Таблица 2.5

В некоторых зарубежных моделях приборов калориметрические нагрузки выполняют в виде угольного полого конуса, а температуру его нагрева индицируют с помощью термистора. Для возможности калибровки калориметрической нагрузки и работы ее в схеме замещения используют подогревную обмотку.

Опорная нагрузка

Источник тока

Счетчик Времени

Мощность

Устройство управления

Сеть .

Энергия

Рис. 2.64. Функциональная схема ваттметра МКЗ-18А.

Преобразователи приборов Л1КЗ-18А и МЗ-24 содержат две идентичные конусные калориметрические нагрузки, расположенные в гнездах пассивного термостата. Одна из нагрузок является рабочей, вторая - опорной. На подогревные обмотки обеих нагрузок (рис. 2.64), включенных между собой последовательно, подается опорный ток от стабилизированного источника тока. Терморезисторы конусных нагрузок включают в схему самобалансирующегося моста, питающегося от генератора звуковой частоты. Под действием опорного тока калориметрические нагрузки нагреваются до стационарной температуры.

При попадании света на рабочий калориметр дополнительно нагревается медный конус и соответственно терморезистор, намотанный на нем. Баланс моста нарушается. Сигнал разбаланса усиливает-

ся и подается на фазовый детектор. Постоянный ток с выхода фазового детектора поступает на подогревную обмотку рабочей нагрузки таким образом, чтобы мощность подогрева на ней уменьшилась и температура осталась равной стационарной. Уменьшение мощности подогрева на величину

Рвам = (2/о - А/) MR

равно мощности света, поглощенного в рабочей калориметрической нагрузке. Измеряемая мощость отсчитывается по индикатору, измеряющему ток А/. Если ток Д/ значительно меньше опорного тока /о, то шкала отсчетного прибора близка к линейной.

Рис. 2.65. Общий ввд ваттметра МКЗ-18А.

Измерительный блок ваттметров MK3-I8A и МЗ-24 позволяет измерять энергию одиночных импульсов [93]. В режиме измерения энергии одиночных импульсов принцип работы прибора основан на измерении времени отключения подогревной обмотки рабочего калориметра после воздействия импульса оптического излучения. Время отключения - до восстановления стационарной температуры - пропорционально энергии импульса. Цифровой счетчик времени отключения калориметрической нагрузки откалиброван в единицах энергии.

Основные характеристики ваттметра МКЗ-18А, общий вид которого приведен на рис. 2.65, следующие:

- диапазон длин волн 0,4-3,5 мкм;

-индикация средней мощности по стрелочному прибору;

- номиналы шкал 0,1; 0,3; 1,0; 3,0; 10 мВт;

- 1аксимальная погрешность измерения мощности не более ±10%;

- индикация энергии одиночных импульсов - цифровая; - - пределы измерения энергии импульсов 1-300 мДж;

- погрешность измерения энергии одиночных импульсов - не более ±10% для уровней энергии свыше 3 мДж и не более ±20% для уровней ниже 3 мДж.

2.8. ОСОБЕННОСТИ ВАТТМЕТРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Тенденция комплексного исследования сигналов СВЧ привела к созданию автоматических измерительных систем, которые в большинстве случаев имеют дистанционное управление.

Ваттметры, встроенные в автоматические системы, как правило, должны иметь выход на самописец или цифропечатающее устройство, содержать узлы автоматического выбора пределов измерений, автоматической установки нуля и узлы, позволяющие управлять прибором дистанционно. Кроме этого, такие приборы должны обладать малым временем реакции на изменение уровня мощности, т. е. малым временем установления показаний. Время установления показаний в термисторных самобалансирующихся ваттметрах определяется в основном инерционностью следящей системы баланса моста и инерционностью выходного индикатора (при достаточном коэффициенте усиления следящей системы тепловой постоянной термистора можно пренебречь).

Термисторные ваттметры МЗ-22 и М4-1 обладают сравнительно большой постоянной времени следящей системы баланса моста из-за примененных в управляемых источниках питания рабочего и опорного мостов гальванометрических индукционных преобразователей и фотоусилителей. Измеренная на клеммах выход на самописец постоянная времени достигает 100 мс и более.

Существенно уменьшают постоянную времени следящей систему применяя в самобалансирующихся системах полупроводниковые элементы и интегральные схемы. Чтобы постоянная времени установления показаний ваттметра несущественно отличалось от электрической постоянной следящей системы, необходимо применять малоинерционные выходные индикаторы, например цифровые. 4

Как уже отмечалось, цифровую индикацию в термисторных ваттметрах осуществляют применяя питание мостовой схемы импульсным напряжением или используя аналого-цифровые преобразователи. Рассмотрим структурную схему ваттметра с цифровой индикацией, в отсчетном устройстве которого использован аналого-цифровой преобразователь (рис. 2.66). Схема включает в себя два идентичных равноплечих моста, в один из которых включен рабочий термистор, а в другой - опорный. Оба моста питаются от самостоятельных источников постоянного тока, автоматически поддерживающих мосты в состоянии баланса. Если рабочий и опорный термисторы идентичны, то при начальном балансе мостов (мощность СВЧ не поступает) питающие напряжения будут равны, т. е. (/ д = f/раб- Это равенство нарушится, как только на рабочий термистор будет подана мощность СВЧ.

В этом случае Рсвч эам = (оп-/р1б)/4?< или

Рсвч (f/on + tpae) {Von-U;.t)mt, (2.62)

где (/раб - напряжение питания рабочего моста при подведенной к термистору СВЧ мощности.

Структурная схема прибора обеспечивает операцию определения замещающей мощности в соответствии с выражением (2.62). Для этого

сигналы - (/раб И U + Upa6 ПОДВОДЯТ К двум самостоятель-ным преобразователям, управляемым генератором меандра 5 кГц. На выходе первого преобразователя сигнал имеет вид меандра, амплитуда которого пропорциональна Ua - (/раб. на выходе второго - прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, ширина которых пропорциональна + (/раб. Полученные сигналы поступают на электронный ключ, который выполняет операцию умножения

Амплитуда импульса пропорциоиальна Upn-UpaB

гООмкс

Автоматически управляемый источник питания

1 Uo

Автомата чески управляемый источник питания

Преобразователь

200 мкс -

Электронный ключ

Генератор меандра 5 кГц

Преобразователь

гООмкс

Отсчетное устройство

Фильтр нижних частот

установка нуля

Автоматическая длительность импульса гппплип пропорциональна UgUupab

Выход на самописец

Рис. 2.66. Структурная схема термисторного ваттметра с преобразованием замещающей мощности в эквивалентные прямоугольные импульсы.

(оп + раб) (fon - раб) И выдает результат в виде постоянного напряжения или тока. В результате среднее значение тока на входе отсчетного устройства оказывается пропорциональным замещающей мощности. Отсчетное устройство состоит из аналого-цифрового преобразователя и цифрового индикатора. Ваттметр, выполненный согласно структурной схеме, обеспечивает сравнительно небольшое время установления показаний,-150 мс (постоянная времени -30-35 мс).

В термоэлектрических ваттметрах на уровни мощности до 10 мВт электрическая постоянная времени измерительного блока определяется в основном реакцией усилителя постоянного тока и, чем ниже уровень измеряемой мощности, тем она больше, так как для уменьшения погрешности из-за шума полосу УПТ сужают на нижних пределах измерения. При этом электрическая постоянная времени измерительного блока достигает нескольких секунд. На верхнем пределе измерений при малом коэффициенте усиления УПТ она уменьшается до единиц миллисекунд. В связи с этим приходится ограничивать нижний предел измеряемых мощностей термоэлектрических ваттметров в случае их использования в автоматизированных системах. Следует отметить, что для повышения быстродействия термоэлектрический ваттметр можно выполнить по схеме замещения.

