Методы и средства измерения мощности: Учебное пособие, страница 7

 

а                                                          б

Рис. 7.8. Конструкция термисторов:

 а - бусинковый, б - цилиндрический; 1,3 - выводы; 2 - рабочее тело

Зависимость сопротивления термистора от температуры имеет вид:

R_θ=A exp(B/θ),

где: А, В - постоянные коэффициенты, зависящие от свойств полупроводника; θ - абсолютная температура. Чувствительными элементами термисторов являются полупроводниковые элементы. Наибольшее применение нашли термисторы типов: СТ3-18, СТ3-29, СТ3-32.

Болометрические чувствительные элементы представляют собой тонкую платиновую проволоку диаметром 1 мкм и длиной 0,8…1,2 мм или тонкую плёнку из платины. Чувствительные элементы болометров так же защищены от влияния окружающей среды, как и термисторы. Зависимость сопротивления болометра имеет вид:

R_θ=R₀(1+αθ),

где: R₀ - сопротивление термистора при температуре окружающей среды; θ - превышение температуры болометра относительно температуры окружающей среды; α - температурный коэффициент сопротивления болометра.

Термисторы и болометры имеют малую мощность рассеяния и поэтому применяются для  измерения малых значений мощности ( до 10 мВт).

Согласование сопротивлений термисторов и болометров достигается выбором размеров и формы согласующей камеры, внутри которой помещается термочувствительный элемент.

Форма и размеры камеры выбираются такими, чтобы термистор (болометр), рассеивал наибольшую падающую на него СВЧ-мощность. Рабочее сопротивление коаксиальных преобразователей составляет: 50, 75, 100 Ом.

Волноводные термисторные преобразователи представляют собой отрезки волновода с включёнными на его конце термодатчиками.

Упрощенная конструкция волноводного преобразователя показана на рис. 7.9.

                                                            Термисторная головка

 

                                                                                     Термистор

   Рсвч      

 

                   Рис. 7.9. Волноводный термисторный преобразователь

7.1.4. Измерительные схемы термисторных ваттметров

Наибольшее распространение получила мостовая схема, в одно из плеч которой включён термоэлемент (рис. 7.10). Мостовая схема может работать в двух режимах: режим постоянного тока и режим постоянной температуры.

Режим постоянного тока соответствует неравновесному режиму работы мостовой схемы.

Измерение производится в следующем порядке: до подачи измеряемой мощности, при Рсвч = 0 мост балансируется изменением тока питания; при этом добиваются нулевых показаний индикатора И. При этом

R_θ·R₂=R₁·R₃.

 После подачи мощности сопротивление термистора Rθ изменяется, мост разбалансируется и показания индикатора И будут пропорциональны измеряемой мощности. При этом методе нарушается согласование преобразователя с линией связи, что приводит к дополнительной погрешности.

Режим постоянной температуры соответствует равновесному режиму работы мостовой схемы. Этот метод носит так же название “метод замещения”.

Сущность метода заключается в том, что до подачи мощности Рсвч мост балансируют изменением тока питания, изменяя сопротивление резистора R. При этом, мощность, выделенная на терморезисторе R_θ при балансировке, равна

 

           Pсвч

                                                 R_θ                  R₁

 

                                                               И

 

                                               R₃                     R₂

 

                                                                                           R            Е

Рис. 7,10. Термисторный измерительный мост

После подачи мощности на терморезисторе выделяется мощность Р₂=Р₌+ Рсвч. Повторная балансировка производится путём изменения тока питания мостовой схемы. Балансировка возможна при условии Р₁ = Р₂, т.е. при ; где:мощность, выделяемая на термосопротивлении от источника постоянного тока.

тогда измеряемая мощность равна

В этом методе измеряемая мощность замещается мощностью постоянного тока (мощностью замещения). Источниками погрешности метода замещения являются: погрешность рассогласования, погрешность от неэквивалентности замены, погрешность измерения тока, нестабильность температуры окружающей среды.

7.1.5. Автоматические термисторные мосты

Процесс измерения мощности после начальной балансировки производитсяавтоматически. Схема автоматического измерительного моста показана на рис. 7.11

.

                                  R₁                   R₂

 

        P

                           R_q

                                                R₃

 

                                                                                               U

 

Рис. 7.11. Структурная схема автобалансного термисторного моста

Мост состоит из резисторов: R₁, R₂, R₃ и терморезистора R_θ. При начальной балансировке напряжение на выходе усилителя равно U₁. При подаче мощности производится автоматическая балансировка путём уменьшения выходного напряжения до значения U₂. При этом значение измеряемой мощности Р равно:

7.1.6. Термоэлектрический метод измерения мощности

Принцип действия термоэлектрических ваттметров основан на

преобразовании измеряемой мощности в тепловую с помощью выскочастотных термопреобразователей прямого или косвенного подогрева. На выходных зажимах термопар термо-ЭДС пропорциональна измеряемой мощности

P_вч = E/K_пр ,

где: Е – термо ЭДС термопар, мВ; Кпр - коэффициент термопреобразования, мВ/мВт.

Основным элементом, определяющим метрологические характеристики ваттметра, является измерительный преобразователь, который представляет собой коаксиальную или волноводную конструкцию, в которой установлены термопреобразователи.

Электрическая схема преобразователя показана на рис. 7.12.

 

                                Тп1                             В измерительную схему

                      С₁

       Рвч                                                 С₂

                

                              Тп2