|
Главная -> Понятия метрологии 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 [86] 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 сопротивление по отношению к экрану. При выполнении этих условий увеличение температуры экрана приведет к нагреванию обоих калориметров с одинаковой скоростью, так что их температуры останутся одинаковыми и показания ваттметра не изменятся. Равенство постоянных времени калориметров позволяет сушественно уменьшать и время установления показаний, сделав его немного меньше тепловых постоянных времени калориметров. Равенство мощностей P = Pq поддерживается даже в неустановившемся тепловом режиме калориметров, поскольку скорость нарастания температур для обоих калориметров одинакова. На основе статических калориметров промышленность выпускает ваттметры средней мощности с пределами измерений 10 мВт... 100 Вт и основной погрешностью 4... 10 %. 12.3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД Этот метод основан на измерении термоЭДС термопар, горячий спай которых разогревается рассеиваемой мощностью СВЧ. В термоэлектрических ваттметрах применяют специальные термопары высокой чувствительности. Термопары. Для измерений мощности применяют как полупроводниковые термопары, так и термопары из разных металлов. Обычно ветви термопары выполняют в виде пленок, напыленных на плоской диэлектрической подложке / или отрезке стекловолокна диаметром 20...40 мкм (рис. 12.9, а). Ветви термопары 2 и 4 иногда соединяют с помощью резистивного слоя 3, который в основном определяет общее сопротивление термопары. Измеряемая мощность рассеивается преимущественно в резистивной слое, поэтому температура горячего спая резко возрастает и увеличивается чувствительность термопары. Термопары помещают в термоэлектрический приемный преобразователь, к которому непосредственно подводят СВЧ мощность. Конструкция преобразователя обеспечивает хорошее согласование нагрузки с линией передачи и возможность измерений термоЭДС. г 2 J 4 4 8 12 W Р. мВт Рис. 12.10 с ростом частоты коэффициент эффективности приемных преобразователей с термопарами уменьшается из-за возрастающих потерь в элементах конструкции. Иногда потери компенсируют увеличением температуры горячего спая термопары с ростом частоты. Для этого поверх ветвей пленочной термопары наносят слой металла 5 (рис. 12.9, б), изолированный от ветвей диэлектрической пленкой 6. С ростом частоты проводимость емкости между слоями металла и ветвями термопары возрастает и слой металла в большей мере шунтирует ветви термопары. Это вызывает увеличение температуры горячего спая и возрастание термоЭДС. Термопарам свойственна значительная нелинейность амплитудной характеристики, резко возрастающей с увеличением мощности. Так, для термоэлектрического преобразователя М5-51 нелинейность у начинает заметно проявляться, начиная с мощности 10 мВт (рис. 12.10). Для устранения этого явления ограничивают максимальную мощность, в микропроцессорных ваттметрах можно вводить поправку на нелинейность. Для термоэлектрических приемных преобразователей сильно выражена частотная зависимость эффективности и КСВ, что обусловлено влиянием реактивных элементов; индуктивности термопар, емкостей контактной системы и неоднородностей, возникающих при включении термопар в линию передачи. Эти погрешности также имеют систематический характер и могут быть учтены. Постоянная времени пленочных тер.мопар составляет десятки миллисекунд, а чувствительность - порядка одного милливольта на милливатт. Термоэлектрические ваттметры. Термоэлектрические ваттметры состоят из приемного преобразователя, высокочувствительного усилителя постоянного тока (УПТ) и вольтметра постоянного напряжения. При малых входных мощностях напряжение термоЭДС может составлять единицы нановольт, так что коэффициент усиления приходится выбирать большим. Такие усилители обычно строят по схеме с модуляцией и демодуляцией (МДМ) подобно усилителям микровольтметров постоянного напряжения. Для уменьшения влияния шумов термопар и входных цепей УПТ сигнал фильтруют фильтрами нижних частот с регулируемой полосой пропускания. Наименьшую полосу, составляющую доли герца, устанавливают при работе на самой чувствительной шкале. Выходное напряжение УПТ измеряют с помощью цифрового вольтметра, который строят, например, по схеме с двойным интегрированием. Выпускаемые промышленностью термоэлектрические ваттметры поглощаемой мощности предназначены для измерений малых мощностей, начиная от 1 мкВт с основной погрешностью 4... 15 % в конце диапазонов измерений. Время установления таких Рис. 12.12 приборов определяется главным образом постоянной времени ФНЧ и составляет единицы секунд. Существуют возможности значительного повышения точности ваттметров путем внесения поправок с помощью встроенной микропроцессорной системы. Термоэлектрические ваттметры проходящей мощности. Проходящую мощность измеряют с помощью полупроводниковых термопар в виде стержня (рис. 12.11). Ветви J и 3 термопары, разделенные изолирующей прокладкой 4, выполняют из полупроводниковых материалов с проводимостью разного типа. Термопару располагают в отверстии широкой стенки прямоугольного волновода так, что нижняя торцевая поверхность с горячим спаем 2 расположена заподлицо с внутренней поверхностью волновода. ТермоЭДС снимают с выводов 6, соединенных с медными удлинителями 5. Нагрев горячего спая токами СВЧ приводит к появлению термоЭДС, по которой измеряют проходящую мощность. Термопары рассмотренного типа имеют чувствительность около 160 мВ/град, поэтому термоЭДС измеряют непосредственно с помощью магнитоэлектрических приборов без промежуточного усиления. Погрешности. Простейший ваттметр проходящей мощности можно построить, разместив термопару на произвольном расстоянии / от нагрузки. Как известно, квадрат амплитуды напряжения в произвольной точке линии передачи t/=()n+t/o + + 2t/nt/oCosO = (y„2(l+p„42p„cosO), где U„ н U о амплитуда падающей и отраженной волн; Ф=-2р/ + (р„. Подобным же образом изменяются и составляющие поверхностных токов в линии передачи, а следовательно, и термоЭДС Et = KU (рис. 12.12), где К - коэффициент, зависящий от свойств термопары и ее связи с линией передачи. Значения Ет сильно зависят от положения термопары. Максимальное значение сгмакс = /Ct/n(I+рн), а минимальное значение £7 мин = /((/„(!-р„). Уровень, соответствующий 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 [86] 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 0.02 |
|