Калориметрический метод измерения мощности

Калориметрический метод измерения мощности колебаний СВЧ отличается высокой точностью. Метод является универсальным и используется для измерения мощности от единиц милливатт до сотен киловатт во всем радиотехническом диапазоне частот. Сущность метода состоит в определении количества тепла, которое выделяется при рассеивании электромагнитной энергии согласованной нагрузкой, которая является составной частью калориметра. В качестве нагреваемого рабочего тела калориметра обычно используется вода. Вода может либо охлаждать нагрузочный резистор, либо сама являться нагрузкой. На СВЧ даже дистиллированная вода имеет угол потерь примерно 0,1. На частотах ниже 1 ГГц для увеличения поглощения, т. е. увеличения потерь, в воду добавляют примеси (хлористый натрий, глицерин). В измерителях мощности обычно используются поточные калориметры, в которых мерой мощности колебаний СВЧ является разность температур непрерывно текущей жидкости на входе и выходе устройства.

Поточные калориметры бывают открытые, в которых водопроводная вода используется один раз, и замкнутые, в которых жидкость непрерывно циркулирует в замкнутом контуре под действием насоса и охлаждается в радиаторе. Мощность колебаний СВЧ, поглощаемых в нагрузке с проточной водой, определяется по разности температур на входе () и на выходе () калориметра.

Для определения мощности пользуются формулой Р, где с – теплоемкость жидкости (для воды с = 1); v – расход воды (объем воды, протекающей через нагрузку, ); – разность температур и на входе и выходе калориметра.

Если измерять расход воды v в литрах в минуту и полагать его постоянным, то рассеиваемая мощность СВЧ оказывается пропорциональной разности температур: , где = 69,5 Вт/°С.

Рис. 7.12. Калориметрический метод измерения мощности

Схема ваттметра калориметрического типа показана на рис. 7.12. Замкнутая водяная система состоит из охлаждаемого радиатора, насоса, водяной нагрузки и соединительных трубопроводов. Вентилятор радиатора и водяной насос приводятся в действие электродвигателями (М). Водяная нагрузка состоит из волноводной камеры с закрепленным внутри стеклянным конусом, заполненным водой. Вода протекает по замкнутому контуру с определенной скоростью. Форма конуса выбирается из условий полного поглощения энергии водяной нагрузкой. Конструктивно волноводная камера и водяная нагрузка выполняются в виде отдельного блока, называемого насадкой. Насадка к исследуемому генератору присоединяется с помощью волноводного перехода. Обычно приборы комплектуются набором волноводных переходов.

Разность температур на входе и выходе водяной нагрузки измеряется с помощью термопреобразователя (ЕК1). Термопары, входящие в его состав, включены так, что развиваемые в них ЭДС направлены навстречу. Измерительный прибор РА2 проградуирован в единицах мощности. Однако его показания зависят от скорости протекания воды. Для калибровки мощности в выходном трубопроводе водяной нагрузки помещают спираль R1, на которую поступает энергия от сети переменного тока. Величина этой энергии регулируется с помощью автотрансформаторов T1 (плавно) и Т2 (ступенчато). Мощность, рассеиваемая на спирали R1, измеряется с помощью термопреобразователя В1 и измерительного прибора РА1. При установленном расходе воды с помощью прибора РА1 измеряется мощность калибровки. Затем переменным резистором R3 устанавливается такое же показание прибора РА2. После окончания процесса калибровки на вход насадки подаются колебания СВЧ и определяют их мощность по показанию РА2. Калибровка справедлива при постоянной скорости протекания воды. В замкнутых водяных системах она поддерживается с высокой точностью. Преимущество рассмотренного метода в том, что не требуется измерять расход воды.

Приборы, работающие по рассмотренной схеме, позволяют измерить среднюю мощность как гармонических (с постоянной амплитудой), так и импульсно-модулированных колебаний. Диапазон измеряемых мощностей обычно простирается от нескольких ватт до нескольких киловатт. Пределы измеряемой мощности устанавливаются с помощью переключателя S2.

Систематические погрешности рассмотренного метода измерения мощности определяются неполным согласованием нагрузки с линией передачи энергии от генератора к насадке, утечкой энергии СВЧ, несовершенством термоизоляции установки. Другими составляющими полной погрешности являются погрешности из-за непостоянства расхода воды и колебаний ее температуры на входе нагрузки, погрешность измерения замещающей мощности колебаний низкой частоты, погрешности вследствие неэквивалентности тепловых преобразований колебаний низкой частоты и СВЧ. Общая погрешность измерения калориметрическим методом составляет обычно 5 – 7 %. В образцовых приборах она снижена до 1 %.