Лабораторная работа №5. «Градуировка коаксиальных ваттметров»

Лабораторная работа №5.

«Градуировка коаксиальных ваттметров»

Введение.

Лабораторная работа №5 имеет цели и задачи, аналогичные поставленным в лабораторной работе №1. Поэтому подготовку к лабораторной работе №5 следует начать с изучения описания лабораторной работы №5 и дополнительно изучить описание лабораторной работы №1.

Отличие лабораторной работы №5 от лабораторной работы №1 и №2 состоит в том, что измерительные задачи относятся к метрологическим измерениям и имеют конечной целью:

- градуировку ваттметров проходящей мощности ВПРМ(РЭ) сличением с рабочим эталоном – термоэлектрическим ваттметром поглощаемой мощности;

- градуировку рабочего (технического) термисторного ваттметра поглощаемой мощности сличением с рабочим эталоном проходящей мощности ВПРМ(РЭ).

Под градуировкой средства измерений (СИ) в радиотехнических измерениях понимают определение зависимости показаний средства измерений от значения амплитуды входной (измеряемой) величины, напряжения (мощности) или от частоты. Чаще всего такая зависимость выражается в виде зависимости коэффициента преобразования (или цены деления шкалы) от значений частоты (частотная зависимость) или амплитуды (нелинейность).

1.  Порядок и методика выполнения лабораторного задания №5/1.

1.1.  Определить зависимость калибровочного коэффициента коаксиального термисторного ваттметра поглощаемой мощности (ВПМ) М3-10А от частоты для одного из преобразователей

М5-31; М5-89; ТГК-3/6, М5-88.

Калибровочный коэффициент выражается отношением показаний в единицах шкалы блока измерительного Я2М-64 к мощности, падающей на вход первичного преобразователя ваттметра.

1.2.  Доопределение измеряемой величины.

Мощность измеряется в диапазоне частот (2,6 – 4,0) ГГц.

Значения частоты, при которых определяется кратные 0,1 ГГц (2,6; 2,7; …4,0)

Диапазон значений мощности , при котором измеряется от [Вт] (0,1 -10 мВт).

1.3.  Тип соединителя: тип III по ГОСТ 13317 (7x3,04) мм.

Значения коэффициента отражения определяются входным сопротивлением нагрузки (преобразователя) на СВЧ, которое образовано двумя параллельно включёнными на СВЧ термисторами, у которых последовательное сопротивление может составлять 150, 240, 400 [Ом].

1.4.  Дрейф нуля измерителя зависит от нестабильности внешней температуры.

1.5.  Требуемые значения случайной погрешности результатов измерений - не более .

2.  Метод измерения.

2.1.  Метод непосредственного сравнения (сличения) с результатами измерения известной мощности СВЧ , падающей на вход ВПМ с выхода рабочего эталона в виде ваттметра проходящей мощности (ВПРМ).

2.2.  Значение мощности рассчитывается по формуле , где - показания ВПРМ, - калибровочный коэффициент ВПРМ ( в соответствии с определением, приведённым в лабораторной работе 5/2).

3. Описание лабораторной установки.

3.1. Схема лабораторной установки представлена на рис.1.

Рис. 1.

1 – генератор; 2 – фидер; 3+4+5 – ВПРМ (3-НО, 4 – первичный преобразователь; 5 - блок Я2М-66; 6+7=ВПМ (6 – преобразователь М5-…, 7 – блок Я2М-24).

3.2. Основные характеристики

3.2.1. Диапазон измерений мощности от до .

3.2.1. Диапазон частот от 2,6 до 4,0 ГГц.

4.  Процедура измерений.

Процедура измерений, представление и обработка результатов полностью совпадают с процедурой применяемой при градуировке ВПРМ по лабораторному заданию 5/2, в котором в качестве ВПМ применяется измеритель мощности М3-54.

4.  Лабораторное задание 5/1.

4.1.  Измерить при рабочем сопротивлении термистора 150 [Ом] (установлено) отношение показаний для всех частот по п. 2.2. Внести результаты в заранее (дома) подготовленную таблицу. результат измерения определяется как среднее трёх значений для каждой частоты.

4.2.  Рассчитать значение калибровочного коэффициента ВПМ по формуле

Значения выдаются преподавателем. Внести результаты в таблицу при Ом.

4.3.  Установить рабочее сопротивление термистора Ом. Повторить все операции пунктов 4.1, 4.2. Внести в таблицу результаты при Ом.

4.4.  Построить график зависимости для двух значений сопротивления [Ом], 400 [Ом]. Расчёты и построение графика выполняются при подготовке отчёта (Домашняя работа).

4.5.  Определить экспериментально случайную погрешность установки на основе обработки ряда измерений.

4.5.1. Установить частоту, при которой показания достигают максимума в пределах (0,75 – 100)% шкалы измерительного блока Я2М-64.

4.5.2. Повторить измерения 10 раз и сформировать таким способом ряд измерений. Внести результаты в заранее подготовленную таблицу.

4.5.3. Рассчитать выборочное среднее квадратическое значение случайной погрешности измерений двумя методами: методом размаха (стр. 22 – 23 пособия «Радиоизмерения») и по формуле Бесселя (стр. 19).

Расчёты производятся при подготовке отчёта (домашняя работа).

Порядок и методика выполнения лабораторного задания №5/2.

«Градуировка ваттметра коаксиального проходящей мощности (ВПРМ)».

Ваттметр проходящей мощности состоит из коаксиального направленного ответвителя и ваттметра поглощаемой мощности М3-51, подключённого к выходу вторичного канала направленного ответвителя (НО). Основными техническими характеристиками ВПРМ являются:

- диапазон измеряемых мощностей падающей с выхода ВПРМ на нагрузку;

- диапазон частот;

- калибровочный коэффициент ВПРМ;

- эффективный коэффициент отражения выхода ВПРМ.

Принцип действия ВПРМ.

Мощность излучения, поступающая на вход ВПРМ частично ответвляется во вторичный канал НО, поглощается преобразователем ваттметра поглощаемой мощности (ВПМ), который подключён как нагрузка к выходу вторичного канала НО, и излучается при помощи ВПМ. Значение мощности , падающей с выхода НО на неотражающую нагрузку связано с - показаниями ВПМ соотношением:

(1)

где - калибровочный коэффициент ВПРМ.

Если нагрузка, подключённая к выходу ВПРМ не идеально согласована, то есть , тогда формула усложняется, так что

,

где - значение комплексного коэффициента отражения нагрузки;

- параметр ВПРМ, который называют эффективным коэффициентом отражения ВПРМ и который определяется соотношением

Где - комплексный коэффициент отражения НО;

- направленность НО; - коэффициент передачи первичного канала НО (от входа 1 к выходу 2).

Параметр наряду с значением и погрешностью значения являются главными, так как минимально достаточны для:

- расчёта результата измерения;

- расчёта погрешности результата измерения.

Очевидно, если значение фазы комплексного коэффициента отражения нагрузки и фазы неизвестны, то применяя формулу (1) для расчёта результата максимальная допускаемая погрешность .

Измерительная задача №1.

1.1.  Определение зависимости от частоты калибровочного коэффициента коаксиального ваттметра проходящей мощности (калибратора мощности) при помощи эталонного измерителя поглощаемой мощности М3-54.

Калибровочный коэффициент выражается отношением мощности , падающей с выхода ВПРМ на согласованную нагрузку, присоединённую к его выходу, к показаниям блока измерительного Я2М-66 в составе ВПРМ

1.2.  Доопределение измеряемой величины.

1.2.1.  Мощность измеряется в диапазоне частот от 26 ГГц до 4 ГГц при фиксированных частотах кратных 0,1 ГГц (2,6; 2,7…3,9; 4,0).

1.2.2.  Диапазон значений мощности сверху не ограничен. Предпочтительно измерения проводить при максимальных значениях .

1.2.3.  Соединитель выхода ВПРМ тип III, ГОСТ 13317 (7x3,04 мм).

1.2.4.  Требуемые значения случайной погрешности результата не более .

1.3.  Метод измерения.

Метод непосредственного сличения двух ваттметров ВПРМ и ВПМ. В этом методе они соединяются так, что вход ВПМ присоединяется к выходу ВПРМ и отсчёты показаний обоих производятся одновременно. В этом задании в качестве рабочего эталона более высокого разряда применяется ВПМ типа М3-54.

