Калориметрические методы измерения мощности

Калориметрические методы основаны на определении количества тепла, рассеиваемого на нагрузке, являющейся поглощающим сопротивлением в линии передачи мощности. Термодинамическое состояние калориметрической нагрузки объемом V, равномерно нагретой до температуры Т, описывается уравнением.

где Р_п — мощность, рассеиваемая в нагрузке; Т— температура среды, в которой находится нагрузка; Я— коэффициент теплоотдачи; с — удельная теплоемкость нагрузки.

Первое слагаемое в (6.8) характеризует рассеяние тепла, обусловленное теплопроводностью, конвекцией и излучением. Обычно рассеяние имеет смешанный характер и Я зависит от разности температур и других факторов. Второе слагаемое определяет приращение температуры калориметрической нагрузки под действием рассеиваемой в ней мощности Р_а. Если на нагрузке с начальной температурой, равной температуре окружающей среды, начиная с момента времени t = 0, рассеивается мощность Р_н, то решение уравнения (6.8) имеет вид.

где т = cV/H — тепловая постоянная времени.

Для любого калориметра по результатам измерения разности температур Т — Т_ср в принципе можно вычислить мощность, если известны постоянные в (6.9). На практике определение постоянных затруднено.

Практически для измерения мощности в СВЧ-диапазоне волн используются две формулы:

Из первой следует, что время измерения должно быть значительно меньше тепловой постоянной времени. Коэффициент теплового рассеяния, следовательно, и потери, связанные с выделением тепла в окружающую среду, должны быть достаточно малы и учтены в процессе измерения. Достоинством адиабатических калориметров, о которых речь пойдет ниже, является то, что для определения мощности достаточно знать лишь теплоемкость нагрузки и измерять скорость изменения температуры. Основные элементы такого калориметра — термоизолированная нагрузка, преобразующая поглощаемую электромагнитную энергию в тепло, и прибор для измерения перепада температур в нагрузке (рис. 6.19, а). Скорость изменения температуры AT/At термоизолированной насадки массой т и удельной теплоемкостью с пропорциональна мощности, поглощенной этой насадкой. Мощность Р, усредненная за время At, определяется выражением

где k — коэффициент пропорциональности.

а — простой статический калориметр; 6 — статический калориметр с замещением; в — дифференциальный калориметр Некоторые недостатки адиабатического калориметра устраняются, если для калибровки прибора, измеряющего температуру, использовать известную мощность постоянного тока или тока низкой частоты. В этом случае требования к качеству теплоизоляции могут быть значительно снижены, а необходимость в точном знании теплоемкости вообще исключается. При методе замещения калориметр определяет мощность на СВЧ, исходя из точно измеренной мощности постоянного тока или тока низкой частоты. Для реализации этого метода в схему обычного калориметра добавляется нагреватель постоянного тока или тока низкой частоты (рис. 6.19,6). Другой тип калориметра, в котором также исполь зован метод замещения, состоит из двух насадок, частично изолированных от окружающей среды (рис. 6.19, в). Такой калориметр называется дифференциальным. Одна из насадок поглощает мощность, другая — является датчиком опорной температуры, а измерение мощности заключается в оценке разности температур между двумя нагрузками.

Тепловая симметрия системы снижает влияние температуры окружающей среды и повышает чувствительность калориметрического метода.

Недостаток адиабатических калориметров заключается в необходимости периодического отключения мощности СВЧ от нагрузки. От этого недостатка свободны так называемые проточные калориметры.

Основными элементами проточного калориметра являются нагрузка для преобразования электромагнитной энергии в тепловую энергию жидкости; устройство, обеспечивающее циркуляцию жидкости, и средства для измерения температуры. Измеряемая мощность зависит от скорости поглощения энергии и определяется равенством.

где k = 4,187; v — скорость протекания жидкости через нагрузку; В — плотность жидкости; с — удельная теплоемкость жидкости; АТ — разность температур.

Основная схема проточного калориметра показана на рис 6.20, а. Здесь жидкость с вполне определенной скоростью протекает через нагрузку, температура жидкости повышается за счет передачи тепла от нагрузки. При точных измерениях необходимо знать скорость потока и удельную теплоемкость протекающей жидкости во всем интервале рабочих температур. Кроме того, должны быть известны и другие параметры, не входящие в (6.10), такие, как скорость тепловых потерь из системы и повышение температуры протекающей жидкости, обусловленное трением.

Проточный калориметр, основанный на применении метода замещения (рис. 6.20, б), состоит из тех же элементов, что и обычный, но имеет дополнительную нагрузку для ввода мощности постоянного тока или тока низкой частоты.