Лекция №11 измерение мощности

Вид материала

Лекция

Содержание Измерение проходящей мощности Измерение весьма малой мощности Измерение мощности лазерного излучения Сегнетоэлектрический измеритель мощности Пондеромоторный ваттметр Цифровые ваттметры

Подобный материал:

• Лекция 3, 169.64kb.
• Лекция №15 Тепловые процессы в имс система параметров теплового режима имс, 87.62kb.
• Планов предприятия, их взаимосвязь, 40.37kb.
• Руководство по применению усилителей мощности, когда используются многокаскадные(многоканальные), 669.66kb.
• Vi. Измерение вредных производственных факторов рабочих мест, 43.78kb.
• Основные производственные показатели, 1686.62kb.
• Постановления Правительства Российской Федерации от 31 августа 2006 г. N 529 "О совершенствовании, 20.18kb.
• «измерение», 44.31kb.
• Российское акционерное общество энергетики и электрификации «еэс россии», 1803.99kb.
• Автоматизированные системы контроля и учета электроэнергии и мощности. Типовая методика, 1169.78kb.

Измерение проходящей мощности


По определению, проходящую мощность можно выразить следующей формулой:

(8)

где Р_п и Р_о — мощность падающей и отраженной волн соответственно, а Г_н — коэффициент отражения от нагрузки.

Ваттметр проходящей мощности включают в линию передачи между генератором и нагрузкой; его включение не должно вызывать искаже­ний структуры электромагнитного поля в линии или его ослабления. Несоблюдение этих требований приводит не только к значительной погрешности измерения, но и к нарушению режима работы нагрузки.

Для измерения проходящей мощности применяют методы ответвле­ния, поглощающей стенки волновода, зондовый, пондеромоторный и метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике.

Метод ответвления реализуется с помощью любых ваттметров погло­щаемой мощности в сово­купности с направленны­ми ответвителями. По­следние подробно изуча­ются в технической элек­тродинамике. Здесь отметим, что они характеризуются переход­ным ослаблением С=10lg(Р_П/∆Р_П) и коэффициентом направлен­ности D = 10 lg (∆Р_П/∆Р_О), где Р_п — значение падающей мощности в основном тракте; ∆Р_П и ∆Р₀ — значения ответвленной мощности па­дающей и отраженной волн в измерительном тракте. Коэффициент D обычно составляет 20 ÷ 40 дБ; С = 10 ÷30 дБ.

Одна из возможных схем реализации этого метода приведена на рис. 11.15. Направленные ответвители НО₁ и НО₂ с одинаковыми характеристиками и противоположными ориентациями включены последо­вательно в линию передачи. Ответвленные мощности падающей и отра­женной волн измеряются поглощающими ваттметрами Вт₁ и Вт₂. Результат измерения каждым ваттметром подается на вычитающее устройство ВУ, на выходе которого включен магнитоэлектрический измеритель, градуированный в единицах мощности. Его показания, в соответствии с формулой (8), пропорциональны проходящей мощ­ности.

Метод поглощающей стенки реализуется в конструкции, состоящей из отрезка волновода, часть боковой стенки которого заменена по­глощающей платиновой пленкой. При прохождении по волноводу энер­гии СВЧ-пленка нагревается, ее сопротивление изменяется. Измеритель­ный узел, выполняемый обычно по мостовой схеме, позволяет изме­рить проходящую мощность СВЧ, замещая ее мощностью постоянного токa Метод позволяет измерять малые, средние и большие мощности на участках рабочих диапазонов частот волноводов. Метод прост и надежен. Большим недостатком метода является инерционность и значи­тельная погрешность измерения. Для уменьшения погрешности приме­няют предварительною калибровку на постоянном токе.

Зондовый метод основан на измерении напряженности электромагнитного поля (обычно его электрической составляющей) в несколь­ких точка линии передачи и определении проходящей мощности по известным соотношениям Напряженность поля измеряется зондами, представляющими собой миниатюрные преобразователи с элементами связи. Зонды характеризуются коэффициентом преобразования и амплитудной характеристикой. В большинстве случаев применяют зонды в виде металлических или полупроводниковых термопар, кото­рые погружаются в полость волновода на 0,1—0,2 мм в определенном порядке. Чисто зондов колеблется от двух до восьми. Мощность СВЧ вызывает нагрев термопар, и на их выходных (холодных) концах появ­ляется термоЭДС, пропорциональная проходящей мощности Метод прост, позволяет измерять средние и большие мощности; индикация возможна простым стрелочным прибором. К недостаткам следует отне­сти значительную погрешность (больше 10%), зависимость показаний от точности согласования, узкополосность и необходимость калибровки на рабочих уровнях мощности.

Пондермоторный метод обеспечивает высокую точность (погрешность меньше 1 %), однако ваттметры малонадежны, неудобны в ра­боте. Метод используется преимущественно в метрологических исследо­ваниях.

Измерение мощности преобразователями Холла . Прямое перемножение при измерении мощности можно также получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла.

Если специальную полупроводниковую пластину, по которой течет ток I (показан пунктиром на рис. 11.16, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью Н (ин­дукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям протекающего тока I и магнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла), определяемая как



где k — коэффициент пропорциональности.

Согласно теореме Умова-Пойнтинга, плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяется век­торным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля: П=[Е^.Н]. Отсюда, если ток I будет функцией электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряже­ния от проходящей мощности: U_x=gP, где g—постоянный коэффициент, характеризующий образец — частоту и пр. Для измерения такой мощности пластину полупроводника (пластинку Холла—ПХ) помещают в волновод, как показано на рис. 11.16, б.

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

• может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;

• высокое быстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении импульсной мощности.

Однако практическая реализация ваттметров на эффекте Холла — доста­точно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее, существуют ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.

Ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока. Из курса физики известно, что под воздействием электрического поля в полупро­воднике увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей заря­да (электронов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры отно­сительно температуры кристаллической решетки материала. Это явление в тео­рии полупроводников называемся разогревом носителей зарядов.

Если осуществить неоднородный «разогрев» полупроводниковой пласти­ны, то должен возникнуть поток носителей зарядов из «горячей» области в «холодную». Вместе с тем оказывается, что ток в разомкнутой цепи равен нулю. Это обстоятельство свидетельствует о возникновении ЭДС, противо­действующей движению зарядов. Величина такой ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины.

Для усиления эффекта неоднородному «разогреву» следует подвергать полупроводник, концентрация носителей в котором пространственно неод­нородна. Если «разогрев» осуществляется полем СВЧ, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощности СВЧ. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколько порядков меньше времени установления температуры кристаллической решетки, ваттметры на основе разогрева носителей зарядов позволяют непосредственно измерять импульс­ную мощность при длительностях импульсов до 0,1 мкс.

Основными узлами такого ваттметра являются приемный преобразова­тель с полупроводниковым элементом и измерительное устройство с цифро­вым отсчетом.


Измерение весьма малой мощности


В радиотехнической практике иногда возникает необходимость измерения таких малых значений мощности СВЧ, на которые не рас­считаны рассмотренные выше методы и ваттметры, например мощности собственного шума высокочувствительных радиоприемников и антенно фидерных устройств систем космической связи или шумов внезем­ного происхождения, являющихся основной информацией в радиоастро­номии. Если измеряемая мощность больше 10^-12 Вт, то измерение выпол­няют с помощью выпускаемых для этой цели измерителей помех или измерительных приемников с соответствующими диапазоном частот и чувствительностью. Если уровень измеряемой мощности ниже уровня собственных шумов измерительного устройства, то применяют модуля­ционный метод измерения в сочетании с методами сравнения и накоп­ления.

Шумовой сигнал модулируется синусоидальным напряжением низ­кой частоты с помощью модулятора М и модуляционного генератора МГ (рис 11.17) и поступает на широкополосный супергетеродинный СВЧ-приемник. Напряжение промежуточной частоты после детекти­рования с помощью квадратичного детектора Д преобразуется в сигнал низкой частоты, значение которого пропорционально мощности вход­ною сигнала. Этот сигнал проходит через узкополосный селективный фильтр усилитель У, настроенный на частоту модулирующего напряжения, и затем на синхронный детектор СД. С выхода последнего постоянное напряжение поступает на фильтр нижних частот Ф с постоян­ной времени, достигающей десятков секунд, и регистрируется выход­ным магнитоэлектрическим индикатором, градуированным в единицах мощности и kT

Выигрыш в чувствительности оценивают по формуле , где 2∆f — полоса пропускания приемника до детектора, τ — постоян­ная времени фильтра нижних частот. Например, при 2∆f = 8 МГц и τ = 60 с Q = 22 000, т. е. выигрыш в чувствительности превышает четыре порядка Такие высокочувствительные измерители мощности называют радиометрами. Для определения абсолютного значения измеренной мощности радиометр необходимо перед каждым измерением тщательно калибровать, для чего предусмотрен калибровочный генера­тор шумовых сигналов ГШК. Чувствительность радиометров составляет 10^-15 Вт (0,1 kT₀), погрешность ±0,5дБ Число единичных измерений должно быть не менее 10.


Измерение мощности лазерного излучения

Мощность и энергия излучения лазеров — это различные, хотя и тесно связанные друг с другом величины. Мощность и энергию лазерного излуче­ния обычно называют энергетическими параметрами. Лазерное излучение принято характеризовать следующими параметрами:

• мощностью излучения Р при работе лазера в непрерывном режиме;

• энергией излучения одиночных импульсов



где τ_и — длительность импульса излучения;

• средней мощностью в импульсе



• средней мощностью импульсно-модулированного излучения



Здесь Т— период следования импульсов.

