Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Изсмрованиан ка/юриметрическая /посадка


Изотрованная ка лора метрическая .насадка

Калориметрическое насадка

Измеряемая мощность

Термометр


Каш5ро6ам--

О мая MOUiHocmb постоянного тока ала

о тока низкой частоты

) ) Термометр


MouiHOcmb Г)6ысокой. частоты

тй .известная

г-о мощность низкой, частоты

Рис. 3.27. Основные типы калориметров: а - простой статический калориметр; б - статический калориметр с замещением; в - дифференциальный

калориметр

бавляется нагреватель постоянного тока или низкой частоты (рис. 3.27,6). Другой тип калориметра, в котором также использован метод замещения, состоит из двух насадок, частично изолированных от окружающей среды (рис 3.27, в). Такой калориметр называется дифференциальным. Одна из насадок поглощает мощность, а другая является датчиком опорной температуры, и измерение мощности заключается в оценке разности температур между двумя нагрузками.

Тепловая симметрия системы снижает влияние окружающей температуры и повы-щает чувствительность калориметрического метода.

Недостаток адиабатических калориметров заключается в необходимости периодического отключения мощности СВЧ от нагрузки. От этого недостатка свободны так называемые проточные калориметры.

Основными элементами проточного калориметра являются нагрузка для преобразования электромагнитной энергии в тепловую энергию в жидкости, устройство, обеспечивающее циркуляцию жидкости, и средства для измерения температуры. Измеряемая мощность зависит от скорости поглощения энергии и определяется равенством

P = kvBcAT, (3.11)

Регулятор потока

Измеряемая мощность О О


О о

Измеряемая разность температур

где к = 4,187; v - скорость протекания жидкости через нагрузку; В - плотность жидкости; с - удельная теплоемкость жидкости; AT - разность температур.

Основная схема проточного калориметра показана на рис. 3.28, а. В этой системе жидкость с вполне определенной скоростью протекает через нагрузку; температура жидкости повышается за счет передачи тепла от нагрузки. При точных измерениях необходимо знать несколько параметров: скорость потока, удельную теплоемкость протекающей жидкости во всем интервале рабочих температур. Кроме того, должны быть известны и другие параметры, не входящие в (3.11), такие, как скорость тепловых потерь из системы и повышение температуры протекающей жидкости, обусловленное трением.

Проточный калориметр, основанный на применении метода замещения (рис. 3.28,6), состоит из тех же элементов, что и обычный, но имеет дополнительную нагрузку для ввода мощности постоянного тока или переменного тока низкой частоты. При использовании метода замещения необходимость знания скорости потока, температуры, плотности и удельной теплоемкости отпадает.

Таким образом, проточные калориметрические системы можно классифицировать

Регулятор потока 1

Измеряемая мощность О 9


Измеряемая разность температур

Рис. 3.28. Схема проточного калориметра:

Калиброванная мощность постоянного тока, или тока низкой, частоты

а - простой проточный калориметр; б - проточный калориметр с замещением



/Выход охлаждающей, тидкости



Вход охлаждающей жидкости

Выход Воды


Выход Воды

Вход Вовы Вхов Воды \


Выход Воды


\Вход Воды

Рис. 3.29. Конструктивные особенности нагрузок проточных калориметров

в соответствии с типом системы циркуляции жидкости (открытой или замкнутой), характером подогрева (прямого или косвенного) и методом измерения (истинно калориметрического или замещения). В открытых системах калориметрическая жидкость, которая может быть и водопроводной водой, используется только один раз. Постоянство скорости потока обеспечивается наличием приподнятого резервуара с постоянным уровнем жидкости. Специальные вспомогательные устройства подогревают воду до температуры окружающей среды перед поступлением ее в калориметр, улавливают пузырьки воздуха и измеряют расход воды.

В замкнутых системах непрерывная циркуляция жидкости осуществляется насосом.

Протекающая через калориметр жидкость может служить и для поглощения энергии, и для ее охлаждения (прямой метод нагрева) или только для охлаждения (косвенный метод нагрева). Вода применяется в обоих методах из-за ее хороших тепловых свойств и высоких диэлектрических потерь на частотах выше 1000 МГц. На частотах ниже 1000 МГц эти потери уменьшаются, и в воду добавляют хлористый натрий, эти-ленгликоль или глицерин. Эти присадки улучшают поглощающие свойства. Косвенный метод подогрева более гибок, так как в нем отделены функции переноса тепла от функции поглощения электромагнитной энергии и согласования с трактом, что позволяет расширить как частотный, так

и динамический диапазон метода. Кроме того, он проще позволяет реализовать метод замещения.

