емкости в джоулях на градус Цельсия. Если теплоемкость выражена в калориях на градус Цельсия, то справедливо выражение

Рсьч = 4,18Cjorfe/d/. (2.5)

Рассмотрим простейшую модель статического калориметра с теплоизолированной нагрузкой (рис. 2.3) [3]. Прибор представляет собой сосуд Дьюара, наполненный водой. В сосуд помещен конец волновода,

закрытый наклонной стеклянной стенкой, отделенной теплоизолятором от источника СВЧ мощности. При подведении мощности РсЕч в течение времени / измеряют повышение температуры воды и в результате определяют скорость изменения ее температуры, т. е. d©/dt.

Рис. 2.3. Упрощенная конструкция статического калориметра:

/-сосуд Дьюара; 2 -термометр; 3 -водяная нагрузка; < -линия передачи; 5 -стеклянная стенка; 6 -лопаточки для перемешивания воды.

При малой тепловой изоляции в статических калориметрах измеряют приращение температуры рабочего тела в установившемся режиме, а измеряемую мощность рассчитывают по формуле

Рсвч = k,e, (2.6)

где - коэффициент, определяющий количество тепла, передаваемого окружающей среде в единицу времени при перепаде температур в Г С (Дж/с-град).

CBW

Приемный преобразователь

Измеритель расхода воды t

Регулятор расхода воды

, Вход

Рис. 2. 4. Структурная схема проточного калориметра.

Теоретический расчет коэффициента k- очень сложен, поэтому на практике его определяют экспериментально при калибровке статических калориметров с помощью образцовых приборов (например, проточных калориметров) или на постоянном токе.

В проточных калориметрах (рис. 2.4) процесс измерения СВЧ мощности сводится к измерению приращения температуры рабочего тела в установившемся режиме и расхода циркулирующей жидкости (в литературе проточные калориметры иногда называют циркуляционными). Приращение температуры жидкости определяют с помощью термометров, термопар, а ее регулируемый расход-расходомером.

Если принять, что вся СВЧ мощность полностью расходуется на разогрев воды, а удельная теплоемкость воды и ее расход постоянны,

то измеряемую мощность в установившемся режиме можно определить согласно выражению

Рсвч = с°уд <?Ав, (2.7)

где с,оуд - удельная теплоемкость воды, Дж/кг-°С; - расход воды, мУс; dp - плотность воды, кг/м; в - разность температур воды на входе и выходе приемного преобразователя, ° С.

В зависимости от диапазона частот и степени согласования с передающим трактом приемные преобразователи (калориметрические

выход охлаждающей жидкости

Вход охлаждаюией жидкости

Выход

--Р,

Выход - воды

Вход воды Вход воды

Вход воды

Рис. 2.5. Упрощенные кошптруиции калориметрических нагрузок: о) / - корпус, 2 -внутренний проводник, 3 - СЕЧ резистор, 4 - направляющая трубка; о) I - корпус; 2 - внутренний проводник; в) 7 - корпус; 2 - уплотнительный клин; г) I - корпус: 2 - уплотняющая стенка; д) I - корпус, 2 - стеклянная трубка.

нагрузки) проточных калориметров имеют различные конструкции (рис. 2.5, а, б для коаксиальных, рис. 2.5 в - д - для волноводных ваттметров). Приемный преобразователь коаксиального типа представляет либо пленочный резистор цилиндрического типа (рис. 2.5, а), заключенный в металлический экран экспоненциальной формы, омываемой водой или другой жидкостью (например, кремний-органической), либо объёмную нагрузку, у которой часть коаксиала заполнена жидкостью (рис. 2.5, б). Волноводные приемные преобразователи, как правило, представляют калориметрические согласованные нагрузки объемного типа.

Статические и прбточные калориметры..в £ассмогренном виде обладают существенными эксплуатационным 11едостатк4ми, и поэтому

vjol * 17

почти tie находят практического применения. Йх основные нeдocтat-ки: невысокая чувствительность; большое время измерений; отсутствие прямого отсчета; наличие неучитываемых потерь СВЧ мощности в системе и на излучение; неучитываемый нагрев жидкости из-за трения; неучитываемое изменение теплоемкости системы в процессе нагрева. Рассмотрим некоторые способы устранения этих недостатков.

Для непосредственного измерения малых разностей температур и повышения чувствительности в проточных калориметрах применяют батареи (блоки) дифференциальных термопар (рис. 2.6), выход которых непосредственно или через усилитель постоянного тока соединен с от-счетным устройством. Термопары соединяют последовательно так, что их холодные спаи омываются входным, а горячие - выходным потоком воды (жидкости). Число соединенных термопар может дости-

Константан

Рсвч

Приемный рреобразеВателл

Серебро t

- Выход Воды - -Вход Воды

\ Отсчетное устройство

Рис. 2.6. Включение блока термопар в проточном калориметре.

гать нескольких сотен. Чувствительность такого блока термопар может составить 0,5 В/град, что в ряде случаев позволяет обойтись без усилителя.

Конструктивно блок термопар представляет собой константано-вый провод, намотанный с определенным шагом. Половину каждого витка покрывают тонким слоем меди или серебра. При этом сопротивление слоя меди (серебра) должно быть существенно меньше сопротивления константана во избежание потери чувствительности. Таким образом, каждый виток представляет собой термопару. Повышение чувствительности из-за увеличения числа термопар в блоке целесообразно до тех пор, пока они не будут существенно влиять на тепловые процессы в калориметре.

В статических калориметрах блоки термопар используют для регистрации разности температур рабочей и опорной нагрузок (рис. 2.7). Тепловая симметрия рабочей и опорной нагрузок снижает до минимума влияние температурных изменений окружающей среды.

