Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



грузки достаточно велика, то вся мощность будет поглощаться в нагрузке без необходимости дополнительного согласования

Важно также, чтобы рассеивание тепла бьшо равномерным по всей длине рассеивающей среды. Нарушение этого условия приводит к чрезмерному перегреву ограниченных участков нагрузки, что в свою очередь приводит к появлению погрешностей, связанных с явлениями местной теплопроводности, радиацией или другими эффектами. Большие погрешности возникают в случае перегрева воды до такой степени, что в ней образуются пузырьки пара. Чтобы избежать образования областей застоя, калориметрическая жидкость должна полностью перемешиваться в течение всего времени прохождения через нагрузку. Для уменьшения утечки тепла из калориметрической жидкости до измерения ее температуры эту жидкость следует заключить в кожух, стенки которого обладают малой теплопроводностью. Чтобы уменьшить тепловую постоянную времени, уменьшают объем жидкости, подвергающейся воздействию электромагнитной энергии.

На рис. 3.31 показана коаксиальная нагрузка для диапазона длин волн от 10 до 30 см. Диэлектрическая проницаемость воды для этого диапазона частот равна примерно 80, и волновое сопротивление линии при за-лолнении ее водой уменьшается примерно в 9 раз. Согласование нагрузки с линией передачи осуществляется при помощи конического вкладьпла, изготовленного так, чтобы обеспечить согласование во всем интервале рабочих частот.

На рис. 3.32 приведена конструкция во-лноводной нагрузки, состоящей из стеклянной трубки, обладающей малыми потерями. Наклонное расположение трубки в волноводе и некоторое уменьшение ее диаметра по направлению к входному концу нагрузки обеспечивают согласование в широком диапазоне частот и позволяют получить достаточно равномерное распределение мощности

Волновод Стеклянная труБна .Вход воды

Вход в Ч


Клиновидный вкладыш

Рис. 3.32. Волноводная нагрузка со стеклянной трубкой

по всей длине водяной трубки. Вода занимает небольшую часть поперечного сечения волновода, и поэтому такая нагрузка должна иметь длину, обеспечивающую необходимое затухание на конце волновода. Преимуществами такой конструкции являются ГфОСТО-та изготовления, малая теплоемкость и хорошее согласование с линией передачи в широком диапазоне частот.

Поглощение электромагнитной энергии в конусной нагрузке зависит от материала внутреннего покрытия и полного числа отражений, которое электромагнитная волна производит до вьгхода из конуса. Это число зависит от угла раскрытия конуса и угла падения электромагнитного излучения при условии, что длина волны излучения намного меньше геометрических размеров конуса. Если предположить, что зеркальный коэффициент отражения поглощающего покрытия не зависит от угла, под которым волна входит в конус, и в конус направляется параллельный пучок излучения, то поглощатель-ная способность такой нагрузки выражается следующей зависимостью:

2Tt/(2JV-H)<fi<2Tt/JV

в = 1-Г + Г[1-Г) sin" {2N + 1) Q/sin Q

2тг/2 (N+l)<n< 27t/(2JV -I-1),

Согласующая секция

Водяная нагрузка


Конус из двуокиси титана

Вход воды Выход воды

Выходводы Вход воды

Рис. 3.31. Коаксиальная нагрузка для диапазона длин волн 10-30 см

где Г - коэффициент отражения внутренней поверхности конуса; JV - полное число отражений; П - раскрытие конуса.

Зависимость поглощательной способности нагрузки от угла раскрытия р при вершине конуса для различных коэффициентов отражения поглощающего покрытия приведена на рис. 3.33.

Различные СВЧ оконечные нагрузки могут быть использованы для измерения мощности калориметрическим методом, если имеется возможность оценивать изменение




Рис. 3.33. Зависимость поглощательной способности нагрузки от угла раскрытия при вершине корпуса

О 15 30 45 еоу

температуры и осуществлять калибровку. Для повышения точности калориметрических методов применяют компенсационные калориметры с постоянной температурой. Особенностью этого метода является то, что в калориметрической системе (рис 3.34) одновременно с одинаковой скоростью протекают два процесса - выделения и поглощения тепла - в соответствии с уравнением

РСВЧ = jo/fo - Blfo,

где Api, Bfo - параметры охлаждающего термоэлемента; /,„ - ток в цепи охлаждающего термоэлемента.

Основными элементами такого калориметра являются отрезок волновода 1, по которому подводится измеряемая мощность, волноводная насадка 2 с объемной нагрузкой 6, термоэлемент 3, холодные спаи которого поглощают тепло, выделяемое в нагрузку, блок термопар 4 для контроля разности температуры между системой и оболочкой, которая-термоизолирована от корпуса 7 калориметра экраном 8.

Достоинством калориметров с компенсацией является неизменность параметров системы, потому что она всегда находится при температуре, близкой к температуре окружающей среды, вследствие чего теплообмен со средой минимален.

Для проверки и калибровки в процессе эксплуатации служат обмотка 5, источник постоянного тока и переменный резистор Л].

Погрешности калориметрического метода, Суммарная погрешность измерения при калориметрических методах измерения мо-

•свч

-ей-

Рис. 3.34. Компенсационный калориметр

жет принимать значения от нескольких десятых долей до единиц процентов. Основными факторами, определяющими погрешность метода, являются: погрешности определения массы рабочего тела - для адиабатических калориметров, расхода жидкости - для проточных; погрешности определения температуры рабочего тела (для метода сравнения ретистрации равенства теплового режима рабочей и опорной нагрузок); погрешности калибровки, замещения, сравнения; неточности определения затухания мощности в тракте; неэквивалентность замещения (сравнения); несоответствие импедан-сов нагрузки и генератора характеристическому сопротивлению линии передачи; изменение температуры окружающей среды; дрейф температуры измерительной схемы.

