CN105388443A - 一种用于量热式功率计的线性反馈自调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于量热式功率计的线性反馈自调节系统，该系统包括工作负载座、参考负载座、工作负载辅助加热器、参考负载辅助加热器、热电堆和运算放大器。本发明所述技术方案可用于量热式功率计中，实现的反馈电路输出电压与输入电压是线性关系，改善了传统量热系统中读数时间过长的缺点，缩短了读数时间，从而降低了对微波信号源以及周围环境温度长时间内高稳定度的要求。可广泛用于各级量热式功率计中，为微波功率校准提供方便。

Description

一种用于量热式功率计的线性反馈自调节系统

技术领域

本发明涉及一种自调节系统，特别是涉及一种用于量热式功率计的具有线性反馈特性的自调节系统。

背景技术

量热式功率计简称量热计，它是利用能量转换的原理制造的功率计，这种方法在理论上比较成熟。迄今为止，这种量热替代技术被公认为测量微波功率的最准确的方法。因此，各国实验室均采用量热计或微量热计作为微波功率标准。

作为功率标准的量热计通常采用双负载结构。在经典的量热计设计中，将两个热学条件完全相同的量热计A和B置于隔热容器中。当量热体A上加入恒定的功率时，量热体A和B之间将产生一个恒定的温差，用热电堆来检测温差电动势，微波和直流产生相同的热效应，从而可以用微波-直流替代的方法测量射频功率。上述量热计的设计存在这明显的缺点，首先是读数时间过长，一般量热计在20min后读数才基本达到稳定值，在采用冷热循环法后，读数还要增到4倍，大约1h才能得到一个读数。在如此长的周期中，保持量热体周围环境恒定是个难题，需要设计热屏蔽结构和控温系统，对实验室的恒温条件也提出了苛刻的要求。同时还对微波信号源的长时间稳定度要求很高，这又成为功率量值传递的一大难题。对一些外围设备也提出了长时间稳定性要求。

缩短读数时间是改进量热计的首要问题。美国NBS研制成功一台带有自动调节参考功率的量热式功率标准，其原理是在工作负载A加入微波功率时，热电堆产生温差电动势运算放大后加反馈给负载B，使负载B升温促使热电堆温差电动势为零，此时参考负载B所加直流功率可确定负载A上的微波功率。这种设计最突出的是读数时间为3min，这是常规功率标准所达不到的。但是，这种反馈电路也有缺点，它的输出电压和输入电压的平方为线性关系，电压增益不是常数，输入电平越小，环路增益也越小，输入电压趋于零时，环路增益也趋于零。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于量热式功率计的具有线性反馈特性的自调节系统，以解决现有技术中量热计读数时间长，要求硬件配置程度高不利于实现，以及由于反馈电路设计不足导致测量不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种用于量热式功率计的线性反馈自调节系统，该系统包括工作负载座和参考负载座；

所述工作负载座和参考负载座上分别对应设置有工作负载辅助加热器和参考负载辅助加热器，所述工作负载辅助加热器和参考负载辅助加热器串联连接在一恒压电源上；

所述工作负载座和参考负载座之间设有用于将工作负载与参考负载之间的温差转换为电压输出的热电堆；

所述热电堆的输出端与运算放大器的输入端连接，运算放大器的输出端连接在串联连接的工作负载辅助加热器和参考负载辅助加热器之间。

优选的，所述工作负载辅助加热器和参考负载辅助加热器采用1kΩ的0201封装电阻。

优选的，所述热电堆采用40mm×40mm的30组铜镍电偶。

优选的，所述运算放大器采用仪表放大芯片LT1007。

优选的，所述恒压源采用5V恒压电源

优选的，该系统进一步包括设置在参考负载辅助加热器处电压采集模块，用于实时获取当前参考负载辅助加热器的电压值。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可用于量热式功率计中，实现的反馈电路输出电压与输入电压是线性关系，改善了传统量热系统中读数时间过长的缺点，缩短了读数时间，从而降低了对微波信号源以及周围环境温度长时间内高稳定度的要求。可广泛用于各级量热式功率计中，为微波功率校准提供方便。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明所述的线性反馈自调节系统的平面展开示意图。

附图标号

1、工作负载座，2、热电堆，3、参考负载座，4、高精密运算放大器，5、参考负载辅助加热器，6、工作负载辅助加热器，7、电压表

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示本发明公开了一种用于量热式功率计的线性反馈自调节系统，该系统包括工作负载座1和参考负载座3；所述工作负载座1和参考负载座3上分别对应设置有工作负载辅助加热器5和参考负载辅助加热器6，所述工作负载辅助加热器5和参考负载辅助加热器6串联连接在一恒压电源上；所述工作负载座1和参考负载座3之间设有用于将工作负载与参考负载之间的温差转换为电压输出的热电堆2；所述热电堆2的输出端与运算放大器4的输入端连接，运算放大器4的输出端连接在串联连接的工作负载辅助加热器5和参考负载辅助加热器6之间。本方案为了方便工作人员巡查，在在参考负载辅助加热器处进一步设置一个例如电压表7的电压采集模块，用于实时获取当前参考负载辅助加热器的电压值。

通过将两个辅助加热器分别加在量热计的工作负载座1和参考负载座3上，这两个辅助加热器串联起来并与一个恒压源相接。热电堆2输出接在一个运算放大器4的输入端，运算放大器4的输出端连接于串联连接的工作负载辅助加热器5和参考负载辅助加热器6之间，如图1所示的V点，形成一个自调节系统的负反馈环路。在反馈回路设计中，工作负载所加微波功率经信号在两个负载之间产生温差，热电堆2将工作负载与参考负载之间的温差转换为电压输出，经高精密放大后分别加载两个负载的加热器上。自调节系统在实现新的平衡时，加入工作负载的微波功率和直流功率都有变化，但耗散在工作负载上的总功率变化小于各自的变化，因为所加微波功率一部分被直流功率抵偿一部分，另一部分被参考负载上的直流功率对消，反馈回路可以快速达到新的平衡状态，这就是缩短读数时间的原因。将加热器/热电堆看作一个二端口网络，加热器输入电压V而热电堆输出电压为V_th，则电压增益为常数：即环路增益为常数，也就是说，输出电压V_th与输入电压V是线性关系，线性反馈得以实现。

下面通过一组实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种用于量热式功率计的线性反馈自调节系统，本系统结合自调节系统的工作方式，采用控制辅助加热器自调节方法和控制参考负载功率自调节的方法相结合，发明的反馈电路输出电压和输入电压是线性关系，实现缩短量热式功率计读数时间的目的。

作为功率标准的双负载量热计，接入量热计中的两个负载无论是电性能或者热性能均是一致的。通过将两个辅助加热器分别加载量热计中接入的工作负载和参考负载上，这两个辅助加热器串联起来并与一个恒压源2V₁相接。辅助加热器用来实现直流加热，本发明采用在对称楔形吸收体内安装1kΩ的0201封装电阻作为直流加热源使用，直流功率加热电阻引线阻值经测量小于0.5Ω，与加热电阻相比基本可忽略不计。附图1可见：

加在工作负载上的直流功率为：

加在参考负载上的直流功率为：

由于热电堆正比于量热体上加热功率，所以有如下关系式：

$V_{th}=K(P_{rf}+\frac{{(2V_1-V)}^2}{R_1}-\frac{V^2}{R_1})=K(P_{rf}+\frac{4V_1^2}{R_1}-\frac{4V_{1}V}{R_1})$

式中，K为比例常数，P_rf为工作负载加入的微波功率。热电堆在40mm×40mm面积内由30组铜镍热电偶组成，这样能够比较全面的测量负载外表面整体的温度变化。热电堆的输出通常为几十微伏级，实现微伏级别的放大，需要设计高精密运算放大电路，采用仪表放大芯片LT1007实现输入电压在微伏量级的境况下高增益工作，采用的是精密金属膜电阻器，阻值精度在±0.01％，温度系数为±10ppm/摄氏度来保证放大器的精度。对放大器做补偿，即当加入微波功率P_rf＝0时，运算放大器的输出电压V也为0，则为加入微波功率前，热电堆的输出的温差热电势V_th为常数。

加入微波功率P_rf，V_th发生变化，反馈环路了实现新的平衡，辅助加热器上P₁和P₂值相应改变并达到新值，用以保持V_th为常数，此时

耗散在工作负载的功率为：

耗散在参考负载上的功率为直流功率：

两个负载的功率差仍然为工作负载加热器直流功率的增减实现两个平衡关系，当给工作负载加入微波功率时，通过反馈回路的作用，工作负载直流功率减小，参考负载直流功率增加，工作负载上的功率不仅要与所加微波功率实现平衡，还要与参考负载增加的直流功率保持平衡。达到新的平衡后，所加射频功率可以用放大器的输出电压来表示，即成正比关系。此外，加热器的输入电压为V与热电堆的输出电压为V_th，反馈电路的增益是个常数：输出电压V_th与输入电压V为线性关系，线性反馈的自调节系统得以实现。

综上所述，本发明所述技术方案采用控制辅助加热器自调节方法和控制参考负载功率自调节的方法相结合，反馈自调节系统中反馈电路的输出电压和输入电压是线性关系，所加微波功率一部分被工作负载上抵偿，一部分被参考负载的功率对消，使反馈系统能够快速达到平衡，最终实现了缩短量热式功率计的读数时间。降低了原有量热式功率计对微波信号源以及周围环境温度长时间内高稳定度的要求，可广泛用于各级量热式功率计中，为微波功率校准提供方便。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种用于量热式功率计的线性反馈自调节系统，其特征在于，该系统包括工作负载座和参考负载座；

所述工作负载座和参考负载座上分别对应设置有工作负载辅助加热器和参考负载辅助加热器，所述工作负载辅助加热器和参考负载辅助加热器串联连接在一恒压电源上；

所述工作负载座和参考负载座之间设有用于将工作负载与参考负载之间的温差转换为电压输出的热电堆；

所述热电堆的输出端与运算放大器的输入端连接，运算放大器的输出端连接在串联连接的工作负载辅助加热器和参考负载辅助加热器之间。

2.根据权利要求1所述的线性反馈自调节系统，其特征在于，所述工作负载辅助加热器和参考负载辅助加热器采用1kΩ的0201封装电阻。

3.根据权利要求1所述的线性反馈自调节系统，其特征在于，所述热电堆采用40mm×40mm的30组铜镍电偶。

4.根据权利要求1所述的线性反馈自调节系统，其特征在于，所述运算放大器采用仪表放大芯片LT1007。

5.根据权利要求1所述的线性反馈自调节系统，其特征在于，所述恒压源采用5V恒压电源。

6.根据权利要求1所述的线性反馈自调节系统，其特征在于，该系统进一步包括设置在参考负载辅助加热器处电压采集模块，用于实时获取当前参考负载辅助加热器的电压值。