Измерение мощности (Термисторный).

Метод терморезистора. Этот метод основан на измерении сопротив­ления болометра или термистора, изменяющегося под влиянием мощ­ности СВЧ, поэтому его часто называют болометрическим или термисторным методом.

Болометр представляет собой вольфрамовую или платиновую нить, заключенную в стеклянный баллончик, заполненный инертным газом. Поперечное сечение нити 3—10 мкм, а длина l<0,1λ. К нити припа­яны выводы для включения в измерительную схему. Допустимая мощ­ность рассеивания для нитевидных болометров находится в пределах от 50 мВт до 2 Вт; чувствительность от 1,5 до 8 Ом/мВт; рабочая ча­стота ниже 1 ГГц; сопротивление нити в холодном состоянии 6—120 Ом. На частотах выше 1 ГГц используются пленочные болометры. Тонкая платиновая или палладиевая пленка наносится в вакууме на подложку из стекла или слюды, соизмеримую с сечением волновода. Для включе­ния в измерительную цепь края подложки покрываются серебром. Пленочные болометры хорошо согласуются с волноводным трактом, их конструкция удобна для включения, и, что очень ценно, они могут при­меняться до частот миллиметрового диапазона волн. Чувствительность 3—3,5 Ом/мВт при работе на частотах ниже 10 ГГц; на более высоких частотах она снижается. Рабочее сопротивление несколько сот Oм. Температурный коэффициент болометров положительный.

Термистор представляет собой бусинку (или диск) спрессованной смеси окиси марганца, никеля и кобальта, покрытую тонким слоем стекла. Бусинка заключена в стеклянный баллончик между более жесткими выводами, чем впрессованные в бусинку платиновые про­волочки. Материал, из которого изготавливают термисторы, является полупроводником, поэтому их температурный коэффициент отрицатель­ный. Чувствительность термисторов много выше чувствительности боло­метров — до 100 Ом/мВт; они широко применяются для измерения ма­лых и очень малых мощностей на частотах до 78 ГГц. Сопротивление термисторов в холодном состоянии колеблется от сотен Oм до сотен кOм. Рабочая точка устанавливается предварительным подогревом постоянным током или током низкой частоты и выбирается для согла­сования с волноводным трактом в несколько сот Oм.

Основными характеристиками болометров и термисторов являются зависимость их сопротивления и чувствительности от поглощаемой мощности и максимальная допустимая мощность рассеивания.

Терморезисторный ваттметр состоит из приемного преобразова­теля, в котором размещены болометр или термистор и элементы со­гласования; измерительного узла в виде моста постоянного тока для измерения сопротивления терморезистора; отсчетного устройства с циф­ровой или стрелочной индикацией; стабилизированного блока питания.

П риемный преобразователь в зависимости от диапазона частот из­готавливается из отрезка коаксиальной или волноводной линии. В коаксиальном преобразователе (рис. 11.10, а) терморезистор, например термистор, включается в разрыв центрального проводника 1 в конце линии. Для максимального поглощения мощности СВЧ предусматри­вается возможность перемещения термистора в пределах четверти длины волны. Термистор одновременно включен в цепь СВЧ-тракта и в цепь постоянного тока — одно из плеч моста. Для развязки этих цепей пре­дусмотрен дроссель 2, предохраняющий мост от проникновения в него энергии СВЧ и обеспечивающий прохождение постоянного тока через термистор. Внешний проводник коаксиальной линии преобразователя имеет разрыв со слюдяной прокладкой, без которого термистор был бы замкнут накоротко по постоянному току. Разрыв представляет собой конструктивный конденсатор Ск, через емкость которого энергия СВЧ замыкается беспрепятственно. Коаксиальные приемные преобразова­тели применяются при измерении мощности в диапазоне частот 20 МГц— 6 ГГц. На более высоких частотах используют преобразователи волно­водной конструкции.

В олноводный приемный преобразователь (рис. 11.10, б) представ­ляет собой отрезок короткозамкнутого прямоугольного волновода, в конце которого помещен терморезистор, закрепленный в цилиндри­ческих патрубках, перпендикулярных широкой стороне волновода. Для согласования термистора с волноводом он должен располагаться на расстоянии l= (2n + 1)λ/4 от замкнутого конца волновода. Для установки этого расстояния (настройки согласования) предусмотрен поршень 3. Прохождение по термистору постоянного тока обеспечива­ется разрывом Ск в одном из патрубков.

Измерение сопротивления терморезистора (а следовательно, и мощ­ности) производится с помощью моста постоянного тока. В одно плечо моста включается болометр или термистор, а в остальные — постоян­ные резисторы, сопротивления которых равны сопротивлению терморе­зистора в рабочей точке. Такой равноплечий мост обладает наибольшей чувствительностью.

И змерение мощности можно выполнять при неуравновешенном или уравновешенном состоянии моста. Схема ваттметра с неуравновешен­ным мостом представлена на рис. 11.11, а. Измерение выполняют следу­ющим образом. Сначала, до включения энергии СВЧ, мост приводят в равновесие на постоянном токе. Для этого, изменяя сопротивление резистора R₁ в цепи питания моста, добиваются нулевого показания на шкале микроамперметра в диагонали моста. Это свидетельствует о равенстве сопротивления терморезистора всем остальным сопротив­лениям плеч. Затем на вход преобразователя подают измеряемый сигнал, мощность которого нагревает терморезистор; сопротивление его изменяется, мост выходит из равновесия и стрелка микроамперметра отклоняется. Шкала микроамперметра градуируется заранее по мощно­сти постоянного тока, и потому его показания соответствуют измеряе­мой мощности СВЧ.

Ваттметр с неуравновешенным мостом позволяет непрерывно и непосредственно измерять мощность; схема его проста и надежна в ра­боте. Однако он имеет ряд недостатков: необходимость предваритель­ной градуировки и ее периодической проверки; значительную погреш­ность, превышающую 10 %. Причины погрешности заключаются в рассогласовании тракта СВЧ с сопротивлением терморезистора, так как последнее изменяется в зависимости от измеряе­мой мощности, температу­ры окружающей среды и нестабильности напряже­ния источника питания.

В аттметр с уравно­вешенным мостом (рис. 11.11, б) обеспечивает луч­шее согласование, и пото­му его погрешность зна­чительно меньше. Измере­ние производится в два этапа. Сначала мост приводят в равновесие на постоянном токе из­менением сопротивления резистора R₁и замечают значение постоян­ного тока I₁. Через термистор протекает половина питающего мост тока, поэтому мощность, рассеиваемая термистором R_т,

(4)

Затем подается СВЧ-сигнал, термистор дополнительно нагревается, его сопротивление уменьшается и мост выходит из равновесия. Уве­личивая сопротивление R_l т. е. уменьшая постоянный ток через тер­мистор, мост вторично приводят в равновесие, которое наступит при значении постоянного тока I₂. Теперь мощность постоянного тока, рас­сеиваемая на термисторе, согласно формуле (4),

(5)

Очевидно, что уменьшение мощности постоянного тока равно прило­женной сверхвысокочастотной мощности Р_~, т. е.

(6)

Измерение мощности с помощью ваттметра с уравновешенным мо­стом является косвенным, так как требует вычислений. Преимущество этого ваттметра перед ваттметром с неуравновешенным мостом состоит в том, что сопротивление терморезистора остается неизменным и согла­сование не нарушается. Недостатком является необходимость двух операций уравновешивания моста в процессе одного измерения и вы­полнение вычислений.

