CN101126780A - 基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种微波功率测量系统，具体公开一种基于量热法的兆瓦级脉冲微波功率测量系统，水管内水流出口设有出口温度传感器，水管内设有电加热器，电加热器与功率标定电源连接，其中，微波功率吸收器进口设有微波检波装置，水管贯穿功率吸收器内壁水管，水管内的水流进口处设有进口温度传感器；进口温度传感器的NTC热敏电阻R3与平衡电阻R1连接，出口温度传感器的NTC热敏电阻R4与平衡电阻R2连接，NTC热敏电阻R3、NTC热敏电阻R4、平衡电阻R1与平衡电阻R2组成温斯顿电桥；温斯顿电桥与差分放大电路连接。本发明能够测量毫米波段的多路脉冲大功率微波功率，测量功率范围为1千瓦至几兆瓦。

Description

基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统

技术领域

本发明属于一种微波功率测量系统，具体涉及一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统。

背景技术

在受控核聚变实验研究中，用于等离子体辅助加热的电子回旋共振加热(ECRH)系统，是一个由回旋管、传输线和发射天线构成的毫米波大功率微波系统，单模功率在0.5-1MW，频率35-170GHz，脉宽0.5-10s，微波输出功率是表征该系统规模的一个重要参数。同时，在回旋管调试和等离子体加热实验中，微波功率也是最为关心的参数。因此，在ECRH系统中，必须建立可靠的微波功率测量系统。

目前，流体量热法仍是微波大、中功率测量中采用的主要方法之一。它是利用微波对水的热效应，将微波能转换为水的热能，测量水在这一过程中产生的温度变化来测知微波功率。量热式大功率计就是基于这一原理制成的，如图1所示，它主要包括微波水负载10、出口温度传感器3、电加热器4、水管1、功率标定电源5和指示电表9。这种量热式大功率计测量微波功率的原理为：出口温度传感器3测量水管1出水处的温度，从指示电表9上读取对应的数值；微波水负载10吸收微波功率后，水管1出水处的水温升高到一个新的稳定值，将加入微波功率前后的两个温度相减，得到温差ΔT，根据公式：P＝cdvΔT计算出待测的微波功率P(W)，式中c-水的比热(单位J/kg·K)，d-水的密度(单位kg/m³)，v-水的流量(m³/s)，ΔT-水温的升高(单位K)。

实际测量时多用替代法测量其功率值。先作功率标定，由功率标定电源5对电加热器4提供已知电功率P＝UI加热水，U-电压(单位V)，I-电流(单位A)，由指示电表9读得稳态时对应温升ΔT₁的读数V₁，得到定标系数K＝UI/V₁。做功率测量时，读得对应微波功率加热水引起的温升ΔT₂的读数V₂，由此得到待测微波功率P＝KV₂。只要在功率标定和功率测量时，保持水的流量不变，就不用测知水的流量的绝对值。

这种量热式大功率计可测量的功率范围在5-2000W，但只能测量CW微波功率或连续脉冲微波的平均功率，不能测量单个脉冲的微波功率。

如果采用不同于量热法的定向耦合器法，在大功率毫米波段，这种器件的设计制造技术要求较高，目前，仍处于探索阶段，还未得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，该系统能够测量毫米波段的多路脉冲大功率微波功率，测量功率范围为1千瓦至几兆瓦。

实现本发明目的的技术方案：一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，它包括水管、出口温度传感器、电加热器和功率标定电源，水管内的水流出口B处设有出口温度传感器，水管内设有电加热器，电加热器与功率标定电源连接，其中，微波功率吸收器的进口处设有微波检波装置，水管贯穿微波功率吸收器内壁的水管，水管内的水流进口A处设有进口温度传感器；进口温度传感器的NTC热敏电阻R3的一端与平衡电阻R1的一端连接，出口温度传感器的NTC热敏电阻R4的一端与平衡电阻R2的一端连接，NTC热敏电阻R3的另一端与NTC热敏电阻R4的另一端均接地，平衡电阻R1的另一端与平衡电阻R2的另一端连接，平衡电阻R1的另一端和平衡电阻R2的另一端均与直流稳压电源相连，上述NTC热敏电阻R3、NTC热敏电阻R4、平衡电阻R1与平衡电阻R2共同组成温斯顿电桥；温斯顿电桥与差分放大电路连接。

所述的水管内的进口温度传感器与微波功率吸收器之间的管段内设有电加热器。

所述的温斯顿电桥一臂的输出端E与差分放大电路的OA的输入端G连接，温斯顿电桥另一臂的输出端F与差分放大电路的OA的输入端H连接；温斯顿电桥一臂的输出端E还与差分放大电路的Rf连接。

本发明的效果在于：能够测量1千瓦至几兆瓦的多路脉冲微波功率。改变功率吸收器的结构和调整水管水流的流速，就可以适应不同的功率测量范围。增强微波功率吸收器的射频高压耐受限度，可以提高功率测量范围；增加微波功率吸收器内部水管的体积或加大水流的流量都可以降低水流的温度变化范围，使温度传感器工作在合适的温度测量范围，从而适应所测微波功率的提高。采用两个NTC热敏电阻分别作为水管进出口处的温度传感器，NTC热敏电阻灵敏度高，热响应时间快，阻值较大，很适于远距离、动态温度的测量；并且将两个温度传感器分别接入温斯顿电桥的两臂，不需要知道两处的绝对温度变化，简化了测量电路的设计和减少了测量误差。温斯顿电桥两臂输出的对应于水管进出口处温度变化的两个电压信号，幅度相差很小，而且存在很高的共模电压，经后一级低漂移差分放大电路处理，得到具有高信噪比且满足多种数据记录设备灵敏度范围的电压信号。

附图说明

图1为一种现有的量热式大功率计的结构示意图；

图2为一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统的示意图。

图中：1.水管；2.进口温度传感器；3.出口温度传感器；4.电加热器；5.功率标定电源；6.微波功率吸收器；7.微波检波装置；8.差分放大电路；9.指示电表；10.微波水负载；A.水流进口；B.水流出口；C：电源输入端；D.电压输出端；E.温斯顿电桥输出端；F.温斯顿电桥输出端；G.差分放大器输入端；H.差分放大器输入端；I.接地端；M.待测脉冲微波；R1和R2.平衡电阻；R3和R4.NTC热敏电阻。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，包括水管1、进口温度传感器2、出口温度传感器3、电加热器4、功率标定电源5、微波功率吸收器6、微波检波装置7和差分放大电路8。微波功率吸收器6的进口处侧壁设有微波检波装置7，微波检波装置7为微波检波二极管，微波检波二极管的型号为D407或1N53SYLVANIA。水管1贯穿微波功率吸收器6内壁的水管，水管1内的水流进口A处设有进口温度传感器2，水管1内的水流出口B处设有出口温度传感器3，进口温度传感器2和出口温度传感器3均为NTC热敏电阻。水管1内的进口温度传感器2与微波功率吸收器6之间的管段内设有电加热器4，电加热器4为镍铬铁电阻丝，也可以是常用的加热电阻丝。电加热器4与功率标定电源5连接。进口温度传感器2由金属外壳和位于金属外壳内的NTC热敏电阻R3组成，出口温度传感器3由金属外壳和位于金属外壳内的NTC热敏电阻R4组成。进口温度传感器2的NTC热敏电阻R3的一端与平衡电阻R1的一端连接，出口温度传感器3的NTC热敏电阻R4的一端与平衡电阻R2的一端连接，NTC热敏电阻R3的另一端与NTC热敏电阻R4的另一端均接地，平衡电阻R1的另一端与平衡电阻R2的另一端连接，平衡电阻R1的另一端和平衡电阻R2的另一端均与直流稳压电源相连，平衡电阻R1与平衡电阻R2均与直流稳压电源相连。上述NTC热敏电阻R3、NTC热敏电阻R4、平衡电阻R1与平衡电阻R2共同组成温斯顿电桥。温斯顿电桥一臂的输出端E与差分放大电路8的OA的输入端G连接，温斯顿电桥另一臂的输出端F与差分放大电路8的OA的输入端H连接；温斯顿电桥一臂的输出端E还与差分放大电路8的R_f连接。差分放大器8的型号可以是INA114、AD8221或MAX4994等。

本发明提供的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统的使用方法：电子回旋共振加热(ECRH)系统的待测脉冲微波M进入微波功率吸收器6，微波功率吸收器6吸收微波的同时，待测脉冲微波M经微波检波装置7测出微波脉宽。微波功率吸收器6的内壁绕有吸收微波功率的水管，在水管1的水流进口A通入一定流量的水流，水流经微波功率吸收器6从水流出口B流出水管1。进口温度传感器2测量水流进口A处水的温度，出口温度传感器3测量水流出口B处水的温度。当微波功率吸收器6内壁水管吸收微波功率被加热后，水流出口B处水的温度将发生变化；进口温度传感器2和出口温度传感器3，实时将水流进口A和水流出口B两处的水的温度信号依次经温斯顿电桥和差分放大器8转化为电压信号，即差分放大电路8电压输出端D的电压信号对应微波功率引起的水流进口A和水流出口B处水的温度差。差分放大电路8的电压输出端D与通用记录设备的输入端连接，进行数据的记录存储、图形显示和数据处理计算。差分放大电路8电压输出端D连接的数据记录设备可以是各种通用记录设备如x-y记录仪或数字存储示波器，也可以是专门研制的数据采集和数据处理系统。

