Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений




I Резотноный "11 усилитель


Рис. 3.16. Схема с резонансным усилителем

стрелка прибора не будет установлена на нуль.

в приборе предусмотрена термокомпенсация. Датчиком температуры является компенсационный термистор, помещенный в ту же термисторную камеру, что и рабочий. Высокочастотная мощность на компенсационном термисторе не рассеивается, его сопротивление RfK зависит только от температуры термисторной камеры. С помощью мостовой схемы и усилителей приращение сопротивления термистора Л,к преобразуется в напряжение термокомпенсации, воздействующее на источник тока подогрева и меняющее Е„ на некоторую величину Д£п- При работе с прибором экспериментально подбирают чувствительность схемы термокомпенсации E„/R, так, чтобы изменение температуры термисторной камеры не вызывало ухода нуля измерительного прибора.

Схема автобалансного терморезисторного измерителя мощности с резонансным усилителем приведена на рис. 3.16. Основная часть прибора - резонансный усилитель с большим коэффициентом усиления К = = 10 -г 10* и измерительный мост М,, включенный в цепь обратной связи. Коэффициент обратной связи Kqc зависит от сопротивления измерительного термистора Для определения Xq.c при напряжении l/j. поданном на мост, и разомкнутом усилителе, определим U,:

Если мост равноплечий, то Pi = Рг = Рз и

Отсюда коэффициент обратной связи Ко.с = U1/U2 = {R,i - Ri)/2 (R,i + Ri).

При i?,i = i?, мост уравновешен и Хо.с = 0. Условию R,i>Ri соответствует положительный коэффициент обратной связи. В начальный момент времени при отсут-

ствии колебаний в схеме P,i»i и ККо.с» 1, т. е. условие самовозбуждения выполняется с большим запасом. По мере нарастания колебаний термистор разогревается, его сопротивление падает и К уменьшается. В установившемся режиме Ко,с -

= 1/К очень мал, так что практически измерительный мост всегда уравновешен и R,i =

= i?,. Мощность Р,, рассеиваемая на термисторе, складывается из измерительной мощности Р и мощности, потребляемой от уси-лителя: pp+ui/R,.

Отсюда следует, что амплитуда напряжения U2 связана с измеряемой мощностью, причем росту Р соответствует уменьшение U2 от некоторого начального уровня, который зависит от внешней температуры и уменьшается по мере ее возрастания. Эти обстоятельства сильно усложняют измерения, поэтому отсчет мощности по напряжению U2 применяется редко.

Более удобный отсчет, не зависящий от температуры среды, можно получить в приборе с мостом М, в который включены термисторы Rc2 и Р,з. При отсутствии высокочастотной мощности (и2 и U3 максимальны) мост уравновешивают с помощью переменного резистора R. Состояние равновесия регистрируется по показаниям милливольтметра, включенного в диагональ моста. Если на вход прибора подана мощность Р, то равновесие моста М2 нарушится. Напряжение на его диагонали, возрастающее с увеличением Р, служит мерой мощности. Отсчет измеренной мощности производится по шкале милливольтметра. Осуществление термокомпенсации производится следующим образом. При возрастании температуры состоянию равновесия моста М, будет соответствовать меньшее значение рассеиваемой на термисторе суммарной мощности, и следовательно, напряжения [/ и уменьшаются. Однако это не приведет к изменению показания индикаторного прибора, поскольку для получения прежнего показания при возросшей




Источник тока, со следящей, системой

Рис. 3.17. Автоматический самобалансирующийся мост

температуре требуется меньщее напряжение

Одним из факторов, определяющих точность измерения терморезисторными методами, является флуктуация температуры в процессе измерения. Применяемые на практике терморезисторы имеют постоянную рассеяния 0,1-0,3 мВт/град, а колебания температуры в процессе измерений нередко составляют lC/ч и более. Это влияние можно оценить количественно. Перемножив постоянную рассеяния на изменение температуры за время измерения, найдем значение кажущегося изменения СВЧ мощности. Уменьшать влияние температуры окружающей среды особенно необходимо при измерении малых уровней мощности. С этой целью применяют различные методы термокомпенсации, в том числе и термоста-тирование терморезисгорных преобразователей. Для термокомпенсации, как правило, используют дополнительные опорные мосты, в которые вводят термистор, идентичный рабочему.

Автоматический самобалансирующийся мост (рис. 3.17) имеет два симметричных моста: рабочий и опорный. Оба моста питаются от самостоятельных источников, имеющих системы слежения и автоматически поддерживающих баланс мостов. Токи питания мостов, пропорциональные токам в рабочем и опорном терморезисторах, протекают через одинаковые прецизионные потенциометры Ri и а затем через непо-1шижные обмотки отсчетного электродинамического прибора в таком направлении, что возникающие при этом магнитные поля суммируются. При достаточно высокой идентичности характеристик рабочего и опорного термисторов эти токи равны. Потенциалы в точках А и Б в этом случае при одинаковом положении потенциометров К, и 2 бу-

дут равны, и ток в подвижной обмотке прибора будет равен нулю.

С подачей мощности на рабочий терморезистор баланс рабочего моста нарушается и напряжение разбаланса, возникающее в нулевой диагонали, подается на регулятор тока источника питания, изменяющий его значение до восстановления баланса. В точках А и Б появляется разность потенциалов, и в подвижной обмотке прибора электродинамической системы возникает ток, пропорциональный изменению тока в рабочем терморезисторе А/, а в неподвижной обмотке, связанной со схемой питания рабочего моста, ток уменьшается и становится пропорциональным току 1„ - А/, где Iq - ток в рабочем терморезисторе при начальном балансе моста. В результате взаимодействия магнитных полей, создаваемых токами в подвижной и неподвижной катушках прибора, подвижная катушка поворачивается на угол, пропорциональный произведению (21„ - - А/) А/, т. е. мощности замещения.

