Термоэлектрический метод измерения мощности

Термоэлектрический метод измерения мощности основан на преобразовании электрической энергии в тепловую. Мерой мощности является термоЭДС, возникающая в результате нагрева одного из спаев термопары мощностью СВЧ-сигнала. Известны две разновидности термоэлектрического метода: термопарный с прямым подогревом, когда высокочастотный ток проходит через термопару, и термоэлементный, в котором электромагнитная энергия нагревает резистивную пленку или проволоку, а термопара реагирует на разность температур. Термопара выполняет одновременно функции согласованной нагрузки и дифференциального термометра. Зависимость между измеряемой мощностью и термоЭДС определяется соотношением.

где U — напряжение термоЭДС на выходе термопары, мВ; k — коэффициент преобразования термопары, мВ/мВт.

Прямой подогрев обеспечивает измерение мощности в диапазоне частот, верхний предел которого составляет около 10 ГГц, в то время как термоэлементы с косвенным подогревом применяются на частотах до 40 ГГц.

Чувствительность термоэлемента и его стабильность обеспечиваются соответствующим размещением его в стеклянном баллоне. Такие вакуумные термоэлементы применяются для непосредственного измерения мощности от 1 до.

5 мВт с погрешностью 1% в диапазоне частот от 10 до 1000 МГц. С помощью направленных ответвителей диапазон измеряемых мощностей можно расширить до 1000 Вт.

К преимуществам термопарных измерителей мощности следует отнести простоту индикаторных устройств, калибровки и периодической поверки методом замещения на постоянном токе или токе низкой частоты и их способность выдерживать без разрушения 50%-ную перегрузку. Недостатками являются низкая чувствительность, плохое согласование и нелинейная зависимость напряжения от мощности. Как правило, постоянная времени термопарных измерителей мощности составляет 0,1—5 с, а непосредственно измеряемая мощность находится в пределах от 1 до 150 мВт при погрешностях измерения 1—2%. Главным преимуществом термопарного метода по сравнению с терморезисторным является слабая зависимость показаний от температуры окружающей среды и незначительное потребление мощности от источников питания, так как термопара не требует начального подогрева.

Материалы для термопар выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечивались линейная температурная зависимость термоЭДС, малый температурный коэффициент сопротивления и высокая чувствительность. Наибольшее распространение получили термопары висмут—сурьма, копель—сурьма, хромель—копель. В общем случае термопара состоит из двух соединенных между собой металлических проводников (или полупроводников). Под действием температуры в контуре, составленном из двух разнородных металлов, со спаями, нагретыми до различных температур, возникает термоЭДС. Для каждой пары металлов термоЭДС зависит только от температуры спаев. Цепь термопары состоит из двух термоэлектродов, один спай помещают в измерительную среду и называют рабочим концом термопары, а второй — свободным. В зависимости от температуры в спаях возникают соответственно термоЭДС e_t и е, направленные встречно. В цепи термопар действует результирующая термоЭДС.

Чтобы устранить влияние колебаний температуры свободных концов термопар, последние термостатируются или используются специальные схемы температурной автоматической компенсации.

Из-за разности температур проводника, соединяющего два спая термопары, средняя кинетическая энергия носителей заряда вблизи горячего спая оказывается больше, чем вблизи холодного. Носители диффундируют от горячего носителя к холодному, и последний приобретает потенциал, знак которого определяется знаком носителей, а разность потенциалов горячего и холодного спаев и есть термоЭДС.

Чтобы расширить диапазон измеряемых мощностей, две термопары или более соединяют последовательно по постоянному току. При этом по высокой частоте их соединяют параллельно, и для оптимального согласования их общее активное сопротивление должно быть равно характеристическому сопротивлению линии передачи.

Рис. 6.12. Пленочные термопары.

