Калориметрический метод измерений мощности и энергии

Калориметрический метод широко применяется для измерения мощности на высоких и сверхвысоких частотах, например для измерения потерь в ферромагнитных материалах, а также для определения энергетических параметров лазерного излучения. Метод основан на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую и определении изменений какого-либо параметра нагреваемого тела (температура, удлинение, электрическое сопротивление, количество вещества, изменившего агрегатное состояние, и др.). Калориметрический метод – это единственный метод, при котором измеряемая мощность (энергия) поглощения непосредственно преобразуется в выходной сигнал или сравнивается с известной мощностью постоянного тока.

В зависимости от вида калориметрической среды (теплоносителя) калориметры разделяются на жидкостные, газовые и твердотельные. В качестве жидких теплоносителей применяются минеральное масло, дистиллированная вода, нитробензол, кремнийорганические жидкости и др.

Калориметрический метод можно использовать для измерения энергии, пропорциональной количеству теплоты, выделившейся за определенный интервал времени (калориметрические интеграторы), а также для измерения мощности.

Калориметрические ваттметры обычно работают в диатермическом режиме, при котором мощность определяется по изменению температуры калориметрической среды (рис. 2-63). Мощность P_x, потребляемая нагрузкой R_x, определяется по разности температур жидкости (теплоносителя) 1 на выходе и входе калориметра, которая измеряется с помощью термобатареи 2 и милливольтметра при

Рис. 2-63 постоянном расходе жидкости:

Р_x= СG(Θ₂–Θ₁),

где С – удельная объемная теплоемкость жидкости, Дж/(м³· К); G –объемный расход жидкости, м³/с; Θ₂ и Θ₁ – температура жидкости на входе и выходе калориметра.

Калориметрический ваттметр обычно градуируют путем пропускания известного постоянного тока I₀через резистор с известным сопротивлением R_N, помещенный в калориметр.

Калориметрическому методу присущи погрешности от изменения температуры окружающей среды (или температуры теплоносителя на входе калориметра), а также от нестабильности тепловых свойств и скорости теплоносителя. Защита от утечки теплоты осуществляется путем термостатирования или автоматического поддержания температуры стенок калориметра, равной температуре калориметрической среды. Для повышения точности калориметрических ваттметров применяются также тестовые методы, при которых в качестве тестов используются искусственно создаваемые тепловые потери и известная мощность постоянного тока или тока низкой частоты. Нижний предел измерений калориметрических ваттметров обычно составляет 1 мВт. В диапазоне частот 50 – 1 МГц погрешность измерения лежит в пределах 0,1 – 2%. Дифференциальный метод, при котором используются два идентичных калориметра, в одном из которых выделяется измеряемая мощность, а в другом помещена эквивалентная нагрузка, питаемая известным постоянным током, позволяет измерять высокочастотную мощность с абсолютной погрешностью 1 мкВт.

Для измерения мощности и энергии лазерного излучения в широком диапазоне их изменения применяются калориметрические приборы с твердотельными тепловыми преобразователями, которые выполняются в виде пластин или чаще полостей – полого конуса, сферы с отверстием и др. Для измерения тепловой мощности (энергии), поглощаемой калориметрическим преобразователем, используются термоэлектрический, терморезистивный или пироэлектрический эффекты. Последний заключается в электризации полярных диэлектриков при изменении температуры. Преимуществами пирометрических калориметров перед термоэлектрическими или терморезистивными (болометрическими) являются более высокая чувствительность и быстродействие.