8 Г,ГГЦ

Рис 248. Область изменения эффективности коа.ксиальных. преобразователей

М5-51 в диапазоне частот.

f2 f,rnf

Рис 249 Частотная зависимость эффективности волноводного преобразователя

М5-53

Рис. 2.50. Амплитудная характеристика (Ur.. д. с.Ч(Р)) .е нелинейность (а=ф(Р) ) для коаксиального преобразователя mo-oi.

струкции преобразователя, при выполнении которых рассмотренные нелинейности взаимно компенсируются в заданных интервалах мощностей и температур и при этом обеспечивается требуемая величина коэффициента преобразования.

На рис. 2.50 для примера приведены амплитудная характеристика и ее нелинейность преобразователя М5-51 с термопарами висмут-сурьма.

2.4.3. Измерительные блоки термоэлектрических ваттметров

Выходным сигналом термоэлектрических преобразователей является напряжение постоянного тока. Поэтому в качестве измерительного блока может служить микромилливольтметр постоянного тока с аналоговым или цифровым отсчетным устройством. Измеряемую

Калибратор

Рис. 2.51. Структурная схема ваттметра МЗ-21.

мощность определяют, зная показания микромилливольтметра U, коэффициент преобразования на переменном токе низкой частоты /Спрбнч и коэффициент эффективности преобразователя Кз-

Рсвч = и/Кпрбич Кэ- , (2.39)

Из выражения (2.39) следует, что при постоянстве коэффициентов Кпрб нч, Ка шкала микромилливольтметра может быть откалибрована в единицах мощности. Разброс Кпрб нч зависит от экземпляра преобразователя и в некоторой степени от температуры окружающей среды и достигает 30%. Поэтому в измерительном блоке ваттметра, (например МЗ-21) предусматривают специальный блок - калибратор, обеспечивающий самокалибровку прибора в целом (рис. 2.5J). Калибратор представляет собой стабилизированный генератор переменного тока с частотой 20-50 кГц. Так как коэффициент эффективности преобразователя зависит от частоты, то его определяют при калибровке на СВЧ. Учитывают соответствующей установкой чувствительности индикатора или введением поправок в результат измерения.

Измерительный блок ваттметра МЗ-21 обеспечивает надежное измерение сигнала на выходе преобразователя порядка нескольких микроватт. Усилительная часть прибора состоит из электронного ключа, преобразующего постоянное напряжение в переменное, усилителя низкой-частоты (УНЧ), фазового детектора, усилителя постоянного тока (УПТ) с отсчетным устройством на выходе. Работа электронного ключа и фазового детектора (демодулятора) синхронизируется с помощью опорного генератора.

в приборе предусмотрен калибратор (генератор мощности НЧ), с помощью которого ваттметр самокалнбруется перед началом работы и после смены преобразователя. Поскольку активное сопротивление термопар, являющихся нагрузкой калибратора, может изменяться на ±(10-30%) по сравнению с номинальным значением, то и калибровочная мощность будет изменяться на такую же величину, если выходное напряжение калибратора неизменно. Во избежание этого сигнал

Термоэлектрический р преобразователь Rj

К измерительном блоки

Рис. 2.52. Структурная схема калибровки термоэлектрического преобразователя.

С выхода калибратора подается на приемный преобразователь через резистор /? , сопротивление которого стабильно и равно номинальному значению сопротивления термопар на переменном токе низкой частоты (phc. 2.52) и выходное напряжение калибратора контролируется. Погрешность установки уровня калибровочной мощности,

-1,0 -2,0

Рис. 2. 53. Зависимость погрешности калибровки от соотношения Rt/Rth-

обусловленная отклонением сопротивления термопар R. от номинального значения R., при такой схеме калибровки составит

кал

ARt: Rt н J

100%.

(2.40)

Погрешность всегда имеет отрицательный знак и при отличии действительного значения сопротивления термопар на низкой частоте от номинального, например на ±20%, не превышает -1,2% (рис. 2.53). Погрешность измерительного блока, включая калибратор, существенно влияет на погрешность ваттметров в целом и редко составляет менее 1%.

Высокая точность установки калибровочного напряжения достигается в том случае, если калибровочный генератор выдает напряжение прямоугольной формы со скважностью 2, амплитуда которого задается высокостабильными опорными элементами и может быть проконтро-

лирована косвенно (измерением опорного напряжения постоянного тока).

Нижний уровень измеряемых мощностей для термоэлектрических ваттметров определяется, в основном, входным усилителем постоянного тока, а верхний - допустимой мощностью рассеяния дифференциальных термопар и их нелинейностью. Так, для прибора МЗ-21 динамический диапазон со-

кУНЧ

iKtom

ставляет 10 мкВт - 10 мВт.

К усилительной части измерительного блока предъявляют специфические требования: линейность усиления в динамическом диапазоне до 80 дБ, малые уровни шума и дрейфа при относительно малых сопротивлениях термопар (100-200 Ом), устойчивость работы при наличии на входе калибровочного сигнала переменного тока, на 50 дБ

превышающего сигнал приемного преобразователя. Для ваттметров, используемых в лабораторных условиях, в измерительных блоках применяют фотоусилители, усилители постоянного тока на вибропреобразователях и др. Чувствительность таких усилителей достигает

От опорного Ь генератора меандра

Рис. 2.54. Схема прерывателя.

Приемный преобразователь

\Электронный\ ключ

1>

Аналога -цифровой преобразователь

блок управления

Цифровое отсчетное устройство

Рис. 2.55. Структурная схема термоэлектричеокого ваттметра с цифровой индикацией.

сотых долей микровольта, что позволяет при кеэффициенте преобразования 1 мкВ/мкВт обеспечить измерение мощности начиная с нескольких сотых долей микроватта.

Для жестких условий эксплуатации наиболее пригодны усилители с электронными ключами - прерывателями (рис. 2.54) на входе. Работой прерывателя управляет опорный генератор на 10-50 кГц (блок управления).

Погрешность измерительного блока с отсчетным устройством в виде стрелочного прибора обычно составляет ±(2-3)%, а при цифровой индикации ± 0,5% и менее. Структурная схема термоэлектрического ваттметра с пифровой индикацией может иметь вид, показанный на рис. 2.55. Измерительный блок ваттметра представляет собой цифровой микровольтметр. Основными узлами измерительного блока 3* 67

являются усилитель постоянного тока с электронным ключом на входе и демодулятором на выходе (демодулятор на рисунке не выделен), аналого-цифровой преобразователь, цифровое отсчетное устройство и блок управления. При подведении к приемному преобразователю СВЧ мощности на его выходе образуется напряжение термо-э.д. с.

ТЭ.Д.С.1

которое после усиления поступает на аналого-цифровой преобразователь. Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя индицируется цифровым устройством. Блок управления автоматически переключает пределы измерения, управляет работой УПТ и других элементов измерительного блока. Цифровое устройство калибруют в единицах мощности.

2.4.4. Возможности и достоинства метода

Термоэлектрический метод использ}нот в диапазонах метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых длин волн. С его помощью измеряют мощности от десятков нановатт до единиц ватт при использовании аттенюаторов и направленных ответвителей.

Погрешность измерения СВЧ мощности при использовании этого метода определяется следующими основными составляющими:

- погрешностью измерительного блока б, включающей временной дрейф и погрешность отсчетного устройства (может быть сведена до ± (1-2)% и менее);

-- погрешностью определения коэффициента преобразования на переменном токе низкой частоты 62, зависящей от точности используемых-методов измерения действующего значения напряжения (при использовании вольтметра класса 0,5 погрешность составит ± (1-2)%; для схем со встроенным калибратором - погрешность гамокали-бровки);

- погрешностью, обусловленной нелинейностью термопары в динамическом диапазоне, 63 (обычно составляет ±(1-3)%);

- погрешностью определения коэффициента эффективности преобразователя ЬКв (при использовании калибраторов может принимать значение ± (1,5-5)%);

- погрешностью, обусловленной отражением мощности от входа преобразователя, 64 (см. стр. 27);

- погрешностью из-за рассогласования брас (см- стр. 27). Пользуясь выражением (2.15), можно показать, что расчетное

значение погрешности данного метода измерения мощности составит б = ± (2,5-10)% без учета погрешности рассогласования.

К достоинствам метода следует отнести: применимость в широком диапазоне частот; малое время установления показаний, что позволяет использовать метод в автоматизированных системах; малую зависимость результата измерений от температуры окружающей сррды; малое время подготовки к работе; технологическую возможность изготовления термопар на различные уровни мощности. <

Недостатками метода являются: ограниченный сверху динамический диапазон; невысокая устойчивость к перегрузкам, ограничивающая применение термоэлектрических преобразователей при измерении

средней мощности импульсно-модулированных колебаний. Пленочные нитевидные термопары, обладая малой тепловой инерционностью, уже при относительно небольшом значении энергии импульса перегорают. Так,например, термопары преобразователей М5-51 допускают подачу на них импульсной мощности: 10 Вт - при длительности импульсов 1 МКС, 4 Вт - при длительности импульсов 4 мкс, 2,5 Вт - при длительности импульсов 10 мкс и среднем значении мощности порядка 10 мВт.

Приведем краткие характеристики термоэлектрического ваттметра МЗ-21. Прибор предназначен для измерения мощности в коаксиальных и волноводных трактах. Он укомплектован одним коаксиаль-

Рис. 2.56. Общий вид ваттметра МЗ-21.

ным И пятью волноводными преобразователями на диапазон частот 0,1 - 37,5 ГГц (рис. 2.56). Пределы измерений - от 10 мкВт до 10 мВт, погрешность ± (10 + 100/Рв)%. где - показание прибора, мкВт.

Основные характеристики преобразователей, входящих в комплект прибора, приведены в табл. 2.4.

2.5. МЕТОД ВОЛЬТМЕТРА

Р = С08ф/7, (2.41)