За результат измерения мощности принимается полученный ВПМ результат измерения мощности, падающей на его вход. Мощность, падающая на вход ВПМ, определяется по формуле

,

где - калибровочный коэффициент ВПМ М3-54, применяемого в качестве рабочего эталона.

2.  Схема лабораторной измерительной установки

1 – генератор; 2 – фидер; 3+4+5 – ВПРМ, НО + преобразователь ваттметра М3-51 + блок измерительный Я2М-66; 6+7 ВПМ типа М3-54.

3.  Процедура измерений .

3.1.  Исходное положение органов управления

3.1.1.  Генератор – мощность выключена, режим импульсной модуляции ;

3.1.2.  Частота – 4 ГГц;

3.1.3.  Мощность вых mW – крайнее по часовой стрелке - максимальная мощность.

3.2.  Получение результатов.

3.2.1.  Исходные показания блоков Я2М-66 «0».

3.2.2.  Кнопкой НГ включить мощность.

3.2.3.  Отсчитать показания ВПРМ и ВПМ, внести их в таблицу, выключить мощность (кнопка ).

	1	2

Повторить 3 раза операции 3.2.1, 3.2.2, 3.2.3.

Перестроить частоту генератора от = 4 ГГц к = 4,2 ГГц.

3.2.4.  Установить нулевые показания ВПМ, ВПРМ.

Далее повторять операции 3.2.3, 3.2.4, 3.2.2, 3,2,4 для каждой частоты кратной 200 МГц от 4 ГГц до 5,4 ГГц, получать по 3 результата, рассчитать среднее значение для каждой частоты. Построить график зависимости от частоты.

Измерительная задача №2

Определить при двух частотах значения эффективного коэффициента отражения выхода ВПРМ.

4.  Процедура измерений .

4.1.1.  Исходное положение установки. Преобразователь М№-54 отсоединён. Выход ВПРМ в режиме холостого хода (нет нагрузки).

4.1.2.  Частота генератора – 5,4 ггЦ.

4.1.3.  Установить нулевые показания ВПМ, ВПРМ.

4.1.4.  Включить мощность, отсчитать показания ВПРМ

Записать показания в таблицу.

4.1.5.  Выключить мощность.

4.2.  Присоединить короткозамыкатель «КЗ».

Повторить операции 4.1.3, 4.1.4, 4.1.5, 4.1.6.

Определить .

4.3.  Отсоединит «КЗ» присоединить согласованную нагрузку. Повторить операции 4.1.3, 4.1.4, 4.1.5, 4.1.6 с согласованной нагрузкой. Определить .

4.4.  Рассчитать .

4.5.  Повторить операции пунктов 4.1.3, 4.1.4, 4.1.5, 4.2, 4.3, 4.4 при частоте 4,8 ГГц.

4.6.  Повторить 4.1.3, 4.1.4, 4.1.5 3 раза. Определить среднее значение показаний ВПРМ, .

Измерительная задача №3

Определить случайную погрешность результатов измерений .

5.  Методика определения случайной погрешности результатов

5.1.  Для определения среднего квадратического значения результатов провести измерения отношений на частоте, при которой мощность генератора оказалась максимальной по показаниям ВПМ.

5.2.  Сформировать ряд из 10 наблюдений .

Рассчитать среднее значение .

5.3.  Рассчитать значение выборочного СКО.

Перечень вопросов к сдаче лабораторной работы.

1.  Какой метод измерения реализован в термисторном измерителе мощности?

2.  Что служит мерой мощности, материализующей действительные значения мощности с которой сравнивают измеряемую мощность СВЧ?

3.  Ваш измеритель имеет размер коаксиала 7/6,95 мм (7/3,04 мм). Какими значениями частот ограничен диапазон: снизу ( fМИН), сверху ( fМАКС)?

Показать по какой причине.

4.  Для какого типа волны предназначены измерители мощности в коаксиальных трактах?

5.  Дать определение формулой для:

- коэффициента эффективности;

- калибровочного коэффициента;

- коэффициента отражения термисторного измерителя мощности.

