Резонансный метод измерения параметров элементов

Резонансный метод измерения основан на настройке в резонанс колебательного контура, включающего образцовый и измеряемый элементы (индуктивности или емкости), и определении его резонансной частоты. Метод применяют для измерения индуктивностей и емкостей на высоких частотах, так как в области низких частот резонансные явления проявляются недостаточно резко, что не позволяет получить высокую точность измерения.

С помощью резонансных схем осуществляют измерение путем замещения, при котором один и тот же эффект (например, резонанс на фиксированной частоте) повторяют дважды: первый раз — с измеряемым элементом, второй — с мерой той же физической природы. За результат измерения принимают значение, равное величине меры при резонансе. Резонансные схемы удобны при точных измерениях относительно малых значений индуктивностей и взаимной индуктивности, емкостей и т.д.

При измерении индуктивности исследуемую катушку подключают к зажимам 1, 2. При этом резонансный контур будет об­разован катушкой измеряемой индуктивности L_x с активными потерями R_Lx и межвитковой емкостью ее проводов C_ljX, а также перестраиваемой эталонной емкостью С_э. Резонанс в контуре на заданной частоте устанавливают изменением величины емкости С_э эталонного конденсатора. Состояние резонанса контура опре­деляют по вольтметру VI, отградуированному в значениях добротности Q. Измерение индуктивности L_x с учетом емкости С, проводят на двух резонансных частотах, которые равны:

9. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

9.1. Общие сведения

Электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Размерность электрической мощности записывается следующим образом: джоуль/сек = ватт. Мощность измеряют в пределах от 10~¹⁸ до 10⁸ Вт во всем частотном диапазоне от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин волн.

Измерение мощности в диапазоне звуковых и высоких частот имеет ограниченное значение, поскольку на частотах до нескольких десятков мегагерц часто удобнее измерять напряжения и токи, а мощность определять расчетным путем. На частотах свыше 100 МГц вследствие волнового характера процессов значения напряжения и токов теряют однозначность и результаты измерений начинают зависеть от места подключения прибора. Вместе с тем поток мощности через любое поперечное сечение линии передачи всегда остается неизменным. По этой причине основным параметром, характеризующим режим работы устройства СВЧ, становится мощность.

На постоянном токе, а также в диапазоне низких, средних и высоких частот используют косвенные методы измерения мощности, т.е. определяют токи, напряжения, фазовые сдвиги и затем вычисляют мощность.

Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность однофазного переменного тока

Электрическую мощность переменного тока можно измерять непосредственно с помощью специальных приборов — ваттметров, или косвенно путем измерения величин, входящих в приведенные соотношения. Принцип действия ваттметров основан на реализации операции умножения. Применяют устройства прямого и косвенного перемножения. Примерами устройств прямого перемножения являются измерительные механизмы ваттметров электродинамической системы.

Прямое перемножение напряжения и тока можно обеспечить с помощью преобразователей Холла, аналоговых интегральных перемножителей и т.д. В устройствах косвенного перемножения произведение величин находят в результате использования таких математических операций, как сложение (вычитание), возведение в степень, логарифмирование, интегрирование и пр. Современные ваттметры на частоты до 1 МГц строятся на основе интегральных перемножителей с использованием термопреобразователей.

Электродинамические ваттметры. При прямых измерениях в диапазонах до нескольких килогерц (1...5 кГц) могут иногда использоваться электродинамические ваттметры. Принцип действия такого ваттметра основан на том, что угол поворота а рамки (со стрелкой) электродинамического прибора пропорционален произведению токов, умноженному на косинус угла ф между ними:

Схема включения катушек ваттметра показана на рис. 9.1, где Л_до6 — добавочное сопротивление. Если параметры ваттметра выбраны так, что R_ao6» Z_H, то ток в подвижной катушке I\ «h, а в неподвижной — I₂ «UjR_m5. Поэтому угол отклонения стрелки ваттметра с учетом (9.4) будет пропорционален активной мощности в нагрузке Р:

Ваттметры на интегральных перемножителях. Интегральный перемножитель сигналов реализует передаточную функцию

где к„ — масштабный коэффициент, а щ и щ — перемножаемые аналоговые сигналы.

Обратимся к упрощенной структурной схеме аналогового интегрального перемножителя двух напряжений (рис. 9.2), в основу принципа действия которого заложен четырехквадрантный метод перемножения двух аналоговых сигналов. В этой схеме приняты следующие обозначения: (+) — сумматор; (-) — вычитающее устройство; (Кв) — устройство возведения в квадрат; {:4) — делитель напряжения на четыре (этот элемент необязателен).

При перемножении двух аналоговых сигналов производятся следую­щие операции:

- суммирование: щ + и₂,

- вычитание: щ - и₂;

- возведение в квадрат: (ы, + и₂)², {щ - и₂)²;

- вычитание квадратов: (щ + и₂)²-(щ - и₂)² - Au\u₂; -деление напряжения на четыре: Ащи₂1\ = щи₂.

В аналоговых перемножителях используются идентичные, со стабильными параметрами нелинейные элементы, имеющие квадратичные характеристики.

Более высокую точность измерения мощности по методу прямого умножения двух сигналов обеспечивает операция интегрирования, которую применяют в прецизионных измерительных преобразователях активной мощности промышленной частоты.

По уровню измеряемых электрических мощностей все измерители мощности делятся на ваттметры малой мощности (до 10 мВт), средней мощности (10 мВт... 10 Вт) и большой мощности (свыше 10 Вт).

9.2. Измерение мощности СВЧ-колебаний

Большое практическое значение имеет измерение мощности на СВЧ. Косвенные методы, изложенные выше, не находят применения, так как токи и напряжения различны в разных сечениях линии передач (стоячие волны) и подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому в СВЧ-диапазоне используются методы преобразования электромагнитной энергии в другие виды, например в тепловую, и последующее измерение мощности преобразованной энергии.

Различают два основных метода измерения мощности СВЧ-колебаний.

1. Измерение мощности источника электромагнитных колебаний (генератора). Согласно общепринятому определению, под мощностью генератора понимают мощность, отдаваемую в согласованную нагрузку (рис. 9.3, а). В этом случае измеряемая мощность полностью рассеивается на некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. Такие измерители мощности называются ваттметрами поглощающего типа. Так как нагрузка должна полностью поглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенном потребителе. Результат измерения будет наиболее точным, если входное сопротивление прибора полностью согласовано с выходным сопротивлением исследуемого генератора или волновым сопротивлением линии передачи.

2. Измерение электрической мощности, выделяемой в нагрузке, полное сопротивление которой может быть произвольно. В этом случае между генератором и нагрузкой включается устройство, преобразующее в

другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линии энергии и не нарушающие процесса передачи (рис. 9.3, б).

Измерение мощности с помощью терморезисторов. Основным методом измерения малых мощностей, на котором построены промышленные ваттметры, является метод измерения проводимости терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энергии. В качестве терморезисторов применяются термисторы и болометры.

Термистор — полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от температуры, а следовательно, от рассеиваемой на нем мощности. Температурная характеристика термистора — отрицательная. Чувствительность высокая — от 10 до 100 Ом/мВт.

Болометр — проволочный или пленочный терморезистор с положительной температурной характеристикой. Болометры менее чувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные, не зависящие от температуры окружающей среды характеристики.

Термистор или болометр помещают внутрь измерительной головки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Изменение величины сопротивления терморезистора измеряется обычно с помощью различных мостовых схем.

Схема неуравновешенного моста представлена на рис. 9.4. Исходное уравновешивание моста (при отсутствии измеряемой мощности СВЧ) обеспечивают схемой температурной компенсации, состоящей из потенциометра R плавной регулировки и вспомогательного генератора Г с частотой выходных колебаний 50... 100 кГц. При равновесии моста ток в измерительной диагонали и показания гальванометра равны нулю. Измеряемую мощность СВЧ Р_вх подают на термистор. Если схема измерителя согласована с генератором, то мощность полностью рассеивается на термисторе. В результате его сопротивление понизится и через гальванометр начнет протекать ток. Шкалу гальванометра градуируют в единицах мощности, используя калиброванный источник постоянного тока Е„_ИТ.

шенные мосты, в которых измеряемую мощность СВЧ сравнивают с калиброванной мощностью постоянного тока. Пример одной из схем измерительного уравновешенного моста с терморезистором представлен на рис. 9.5.

Терморезистор R„ находящийся в головке, включают в одно из плеч моста. Остальными плечами моста являются резисторы R_it R₂, Ri, рав­ные по величине R,₀ — сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Напряжение питания на мост подается через резистор R₄, сопротивление которого велико. Параллельно мосту включен делитель из сопротивле­ний Rj, R₆. Резистор R₆ представляет собой реостат, с движком которого связана отсчетная шкала. От сопротивления R₆ зависит ток через терморезистор, поскольку ток питания моста 1_М = /₀ - 1_Ш, а ток через данный резистор, когда мост уравновешен, I_R = 0,5/_м.

До подачи мощности СВЧ мост сбалансирован за счет двух источников питания: постоянного тока и переменного тока генератора Г. При этом положение движка резистора R₆ такое, чтобы сопротивление R₆ было максимальным, если используется термистор, или минимальным, если используется болометр. При подаче сигнала СВЧ баланс моста нарушается, и его восстанавливают, изменяя ток питания моста (а следовательно, и терморезистора) с помощью сопротивления R₆ источника Е. Для термисторов нужно увеличивать шунтирующее действие, т.е. уменьшать R₆, а для болометров — наоборот. Шкала движка R₆ градуируется в ваттах. Начальная балансировка моста переменным напряжением генератора Г позволяет исключить влияние температуры окружающей среды и сохранить градуировку при старении терморезисторов и их замене.

Промышленные терморезисторные ваттметры имеют общую погрешность порядка 4... 10 %. Погрешности измерения определяются в основном степенью согласованности нагрузки и качеством измерительной головки.

Измерение мощности термопарами. Данный метод измерения основан на регистрации значения термоЭДС, возникающей при нагревании термопары энергией СВЧ. Структурная схема ваттметра состоит из приемного термопреобразователя и измерительной части. Основным элементом преобразователя является блок высокочастотных дифференциальных термопар, одновременно выполняющих функции согласованной нагрузки и дифференциального термометра. В СВЧ-диапазоне чаще применяют термопары в виде тонких металлических пленок, напыленных на диэлектрическую подложку. Основным элементом измерительной части прибора является вольтметр постоянного тока с цифровым дисплеем. К преимуществам термоэлектрических ваттметров следует отнести малую зависимость результатов измерения от колебаний температуры окружающей среды и малое время подготовки прибора к работе. Недостатки таких ваттметров: ограниченный верхний уровень динамического диапазона и недостаточная устойчивость к перегрузкам, ограничивающая допустимое значение средней мощности при измерении импульсных сигналов.

Существенным недостатком термисторных (и болометрических) ваттметров является ограничение максимального значения измеряемой мощности. Известно, что стандартные термисторы способны выдержи­вать без разрушения мощность, не превышающую нескольких десятков милливатт. Уровень измеряемой мощности может быть несколько увеличен, если перед термисторной камерой поместить калиброванный аттенюатор.

Аттенюатор — устройство, у которого выходная мощность Р_вых в заданное число раз меньше входной мощности Р_вк. Результат измерения равен показанию прибора, умноженному на коэффициент ослабления аттенюатора к_осл = Р_вх/Р_вых. Аттенюаторы различают по принципу действия (поглощающие, предельные) и конструкции (волноводные, коаксиальные, полосковые). Они бывают с фиксированным или изменяемым коэффициентом ослабления (затухания).

Волноводный поглощающий аттенюатор представляет собой отрезок волновода, внутри которого помещен слой вещества, эффективно поглощающего СВЧ-энергию. Коэффициент ослабления (поглощения) энергии определяется свойствами вещества, а также размерами и расположением поглощающего слоя относительно электрической составляющей электромагнитного поля волновода.

В предельных аттенюаторах используется явление экспоненциального затухания электромагнитного поля вдоль волновода, поперечные размеры которого выбраны меньше критических для рабочей длины волны.

Аттенюаторы с плавным изменением коэффициента затухания и шкалой, проградуированной в децибелах, применяются в приборах, результат измерения которых фиксируется в относительных единицах.

Калориметрический метод измерения мощности. Калориметрический метод измерения мощности отличается высокой точностью. Метод является универсальным и используется во всем радиотехническом диапазоне

Наиболее распространены нагрузки с проточной водой. Мощность, поглощаемая в водяной нагрузке с проточной водой, определяется по разности температур А Г на выходе и входе нагрузки калориметра и по скорости расхода протекающей воды v. Для определения величины уровня мощности пользуются формулой:

P = A,\lcGdAT, (9.6)

где с — удельная теплоемкость жидкости (для воды с - 1); G — расход воды - объем воды, протекающей через нагрузку, см³/с; d — удельная масса поглощающей нагрузки; AT — разность температур на входе и выходе калориметра.

Схема построения калориметрической нагрузки изображена на рис. 9.6. Внутри отрезка волновода 1 закреплен стеклянный конус 2, через который протекает вода. В основание конуса впаяны две трубки З'и 4. Вода входит в трубку 4, а вытекает через трубку 3. Нагрузка соединяется с источником измеряемой мощности соединительным фланцем 5. Заполненный водой конус представляет собой нагрузку с большим затуханием. Разность температур измеряется термопарами, включенными на входе и выходе воды в нагрузку.

Термопары включены встречно, так что индикаторный прибор фиксирует разность температур. Как уже говорилось, калориметрический метод самый точный. Погрешности образцовых калориметров лежат в пределах 1 %, а промышленные калориметры обеспечивают погрешность 5... 10%.

Ваттметры проходящей мощности. Под проходящей мощностью Р_щ понимают разность мощностей падающей и отраженной электромагнитных волн:

Проходящую мощность электромагнитной волны можно измерить рассмотренными ранее ваттметрами, используемыми совместно с направленными ответвителями, или приборами, действие которых основано на использовании физических явлений, не требующих полного поглощения измеряемой энергии. К таким приборам относятся измерители

В волноводных измерителях мощности разделение падающих и отраженных волн СВЧ-энергии удобно производить волноводным направленным ответвителем, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 9.7.

Структура классического направленного ответвителя содержит две волноводные линии: главную А и вспомогательную В. По главной линии распространяется падающая волна от генератора к нагрузке и отраженная от нагрузки к генератору. Вспомогательная линия работает в режиме согласования с обеих сторон. Между главной и вспомогательной линиями имеются общие отверстия в прилегающих стенках. Расстояние между отверстиями равно четверти длины волны, распространяющейся в главной линии. Через отверстия с и d падающая и отраженная волны проникают во вспомогательную линию, но фазовые сдвиги волн, проникших через эти отверстия, таковы, что около отверстия d падающие волны складываются — точка 1, а отраженные — вычитаются и взаимно компенсируются — точка 2. Около от­верстия с, наоборот, складываются отраженные волны — точка 3 и взаимно компенсируются падающие - точка 4. В результате падающая волна поступает на ваттметр, а мощность отраженной волны рассеивается на согласо­ванной нагрузке 5. Таким образом измеряется мощность падающей волны. Измерение мощности отраженной волны, необходимое для определения проходящей мощности, может осуществляться тем же ответвителем, или вторым, развернутым на 180°.

Измерение мощности преобразователями Холла. Прямое перемножение при измерении мощности можно также получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла. Если специальную полупроводниковую пластину, по которой течет ток / (показан пунктиром на рис. 9.8, а), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью магнитного поля Н (индукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям тока и магнитного поля, возникает разность по­тенциалов (эффект Холла):

Поиск по сайту: