Все файлы / Метрология / Лабораторные работы / Лабораторная работа №1

Питание термисторного моста и регулирующего элемента, включенных па-

раллельно, осуществляется от стабилизатора тока. При этом строго постоянная ве-

личина тока, выдаваемого стабилизатором, распределяется между мостом и «РЭ» в

зависимости от сопротивления РЭ.

Начальный баланс моста отмечается индикаторным прибором «ИП», ток че-

рез который в это время равен нулю (после установки нуля ваттметра). Таким об-

разом при начальном балансе вся мощность рассеивается на «МТ».

При нагреве терморезистора мощностью СВЧ баланс моста нарушается и на-

пряжение разбаланса подается на вход УПТ. Усиленное напряжение разбаланса с выхода УПТ поступает на РЭ, ток через который увеличивается, вызывая умень-

шение мощности постоянного тока, выделяемой в терморезисторе. Возрастание то-

ка через РЭ и, следовательно, уменьшение мощности постоянного тока в терморе-

зисторе будет происходить, пока мост не придет в баланс. Таким образом осущест-

вляется автоматическая балансировка моста. Мощность постоянного тока на тер-

морезисторе уменьшается на величину, приблизительно равную поглощенной мощности СВЧ (приближенность этого равенства обусловлена отличием KЭ преоб-

разователя от единицы).

Шкала «ИП» отградуирована в разностях мощностей постоянного тока, опре-

деляемых формулой:

PЗАМ = I12 I 22 RÒ ,

где I1, I2 – ток в терморезисторе при начальном балансе и балансе при наличии мощности СВЧ, RТ – сопротивление терморезистора.

Конструкция ваттметра М3-10А

Ваттметр состоит из блока измерительного Я2М-64 и выносных термистор-

ных преобразователей. На передней панели Я2М-64 расположены:

1)тумблер включения в сеть;

2)индикаторная лампочка «Сеть»;

3)переключатель пределов «пределы измерений»;

4)ручки «установка нуля», «грубо», «точно»;

5)микроамперметр;

6)клемма для заземления (у более новой модификации – на задней пане-

ли).

21

На задней панели расположены:

1)клеммы для подключения преобразователей «термисторный преобра-

зователь»;

2)переключатель рабочих сопротивлений термистора «сопротивление тер-

мистора »;

3)переключатель напряжения сети 220 V, 50 Hz, 400 Hz, 115 V, 400 Hz;

4)предохранитель;

5)разъем подключения шнура соединительного.

Конструкцию волноводных преобразователей М5-40, М5-41 и коаксиальных преобразователей М5-88, М5-89 следует изучить по их техническим описаниям, а в отчете по лабораторной работе привести схематическое изображение преобразова-

теля с объяснением принципа действия и назначения основных деталей.

Блоки измерительные термоэлектрических и диодных ваттметров.

В блоках измерительных термоэлектрических и калориметрических ваттмет-

ров используются более простые алгоритмы, поскольку преобразователи выдают напряжение, прямо пропорциональное поглощенной мощности СВЧ. Пример структурной схемы приведен на рис.8.

Р и с . 8

Напряжение термопары усиливается усилителем постоянного тока (УПТ),

преобразуется в цифру и выводится на цифровое табло прибора. В зависимости от значения коэффициента преобразования преобразователя необходимо регулиро-

вать коэффициент усиления УПТ так, чтобы одно и то же напряжение на выходе УПТ соответствовало бы одной и той же мощности СВЧ. Эту операцию выполняют с применением калибровочной мощности низкой (10 – 30 кГц) частоты. Калибра-

тор НЧ выдает известную строго постоянную НЧ мощность в термопару преобра-

зователя. Коэффициент усиления УПТ регулируют так, чтобы показания индикато-

22

ра были равны мощности НЧ, выделяемой в термопаре. Блок управления обеспечи-

вает автоматический выбор пределов измерения путем автоматического напряже-

ния на выходе УПТ. Так в принципе устроен блок измерительный Я2М-66 одного из наиболее распространенных семейств ваттметров типов от М3-51 до М3-58.

Калибровочные коэффициенты ваттметров.

Как следует из предыдущих материалов, блоки измерительные ваттметров СВЧ измеряют непосредственно либо мощность замещения постоянного тока PЗАМ

в термопаре, либо термо-ЭДС термопары, соответствующую определенной калиб-

ровочной мощности РКАЛ низкой частоты, но не мощность СВЧ непосредственно.

При этом предполагается, что существует некоторый постоянный для данной час-

тоты коэффициент, который связывает мощность замещения PЗАМ или мощность калибровки РКАЛ (что в принципе одно и то же) с мощностью СВЧ, падающей на вход преобразователя. Запишем уже известные соотношения

фициентом ваттметра. В силу того, что Г и KЭ зависят от частоты, имеется зависи-

мость КК от частоты. Если значение КК неизвестно, измерять мощность СВЧ не-

возможно.

Для ваттметров проходящей мощности необходимо точно так же значение ка-

либровочного коэффициента. При этом КК связывает мощность, падающую на нагрузку, с показаниями ваттметра, то есть КК = РПАД/PЗАМ, где под PЗАМ уже понимаются просто показания блока измерительного, отградуированного в значениях мощности.

В данной лабораторной работе предстоит определить калибровочные коэффи-

циенты ваттметров поглощаемой и проходящей мощности в контрольных задани-

ях.

23

Погрешности ваттметров СВЧ.

Мощность СВЧ чаще всего определяется по формуле РСВЧ = РЗАМ/КК. Отсюда следует, что имеются две главные составляющие: погрешность измерения РЗАМ и

погрешность, с которой известен коэффициент КК, зависящий от частоты.

Погрешность измерения РЗАМ обусловлена следующими факторами: система-

тическими и случайными составляющими измерения I или напряжения термопа-

ры, нестабильностью температуры, напряжения сети и т.п.; систематическими со-

ставляющими мощности калибровки РКАЛ; конечным разрешением цифровых и аналоговых индикаторов. Погрешность КК обусловлена неточными измерениями значений коэффициента отражения преобразователей Г, погрешностями калибров-

ки первичных преобразователей по значениям коэффициента эффективности КЭ.

Заметим, что погрешности значений КК обычно в 3-4 раза больше, чем погрешно-

сти блоков измерительных при верхних пределах измерения ваттметра и примерно одинаковы на нижних пределах измерения (при наименьших измеряемых мощно-

стях).

В данной лабораторной работе предстоит оценить случайные погрешности измерений ваттметра М3-10А при двух уровнях измеряемой мощности.

3 Описание лабораторной установки

3.1 Лабораторная установка предназначена для определения значений мощно-

сти или отношений двух значений мощности:

-мощности генератора в режиме непрерывной генерации - НГ;

-средней мощности генератора и импульсной мощности в режиме импульс-

ной модуляции;

- зависимости показаний мощности термисторного ваттметра от внешней тем-

пературы;

- калибровочного коэффициента термисторного ваттметра поглощаемой мощ-

ности;

- калибровочного коэффициента термисторного ваттметра проходящей мощ-

ности;

24

-систематических погрешностей определения отношения мощностей на двух различных портах многополюсника из-за погрешности значений калибровочных коэффициентов;

-зависимости случайных погрешностей измерений от значений измеряемой мощности.

3.2 Состав лабораторной установки, назначение и функции составных частей.

Состав лабораторной установки приведён в таблице 1.

Таблица 1

3.2.1 Генератор В качестве источника излучения применяется генератор Г4-82.

Его основные технические характеристики: 1 Диапазон частот: от 5,6 до 7,5 ГГц.

2 Режим модуляции несущей:

- амплитудная импульсная, внутренняя и внешняя;

-внешняя частотная;

-внутренняя модуляция «меандр». 3 Выходная мощность

-выход mWI не менее 3 ·10-3 Вт (3 мВт);

-пределы регулировки мощности ручкой на соединителе "выход mWI" не ме-

нее 50 дБ, от 3 ·10-3 Вт до 3 ·10-8 Вт;

- пределы регулировки мощности на соединителе "выход" от 3 ·10-3 Вт до 3 ·10-15 Вт (не менее 120 дБ).

4 Встроенный калиброванный аттенюатор (ручка «-dB») по соединителю

«ВЫХОД»: от 0 до 120 дБ.

Разрешающая способность при установке ослабления аттенюатора (-dB) 0,01

дБ.

Управление генератором

1 Установка частоты – ручка «MHz», соединённая с механическим отсчётным устройством настройки частоты генератора.

Разрешение по частоте 0,1 МГц.

2 Установка значения мощности по выходу «выход mWI» ручкой над соеди-

нителем «выход mWI». По часовой стрелке – увеличение мощности. Крайнее по-

ложение против часовой стрелки – минимальная мощность (обычно менее 1,5

мкВт).

26

3 Управление режимом модуляции – кнопочный переключатель слева внизу на лицевой панели (5 кнопок).

4 Включение питания – тумблер «сеть» в левом вернем углу лицевой панели прибора.

3.2.2 Ваттметр проходящей мощности Выход генератора Г4-82 соединяется со входом ваттметра проходящей мощ-

ности (ВПРМ) через коаксиально-волноводный переход (ПВК). Назначение ВПРМ

–измерение мощности, падающей в плоскости I на нагрузку.

Всостав ВПРМ входят:

-волноводный направленный ответвитель (НО);

-ваттметр поглощаемой мощности (ВПМ), присоединённый ко вторичному каналу НО, состоящий из первичного преобразователя (ПП, термисторной головки

4.681.471) и блока измерительного Я2М-66.

К выходу ВПРМ в плоскости I присоединён переменный волноводный атте-

нюатор (А), позволяющий изменять мощность в плоскости II. Совокупность НО+ПП+БИ+А образует ВПРМ с регулируемым калибровочным коэффициентом

(КК).

