5.1.4 Еталон одиниці напруги на високих частотах

На частотах вище 30-50 МГц схема, показана на рис. 5.3, призводить до дуже значної частотної похибки, тому в цьому діапазоні застосовують інші технічні рішення, хоча метод теплового компарування залишається в основі побудови еталона.

Структурну схема державного еталона Росії в діапазоні ВЧ і УВЧ подано на рис. 5.10 [37].

У цьому варіанті терморезистори включаються в мостову схему, за допомогою якої здійснюється зрівноваження вимірюваної ВЧ напруги напругою постійного струму.

Рис. 5.10. Структурна схема еталона змінної напруги для частот понад 30 МГц

Еталон складається з таких основних пристроїв:

• джерел ВЧ-напруги;

• смугових фільтрів;

• терморезисторного перетворювача напруги;

• урівноваженого моста постійного струму, в одне з пліч якого включений термоперетворювач;

• прецизійного вимірювача постійної напруги.

Принцип дії еталона ґрунтується на опосередкованому визначенні відтвореної напруги змінного струму за результатами прямих вимірювань напруги постійного струму в двох режимах: за відсутності змінної напруги () і за її наявності ().

Методика вимірювань полягає в наступному. Спочатку, при відсутності на вході перетворювача змінної напруги, міст врівноважується і вимірюється падіння напруги постійного струму на терморезисторі. Потім на вхід терморезисторного перетворювача подається змінна напруга. При цьому регулятор струму моста автоматично зменшує струм до досягання балансу моста, після чого вимірюється падіння напруги постійного струмуна терморезисторі. Значення відтвореної напруги розраховується за формулою

, . (5.7)

В еталоні Росії як терморезистор застосований платиновий болометр, у якому термочутливий елемент виконаний із платинового дроту. Болометр включено у спеціальну конструкцію – діодно-болометричну головку, що дозволяє забезпечити паралельне включення терморезистора і вимірювальної головки (пробника) вольтметра, що калібрується, а також підключення до терморезистора напруг змінного і постійного струмів.

Дослідження показують, що частотна систематична похибка термоперетворювачів на терморезисторах, пов'язана з наявністю реактивностей, становить від 0,4 % на частоті 400 МГц до 8,9 % на частоті 1500 МГц (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Частотна похибка термоперетворювача

Для зменшення цієї похибки її визначають за параметрами еквівалентної схеми перетворювача (рис. 5.12) розрахунково-експериментальним шляхом, а потім вносять поправки.

Рис. 5.12. Еквівалентна схема високочастотного ТП на частотах понад 30 МГц

Індуктивність обумовлена тілом термоперетворювача і виводами, ємність – це конструктивна ємність схеми. Реактивний опір ТП можна визначити методом варіації активного опору болометра шляхом зміни робочого опорумоста постійного струму. Якщо при постійній частоті і постійному значенні напруги на вході вольтметра, що повіряється, змінювати опір ТП постійному струмуі визначати при цьому напругуза формулою (5.7), то повинна дотримуватися рівність

.

Вирішуючи це рівняння, можна визначити . Повторюючи процедуру кілька разів для різних значеньможна скласти систему рівнянь відносноі. Рішення системи методом найменших квадратів дозволяє одержати ймовірні значенняйі похибки їхнього визначення.

Для застосовуваних у державному еталоні Росії болометрів БП4-150 отримано значення Гн,Ф. На основі цих значень визначається частотна поправка (у відсотках)

(5.8)

і дійсне значення відтвореної напруги .

НСП еталона практично цілком визначається похибкою знаходження поправки (на частоті 1500 МГц ця похибка оцінюється значенням 6·10^-3).

Друге джерело НСП – наближений характер еквівалентної схеми, наведеної на рис. 5.12. Ця похибка незначна.

Третім джерелом НСП є можлива нееквівалентність заміщення струму ВЧ і постійного струму, зв'язана з розходженням у розподілі теплових джерел у болометрі при проходженні струму ВЧ і постійного струму. Експерименти показують, що ця похибка може досягати декількох десятих відсотка.

Зазначимо, що з метою мінімізації частотної похибки в США створили спеціальний болометр Bolovac. Похибка вимірювання напруги з його допомогою на частотах до 2 ГГц не перевищує 1 %, при 8 ГГц – 4 %. Конструкція Bolovac визнається працездатною аж до частоти 18 ГГц [23].

Державний еталон Росії (рис. 5.13) працює в діапазоні 30 – 3000 МГц, має такі метрологічні характеристики:

діапазон вимірювань, В 0,1 – 1

НСП () 5·10^-4 – 2·10^-2

СКВ () 5·10^-5 – 5·10^-3 .

Наведемо конструкцію термоперетворювача, який використовується в первинному еталоні ВЧ-напруги України [38].

Суть конструкції розробленого ТП полягає в тому, що для перетворення електричної енергії в теплову використовується безреактивний резистор (безкорпусний резистор SMD-типу). З боку, протилежного резистивному шару, приклеєно термістор, який перетворює теплову енергію в електричний параметр – зміну власного електричного опору.

Рис. 5.13. Комплект еталонних терморезисторних перетворювачів еталона

змінної напруги Росії

Еквівалентну схему термоперетворювача наведено на рис. 5.14. Схематично конструкцію перетворювача показано на рис. 5.15.

Вольтметр,

що повіряється

На вимірювальну схему

L

R₂ 1кОм

U_~

~

U₌

R₁

Рис. 5.14. Еквівалентна схема ТП еталона: − навантажувальний резистор;

−паразитна індуктивність резистора; − паразитна ємність, що характеризує електричний зв'язок між резисторомі термістором(0,02 пФ)

Рис. 5.15. Конструкція ТП з резистором

На зріз коаксіальної лінії насаджений цанговий роз’єм, у який вмикається пробник вольтметра, що повіряється (на рисунку пробник не показано). Між обома провідниками коаксіальної лінії безпосередньо на самому зрізі впаяно безреактивний резистор, зображений прямокутником. З боку, протилежного резистивному шару, на керамічну підложку приклеєно термістор, який разом з резистором утворює терморезистор опосередкованого підігріву. Виводи термістора підключаються до пристрою реєстрації (за допомогою фільтруючих ланцюгів). Така конструкція забезпечує малу частотну залежність коефіцієнта перетворення, надійний тепловий контакт резистора з термістором і слабкий електричний зв'язок між ними.

Зазначимо, що паразитні ємності між виводами резистора, а також між виводами і корпусом принципово не впливають на частотні властивості термоперетворювача, оскільки ні змінний, ні постійний струм, які нагрівають резистор, через них не йдуть. Ці ємності лише додатково навантажують джерело сигналу. Таким чином, єдиним джерелом частотної похибки є власна реактивність (індуктивність ) навантажувального резистора, а еквівалентна схема має вигляд, зображений на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Еквівалентна схема

Розглянемо частотну похибку даного ТП, враховуючи, що термоперетворювач реагує на потужність сигналу. Значення потужності при подаванні постійної напруги дорівнює, при подаванні ВЧ-напруги

,

де − опір ТП постійному струму; − опір ВЧ-струму. Оскільки при тепловому компаруванні ми встановлюємо рівність теплових енергій (потужностей), то

або .

Розкладемо праву частину останнього виразу в ряд Тейлора, одержимо

;

;

.

Похибка буде дорівнювати

. (5.9)

Таким чином, для мінімізації частотної похибки треба використовувати резистор з мінімальним , а для кількісної оцінки цієї похибки еталона необхідно якимось чином оцінити значення. Перша задача вирішувалася шляхом вибору спеціального безкорпусного НВЧ резистора серіїSMD, виготовленого за імпульсною технологією. Оскільки напряму виміряти значення безпосередньо у схемі утруднено через паразитні параметри схеми і засобів вимірювання, воно оцінювалося через інформацію фірм-виробників, розрахунки за геометричними розмірами і опосередковані вимірювання. Аналіз значень, одержаних різними методами і розрахунками, дозволяє оцінити її нижче за 1 нГн, а найбільш достовірне значення лежить в інтервалі 0,5-0,8 нГн.

Конструктивно термоперетворювач виконано таким чином, щоб забезпечити включення пробника вольтметра в потенціальну точку терморезистора і забезпечити мінімум реактансів схеми. ТП розміщений в масивному корпусі з термоізоляційних матеріалів (пінопласт, текстоліт) і являє собою термостат з додатковим терморегулюванням.

Реальна електрична схема ТП дещо відрізняється від еквівалентної.

Для запобігання створенню структури електромагнітного поля в місці включення пробника використана симетричне включення терморезисторів в схему ТП (рис. 5.17).

Генератор стабільного струму

Вольтметр, що повіряється

Вольтметр-компаратор

Др

R1 100

R2

С1

Пробник

Вхід

Др

С1

Еталонний вольтметр постійного струму

R1 100

R2

1 к

0,01

Рис. 5.17. Електрична схема термоперетворювача.

Повну структурну схему еталона наведено на рис. 5.18.

Еталон має такі метрологічні характеристики:

діапазон чатот від 30 до 1000 (2000) МГц;

діапазон напруг від 0,1 до 3 В;

відносна НСП від 1·10^-4 до 2,6·10^-3 (у залежності від частоти);

відносна СКВ від 2·10^-4 до 5·10^-4;

розширена невизначеність від 4·10^-4 до 3·10^-3.

Ці характеристики відповідають світовому рівню.

Як вторинний еталон у країнах СНД використовується еталон РЕН-3 (у діапазоні 30 Гц – 2000 МГц, похибка від 7·10^-4 до 1,2·10^-3) (рис. 5.19). В основі цього еталона також лежить метод теплового компарування.

Рис. 5.19. Еталон РЕН-3

Основним видом робочих еталонів 1 розряду є діодні компенсаційні вольтметри (В3-49, В3-59, В3-63), відносна похибка яких становить від 5·10^-4 до 1,5·10^-2 у залежності від частоти і напруги.