Чтобы уменьшить зависимость показаний калориметрических ваттметров, обусловленную нагревом жидкости за счет трения, потерями теплоты за счет теплоотдачи во внешнюю среду, приборы калибруют на постоянном токе или переменном токе низкой частоты. Калибровка также позволяет исключить процесс измерения расхода жидкости у проточных калориметров, если он не изменяется за время измерения СВЧ мощности. Однако и при калибровке не исключается полностью

зависимость показаний от нелинейности термопар (калибровку, как правило, выполняют в одной или нескольких точках динамического диапазона), от изменения удельной теплоемкости и плотности жидкости при разных уровнях измеряемой мощности, а также от различия температурных полей при калибровке и измерении.

Более высокую точность измерения СВЧ мощности получают, используя метод сравнения, который заключается в сравнении измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой l4l. При измерении СВЧ мощности сравнивается тепловое воздействие СВЧ мощности, подаваемой на рабочую нагрузку (приемный преобразователь) с тепловым воздействием известной мощности постоянного или пере-

Отсчетное устройство

Рис. 2.7. Схема статического калориметра.

менного тока низкой частоты, подаваемой на опорную нагрузку (нагрузку сравнения). В проточных калориметрах, например, сравнивают температуры на выходе рабочей нагрузки и нагрузки сравнения при равенстве температур жидкости на входах обеих нагрузок.

Метод сравнения позволяет исключить измерение расхода жидкости, разности температур на входе и выходе нагрузки. Кроме того, при этом методе не требуется знать удельную теплоемкость и плотность жидкости, величину потерь тепла. Процесс измерения заключается в определении мощности, подаваемой на нагрузку сравнения. Следует отметить, что использованием метода сравнения не устраняется погрешность, обусловленная неэквивалентностью рабочей и опорной нагрузок. Для исключения этого в образцовых калориметрах поочередно используют каждую из нагрузок в качестве рабочей и опорной.

Рассмотрим функциональную схему быстродействующего проточного калориметра с автоматической термобалансировкой, основанного на методе сравнения ( рис. 2.8). Прибор имеет две идентичные в тепловом отношении нагрузки: рабочую / и опорную 6, омываемые последовательно одним потоком жидкости. Теплообменник 4 обеспечивает равенство температур жидкости на входах обеих нагрузок. В непосредственной близости от рабочей и опорной нагрузок в трубопроводах расположены обмотки терморезисторов 2 и 5, образующие вместе с резисторами RiuRz мост, питаемый от генератора звуковой частоты. При,отсутствии СВЧ мощности на входе рабочей нагрузки температура обмоток терморезисторов одинакова и мост сбалансирован. При поступлении СВЧ мощности мост разбалансируется. Сигнал разбаланса поступает на усилтель переменного тока, а затем на фазовый детек-

тор и усилитель постоянного тока, откуда образующийся сигнал компенсации поступает на нагрузку сравнения. При достаточном коэффициенте усиления схемы прибора можно получить такую мощность сигнала компенсации, которая, рассеиваясь на нагрузке сравнения, создает тепловой эффект, близкий к тепловому эффекту от воздействия СВЧ мощности на рабочую нагрузку. Сопротивления обмоток терморезисторов выравниваются и мостовая схема автоматически возвращается к состоянию, близкому к сбалансированному. Таким образом.

Рсвч

г I I

I , I :

Фазовый детектор

Отсчетное устройство

Рис. 2.8. Схема быстродействующего калс(риметра с автоматической термобалансировкой:

/ ~- приемный преобразователь (рабочая нагрузка); 2, 5 - термочувствительные резисторы; 3 - насос; 4 - теплообменник; 6 - опорная нагрузка.

мощность сигнала кбмпенсации является мощностью сравнения. Ее измерение несложно. Благодаря следящей системе рассматриваемый ваттметр имеет малое время установления, которое при устойчивой работе системы практически определяется временем переноса тепла от нагрузки к обмотке термометра сопротивления.

Скорость потока жидкости в проточных калориметрах существенно влияет на точность измерений. Чрезмерные скорости уменьшают величину перепада температуры, приводя к ошибкам при измерении. Недостаточная скорость создает условия для возрастания теплоотдачи, приводя к увеличению ошибок, связанных с теплообменом. При малой скорости возможно недостаточное перемешивание жидкости из-за образования ламинарных потоков и связанных с этим перепадов температуры в поперечном сечении трубки, в которой устанавливают термочувствительные элементы.

В трубках должно поддерживаться турбулентное течение, при кагором интенсивно перемешиваются различные слои движущейся жидкости. Ламинарное течение переходит в турбулентное при числе

рейнольдса /? > 2000 (для гладких трубок), которое для воды определяется выражением

Rn = 56 vD (1 -f 0,33 f -f 0,0002 0.10*,

(2.8)

где V - скорость воды, м/с; D ~ диаметр трубки, м; f - средняя температура, С.

V 777Z

к измерительном!/ устройству

Lii-о Калибровка

К измерительному устройству

К измерительному устройству

Мощность сравнения

Рис. 2.9. Упрощенные конструкции нагрузок для сухих калориметров: SoMill! *, i-волновод. 2-экран, 3 - поглотитель; б) коаксиальная: /-виешниП проводних. 2-внутренний праводнвк. 3-резистор, 4-эхран; в) волноводная: /-рабочая нагрузка, 2 -иагфузка сравнения; 3 -экран.

В результате недостаточного перемешивания жидкость в калори- Г\/ метрической нагрузке может закипеть, что существенно влияет на точ- носгь измерений. Достаточно сказать, что теплота, затраченная на превращение в пар только 0,1% жидкости, могла бы создать приращение