Измерение мощности преобразователями Холла

Прямое перемножение при измерении мощности можно также получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла. Если специальную полупро­водниковую пластину, по которой течет ток I (показан пунктиром на рис. 11.7, 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):

Uх = k(EH), (11.3)

где k — коэффициент пропорциональности.

Рис. 11.7.Эффект Холла: а — возникновение эффекта в электромагнитном поле; б — принцип измерения мощности в волноводе

Согласно известной в физике теоремы Умова-Пойтинга, плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля опре­деляется векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля:

Р = [ЕхН].

Отсюда, если ток I будет функцией элек­трической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения от проходящей мощности:

U_x = rР,

где r — постоянный коэффициент, характеризующий образец - частоту и пр.

Для измерения такой мощности пластину полупроводника (пластинку Хол­ла — ПХ) помещают в волновод, как показано на рис. 11.7, б.

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следую­щими достоинствами:

- может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;

- высокое быстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении импульсной мощности.

Однако практическая реализация ваттметров на эффекте Холла — достаточно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее, суще­ствуют ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10%.

Классификация

В соответствии с классификацией видов приборов для измерения мощно­сти разделяют:

M1 - установки или приборы для поверки вольтметров.

М2 - ваттметры проходящей мощности (приборы для измерения мощно­сти сигналов, проходящих в линиях передачи).

МЗ - ваттметры поглощаемой мощности (приборы, включаемые на конце линии передачи для измерения мощности сигналов, поглощаемых на входе прибора).

М5 - преобразователи приемные (головки)

В зависимости от метода измерения мощности различают следующие ос­новные типы ваттметров:

- калориметрические;

- терморезисторные;

- термоэлектрические;

- импульсные.

К основным нормированным характеристикам ваттметров относятся:

- пределы измерения мощности (дина­мический диапазон),

- рабочий диапазон частот,

- основ­ная погрешность,

- коэффициент эффективно­сти приемного преобразователя,

- входной импеданс.

Пределы измеряемой мощности (дина­мический диапазон) обычно выражают в де­цибелах относительно уровня 1 мВт. Ватт­метры поглощающего типа имеют динами­ческий диапазон, не превышающий 30 — 40 дБ. Его расширяют с помощью сменных измерительных преобразователей или внеш­них делителей (аттенюаторов, направленных ответвителей).

Рабочий диапазон частот выражается в гигагерцах. Как правило, ваттметры рабо­тают без перестройки по частоте. Расшире­ние частотного диапазона достигается при­менением измерительных преобразователей, у которых основная погрешность не превы­шает класса точности, определенного для данного типа ваттметра.

Основная погрешность является важней­шей метрологической характеристикой. Она определяется методом непосредственного сличения с показаниями образцового ватт­метра в нормальных условиях или рассчиты­вается по отдельным составляющим, полу­ченным поэлементной поверкой. В рабочих условиях, отличающихся от нормальных, по­грешность ваттметров изменяется под дей­ствием окружающей среды. Для учета влия­ния этих факторов действующие ГОСТ вводят такой параметр, как дополнительная погрешность, обусловленная изменением от температуры, напряжения питающей сети и т. п.

Коэффициент эффективности приемного преобразователя ваттметра характеризует его с точки зрения потерь в стенках отрезка передающей линии, потерь излучения, а так­же неэквивалентностью замещения мощно­сти СВЧ мощностью постоянного тока не­посредственно в чувствительном элементе. Применительно к терморезисторным пре­образователям коэффициент эффективности представляет собой отношение замещающей мощности СВЧ к мощности, поглощаемой в приемном преобразователе.

Входной импеданс ваттметров погло­щаемой мощности не равен характеристиче­скому сопротивлению линии передачи, по­этому и мощность, рассеиваемая в ватт­метре, отличается от номинальной мощно­сти источника, которая отдается в согласо­ванную нагрузку.

Цифровые ваттметры

Широко внедряемая в последние годы в измерительной технике ав­томатизация процесса измерения распространилась и на средства изме­рения мощности. Необходимость в автоматизации средств измерения мощности возникла по двум причинам: во-первых, из-за развития авто­матических систем контроля и, во-вторых, из-за сложности управления работой, связанной с балансировкой мостовых схем, которые являются основным элементом любого терморезисторного ваттметра.

В цифровых ваттметрах применяют различные типы преобразовате­лей мощности, в том числе и терморезисторные.

Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра приведена на рис. 11.9.

Основным элементом схемы является микропроцессор. Усили­тель постоянного тока (УПТ) усиливает выходное напряжение термо­электрического приемного преобразователя до значения, обес­печивающего устойчивую работу блока АЦП. Напряжение, пропорцио­нальное измеряемой мощности, преобразуется с помощью времяимпульсного преобразователя (на схеме не показан) в интервал времени, который заполняется импульсами опорной частоты. Число импульсов, пропорциональное измеряемой мощности, отображается на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ) или может вводиться в специализирован­ное устройство обработки измерительной информации.

Рис. 11.9 Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра

Микропроцессор ваттметра содержит элементы автоматического управления режимами работы и дистанционного переключения преде­лов измерения индикации условного обозначения измеряемой величины. Калибратор мощности переменного тока используется для самокалиб­ровки ваттметра. Калибратор мощности постоянного тока применяется для калибровки цифрового ваттметра, работающего с преобразователя­ми на средних и больших уровнях мощности. Все узлы ваттметра запитываются от встроенного источника питания.

Приемный преобразователь состоит из отрезка коаксиальной линии (или волновода) со стандартным высокочастотным разъемом, погло­щающего элемента, термоэлектрического модуля, «образца сравнения». Поглощающий элемент представляет собой тонкопленочный резистор на теплопроводящей (бериллиевой) керамике. Центральным проводни­ком коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавею­щей стали, исключающая тепловое влияние внешней среды на погло­щающий элемент. Для уменьшения потерь на СВЧ трубка покрывается медью и серебром. Поглощающий элемент за счет плотной посадки име­ет электрический контакт с центральным проводником. Другой его ко­нец впаян в согласующий медный экран с серебряным покрытием. В со­гласующем экране предусмотрено ступенчатое изменение диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот.

В цифровом ваттметре благодаря применению микропроцессора осуществляются автоматический выбор пределов измерений, автома­тическая установка нуля и самокалибровка; кроме того, предусматрива­ется выход информации на канал общего пользования при его включении в состав измерительной системы.

Профессор кафедры А. Елисеев