CN112630526B - 改进型流量式微波中功率的测量装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改进型流量式微波功率的测量方法，所述测量方法用于改进型流量是微波功率的测量装置，所述测量装置在流量泵与精密质量流量控制器之间加入PID流量控制阀，所述PID流量控制阀用于控制液体以固定的速率流经精密质量流量控制器；热交换器到冷水储水箱之间通过PID制冷系统控制经过热交换器的水温温度，使得回到冷水储水箱的冷水温度恒定；所述测量方法包括：设定精密质量流量控制器的质量流量大小和冷水温度值，启动水循环系统进行预热；水循环系统工作稳定后，记录此时射频微波负载输入端口和输出端口的第一温差值；根据中功率量热计功率校准系数和所述第一温差值计算被测微波功率。

Description

改进型流量式微波中功率的测量装置和测量方法
技术领域
本发明属于无线电测量技术领域，具体涉及一种改进型流量式微波中功率的测量装置和测量方法。
背景技术
微波中功率量值的测量通常采有两种方法：一种是直接测量法，即应用量热式微波中功率计或中功率量热计直接测量并显示注入微波中功率能量大小；另一种是相对法，通过利用多级大功率耦合器或功率衰减器把中功率衰减成毫瓦级小功率，再由小功率测量装置测量衰减后的功率P1，P1加上衰减器的衰减量得到被测中功率的大小。
目前，基于量热计、微量热计实现的微波小功率计量标准的测量不确定度为0.5％，通用微波小功率计功率测量不确定度约为2％。利用小功率计采用相对法测量中功率时，由于需要应用精密大功率衰减器、定向耦合器等设备进行多级连接，系统组成复杂、体积大、灵活性差，重复性差，将引入较大的不确定度分量，测量不确定度一般为3％以上。市面上也有采用此原理构成的通过式微波中功率计。
相比较而言，直接法测量微波中功率测量系统简单，测量方便。国内外其他厂商生产的量热式微波中功率计或量热计的测量不确定度一般为3％～6％。如何降低量热式微波中功率计或量热计的测量不确定度，降低冷却液温度受热升温后比热以及密度对其造成的影响，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种改进型流量式微波中功率量热计，通过采用精密直流或交流功率预先校准流量式微波中功率量热计抵消部分系统误差提高了微波功率测量准确度，能满足10MHz～3.5GHz、10W～100W微波中功率高准确度测量要求，目前这种改进型流量式微波中功率量热计样机测量不确定度达到1％。
本发明第一方面，提供一种改进型流量式微波功率的测量方法，所述测量方法用于改进型流量是微波功率的测量装置，所述测量装置在流量泵与精密质量流量控制器之间加入PID流量控制阀，所述PID流量控制阀用于控制液体以固定的速率流经精密质量流量控制器。
热交换器到冷水储水箱之间通过PID制冷系统控制经过热交换器的水温温度，使得回到冷水储水箱的冷水温度恒定。
所述测量方法包括：设定精密质量流量控制器的质量流量大小和冷水温度值，启动水循环系统进行预热。
水循环系统工作稳定后，记录此时射频微波负载输入端口和输出端口的第一温差值。
根据中功率量热计功率校准系数和所述第一温差值计算被测微波功率。
根据本发明的一个实施例，所述中功率量热计功率校准系数得到的方法，包括：步骤水循环系统工作稳定后，记录此时射频微波负载输入端口和输出端口的第一温差值之后。输入直流或低频交流功率。再次计算射频微波负载输入端口和输出端口的第二温差值。
根据直流或低频交流功率第一温差值和第二温差值计算中功率量热计功率校准系数。
根据本发明的一个实施例，输入不同的直流或低频交流功率得到不同的中功率量热计功率校准系数。
根据本发明的一个实施例，所述中功率量热计功率校准系数存储于微处理器中。
本发明第二方面提供一种改进型流量式微波功率的测量系统，所述测量系统包括：输入单元，用于设定精密质量流量控制器的质量流量大小和冷水温度值，存储单元，用于水循环系统工作稳定后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值；计算单元，用于根据中功率量热计功率校准系数和射频微波负载输入端口和输出端口的温度差值计算被测微波功率。
根据本发明的一个实施例，所述输入单元还用于水循环系统工作稳定后，设定直流或低频交流功率；所述存储单元还用于存储输入直流或低频交流功率后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值；所述计算单元还用于根据直流或低频交流功率、水循环系统工作稳定后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值以及输入直流或低频交流功率后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值计算中功率量热计功率校准系数。
根据本发明的一个实施例，所述存储单元，还用于存储所述中功率量热计功率校准系数。
本发明第三方面提供了一种存储介质，包括：可读存储介质和计算机指令，所述计算机指令存储在所述可读存储介质中。所述计算机指令用于实现以上所述的改进型流量式微波功率的测量方法。
本发明提供的有益效果：本发明达到的技术效果为：与现有量热式微波中功率计相比减小了功率测量误差，提高了准确度；采用高精度微小质量流量控制器控制循环系统中水的质量流速，减小了由热量吸收体(水)的特征不稳定引入的随机误差影响；采用PID制冷装置精确控制回流储水箱的冷水温度，保证流入流量式微波负载水温的恒定，减小了功率测量误差；采用直流或低频交流功率进行预先功率校准，抵消部分系统误差影响，提高了微波功率测量准确度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为本发明实施例公开的现有技术的流量式微波中功率量热计结构示意图；
图2为本发明实施例公开的改进型流量式微波中功率量热计结构示意图；
图3为本发明实施例公开的改进型流量式微波功率的测量方法流程图。
通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
如图1所示，为现有技术的中功率量热计的结构示意图，中功率量热计根据用于量热吸收体负载的工作形态，可简单分为干式(固态)负载、流量式(液态)负载两种。工作过程是冷却液(水或其他液体)流经流量计、流量式负载、液体泵、热交换系统后回到冷却液储箱形成一个稳定循环系统，微波功率P按式(1)计算得到。
P＝cVρΔT (1)
式(1)中，c为冷却液体的比热容，单位焦耳每克·开尔文(J/g.K)，V为流量计测得冷却液的体积流量，单位为立方厘米每秒(cm3/s)，ρ为液体的密度，单位为克每立方厘米(g/cm3)，ΔT为测温传感器T2与测温传感器T1在负载出口和入口冷却液所测温度之差，单位是开尔文(K)，这样得到式(1)中P的单位瓦(W)。由于冷却液温度受热升温后c、ρ等特性也均发生变化，并引入误差。其流量计测量范围是DC～2.5GHz，10W～200W，读数误差为±3％。
本发明基于式(1)原理提出了一种改进型流量式微波中功率量热计，基于低频或直流功率与微波功率等效校准的原理，通过采用精密直流或交流功率预先校准流量式微波中功率量热计抵消部分系统误差提高了微波功率测量准确度，能满足10MHz～3.5GHz、10W～100W微波中功率高准确度测量要求，目前这种改进型流量式微波中功率量热计样机测量不确定度达到1％。
本发明提供了一种测量频率为10MHz～3.5GHz的、连续波功率范围10W～100W的高准确度中功率量热计。
如图2所示，储水箱内的冷却水在水泵提供的一定压力下流经精密质量流量控制器，流量控制器使水流以固定的速率流经流量式负载的水流入口与出口，升温后的水从出口经过热交换器及PID制冷系统后以设定的恒定冷水温度流回储水箱，形成稳定的冷热水循环系统。功率测量时，功率通过同轴波导注入流量式负载内的50欧姆阻性负载,阻性负载发热把热量传递给紧贴的水循环与导热管道，水吸收热量后温度升高，通过放置在流量式负载水流入口和出口处的高精度温度传感器(浸入水中)准确测量温度的变化量ΔT，按式(2)计算得到功率P。
P＝cmΔT (2)
式(2)中，m为精密质量流量控制器设定的冷却水的质量流量，单位为g/s。利用(2)式计算功率时，因为水的比热容c会因水温变化而变化，质量测量也存在误差，同时不能忽略流量式负载的热损耗等功率测量系统误差。因此，本量热计发明方案提出一种用直流或低频交流功率等效微波功率校准法减小微波功率测量的系统误差。即在测量被测微波功率前，先把能量大小相当的已知直流或低频交流功率P0经过微波输入端口注入量热计，校准量热计得到系数K，然后保持同样的流量和外部温度条件下再输入待测微波功率Px，则被测微波功率按式(3)得到。
Px＝KΔT (3)
其中，K为功率校正系数，单位W/℃。
具体地，采用具有内置PID控制器的科里奥利式微小精密质量流量控制器对循环系统的水流量进行高准确度的流速控制，质量流量的控制稳定度优于±0.1％。利用精密质量流量控制代替常规体积流量计，保证(2)式中质量测量准确和稳定。
采用PID制冷系统稳定控制经过冷热交换器的水流温度，使测量过程中回流储水箱的冷水温度保持恒定。储水箱冷水温度设为室温左右的温度值，温度波动误差小于±0.05℃。
量热计直流校准过程：①根据被测微波信号的大致功率Px，设定精密质量流量控制器的质量流量大小和冷水温度值，启动水循环系统进行预热。在水循环系统工作稳定后，记录此时射频微波负载输入端口和输出端口的温差ΔT的值T0(如T0温度波动小于0.05℃)。②给量热计输入准确的直流或低频交流功率P0(P0越接近Px，测量准确度度越高)，射频微波负载输入端口和输出端口的温差ΔT经过一段时间的升高后，将重新达到稳定(如波动小于0.05℃)，记录此时温差ΔT的值T1。按式(4)计算得到中功率量热计功率校准系数K.
K＝P0/(T1-T0) (4)
校准完成后，把K值存储于微处理系统的存储器中。在同样的流量条件下测量输入量热计的微波功率Px，当测量系统稳定后，自动调用该功率校准系数，通过式(3)测量得到微波功率Px的大小。
本发明达到的技术效果为：与现有量热式微波中功率计相比减小了功率测量误差，提高了准确度；采用高精度微小质量流量控制器控制循环系统中水的质量流速，减小了由热量吸收体(水)的特征不稳定引入的随机误差影响；采用PID制冷装置精确控制回流储水箱的冷水温度，保证流入流量式微波负载水温的恒定，减小了功率测量误差；采用直流或低频交流功率进行预先功率校准，抵消部分系统误差影响，提高了微波功率测量准确度。
本发明提供一种改进型流量式微波功率的测量方法，所述测量方法用于改进型流量是微博功率的测量装置，所述测量装置在流量泵与精密质量流量控制器之间加入PID流量控制阀，所述PID流量控制阀用于控制液体以固定的速率流经精密质量流量控制器。
热交换器到冷水储水箱之间通过PID制冷系统控制经过热交换器的水温温度，使得回到冷水储水箱的冷水温度恒定。
所述测量方法，如图3所示，包括：S101：设定精密质量流量控制器的质量流量大小和冷水温度值，启动水循环系统进行预热。
S102：水循环系统工作稳定后，记录此时射频微波负载输入端口和输出端口的第一温差值。
S103：根据中功率量热计功率校准系数和所述第一温差值计算被测微波功率。
根据本发明的一个实施例，所述中功率量热计功率校准系数得到的方法，包括：步骤水循环系统工作稳定后，记录此时射频微波负载输入端口和输出端口的第一温差值之后。输入直流或低频交流功率。再次计算射频微波负载输入端口和输出端口的第二温差值。
根据直流或低频交流功率第一温差值和第二温差值计算中功率量热计功率校准系数。
根据本发明的一个实施例，输入不同的直流或低频交流功率得到不同的中功率量热计功率校准系数。
根据本发明的一个实施例，所述中功率量热计功率校准系数存储于微处理器中。
本发明提供一种改进型流量式微波功率的测量系统，所述测量系统包括：输入单元，用于设定精密质量流量控制器的质量流量大小和冷水温度值，存储单元，用于水循环系统工作稳定后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值；计算单元，用于根据中功率量热计功率校准系数和射频微波负载输入端口和输出端口的温度差值计算被测微波功率。
根据本发明的一个实施例，所述输入单元还用于水循环系统工作稳定后，设定直流或低频交流功率；所述存储单元还用于存储输入直流或低频交流功率后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值；所述计算单元还用于根据直流或低频交流功率、水循环系统工作稳定后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值以及输入直流或低频交流功率后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值计算中功率量热计功率校准系数。