6.  Из каких составных частей состоит ваттметр проходящей мощности (ВПРМ) в лабораторной установке? Дать определение формулой для калибровочного коэффициента (КК) ВПРМ. Каким образом можно изменить КК в ВПРМ лабораторной установки?

7.  Перечислить функции составных частей термисторного ваттметра поглощаемой мощности:

- первичного термоэлектрического преобразователя;

- блока измерительного.

8.  Отношением каких величин определяется коэффициент преобразования:

- первичного термисторного преобразователя;

- блока измерительного Я2М-66?

9.  Что является устройством сравнения в термоэлектрическом ваттметре? Какие функции оно выполняет?

10.  По какому из четырёх алгоритмов производится сравнение мощности СВЧ - XИЗМ с мощностью постоянного тока – XД:

- XИЗМ и XД – не преобразуются;

- XИЗМ – преобразуется, XД – не преобразуется;

- XД – преобразуется, XИЗМ – не преобразуется;

- преобразуются обе XИЗМ и XД.

Как называется погрешность из-за неравенства XИЗМ и XД.

11.  По какой схеме преобразования измеряется мощность СВЧ XИЗМ. Нарисовать структуру, участки прямого и уравновешивающего преобразования.

12.  Перечислить преобразования XИЗМ и XД в термоэлектрическом ВПМ.

Написать размерности последовательных коэффициентов преобразования

XВХ = PСВЧ(ПАД)XВЫХ – угловое перемещение (угол поворота стрелки блока измерительного).

PСВЧ – мощность, падающая на вход ВПМ с выхода ВПРМ. Сопротивление в преобразователе ВПМ равно волновому.

13.  Сопротивление термистора в преобразователе ВПМ равно волновому сопротивлению RТ = ZВ

Чему равно полное входное сопротивление в плоскостях I, II, III.

14.  Вы устанавливаете сопротивление термистора (на задней стенке блока) последовательно 240 Ом, 150 Ом, 400 Ом. Как изменяется (больше, меньше):

- мощность постоянного тока, выделяемая в термисторе;

- коэффициент отражения преобразователя;

- калибровочный коэффициент ваттметра.

15.  Вы измерили дрейф ваттметра в определённые моменты времени после включения мощности подогрева термистора. Определите постоянную времени τВ в целом, считая, что зависимость разности средней температуры ваттметра TВ и окружающей среды T0 выражается формулой при ступенчатом изменении значения RТ.

,

где RТ – мощность подогрева термистора [Вт];

Н – коэффициент теплоотдачи преобразователя в окружающую среду [Вт / К];

К – градус Кельвина.

16.  Какое время необходимо для уменьшения дрейфа:

а) в 3 раза;

б) в 10 раз;

в) в 30 раз?

Рассчитать на основе полученных результатов изменения дрейфа нуля.

17.  Чему равен по результатам ваших измерений калибровочный коэффициент ВПРМ при установке лимба (шкалы) аттенюатора с отсчётом показаний по шкале равных: 10, 20, 30, 40, 50?

Выход ВПРМ в плоскости выхода аттенюатора. У ВПМ КК = 1.

18.  Температура окружающей среды изменяется во времени по зависимости

рис. а).

Нарисовать (рис. б), как изменяются показания блока измерительного Я2М-66.

T0 – температура в начальный момент времени t0;

TК – температура в конечный момент наблюдений tК;

N – показания блока.

19.  На вход преобразователя поступает импульсно-модулированное излучение.

Постоянная времени термистора . Длительность импульсов tИ = 10-3с. Скважность последовательности Q = 4. Нарисовать зависимость относительно изменения сопротивления сопротивления термистора от времени (качественную):

а) блок измерительный не включен;

б) блок измерительный включен.

20.  Какими физическими явлениями и параметрами (свойствами) ваттметра ограничен верхний предел измерения мощности ВПМ?

21.  Какими физическими явлениями и параметрами (свойствами) ваттметра ограничен нижний предел измерения мощности ВПМ?

22.  У блока измерительного Я2М-64 шкала 10 мВт – неравномерная (нелинейная), а шкала 0,15 мВт линейная. Дать объяснение этой разнице на основе формулы измерения мощности СВЧ, поглощённой преобразователем ваттметра (письменно).

23.  Температура окружающей среды в момент t0 изменяется как на рис а). Нарисовать:

- как изменяются показания N блока измерительного Я2М-64 – б);

- как изменяется мощность подогрева, выделяемая в термисторе – в).

24.  Рассчитать калибровочный коэффициент и максимальную измеряемую мощность ваттметра проходящей мощности PМАКС, состоящего из направленного ответвителя с термоэлектрическим измерителем М3-51 в боком плече и аттенюатором на выходе, если: А – ослабление аттенюатора; КК – клибровочный коэффициент ваттметра Я2М-64; С – переходное ослабление направленного ответвителя [дБ] равны приведённым в таблице:

	1	2	3
А	3	10	16
С, дБ	13	10	20
КК	0,9	0,95	0,8
КВПРМ

При расчёте потерями в первичном канале ответвителя считать равными нулю (S21= 1).

Варианты:

1	2	3	4
А(1), С(1), КК(1)	А(1), С(1), КК(2)	А(1), С(1), КК(3)	А(1), С(2), КК(1)
5	6	7	8
А(1), С(2), КК(2)	А(1), С(2), КК(3)	А(1), С(3), КК(1)	А(1), С(3), КК(2)
9	10	11	12
А(1), С(3), КК(3)	А(2), С(1), КК(1)	А(2), С(1), КК(2)	А(2), С(1), КК(3)
13	14	15	16
А(2), С(2), КК(1)	А(2), С(2), КК(2)	А(2), С(2), КК(3)	А(2), С(3), КК(1)
17	18	19	20
А(2), С(3), КК(2)	А(2), С(3), КК(3)	А(3), С(1), КК(1)	А(3), С(1), КК(2)
21	22	23	24
А(3), С(1), КК(3)	А(3), С(2), КК(1)	А(3), С(2), КК(2)	А(3), С(2), КК(3)
25	26	27
А(3), С(3), КК(1)	А(3), С(3), КК(2)	А(3), С(3), КК(3)

Номера вариантов расчёта по вопросу 24 к сдаче лабораторных работ №1/1, 1/2 (2011)

Номер исполнителя	Номер бригады
1, 13	2, 14	3, 15	4, 16	5, 17	6, 18	7, 19	8, 20	9, 21	10, 22	11, 23	12, 24
1	1	4	7	10	13	16	19	22	1	4	7	10
2	2	5	8	11	14	17	20	23	2	5	8	11

25.  Какими источниками мощности подогревается термопара при калибровке, когда ваттметр измеряет поступающую на вход преобразователя мощность СВЧ?

26.  У термисторного ваттметра М3-10А шкалы 5; 2,5; 10 мВт нелинейные, а у термоэлектрического ваттметра М3-51 шкалы линейные.

Дать объяснение этой разнице на основе формулы измерения (письменно).

Варианты вопросов (2011).

Номер бригады	Номер исполнителя	Номера вопросов
1	1	1, 10, 19
2	5, 14, 23
2	1	9, 18, 1
2	2, 11, 20
3	1	6, 15, 19
2	10, 19, 9
4	1	3, 12, 21
2	7, 16, 25
5	1	11, 20, 19
2	4, 13, 22
6	1	8, 17, 26
2	12, 21, 20
7	1	4, 13, 22
2	8, 17, 19
8	1	12, 21, 13
2	5, 14, 23
9	1	9, 18, 10
2	13, 22, 14
10	1	6, 15, 25
2	10, 19, 11
11	1	14, 23, 15
2	7, 16, 26
12	1	11, 20, 12
2	15, 25, 16
13	1	16, 26, 17
2	20, 10, 5
14	1	25, 14, 9
2	17, 7, 26
15	1	21, 11, 6
2	26, 15, 10
16	1	18, 8, 9
2	22, 12, 7
17	1	17, 8, 11
2	19, 9, 4
18	1	23, 13, 8
2	18, 9, 12
19	1	13, 22, 4
2	17, 1, 8
20	1	21, 5, 12
2	14, 23, 5
21	1	18, 2, 9
2	22, 6, 13
22	1	15, 25, 6
2	19, 3, 10
23	1	23, 7, 14
2	16, 26, 7
24	1	20, 4, 11
2	26, 8, 15
Дополнительные	1	1, 9, 17
2	4, 11, 21
3	6, 14, 25