стема обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения .

Время установления показаний. Эта характеристика особенно важна при использовании ваттметра в автоматических системах. Под временем установления показаний понимают время с момента подачи измеряемого сигнала на вход прибора до того момента, когда разность между показанием отсчетного устройства и установившимся значением окажется меньше нормированной. По ГОСТ 13605-75 нормируемая разность не должна превышать 1/2 основной погрешности. При экспоненциальном характере установления процесс считается установившимся спустя время, равное (5-6) т, где т - постоянцая времени.

Существует еще ряд параметров, характеризующих качество ваттметров: устойчивость к перегрузкам, степень экранировки, время безотказной работы, габаритные размеры, масса и др.

В целях обеспечения единства измерений мощности классификация, перечень параметров ваттметров и приемных преобразователей к ним, нормы на их основные технические характеристики, методы испытаний изложены в действующих стандартах [10-15].

1.2. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ВАТТМЕТРОВ

Основными узлами любого ваттметра являются приемный (первичный) измерительный преобразователь( или комплект преобразователей) и измерительный блок, включающий в себя измерительное и от-счетное устройства (рис. 1.4, 1.5).

Ревя

Приемный лреоВразоВатет

Измерительное устройство

Отсчетное устройство

Рис. 1.4. Структурная схема ваттметра поглощаемой мощностл.

Приемный преобразователь. В приемном преобразователе энергия электромагнитных СВЧ колебаний преобразуется в тепловую, механическую энергию или в электрический сигнал, доступный для дальнейшего преобразования и измерения низкочастотными устройствами.

В ваттметрах СВЧ применяют следующие виды преобразователей:

- тепловые-калориметрические (в том числе сухие калориметры), болометрические ( термисторные), термоэлектрические и др.;

- пондеромоторные;

- электронные - детекторные на вакуумных и полупроводниковых диодах, газоразрядные, на основе эффекта горячих носителей, эффекта Холла и др.;

- ферритовые, использующие эффект ферромагнитного резонанса.

Приемные преобразователи полностью определяют входное сопротивление ваттметра СВЧ и степень его согласования с волновым сопротивлением передающего тракта. При этом различают две группы 10

Передающий тракт с приемным преобразователем

К нагрузке

Приемный

К нагрузке

Рис. 1.5. Типовые структурные схемы ваттметров проходящей мощности.

согл -

-Рв II-

-ГгГвР

0-9)

сражения гене-

где Fj Гв - комплексные значения ъ

ратора и приемного преобразователя.

Из уравнения (1.9) следует, что для повышения точности измерения мощности коэффициенты отражения приемных преобразователей должны быть минимальными. В идеальном * случае Гц = 0.

Влияние неоднородностей, создаваемых чувствительными элементами приемных преобразователей ваттметров проходящего типа и нагрузкой, на точность измерений более подробно будет показано в гл. 3.

Кроме важнейших метрологических характеристик (коэффициента преобразования, или коэффициента эффективности, КСВ), приемные преобразователи характеризуются также предельной измеряемой мощностью (для болометрических и термисторных преобразователей - максимальным и минимальным значением мощности смещения*)).

Под мощностью смещения понимают мощность постоянного тока или переменного тока низкой частоты, подводимую к преобразователю, при которой сопротивление чувствительного элемента преобразователя (болометра или термистора) становится равным рабочему.

динамическим диапазоном, степенью линейности, устойчивостью к перегрузкам и т. д.

Измерительное устройство. Как правило, оно включает узлы и блоки, преобразующие выходной сигнал приемного преобразователя в сигнал, удобный для индикации и подачи на отсчетное устройство, калибратор (при необходимости) и другие вспомогательные узлы. В зависимости от типа приемного преобразователя измерительным устройством может служить самобалансирующийся мост или мост с ручной балансировкой ( для болометрических и термисторных ваттметров), усилитель постоянного или переменного тока, импульсный усилитель, механическая измерительная система и т. д.

Основные требования, предъявляемые к измерительному устройству:

- постоянство коэффициента передачи в рабочих условиях эксплуатации ( линейная амплитудная характеристика);

- малая инерционность;

- малая нестабильность показаний (в том числе дрейф нуля);

- удобное и (или) автоматизированное управление.

Отсчетное устройство индицирует мощность, рассеиваемую преобразователем, в аналоговой или цифровой форме. Обычно отсчетное устройство совмещают с измерительным.

1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ВАТТМЕТРОВ [101

В зависимости от целевого назначения и способа включения в передающий тракт различают две основные группы ваттметров:

- проходящей мощности (условное обозначение М2- ...*>),

- поглощаемой мощности (условное обозначение МЗ- ...). Кроме того их делят:

- по виду используемых первичных измерительных преобразователей на тепловые (калориметрические, термоэлектрические, тер-мисторные и болометрические), пондеромоторные, электронные (диодные, на эффекте Холла и др.), ферритовые и др.;

- по характеру измеряемой мощности на ваттметры среднего значения мощности непрерывных и (или) импульсно-модулированных сигналов, импульсной мощности (мощности в импульсе);

- по уровню средних значений измеряемых мощностей на ваттметры малой мощности (до 10 мВт), средней мощности (свыше 10 мВт до 10 Вт), большой мощности (свыше 10 Вт до 10 кВт);

- поточности на-классы 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0; 25,0;

- по типу СВЧ тракта на коаксиальные и волноводные.

ГОСТ 13605-75 допускает относить широкодиапазонные и многопредельные ваттметры к различным классам точности на различных участках диапазона частот и при различных пределах измерений.

Глава 2

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОГЛОЩАЕМОЙ МОЩНОСТИ

Измерение поглощаемой мощности является наиболее распространенным видом измерения СВЧ мощности. Приемные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности, являющиеся эквивалентом согласованной нагрузки, включают на конце передающей линии. В зависимости от вида применяемых преобразователей различают следующие методы измерений: тепловые (калориметрический, болометрический, термоэлектрический); метод вольтметра; метод с использованием частотно-избирательных ферритовых элементов.

2.1. ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Тепловые методы основаны на преобразовании энергии СВЧ в тепловую с последующим измерением приращения температуры рабочего тела, в котором происходит преобразование, или величины замещающей мощности низкой частоты или постоянного тока, вызывающей эквивалентное приращение температуры рабочего тела. В основе метода лежит уравнение

(2.1)

Каждому прибору основной группы в процессе его разработки присваивают очередной номер.

где - количество теплоты, Дж; с - теплоемкость рабочего тела, ДжАЗ; в - приращение температуры рабочего тела, °С; / - время, с.

Возможность калибровки тепловых приборов на постоянном токе способствует достижению высокой точности измерения СВЧ мощности. При конструировании тепловых приборов особое внимание обращают на время установления показаний, которое в основном определяется тепловой инерционностью элементов системы. Время установления теплового равновесия системы пропорционально произведению теплоемкости рабочего тела на тепловое сопротивление между ним и средой. Следовательно, уменьшать время установления показаний можно уменьшая оба влияющих фактора.

Уменьшать время установления показаний можно также применяя метод замещения. Метод замещения основан на допущении, что замещающая мощность и мощность СВЧ создают одинаковый тепловой эффект в рабочем теле. Перед измерением рабочее тело предварительно разогревают постоянным (переменным) током до определенного теплового состояния. После подачи СВЧ сигнала мощность постоянного (переменного) тока уменьшают на такую величину, чтобы тепловое состояние рабочего тела осталось неизменным. При этом приращение

мощности постоянного (переменного) тока, получившее название замещающей, принимают равным измеряемой мощности. Таким образом, при замещении суммарная мощность, подводимая к рабочему телу до начала измерений и при измерении, остается неизменной. Это обусловливает неизменность температуры рабочего тела, а следовательно, и исключает в первом приближении зависимость времени измерения от тепловых характеристик рабочего тела.

Метод замещения широко применяют в термисторных и калориметрических ваттметрах. Обычно процесс замещения автоматизирован.

2.2. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Применение калориметрического метода для измерения СВЧ мощности является частным случаем его использования в области физических исследований [1, 2]. Широкое применение этого метода оправдано простотой превращения энергии электрического тока в теплоту. Устройство калориметрических ваттметров СВЧ весьма разнообразно и определяется в основном уровнем мощности, диапазоном частот и требуемой точностью.

Все калориметры можно разделить на две большие группы. Это калориметры с переменной температурой, в которых мощность определяется по изменению 1емпературы рабочего тела калориметра, и калориметры с постоянной температурой. Тепловые процессы, происходящие в калориметре, в зависимости от оболочки калориметра могут носить адиабатический или изотермический характер. Для калориметрического тела с неидеальной изоляцией уравнение теплового равновесия имеет вид

р = Се de/dt + в ?, . (2.2)

где Р - мощность, рассеиваемая в рабочем теле; dWdt - скорость изменения температуры рабочего тела; в - разность температур рабочего тела и окружающей среды; /?тпл - тепловое сопротивление между рабочим телом и окружающей средой.

Общее решение уравнения (2.2) запишем как

0 = тпл Я [ 1 -ехр (- /?, Cf)].

(2.3)

где RrnnCt - тепловая постоянная времени калориметрической системы.

При идеальной теплоизоляции рабочего тела уравнение (2.2) упрощается:

Р = с de/dt. (2.4)

Решение уравнения (2.4) дает линейную зависимость температуры рабочего тела от времени ( рис. 2.1), если Р = const, с, = const.

При конечном, но достаточно большом значении теплового сопротивления скорость изменения температуры в начальный период практически такая же, как при /?тпл = о. а затем уменьшается и при tRinnCt стремится к нулю. При малых значениях Rj время

установления температуры уменьшается, йо~ одновременно уменьшается и степень разогрева рабочего тела.

На практике применяют устройства как с большим, так и с малым значением /?тпл- В первом случае величину измеряемой мощности определяют исходя из скорости изменения температуры рабочего тела de/dt в момент подачи мощности, а во втором - по разности температур в в установившемся режиме.

2.2.1. Калориметры с переменной температурой

К этой группе приборов относятся как статические, так и проточные калориметрические ваттметры. В статических приборах рабочее тело приемного преобразователя, где энергия СВЧ колебаний превращается в тепловую, неподвижно и в процессе измерения не изменяет формы и физических свойств.

Рис. 2.1. Зависимость темпера- Рис. 2.2. Зависимость тангенса угла ди-

туры рабочего тела от времени электрических потерь дистиллированной при различных значениях тепло- воды от частоты,

вого сопротивления.

В проточных калориметрах содержится жидкость, играющая роль переносчика тепла от рабочего тела во внешнюю среду. Если для этих целей используют дистиллированную воду ти растворы на ее основе, то в силу ее большой поглощающей способности на частотах свыше 500 МГц (tg6 > 0,01, рис. 2.2) она может одновременно выполнять роль объемного поглотителя мощности СВЧ в приемных преобразователях (калориметрических нагрузках) и является, таким образом, рабочим телом калориметра.

Рабочим телом для статических калориметров может служить как вода, так и твердые объемные и пленочные поглотители. В случае использования твердых материалов приборы называют сухими калориметрами. При высокой степени тепловой изоляции калориметрического тела величину измеряемой мощности определяют умножая известное значение теплоемкости рабочего тела на скорость изменения его температуры по формуле (2.4). В формулу подставляют значения тепло-