Bolometr. Prosty wskaźnik mocy mikrofalowej, czyli dobrodziejstwa elektroniki próżniowej

Bolometr. Prosty wskaźnik mocy mikrofalowej, czyli dobrodziejstwa elektroniki próżniowej
Pobierz PDF Download icon
Podczas uruchamiania generatorów mikrofalowych przydatne są mierniki mocy. Pozwalają one dobrać optymalne warunki pracy generatora. W artykule opisano prosty układ z głowicą bolometryczną z termistorem, do orientacyjnych pomiarów mocy mikrofalowej w paśmie X. Głowica przeznaczona jest do montażu w falowodzie.
66 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA temperaturowy oporności i dużą temperatu- rę topnienia. Jak to zazwyczaj bywa, warunki te stoją w pewnej sprzeczności z dostępnością odpo- wiedniego materiału na drut i łatwością jego obróbki. Materiałem pozwalającym na osiągnięcie kompromisu pomiędzy opisanymi wyżej wła- snościami jest molibden (w  rozwiązaniach fabrycznych używana jest platyna i wolfram). Jego źródłem może być zwykła żarówka, ponieważ z  niego wykonane są wsporniki żarnika. Tradycyjnie stosowana w  naszych domach żarówka oświetleniowa ma wspor- Bolometr Prosty wskaźnik mocy mikrofalowej, czyli dobrodziejstwa elektroniki próżniowej Podczas uruchamiania generatorów mikrofalowych przydatne są mierniki mocy. Pozwalają one dobrać optymalne warunki pracy generatora. W  artykule opisano prosty układ z  głowicą bolometryczną z  termistorem, do orientacyjnych pomiarów mocy mikrofalowej w  paśmie X. Głowica przeznaczona jest do montażu w  falowodzie. Pomiaru małych mocy mikrofalowych, do około 1 mW najprościej można dokonać przy użyciu specjalnych mikrofalowych diod detekcyjnych. Ponieważ charaktery- styka diody w początkowym jej zakresie jest kwadratowa, wskazanie mikroamperomierza podłączonego jako obciążenie diody jest pro- porcjonalne do mocy. Ten sposób pomiaru był nieco szerzej omówiony w  EdW 2/2006. Przy pomiarach mocy do kilkudziesięciu mW można używać bolometrów. Są to swego rodzaju termistory, które pod wpływem mocy mikrofalowej na- grzewają się, co powoduje zmianę ich opor- ności. Termistory te mogą być termistorami półprzewodnikowymi albo metalowymi (z  drutem Wollastona). Widok fabrycznej, radzieckiej głowicy bolometrycznej z termi- storem, do montażu w falowodzie, przedsta- wiono na fot. 1. Wykonanie termistora Termistory półprzewodnikowe, nadają- ce się do zastosowania w głowicy są raczej trudne do nabycia, zaś termistory metalowe są praktycznie nieosiągalne. Okazuje się jed- nak, że można je wykonać we własnym za- kresie, choć wymaga to pewnego oprzyrzą- dowania i cierpliwości. Należy podkreślić, że własnoręcznie wy- konany bolometr nie spełnia wszystkich wa- runków stawianych bolometrom fabrycznym, wobec czego uzyskane wyniki są nieco gorsze. Warunkiem uzyskania dużej czułości głowicy jest zastosowanie do konstrukcji termistora jak najcieńszego drutu. Wówczas niewielka nawet moc będzie w stanie go wy- raźnie zagrzać, co przekłada się na zmianę oporności elektrycznej. Dodatkowo, taki drut mimo małej długości ma znaczną rezystan- cję. Już w  1801  r. Wollaston znalazł spo- sób, aby wykonać cienkie druty platynowe o średnicy 0,001 mm. Stąd właśnie pochodzi nazwa ?drut Wollastona?. Jak wiadomo, dla metali oporność rośnie wraz z temperaturą i zależy ona od rodzaju metalu. Ze względu na czułość i wytrzyma- łość na przeciążenia korzystne byłoby stoso- wanie drutu, który ma duży współczynnik 67ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 Prosty wskaźnik mocy mikrofalowej, czyli dobrodziejstwa elektroniki próżniowej niki o długości wystarczającej do wykonania czujnika. Potrzebne są odcinki o długości oko- ło 1,5 cm. Taki kawałek drutu należy wygiąć w ?U? i przygrzać do przepustów z drutu mie- dziopłaszczowego. Promień krzywizny gięcia powinien wynosić około 0,5 mm. Druty miedziopłaszczowe także można wypreparować z  żarówki, ponieważ wyko- nane są z niego przepusty próżnioszczelne. Druty na przepusty dobrze jest wcześniej ?złapać? kropelką szkła, zaś odcinki przy- szłego próżnioszczelnego łączenia oszklić. Następnie drut molibdenowy należy poddać trawieniu. Do trawienia dobrze na- daje się mieszanina kwasu azotowego i flu- orowodorowego (1:3). Mieszaninę należy rozcieńczyć nieco wodą, aby trawienie nie przebiegało zbyt szybko. Drut należy powoli zanurzać (poniżej miejsca zgrzewania) i wy- nurzać, bez wyjmowania końca. Dzięki temu koniec przebywa w  kwasie najdłużej i  jest najcieńszy. Co kilkanaście sekund należy drut wyciągać z kąpieli i dokonywać pomia- ru oporności. Przy trawieniu drutu o średni- cy 0,2 mm na długości około 4 mm udawa- ło mi się uzyskiwać oporność nawet 20  V, jednak taki drut był już bardzo nietrwały. Praktyka dowodzi, że lepiej poprzestać na drutach o oporności około 5...6 V, które są może nieco mniej czułe, ale też i  trwalsze mechanicznie. Średnicę uzyskanego drutu możemy w  przybliżeniu określić, jeśli oszacujemy długość drutu na najwęższym jego odcinku (dającym największy udział w oporności). Przykład. Termistor ma oporność R=5 V, zaś długość najwęższego odcinka wynosi l=4 mm. Oporność właściwa molibdenu wy- nosi około r=5,35?10-5  Vmm. Stąd średnica: Po trawieniu drut można poddać jesz- cze przez 2...3  s działaniu stężonego kwa- su siarkowego, co usuwa z  niego pozostałą warstwę tlenków po trawieniu, przepłukać wodą i czystym spirytusem (przez delikatne zanurzanie!). Kolejną czynnością jest zatopienie termi- stora w rurce szklanej. Dobrze nadają się rur- ki ze szkła sodowego o średnicy zewnętrznej około 5  mm. Próżnioszczelne miejsca na przepustach ze szkłem rurki zagrzewa się i  gdy szkło staje się miękkie należy je za- gnieść i starannie odprężyć w kopcącym pło- mieniu palnika. Ostatnią wreszcie czynnością jest od- pompowanie i odtopienie od pompy gotowe- go czujnika. Czy wytworzenie próżni w czujniku jest konieczne? W zasadzie tak. Dzięki obecności próżni nie ma strat cieplnych z drutu na kon- wekcję, co pozwala na kilkukrotne zwiększe- nie czułości. Wystarczająca jest w  zasadzie próżnia uzyskiwana z dobrej pompy obroto- wej (10-3  hPa), jednakże swoje czujniki pom- Fot. 1. Fabryczna głowica bolometryczna (z anteną tubową i mostkowym układem zasilającym) Rys. 2. Różnice pomiędzy bolometrem fabrycznym a tym wykonanym przez autora 68 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Rys. 3. Schemat włączenia głowicy bolometrycznej powałem staranniej (do około 10-5 hPa) przy użyciu pompy dyfuzyjnej. Podczas pompo- wania szkło rurki należy wygrzewać palni- kiem w celu pozbycia się zanieczyszczeń, mogących ?popsuć? próżnię. Tak wykonany czujnik posiada wadę, polegającą na tym, że jego wyprowadzenia znajdują się z jednej strony rurki szklanej, a nie po obu, jak to ma miejsce w rozwią- zaniach fabrycznych. Wykonanie czujnika o takiej konstrukcji byłoby jednak bardzo trudne. Wspomniana cecha spowoduje pew- ne trudności przy odsprzęganiu czujnika, o czym będzie później. Zdaję sobie oczywiście sprawę, że po- wyższy opis wykonania czujnika bolome- trycznego może być odstraszający: kwasy, druty, szkło i próżnia nie muszą być w zasię- gu ręki każdego. W przypadkach beznadziej- nych służę radą i...gotowym termistorem. Głowica bolometryczna Mając już wykonany czujnik można przy- stąpić do budowy głowicy. Najlepiej użyć w tym celu odcinka gotowego, fabrycznego fa- lowodu R100. Idealnie byłoby, gdyby falowód miał zamontowany tłoczek do przestrajania. Jeśli go brak, wówczas można albo zaślepić koniec falowodu i do przestrajania użyć kołka, albo tłoczek wykonać we własnym zakresie. Pierwsze rozwiązanie ma wadę, polegającą na tym, że zakres przestrajania jest wąski. Taka głowica będzie mogła pracować w wąskim zakresie częstotliwości. Będzie ją też trudno stroić. Drugie rozwiązanie może zaś sprawiać pewne trudności konstrukcyjne. Falowód należy przewiercić na wylot w odległości 21 mm od króćca mocującego (pośrodku szerszego boku falowodu). Dobrze to widać patrząc na zamocowanie czujnika na rys. 2 (z prawej strony). Następnie, rów- no z brzegami otworów, należy przylutować na zewnątrz rurki metalowe. Średnica otwo- rów i rurek powinna być nieco większa od średnicy czujnika. Termistor należy umieścić w falowodzie w ten sposób, aby drut Wollastona był zanu- rzony w falowodzie. Ponieważ konstrukcja czujnika jest inna niż czujników fabrycznych (w rozwiązaniach fabrycznych wyprowadze- nia czujnika znajdują się na przeciwległych końcach rurki szklanej) zachowuje się on jak sonda zanurzona w falowodzie. Powoduje to przenikanie mocy mikrofalowej przez wy- prowadzenia poza termistor, co może wpły- wać na wynik pomiarów. Aby tego uniknąć, należy termistor odsprzęgnąć dolutowując między obudowę falowodu (masę) i każde z wyprowadzeń termistora kondensator SMD o pojemności kilkunastu pF (kondensatory C na rys. 3), zaś szeregowo z wyprowadzenia- mi dławiki ferrytowe wielkiej częstotliwości. Masę można wykonać plecionką miedzianą, co umożliwi ruch termistora w trakcie stro- jenia głowicy. Takie odsprzęgnięcie może wydawać się nieco dziwaczne (a nawet gwałcące zasady mikrofalowego świata), ale okazało się skuteczne, pomimo zastosowania elementów o stałych skupionych. Literatura opisuje wiele sposobów włą- czenia bolometru. Znane są na przykład układy mostkowe, umożliwiające automa- tyczną kompensację temperatury otoczenia oraz dokonanie podstawienia (moc wydzie- loną przez mikrofale podstawia się przez znaną moc prądu stałego lub małej częstotli- wości, potrzebną do wywołania tego samego efektu cieplnego). Pomiary dokonane przy użyciu tego typu mostków zapewniają dobrą dokładność i bezwzględny pomiar mocy. Z uwagi jednak na ?ułomności? zastoso- wanego termistora stosowanie metody pod- stawienia byłoby obarczone dużym błędem. Dlatego też lepiej zadowolić się klasycznym mostkiem czterogałęźnym, w którym miarą mocy jest kąt odchylenia wskazówki. Jako źródło prądu może posłużyć jedna lub dwie baterie R20. W przypadku częstego dokonywania pomiarów baterię lepiej zastą- pić zasilaczem. Strojenie i regulacja głowicy Z uwagi na fakt, że czułość termistora jest większa, jeśli jest on wstępnie podżarzo- ny, to należy dobrać warunki jego pracy. Za duży prąd spoczynkowy zniszczy czujnik, jego obniżenie pozwala jednak rozszerzyć zakres przyrządu w kierunku większych mocy. Dlatego wskazane jest wykreślenie charakterystyki głowicy: czułość mostka jako funkcja prądu podgrzewającego. W tym celu można postąpić następująco: szeregowo z czujnikiem dołącza się miliamperomierz mA i dołącza opornik R1. Po włączeniu zasi- lania mostka należy go wyzerować, poprzez regulację potencjometrem P1. Następnie należy do głowicy dostarczyć moc mikro- falową. Można w tym celu wykorzystać ge- nerator na diodzie Gunna lub na klistronie. Strojąc tłoczkiem należy starać się uzyskać maksymalne wychylenie wskazówki mier- nika. Należy mieć na uwadze, że termistor, jak każdy przyrząd cieplny ma pewną bez- władność. Czas ustalania się wyniku może wynieść do 30 sekund. Notuje się wartość prądu podgrzewające- go i wskazanie miernika. Po ustaleniu odpowiedniej wartości opornika R1 stosowanie miliamperomierza jest zbędne. Kolejno zmieniając wartości opornika R1 uzyskujemy kolejne punkty wy- kresu. Nie należy przekraczać gęstości prądu powyżej 10 mA/0,001 mm jego średnicy. Wartość oporności R2 dobiera się tak, aby była zbliżonej wartości, co oporność ter- mistora. Podane na rys. 3. wartości są tylko orientacyjne. Jeśli moc źródła mikrofal jest znana, to można zgrubnie przyrząd wycechować w miliwatach, zakładając liniowość podział- ki. Należy podkreślić, że pomiar tak wy- skalowanym przyrządem będzie obarczony znacznym błędem. Czułość układu, w zależności od egzem- plarza jest z przedziału kilka...kilkanaście mikroamperów przy doprowadzonej mocy kilkunastu mW. Wymusza to konieczność stosowania czułego mikroamperomierza w mostku. Zamiast czułego mikroamperomierza magnetoelektrycznego, który trudno zdobyć, można oczywiście zastosować wzmacniacz, co pozwoli stosować mniej czuły miernik analogowy lub odczyt cyfrowy. Rozwiązania te są typowe dla różnych czujników, pracują- cych w układach mostkowych (np. detektory gazów, tensometry), wobec czego nie wyma- gają szerszego omówienia. Aleksander Zawada, EP aleksander.zawada@ep.com.pl R E K L A M A
Artykuł ukazał się w
Lipiec 2009
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio styczeń 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów