CN110261008A - 一种水负载量热计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水负载量热计包括同轴水负载结构、交流定标装置、热电堆测温差结构、流量测量系统、温度测量系统、冷凝系统、液体循环系统和处理显示单元。所述水负载量热计能作为微波功率标准或基准，开展微波大功率的量值传递和校准检定工作。这种大功率量热计采用同轴结构设计，能实现超宽带、大功率信号的精准测量，相较于波导结构的量热式水负载量热计，频带更宽，测量精度更高。

Description

一种水负载量热计

技术领域

本发明涉及微波功率测量，特别是涉及一种水负载量热计。

背景技术

水负载量热计是用来对高频和微波较大信号功率进行测量的标准装置，其相较于干式负载量热计，能精确测量更大的功率信号。在功率计量领域，量热计通常作为功率标准使用，其具有比通用功率测量装置更大的体积和重量，更高的测量精度以及更长的测量时间。对水负载量热计的理解，可分解成水负载和量热计两个部分进行说明。

水负载通常用在大功率发射机末端，吸收由发射机发出的微波功率。一般情况下，与发射天线并接在大功率开关的后端，通过开关的切换选择信号发射的时机，在行业内又多称为假负载。目前，这种装置有两种结构，一种是将干式负载浸泡在油中，利用油吸热导热快的特点，将负载吸收的热量迅速排出，这种结构的水负载又被称为油冷负载，有些油冷负载会在其外壳表面加装风扇，提升其表面的散热速度；另一种结构是将液体通路缠绕在负载表面或通入到负载内部，利用泵将液体循环起来，依靠液体带走负载吸收的热量，再将液体吸收的热量通过冷凝装置或散热器排出，这种结构的水负载又被称为水冷负载，有些厂商或研究所会在水冷负载中加入测温装置和流量计，利用热能公式，计算液体带走的能量，被命名为水负载功率计或量热式水负载功率计。这种(量热式)水负载功率计多为波导结构，不是真正意义上作为计量计标准设备，其只是利用测量热量的方式粗略计算负载所吸收功率的大小，反映功率变化的趋势。

量热计通常作为功率标准或基准装置存在于国家或国防标准实验室中，是根据直流替代微波功率的原理建立的。量热计常作为国家一级微波功率标准，大多采用双负载结构形式，由于双负载的对称性，改善了量热计的温度漂移特性。如图1所示，其结构是在一个隔热容器内放置两个结构和热学性能完全相同的量热体A和量热体B。两个量热体内部都有匹配负载，其中量热体A作为工作量热体，用来吸收被测的微波功率或直流校准功率。量热体B作为参考负载，不加任何功率，只是作为量热体A的温度参考。当对量热体A加恒定的微波功率时，在两个量热体A和B之间将产生一个恒定的温差，用热电堆检测出其温差电势e。然后用直流功率替代微波功率，假定微波功率和直流功率在量热体A内有相等的热效应，那么就可以根据直流功率和温差电动势之间的关系来确定被测微波功率。

随着科技发展，大功率测量设备的出现及普及，急需在计量领域建立大功率标准装置，对大功率测量设备进行校准检定，确保功率量值的准确统一。本发明结合水负载能吸收大功率的特点，利用量热计的测量原理，提出了一种大功率水负载量热计的设计方法，该方法能建立高准确度的大功率标准装置，满足中大功率测量装置的校准检定需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水负载量热计，以解决上述问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明公开了一种水负载量热计，其特征在于，包括交流定标装置、同轴水负载结构、热电堆测温差结构、流量测量系统、温度测量系统、液体循环系统、冷凝系统和处理显示单元，

所述交流定标装置，用于作为水负载量热计的交流参考部分，对水负载量热计进行定标；

所述同轴水负载结构，用于基于所述液体循环系统提供的液体吸收被测设备产生的微波功率或交流定标装置产生的功率；

所述热电堆测温差结构，用于测量同轴水负载结构的热端和冷端的温差；

所述流量测量系统，用于测量进入所述冷凝系统中的液体的流速，以实现对液体的流量测量；

所述温度测量系统，用于测量同轴水负载结构的入口温度、同轴水负载结构的出口温度、环境温度、流量测量系统的温度和所述冷凝系统中冷凝器的出口温度；

所述液体循环系统，用于向所述同轴水负载结构进行供液；

所述冷凝系统，用于对所述同轴水负载结构的出液进行降温；

所述处理显示单元，用于控制所述冷凝系统制冷以实现对同轴水负载结构的入口温度进行控制，并基于所述热电堆测温差结构、所述流量测量系统和所述温度测量系统测得的数据，计算同轴水负载结构的吸收功率并显示。

优选地，所述交流定标装置采用同轴加热方式，以使得所述同轴水负载结构吸收交流定标装置产生的功率时进行交流加热与吸收被测设备产生的微波功率进行微波加热的路径完全相同。

优选地，所述同轴水负载结构采用双管结构，包括同轴设置的内管和外管，

其中所述内管和所述外管通过设置在内管上的交换孔连通，在所述外管外表面涂有吸波材料，在吸波材料的上表面覆盖有隔热材料。

优选地，所述热电堆测温差结构包括测温腔体结构和热电堆，

其中所述测温腔体结构包括聚氨酯隔热结构和冷/热铜腔结构，所述冷/热铜腔结构设置在所述聚氨酯隔热结构中，所述冷/热铜腔结构中的冷腔与热腔被聚氨酯材料隔开。

优选地，所述流量测量系统包括流量计和变径管，

所述变径管，用于通过变换管径，以使流速处于流量计的测量范围1/3～2/3之间；

所述流量计，用于测量液体的流速，以使所述处理显示单元根据截面积计算出流入所述冷凝系统内的体积流量，再根据液体密度计算出质量流量。

优选地，所述温度测量系统包括水负载入水口温度传感器、水负载出水口温度传感器、环境温度传感器、流量计处液温传感器及冷凝器出口温度传感器。

优选地，液体循环系统包括导管、水泵和流量调节器，

所述导管，用于连接冷凝系统、液体循环系统和同轴水负载结构，以形成回路；

所述水泵，用于为所述液体循环系统提供驱动力；

所述流量调节器，用于调节所述水泵的出液。

优选地，所述冷凝系统包括：冷却结晶器、继电器、PID控制器、冷却液存储器和热交换机，

所述PID控制器控制所述继电器对热交换机的换热能力进行调节，以实现对同轴水负载结构的出液进行降温；所述冷却结晶器为冷凝器提供冷源；所述冷却液存储器用于存储冷凝器冷凝的液体。

优选地，所述处理显示单元包括处理器和显示器，

所述处理器，用于根据所述温度测量系统测得的数据控制所述冷凝系统，以实现对同轴水负载结构的入口温度进行控制；并根据流量测量系统测得的流速计算液体的质量流量；计算同轴水负载结构的吸收功率；

显示器，用于显示所述热电堆测温差结构、所述流量测量系统和所述温度测量系统测得的数据，以及所述吸收功率。

优选地，计算所述吸收功率采用热力学公式计算单位时间内吸收的热量，P＝Q＝cmΔt，

其中，Q为单位时间内吸收的热量，m表示基于流量测量系统测量的流速获得的流入冷凝系统的液体的质量，Δt表示所述热电堆测温差结构测得的温差。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案中的一种水负载量热计，能作为微波功率标准或基准，开展微波大功率的量值传递和校准检定工作。这种大功率量热计采用同轴结构设计，包括同轴水负载结构、交流定标装置、热电堆测温差结构、流量测量系统、温度测量系统、冷凝系统、液体循环系统和处理显示单元，能实现超宽带、大功率信号的精准测量，相较于波导结构的(量热式)水负载功率计频带更宽，测量精度更高。基于本发明设计的一种水负载量热计，能有效提高中大功率的测量准确度，为建立中大功率标准提供了一套切实有效的解决方法，能满足各种中大功率计的溯源需求。

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示出量热计原理图；

图2示出本实施例中水负载量热计的系统示意图；

图3示出本实施例中交流定标装置连接示意图；

图4示出本实施例中同轴水负载结构的示意图。

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2所示，在本发明的一个实施例中公开了一种水负载量热计，包括交流定标装置、同轴水负载结构、热电堆测温差结构、流量测量系统、温度测量系统、液体循环系统、冷凝系统和处理显示单元。所述水负载量热计，在精确控制系统中水温的情况下，实现了对被测设备产生的微波功率进行吸收，测得第一吸收功率；利用交流定标装置对自身实现了定标，使交流定标装置产生功率进行交流加热并使量热计吸收获得第二吸收功率，使实时测得的第二吸收功率与第一吸收功率一致，基于此时交流定标装置发出的功率等效得到相应的被测设备发出的功率，保证了在对微波源功率(被测设备发出的功率)进行测量时的准确性。

在本实施例中，所述交流定标装置用于作为水负载量热计的交流参考部分，对水负载量热计进行定标；所述同轴水负载结构用于基于所述液体循环系统提供的液体吸收被测设备产生的微波功率或交流定标装置产生的功率；所述热电堆测温差结构用于测量同轴水负载结构的热端和冷端的温差；所述流量测量系统用于测量进入所述冷凝系统中的液体的流速，以实现对液体的流量测量；所述温度测量系统用于测量同轴水负载结构的入口温度、同轴水负载结构的出口温度、环境温度、流量测量系统的温度和所述冷凝系统中冷凝器的出口温度；所述液体循环系统用于向所述同轴水负载结构进行供液；所述冷凝系统用于对所述同轴水负载结构的出液进行降温；所述处理显示单元用于控制所述冷凝系统制冷以实现对同轴水负载结构的入口温度进行控制，并基于所述热电堆测温差结构、所述流量测量系统和所述温度测量系统测得的数据，计算同轴水负载结构的吸收功率并显示。采用上述设计方式实现了对被测设备，如发射机等的精确测量，可利用本发明中所述水负载量热计可以作为微波功率标准或基准，开展微波大功率的量值传递和校准检定工作。

在本实施例中，如图3所示，所述水负载量热计利用交流替代微波功率原理设计，需要用到准确度很高的交流信号，考虑到交流和微波的差异性，交流定标装置将交流加热方式转换成同轴方式，以使得所述同轴水负载结构吸收交流定标装置产生的功率时进行交流加热与吸收被测设备产生的微波功率进行微波加热的路径完全相同，消除了由于路径不同带来的差异，根据趋附效应原理，查出不同频率的趋附深度，计算出频率路径损耗即可。所述交流定标装置通过同轴接头与所述同轴水负载结构连接。

在本实施例中，如图4所示，所述同轴水负载结构采用双管结构，包括同轴设置的内管和外管，在进行由同轴水负载结构进行功率能量吸收时，可选的，液体选用水为吸热介质。内管通过冷水输入端输入冷水为冷端；外管通过热水输出端输出热水为热端。所述内管和所述外管通过设置在内管上的冷热水交换孔连通，在所述外管外表面涂有吸波涂层，在吸波涂层的吸波材料的上表面覆盖有隔热材料。具体的，两管通过交换孔相连并旋接在一起，为了保证受热均匀，内外管需要保证同心，在外管外表面涂有吸波材料，根据测量的频段不同，吸波材料的特性及涂层的厚度各不相同，为了提高传热效率，外管需要选择热导率高的材料，为了避免吸波涂层向外散热，吸波材料上表面需要覆盖隔热材料，且隔热材料不影响微波透射。所述同轴水负载结构还包括同轴匹配器。所述同轴水负载结构外表面采用渐变同轴外腔体。所述同轴水负载结构与所述交流定标装置连接后，通过交流加热电阻对冷水进行加热。

在本实施例中，所述热电堆测温差结构包括测温腔体结构和热电堆，其中所述测温腔体结构包括聚氨酯隔热结构和冷/热铜腔结构，所述冷/热铜腔结构设置在所述聚氨酯隔热结构中，所述冷/热铜腔结构中的冷腔与热腔被聚氨酯材料隔开。热电堆测温差结构是准确测量液体温差的结构，是使用热能公式计算负载吸收功率的关键部分。具体的冷/热铜腔结构采用黄铜材料，一方面是由于黄铜具有较高的传热系数，能将温度迅速传导至热电堆表面，另一方面黄铜较大的比热容能有效抑制温度的波动。冷/热铜腔结构设计为箱体状，能使液体在其中充分搅拌，使液体温度达到一致，进一步减弱温度的波动。冷/热腔铜腔构置于聚氨酯隔热结构中，冷腔与热腔被聚氨酯材料隔开，由于聚氨酯材料具有超低的导热系数，能有效抑制冷热腔体的热传导，并降低外界环境温度对冷/热铜腔的影响。

在本实施例中，所述流量测量系统包括流量计和变径管。所述变径管用于通过变换管径，以使流速满足流量计的测量范围1/3～2/3之间；所述流量计用于测量液体的流速，以使得所述处理显示单元根据截面积就可计算出流入所述冷凝系统内的体积流量，再根据相应温度下液体密度就可计算出质量流量。由于流量测量系统是准确测量液体流速的结构，也是热能公式计算负载吸收功率的关键部分。优选地，其结构包括红外光感流速计和变径管。通常准确度等级越高的流速计，其流速测量范围就越窄。通过变径管变换管径，使流速满足流速计的测量范围1/3～2/3之间，达到精确测量液体流速的目的。根据管径的截面积就可计算出系统内的体积流量，再根据液体密度就可计算出系统内的质量流量。由于液体的密度是根据温度的变化而变化，因此可根据测得的通过流量计的液温，查出此时液体的质量流量。

在本实施例中，所述温度测量系统采用多个温度传感器对整个量热计进行温度监视，所述温度传感器包括入水口温度传感器，测量同轴水负载结构的入口温度；出水口温度传感器，测量同轴水负载结构的出口温度；环境温度传感器，测量环境温度；流量计液温传感器，测量流量测量系统中流量计处的液温；及冷凝器温度传感器，测量冷凝器的出口温度。选择温度传感器时需注意其阻值大小，阻值过小即对温度变化反应灵敏，由于水流的湍流使测得的温度波动较大；阻值过大即对温度变化反应迟钝，无法及时跟踪温度的变化，阻值的选择需要通过流速的大小通过热学仿真软件分析得到。由于结构的问题，无法将热电堆测温差结构直接接到水负载入(出)水口，必然会有一段距离，因此，需要通过负载入水口/出水口温度传感器准确测得，并进行修正。环境温度传感器用来测量量热计内部的温度，并要保证其不变，因为环境温度的改变对负载吸热，液体传热及表面热损都有影响。流量计处液温传感器测量的温度可用来精确计算液体流量。冷凝器出口温度传感器的作用是用来监测冷凝器出口温度是否恒定不变，只有保证流入水负载的液体初始温度不变，才能保证测量的准确性。

在本实施例中，液体循环系统的作用是驱动液体循环，其包括导管、精密水泵、保温材料、分流器、流量调节器等。其中所述导管用于连接冷凝系统、液体循环系统和同轴水负载结构，以形成回路；所述水泵用于为所述液体循环系统提供驱动力；所述流量调节器用于调节所述水泵的出液。导管应选用内表面光滑，孔径大小一致的绝热管制成，内表面光滑能减小液体与管壁的摩擦，降低摩擦带来的热增量以及水流湍流的效果，孔径大小一致能保证流速均匀，绝热材料能减少与外界的热交换以及管壁吸热造成的热损耗。精密水泵能保证液体流速稳定，保温材料包裹在导管及量热计内表面，降低热交换，分流器和流速调节器能对流速进行微调，保证流量计测量的流量准确一致。

在本实施例中，由于所述冷凝系统的作用是将经过负载加热升温的液体的温度重新降下来，将热量及时散出去，并保证出口温度恒定不变。其结构包括：冷却结晶器、继电器、PID控制器、冷却液存储器和热交换机，所述PID控制器控制继电器对热交换机的换热能力进行调节，以实现对同轴水负载结构出水进行降温；所述冷却结晶器为冷凝器提供冷源；所述冷却液存储器用于存储冷凝器冷凝的液体。

在本实施例中，所述处理显示单元包括处理器和显示器，所述处理器用于根据所述温度测量系统测得的数据控制所述冷凝系统中的PID控制器，以实现对同轴水负载结构的入口温度、同轴水负载结构的出口温度和所述冷凝系统中冷凝器的出口温度等进行调整，并计算水负载的吸收功率；显示器用于显示所述热电堆测温差结构、所述流量测量系统和所述温度测量系统测得的数据，以及吸收功率等。

在本实施例中，计算所述吸收功率采用热力学公式计算单位时间内吸收的热量，P＝Q＝cmΔt，其中，Q为单位时间内吸收的热量，m表示基于流量测量系统测量的流速获得的流入冷凝系统的液体的质量，Δt表示所述热电堆测温差结构测得的温差。

通过实验测试证明，本发明的同轴大功率水负载量热器能实现10kHz～3GHz频段范围内中大功率的测量，有效效率的测量不确定度达到1.5％～2.5％(k＝2),驻波系数小于1.1。此外，这种设计结构也可用于同轴其他频段。

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 (10)

1.一种水负载量热计，其特征在于，包括交流定标装置、同轴水负载结构、热电堆测温差结构、流量测量系统、温度测量系统、液体循环系统、冷凝系统和处理显示单元，

所述交流定标装置，用于作为水负载量热计的交流参考部分，对水负载量热计进行定标；

所述同轴水负载结构，用于基于所述液体循环系统提供的液体吸收被测设备产生的微波功率或交流定标装置产生的功率；

所述热电堆测温差结构，用于测量同轴水负载结构的热端和冷端的温差；

所述流量测量系统，用于测量进入所述冷凝系统中的液体的流速，以实现对液体的流量测量；

所述温度测量系统，用于测量同轴水负载结构的入口温度、同轴水负载结构的出口温度、环境温度、流量测量系统的温度和所述冷凝系统中冷凝器的出口温度；

所述液体循环系统，用于向所述同轴水负载结构进行供液；

所述冷凝系统，用于对所述同轴水负载结构的出液进行降温；

所述处理显示单元，用于控制所述冷凝系统制冷以实现对同轴水负载结构的入口温度进行控制，并基于所述热电堆测温差结构、所述流量测量系统和所述温度测量系统测得的数据，计算同轴水负载结构的吸收功率并显示。

2.根据权利要求1所述的水负载量热计，其特征在于，所述交流定标装置采用同轴加热方式，以使得所述同轴水负载结构吸收交流定标装置产生的功率时进行交流加热与吸收被测设备产生的微波功率进行微波加热的路径完全相同。

3.根据权利要求1所述的水负载量热计，其特征在于，所述同轴水负载结构采用双管结构，包括同轴设置的内管和外管，

其中所述内管和所述外管通过设置在内管上的交换孔连通，在所述外管外表面涂有吸波材料，在吸波材料的上表面覆盖有隔热材料。

4.根据权利要求1所述的水负载量热计，其特征在于，所述热电堆测温差结构包括测温腔体结构和热电堆，

其中所述测温腔体结构包括聚氨酯隔热结构和冷/热铜腔结构，所述冷/热铜腔结构设置在所述聚氨酯隔热结构中，所述冷/热铜腔结构中的冷腔与热腔被聚氨酯材料隔开。

5.根据权利要求1所述的水负载量热计，其特征在于，所述流量测量系统包括流量计和变径管，

所述变径管，用于通过变换管径，以使流速处于流量计的测量范围1/3～2/3之间；

所述流量计，用于测量液体的流速，以使所述处理显示单元根据截面积计算出流入所述冷凝系统内的体积流量，再根据液体密度计算出质量流量。

6.根据权利要求1所述的水负载量热计，其特征在于，所述温度测量系统包括水负载入水口温度传感器、水负载出水口温度传感器、环境温度传感器、流量计处液温传感器及冷凝器温度传感器。

7.根据权利要求1所述的水负载量热计，其特征在于，液体循环系统包括导管、水泵和流量调节器，

所述导管，用于连接冷凝系统、液体循环系统和同轴水负载结构，以形成回路；

所述水泵，用于为所述液体循环系统提供驱动力；

所述流量调节器，用于调节所述水泵的出液。

8.根据权利要求1所述的水负载量热计，其特征在于，所述冷凝系统包括：冷却结晶器、继电器、PID控制器、冷却液存储器和热交换机，

所述PID控制器控制所述继电器对热交换机的换热能力进行调节，以实现对同轴水负载结构的出液进行降温；所述冷却结晶器为冷凝器提供冷源；所述冷却液存储器用于存储冷凝器冷凝的液体。

9.根据权利要求1所述的水负载量热计，其特征在于，所述处理显示单元包括处理器和显示器，

所述处理器，用于根据所述温度测量系统测得的数据控制所述冷凝系统，以实现对同轴水负载结构的入口温度进行控制；并根据流量测量系统测得的流速计算液体的质量流量；计算同轴水负载结构的吸收功率；

显示器，用于显示所述热电堆测温差结构、所述流量测量系统和所述温度测量系统测得的数据，以及所述吸收功率。

10.根据权利要求1所述的水负载量热计，其特征在于，计算所述吸收功率采用热力学公式计算单位时间内吸收的热量，P＝Q＝cmΔt，

其中，Q为单位时间内吸收的热量，m表示基于流量测量系统测量的流速获得的流入冷凝系统的液体的质量，Δt表示所述热电堆测温差结构测得的温差。