điện trở nhiệt

dựa trờn cầu đo cõn bằng

• Khi có nguồn công suất tác động lên Tesmitor làm

cho Rt giảm dẫn đến cầu mất cân bằng Để cầu cân

bằng trở lại ta phải tang Rt bằng cách giảm dòng điện

trong mạch ở thời điểm cân bằng mA chỉ dòng I0

• Qua hai bớc điều chỉnh cân bằng cầu, điện trở

Tesmitor không đổi nên công suất tiêu thụ trên

Tesmitor là nh nhau nên

x

t t

t I R I R P

4 4

2 ' 0

2 0

4

2 ' 0

2

0 I I

R

Hết bài 9

Hỏi và thảo luận