Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



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 терморезисгорных и калориметрических ваттметрах.

3.3.2. 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.

Болометры 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 вьшге 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 повьшгения 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 = /(P) и Х = ф(Р).

Экспериментальные данные показывают, R - Ко = aP

где Ко ~ сопротивление болометра. Ом; R - сопротивление болометра при рассеивании в нем мощности. Ом; Р - рассеиваемая мощность, мВт; а и Р - 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 = = / (Р) определяет чувствительность болометра.

Зависимость чувствительности болометра от мощности определяется формулой

S = dR/dP = аррР = Р (К - Ко)IP-

К основным характеристикам болометров относятся:

сопротивление болометра постоянному току в рабочей точке Kj, Ом, при котором он согласуется с волновым сопротивлением линии передачи;



температурный коэффициент сопротивления

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

. h, = dP/dd,

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

St = dR,/dP,

или в процентах

1 dR, •-RdP

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 Рсришх, Вт. Это мощность, которую 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. 3.3). Зависимость сопротивления проволочного болометра от сопротивления окружающей среды может быть представлена следующим уравнением:

R, = R,oKp{i+o(4

где в = - titoup - разность температур нити болометра и окружающей среды. Дрейф показаний отсчетного устройства при изменении температуры окружающей среды прямо пропорционален постоянной рассеяния болометра:

др = й,де.

На более высоких частотах, вплоть до миллиметрового диапазона длин волн, получили распространение пленочные боло-

Рис. 3.3. Зависимость сопротивления болометра от уровня рассеиваем мой мощности и температуры окружающей среды


Я, мВт

метры, представляющие собой тонкую металлическую пленку из платины или палладия, нанесенную в вакууме на основание (подложку) из стекла или слюды толщиной 30- 50 мкм. Для включения в измерительный тракт пленочные болометры имеют серебряные или платиновые контакты. Серебряные контакты изготовляют вжиганием серебряной пасты или напылением в вакууме серебряной пленки на подслой никеля или нихрома, платиновые - напылением в вакууме. Существуют и другие конструкции, например в виде диэлектрического цилиндра или стекловолокна малого диаметра, покрытого пленкой металла толщиной 0,1 - 0,01 мкм. Чувствительность разных конструкций болометров от 1 до 10 Ом/Вт, а постоянная времени от 0,1 с до 0,1 мс.

Пленочные болометры обладают меньшей чувствительностью, так как коэффициент теплоотдачи у них значительно больше, чем у проволочных. Однако индуктивности достаточно широких пленок незначительны, и их легко согласовать с волноводом даже на миллиметровых волнах.

Перечисленные выше особенности позволяют применять болометры в быстродействующих, например в панорамных, ваттметрах, а также для непосредственного измерения мощности в импульсе.

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.

Термисторы и их характеристики. Терми-стор представляет собой терморезистор с от-



Рабочее тело


Бусинковый Цилиндрический

Рис. 3.4. Конструкции термисторов

рицательным температурным коэффициентом сопротивления; у болометров он является положительным. Термисторы изготовляют из полупроводниковой массы в виде бусинки диаметром 0,2-0,5 мм (рис. 3.4) или цилиндра диаметром 0,2-1,5 мм. Полупроводниковая масса представляет собой порошкообразную смесь окислов меди, марганца, кобальта, титана и др., спекаемую в определенной среде. В бусинку заваривают тонкие выводы из платиновой проволоки диаметром 0,01-0,03 мм. Выводы также изготовляют из платиноиридиевого или плати-нородиевого сплава. Чтобы увеличить проводимость полупроводниковой массы, в нее добавляют порошок меди.

Цилиндрический термистор имеет удлиненную форму чувствительного элемента, поэтому его электрическая прочность выше, чем бусинкового. Он также имеет меньшую реактивную составляющую сопротивления и меньшую емкость между выводами; при одинаковой длине элемента платиновые выводы у него короче, а следовательно, их индуктивность меньше. Для жесткости конструкции термисторы типов Т8, Т9, ТШ, ТВ помещают в стеклянный баллон диаметром до 3 мм и длиной до 10 мм с проволочными выводами 0,8 мм. Широкое применение находят также безбаллонные термисторы типа ТШ-1, терморезисторы СТЗ-18, СТЗ-29, на базе которых созданы высокочастотные тер-мисторные вставки.

Бусинковые термисторы имеют меньшую поверхность охлаждения и более длинные выводы, а следовательно, при прочих равных условиях большую чувствительность к измеряемой мощности. В коротковолновой части диапазона (сантиметровых и миллиметровых волн) в основном применяются стержневые термисторы, имеющие меньшее реактивное сопротивление. В длин-



Рис. 3.6. Унифицированная вставка для коаксиальных термисторных головок

новолновой части диапазона используются как те, так и другие типы термисторов,

Термисторы монтируются в головку непосредственно или заключаются в специальную арматуру, облегчающую их замену. Простейшей арматурой является стеклянный баллон с толстыми металлическими выводами для включения термисторов в схему (рис. 3.5). Термисторы в баллоне применяются на относительно длинных волнах, когда длина баллона несоизмеримо меньше длины волны. В коротковолновой части диапазона и особенно на миллиметровых волнах применяются термисторы без баллона. Термисторы без баллона широко применяются вмонтированными в арматуру типа терми-сторной вставки, которая представляет собой отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом, нагруженный на согласованный с ней термистор бусинкового типа. Эта вставка является унифицированным функциональным узлом современных отечественных коаксиальных термисторных головок, работающих в диапазоне волн до 3 см (рис. 3.6). Волноводная терми-сторная вставка (рис. 3.7) представляет собой также унифицированный функциональный узел волноводных термисторных головок, рассчитанных на работу в диапазоне длин волн от 1,75 до 5,4 см. Ее основой является стержневой термистор, один конец которого приваривается к емкостному штырю, компенсирующему индуктивность тер-мистора, другой - к обкладке конденсатора, развязывающего цепи тока СВЧ и постоянного или переменного тока термисторного моста. Аналогичные термисторные вставки разработаны и успешно применяются в миллиметровом диапазоне до длин волн примерно 8 мм.

Термисторы и термисторные вставки характеризуются параметрами, описывающи-

Выводы

Рис, 3.5. Термистор в стеклянном баллЬне

Рис. 3.7. Волноводная термисторная вставка



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 [41] 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0114