Калориметры постоянной температуры (ледяной калориметр и компенсационный калориметр с охлаждающим термоэлементом) только недавно были впервые применены в отечественной технике [37] для измерения с. в. ч. мощности. Они еще не получили широкого распространения, однако являются очень шсрспективными для сантиметрового и особенно миллиметрового диапазонов волн.

Итак, в калориметрах переменной температуры наличие тепловых потерь вытекает из принципа их работы, а в калориметрах постоянной температуры тепловые потерн могут быть обусловлены лишь вторичными эффектами, связанными с отклонениями калориметрической системы от изотермического режима.

Если тепловые потери в калориметре одинаковы при рассеивании как с. в. ч. мощности, так и замещающей ее эквивалентной мощности постоянного или низкочастотного тока, то они не вызывают погрешности измерения с. в.ч. мощности методом замещения. Если же тепловые потери отличаются и их отличие не учитывается как поправка к результату измерения, то возникает систематическая погрешность калориметра за счет неэквивалентности тепловых потерь, которая может являться одной из существенных составляющих систематической погрешности прибора.

Уменьшение неэквивалентности мощности тепловых потерь калориметрического измерителя может достигаться или путем уменьшения самих потерь, или путем обеспечения достаточно точного их равенства.

Обеспечение достаточно точного равенства тепловых потерь при рассеивании в нагрузке с. в. ч. мощности или мощности постоянного (низкочастотного) тока связано с необходимостью исследования распределения температурного поля вдоль нагрузки при рассеива-Нии с.в.ч. .мощности и соответствующего расположения на нагрузке нагревателя или термочувствительного элемента. Решение подобной задачи весьма сложно, а оценка его точности затруднительна. Поэтому более предпочтительным (особенно для образцовых приборов) является путь всемерного уменьшения величины самих потерь.

Одними из наиболее распространенных калориметров переменной температуры являются калориметрические измерители с проточной водой. Поглощающей нагрузкой такого калориметра является трубка специальной формы из диэлектрика с малыми потерями на рабочей частоте, по которой с постоянным расходом течет вода. Поглощение с. в. ч мощности происходит в объеме воды Форма и размеры нагрузки обеспечивают п-тавное введение водяного потока в электромагнитное поле и достаточное поглощение, благодаря чему нагрузка оказывается хорошо согласованной в достаточно широком диапазоне частот. Температура водяного потока на входе нагрузки поддерживается с предельно высокой степенью точности, постоянной во времени (за время измерения) и практически равной температуре волновода, в который вмонтирована нагрузка.

Схематически устройство калориметрического измерителя с. в.ч. мощности с проточной водой показано на рис. 28.

Нагрузка / вмонтирована в волновод 2, заканчивающийся заглушкой 3. На выходе нагрузки в водяном потоке замонтирован нагреватель 4, который питается от стабильного источника постоянного или низкочастотного тока. Между входом и выходом водяного потока вк,тючен дифференциальный термочувствительный элемент 5 (например, блок термопар с гальванометром). Специальные устройства поддерживают с достаточно высокой точностью постоянство расхода воды (например, компрессор и объем, демпфирующий быстрые изменения давления) и ее температ}ры на входе (например, термостат с пассивной демпфирующей массой),

к u9T0VMUKy naerofifMOto или >узкоиаетогого тока

тока ЛвЛф»

Рис. 28. Схема калориметра с проточной водой.

Контролируемая термочувствительным элементом разность температур прямо пропорциональна мощности, рассеиваемой в водяном потоке на участке между местами включения дифференциального термочувствительного элемента, и обратно пропорциональна расходу воды. Действительно, легко видеть, что

i/ = 0,24

где М-разность температур в "С;

Я - рассеиваемая в водяном потоке мощность в ваттах; с - теплоемкость воды в кал г.град; V - расход воды в г сек. Приведенные соотношения показывают принципиальную возможность измерения с. в. ч. мощности без использования метода замещения ее эквивалентной мощностью постоянного тока (прн условии отсутствия тепловых потерь). Однако погрешности измерения расхода воды и малых разностей температур оказываются настолько большими, что такой метод измерения значительно уступает в точности методу замещения.

Метод замещения реализуется следующим образом: заме-iaei-ся показание индикаторного прибора термочувствительного элемента при поданной с. в. ч. мощности, после чего с. в. ч. мошпосгь ры.ключается, а вместо нее в нагревателе рассеивается мощносгь постоянного (низкочастотного) тока, вызывающая такое же отклонение индикаторного прибора. За результат измерения с. в. ч. мощности принимается результат измерения эквивалентной мощности постоянного (низкочастотного) тока.

Неэквивалентность тепловых потерь может быть оценена путем сравнения результатов измерения одной и той же мощности при размещении нагревателя в различных местах вдоль нагрузки.

Нетрудно показать, что как чувствительность калориметра с проточной водой, так и его относительная систематическая погрещ-ность за счет неэквивалентности тепловых потерь обратно пропорциональны расходу воды. Этим и объясняется, что, являясь точными приборами, такие калориметры, как правило, работают при относительно большом расходе воды, имеют в связи с этим сравнительно низкую чувствительность и применяются как измерители средней и большой мощности.

Кроме погрещности вследствие неэквивалентности тепловых потерь, основными составляющими полной погрешности калоримет1)и-ческих измерителей с проточной водой являются:

1) случайная погрешность из-за непостоянства расхода воды и ее температуры на входе нагрузки;

2) случайная и систематическая погрешности измерения заме щающей мощности;

3) систематическая погрешность, обусловленная неточностьк определения поправки на потери с. в. ч. моиишсти в стенках подводящего волноводного тракта;

4) систематическая и случайная погрешности в результате рассогласования.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускается калориметрический измеритель мощности с замкнутой системой родоснабженмя. Этот прибор позволяет из.мерять непрерывную мощность или среднюю мощность и.мпульсно-модулированньгх колебаний от 5 до 2000 ватт в следующих диапазонах длин волн: 12--7,5 см, 3,45-3,1 см, 8,24 - 8,08 мм-

Отличительной особенностью этого калориметра является использование одной и той же водяной с.в.ч. нагрузки во всем рабочем диапазоне длин волн, для чего она смонтирована в волноводе с сечением 34 X 72 мм, а при измерении в трактах с волноводами других размеров используются специальные волноводные переходы Такие переходы, несмотря иа их сравнительно небольшую длину, благодаря специально рассчитанной форме стенок, обеспечивают к. с. в. н. 1,2 во всем рабочем диапазоне дл1!4 волн. Они обладают весьма малыми потерями с. в. ч. мощности.

Максимальная погрешность приборов этого типа согласно данным завода-изготовителя не превышает ±7%.

Примером дифференциального калориметра переменной температуры с твердой нагрузкой может служить калориметр, схематически изображенный на рис. 29. Калориметр имеет два совершенно одинаковых отрезка волновода У, оканчивающихся согласованными нагрузками 2, в которые вмонтированы термисторы 3, являющиеся сопротивлениями двух плечей моста, питающегося от источника коротких импульсов с большой скважностью. Индикатором баланса моста является катодный осциллограф.

Согласованные нагрузки имеют выводы и одновременно являются объемными сопротивлениями, в которых может рассеиваться мощность постоянного тока. Волноводные отрезки, соединяющие нагрузки с входом прибора, имеют очень тонкие металлические стенки и плохо проводят тепло.

1 НС. 29. Схе.ма дифференциального калориметра с тье)дий ьйгрузкой.

Перед измерением мощности мостовая схема балансируется. Так как она питается импульсным напряжением, средняя мощность, рассеиваемая в термисторах, очень .ча.та и практически ие приводит к изменению температуры нагрузок. В то же время напряжение в импульсе достаточно велико, чтобы обеспечить нужную точность балансировки.

Для измерения с. в. ч. мощность подводится к одному из двух симметрических входов калориметра и рассеивается в его нагрузке. В другой нагрузке одновременно рассеивается такая мощность постоянного тока, при которой баланс мостовой схемы восстанавливается и сохраняется во времени. Ее величина и прини.мается за результат измерения с. в. ч. мощности

В калориметрах такого типа снижение погрешности вследствие неэквивалентности тепловых потерь достигается уравниванием мощностей тепловых потерь путем подбора формы нагрузки, расположения выводов постоянного тока и термисторов и т. п. мерами.

Оценка неисключенного остатка систематической погрешности вследствие неэквивалентности тепловых потерь в этом случае очень сложна.

Однако несомненным преимуществом приборов такого тнНа является их применимость для измерения малых мощностей (порядка милливатта и более). Это преимущество можно, например, реализовать, проградуировав подобный прибор на рабочей частоте по более точному образцовому калориметрическому измерителю, а следовательно, в значительной степени исключив систематическую погрешность.

Основные преимущества измерения с. в. ч. мощности с помощью калориметров постоянной температуры могут наиболее полно быть реализованы при применении ледяного калориметра.

ртутЬ

Рис. 30. Схема ледяного калориметра.

Схематически ледяной калориметр показан на ис. 30. Волновод / оканчивается согласованной поглощающей нагрузкой 2, на которой смонтирован нагреватель 5. Окончание волновода служит приемной камерой калориметрического сосуда 4, который представляет собой герметически закупоренный сосуд с дистиллированной водой, очищенной от растворенных газов, сообщающийся с от-счетным устройством посредством капилляра со ртутью.

Когда прибор находится в рабочем состоянии, часть воды в калориметрическом сосуде должна быть заморожена таким образом, чтобы волновод, являющийся приемной камерой, был со всех сторон покрыт рабочим слоем льда. Весь волновод вместе с калориметрическим сосудом погружен в ледяной термостат, представляющий собой несколько сосудов со смесью льда и воды, вложенных один в другой (многоступенчатое термостатирование).

Если в нагрузке не выделяется тепловая мощность и температура внутри термостата равна температ\ ре фазового перехода лед-вода, то внутри калориметрического сосуда может происходить лишь перераспределение слоя льда (за счет гидростатического давления), в то время как соотношение между суммарными количествами льда и воды ввиду отсутствия теплообмена с окружающей средой изменяться не будет. Поэтому будет сохраняться и суммарный объем льда и воды.

Если же в нагрузке рассеится некоторая энергия, то это приведет к таянию части льда и уменьшению суммарного объема льда и воды, что в свою очередь вызовет всасывание ртути из отсчетиого устройства внутрь калориметрического сосуда.

Нетрудно видеть, ЧТо изменение объема н энергия, поглощенная при фазовом переходе, связаны соотношением

(З.Г

где А - энергия в дж\

q- удельная теплота плавления льда в джг;

- удельный объем воды в см\г; v„ - удельный объем льда в см/г;

Л1/- изменение суммарного объема льда и воды (или изменение объема ртути в отсчетном устройстве) в см.

Таким образом, если отсчетное устройство представляет собой калиброванный капилляр с площадью поперечного сечения его канала S, то, измеряя перемещение мениска ртути в капилляре А/ и время подачи измеряемой мощности в калориметр / и зная физические постоянные льда и воды, можно вычислить измеряемую мощность Р по формуле:

(3.21

где Я - в ваттах;

q - в джг; vHVji - в см г; t - в сек\ S - в см, А/ - в см.

Ввиду того, что приемная камера окружена слоем льда, вокруг нее имеются две изотермические поверхности раздела фаз вещества и тепловые потери если и возможны, то только вдоль стенок волновода. Чтобы эти потери были пренебрежимо малыми, приемная камера делается достаточно длинной.

Как следует из описанного принципа работы ледяного калори метра, измерение им с. в ч. мощности сводится к измерению перо--мещения мениска ртути в калиброванном капилляре (или взвешиванию ртути при другом методе измерения изменения объема) и измерению времени подачи в калориметр с. в.ч. мощности.

Следовательно, ледяной калориметр в этом случае является аб солютным измерителем мощности. Его погрешность в основном складывается из погрешности, обусловленной неточностью принятых значении физических постоянных льда и воды, погрешности определения поправки на потери с. в. ч. мощности в волноводе, неточности в определении поправки на остаточный теплообмен между калориметрическим сосудом и термостатом, погрешности из-за случайных изменений объема, вызв.анных недостаточной жесткостью стенок калориметрического сосуда и волновода, и погрешности вследствие рассогласования.