Составляющие погрешности метода сравнения. 1. Погрешность определения равенства температур рабочей и опорной нагрузок 5j при достаточно большом коэффициенте усиления пренебрежимо мала, и ее можно не учитывать в расчетах.

2. Погрешность измерения мощности сравнения полностью зависит от погрешности устройств, применяемых для измерения мощности постоянного тока, которая на практике лежит в пределах от 0,05 до 0,5%.

3. Погрешность неэквивалентности сравнения 83 обусловливается разным тепловым режимом рабочей и опорной нагрузок 1фи подведении к ним равных мощностей СВЧ и мощности сравнения. Она зависит от конструктивной неидентичности нагрузок, различного распределения теплоты вдоль нагрузок, различия в тепловых потерях. Уменьшение этой составляющей осуществляется применением элементов с малой зависимостью от частоты (например, пленочных резисторов), использованием экранов, исключающих неконтролируемые потери, с учетом поправки в результате измерения. На практике поправку определяют экспериментально, через коэффициент эффективности, который учитывает как неэквивалентность, так и потери в стенках волновода.

Для образцовых калориметров поправки определяют расчетно-экспериментальным путем. Если поправку вводить в виде коэффициента эффективности, то одной из составляющих погрешности метода будет неис-ключенный остаток его определения ЪК

4. Погрешность 84 связана с затуханием мощности в линии передачи, поскольку часть мощности, подводимой к калориметру, поглощается в стенках волновода и превращается в теплоту, которая частично рассеивается в окружающую среду, частично пере-



дается в калориметрическую систему. Значение потерь зависит от длины волны, типа и размеров линии передачи энергии, вида колебаний в волноводе и его длины, шероховатости поверхности и удельной проводимости материала. Коэффициент затухания в прямоугольном волноводе с воздушным заполнением, в котором распространяются колебания типа Ящ, будет иметь вид

01>

ш. пр

(3.12)

где о - удельная проводимость; ц - магнитная проницаемость материала волновода; Zo - волновое сопротивление свободного пространства = 376,7304 Ом); Хв - длина волны в волноводе; X - длина волны в свободном пространстве; Хр - критическая длина волны в волноводе; атлЪ - ширина и высота волновода соответственно; Кша, Кшь. Кшпр -коэффициенты, учитывающие шероховатость поверхности волновода в поперечном (для широкой и узкой стенок) и продольном направлениях соответственно.

Значения коэффициентов шероховатости близко к единице для волноводов с электрополированными поверхностями или для волноводов, изготовленных методом гальванического осаждения на полированные оправки. Чтобы коэффициент затухания, вычисленный по формуле (3.12), соответствовал действительному, в эту формулу необходимо подставить значение проводимости для данной частоты. Если учесть, что проводимость монолитного материала отличается от проводимости слоев, осажденных электрически, то для точных измерений затухание необходимо определять экспериментально.

Поверхностная проводимость трактов может изменяться во времени. Заметим, что затухание в посеребренном волноводе значительно увеличивается после длительного пребывания в атмосфере, вызывающей коррозию. Это происходит из-за того, что поверхность волновода оказывается покрытой сульфидами серебра, проводимость которых намного меньше- проводимости металлического серебра. В то же время непроводящие оксидные пленки (в алюминиевых и медных волноводах) предохраняют их поверхность от коррозии и практически не влияют на затухание.

Погрешность от затухания является систематической с известным знаком, и ее

можно учесть, внеся соответствующую поправку в результат измерения мощности. После этого погрешность, вызванная затуханием в стенках волновода, будет определяться неточностью внесенной поправки.

5. Погрешность, вызванная несоответствием импедансов нагрузки и генератора характеристическому сопротивлению линии передачи в общем виде равна;

Shc - (Ризм Рсогл)/Рсогл ~

= (1-Г„П/(1-ГгГнР)-1,

где Ризм = РвДэ; Рсогл = (РвДэ)(1 1 - ГгГн Р)/

/(11 - I f в Р); Гг, Г„ - коэффициенты отражения соответственно генератора и от нагрузки.

В частном случае, когда генератор согласован, 8„с = - I Гв Р и определяет относительное значение отраженной от нагрузки мощности.

Если неизвестна фаза коэффициентов отражения, то максимальное значение погрешности может быть представлено в следующем виде:

нстйх ~ + Ърщах

где 55= ±2Г„Р5Г„; Ър2\ГЛ\ГЛ

Первая составляющая погрешности (65) является систематической и определяет отраженную мощность. Ее можно учесть, если в результат измерения внести поправку, равную ГнР.После внесения поправки результат измерения будет обладать неисклю-ченным остатком погрешности, обусловленным погрешностью измерения модуля коэффициента отражения 5ГнР.

Вторую составляющую (5р) принято называть погрешностью рассогласования Эта составляющая быстро возрастает с увеличением коэффициентов отражения и может составлять ±8% при Гг = Г„=0,05; КСВН = = 1,5.

6. Погрешность, обусловленная изменением температуры окружающей среды Sg, проявляется при измерении малых уровней в виде дрейфа нуля индикаторного прибора.

7. Погрешность, связанная с наличием дрейфа температуры калориметрического тела, 6, зависит от конструкции и схемы прибора и определяется экспериментально.

С учетом всех составляющих результирующая погрешность измерения мощности

+ 0,165

(3.13)



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


0.027