Розробка методики повірки ватметра поглинаючої потужності М3-51

1.ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА 

  1.1.Метрологічне забезпечення засобів вимірювання потужності.

   Основу  метрологічного забезпечення засобів  вимірювання потужності здійснюють Державні спеціальні еталони одиниці  потужності електромагнітних коливань в хвильоводах і коаксіальних трактах. Повірочна схема складається з чотирьох ланок: еталонів, зразкових засобів вимірювань першого і другого розрядів, робочих ватметрів.

   Для відтворення одиниці потужності—вата—використовуються три Державні спеціальні еталони. Еталон по ГОСТ  8.073-80 призначений для відтворення і збереження одиниці потужності немодульованих сигналів змінного струму в діапазоні частот від 30 до 10 000 МГц в коаксіальних трактах. Він складається з наступних складових частин:

   вимірювальна установка з калориметричним перетворювачем потужності для діапазону частот від 30 до до 3000 МГц з межами вимірюваної потужності від 0,1 до 1 Вт в коаксіальному тракті з хвильовим опором 75 Ом (перетином 10 x 4,6 мм);

   набору з трьох болометричних перетворювачів для діапазону частот 30 – 3000 МГц з межами вимірюємої потужності від 0,1 до 10 мВт.

 в  тракті з хвильовим опором  50 і 75 Ом (перетином 16 x 4,6 мм; 16 x 6.96; 10 x 4.34 мм);

   установки для визначення коефіцієнту перетворення болометричних перетворювачів, які складаються з трьох мікрокалориметрів і болометричного моста;

   Відтворення одиниць потужності забезпечується з похибкою , яка виражена у вигляді  середньоквадратичного відхилення результатів вимірювань,який дорівнює 0,05 – 0,15% при невиключній систематичній похибці, яка не перевищує 0,1 – 0,8 % в залежності від діапазонів частот і вимірювань. Еталон використовується для метрологічної атестації зразкових засобів вимірювань першого розряду методом безпосереднього звірення або звірення за допомогою компаратора з направленим відгалужувачем, який має ефективну спрямованість не менше 35 дб.

   Зразкові  засоби вимірювань першого розряду  застосовуються для повірки і градуювання зразкових засобів вимірювань другого розряду методом безпосереднього звірення або звірення за допомогою компаратора з направленим відгалужувачем з ефективною спрямованістю не менше 30 дБ.

   

   В залежності від частоти і значення вимірюваної потужності межа відносної допустимої похибки засобів вимірювань першого розряду складає від 0,6 до 2,0 %.

   До  зразкових засобів вимірювань другого розряду відносяться зразкові ватметри з межею відносної допустимої похибки

 від  1 до 4 % в залежності від частоти  і значень вимірюваної потужності.

   Повірка і градуювання робочих, термісторних і болометричних перетворювачів,які  ввімкнені в мости постійного струму, здійснюється шляхом повірки (градуювання) їх і самих мостів відповідно до нормативних документів по повірці мостів.

   Повірка і градуювання ватметрів малих, середніх і великих рівней потужності виробляється методом безпосереднього звірення або через дільник потужності, який в свою чергу повіряється у відповідності з нормативними документами по повірці атенюатори.

   

   На  практиці ватметри прохідної потужності зручніше повіряти за допомогою зразкових ватметрів поглинаючої потужності, а ватметри поглинаючої потужності – по зразковим ватметрам прохідної потужності, хоча не виключаються і інші поєднання.

   Похибка %, повіряємого ватметру прохідної  потужності при звіренні його показників з показниками зразкового ватметру поглинаючої потужності, визначається за формулою : 

         δ=(1-Рзр./Р)*100,           (1)

де:

   Р - результат вимірювання з врахуванням  поправок;

   Рзр. – дійсне значення потужності,виміряне зразковим ватметром;

   Похибка %, повіряємого ватметру поглинаючої  потужності при звіренні

 його  показників з показниками зразкового ватметру прохідної потужності, визначається за формулою : 

               δ=(Р/Pзр. – 1)*100. (2) 

  1.2.Методи  вимірювання поглинаючої  потужності.

  Для вимірювання поглинаючої потужності використовуються в основному теплові методи. Перетворення енергії НВЧ в теплову використовується в терморезисторах і калориметричних теплових методах вимірювання поглинаючої потужності.

  Рівняння, що визначає суть даного метода має вигляд:

        Рср=Qт/T=CӨ/T,        (3)                            

де:

  Qт –кількість теплоти, Дж;

  C – теплоємність робочого тіла, Дж/C°;

  Ө – приріст температури робочого тіла, С°;

  T – час, С;

  В процесі перетворювання енергії  електромагнітного поля в теплову  виробляється вимірювання приросту температури робочого тіла шляхом заміщення її потужністю низької частоти або постійного струму,який викликає еквівалентний приріст температури робочого тіла.

    

  Можливість  калібрування теплових вимірювачів  на постійному струмі забезпечує здобуття високої точності. Особливістю цих методів полягає те, що час встановлення показників в основному визначається тепловою інерційністю елементів схеми.

  

  

    Час встановлення теплової рівноваги системи вимірювання пропорційний теплоємності робочого тіла на тепловий опір між ним і середовищем.

    Зменшувати час встановлення показників можна,якщо зменшити ці два впливаючих чинника. Зменшити час вимірювання можна також застосовуючи метод заміщення оснований на допущенні,що потужність яка заміщує і потужність електромагнітного поля створюють однаковий тепловий ефект в робочому тілі. Перед вимірюванням робоче тіло заздалегідь розігрівають постійним або перемінним струмом до певного теплового стану. Потім подають вимірювану високочастотну енергію і подачею постійного (змінного) струму зменшують потужність, що заміщається так, що тепловий стан робочого тіла залишився незмінним. В цьому випадку приріст потужності постійного (змінного) струму, що отримало назву заміщаюче дорівнює вимірюваній потужності. Звідси слідує що при заміщенні сумарна потужність, яка підводиться до робочого тіла, до початку вимірювань і при вимірюванні залишається незмінною. 
 

Це обумовлює  незмінність температури робочого тіла , отже і виключає в деякому сенсі залежність часу вимірювання від теплових характеристик робочого тіла. Метод заміщення широко використовується в терморезисторних і калориметричних ватметрах. 

  1.3.Класифікація  ватметрів і їх  технічні характеристики.

  

  Виходячи  з призначення і конструкції  вимірювачі потужності НВЧ діапазону  підрозділяються на ватметри поглинаючої  потужності, які позначаються М3 – 00, ватметри прохідної потужності М2 – 00 і засоби повірки ватметрів - прилади групи   М1 – 00.Ватметри поглинаючої потужності представляють собою узгоджене навантаження і включаються в кінці НВЧ тракту, наприклад для вимірювання вихідної потужності генератора. Їх називають також ватметрами крайового типу. Саме до класу ватметрів поглинаючої потужності відноситься більшість робочих засобів вимірювань.

  Ватметри  прохідної потужності включають  у розрив тракту між джерелом потужності і навантаженням, тому вони мають НВЧ вхід і вихід. Слід зазначити, що ватметри прохідної потужності виділені в окремий клас не по виду вимірюваної величини, а по способу включення в тракт, ватметри прохідної потужності можуть виміряти, наприклад не проходячу, а падаючу з їх виходу на навантаження потужність. Тому правильно їх називати ватметрами прохідного типу.

  Конструктивно більшість ватметрів НВЧ виконано у вигляді двох окремих вузлів, одним з яких являється первинний  вимірюваний перетворювач, а другий – вимірюваний блок, що містить відліковий пристрій. В склад ватметру можуть входить декілька вимірюваних перетворювачів на різні ділянки частотного або динамічного діапазону. У вимірюваному перетворювачі енергія електромагнітних хвиль перетворюється в теплову і механічну енергію  або електричний сигнал, зручний для подальшого вимірювання низькочастотними приладами. Відомі перетворювачі,  в яких енергія електромагнітних коливань перетворюється в постійний струм, імпульсну напругу, напругу проміжної частоти, зміна опору.

  

  Ватметри НВЧ підрозділяються по виду первинних вимірюваних перетворювачів на теплові, пондеромоторні, електронні, феритові та ін. Ватметри класифікуються на ватметри середнього значення потужності і імпульсні. Більшість ватметрів призначено для вимірювання середнього значення потужності неперервних і імпульсно – модульованих коливань. Усі типи імпульсних ватметрів призначені для вимірювання пікової потужності періодичних радіоімпульсів. Крім того ватметри діляться на ватметри малої – до 10 мВт, середньої (від 10 мВт до 10 Вт), великої потужності – вище 10 Вт.

  

    Вони також підрозділяються по  типу тракту на коаксіальні  і хвильоводні, по точності  вимірювань на класи 2,5; 4,0; 6,0; 10; 15; 25;

  Основними характеристиками ватметрів являються: основна похибка; діапазон частот; діапазон вимірюваних рівней потужності або динамічний діапазон і зв’язані з ним межі вимірювань; тип тракту НВЧ; вхідний опір або параметри узгодження з трактом.

  Імпульсні ватметри крім того характеризуються діапазоном тривалості і частот повторення вимірюваних радіоімпульсів.

  К додатковим характеристикам відносяться  коефіцієнт перекриття(відношення максимальної робочої частоти до мінімальної); час встановлення показників; максимально допустимий рівень потужності; додаткові похибки, що викликаються різними впливаючими факторами, наприклад зміною температури навколишнього середовища в межах робочих значень. 

  1.4.Автоматизація  методів вимірювання  потужності.

  Існуюча в вимірюваній техніці автоматизація  процесу вимірювання поширилася і на засоби вимірювання потужності. Необхідність в автоматизації засобів вимірювання потужності виникла з двох причин: із-за розвитку автоматичних систем контролю і із-за складнощів управління роботою і балансування  
 

  мостових  схем, які являють собою основний елемент будь-якого

  терморезисторного ватметру. 

     R  R

 

Pнвч  RT R Uвих. 

  

  Рисунок 1.- Схема зменшення інерційності термістора. 
 

  Незважаючи  на велику інерційність термістора, можуть бути збудовані схеми  рисунок 1 в яких за рахунок автоматизації ця інерційність зменшиться. В цій схемі термістор ввімкнен в плече моста, одна діагональ якого підключена до входу підсилювача змінного струму, а друга – до його виходу. Параметри схеми відібрані таким чином, щоб міст входив в ланцюг позитивного зворотнього зв’язку підсилювача. При достатньому підсиленні в схемі виникають незатухаючі коливання.

  Сталий  режим роботи схеми характеризується слідуючими залежностями:

  RT = R; Po = PT + Po.c + Pнвч,        (4) 
 
 

де:

  Рт  – потужність,за рахунок якої термістор  нагрівається до температури навколишнього середовища.

  RT – опір термістора.

  Po – потужність, яка відповідає робочій точці термістора.

  Ро.с  – потужність сигналу зворотнього  зв’язку.

  Рнвч  – вимірювана НВЧ потужність.

  В цьому випадку:

        U²/4RT = ;  (5)

        Uoc = 2 .                   (6) 

  Як  слідує із вищеперерахованих виражень вихідна напруга схеми нелінійно  залежить від вимірюваної НВЧ  потужності і від температури  навколишнього середовища, так як на практиці Pнвч<<PT.