Измерения энергии и мощности лазерного излучения не отличаются дос­таточно высокой точностью (ошибки измерения около 2,5 % и редко пони­жаются до 0,5 %).

Мощность и энергию излучения лазеров измеряют различными метода­ми, в том числе и методами, применяемыми для СВЧ-диапазона. Однако их реализация для волн оптического диапазона имеет некоторые отличия.

Для измерения импульсов лазерного излучения с энергией менее 10^-3 Дж применяют вакуумный микрокалориметр с поглотителем в виде миниатюр­ного конуса, изготовленного из медной фольги и имеющего массу около 0,1 г. Измеряемое излучение направляют в поглотитель с помощью короткофокус­ной линзы. Изменение температуры поглотителя регистрируется дифферен­циальной медно-константановой термопарой. Один из спаев термопары ук­реплен на вершине конуса, а другой (холодный) присоединен к траверсе, выходящей наружу через ножку колбы. Конус вклеен в слюдяную пластину, за­крепленную в специальных держателях. При использовании гальванометра чувствительность прибора составляет 0,8 мДж на деление шкалы.

Измеряют энергию лазера и жидкостными калориметрами, подобным рассмотренным выше. Основной недостаток калориметров с датчиками температуры — большое время установления теплового равновесия (едини­цы минут). За это время часть тепла теряется на излучение и конвекцию, что является причиной дополнительных погрешностей измерения уровня погло­щаемой энергии. Этого недостатка лишены жидкостные калориметры для измерения больших энергий излучения, работающие подобно термометрам.

Примером такого калориметра может служить специальный сосуд, на­полненный раствором нитрата меди в ацетонитриле. Концентрацию нитрата меди подбирают так, чтобы коэффициент пропускания ячейки длиной 75 мм составлял 10^-4 для падающей энергии излучения на длине волны рубинового лазера. Сосуд связан с тонким капилляром диаметром 0,1 мм, в который мо­жет выходить жидкость при расширении. Обычно уровень жидкости уста­навливается так, что ее подъему на 25 мм соответствует увеличение изме­ряемой энергии на 2,5 Дж.

Фотоэлектрические измерители лазерного излучения. Фактически любой фотоприемник, выходной сигнал которого пропор­ционален падающему лучистому потоку, позволяет измерять мощность не­прерывного излучения лазеров или энергию их импульсного излучения. Для измерения средней мощности излучения лазеров непрерывного действия применяют полупроводниковые фотоприемники с р-n-переходом. Энергию излучения лазеров, работающих в импульсном режиме, измеряют интегриро­ванием выходного сигнала фотоприемника.

Измерители больших импульсных мощностей лазерного излучения. Большие импульсные мощности часто измеряют с помощью различных эффектов в кристаллах, прозрачных для лазерного излучения.

Сегнетоэлектрический измеритель мощности. При падении излучения на сегнетоэлектрик (пироэлектрик) на кристалле или на последовательно соединенном с ним резисторе удается получить пироэлектрическое напряже­ние, которое можно измерить.

В качестве сегнетоэлектриков применяют титанат бария, титанат свинца, моногидрат сульфата лития и др. Для измерения силы пиротока на противо­положные стороны кристалла напыляют серебряные или золотые электроды (рис. 11.18).

Приемник обычно выполняют в виде цилиндрического конденсатора с круглым или прямоугольным входным отверстием. Сфера состоит из двух полусфер, изготовленных из пироактивной керамики титаната бария и соединенных специальным образом. На внешнюю и внутреннюю поверхности полусфер наносят серебряные электроды, к которым присоединяются тонкие проводники. Для измерения высоких интенсивностей излучения внутреннюю поверхность сферы покрывают тугоплавким слоем с большой отражательной способностью — например, слоем платины толщиной 0,1 мм.

Измеритель мощности излучения с использованием обратного электро­оптического эффекта. Данный эффект состоит в том, что при падении мо­нохроматического излучения на некоторые кристаллы в них возникает поля­ризация. Если такой кристалл поместить в конденсатор специальной формы (рис. 11.19), то измеряемая мощность излучения будет связана с напряже­нием и на зажимах конденсатора определенным соотношением.

Наиболее эффективно использовать полупроводники при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне (например, лазе­ров на СО₂). Верхний уровень измеряемой мощности определяется оптиче­ской прочностью кристалла, которая для пьезокристаллов находится в пре­делах (0,15 ..1) 1010 Вт/см2, что сравнимо с оптической прочностью оптиче­ских стекол лучших марок, используемых в лазерах

Измеритель мощности с использованием обратного электрооптического эффекта содержит прозрачный для измеряемого излучения кристалл; кон­денсатор с помещенным в него кристаллом, с пластин которого снимается напряжение, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера, элек­тронную схему для измерения наведенной ЭДС (как правило, вольтметра амплитудного значения). Для регистрации длительности лазерного импульса при измерении энергии излучения к измерителю мощности может подклю­чаться осциллограф.

Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механиче­ского) измерителя основано на использовании светового давления. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Умова-Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Такие при­боры применяют для измерения энергии и мощности излучения лазеров, работающих как в импульсном, так и непрерывном режимах. Верхний пре­дел измеряемых величин мощности или энергии практически не ограни­чен. Пондеромоторные измерители мощности обладают высокой точно­стью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. Их недостатком является низкая виброустойчи­вость и необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности.


Цифровые ваттметры

Повсеместно внедряемая в последние годы в измерительной технике ав­томатизация процесса измерения распространилась и на средства измерения мощности. Необходимость в автоматизации средств измерения мощности возникла по двум причинам: во-первых, из-за развития автоматических сис­тем контроля и, во-вторых, из-за сложности управления работой, связанной с балансировкой мостовых схем, которые являются основным элементом лю­бого терморезисторного ваттметра.

В цифровых ваттметрах применяют различные типы преобразователей мощности, в том числе и терморезисторные.

Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра дана на рис. 11.20.

Основным элементом схемы ваттметра является микропроцессор. УПТ усиливает выходное напряжение термо­электрического прием­ного преобразо­вателя до значения, обеспечивающего устойчивую работу блока АЦП. Напря­жение, пропор­циональ­ное значению измеряемой мощ­нос­ти, преобразует­ся с помощью времяимпульсного преобразователя (на схеме не показан) в интервал времени, который заполняется импульсами опорной частоты. Число импульсов, пропорциональное измеряемой мощности, отображается на циф­ровом отсчетном устройстве (ЦОУ) или может вводиться в специализирован­ное устройство обработки измерительной информации.

Микропроцессор 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. Калибратор мощности постоянного тока применяется для калибровки циф­рового ваттметра, работающего с преобразователями на средних и больших уровнях мощности. Все узлы ваттметра запитываются от встроенного источ­ника питания постоянного тока.

Приемный преобразователь состоит из отрезка коаксиальной линии (или волновода) со стандартным высокочастотным разъемом, поглощающего эле­мента, термоэлектрического модуля, «образца сравнения». Поглощающий элемент представляет собой тонкопленочный резистор на теплопроводящей (бериллиевой) керамике. Центральным проводником коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавеющей стали, исключающая тепловое влияние 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. В согласующем экране предусмотрено ступенчатое измене­ние диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот.

Термоэлектрический модуль представляет собой диск 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 «образцом сравнения». К выводам термоэлектрического моду­ля припаиваются провода соединительного кабеля. Для защиты модуля от случайных внешних тепловых воздействий используются внутренний и внешний экраны. На внешнем экране укреплены ребра, образующие вместе с экраном радиатор. Применение радиатора позволяет увеличить мощность рассеяния преобразователя.

В цифровом ваттметре благодаря применению микропроцессора осуще­ствляется ряд автоматизированных операций: автоматический выбор преде­лов измерений, автоматическая установка нуля и самокалибровка; кроме то­го, предусматривается выход информации на канал общего пользования при его включении в состав информационно-измерительной системы.


Контрольные вопросы

1. Что собой представляет такая физическая величина, как мощность электриче­ских колебаний?

2. Как записывается аналитическое выражение для активной мощности в случае периодического сигнала?

3. Перечислить основные методы измерения мощностей в различных частотных диапазонах.

4. Объяснить принцип действия электродинамического ваттметра.

5. Какой алгоритм математических операций лежит в основе ваттметра на пере­множителях.

6. Каковы особенности измерения мощности электромагнитных колебаний в диапазоне СВЧ?

7. Как строятся ваттметры поглощающей мощности для диапазона СВЧ?

8. Приведите пример ваттметра поглощающей мощности.

9. В чем заключается терморезисторный метод измерения электрической мощно­сти в СВЧ-диапазоне?

10. Какие типы мостов применяют для измерения мощности с помощью терморе­зисторов?

11. Приведите схему неуравновешенного моста.

12. Приведите схему уравновешенного моста.

13. В чем заключается метод измерения электрической мощности с помощью тер­мопар?

14. На чем основан калориметрический метод измерения мощности?

15. Как работают ваттметры проходящей мощности? Привести примеры.

16. На каком принципе основаны измерители мощности, использующие преобразо­ватели Холла?

17. Как осуществляется измерение мощности с преобразователями Холла?

18. Как работают ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока?

19. Какие методы используются при измерениях мощности и энергии лазерного из­лучения?

20. Объяснить принцип действия цифрового ваттметра по его упрощенной струк­турной схеме.