Измерение мощности с помощью терморезисторов

Основным методом измерения малых уровней мощности (от 100 мВт и ниже) является измерение проводимости терморезисторов при рассеивании на них электромагнитной энергии. Чтобы терморезистор был хорошо согласован с линией передачи энергии, одинаково хорошо реагировал на мощность как высокой, так и низкой частот, он должен иметь малые размеры. Этим требованиям хорошо отвечают болометры и термисторы.

Болометры и их характеристики

Известно несколько типов болометров: проволочный, тонкопленочный и др. Первые представляют собой стеклянный вакуумный или наполненный инертным газом баллон, в который впаяна платиновая или вольфрамовая проволочная нить диаметром 1 — 10 мкм. Выводы болометра и сама нить прямолинейные. Высокий вакуум в болометре уменьшает тепловые потери, обусловленные теплопроводностью. Допустимая мощность рассеяния может быть значительно увеличена, если болометр наполнен водородом или аргоном. В этом случае отвод тепла от нити происходит в основном за счет конвекции и теплопроводности выводов, выполненных из медного провода диаметром 0,2—0,5 мм. Для вакуумных болометров, работающих при температуре нити выше 150—200 °С, существенный вклад в механизм теплоотдачи вносит излучение. Поперечные размеры болометра должны быть соизмеримы с глубиной проникновения токов самой низкой частоты, что обеспечивает почти одинаковое сопротивление болометра как на низких, так и на высоких частотах. Для повышения чувствительности материал нити выбирают с высоким температурным коэффициентом. Кроме того, нить должна быть очень тонкой, чтобы болометр обладал достаточно большим волновым сопротивлением, близким к волновому сопротивлению линии передачи. Из-за значительной индуктивной составляющей полного сопротивления проволочных болометров их область применения ограничена диапазоном сантиметровых волн.

Основной характеристикой болометра является зависимость его сопротивления и чувствительности от измеряемой мощности

Экспериментальные данные показывают, что

где R₀ — сопротивление болометра, Ом; R — сопротивление болометра при рассеивании в нем мощности, Ом; Р — рассеиваемая мощность, мВт; аир — постоянные, зависящие от материала и размеров нити болометра.

Характеристика болометра обычно близка к квадратичной. Это дает возможность получить линейную шкалу измерителя мощности. Отклонение характеристики от квадратичной обусловлено неравномерностью нагревания нити болометра вследствие отвода тепла от нити более массивными выводами. Крутизна характеристики R = /(Р) определяет чувствительность болометра.

Зависимость чувствительности болометра от мощности определяется формулой

К основным характеристикам болометров относятся:

• • сопротивление болометра постоянному току в рабочей точке R_r, при котором он согласуется с волновым сопротивлением линии передачи;
• • температурный коэффициент сопротивления

т.е. относительное изменение сопротивления в результате изменения температуры, на 1 °С;

• • постоянная рассеяния h_t = dP/d0, равная отношению приращения мощности, рассеиваемой в болометре, к возникающему в результате этого повышению его температуры по сравнению с температурой окружающей среды, Вт/°С;
• • чувствительность S_f = dR_t /АР, или в процентах

т.е. отношение изменения сопротивления болометра к изменению мощности на нем, Ом/Вт или %/Вт соответственно;

• • тепловая постоянная времени т, которая характеризует скорость установления температуры болометра при изменении его теплового режима и выражается временем, в течение которого предварительно нагретый болометр остывает в е раз по сравнению с первоначальной разностью температур относительно окружающей температуры;
• • максимально допустимая мощность рассеяния Р_{ср тах}, Вг. Эго мощность, которую болометр может рассеивать в течение длительного времени при условии, что необратимые изменения его характеристик останутся в пределах норм.

В общем случае зависимость изменения сопротивления болометра от уровня рассеиваемой мощности и температуры окружающей среды является почти линейной (рис. 6.3). Зависимость сопротивления проволочного болометра от сопротивления окружающей среды может быть представлена уравнением

где 6 = t°_k~ t_k окр — разность температур нити болометра и окружающей среды. Дрейф показаний отсчетного устройства при изменении температуры окружающей среды прямо пропорционален постоянной рассеяния болометра Р = h_tQ.

Рис. 6.3. Зависимость сопротивления болометра от уровня рассеиваемой мощности и температуры окружающей среды

На более высоких частотах, вплоть до миллиметрового диапазона волн, получили распространение пленочные болометры, представляющие собой тонкую металлическую пленку из платины или палладия, нанесенную в вакууме на основание (подложку) из стекла или слюды толщиной 30—50 мкм.

Преимуществами болометров являются малые габариты, удобство эксплуатации и сравнительно высокая чувствительность. Их основной недостаток заключается в том, что они должны отдавать поглощаемую энергию в окружающую среду, следовательно, их трудно изолировать от влияния внешних температурных изменений. Для нейтрализации этого предусматриваются различные методы компенсации. Обычно это достигается использованием второго болометра и второй мостовой схемы, что позволяет снизить температурную погрешность на один или два порядка.