Контрольная на тему Контрольная работа 110528-01

Контрольная работа по метрологии
Вариант №3

1. Изобразите структурную схему и поясните принцип действия одного из промышленных образцов ваттметра СВЧ-диапазона для измерения малых мощностей. Приведите его основные метрологические характеристики

Широкий диапазон частот, большие пределы значений мощности и различие допустимых погрешностей вызвали применение значительного числа методов измерений и основанных на них ваттметров.
Мощность на высоких частотах (f < 100 МГц) определяют косвенным методом путем измерения тока или напряжения на соответствующих резисторах с известными сопротивлениями. На частотах до 2 ГГц этот метод применяют в виде «метода вольтметра», на основе которого выпускается ваттметр для измерения поглощаемой мощности. В диапазоне СВЧ электромагнитную энергию преобразуют в другой вид энергии, более удобный для измерения. Наибольшее применение находит преобразование электромагнитной энергии в тепловую, на базе которого разработаны методы: калориметрический, терморезисторный (болометрический и термисторный) и термоэлектрический. Находят применение пондеромоторный метод, основанный на механическом действии электромагнитного поля, и метод, основанный на эффекте Холла в полупроводнике.
Любой ваттметр (рис. 1) состоит из приемного измерительного преобразователя ППр, измерительного узла ИУ и отсчетного устройства ОУ. Конструкция приемного преобразователя зависит от метода измерения и диапазона частот. Ваттметры характеризуются коэффициентом стоячей волны (КСВ) входной цепи приемного преобразователя, диапазоном частот, пределами измеряемой мощности, временем установления показаний, эффективностью приемного преобразователя и классом точности.

Измерение поглощаемой мощности

Метод вольтметра и амперметра. Этот метод применяется в том случае, когда при измерении значение тока, проходящего через амперметр и нагрузку, одинаково и напряжения на нагрузке и вольтметре равны. В цепях с распределенными параметрами эти условия выполняются только в определенных местах цепи измеряемого объекта. Амперметр следует включать возможно ближе к нагрузке, так, чтобы расстояние l1 (рис. 2а) было, по крайней мере, в сто раз меньше длины волны ?. При l1/? < 0,01 погрешность от включения не превышает 1 %. Вольтметр нужно включать на расстоянии l2 = n ?/2 от нагрузки, где n– любое целое число; в этом случае напряжение на нагрузке равно напряжению в месте измерения.
При измерении мощности источников энергии (генераторов, радиопередатчиков, усилителей) обычно используют эквивалент согласованной нагрузки RH и один прибор – амперметр или вольтметр (рис. 26, в), а мощность вычисляют по формулам: Р =
или
, где IА и Uv -показания амперметра и вольтметра. Эквивалент нагрузки, рассчитанный на необходимую мощность, подключают непосредственно к выходным зажимам источника. Если при измерении мощности передатчика П допускается излучение, то измеряется ток в антенне, сопротивление которой известно. В качестве эквивалента нагрузки применяют прецизионные резисторы (проволочные, силикатные, карборундовые, углеродистые). При измерении больших мощностей предусматривают принудительное охлаждение нагрузки воздухом или водой.
Выбор измерительного прибора – амперметра или вольтметра – определяется диапазоном частот, значением измеряемой мощности и сопротивления нагрузки, допустимой погрешностью измерения. Так, например, на частотах до 100 МГц при заданной погрешности измерения до ±5 % можно применить термоэлектрический микроамперметр и электронный вольтметр класса точности 1,0 и 2,5 соответственно. Таким образом измеряют значения мощностей до единиц ватт.
На более высоких частотах используют прямопоказывающий ваттметр (рис. 3), в приемном преобразователе которого помещен поглощающий резистор RH с сопротивлением 75 Ом, рассчитанный на включение в коаксиальную линию с помощью коаксиального входа 1. Резистор заключен в экран 2 специальной формы, улучшающий условия согласования ваттметра с линией передачи. В качестве измерительного узла используется диодный пиковый вольтметр 3, отсчетное устройство которого градуировано в единицах мощности. Для расширения пределов измерения пиковый вольтметр подключается к части резистора. Погрешность измерения таким ваттметром составляет 15-20%. Ваттметр измеряет среднюю мощность.
Метод терморезистора. Этот метод основан на измерении сопротивления болометра или термистора, изменяющегося под влиянием мощности СВЧ, поэтому его часто называют болометрическим или термисторным методом.
Болометр представляет собой вольфрамовую или платиновую нить, заключенную в стеклянный баллончик, заполненный инертным газом. Поперечное сечение нити 3-10 мкм, а длина l<0,1?. К нити припаяны выводы для включения в измерительную схему. Допустимая мощность рассеивания для нитевидных болометров находится в пределах от 50 мВт до 2 Вт; чувствительность от 1,5 до 8 Ом/мВт; рабочая частота ниже 1 ГГц; сопротивление нити в холодном состоянии 6-120 Ом. На частотах выше 1 ГГц используются пленочные болометры. Тонкая платиновая или палладиевая пленка наносится в вакууме на подложку из стекла или слюды, соизмеримую с сечением волновода. Для включения в измерительную цепь края подложки покрываются серебром. Пленочные болометры хорошо согласуются с волноводным трактом, их конструкция удобна для включения, и, что очень ценно, они могут применяться до частот миллиметрового диапазона волн. Чувствительность 3-3,5 Ом/мВт при работе на частотах ниже 10 ГГц; на более высоких частотах она снижается. Рабочее сопротивление несколько сот Oм. Температурный коэффициент болометров положительный.
Термистор представляет собой бусинку (или диск) спрессованной смеси окиси марганца, никеля и кобальта, покрытую тонким слоем стекла. Бусинка заключена в стеклянный баллончик между более жесткими выводами, чем впрессованные в бусинку платиновые проволочки. Материал, из которого изготавливают термисторы, является полупроводником, поэтому их температурный коэффициент отрицательный. Чувствительность термисторов много выше чувствительности болометров – до 100 Ом/мВт; они широко применяются для измерения малых и очень малых мощностей на частотах до 78 ГГц. Сопротивление термисторов в холодном состоянии