Еталон сили струму в діапазоні високих частот

Вимірювання сили струму високої частоти необхідні для контролю параметрів засобів зв'язку, радіолокації, радіонавігації, контролю якості виробів радіотехнічної та електронної промисловості. Широке поширення одержали термоамперметри, що працюють у діапазоні частот до 300 МГц, а також вимірювачі сили струму в еквіваленті антени. Вимірювання сили струму на ВЧ необхідні в широкому динамічному діапазоні – від сотень міліампер до сотень ампер, при цьому значенням струму характеризують інтенсивність сигналу на “передавальній стороні” радіотехнічних систем. Для забезпечення повірок амперметрів ВЧ у деяких країнах, зокрема в Росії, створені еталони одиниці сили струму ВЧ [23, 37]. Розглянемо принцип його побудови.

Відтворення одиниці сили струму ВЧ базується на електродинамічному перетворенні енергії електромагнітного поля в механічну енергію коливань кільця, розташованого в цьому полі. Схему первинного перетворювача наведено на рис. 5.23. У результаті дії ВЧ-струму, що протікає по внутрішньому провіднику коаксіальної лінії, у металевому кільці наводиться вторинний струм, і через взаємодію двох струмів з'являється обертаючий момент . Значення визначається силою струму і параметрами системи за виразом [23]:

, (5.11)

де – сила струму ВЧ у лінії; – взаємоіндукція між лінією і кільцем; – активний опір кільця; – частота струму; – кут повороту кільця щодо площини поперечного перерізу лінії; – пружність нитки підвісу.

Обертаючий момент, відповідно до (5.11), залежить від сили струму, геометричних характеристик кільця, взаємного розташування кільця і лінії, активного опору кільця і частоти струму. Кільце виконується з матеріалу з високою провідністю, так що при досить високій частоті () залежність періоду механічних коливань кільця від частоти струму є досить слабкою.

З викладеного очевидно, що при незмінній геометрії рухливої системи і високій частоті період коливань буде тільки функцією струму в лінії.

Середнє квадратичне значення сили струму визначається за формулою

, (5.12)

де – стала еталона, що залежить від його геометричних розмірів; – період власних коливань кільця при наявності струму в лінії; – період власних коливань кільця, обумовлений пружністю нитки підвісу й інших факторів при відсутності струму в лінії.

Період коливань визначається через число коливань, що відлічуються автоматично за допомогою променя світла, який направляється на дзеркальце, і електронного секундоміра (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема первинного перетворювача еталона

Процедура вимірювань за допомогою еталона полягає в наступному. Спочатку визначають період власних коливань при відсутності струму, а потім електромагнітом закручують рухливу систему на кут , включають вимірюваний струм, звільняють підвіс і відраховують необхідне число коливань за допомогою фотореле, лічильника імпульсів, електронного секундоміра, до якого підводиться еталонна частота 10 кГц.

Випадкова похибка еталона значною мірою залежить від зовнішніх факторів: нестабільності струму, вібрацій фундаменту, конвекційних потоків, електростатичних зарядів. Для їхнього зменшення вживають спеціальні заходи.

Основними складовими систематичної похибки є: похибки визначення і , зв'язані з загасанням коливань; похибка визначення постійної еталона ; похибка, викликана відмінністю умов при вимірюванні струму і визначенні .

Головна задача метрологічного дослідження еталона – визначення його сталої , яке може бути проведене як розрахунковим, так і експериментальним шляхом.

Розрахунковий метод полягає у визначені зв'язку між характеристиками кільця, конфігурації поля коаксіальної лінії, моменту інерції і т.ін. і подальшим розрахунком . Експериментальний метод ґрунтується на вимірюванні відомого значення струму на одній з частот , іншими словами, порівнянні результатів вимірювання струму описаним та іншим методами (наприклад, методом теплового чи фотоелектричного компарування).

Створений у Росії еталон має такі метрологічні характеристики [23]:

діапазон відтворення сили струму, А 3 – 100;

діапазон частот, МГц 0,1 – 300;

невиключена систематична похибка 1·10^-4;

СКВ результату вимірювання 5·10^-4.

Як вторинні і робочі еталони сили струму високої частоти в СНД застосовуються прецизійні ВЧ-амперметри, що базуються на електродинамічному, термоелектричному чи фотоелектричному методах. Ці амперметри забезпечують вимірювання сили струму в діапазоні частот до 300 МГц із похибкою від 0,5 до 2,5 %.