Измерительное устройство представляет собой в общем случае мостовую схему, усилитель, механическую систему и т.п. Основные требования к нему - это постоянство коэффициента преобразования, малая инерционность.
7.1. Методы и средства измерения поглощаемой
СВЧ-мощности
7.1.1. Тепловые методы (общие сведения)
Тепловые методы являются наиболее распространёнными при измерении поглощаемой мощности. Они основаны на преобразовании СВЧ энергии в тепловую и измерении возникающего при этом теплового эффекта в рабочем теле измерительного преобразователя.
Рабочее тело - это совокупность элементов, преобразующих в теплоту СВЧ-мощность. В основе метода лежит реализация уравнения
Р = Qt/t = CtΔθ/t,
где: Qt - количество теплоты; Сt – теплоёмкость рабочего тела; Δθ - приращение температуры рабочего тела; t - время. Это выражение справедливо для идеального случая, когда вся энергия идёт на повышение температуры рабочего тела.
7.1.2. Калориметрический метод
Калориметрические методы в зависимости от способа измерения выделенной мощности делятся на две группы: приборы с переменной и приборы с постоянной температурой рабочего тела.
Режим работы калориметрических ваттметров переменной температуры описывается следующим уравнением
P = Ctdθ/dt + Δθ/Rтепл.,
где: Р - мощность, рассеиваемая в рабочем теле; dθ/dt - скорость изменения температуры рабочего тела; Δθ - разность температур рабочего тела и окружающей среды; Rтепл- тепловое сопротивление пространства между рабочим телом и окружающей средой.
Из уравнения теплового равновесия следует
P = Δθ/Rтепл{1-exp(-t/CtRтепл)}.
Отсюда по разности температур Δθ можно вычислить мощность. Возможны два режима работы калориметра: если Rтепл→ ∞, тогда уравнение примет вид
P = Ctdθ/dt.
Чем меньше Rтепл, тем меньше разогрев рабочего тела, меньше время установления режима теплового равновесия. К ваттметрам с переменной температурой относятся статические и проточные калориметры.
В проточных калориметрах используется жидкость, переносящая тепло от рабочего тела во внешнюю среду.
Структурная схема проточного калориметрического ваттметра показана на рис. 7.4.
Вся теплота переносится жидкостью. Если расход жидкости постоянный (q=const), тогда мощность определяется по выражению
,
где: Суд - удельная теплоёмкость воды; q-расход воды; Δθ=θ2- θ1 - разность температур на входе и выходе преобразователя; ρ - плотность воды.
 |
θ1
 |
|||||||||||
 |
|||||||||||
 |
 |
 |
|||||||||
 |
|||||||||||
|
Р
 |
|||
|
|||
θ2
 |
Рис. 7.4. Структурная схема калориметрического ваттметра
В качестве измерителей температуры используются терморезисторы и термопары.
Для измерения малых расходов и повышения чувствительности применяют батареи термопар, включённые дифференциально по входу и выходу калориметра (рис. 7.5)
Вход воды
Р
Выход
воды
 |
Рис. 7.5. Схема включения термобатарей
в калориметр ваттметра
. Выходной сигнал термопар после усиления усилителем У поступает в отсчётное устройство ОУ
Измерительный преобразователь калориметра показан на рис. 7.6, где в качестве рабочего тела используется вода, а мощность поступает в преобразователь через радиопрозрачную перегородку (1).
 |
Рсвч
Т2
 |
1
Т1
Рис. 7.6. Измерительный преобразователь калориметра
Основные источники погрешностей калориметрических ваттметров: погрешность рассогласования; нестабильность расхода, жидкости; погрешность электронного преобразователя. Суммарная погрешность составляет 10 - 15 %.
Погрешность калориметрических ваттметров может быть снижена путём калибровки преобразователей по известной мощности низкой частоты или постоянного тока.
Структурная схема серийного калориметрического ваттметра типа М3-48 с периодической калибровкой показана на рис. 7.7. В приборе используется эффект замещения высокочастотной мощности мощностью низкой частоты или постоянного тока, вызывающей эквивалентное приращение температуры рабочего тела.
 |
Рис. 7.7 Схема калориметрического ваттметра
На структурной схеме ИП1 и ИП2, соответственно, рабочий и эквивалентный преобразователи; Нагр.1 и Нагр.2 – рабочая и эквивалентная нагрузки; калибратор мощности с индикатором; расходомер, радиатор и насос - система подачи, охлаждения и регулировки охлаждающей жидкости (рабочего тела).
При равенстве приращения температур в обоих каналах мощность постоянного тока эквивалентна измеряемой мощности. Таким образом, значение замещаемой мощности постоянного тока равно значению измеряемой высокочастотной мощности.
Погрешности метода замещения определяется: погрешностью рассогласования, неэквивалентностью каналов высокой и низкой частоты (неадекватностью воздействия Рсвч и Рнч), разрешающей способностью “ноль” – индикатора, погрешностью измерения мощности низкой частоты. Суммарная погрешность метода 2…3 %. Время измерения - 3…5 мин., что связано с тепловой инерционностью элементов схемы.
7.1.3. Болометрический метод измерения мощности
Болометрический метод положен в основу болометрических и термисторных мостов. Принцип работы основан на зависимости сопротивления термочувствительного элемента (болометра, термистора) от выделенного в них тепла под действием СВЧ мощности.
Термисторы представляют собой полупроводниковое термосопротивление в виде бусинки, диаметром 0,3…0,9 мм (рис. 7.8, а) или в виде цилиндра диаметром 0,2…0,3 мм и длиной 1…1,5 мм (рис. 7.8, б). Первичные преобразователи болометрических и термисторных ваттметров представляют собой отрезок СВЧ-тракта (коаксиального или волноводного), в котором установлен термодатчик.
2 2
1 3
1 3
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.