Прямопоказываюшдй ваттметр с уравновешенным мостом, в ко­тором измеряется разность токов ∆I=I₁—I₂, не имеет этих недостат­ков. Подставим в формулу (6) значение I₂=I₁-∆I. После элемен­тарных преобразований получаем

(7)

Е сли поддерживать значения тока I₁ и сопротивления R постоян­ными, то значение мощности СВЧ однозначно определяется прираще­нием постоянного тока: Р~ =f(∆I). В этом случае шкалу миллиампер­метра в цепи питания моста можно градуировать в единицах мощности. Однако градуировка может нарушаться при изменении температуры окружающей среды или замене термистора, когда для первоначальной балансировки моста требуется установка другого значения тока I₁. Для обеспечения постоянства градуировки мост питают от двух авто­номных источников тока — постоянного и переменного низкой частоты. Постоянный ток получают от стабилизированного по току источника и устанавливают несколько меньшим, чем нужно для уравновешивания моста. Точное равновесие получают путем ручной регулировки мощ­ности генератора низкой частоты, переменный ток которого косвенно подогревает термистор. В процессе измерения первоначальное равнове­сие моста устанавливают и его изменения от внешних влияющих вели­чин устраняют только изме­нением переменного тока, а начальное значение постоян­ного тока не меняется.

На рис. 11.12 приведена упрощенная схема прямопоказывающего ваттметра с уравновешенным мостом. Рав­ноплечий мост питается от источника постоянного на­пряжения ИПН через стаби­лизатор тока СТ. Перед изме­рением мост уравновешивают с помощью переменного тока, получаемого от генератора низкой частоты Г. Затем на вход приемного преобразова­теля ППр подается измеряе­мая мощность, мост выхо­дит из равновесия и на диагонали моста 1—2 появляется напряжение. Это напряжение после усиления в УПТ подается на базу регулирую­щего транзистора Т, включенного параллельно второй диагонали мо­ста, и вызывает в транзисторе увеличение тока ∆I. Так как значение тока I₁ измениться не может, то соответственно уменьшается ток через термистор в приемном преобразователе и мост уравновешивается. Приращение тока транзистора (уменьшение тока термистора) фиксиру­ется на шкале миллиамперметра, градуированной в единицах мощности.

Калориметрический метод.

Калориметрический метод. Этот метод относится к наиболее точным измерениям высокоча­стотной мощности больших и средних значений практически на любой частоте. Он основан на преобразовании электромагнит' ной энергии в тепловую. Кало­риметрический ваттметр состоит из приемного преобразователя, в котором расположена нагрузка, поглощающая электромагнитную энергию. При этом выделяется теплота, нагревающая некоторое ра­бочее тело. С помощью измерительного узла измеряется температу­ра рабочего тела, и по ее значению определяется значение мощно­сти. Ваттметры выполняются с твердым или, чаще, с жидким рабо­чим телом, работают в адиабатном режиме (без теплоотдачи во внеш­нюю среду) или при постоянной температуре рабочего тела.

Н аибольшее распространение получили проточные (поточные) ка­лориметрические ваттметры с непрерывно циркулирующей жидкостью — водой или кремнийорганической смесью (рис. 11.8), Здесь значение мощности функционально связано с разностью температур жидкости на входе и выходе преобразователя, Т₁ и Т₂ соответственно. В установив­шемся режиме количество теплоты, выделяемой на нагрузке R_н, равно количеству отводимой жидкостью теплоты: Q_H = 0,24I²R_Ht = Q_ж= с v (T₂-T₁), откуда 0,24Р = с (v /t)∆T (с — удельная теплоемкость, v — объем жидкости). Измеряемая мощность

При постоянных удельной теплоемкости и скорости протекания жидкости v /t измеряемая мощность прямо пропорциональна разности температур: Р=a∆T. Для измере­ния ∆T применяют батареи термо­пар, термоЭДС которых определяет­ся с помощью магнитоэлектриче­ского милливольтметра. Если термо­батареи включить последовательно и встречно, то показание милливольт­метра будет пропорционально ∆T и его шкалу можно градуировать в единицах мощности — ваттах.