Температурная компенсация в самобалансирующемся мосте осуществляется следующим образом. При изменении температуры окружающей среды следящие системы источников питания рабочего и опорного мостов изменяют токи питания настолько, чтобы Сохранился баланс мостов. Терморезисторы, как правило, идентичны и расположены в одном датчике в непосредственной близости, и новые значения токов практически будут одинаковыми. Следовательно, и токи, протекающие через прецизионные потенциометры, будут одинаковыми. Ток в подвижной обмотке отсчетного прибора по-прежнему будет равен нулю. Таким образом, с помощью опорного моста достигается хорошая температурная компенсация.

Токи смещения рабочего и опорного термисторов могут отличаться на 20 - 30%, поэтому в схеме предусмотрено выравнивание токов, протекающих через потенциометры, с помощью переменного резистора Кз, шунтирующего потенциометр R2, и соответствующие катушки электродинамического прибора. Недостаточная идентичность характеристик терморезисторов по чувствительности все-таки приводит к неидеальности термокомпенсации температурного дрейфа.

В схеме на рис. 3.18 в отличие от выше рассмотренной термокомпенсация обеспечивается тем, что опорный и рабочий мосты питаются от общего источника переменного тока низкой частоты (10 кГц). Благодаря положительной обратной связи рабочий мост при разбалансе из-за изменения рабочей тем-



Рабочий мост

I Опорный мост

Генератор /О кГц

Синхрон -яый de- -

тектор

Рис. 3.18. Схема термокомпенсации мостов от источников переменного тока

пературы будет стремиться к установлению баланса путем уменьшения мощности источника питания. Это приведет к уменьшению мощности питания опорного моста, и его баланс также восстановится.

Оба рассмотренных способа термокомпенсации не полностью исключают температурный дрейф. При внегиних тепловых возмущениях возникает меняющаяся во времени разница температур в области крепления рабочего и опорного терморезисторов, что приводит к дрейфу нуля даже при идентичных термисторах. Дрейф показаний при измерении мощности мостовыми методами можно уменьшить путем термокомпенсации в 5 - 20 раз, причем максимальный эффект можно получить, подбирая термисторы в пары и подстраивая тепловые характеристики головок в целом.

Термостатирование термисторной головки в целом с помощью современных термостатов, позволяющих стабилизировать температуру до тысячных долей градуса, обеспечивает постоянство тока начального баланса моста во всем интервале рабочих температур. Однако и этот метод имеет свои недостатки. Усложняется конструкция головок, и время прогрева, необходимое для получения максимальной точности, достигает 2 ч при нестабильности примерно 1 мкВт/мин.

Мостовые схемы с болометрами практически аналогичны схемам с термисторами. Для измерения уровней мощности свьппе 10 мВт мостовые схемы с болометрами несколько усложняют. Из-за низкой чувствительности и неизбежного разброса сопротивлений болометров в процессе их изготовления оказывается невозможным установить начальныйбаланс моста при заданных значениях постоянного и переменного токов низкой частоты. Поэтому наряду с регулировкой мощности для первоначального подогрева в схеме предусматривают регулировку сопротивлений плеч моста, симметричного плечу, в которое включен болометр. Параллельно с изменением сопротивления в плече моста корректируются цепи

отсчетного устройства для сохранения неизменности его градуировки.

OoqiemHOCTH терморезисторного метода. Терморезисторный метод позволяет создавать измерители малой мощности - от единиц микроватт до десятков милливатт -в диапазоне от метровых до миллиметровых длин волн. Применение пленочных плоских болометров позволяет расширить диапазон измеряемых мощностей до сотен милливатт. Погрешность измерения терморезисторными мостовыми методами определяется следующими основными составляющими:

погрешностью измерения мощности замещения 5i, т. е. погрешностью измерительной схемы. В обычных условиях эта погрешность составляет не более 1%, в то время как экспериментальные данные, полученные на частоте 10 ГГц, говорят о том, что эта составляющая погрешности может достигать 0,1%:

погрешностью определения коэффициента эффективности приемного преобразователя 6/э, которая во многом зависит от точности методов калибровки и собственно калибраторов и составляет по последним данным от 1 до 5 % в зависимости от диапазона частот;

погрешностью температурного дрейфа, которая при наличии высококачественных схем температурной компенсации может не превышать 0,5 мкВт за 0,5 мин;

погрешностью за счет отражения мощности от приемного преобразователя 6 (если в результат измерения вносят поправку на отраженную мощность, то неисклю-ченный остаток погрешности составит не более 0,5%);

погрепшостью рассогласования брд, которая зависит от значений коэффициентов отражения генератора и нагрузки. Эту погрешность рассчитывают но формулам и определяют по фафикам.

С учетом законов распределения составляющих погрешность измерения терморези-сторным методом можно рассчитать по формуле

Z(8i„„,/3) -l-Z(6j„) -1-0,166рс„

= +3

Без учета погрешности рассогласования суммарная погрешность измерения мощности терморезисторными методами составляет от 1,0 до 10% в зависимости от диапазона частот и условий выполнения измерений.



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


0.031