專利名稱：基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種微波功率測量系統(tǒng)，具體涉及一種基于量熱法的兆瓦級 微波功率測量系統(tǒng)。
技術(shù)背景在受控核聚變實驗研究中，用于等離子體輔助加熱的電子回旋共振加熱(ECRH)系統(tǒng)，是一個由回旋管、傳輸線和發(fā)射天線構(gòu)成的毫米波大功率微 波系統(tǒng)，單模功率在0.5-1MW，頻率35-170GHz，脈寬0.5-10s，微波輸出功 率是表征該系統(tǒng)規(guī)模的一個重要參數(shù)。同時，在回旋管調(diào)試和等離子體加熱 實驗中，微波功率也是最為關(guān)心的參數(shù)。因此，在ECRH系統(tǒng)中，必須建立 可靠的微波功率測量系統(tǒng)。目前，流體量熱法仍是微波大、中功率測量中采用的主要方法之一。它 是利用微波對水的熱效應(yīng)，將微波能轉(zhuǎn)換為水的熱能，測量水在這一過程中 產(chǎn)生的溫度變化來測知微波功率。量熱式大功率計就是基于這一原理制成 的，如圖1所示，它主要包括微波水負載10、出口溫度傳感器3、電加熱器 4、水管l、功率標定電源5和指示電表9。這種量熱式大功率計測量微波功 率的原理為出口溫度傳感器3測量水管1出水處的溫度，從指示電表9上 讀取對應(yīng)的數(shù)值；微波水負載10吸收微波功率后，水管1出水處的水溫升 高到一個新的穩(wěn)定值，將加入微波功率前后的兩個溫度相減，得到溫差A(yù)T， 根據(jù)公式P=cdvAT計算出待測的微波功率P (W)，式中c-水的比熱(單 位J/kg，K)， d-水的密度(單位kg/m3)， v-水的流量(mVs)， AT-水溫的升高(單 位K)。實際測量時多用替代法測量其功率值。先作功率標定，由功率標定電源 5對電加熱器4提供已知電功率P = UI加熱水，U-電壓(單位V)， I-電流(單 位A)，由指示電表9讀得穩(wěn)態(tài)時對應(yīng)溫升AT^的讀數(shù)Vp得到定標系數(shù) !^UI/Vi。做功率測量時，讀得對應(yīng)微波功率加熱水引起的溫升AT2的讀數(shù) V2，由此得到待測微波功率P=kV2。只要在功率標定和功率測量時，保持水 的流量不變，就不用測知水的流量的絕對值。這種量熱式大功率計可測量的功率范圍在5 —2000W，但只能測量CW
微波功率或連續(xù)脈沖微波的平均功率，不能測量單個脈沖的微波功率。
如果采用不同于量熱法的定向耦合器法，在大功率毫米波段，這種器件 的設(shè)計制造技術(shù)要求較高，目前，仍處于探索階段，還未得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)，該 系統(tǒng)能夠測量毫米波段的多路脈沖大功率微波功率，測量功率范圍為1千瓦 至幾兆瓦。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案 一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系 統(tǒng)，它包括水管、出口溫度傳感器、電加熱器和功率標定電源，水管內(nèi)的水 流出口B處設(shè)有出口溫度傳感器，水管內(nèi)設(shè)有電加熱器，電加熱器與功率標 定電源連接，其中，微波功率吸收器的進口處設(shè)有微波檢波裝置，水管貫穿 微波功率吸收器內(nèi)壁的水管，水管內(nèi)的水流進口 A處設(shè)有進口溫度傳感器；進口溫度傳感器的NTC熱敏電阻R3的一端與平衡電阻Rl的一端連接，出 口溫度傳感器的NTC熱敏電阻R4的一端與平衡電阻R2的一端連接，NTC 熱敏電阻R3的另一端與NTC熱敏電阻R4的另一端均接地，平衡電阻R1的 另一端與平衡電阻R2的另一端連接，平衡電阻R1的另一端和平衡電阻R2 的另一端均與直流穩(wěn)壓電源相連，上述NTC熱敏電阻R3、NTC熱敏電阻R4、 平衡電阻R1與平衡電阻R2共同組成溫斯頓電橋；溫斯頓電橋與差分放大電 路連接。
所述的水管內(nèi)的進口溫度傳感器與微波功率吸收器之間的管段內(nèi)設(shè)有電 加熱器。
所述的溫斯頓電橋一臂的輸出端E與差分放大電路的OA的輸入端G連 接，溫斯頓電橋另一臂的輸出端F與差分放大電路的OA的輸入端H連接； 溫斯頓電橋一臂的輸出端E還與差分放大電路的R1連接。
本發(fā)明的效果在于能夠測量1千瓦至幾兆瓦的多路脈沖微波功率。改 變功率吸收器的結(jié)構(gòu)和調(diào)整水管水流的流速，就可以適應(yīng)不同的功率測量范 圍。增強微波功率吸收器的射頻高壓耐受限度，可以提高功率測量范圍；增 加微波功率吸收器內(nèi)部水管的體積或加大水流的流量都可以降低水流的溫度 變化范圍，使溫度傳感器工作在合適的溫度測量范圍，從而適應(yīng)所測微波功 率的提高。采用兩個NTC熱敏電阻分別作為水管進出口處的溫度傳感器，
NTC熱敏電阻靈敏度高，熱響應(yīng)時間快，阻值較大，很適于遠距離、動態(tài)溫 度的測量；并且將兩個溫度傳感器分別接入溫斯頓電橋的兩臂，不需要知道兩處的絕對溫度變化，簡化了測量電路的設(shè)計和減少了測量誤差。溫斯頓電 橋兩臂輸出的對應(yīng)于水管進出口處溫度變化的兩個電壓信號，幅度相差很小， 而且存在很高的共模電壓，經(jīng)后一級低漂移差分放大電路處理，得到具有高 信噪比且滿足多種數(shù)據(jù)記錄設(shè)備靈敏度范圍的電壓信號。


圖1為一種現(xiàn)有的量熱式大功率計的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)的示意圖。 圖中l(wèi).水管；2.進口溫度傳感器；3.出口溫度傳感器；4.電加熱器；5. 功率標定電源；6.微波功率吸收器；7.微波檢波裝置；8.差分放大電路；9.指 示電表；IO.微波水負載；A.水流進口； B.水流出口； C:電源輸入端；D.電 壓輸出端；E.溫斯頓電橋輸出端；F.溫斯頓電橋輸出端；G.差分放大器輸入端; H.差分放大器輸入端；I.接地端；M.待測脈沖微波；Rl和R2.平衡電阻；R3和R4.NTC熱敏電阻。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖2所示， 一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)，包括水管l、 進口溫度傳感器2、出口溫度傳感器3、電加熱器4、功率標定電源5、微波 功率吸收器6、微波檢波裝置7和差分放大電路8。微波功率吸收器6的進口 處側(cè)壁設(shè)有微波檢波裝置7，微波檢波裝置7為微波檢波二極管，微波檢波 二極管的型號為D407或1N53SYLVANIA。水管1貫穿微波功率吸收器6內(nèi) 壁的水管，水管1內(nèi)的水流進口 A處設(shè)有進口溫度傳感器2，水管1內(nèi)的水 流出口 B處設(shè)有出口溫度傳感器3，進口溫度傳感器2和出口溫度傳感器3 均為NTC熱敏電阻。水管1內(nèi)的進口溫度傳感器2與微波功率吸收器6之間 的管段內(nèi)設(shè)有電加熱器4，電加熱器4為鎳鉻鐵電阻絲，也可以是常用的加 熱電阻絲。電加熱器4與功率標定電源5連接。進口溫度傳感器2由金屬外 殼和位于金屬外殼內(nèi)的NTC熱敏電阻R3組成，出口溫度傳感器3由金屬外 殼和位于金屬外殼內(nèi)的NTC熱敏電阻R4組成。進口溫度傳感器2的NTC 熱敏電阻R3的一端與平衡電阻Rl的一端連接，出口溫度傳感器3的NTC
熱敏電阻R4的一端與平衡電阻R2的一端連接，NTC熱敏電阻R3的另一端 與NTC熱敏電阻R4的另一端均接地，平衡電阻R1的另一端與平衡電阻R2 的另一端連接，平衡電阻R1的另一端和平衡電阻R2的另一端均與直流穩(wěn)壓 電源相連，平衡電阻R1與平衡電阻R2均與直流穩(wěn)壓電源相連。上述NTC 熱敏電阻R3、 NTC熱敏電阻R4、平衡電阻R1與平衡電阻R2共同組成溫斯 頓電橋。溫斯頓電橋一臂的輸出端E與差分放大電路8的OA的輸入端G連 接，溫斯頓電橋另一臂的輸出端F與差分放大電路8的OA的輸入端H連接; 溫斯頓電橋一臂的輸出端E還與差分放大電路8的i ,連接。差分放大器8的 型號可以是INA114、 AD8221或MAX4994等。本發(fā)明提供的一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)的使用方法 電子回旋共振加熱(ECRH)系統(tǒng)的待測脈沖微波M進入微波功率吸收器6， 微波功率吸收器6吸收微波的同時，待測脈沖微波M經(jīng)微波檢波裝置7測出 微波脈寬。微波功率吸收器6的內(nèi)壁繞有吸收微波功率的水管，在水管l的 水流進口 A通入一定流量的水流，水流經(jīng)微波功率吸收器6從水流出口 B流 出水管1。進口溫度傳感器2測量水流進口 A處水的溫度，出口溫度傳感器 3測量水流出口 B處水的溫度。當微波功率吸收器6內(nèi)壁水管吸收微波功率 被加熱后，水流出口B處水的溫度將發(fā)生變化；進口溫度傳感器2和出口溫 度傳感器3，實時將水流進口 A和水流出口 B兩處的水的溫度信號依次經(jīng)溫 斯頓電橋和差分放大器8轉(zhuǎn)化為電壓信號，即差分放大電路8電壓輸出端D 的電壓信號對應(yīng)微波功率引起的水流進口 A和水流出口 B處水的溫度差。差 分放大電路8的電壓輸出端D與通用記錄設(shè)備的輸入端連接，進行數(shù)據(jù)的記 錄存儲、圖形顯示和數(shù)據(jù)處理計算。差分放大電路8電壓輸出端D連接的數(shù) 據(jù)記錄設(shè)備可以是各種通用記錄設(shè)備如x-y記錄儀或數(shù)字存儲示波器，也可 以是專門研制的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。實際測量時用替代法來進行微波功率的測量。替代法求待測微波功率具 體包括以下步驟(1)首先要進行標定得到功率定標系數(shù)"功率定標系數(shù)A由下面公式 計算得到<formula>formula see original document page 7</formula>
上式中A:—功率定標系數(shù)(單位為W/V)。
<formula>formula see original document page 8</formula>/為功率標定電源5提供的標定電壓(單位F )， /為功率標定電源5提供的標定電流(單位」)； A為功率標定電源5功率標定時設(shè)定的時間寬度(單位為S)。 &為功率標定時所得溫差信號包絡(luò)下的面積(單位為ra)，<formula>formula see original document page 8</formula> ，式中MXO指功率標定電源5通過電加熱器4對水流加熱，引起的水流進口 A和水流出口B兩處水溫變化的溫度差；在本系統(tǒng)中，A7XO的值由差分放大電路8 輸出電壓VD的值替代。式中積分下限^為電加熱器4對水流開始加熱的時間， 此時，水溫還沒有變化，A7X0=0， V!^0,加熱時間一般為5-IOS，視所測微波 功率大小而定。加熱后，A7X,)開始上升，由小變大，然后又下降，由大變小， 直至水流進口 A和水流出口 B的溫差為零，即又A7V"0，此時差分放大電路8輸出電壓VD也為零，此時刻即為式中積分上限t2， t2—般為150S左右。 (2)求待測微波功率溫差信號包絡(luò)下的面積^，根據(jù)下式求得上式中A r'(t)是微波功率M進入微波功率吸收器6其內(nèi)壁水管產(chǎn)生熱 效應(yīng)后，對水管1進口出口水溫引起的隨時間變化的溫差;在本系統(tǒng)中，A r'(t) 的值由差分放大電路8輸出電壓VD的值替代。式中積分上下限14、 t3的定義 與上段(1)中的t2、 ^類似。積分下限t3為微波功率剛開始進入微波功率吸收器6的起始時刻，此時Ar(t)K)， VD=0，積分上限t4為微波功率吸收器6 內(nèi)壁水管產(chǎn)生的熱效應(yīng)消失后，即水流進口 A和水流出口 B的溫差為零所需 的時間，此時差分放大電路8輸出電壓VD也為零，t4一般為150S左右。(3)根據(jù)上述步驟(1)和(2)求得的功率定標系數(shù)yt和待測微波功率溫差信號包絡(luò)下的面積、求待測微波功率iV。根據(jù)量熱法功率計算公式，求 得待測微波功率i^為式中i^一待測微波功率(單位W); fc—功率定標系數(shù)(單位w/v);
