Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



3.S. Автоматизация методов измерения мощности

Частотно-импульсный

Преобразователь

Запоминающее

мост j

частота-код

устройство

Схема калибровки

Вход"->-

П ереключатепь

Программно-управляющее устройство

Электронные часы

Арифметическое устройство

Выходное устройство

Рис. 3.66. Схема измерения мощности в автоматической системе контроля

тическим устройством. За счет увеличения интервала времени может быть достигнута высокая разрешающая способность, примерно 10"* Вт.

Применение термоэлектрических и электронных датчиков позволяет использовать более простые алгоритмы преобразования, и измерение мощности сводится к прямому измерению постоянного напряжения, пропорционального измеряемому значению мощности, с помощью цифровых вольтметров, проградуированных в единицах мощности.

Цифровую индикацию в терморезисторных ваттметрах реализуют применением питания мостовой схемы импульсным напряжением или использованием аналого-цифровых преобразователей. Функциональная схема ваттметра с цифровым отсчетом, в котором использован преобразователь напряжение - код, показана на рис. 3.67. На схеме показаны два идентичных равноплечих моста, в один из которых включен рабочий терми-

Ораб

crop, а в другой - опорный. Оба моста питаются от самостоятельных источников постоянного тока, автоматически поддерживающих мосты в состоянии баланса. Если рабочий и опорный термисторы имеют одинаковые характеристики, то при начальном балансе мостов питающие напряжения будут равны. Это равенство нарушается, как только на рабочий термистор будет подана измеряемая мощность. В этом случае


Рсвч = (1/оп + l/pa6)(t/on - ие)/Щ,

(3.21)

где Von - напряжение питания термисторного моста при подведенной к термистору СВЧ мощности; Рза„ - мощность замещения.

Схема прибора обеспечивает операцию

Uon."и раб 200 мкс

200 мкс

Автоматически управляемый источник питания

Uon+-Upa6 -

Upa6

Uon+Upa6

Автоматически управляемый источник питания

Преобразователь

, Генератор мейпдрй 5 кГц

200 мкс

Преобразователь

Электронный ключ

Отсчетное устром: гяо

Фильтр нижних частот

Выход

Aвтosaичёc как установка нуля

на самописец

Рис. 3.67. Функциональная схема ваттметра с цифровым отсчетом



определения замещающей мощности в соответствии с (3.21). Для этого сигнала Uoa ~ - 1/раб И t/on + подводят к двум самостоятельным преобразователям, управляемым генератором меандра 5 кГц. На выходе первого преобразователя сигнал имеет вид меандра, амплитуда которого пропорциональна С/оп - Щаб-. на выходе второго - прямоугольные импульсы постоянной амплитуды, длительность которых пропорциональна t/on + ие- Полученные сигналы поступают на электронный ключ, который выполняет функцию умножения (С/оп -Ь + fpaeXLon - Vpas) И вьщает результат в виде постоянного напряжения или тока. Среднее значение тока на входе отсчетного устройства пропорционально замещающей мощности.

Терморезисторные ваттметры обладают сравнительно большой постоянной времени следящей системы баланса моста из-за того, что в них применяются гальванические индукционные преобразователи и фотоэлектрические усилители. В схеме на рис. 3.67 постоянная времени в 3 раза меньше и составляет примерно 30 мс.

В термоэлектрических ваттметрах на уровне измеряемой мощности до 10 мВт электрическая постоянная времени измерительного блока определяется в основном реакцией усилителя постоянного тока. Чем ниже уровень измеряемой мощности, тем она больше, так как для уменьшения погрешности из-за шума полосу УПТ сужают на нижних пределах измерения. Электрическая по-сто5Шная времени в этом случае может изменяться от нескольких секунд до нескольких миллисекунд. Исходя из этого приходится ограничивать нижний предел измеряемой мощности.

Управляющее устройство

Цифровой индикатор

Приёмный преобразователь

Калибратор мощности постоянного тока

Калибратор мошности переменного тока

Источник питания

Рис. 3.68. Структурная схема ваттметра МЗ-56

Структурная схема цифрового ваттметра МЗ-56 приведена на рис. 3.68. Усилитель постоянного тока УПТ усиливает выходное напряжение термоэлектрического преобразователя до значения, обеспечивающего устойчивую работу АЦП. Напряжение, пропорциональное измеряемой мощности, преобразуется с помощью время-импульсного преобразователя в интервал времени, который заполняется импульсами опорной частоты. Число импульсов, пропорциональное измеряемой мощности, отображается на цифровом индикаторе или может вводиться в устройство обработки измерительной информации.

Управляющее устройство ваттметра содержит элементы автоматического управления режимами работы и дистанционного переключения пределов измерения индикации условного обозначения измеряемой величины. Калибратор мощности переменного тока используется для самокалибровки ваттметра. Он обеспечивает уровень мощности 800 мкВт на нагрузках 200 и 400 Ом. Калибратор мощности постоянного тока применяется для калибровки ваттметра, работающего с преобразователями на средних и больших уровнях мощности. На нагрузке 50 Ом он обеспечивает уровень мошности 80 мВт.

Измерительный преобразователь состоит из отрезка коаксиальной линии со стандартным разъемом, поглощающего элемента цилиндрической формы с согласующим экраном, термоэлектрического модуля, «тела сравнения»), радиатора и вентилятора.

Поглощающий элемент представляет собой тонкопленочный резистор на теплопро-водящей (бериллиевой) керамике.

Центральным проводником коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавеющей стали, вследствие чего исключается тепловое влитие внешней среды на поглощающий элемент. Для уменьшения потерь на СВЧ трубка покрывается медью и серебром. Поглощающий элемент за счет плотной посадки имеет электрический контакт с центральным проводником, другой его конец впаян в согласующий медный экран с серебряным покрытием. Согласующий экран имеет ступенчатое изменение диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот.

Термоэлектрический модуль выполнен в виде диска с отверстием и расположен так, что горячий спай имеет тепловой контакт с внешней поверхностью согласующего экрана в месте пайки поглощающего элемента.



а холодный спай - с «телом сравнения». К выводам термоэлектрического модуля припаиваются провода соединительного кабеля. Для защиты модуля от случайных внещних тепловых воздействий предусмотрены внутренний и внещний экраны. На внещнем экране укреплены ребра, образующие вместе с экраном радиатор. Применение радиатора, обдуваемого вентилятором, увеличивает мощность рассеяния преобразователя до 20 Вт.

В измерителе мощности типа 436 А фирмы Hewlett Packard (США) благодаря применению микропроцессора осуществляется автоматический выбор пределов измерений, автоматическая установка нуля и самокалибровка; кроме того, предусматривается выход информации на канал общего пользования при его использовании в составе измерительной системы. В ближайшие годы применение микропроцессоров в измерителях мощности будет продолжать расти.

3.6. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ

Основу метрологического обеспечения средств измерения мощности составляют Государственные специальные эталоны единицы мощности электромагнитных колебаний в волноводных и коаксиальных трактах и общесоюзные поверочные схемы ГОСТ 8.047-80, ГОСТ 8.073-80, ГОСТ 8.074-73, ГОСТ 8.102-73.

Поверочная схема состоит из четырех звеньев: эталонов, образцовых средств измерений 1-го и 2-го разрядов, рабочих ваттметров.

Для воспроизведения единицы мощности - ватта - используются три государственных специальных эталона. Эталон по ГОСТ 8.073 - 80 предназначен для воспроизведения и хранения единицы мощности не-модулированных сигналов переменного тока в диапазоне частот от 30 до 10000 МГц в коаксиальных трактах. Он состоит из следующих составных частей:

измерительной установки с калориметрическим преобразователем мощности для диапазона частот от 30 до 3000 МГц с пределами измеряемой мощности от 0,1 до 1 Вт в коаксиальном тракте с волновым сопротивлением 75 Ом (сечение 16 х 4,6 мм);

набора из трех болометрических преобразователей для диапазона частот 30- 3000 МГц с пределами измеряемой мощности от 1 до 10 мВт в тракте с волновыми со-

противлениями 50 и 75 Ом (сечения 16 х 4,6; 16 X 6,96; 10 X 4,34 мм);

установки для определения коэффициента преобразования болометрических преобразователей, состоящей из трех микрокалориметров и болометрического моста.

Воспроизведение единицы мощности обеспечивается с погрешностью, выраженной в виде среднеквадратического отклонения результата измерения, равного 0,05 - 0,15% при неисключенной систематической погрешности, не превышающей 0,1 - 0,8% в зависимости от диапазонов частот и измерения. Эталон используется для метрологической аттестации образцовых средств измерений 1-го разряда методом непосредственного сличения или сличения при помощи компаратора с направленным ответвителем, имеющим эффективную направленность не менее 35 дБ.

Образцовые средства измерений 1-го разряда применяются для поверки и градуировки образцовых средств измерений 2-го разряда методом непосредственного сличения или сличения с помощью компаратора с направленным ответвителем с эффективной направленностью не менее 30 дБ.

В зависимости от частоты и значения измеряемой мощности предел относительной допускаемой погрешности средств измерений 1-го разряда составляет от 0,6 до 2,0%.

К образцовым средствам измерений 2-го разряда относятся образцовые ваттметры с пределом относительной допускаемой погрешности от 1 до 4% в зависимости от частоты и значения измеряемой мощности.

Поверка и градуировка рабочих, термисторных и болометрических преобразователей, включенных в мосты посто5Шного тока, производится путем поверки (градуировки) их и самих мостов в соответствии с нормативными документами по поверке мостов.

Поверка и градуировка ваттметров малых, средних и больших уровней мощности производится методом непосредственного сличения или через делитель мощности, который в свою очередь поверяется в соответствии с нормативными документами по поверке аттенюаторов.

На практике ваттметры проходящей мощности удобнее поверять с помощью образцовых ваттметров поглощаемой мощности, ваттметры поглощаемой мощности - по образцовым ваттметрам проходящей мощности (рис. 3.69), хотя не исключаются и другие сочетания.

Погрешность, %, поверяемого ваттметра проходящей мощности при сличении его показаний с показаниями образцового ватт-



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


0.0133