Обобщенная схема теплового ваттметра свч поглощаемой мощности.

Обычно тепловые ваттметры - это ваттметры средней и высокой точности. Как правило, они содержат первичный измерительный преоб­разователь (ПИП) и блок измерительный (БИ).

В составе ПИП должны содержаться:

• поглотитель СВЧ энергии,

• термометр, регистрирующий приращение температуры поглотителя,

• нагреватель для выделения известной мощности калибровки.

В составе БИ должны быть:

• вторичные преобразователи (чаще всего усилители),

• устройства сравнения,

• устройства визуализации,

• устройства управления и автоматизации обработки результатов измерений,

• интерфейсы для объединения в систему и т. д.

Рассмотрим обобщенную схему теплового ваттметра (рис.7.2):

Рис. 7.2 Обобщенная схема теплового ваттметра

1 - поглотитель; 2 - термометр; 3 - нагреватель; 4 - ПИП; 5 - БИ; 6 - источник мощности замещения; 7 - устройство сравнения; 8 - автоматическая система замещения или устройство ручной калибровки; 9 - устройство визуализации стрелочное или цифровое; - падающая мощность.

Пусть необходимо измерить мощность, падающую в момент времени на вход теплового ваттметра поглощаемой мощности ; коэффициент отражения ПИП равен , так что в ПИП поглотится . Если поглотитель 1 имеет теплообмен с внешней средой, то рано или поздно (рис. 7.3) установится температура поглотителя , где - начальная температура погло­тителя, - новая установившаяся температура поглотителя, - приращение температуры из-за поглощения СВЧ мощности .

Рис. 7.3 Зависимость температуры и мощности от времени

Приращение тем или иным способом будет преобразовано (далее рассмотрим как это делается) в приращение показаний устройства визуализации, причем полагаем, что .

Пусть теперь вместо в нагревателе 3 выделяется электричес­кая мощность от источника мощности калибровки, в качестве которого используют стабилизатор переменного или постоянного напряжения. При этом , а показания БИ будут . Коэффициенты преобразования и зависят от коэффициентов теплоотдачи поглотителя для и , причем не обязательно .

Очевидно: , .

Если , тогда , а

(7.9)

Величину принято называть калибровочным коэффициентом теплового ваттметра поглощаемой мощности, работающего по методу замещения, а величину называется коэффициентом эффективности . Создатели ваттметров стремятся добиться, чтобы . В этом случае погрешность измере­ния мощности будет минимальной. Если , тогда в паспорте ваттметра обязательно указывают либо значения и , либо значения . Инженер должен рассчитать значение поглощающей мощности по формуле

. (7.10)

7.4 Калориметрические измерители мощности.

Калориметрические измерители мощности КИМ применяют для измерений средних (  Вт) и больших (  Вт) мощностей. Конструктивной особенностью ПИП у КИМ является наличие деталей конструкции для обеспечения хорошего теплоотвода и значительный объем поглотителя. Теплоотвод необходим для того, чтобы поглотитель не перегревался и не изменял своих характеристик от нагрева до 100 С и более. В зависимости от диапазона измеряемых мощностей нужный теплоотвод обеспечивается:

а) тепловым радиатором с естественным воздушным охлаждением (до 2030 Вт - “сухие калориметры”);

б) тепловым радиатором с принудительным воздушным охлади­телем (до 100200 Вт) - (“сухие калориметры с воздушным охлаждением”);

в) поглощением СВЧ мощности потоком жидкости и охлаждение жидкости дополнительным воздушным радиатором с принудительным охлаждением ( ) Вт.

Изменения приращения температуры поглотителя во времени определяется решением дифференциального уравнения теплообмена 1го порядка и представляет собой функцию (рис. 7),

, ; (7.11)

где - это поглощенная мощность СВЧ;

- коэффициент теплоотдачи поглотителя в окружающую среду;

- теплоемкость поглотителя.

Величину τ принято называть постоянной времени, аналогично постоянной времени интегрирующей RС цепочки 1-го порядка. Тепловой расчет численных значений величины Н в сухих калори­метрах является весьма сложной задачей теплофизики. Поэтому на практике величину Н не определяют. Вместо определения Н измеряют экспериментально значения коэффициентов преобразования измерителя относительно мощности постоянного тока или относительно мощности тока низкой частоты (обычно 50 Гц) при помощи нагревателя (3).