температуры всей жидкости на 0,54° С, что при среднем приращении температуры жидкости, например на 10° С, дает погрешность 5,4%.

Очень важно, чтобы в системе проточного калориметра имелось какое-либо устройство для удаления воздуха из водяного потока. При нагревании воды растворенный в ней газ выделяется в виде мельчайших пузырьков. Последние, прилипая к стенкам трубки, несущей воду, увеличивают сопротивление потоку и в системе с постоянным давлением изменяют скорость движения воды. Флуктуации потока воды приводят в конечном счете к флуктуациям температуры, что сказы-1,.. вается на точности измерения.

В сухих калориметрах тепло отводится от нагрузки (рабочего

тела) в основном за счет теплопроводности конструкции. Превышение температуры рабочего тела измеряет батарея дифференциальных термопар, горячие спаи которых имеют тепловой контакт с рабочим телом, а холодные - с корпусом, промежуточным экраном или телом сравнения (опорной нагрузкой). Сухие калориметры калибруют, как правило, постоянным током, подаваемым либо непосредственно на нагрузку (СВЧ резистор в коаксиальных преобразователях), либо на специальный нагреватель (обмотку, намотанную с определенным ша-. гом на объемную нагрузку-вволноводных преобразователях). Теплопередача в сухих калориметрах замедленная, и в зависимости от конструкции и требуемой точности время установления показаний может колебаться от единиц секунд до десятков минут. Уменьшают время установления показаний до нескольких секунд применяя метод сравнения и схемы автоматики для выравнивания температуры рабочей и опорной нагрузок.

Рабочие нагрузки для сухих калориметров аналогичны согласованным нагрузкам общего применения с той разницей, что они обладают малой теплоемкостью нагреваемых узлов ( рис. 2.9). Чтобы повысить чувствительность, тракт СВЧ между входным разъемом и поглощающим элементом выполняют из материала с низкой теплопроводностью. Обычно это трубки из нержавеющей стали с толщиной стенки 20-25 мкм. Для уменьшения потерь мощности СВЧ токопроводящие стенки покрывают слоем серебра или золота толщиной 3-5 мкм.

Теплоемкость экрана должна быть значительно большей (на 2- 3 порядка), чем теплоемкость калориметрической сисТемй. Чтобы защитить прибор от влияния скачков температуры окружающей среды, устанавливают дополнительный тепловой экран или выбирают опорную нагрузку с постоянной времени, равной постоянной времени рабочей нагрузки (рис. 2.9, в).

2.2.2. Калориметры с постоянной температурой

Эти приборы отличаются тем, что в процессе измерений темпера-typa калориметрической системы не изменяется. Калориметры постоянной температуры бывают с фазовым переходом, компенсационные и основанные на методе замещения. ,4 В калориметрах с фазовым переходом СВЧ энергия, превращенная в теплоту, определяется по количеству твердого вещества (например,

льда), перешедшего в жиДкое состояние при температуре Сосущестбб- f вания фаз вещества 15]. Калориметры с фазовым переходом громоздки Я неудобны в эксплуатации, так как требуют, чтобы обеспечивалось заданное распределение твердой фазы в калориметрической системе.

Компенсационные калориметры характеризуются тем, что в их калориметрической системе одновременно с одинаковой скоростью протекают два процесса: выделения и эквивалентного поглощения тепла. К этой группе относятся калориметры, в которых для компенсации положительного теплового эффекта используется явление Пельтье v/ [6, 7, 8], т. е. теплота поглощается холодными спаями термопар при прохождении через них постоянного тока. Такие калориметры при со-

Рис. 2.10. Схема калориметра с компеисацией: / - волновод; 2 -волиоводиая насадка; 3 - термоэлемент; 4 -блок дифференциальных термопар; 5 - обмотка для калибровки; 6 - объемная нагрузка; 7 - экран; в - кожух; 9 - иидикатор; 10, И - отчетные приборы; Ri, Яз - переменные резисторы.

ответствующем выполнении калориметрической системы могут иметь высокую точность, и наряду с другими приборами их используют в качестве образцовых и эталонных для проверки и аттестации рабочих ваттметров и преобразователей к ним.

Для компенсационных калориметров основным является уравнение [6]

Рсвч = AtIt - Bt-Pot, (2.9)

где At , Bt° - параметры охлаждающего термоэЛемента; /ц,. - значение тока в цепи охлаждающего термоэлемента.

Достоинством калориметров с компенсацией является неизменность параметров системы. Это обусловлено тем, что калориметрическая система всегда находится при температуре, близкой к окружающей, и поэтому теплообмен со средой минимален. Рассмотрим упрощенную схему такого калориметра (рис. 2.10). Его калориметрическая система состоит из отрезка волновода У, по которому подводится СВЧ мощность, волноюдной насадки 2 с объемной нагрузкой б. термоэлемента 3, холодные спаи которого поглощают теплоту, выделяемую в нагрузке, блока термопар 4 для контроля разности температуры между системой и оболочкой. Оболочка теплоизолирована от корпуса калориметра кожухом 8. Прибор калибруют и прове-

ряют в процессе эксплуатации с помощью обмотки 5, источника постоянного тока, переменного резистора Ri для регулировки величины тока и отсчетного прибора 10. Мощность СВЧ измеряется и калориметр калибруется автоматически (схема автоматического управления на рис. 2.10 не показана).