实际测量时用替代法来进行微波功率的测量。替代法求待测微波功率具体包括以下步骤：

(1)首先要进行标定得到功率定标系数k，功率定标系数k由下面公式计算得到：

$k=\frac{P_k{D}_k}{S_k}=\frac{{\mathrm{UID}}_k}{S_k}.$

上式中：k-功率定标系数(单位为w/v)。P_k＝UI，U为功率标定电源5提供的标定电压(单位V)，I为功率标定电源5提供的标定电流(单位A)；D_k为功率标定电源5功率标定时设定的时间宽度(单位为S)。S_k为功率标定时所得温差信号包络下的面积(单位为VS)， $S_K={\∫}_{t1}^{t2}\mathrm{\ΔT}\left(t\right)\mathrm{dt},$ 式中ΔT(t)指功率标定电源5通过电加热器4对水流加热，引起的水流进口A和水流出口B两处水温变化的温度差；在本系统中，ΔT(t)的值由差分放大电路8输出电压V_D的值替代。式中积分下限t₁为电加热器4对水流开始加热的时间，此时，水温还没有变化，ΔT(t)＝0，V_D＝0，加热时间一般为5-10S，视所测微波功率大小而定。加热后，ΔT(t)开始上升，由小变大，然后又下降，由大变小，直至水流进口A和水流出口B的温差为零，即又ΔT(t)＝0，此时差分放大电路8输出电压V_D也为零，此时刻即为式中积分上限t₂，t₂一般为150S左右。

(2)求待测微波功率温差信号包络下的面积S_rf，根据下式求得：

$S_{\mathrm{rf}}={\∫}_{t3}^{t4}\mathrm{\Δ}{T}^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt}$

上式中：ΔT′(t)是微波功率M进入微波功率吸收器6其内壁水管产生热效应后，对水管1进口出口水温引起的随时间变化的温差；在本系统中，ΔT′(t)的值由差分放大电路8输出电压V_D的值替代。式中积分上下限t₄、t₃的定义与上段(1)中的t₂、t₁类似。积分下限t₃为微波功率刚开始进入微波功率吸收器6的起始时刻，此时ΔT′(t)＝0，V_D＝0，积分上限t₄为微波功率吸收器6内壁水管产生的热效应消失后，即水流进口A和水流出口B的温差为零所需的时间，此时差分放大电路8输出电压V_D也为零，t₄一般为150S左右。

(3)根据上述步骤(1)和(2)求得的功率定标系数k和待测微波功率温差信号包络下的面积S_rf求待测微波功率P_rf。根据量热法功率计算公式，求得待测微波功率P_fr为：

$P_{\mathrm{rf}}=k\frac{S_{\mathrm{rf}}}{D_{\mathrm{rf}}}$

式中：P_rf-待测微波功率(单位：w)；k-功率定标系数(单位：w/v)；S_rf-温差信号ΔT′(t)曲线包络下的面积(单位：VS)；D_rf-待测微波功率的脉宽(单位：S)，D_rf由微波检波装置7测量得到。

Claims (7)

1.一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，它包括水管(1)、出口温度传感器(3)、电加热器(4)和功率标定电源(5)，水管(1)内的水流出口B处设有出口温度传感器(3)，水管(1)内设有电加热器(4)，电加热器(4)与功率标定电源(5)连接，其特征在于：微波功率吸收器(6)的进口处设有微波检波装置(7)，水管(1)贯穿微波功率吸收器(6)内壁的水管，水管(1)内的水流进口A处设有进口温度传感器(2)；进口温度传感器(2)的NTC热敏电阻R3的一端与平衡电阻R1的一端连接，出口温度传感器(3)的NTC热敏电阻R4的一端与平衡电阻R2的一端连接，NTC热敏电阻R3的另一端与NTC热敏电阻R4的另一端均接地，平衡电阻R1的另一端与平衡电阻R2的另一端连接，平衡电阻R1的另一端和平衡电阻R2的另一端均与直流稳压电源相连，上述NTC热敏电阻R3、NTC热敏电阻R4、平衡电阻R1与平衡电阻R2共同组成温斯顿电桥；温斯顿电桥与差分放大电路(8)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，其特征在于：所述的水管(1)内的进口温度传感器(2)与微波功率吸收器(6)之间的管段内设有电加热器(4)。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，其特征在于：所述的电加热器(4)为镍铬铁电阻丝或常用的加热电阻丝。

4.根据权利要求1所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，其特征在于：所述的微波检波装置(7)为微波检波二极管。

5.根据权利要求4所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，其特征在于：所述的微波检波二极管的型号为D407或1N53SYLVANIA。

6.根据权利要求1所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，其特征在于：所述的温斯顿电桥一臂的输出端E与差分放大电路(8)的OA的输入端G连接，温斯顿电桥另一臂的输出端F与差分放大电路(8)的OA的输入端H连接；温斯顿电桥一臂的输出端E还与差分放大电路(8)的Rf连接。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于量热法的兆瓦级微波功率测量系统，其特征在于：所述的差分放大电路(8)的型号可以是INA114、AD8221或MAX4994等。

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