溫差信號Ar(O曲線包絡(luò)下的面積(單位^); 待測微波功率的脈 寬(單位S)， D"由微波檢波裝置7測量得到。
權(quán)利要求
1.一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)，它包括水管(1)、出口溫度傳感器(3)、電加熱器(4)和功率標定電源(5)，水管(1)內(nèi)的水流出口B處設(shè)有出口溫度傳感器(3)，水管(1)內(nèi)設(shè)有電加熱器(4)，電加熱器(4)與功率標定電源(5)連接，其特征在于微波功率吸收器(6)的進口處設(shè)有微波檢波裝置(7)，水管(1)貫穿微波功率吸收器(6)內(nèi)壁的水管，水管(1)內(nèi)的水流進口A處設(shè)有進口溫度傳感器(2)；進口溫度傳感器(2)的NTC熱敏電阻R3的一端與平衡電阻R1的一端連接，出口溫度傳感器(3)的NTC熱敏電阻R4的一端與平衡電阻R2的一端連接，NTC熱敏電阻R3的另一端與NTC熱敏電阻R4的另一端均接地，平衡電阻R1的另一端與平衡電阻R2的另一端連接，平衡電阻R1的另一端和平衡電阻R2的另一端均與直流穩(wěn)壓電源相連，上述NTC熱敏電阻R3、NTC熱敏電阻R4、平衡電阻R1與平衡電阻R2共同組成溫斯頓電橋；溫斯頓電橋與差分放大電路(8)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)， 其特征在于所述的水管(1)內(nèi)的進口溫度傳感器(2)與微波功率吸收器(6)之間的管段內(nèi)設(shè)有電加熱器(4)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系 統(tǒng)，其特征在于所述的電加熱器(4)為鎳鉻鐵電阻絲或常用的加熱電阻絲。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)， 其特征在于所述的微波檢波裝置(7)為微波檢波二極管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)， 其特征在于所述的微波檢波二極管的型號為D407或1N53SYLVANIA。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系統(tǒng)， 其特征在于所述的溫斯頓電橋一臂的輸出端E與差分放大電路(8)的OA 的輸入端G連接，溫斯頓電橋另一臂的輸出端F與差分放大電路(8)的OA 的輸入端H連接；溫斯頓電橋一臂的輸出端E還與差分放大電路(8)的i ,連 接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種基于量熱法的兆瓦級微波功率測量系 統(tǒng)，其特征在于所述的差分放大電路(8)的型號可以是INA114、 AD8221 <formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明屬于一種微波功率測量系統(tǒng)，具體公開一種基于量熱法的兆瓦級脈沖微波功率測量系統(tǒng)，水管內(nèi)水流出口設(shè)有出口溫度傳感器，水管內(nèi)設(shè)有電加熱器，電加熱器與功率標定電源連接，其中，微波功率吸收器進口設(shè)有微波檢波裝置，水管貫穿功率吸收器內(nèi)壁水管，水管內(nèi)的水流進口處設(shè)有進口溫度傳感器；進口溫度傳感器的NTC熱敏電阻R3與平衡電阻R1連接，出口溫度傳感器的NTC熱敏電阻R4與平衡電阻R2連接，NTC熱敏電阻R3、NTC熱敏電阻R4、平衡電阻R1與平衡電阻R2組成溫斯頓電橋；溫斯頓電橋與差分放大電路連接。本發(fā)明能夠測量毫米波段的多路脈沖大功率微波功率，測量功率范圍為1千瓦至幾兆瓦。
文檔編號G01R31/00GK101126780SQ200710163510
公開日2008年2月20日 申請日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者白興宇, 陸志鴻, 軍 饒 申請人:核工業(yè)西南物理研究院