7.3. Методы измерения мощности

7.3.1 Методы измерения поглощаемой мощности

Для измерения поглощаемой мощности используются в основном тепловые методы. Преобразование энергии СВЧ в тепловую используется в терморезисторах, термоэлектрических и калориметрических тепловых методах измерения поглощаемой мощности. Уравнение, определяющее сущность данного метода, имеет вид

Р_ср = Q_Т /Т = Сθ/Т

где Q_T — количество теплоты, Дж; С — теплоемкость рабочего тела, Дж/°С; θ — приращение температуры рабочего тела, °С; Т— время, с.

В процессе преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую производится измерение приращения температуры рабочего тела путем замещения ее мощностью низкой частоты или постоянного тока, вызывающей эквивалентное приращение температуры рабочего тела.

Возможность калибровки тепловых измерителей мощности на постоянном токе обеспечивает получение высокой точности. Особенностью этих методов является то, что время установления показаний в основном определяется тепловой инерционностью элементов схемы. Время установления теплового равновесия системы измерения пропорционально произведению теплоемкости рабочего тела на тепловое сопротивление между ним и средой. Уменьшать время установления показаний можно, уменьшая оба этих влияющих фактора. Уменьшать время измерения можно также, применяя метод замещения, основанный на допущении, что замещающая мощность и мощность электромагнитного поля создают одинаковый тепловой эффект в рабочем теле. Перед измерением рабочее тело предварительно разогревают постоянным или переменным током до определенного теплового состояния. Затем подают измеряемую высокочастотную энергию и подачей постоянного (переменного) тока уменьшают замещаемую мощность так, чтобы тепловое состояние рабочего тела осталось неизменным. В этом случае приращение мощности постоянного (переменного) тока, получившее название замещающей, принимают равной измеряемой мощности. Отсюда следует, что 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 определенной степени зависимость времени измерения от тепловых характеристик рабочего тела. Метод замещения широко применяется в терморезисторных и калориметрических ваттметрах.

7.3.2 Измерение мощности с помощью терморезисторов

Основным методом измерения малых уровней мощности (от 100 мВт и ниже) является измерение проводимости терморезисторов при рассеивании на них электромагнитной энергии. Чтобы терморезистор был хорошо согласован с линией передачи энергии, одинаково хорошо реагировал на мощность как высокой, так и низкой частот, он должен иметь малые размеры. Этим требованиям хорошо отвечают болометры и термисторы.

7.3.3Болометры и их характеристики.

Известно несколько типов болометров: проволочный, тонкопленочный и др. Первые представляют собой стеклянный вакуумный или наполненный инертным газом баллон, в который впаяна платиновая или вольфрамовая проволочная нить диаметром 1 — 10 мкм. Выводы болометра и сама нить прямолинейные. Высокий вакуум в болометре уменьшает тепловые потери, обусловленные теплопроводностью. Допустимая мощность рассеяния может быть значительно увеличена, если болометр наполнен водородом или аргоном. В этом случае отвод тепла от нити происходит в основном за счет конвекции и теплопроводности выводов, выполненных из медного провода диаметром 0,2 — 0,5 мм. Для вакуумных болометров, работающих при температуре нити выше 150 — 200 °С, существенный вклад в механизм теплоотдачи вносит излучение. Поперечные размеры болометра должны быть соизмеримы с глубиной проникновения токов самой низкой частоты, что обеспечивает почти одинаковое сопротивление болометра как на низких, так и на высоких частотах. Для повышения чувствительности материал нити выбирают с высоким температурным коэффициентом. Кроме того, нить должна быть очень тонкой, чтобы болометр обладал достаточно большим волновым сопротивлением, близким к волновому сопротивлению линии передачи. Из-за значительной индуктивной составляющей полного сопротивления проволочных болометров их область применения ограничена диапазоном сантиметровых волн.

Основной характеристикой болометра является зависимость его сопротивления и чувствительности от измеряемой мощности:

R = f (P) и S = φ(P)

Экспериментальные данные показывают, что

R – R₀ = αP^β

где R₀ — сопротивление болометра, Ом; R — сопротивление болометра при рассеивании в нем мощности, Ом; Р — рассеиваемая мощность, мВт; α и β — постоянные, зависящие от материала и размеров нити болометров.

Характеристика болометра обычно близка к квадратичной. Это дает возможность получить линейную шкалу измерителя мощности. Отклонение характеристики от квадратичной определяется неравномерностью нагревания нити болометра вследствие отвода тепла от нити более массивными выводами. Крутизна характеристики R =f(P) определяет чувствительность болометра.

Зависимость чувствительности болометра от мощности определяется формулой

S = dR/dP = αβP^β-1 = β(R – R₀)/P

К основным характеристикам болометров относятся: сопротивление болометра постоянному току в рабочей точке R_t, Ом, при котором он согласуется с волновым сопротивлением линии передачи; температурный коэффициент сопротивления

α_t = (1/R_t)(dR_t/dt)

т.е. относительное изменение сопротивления в результате изменения температуры, 1/°С; постоянная рассеяния

h_t = dP/dθ,

равная отношению приращения мощности, рассеиваемой в болометре, к возникающему в результате этого повышению его температуры по сравнению с температурой окружающей среды, Вт/°С; чувствительность

S_t = dR_t /dP,

или в процентах

S_t' = - 1/R_t·dRt/dP·100%

т.е. отношение изменения сопротивления болометра к изменению мощности на нем, Ом/Вт или %/Вт соответственно;

тепловая постоянная времени т, с, которая характеризует скорость установления температуры болометра при изменении его теплового режима и выражается временем, в течение которого предварительно нагретый болометр остывает в е раз по сравнению с первоначальной разностью температур относительно окружающей температуры;

максимально допустимая мощность рассеяния Р_{ср тах}, Вт. Это мощность, крутую болометр может рассеивать в течение длительного времени при условии, что необратимые изменения его характеристик останутся в пределах норм.

В общем случае зависимость изменения сопротивления болометра от изменения уровня рассеиваемой мощности и температуры окружающей среды является почти линейной (рис. 6.3). Зависимость сопротивления проволочного болометра от сопротивления окружающей среды может быть представлена следующим уравнением:

R_t = R_{t окр}(1+α_tθ)

где θ = t°_k — t_{k окр} — разность температур нити болометра и окружающей среды. Дрейф показаний отсчетного устройства при изменении температуры окружающей среды прямо пропорционален постоянной рассеяния болометра:

P = h_t θ

Рис. 6.34. Зависимость сопротивления болометра от уровня рассеиваемой мощности и температуры окружающей среды

На более высоких частотах, вплоть до миллиметрового диапазона длин волн, получили распространение пленочные болометры, представляющие собой тонкую металлическую пленку из платины или палладия, нанесенную в вакууме на основание (подложку) из стекла или слюды толщиной 30 — 50 мкм.

Преимуществами болометрических методов являются малые габариты, удобство эксплуатации и сравнительно высокая чувствительность. Их основной недостаток заключается в том, что они должны отдавать поглощаемую энергию в окружающую среду, а следовательно, их трудно изолировать от внешних изменений температуры. Для нейтрализации изменения температуры окружающей среды предусматриваются различные методы ее компенсации. Обычно это достигается использованием второго болометра и второй мостовой схемы. Таким методом удается снизить температурную погрешность на один или два порядка.