Погрешность измерения мощ­ности калориметрическим методом возникает вследствие изменения удельной теплоемкости жидкости при ее значительном нагревании, дополнительного нагрева жидкости за счет трения, изменения скорости и характера движения жидкости, потерь теплоты на излучение. Для уменьшения погрешности исполь­зуют метод сравнения, в котором тепловой эффект, вызванный СВЧ-энергией, сравнивается с тепловым эффектом, вызванным энергией постоянного тока или тока низкой частоты.

Д ля примера на рис. 11.9 приведена упрощенная схема проточного калориметрического вагтметра, работающего по методу сравнения. Приемный преобразователь представляет собой камеру 1, в которую помещен нагрузочный СВЧ-резистор R₁. В аналогичной камере 2 нахо­дится резистор R₂, на который подается мощность постоянного тока. Оба резистора омываются непрерывно циркулирующей жидкостью. Процесс измерения мощности СВЧ заключается в измерении мощности постоянного тока, значение которой устанавливается оператором та­ким образом, чтобы температура вытекающей из обеих камер жидкости была одинаковой. Равенство температур определяется по нулевому показанию чувствительного микроамперметра постоянного тока, соеди­ненного последовательно с двумя термобатареями 3, 4, которые вклю­чены встречно друг другу. Теплообменник 5 выравнивает температуру жидкости на входах обеих камер. Очевидно, что в таком калориметри­ческом ваттметре не требуется определять скорость течения жидкости, ее удельную теплоемкость и температуру. Погрешность зависит от точ­ности измерения мощности постоянного тока и от коэффициента эффек­тивности преобразователя К_э, значение которого для каждого ваттметра известно. Измеряемую мощность определяют как

Электрический метод.

· Для измерения электрической мощности применяются ваттметры и варметры, можно также использовать косвенный метод, с помощью вольтметра и амперметра.

Метод вольтметра и амперметра. Этот метод применяется в том слу­чае, когда при измерении значение тока, проходящего через ампер­метр и нагрузку, одинаково и напряжения на нагрузке и вольтметре равны. В цепях с распределенными параметрами эти условия выпол­няются только в определенных местах цепи измеряемого объекта. Ам­перметр следует включать возможно ближе к нагрузке, так, чтобы рас­стояние l₁ (рис. 11.6, а) было, по крайней мере, в сто раз меньше длины волны λ. При l₁/λ < 0,01 погрешность от включения не превышает 1 %. Вольтметр нужно включать на расстоянии l₂ = n λ /2 от нагрузки, где n— любое целое число; в этом случае напряжение на нагрузке равно напря­жению в месте измерения.

При измерении мощности источников энергии (генераторов, радио­передатчиков, усилителей) обычно используют эквивалент согласован­ной нагрузки R_H и один прибор — амперметр или вольтметр (рис. 11.6, в), а мощность вычисляют по формулам: Р = или , где I_А и U_v —показания амперметра и вольтметра. Эк­вивалент нагрузки, рассчитанный на необходимую мощность, подклю­чают непосредственно к выходным зажимам источника. Если при из­мерении мощности передатчика П допускается излучение, то изме­ряется ток в антенне (рис. 11.6, б), сопротивление которой известно. В качестве эквивалента нагрузки применяют прецизионные резисторы (проволочные, силикатные, карборундовые, углеродистые). При изме­рении больших мощностей предусматривают принудительное охлаж­дение нагрузки воздухом или водой.

Выбор измерительного прибора — амперметра или вольтметра — определяется диапазоном частот, значением измеряемой мощности и сопротивления нагрузки, допустимой погрешностью измерения. Так, например, на частотах до 100 МГц при заданной погрешности изме­рения до ±5 % можно применить термоэлектрический амперметр и электронный вольтметр класса точности 1,0 и 2,5 соответственно. Та­ким образом измеряют значения мощностей от единиц ватт до сотен ки­ловатт.

