4.12. Измерение токов и напряжений на вч

Измерение токов высокой частоты, как и другие измерения, основаны на особенностях и свойствах измеряемого объекта.

Высокочастотный ток подчиняется следующим общим принципам:

Высокочастотный ток в проводнике распределяется таким образом, что внутренние магнитные поля полностью нейтрализуются.

На высоких частотах силовые линии магнитного поля не проникают внутрь проводника.

На высоких частотах силовые линии магнитного поля направлены по касательной к поверхности проводника. Более строго: “Составляющая магнитного поля, нормальная к поверхности материала с высокой электропроводностью, обращается (почти) в ноль”.

На высоких частотах ток в проводниках распределяется таким образом, чтобы потенциальная энергия магнитного поля, окружающего проводники, была минимальной.

На высоких частотах ток в проводниках распределяется таким образом, чтобы полная индуктивность контура, образованного вытекающим и возвратным токами, была минимальной.

Возвратный ток стремится течь как можно ближе к вытекающему току сигнала.

В печатных платах высокочастотных устройств, где в качестве возвратного проводника используется сплошной опорный слой из проводящей фольги, возвратные токи сигналов текут по близлежащим опорным слоям непосредственно под сигнальными дорожками.

4.13. Термопреобразователи на вч

Приборы с термопреобразованием предназначены для работы в цепях переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя магнитоэлектрического милли – или микроамперметра (рис.3.22, а).

Преобразователь (рис.3.22, б) представляет собой нагреватель 1, по которому протекает измеряемый ток I, и связанную с ним термопару. Во время измерения температура места соединения нагревателя и термопары приобретают значение Т₁, а свободные концы термопары имеют температуру окружающего пространства T₂ . Разность температур вызывает термо-ЭДС , где а – коэффициент пропорциональности, зависящий от материала термопары и ее конструкции. В установившемся состоянии вследствие тепловой инерции температура нагревателя T₁ постоянна и определяется рассеиваемой на нем мощностью. Запишем такое выражение , где k – коэффициент теплоотдачи. Исключив разность температур из выражения и выражения для термо-ЭДС, запишем

,

где - коэффициент пропорциональности; R_н – сопротивление нагревателя; I – среднеквадратичное значение измеряемого тока.

Нагреватель включают последовательно в разрыв измеряемой цепи, а возникающую термо-ЭДС измеряют микроамперметром, работающим как милливольметр. Шкалу последнего градуируют в среднеквадратических значениях измеряемого тока.

Термоэлектрические преобразователи разделяются на контактные и вакуумные. В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопары стеклянной или керамической бусинкой, так что между ними существует только незначительная емкостная связь. Чувствительность у бесконтактного преобразователя ниже чем у контактного. У вакуумного термопреобразователя ниже, чем у контактного. В вакуумном термопреобразователе нагреватель и термопара помещены в стеклянный баллончик.

Нагреватель представляет собой тонкую проволочку из манганина или нихрома. Термопара состоит из разнородных материалов и сплавов, устойчивых при высоких температурах.

Максимальное значение измеряемого тока определяется сечением нагревателя и составляет от единиц миллиампер до десятков ампер. При необходимости измерения токов больших значений применяют трансформаторы тока. Максимальная частота измеряемого тока зависит от сечения нагревателя и его длины и при минимальных размерах достигает сотен мегагерц.

В метрологической практике всех стран наибольшее распространение получили вакуумные бесконтактные термоэлектрические одно- и многоэлементные преобразователи тока. Горячий спай в них отделен от нагревателя изоляционной бусинкой. Их преимущество состоит в конструктивной развязке термопары от нагревателя, в результате чего существенно уменьшается частотная погрешность, поскольку проникновение тока ВЧ в цепь термопары практически отсутствует. Эти преобразователи непрерывно находятся в процессе усовершенствования.

В настоящее время наиболее широко используют одноэлементные вакуумные термопреобразователи типа ТВБ-1...ТВБ-7, которые разработаны и освоены в серийном производстве в 60-х годах прошлого столетия и выпускаются по отдельным заказам до сих пор. Основные технические характеристики этих ТП приведены в таблице 1.

Таблица 3.1 Основные технические характеристики ТП типа ТВБ

Тип термо- пре- образо- вателя	Номи- наль- ный ток нагре- вателя, мА	Номи- нальная ЭДС термо- пары, мВ	Номи- нальное сопротив- ление на- гревателя, Ом	Материал нагревателя	Размеры нагревате- ля, мм		Емкость между нагрева- телем и термопа- рой, пФ	Сопро- тивле- ние бу- синки, Ом, (х 10-12)
					диа- метр	дли- на
ТВБ-1	1	2,5	600	Бористый чугун	0,01	4	0,7	23
					0,01	4	0,7
ТВБ-2	3	5	200	Бористый чугун	0,01	3,8	0,7
ТВБ-3	5	10	150	Бористый чугун	0,02	3,8	1,0
ТВБ-4	10	12	60	Нихром	0,02	4	1,0
ТВБ-5	30	12	13	Нихром	0,03	4	1,0
ТВБ-6	50	12	7	Нихром	5	4	1,0
ТВБ-7	100	12	3	Нихром	0,04 2

Основные недостатки ТП:

• низкие значения термо-ЭДС;

• большая постоянная времени;

• значительная температурную зависимость;

• заметная частотная погрешность при частотах выше 100 кГц;

• зависимость показаний от полярности постоянного тока.

К достоинства термоэлектрических приборов следует отнести независимость показаний от формы кривой измеряемого тока.