7.7 Вимірювання високих напруг з використанням електрооптичних ефектів Керра і Поккельса

Такі вимірювання засновано на виникненні двопроменезаломлення поляризованого світла, що поширюється в електричному полі, яке створюється вимірюваною напругою.

Рисунок 7.16 - Прилад для вимірювання струмів,

що заснований на ефектах Керра і Поккельса

Схему приладу для вимірювання напруги за таким методом наведено на рис. 7.16. Поляризований промінь світла, що утворюється за допомогою джерела світла 1 та поляризатора 2, проходить через електричне поле, що створюється конденсатором 3, до електродів якого прикладена вимірювана напруга U_x. При цьому промінь світла спрямовується перпендикулярно до вектора напруженості цього поля. Після аналізатора 4 промінь потрапляє до фотоприймача 5, де перетворюється у електричний сигнал, що вимірюється приладом 6.

Інтенсивність світла на виході перетворювача Керра визначається з виразу

, (7.31)

де l_K – ефективна довжина перетворювача Керра; d – відстань між його електродами; C_K – коефіцієнт Керра; J₀ – інтенсивність світла на вході перетворювача.

Ефект Керра виникає в багатьох ізотропних речовинах (вода, бензол, епоксидні компаунди та ін.), однак в серійних приладах найчастіше використовуються нітробензол або п’єзоелектричні кристали в магнітному полі, оскільки вони мають найбільший коефіцієнт Керра.

Контрольні запитання:

1. Де використовують вимірювання високих напруг і струмів?

2. Які методи вимірювання великих струмів і високих напруг ви знаєте?

3. На чому засновано вимірювання великих струмів?

4. Поясніть метод паралельного з’єднання шунтів.

5. Що таке добавочний резистор і як він працює?

6. Для чого застосовуються дільники напруги?

7. Чим обумовлені похибки дільників напруги?

8. Що використовують для вимірювання ВПС?

9. Поясніть принцип дії приладів прямого перетворення.

10. Як можна виміряти напругу в незаземлених колах?

11. На чому грунтуються електромагнітні методи вимірювання струмів і напруг?

12. Як працюють перетворювачі Холла?

13. Пояснити будову та принцип дії приладів з немагнітним інтегруючим контуром?

14. Пояснити будову та принцип дії приладів з феромагнітним інтегруючим контуром?

15. На чому грунтується вимірювання струмів методом ЯМР?

16. Намалюйте будову та поясніть принцип дії цифрового кілоамперметра.

17. Чим обумовлені похибки вимірювання струму за методом ЯМР?

18. Чим обумовлені похибки магнітних компараторів?

Л Е К Ц І Я 8

Методи вимірювань потужності і енергії

8.1 Потужність, енергія і методи їх вимірювань

Потужність і енергія є основними характеристиками більшості фізичних об’єктів. В зв’язку з підвищеним ростом споживання енергії сьогодні підвищення точності таких вимірювань набуває особливого значення. Потужність, як і енергія, існує в багатьох формах: електричній, тепловій, механічній, потужності випромінювання і ін. Найпоширенішими є вимірювання електричної потужності і енергії. Вимірювання інших видів потужності і енергії зазвичай здійснюється також електричними методами. Сучасна практика вимагає вимірювання електричної потужності в широких межах – від 10^-20 Вт до багатьох мільярдів Вт. Наприклад, потужність сигналів, що приймаються радіолокаційними станціями, складає 10^-16 Вт, енергія космічного випромінювання, що долинає до стратосфери Землі від віддалених галактик космосу за 1 с, складає 10^-40 Дж, а енергія, що виробляється вітчизняними електростанціями за один рік приблизно рівна 10²⁰ Дж.

Як й інші енергетичні електричні величини, потужність і енергію необхідно вимірювати в широкому діапазоні частот – від вимірювань на постійному струмі до 10⁹ Гц і більше.

Потужність, що споживається в електричному колі постійного струму, можна описати одним з виразів

P=UI; P=I²R; P=U²/R; P=kq, (8.1)

де І – струм в колі; U – спад напруги на навантаженні з опором R; q – кількість тепла, що виділяється в навантаженні за одиницю часу.

Активна потужність в однофазному електричному колі змінного струму визначається як середнє значення потужності за період Т

, (8.2)

де u, i, p – відповідно миттєві значення напруги, струму та потужності.

У випадку, коли струм і напруга є синусоїдними функціями часу, активну потужність розраховують за виразом

P=UІcos(φ). (8.3)

Множник cos(φ) називають коефіцієнтом потужності, а S=UI – повною потужністю, що визначає активну потужність при чисто активному навантаженні, тобто при cos(φ)=1.

При розрахунку різноманітних електротехнічних пристроїв і для оцінки їх ефективності використовується поняття реактивної потужності, яка для синусоїдного процесу визначається за формулою

Q=UІsin(φ). (8.4)

В загальному випадку змінного періодичного процесу з довільною формою кривих струму і напруги активну потужність шукатимемо як суму потужностей гармонічних складових

. (8.5)

Коефіцієнт потужності визначається як відношення активної потужності до повної потужності

K_P=P/S. (8.6)

Якщо в колі мають місце імпульсні процеси, то їх можна характеризувати імпульсною потужністю, що визначається як середнє значення потужності за час одного імпульсу τ

. (8.7)

Зазвичай ця потужність визначається через вимірювання середньої потужності за період повторення імпульсів

. (8.8)

Для багатофазних кіл вирази для активної і реактивної потужності мають вигляд

; , (8.9)

де U_ф і І_ф – діючі фазові напруги і струми; φ_і – кут фазового зсуву між відповідними фазовим напругами та струмами; n – кількість фаз.

Вирази для визначення електричної енергії отримують, інтегруючи наведені вище вирази для потужності. Тому лічильник електричної енергії зазвичай являє собою перетворювач потужності та інтегратор, яким є електричний або механічний лічильники.

Наведені вирази для активної і реактивної потужності показують, що при всіх методах визначення потужності, за виключенням калориметричного (теплового), при якому визначають кількість тепла (температуру), необхідно виконувати операції перемноження і подальше осереднення миттєвої потужності в часі, а для багатофазних кіл – ще й сумування.

У засобах вимірювання потужності поряд з різного роду перемножуючими пристроями використовуються також суматори (для виконання операцій сумування або віднімання) і квадратори (для піднесення до квадрату).

Методи вимірювань потужності (енергії) в залежності від виду вимірювальних перетворювачів, що в них використовуються, ділять на електромеханічний, електричний, електротепловий (калориметричний) і метод компарування.

Електромеханічний метод заснований на використанні електромеханічних перемножуючих пристроїв у вигляді електродинамічного, феродинамічного, електростатичного і індукційного вимірювальних механізмів, кут відхилення рухомої частини яких є функцією вимірюваної потужності.

Електричні методи засновані на використанні аналогових і цифрових електронних перемножуючих пристроїв, вихідний електричний сигнал яких є функцією вимірюваної потужності.

Електротепловий (калориметричний) метод, що є методом прямого перетворення електричної потужності в теплову, використовують для вимірювання потужності і енергії в колах високої і надвисокої частот, а також потужності (енергії) лазерного випромінювання.

Метод компарування зазвичай застосовують для точного вимірювання потужності в електричних колах високої частоти, а також для метрологічного забезпечення вимірювання потужності в колах змінного струму.