Глава 3

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОХОДЯЩЕЙ МОЩНОСТИ

Под проходящей понимают мощность, рассеиваемую в нагрузке линии передачи.

Известно, что при идеально согласованной нагрузке (Гн = 0) в линии передачи отсутствует отраженная волна и мощность, проходящая в нагрузку, равна падающей: Рро = Рпад.

В реальных случаях Г о и проходящая мощность всегда меньше падающей и равна

прох - Рпад Ротр = Рпад i\ ~ (3-1)

Приемные преобразователи ваттметров проходящей мощности включают в линию передачи между генератором и нагрузкой, и, как правило, они потребляют незначительную часть мощности, распространяющейся вдоль линии передачи; их чувствительные элементы реагируют на напряженность электромагнитного поля или плотность потока мощности в тракте.

Чувствительные элементы приемных преобразователей должны быть слабо связаны с полем СВЧ, чтобы они не искажали заметно поле и не снижали выходной мощности устройства. Идеальный измеритель проходящей мощности должен иметь = Г = 0.

В зависимости от типа применяемых преобразователей и вида связи, существующей между выходным параметром приемного преобразователя и проходящей мощностью, различают следующие методы измерений: поглощающей стенки; зондовый; пондеромоторныи и метод, основанный на использовании эффекта Холла.

Проходящую мощность можно измерять также с помощью ваттметров поглощаемой мощности в сочетании с направленными ответ-вителями.

В ряде случаев при малых или известных значениях коэффициента отражения нагрузки Гн измерение проходящей мощности можно заменить измерением падающей мощности с введением поправок к результату измерения или без них. Рассмотрим более подробно каждый г из методов. *

3.1. МЕТОД ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СТЕНКИ

Метод основан на измерении мощности, рассеиваемой в термочувствительном резистивном элементе, который представляет собой участок линии передачи с потерями, с последующим определением проходящей мощности по формуле

прох = КР потр (3-2)

где К - коэффициент, обратно пропорциональный коэффициенту связи; Рпотр - мощность СВЧ, рассеянная в термочувствительном резистивном элементе.

Сопротивление термочувствительного элемента на СВЧ обычно значительно меньше активной составляющей сопротивления нагрузки.

3 простейшей конструкции ваттметра проходящей мощности, основанного на данном методе, часть боковой стенки волновода заменена термочувствительным элементом (энтракометром) в виде поглощающей пленки из платины (рис. 3.1).

При поглощении СВЧ мощности пленка нагревается и изменяет свое сопротивление. Подобно болометру, энтракометр включают в схему моста и таким образом обеспечивают индикацию поглощаемой в энт-

?ис. 3.1. Э тра1КОметр.

ракометре мощности. Предполагают, что нагрев пленки мощностью СВЧ-и замещающей мощностью одинаков и перепад температуры по толщине пленки практическиотсутствует. Для температурной компенсации аналогичную пленку помещают на внешней стороне волновода. Во избежание прямого излучения толщину пленки энтракометра следует делать значительно больше толщины скин-слоя или применять специальную экранировку.

Ваттметры с обычными энтракометрами позволяют измерять малые и средние уровни мощности. Для измерения больших уровней \ применяют энтракометры, у которых наружная поверхность охлаждается проточной жидкостью, что позволяет повысить уровень измеряемой мощности до предельного для данного волновода. Мощность, рассеянную в энтракометре, определяют по перепаду температур и расходу жидкости. У таких ваттметров может быть применена калибровка на постоянном токе или переменном токе низкойчастоты. Ваттметры, основанные на методе поглощающей стенки, обладают значительной инерционностью.

3.1.1. Погрешность рассогласования

Особенностью ваттметров с поглощающей стенкой является зависимость показаний от соотношения амплитуд падающей и отраженной волн и их фаз. Погрешность, обусловленную рассогласованием, в общем виде можно записать как (см. приложение 1)

1 -I-1 Г 1 -!-2 f Гн I cos [2v/-V ixi +х,)-ф] V(>2->ri)

расе

1-Гн

(3.3)