根据本发明的一个实施例，所述存储单元，还用于存储所述中功率量热计功率校准系数。
本发明提供了一种存储介质，包括：可读存储介质和计算机指令，所述计算机指令存储在所述可读存储介质中。所述计算机指令用于实现以上所述的改进型流量式微波功率的测量方法。
本发明提供的有益效果：本发明达到的技术效果为：与现有量热式微波中功率计相比减小了功率测量误差，提高了准确度；采用高精度微小质量流量控制器控制循环系统中水的质量流速，减小了由热量吸收体(水)的特征不稳定引入的随机误差影响；采用PID制冷装置精确控制回流储水箱的冷水温度，保证流入流量式微波负载水温的恒定，减小了功率测量误差；采用直流或低频交流功率进行预先功率校准，抵消部分系统误差影响，提高了微波功率测量准确度。
显然，上述具体实施案例仅仅是为了说明本方法应用所作的举例，而非对实施方式的限定，对于该领域的一般技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，用以研究其他相关问题。因此，本发明的保护范围都应以权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (6)

1.改进型流量式微波功率的测量方法，其特征在于，所述测量方法用于改进型流量式微波功率的测量装置，所述测量装置在流量泵与精密质量流量控制器之间加入PID流量控制阀，所述PID流量控制阀用于控制液体以固定的速率流经精密质量流量控制器；
热交换器到冷水储水箱之间通过PID制冷系统控制经过热交换器的水温温度，使得回到冷水储水箱的冷水温度恒定；
所述测量方法包括：设定精密质量流量控制器的质量流量大小和冷水温度值，启动水循环系统进行预热；
水循环系统工作稳定后，记录此时射频微波负载输入端口和输出端口的第一温差值T0；给量热计输入准确的直流或低频交流功率P0，射频微波负载输入端口和输出端口的温差ΔT经过一段时间的升高后，将重新达到稳定，记录此时射频微波负载输入端口和输出端口的第二温差值T1；
按式(4)计算得到中功率量热计功率校准系数K，
K＝P0/(T1-T0) (4)，
在同样的流量条件下测量输入量热计的待测微波功率Px，当测量系统稳定后，自动调用该功率校准系数，通过式(3)计算得到待测微波功率Px的大小，其中ΔT为此时射频微波负载输入端口和输出端口的温差，
Px＝KΔT (3)。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，输入不同的直流或低频交流功率得到不同的中功率量热计功率校准系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中功率量热计功率校准系数存储于微处理器中。
4.改进型流量式微波功率的测量系统，其采用如权利要求1-3任一项所述改进型流量式微波功率的测量方法，其特征在于，所述测量系统包括：输入单元，用于设定精密质量流量控制器的质量流量大小和冷水温度值，存储单元，用于水循环系统工作稳定后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值；计算单元，用于根据中功率量热计功率校准系数和射频微波负载输入端口和输出端口的温度差值计算被测微波功率，
所述输入单元还用于水循环系统工作稳定后，设定直流或低频交流功率；所述存储单元还用于存储输入直流或低频交流功率后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值；所述计算单元还用于根据直流或低频交流功率、水循环系统工作稳定后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值以及输入直流或低频交流功率后的射频微波负载输入端口和输出端口的温度值计算中功率量热计功率校准系数。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述存储单元，还用于存储所述中功率量热计功率校准系数。
6.一种存储介质，其特征在于，包括：可读存储介质和计算机指令，所述计算机指令存储在所述可读存储介质中；所述计算机指令用于实现权利要求1至3任一项所述的改进型流量式微波功率的测量方法。
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