Управление аттенюатором – ручка на верхней горизонтальной плоскости кор-

пуса. Отсчёт показаний по круговой шкале в делениях. Цена деления не определе-

на.

3.2.3 Ваттметр поглощаемой мощности М3-10А.

К выходу ВПРМ в плоскости II подключён ВПМ типа М3-10А. Он использу-

ется в лабораторной установке для измерения мощности, падающей с выхода ВПРМ на нагрузку. Основные его технические характеристики:

-диапазон измерений мощности от 5 ·10-5 Вт до 10-2 Вт (50мВт ÷ 10мВт);

-диапазон частот (для ПП типа М5-40): от 5,6 до 8,2 ГГц;

-инструментальная погрешность ваттметра без учёта погрешности калибро-

значение предела измерений мощности; PX – измеряемая мощность;

-погрешность значений калибровочного коэффициента ±6%;

-КСВН преобразователя в диапазоне частот не более 1,3.

27

Измеритель мощности М3-10А построен по схеме уравновешивающего пре-

образования. Схема поддерживает автоматически значение сопротивления терми-

стора RT, равное заданному, то есть является замкнутой автоматической системой стабилизации сопротивления термистора с отрицательной обратной связью.

Она изменяет автоматически мощность подогрева термистора постоянным то-

ком в зависимости от внешнего возмущающего воздействия в виде изменения внешней температуры или поглощённой мощности СВЧ.

Устройством сравнения служит мостовая схема (Уинстона), в которой изме-

нение сопротивления термистора RT на значение приводит к появлению напряже-

ния резонанса e в диодном мосте. Напряжение разбаланса моста усиливается и преобразуется в такое изменение тока через термистор, при котором начальный ба-

ланс мостовой схемы восстанавливается.

Материализованной мерой мощности замещения PЗАМ является совокупность меры тока в виде стабилизатора тока подогрева термистора с известным начальным значением I0, значения сопротивления RT, при котором автоматически поддержива-

ется баланс мостовой схемы и измерителя приращений постоянного тока I. Из-

вестные номинальные значения I0, RT позволяют отградуировать шкалу измерите-

ля I в значениях мощности замещения PЗАМ на основе соотношения:

PЗАМ I02 RT (I0 I )2 RT 2I I I 2

Отметим, что при малых значениях I ≤ 0,04 I0 можно с погрешностью, мень-

шей 0,1%, считать, что значение PЗАМ пропорционально результату измерения I,

то есть шкала измерения PЗАМ линейная. Следует, однако, обратить внимание, что шкала измерений PЗАМ в диапазоне до 10мВт у БИ Я2М-64 нелинейная.

3.2.4 Схема блока Я2М-64

Принцип действия блока измерительного Я2М-64 поясняется схемой, приве-

денной на рис.9.

Блок измерительный состоит из уравновешенного термисторного моста «МТ»,

в одно плечо которого включен термистор, расположенный в преобразователе,

вспомогательного генератора «Г» с частотой 3 кГц, стабилизатора тока «Ст» и схе-

мы автоматического управления балансом моста, состоящей из усилителя посто-

янного тока «УПТ», регулирующего элемента «РЭ» – транзистора, в эмиттерную

28

цепь которого в качестве нагрузки включен индикаторный прибор «ИП» с шунта-

ми.

Питание термисторного моста и регулирующего элемента, включенных па-

раллельно, осуществляется от стабилизатора тока. При этом строго постоянная ве-

личина тока, выдаваемого стабилизатором, распределяется между мостом и «РЭ» в

зависимости от сопротивления РЭ.

Начальный баланс моста отмечается индикаторным прибором «ИП», ток че-

рез который в это время равен нулю (после установки нуля ваттметра). Таким обра-

зом при начальном балансе вся мощность рассеивается на «МТ».

При нагреве терморезистора мощностью СВЧ баланс моста нарушается, и на-

пряжение разбаланса подается на вход УПТ. Усиленное напряжение разбаланса с выхода УПТ поступает на РЭ, ток через который увеличивается, вызывая умень-

шение мощности постоянного тока, выделяемой в терморезисторе. Возрастание то-

ка через РЭ и, следовательно, уменьшение мощности постоянного тока в терморе-

зисторе будет происходить, пока мост не придет в баланс. Таким образом, осуще-

ствляется автоматическая балансировка моста. Мощность постоянного тока на терморезисторе уменьшается на величину, приблизительно равную поглощенной

29

мощности СВЧ (приближенность этого равенства обусловлена отличием KЭ преоб-

разователя от единицы).

Шкала «ИП» отградуирована в разностях мощностей постоянного тока, опре-

деляемых формулой

PЗАМ = I12 I 22 RТ ,

где I1, I2 – ток в терморезисторе при начальном балансе и балансе при наличии мощности СВЧ, RТ – сопротивление терморезистора.

3.2.5 Органы управления блока Я2М–64 и их назначение.

Перечень органов управления блока Я2М–64 приведен в Таблицах 2 и 3.

Таблица 2 – Органы управления блока Я2М-64 (передняя панель)