К калориметрам с постоянной температурой относят также приборы, в когорых рабочее тело предварительно подогревается до определенной температуры постоянным или переменным током.

При поступлении измеряемой мощности тепловой режим рабочего тела поддерживают неизменным уменьшая начальную мощность подогрева. Измеряемая мощность в этом случае будет равна изменению мощности подогрева, т. е. равна мощности замещения. Калориметры, основанные на методе замещения, обладают сравнительно высокой точностью. Однако и при методе замещения не устраняется погрешность, обусловленная неэквивалентностью распределения теплоты вдоль рабочего тела при подведении к нему одинаковых мощностей СВЧ и постоянного тока, а также потерь в подводящей линии, в разъемах.

Коэффициент эффективности, учитывающий неэквивалентность замещения, определяют либо теоретически, либо экспериментально при сличении с образцовыми приборами. Неэквивалентность, как правило,

увеличивается с ростом частоты и может достигать 1-2% на частоте 37,5 ГГц. Достижимая погрешность измерения мощности при исполь-

Ч/ зовании метода замещения с учетом поправки на неэквивалентность

составляет 0,3 - 0,5%.

2.Z3. Возможности калориметрического метода. Погрешности i

Принципиально калориметрический метод можно применять во всем спектре частот электромагнитных колебаний, включая оптический диапазон. Калориметрические ваттметры имеют коэффициент перекрытия по частоте не менее 10 для коаксиальных трактов и, как правило, не менее 1,4 - 1,5 - для волноводных трактов.

Калориметрический метод позволяет измерять СВЧ мощность от сотен микроватт до десятков и сотен киловатт. Динамический диапазон отдельных приборов достигает 30-40 дБ.

Погрешность измерения может принимать значения от нескольких десятых долей процента до единиц процентов. Основными причинами, влияющими на величину погрешности, являются: неточность определения массы рабочего тела-для статических калориметров, расхода жидкости-для проточных; неточность определения температуры рабочего тела (при использовании метода сравнения - неточность регистрации равенства теплового режима рабочей и опорной нагрузок); неточность измерения мощности калибровки, замещения, сравнения; неточность определения затухания СВЧ мощности в тракте; неэквивалентность замещения (сравнения); несоответствие импедансов ваттметра и генератора характеристическому сопротивлению линии передачи; изменение температуры окружающей среды; дрейф.

Рассмотрим составляющие погрешности, присущие методу сравнения. Как уже было показано, в этом случае не нужно измерять массу (расход жидкости) и температуру рабочего тела. Поэтому соответствующие составляющие рассматривать не будем.

1. Погрешность определения равенства температур рабочей и опорной нагрузок 6. При достаточном коэффициенте усиления устройства погрешность пренебрежимо мала и ее можно не учитывать.

2. Погрешность измерения мощности сравнения бг-Практически значение данной погрешности составляет ±(0,1...0,5)% и целиком определяется погрешностью устройств, применяемых для измерения мощности постоянного тока. При использовании приборов высокого класса точности погрешность может быть уменьшена.

3. Погрешность, обусловленная затуханием мощности в передающем тракте, 63. Часть СВЧ мощности, подводимой к калориметру, поглощается в стенках волновода и превращается в теплоту, которая частично рассеивается в окружающую среду, частично из-за теплопроводности передается в калориметрическую систему. Величина мощности, поглощаемой в стенках волновода, зависит от длины юлны, типа и размеров передающего тракта, вида колебаний в нем, длины участка волновода от входа преобразователя до калориметрической системы, шероховатостей поверхности и удельной проводимости мате-)иала. С учетом шероховатостей поверхности коэффициент затухания 23J в прямоугольном юлноводе с воздушным заполнением, в котором

распространяются колебания типа Hoi, будет иметь вид

где а - удельная электрическая проводимость; р, - магнитная проницаемость материала волновода; Zq - волновое сопротивление для свободного пространства (/цо/Ео = 376,7304 Ом); - длина волны в волноюде; к - длина волны в свободном пространстве; Я, р - критическая длина волны в волноводе; а, b - ширина и высота волновода; j jjjjjp - коэффициенты, учитывающие шероховатости поверхности волновода в поперечном (для широкой и узкой стенок) и продольном направлениях соответственно.

Коэффициенты представляют собой отношение длин действительной и идеальной поверхностей. Значение этих крэффициентов близко к единице у волноводов с электрополированными поверхностями или изготовленных гальваническим осаждением на полированные оправки. Чтобы затухание, вычисленное по формуле (2.10), соответствовало действительному, в эту формулу необходимо подставить значение проводимости для данной частоты. Если же учесть, что проюди-MQCTb слоев, осажденных электрачнтически, отличается от проводимости монолитного материала, то для точных измерений затухание нужно определять экспериментально.

Поверхностная проюдимость трактов может изменяться во времени. В частности, замечено, что затухание в посеребренном волноюде значительно увеличивается после длительного пребывания в атмосфере, вызывающей коррозию. Это происходит из-за того, что поверхность

оказывается покрытой сульфидами серебра, проводимость которых намного меньше проводимости металлического серебра. Наоборот, непроводящие оксидные пленки (в алюминиевых и медных волноводах) предохраняют волноводы от коррозии и практически не влияют на затухание.

Так как погрешность, вызванная затуханием, является систематической и ее знак известен, то ее можно учесть, внеся поправку в результат измерения мощности. После этого погрешность, обусловленная затуханием в волноводном тракте, будет определяться неточностью внесенной поправки.

4. Погрешность из-за неэквивалентности сравнения 64. Неэквивалентность сравнения обусловлена разным тепловым режимом рабочей и опорной нагрузок при подведении к ним равных значений мощности СВЧ и мощности сравнения соответственно. Неэквивалентность является следствием конструктивной неидентичности нагрузок, различного распределения теплоты вдоль нагрузки СВЧ и нагрузки сравнения, различных тепловых потерь. Аналогичны причины неэквивалентности при замещении.

Чтобы уменьшить погрешность из-за неэквивалентности, следует выбирать рациональную конструкцию нагрузок, применять элементы с малой частотной зависимостью (например, пленочные резисторы), использовать экраны, исключающие неконтролируемые тепловые потери в системе [10]. Погрешность, обусловленнаянеэквивалентностью сравнения, можно учесть вводя поправки в результат измерения мощности. Теоретически рассчитать поправку очень сложно. На практике, как уже было отмечеЬо, коэффициент-эффективности, который учитывает как неэквивалентность, так и потери в стенках волновода, определяют экспериментально.

Для образцовых калориметров поправки определяют расчетно-экспериментальным путем.

Если вводить поправку в виде коэффициента эффективности, то одной из составляющей погрешности ваттметра будет неисключенный остаток погрешности его определения бКэ-

5. Погрешность, обусловленная несоответствием импедансов ваттметра .и генератора характеристическому сопротивлению линии передачи, бнс. В общем виде эта погрешность равна

1-ГвР

6нс =

где / пм = /в Сэ; Рс

Рнзи-Р согд

Рсогл 1-ГгГв1

(2.11)

1-1 ГвГ

Если неизвестны фазы коэффициентов отражения генератора (Гр) и ваттметра (Гв), максимальное значение погрешности составит

1-Гв

НС макс

(1±ГгГв(Г

Из выражения (2.12) следует, что ГвГ

6всмакс+--

6нсмакс~ ~

на данной частоте и

нс макс+ ~

(1-ГгГ ) (1 + irrlirBlf

макс

нc макс

JTbI!

(liirrlirBl)

(lilTrlirBlf J-

(2.12)

нс макс---

(1-ГгмаксГви сР

Гвкс (l+lrrlMaKcirBUKc)

.(1-ГгГв)

(1 + ГгГ,)2

(-Ггмакс гамаке)

1

(1+ГгмаксГеи е)=

В диапазоне частот.

В частном случае, когда генератор согласован, бдс = - ITbI и выражает относительное значение отраженной от ваттметра мощности.

При малых значениях модулей коэффициентов отражения Г, и Гв

нсмакс+=-Гв + 2ГзГг. 6нсмакс-=-ГвР-2ГЛГ,.

(2.13)

Таким образом, первая составляющая погрешности яв-

ляется систематической и характеризует отраженную мощность. Обозначим ее через 65. Эту составляющую можно учесть, если в результат измерений внести поправку, равную Гв*. После внесения поправки результат измерения мощности будет обладать неисключен-ным остатком погрешности, обусловленной неточностью измерения модуля коэффициента отражения

6,==±2ГзрбГв или 6, = ±4-K55i5j=J)6eB.

где бГв - относительная погрешность измерения модуля коэффициента отражения; бксв - относительная погрешность измерения коэффициента стоячей волны.

Вторую составляющую принято называть погрешностью рассогласования брасо. максимальное значение которое

б -......=----~2ГгГ,. (2.14)

рассмакс (, ± 11

Из (2.14) следует, что погрешность рассогласования быстро возрастает с увеличением коэффициентов отражения и может достигнуть ±6% при = Гв = 0,2 (КСВ = 1,5). Поэтому ее необходимо учитывать при определении погрешности измерений.

6. Погрешность, обусловленная изменением температуры окружающей среды, бд. При методе сравнения величина данной составляющей мала, если рабочая нагрузка и нагрузка сравнения идентичны. Она проявляется при измерениях малых мощностей в виде дрейфа иуля выходного индикатора.