Главная страница  Индикаторы миллиметровых волн 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [ 8 ] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

Максимальная погрешность ледяного калориметра при измерении св. ч. мошности от 100 мет до 10 вт в трехсантиметровом диапазоне волн не превышает ±2%. Следует отметить, что указанной погрешности удается добиться лишь при очень тщательном выполнении прибора.

Неточность физических постоянных обусловливает погрешность около 0,75%. Поэтому, отказавшись от абсолютности метода и про-градуировав ледяной калориметр по мощности постоянного тока, можно несколько снизить его погрешность. Для градуировки на постоянном токе и предназначен смонтированный на с.в.ч. нагрузке [нагреватель.

Следует обратить внимание на еще одно важное преимущество ледяного калориметра, заключающееся в том, что чувствительность прибора, выраженная в изменении объема на единицу поглощенной энергии, не зависит от его конструктивного выполнения и определяется только физическими постоянными льда и воды.

Повлшение чувствительности прибора может быть достигнуто путем использования фазового перехода других веществ, например, дифенилметана.

Чем меньше размеры волновода, тем конструктивно проще выполнить ледяной калориметр, в то время как никаких трудностей, связанных с повышением частоты, не возникает. Поэтому ледяной калориметр с успехом может быть использован в миллиметровом диапазоне волн.

Ледяной калориметр является одним из самых точных измерителей с.в.ч. мощности,однако он громоздок и неудобен в работе. Например, после многократных измерений в рабочем слое льда образуются сквозные проталины, что приводит к промахам в измерениях. Поэтому калориметр приходится перемораживать заново, что является трудоемкой и длительной операцией (порядка нескольких часов). Поэтому его рационально использовать лишь как образцовый прибор при предельно точных измерениях.

Другим методом создания калориметра постоянной температуры является компенсационный метод, заключающийся в том, что компенсация тепла, выделяющегося в нагрузке при рассеянии с. в.ч мощности, осуществляется путем отбора от нее тепловой мощности холодным спаем полупроводникового термоэлемента за счет эффекта Пельтье

На рис. 31 приведена упрошенная схема компенсационного калориметра постоянной температуры. Калориметр состоит нз калориметрической системы, волноводного тракта, внешней оболочки и батареи термопар. В состав калориметрической системы входит отрезок волновода 1 с поглощающей нагрузкой 2, охлаждаюший полупроводниковый термоэлемент 3 и нагреватель 4.

Для уменьшения теплопроводности волноводного тракта 5 металлические стенки его со стороны калориметрической системы

имеют толщину порядка 30 микрон и для механической прочности запрессованы в пластмассу.

Постоянство температуры, окружаюшей калориметрическую систему внешней оболочки 6", за время измерения обеспечивается большой ее теплоемкостью и хорошей теплоизоляцией.

Блок термопар 7 совместно с гальванометром обеспечивает возможность контроля равенства температур калориметрической системы и оболочки с погрешностью менее 10 градуса.

Измерение с. в. ч. мощности и в этом калориметре производится методом замещения, который реализуется следующим образом: при постоянной мощности охлаждения термоэлемента прибор балансируется (мощность нагрева-уравнивается с мощностью охлаждения) как в отсутствии измеряемой св.". мощности, так и при ее подаче. За результат измерения с.в.ч.мощности принимается разность мощностей постоянного тока, рассеиваемых при балансе прибора в нагревателе. Действительно при отсутствии с.в.ч. мощности


Рис. 31. Схемя компенсационного калориметра, прн поданной с.в.ч. мощности

р -= я

приравнивая левые части равенства, имеем:

(3.31

06 установлении баланса мощностей в калориметре судят по неизменности во времени установленного ра-венетва температур калориметрической системы и внешней оболочки.

Величина неэквивалентности тепловых потерь калориметра, которая может возникнуть вследствие перепада температур вдоль калориметрической сисгемы. при рациональной конструкции прибора обычно мала. Она рассчитывается и может быть определена экспериментально путем измерения однО!1 и той же мощности при помоши нагревателей, расположенных в различных местах калориметрической системы.

Основными составляющими погрешности компенсационного калори-метра постоянной температуры являются:

1) случайная погрешность из-за неточности двухкратного процесса балансировки прибора;



2) систематическая погрешность вследствие неэквивалентности тепловых потерь при рассеивании с. в. ч. мощности и замешающс11 мощности постоянного тока;

3) систематическая погреишость вследствие неточности определения поправки иа затухание в подводящем волноводном тракте;

4) случайная и систематическая погрешности вследствие рассогласования.

Максимальная погрешность подобного калориметра, работающего в трехсантиметровом диапазоне волн, составляет ±2% на уровне мощности 30-400 мет.

Нижний уровень измеряемой мощности ограничивается возрастанием случайной погрешности прибора из-за неточности процесса балансировки. Верхний уровень равен мощности охлаждения термоэлемента.

Компенсационный калориметр постоянной температуры може! быть использован и для измерений в миллиметровом диапазоне воли, так как его погрешность вследствие неэквивалентности тепловых потерь только уменьшается, а эксплуатационные качества (время измерения, габариты, вес и т. п.) улучшаются с применением волноводов меньшего сечения. Никаких принципиальных трудностей с повышением частоты не возникает.

Работа с компенсационным калориметрическим измерителем с. в. ч. мощности может быть значительно ускорена и упрощена, если шкала амперметра в цепи охлаждающего термоэлемента будет проградуирована непосредственно в единицах мощности. При этом требуется лишь однократная балансировка прибора. Однако погрешность прибора несколько возрастает.

§ 3. Термисторные и болометрические измерители мощности

В настоящее время наибольшее распространение получили термисторные измерители, несколько менее распространены болометрические измерители.

Пределы измерения термисторных измерителей мощности обычно лежат в интервале от единиц микроватт до единиц милливатт, ? болометрических измерителей- от десятков или сотен микроватт до десятков или сотен милливатт, а иногда и до одного или нескольких ватт. Таким образом, они в большинстве случаев являются измерителями малой мощности.

Термисторные и болометрические измерители используются и как рабочие и как образцовые приборы, в зависимости от величины их погрешности, которая обычно лежит в пределах от - Ю*"; до ±50%.

Термисторные и болометрические измерители являются измерителями поглощающего типа.

Устройства, которые обеспечивают монтаж термисторов или болометров в волноводиом тракте и создают необходимые условия для наиболее полного noi лощения ими с. в. ч. .мощности, называю]

ся соответственно термист)рными или болометрическими головками.

Термочувствительные элементы термистора или болометра изменяют свое сопротивление с изменением их температуры, причем

термисторы в рабочей части их характеристики имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, а болометры пол ожител ьный.

Мостовая схема может питаться низкочастотным или постоянным током, а иногда частично тем, частично другим. В дальнейшем, говоря о токе питания моста, мы будем всегда говорить о постоянном токе, помня, что все сказанное верно и для случаев питания низкочастотным током или смешанного питания.

Измерение с. в.ч. мощности в этих приборах обычно производится методом замещения. Часть начальной мощности подогрева термистора или болометра Ро (мощности, рассеиваемой в них за счет тока питания моста), соответствующей балансу моста в отсутствие измеряемой мощности, замещается эквивалентной с.в.ч. мощностью, причем для восстановления баланса моста приходится уменьшать мощность подогрева постоянного тока до величины Р\. Ясно, что измеряемая с. в. ч. мощность при этом равна разности мощностей подогрева, соответствующих ба.лаису мостовой схемы в отсутствие и при наличии измеряемой с. в.ч. мощности, т. е.

= р -Р

Лучшие современные термисторные и болометрические мосты являются автоматическими. Баланс прибора поддерживается в ни.\ автоматически, причем после подачи мощности на шкале их индикаторного прибора, проградуированной в единицах мощности, можно отсчитать разность мощностей подогрева, равную поданноГт с. в. ч. мощности. Погрешность лучших автоматических термисторных мостов не превышает (1 - 2)

Принцип работы и описание мостовых схем не будет приводиться в этой книге. Желаюшие могут подробно ознакомиться с этими вопросами в специальной литературе.

Следует отметить, что к термисторному или болометрическому мосту обычно придается не одна, а несколько головок, работающих в различных диапазонах волн, что является несомиенны.м преимуществом этого типа приборов и одной из причин их широкого распространения.

Схематически устройство тевмистора показано ча рчс. 32а Его термочувствительным элементом является полупроводниковая бусинка / круглой или продолговатой формы (см. рис. 326 и в), которая оплавляет концы тонких (порядка нескольких десятков микрон) подводящих проводов 2, припаянных к толстым вводам 5, закрепленным в стеклянном баллоне 4. Угрошенная эквивалентная схема термистора приведена на рис 32г, Основная часть мощности рассеивается на сопротивлении R бусинки термистора, однако



некоторая ее часть рассеивается и на сопротивлении г подводящич проводов, причем за счет этой части мощности греются в основном эти провода и вводы, имеющие малый положительный температурный коэффициент сопротивления.

В зависимости от перераспределения мощности, поглощающейся в бусинке (полезной) нли в проводах (мощности потерь), общее сопротивление термистора при одной и тон же величине мощности, рассеиваемой на с. в. ч. нли постоянном токе, оказывается различным. Так как на сверхвысокой частоте сопротивление бусинки оказывается защунтированным элементарными емкостями, образующимися иа границах отдельных кристаллов полупроводника и



Рис. 32. Устройство и упрошенная эквивалентная схема термистора.

между подводящими проводниками (на эквивалентной схеме суммарная емкость обозначена с), изменение сопротивления термисто-р<-при подаче с.в.ч. мощности может оказаться не равным изменению сопротивления, соответствующему подаче такой же мощности постоянного тока. TaiKHM образом, может возникнуть неэквивалентность нагрева термистора с.в.ч. мощностью и мощностью постоянного тОКа, что приведет к появлению погрещности измерения. Возможно, имеются и другие причины указанной неэквивалентности.

Кроме того, с. в. ч, мощность, особенно на миллиметровых волнах, может поглощаться не только в термочувствительном элементе термистора, но и в его стеклянном баллоне, что приводит к потерям мощности и также вызывает погрещность измерения. Чтобы снизить общую погрещность измерения в термисторных головка.ч миллиметрового диапазона, термисторы обычно монтируются 6ej стеклянного баллона. Это удобно еше и потом\, что размеры волноводов в миллиметровом диапазоне волн очень малы.

Потери св. ч мошности возникают и в стенках тер-мисторной камеры вследствие их конечной проводимости. Чтобы уменьшить погрешность в результате потерь, ток1онес\"щие поверхности тер-мисторной головки покрываются тонким слоем металла с высокое проводимостью (например, серебрятся, золотятся, палладируются и т. п.).

Для удобства учета погрешностей из-за неэквивалентности термистора и с.в.ч. потерь введено и стало общепринятым понятие коэффициента полезного действия термисторной головки (к. п. д.).

Коэффициентом полезного действия термисторной головки называют отношение результата измерения мощности этой головкой к действительному значению мощности (в предположении абсолютно точного термисторного моста). Иногда к. п. д. выражают в процентах.

Коэффициент полезного действия термисторных головок миллиметрового диапазона волн лежит в пределах 0,3-0,6 (или 30- 60%), причем, как правило, он падает с повышением частоты.

Общая погрешность термисторных измерителей мощности в большой степени зависит от погрешности, с которой известна поправка на к. п. д.

Измерение к. п. д. термисторной головки на рабочей частоте проводится путем сравнения результатов измерения одной и той же с.в.ч. мощности ею и образцовым прибором с достаточно малой погрешностью (например, образцовым калориметрическим измерителем мощности).

Погрешность лучших термисторных измеривелей мощности миллиметрового диапазона с аттестованными по к. п. д. термистор-ными головками порядка ± (10-15)%.

Устройство проволочного болометра аналогично устройству термистора с той лишь разницей, что термочувствительным элементом является металлическая нить толщиной 2-3 микрона, обладающая положительным коэффициентом сопротивления. По абсолютной величине этот коэффициент примерно на порядок меньше, чем температурный коэффициент сопротивления термистора.

Меиьший температурный коэффициент сопротивления и об\-словливает несколько более высокий нижний предел измерения болометрических измерителей мощности (по сравнению с терми-сторными измерителями).

Так как плотность электромагнитного поля в области, где расположен болометр, может быть неоднородной, нагрев ina с в. ч может быть преимущественно локальным (например, в середине нити болометра или на одном из его концов). При нагреве постоянным током происходит равномерное распределение мощности вдоль всей длины иити болометра. Кроме того, если радиус нити болометра более глубины проникновения с.в.ч. токов, ее сопротивление зависит от частоты за счет поверхностного эффекта. Поэтому и в случае ниточного болометра может иметь место неэквивалентность его параметров на с в. ч. и постоянном токе.

Чтобы уменьшить неэквивалентность, нить болометра стремятся сделать достаточно тонкой и короткой. Однако сопротивление короткой нити оказывается значительно меньшим, чем волновое сопротивление волновода, что затрудняет согласование болометрической головки и делает ее узкополосной (согласованной лишь иа




[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [ 8 ] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

0.0176