В СВЧ-диапазоне в основном применяют пленочные и объемные термопары. Пленочные термопары представляют собой тонкие металлические пленки, напыленные в вакууме на слюдяные, стеклянные или иные диэлектрические подложки. На рис. 6.12 показаны пленочные термопары, изготовленные на отрезках стекловолокна. Термопары образованы слоями 1 и 2 разнородных металлов (см. рис. 6.12, а), выводы 3 выполнены также в виде пленочных контактов. Наружность термопар защищена от внешних воздействий диэлектрическим покрытием 4. При протекании через термопару токов СВЧ в месте соединения слоев 2 и 3 температура повышается по сравнению с местами соединения этих слоев и выводов.

Для повышения температуры горячего спая (см. рис.

6.12, 6) в разрыве слоев 1 и 2 наносится тонкий слой 5 материала с большим удельным сопротивлением. Под действием токов СВЧ этот слой сильно нагревается, повышая чувствительность термопреобразователя.

Рис. 6.13. Коаксиальная термоэлектрическая головка.

Коаксиальная термоэлектрическая головка (рис. 6.13) состоит из отрезка коаксиала с разделительной емкостью.

• 2 в центральном проводнике вставки, с двумя термопарами
• 3 и кожуха с выходным разъемом. Вставку 1 согласуют с трактом, подбирая размеры согласующей камеры в заглушке 4, и проточки 5 в корпусе отрезка линии передачи, а также рабочее сопротивление термопар.

Рис. 6.14. Вставка с нитевидными пленочными термопарами

Вставка (рис. 6.14) состоит из слюдяной подложки 2 в виде диска, на которую методом вжигания нанесены серебряные электроды 1. Нитевидные пленочные термопары 4 соединены с электродами токопроводящей пастой 3. Опоры 5 из нитей стекловолокна создают необходимый для согласования и определенного теплового режима зазор между подложкой вставки и нитями. Ветви термопар, напыленные на стеклянную нить-подложку диаметром 20—40 мкм, защищены от воздействия влаги тонким слоем моноокиси кремния. В результате ток, протекающий по проводящему слою термопары, имеющему сопротивление около 100 Ом, разогревает место спая и вызывает термоЭДС на концах термопары.

Коэффициент преобразования термопреобразователя равен 1±0,3 мВ/мВт, нагрев места спая при помощи рассеяния мощности 10 мВт и температуре окружающей среды +20 °С составляет примерно 70—80 °С.

Термоэлектрическая вставка для коаксиальных термопреобразователей может быть выполнена так, как показано на рис. 6.15. Ветви термопар 1, 3 нанесены на слюдяное основание и образуют с корпусом полосковую линию передачи с потерями. Температура холодных спаев 4 термопар поддерживается близкой к температуре корпуса благодаря применению диэлектрической пластины из поликора или другого материала с высокой теплопроводностью.

Рис. 6.15. Вставка для коаксиальных термопреобразователей.

Вставка для волноводных термопреобразователей по конструкции мало отличается от термисторной. Термопару, геометрически не отличающуюся от термопар для коаксиальной вставки, располагают в зазоре между гребнями волновода. Контакты 2 изготавливают методом напыления.

При увеличении частоты уменьшается величина коэффициента эффективности К_у которая определяет его отличие при замещении Р= иР_ (рис. 6.16).

Рис. 6.16. Зависимость коэффициента эффективности от частоты.

На несколько ином принципе действия работают полупроводниковые объемные термопары с нанесенным на них слоем, поглощающим электромагнитную энергию. Один конец термоэлемента, покрытый поглощающим слоем, в процессе измерения мощности нагревается, а второй имеет температуру волноводного тракта за счет контакта с массой волновода. Таким образом, в полупроводнике образуется градиент температуры ДТ/Х. В горячем конце концентрация и скорость электронов выше, чем в холодном. Поэтому электроны диффундируют в направлении температурного градиента значительно больше, чем в обратном.

Диффузионный поток, унося отрицательный заряд из горячего конца термопары в холодный, создает между ними разность потенциалов. В процессе диффузии поток электронов будет тормозиться электрическим полем внутри полупроводника, пока поток, вызываемый диффузией, не сравняется с обратным потоком, создаваемым образовавшейся разностью потенциалов.

В этих условиях создается стационарное равновесие электронов в полупроводнике, при котором вследствие разности температуры между его концами будет длительно поддерживаться соответствующая разность потенциалов.

Через любое сечение проводника за единицу времени проходит одинаковое число электронов в обоих направлениях. Однако скорость электронов в направлении к холодному концу больше скорости электронов, проходящих через данное сечение от холодного конца, поэтому непрерывный перенос тепловой энергии в направлении градиента температур происходит без переноса заряда. Механизм переноса тепла существенно меняется, когда в нем участвуют как отрицательные (электроны), так и положительные (дырки) заряды. Одновременный перенос тех и других в одинаковом количестве не влечет за собой накопления заряда и роста потенциала. Совместная диффузия электронов и дырок от горячего конца к холодному вызывается не только разностью скоростей, но и градиентом их концентрации.

При такой диффузии термоЭДС может вызываться по следующей причине: если концентрация одних зарядов превышает концентрацию других, то поток их будет переносить к холодному концу заряд, который будет тормозить их движение, и, наоборот, ускорит движение зарядов противоположного знака, пока потоки тех и других не уравняются. При этом в проводнике образуется электрическое поле, зависящее от градиента температуры. Вторым источником термоЭДС является различие подвижностей носителей тока. Подвижность носителей v связана с коэффициентом диффузии Д соотношением, установленным Эйнштейном, v /Д = е/кТ.

Под влиянием градиента концентрации те из зарядов, для которых подвижность v больше, получили бы большую скорость, если бы они, отделившись от противоположных зарядов, не создавали объемного заряда, а вместе с тем и электрического поля, тормозящего их движение и ускоряющего отстающие заряды противоположного знака. Под действием электрического поля выравниваются скорости зарядов, что позволяет им диффундировать как одному целому.

Таким образом, даже в тех случаях, когда тепловое движение создает одинаковое число носителей тока обоих знаков, их диффузия приводит к возникновению в проводнике электрического ноля, определяемого различием подвижности зарядов. Это поле Е можно выразить подобно диффузии токов в электролите уравнением.

где Е₀ — электрическое поле, которое существовало бы при носителях только одного знака; v _х и v — подвижности положительных и отрицательных зарядов соответственно.

В полупроводнике при увеличении температуры повышаются концентрация и кинетическая энергия носителей тока. За счет повышения концентрации п выражение для чувствительности термоэлемента у будет определяться уравнением.

где у равно нулю при v _t = v ₂ или dn/dT = 0.

Увеличение подвижности v теплового движения зарядов с ростом температуры является основной причиной, создающей термоЭДС в полупроводнике с одним знаком носителей тока тм/2 = 3kT/2.

Существуют полупроводники, в которых небольшая по сравнению с металлами концентрация электронов остается постоянной в широком интервале температур. Таковы, например, сернистый или теллуристый свинец с избытком свинца. Несмотря на постоянство концентрации п, термоЭДС измеряется сотнями микровольт на градус, т.с. она того же порядка, что и в полупроводниках с резкой зависимостью концентрации от температуры. Различие скоростей электронов между горячими и холодными концами полупроводника приводит к появлению разности потенциалов между ними. Чем больше концентрация п электронов, тем меньшее электрическое поле требуется, чтобы перенести столько же электронов, сколько их диффундирует благодаря различию скоростей.

ТермоЭДС, а на 1 °C можно рассматривать как поток энтропии электрического заряда. Значение, а зависит (как было показано выше) не только от разности энтропии в двух веществах или двух частях одного проводника при разных температурах, но и от условий движения электронов. Эти условия определяются природой полупроводника и механизмом рассеяния электронов при их перемещении. Поэтому, а тесно связана с подвижностью v, определяемой тем же механизмом рассеяния. Если замкнутая электрическая цепь термоэлемента состоит из полупроводников с одинаковым механизмом проводимостей, то создаваемые ЭДС в обеих ветвях термоэлемента направлены от горячего конца к холодному или наоборот и термоЭДС в цепи равна их разности.

Если термоэлектрическая цепь составлена из электронного и дырочного проводников, то их термоЭДС складываются.

Естественно, что такая цепь обладает существенными преимуществами. На рис. 6.17 показан термоэлемент, составленный из дырочного 1 и электронного 2 полупроводниковых стержней, соединенных металлическим мостиком 3. На холодных концах включено нагрузочное сопротивление R, которое является приемником термоЭДС. В этом случае чувствительность термоэлемента, В/град,.

Если на металлическом мостике нанесен слой, поглощающий электромагнитную энергию, и мостик врезан в стенку волновода, то он будет нагреваться до температуры T_v Таким образом, учитывая большую теплопроводность металла, можно считать, что горячие концы термоэлемента имеют также температуру Т_у Холодные концы находятся при температуре Г₀, несколько превышающей температуру окружающей среды или специального охладителя. Внутреннее сопротивление термоэлемента г можно выразить следующей формулой.

где г_х и г₂ — внутреннее сопротивление каждой ветви соответственно; р_х и р₂ — удельные сопротивления; 5, и S₂ — площади поперечного сечения; / — длина полупроводникового стержня.

Теплопроводность термоэлемента выражается уравнением.

где К_х К₂ — теплопроводности полупроводниковых стержней, а яг, и х₂ — их удельные теплопроводности.

Рис. 6.17. Полупроводниковый термоэлемент.

Мощность Q тепловой энергии на горячих концах определяется выражением = а_] IT_V а мощность, отдаваемая холодными концами, Qq = ос₀ /Г₀, где I = U/R — сила тока в цели термоэлемента.

Мощность теплового потока, переносимого от горячего конца к холодному по обеим стержням,.

Сила тока в цепи термоэлемента.

Подставив это выражение в уравнение мощности теплового потока на горячем конце, получим

И.

где W= I²R — мощность, отдаваемая термоэлементом в нагрузку; т = k/r. Коэффициент полезного действия г можно определить как отношение полезной электрической энергии W, выделяемой во внешней цепи, к энергии W₀, затрачиваемой источником тепла,.

где W₀ = Qj + Qjn — I²r/2; 1²г/2 — энергия, возвращаемая к источнику тепла. Подставив в уравнение для ц выражения для каждой из составляющих, получим.

Отсюда видно, что кпд термоэлемента зависит от температуры горячего и холодного концов и величины, определяемой свойствами применяемых в термоэлементе материалов и отношения т = k/r.

На практике кпд полупроводниковых термопар лежит в пределах от 3 до 7%. Полупроводниковый термоэлемент, состоящий из сплавов SbZn и SbCd, представляет собой цилиндр (рис. 6.18), одна торцевая плоскость которого нагревается за счет выделяемой в волноводном тракте мощности; второй конец имеет температуру окружающей среды. Термоэлементы из сплавов SbZn обладают электронной проводимостью и чувствительностью 200—250 мкВ/град, а термоэлементы из сплава SbCd — дырочной проводимостью и чувствительностью 300—400 мкВ/град. ТермоЭДС на выходе термопары линейно зависит от разности температур торцов термоэлемента

Рис. 6.18. Цилиндрическая полупроводниковая термопара.

Для увеличения чувствительности горячий торец термоэлемента покрывается поглощающим слоем, в результате чего она повышается более чем на 50%. Электродвижущая сила термоэлемента, установленного в тракте, будет зависеть от фазы и коэффициента отражения, а также от длины волны в волноводе.