Проточные системы применяются для измерения больших и малых уровней мощности с погрешностью не хуже 1-2% и времени измерения в пределах от нескольких секунд до нескольких минут.

Калориметрические нагрузки проточных калориметров в зависимости от диапазона частот и условий согласования с передающим трактом могут иметь различнью конструктивные особенности (рис 3.29). Нагрузка коаксиального типа (рис 3.29, а) представляет собой цилиндрический пленочный резистор, заключенный в металлический экран экспоненциальной формы, который омывается жидкостью, либо объемную нагрузку, у которой часть коаксиала заполнена жидкостью (рис. 3.29,6). Волноводные калориметрические нагрузки, как правило, объемного типа (рис 3.29, в-й).

Для непосредственного измерения малых разностей температур и повышения чувствительности в проточных калориметрах применяют батареи (блоки) дифференциальных термопар, выход которых непосредственно или через усилитель постоянного тока соединен с индикатором. Термопары соединяют последовательно, так что их холодные спаи омываются входными, а горячие - выходными потоками жидкости. Число термопар может достигать неасольких сотен, при этом чувствительность такого



К измерительному



Мощность сравнения

Рис. 3.30. Конструкции нагрузок сухих калориметров: о - волноводная с поглотителем; б - коаксиальная; в - волноводная с нагрузкой сравнения

блока термопар может составить 0,5 В/град.

Конструктивно батарея термопар представляет собой намотанную с определенным шагом катушку из константановой проволоки. Половину каждого витка покрывают тонким слоем меди или серебра. Сопротивление этого слоя должно быть намного меньше сопротивления константана, что повышает чувствительность. Каждый виток представляет собой отдельную термопару.

Нагрузки сухих калориметров по конструкции аналогичны согласованным нагрузкам обычного типа, но с той разницей, что они обладают малой теплопроводностью нагреваемых узлов (рис. 3.30). Чтобы повысить чувствительность, тракт СВЧ между входным разъемом и поглощающим элементом вьшолняют из материала с низкой теплопроводностью. Обычно это трубки из нержавеющей стали с толщиной стенки 20-25 мкм. Для уменьшения потерь мощности СВЧ токопроводящие стенки тракта покрывают слоем серебра или золота толщиной 3 - 5 мкм. Теплоемкость экрана должна быть на 2 - 3 порядка больще теплоемкости калориметрической системы. Чтобы избежать влияния скачков температуры окружающей среды, устанавливают дополнительный экран или выбирают опорную нагрузку с постоянной времени, равной постоянной времени рабочей нагрузки (рис. 3.30, в).

В качестве поглощающей нагрузки в калориметрах могут быть использованы твердые диэлектрики с большими потерями или металлические пленки с большим сопротивлением. Для измерения изменений температуры используются металлические и полупроводниковые термопары, термобатареи, терморезисторы, термометры сопротивления и другие устройства.

Малые размеры волноводных нагрузок

в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов обусловливают небольшие значения полной теплоемкости и постоянной времени, составляющей десятки секунд, что позволяет использовать этот метод без ограничения. В субмиллиметровом диапазоне длин волн часто применяют калориметры с сечением волновода 3,6 X 1,8 мм. Это объясняется тем, что многие генераторные устройства этого диапазона имеют выходной волновод такого же сечения и из-за меньших потерь используются линии передачи в виде волноводов повышенного сечения, в которых необходимо измерять всю проходящую мощность. При необходимости измерить мощность на волноводе меньшего сечения, можно использовать конусный переход и учесть его потери.

Мощность в открытых линиях передачи субмиллиметрового диапазона измеряют с помошью квазиоптических калориметров. При этом энергия поглощается в одной из конусных нагрузок, представляющей собой модель черного тела. Конусную нагрузку изготовляют из меди, а для уменьшения неравномерности распределения температуры ее внутреннюю поверхность покрывают поглощающим слоем. Энергию узких квазиоптических пучков направляют непосредственно в конус, а для пучков, диаметр которых превышает лиаметр основания конуса, используют фокусирующие линзы в зеркале.

Существует ряд сложных проблем, возникающих при конструировании поглощающих нагрузок. По условиям работы высокочастотного тракта рассеивающая среда должна вводиться в линию передачи электромагнитной энергии постепенно, что определяется необходимостью сохранения примерного равенства волнового сопротивления нагруженной и ненагруженной линий. Если это условие выполняется и если длина на-



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


0.0122