На более высоких частотах используют прямопоказывающий ватт­метр (рис. 11.7), в приемном преобразователе которого помещен по­глощающий резистор R_H с сопротивлением 75 Ом, рассчитанный на включение в коаксиальную линию с помощью коаксиального входа 1. Резистор заключен в экран 2 специальной формы, улучшающий усло­вия согласования ваттметра с линией передачи. В качестве измери­тельного узла используется диодный пиковый вольтметр 3, отсчетное устройство которого градуировано в единицах мощности. Для расши­рения пределов измерения пиковый вольтметр подключается к части резистора. Погрешность измере­ния таким ваттметром состав­ляет 15—20%. Ваттметр изме­ряет среднюю мощность, поэто­му при импульсных сигналах мощность определяется в соот­ветствии с формулой (2). Метод вольтметра и амперметра. Этот метод применяется в том слу­чае, когда при измерении значение тока, проходящего через ампер­метр и нагрузку, одинаково и напряжения на нагрузке и вольтметре равны. В цепях с распределенными параметрами эти условия выпол­няются только в определенных местах цепи измеряемого объекта. Ам­перметр следует включать возможно ближе к нагрузке, так, чтобы рас­стояние l₁ (рис. 11.6, а) было, по крайней мере, в сто раз меньше длины волны λ. При l₁/λ < 0,01 погрешность от включения не превышает 1 %. Вольтметр нужно включать на расстоянии l₂ = n λ /2 от нагрузки, где n— любое целое число; в этом случае напряжение на нагрузке равно напря­жению в месте измерения.

При измерении мощности источников энергии (генераторов, радио­передатчиков, усилителей) обычно используют эквивалент согласован­ной нагрузки R_H и один прибор — амперметр или вольтметр (рис. 11.6, в), а мощность вычисляют по формулам: Р = или , где I_А и U_v —показания амперметра и вольтметра. Эк­вивалент нагрузки, рассчитанный на необходимую мощность, подклю­чают непосредственно к выходным зажимам источника. Если при из­мерении мощности передатчика П допускается излучение, то изме­ряется ток в антенне (рис. 11.6, б), сопротивление которой известно. В качестве эквивалента нагрузки применяют прецизионные резисторы (проволочные, силикатные, карборундовые, углеродистые). При изме­рении больших мощностей предусматривают принудительное охлаж­дение нагрузки воздухом или водой.

Выбор измерительного прибора — амперметра или вольтметра — определяется диапазоном частот, значением измеряемой мощности и сопротивления нагрузки, допустимой погрешностью измерения. Так, например, на частотах до 100 МГц при заданной погрешности изме­рения до ±5 % можно применить термоэлектрический амперметр и электронный вольтметр класса точности 1,0 и 2,5 соответственно. Та­ким образом измеряют значения мощностей от единиц ватт до сотен ки­ловатт.

На более высоких частотах используют прямопоказывающий ватт­метр (рис. 11.7), в приемном преобразователе которого помещен по­глощающий резистор R_H с сопротивлением 75 Ом, рассчитанный на включение в коаксиальную линию с помощью коаксиального входа 1. Резистор заключен в экран 2 специальной формы, улучшающий усло­вия согласования ваттметра с линией передачи. В качестве измери­тельного узла используется диодный пиковый вольтметр 3, отсчетное устройство которого градуировано в единицах мощности. Для расши­рения пределов измерения пиковый вольтметр подключается к части резистора. Погрешность измере­ния таким ваттметром состав­ляет 15—20%. Ваттметр изме­ряет среднюю мощность, поэто­му при импульсных сигналах мощность определяется в соот­ветствии с формулой (2).

Ваттметры подгруппы М2.

В ваттметрах проходящей мощности в качестве первичного преобразователя используется устройство, позволяющее ответвлять от основного тракта передачи очень небольшую долю энергии. Отведенная часть энергии подается на вторичный преобразователь, откуда сигнал измерительной информации подается на функциональный преобразователь и, далее, на показывающее устройство.

Стр 113

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: