微波场的温度测量

　　微波是指在电磁波谱中频率范围为300MHz到300GHz的电磁辐射,具有频率高,波长短,能穿透电离层等特点。可以应用在雷达、通讯、科学研究、微波能源利用等方面^[1]。但由于它频率很高,所以存在于强电磁场中,在微波场下的温度测量依然是一个技术难题。比如微波反应器的温度测量问题,在强电磁场下,当用常规温度传感器(如热电偶、热电阻等)测温时,金属材料制作的测温探头及导线在高频电磁场下产生感应电流,由于集肤效应和涡流效应,使其自身温度升高,温度示值产生很大误差或者无法进行稳定的温度测量。因此,研究用于微波场下无干扰的温度传感器具有重大的现实意义。

　　1　用于微波场测温的方法

　　1·1　常规热电偶、热电阻温度传感器

　　常规热电偶测温,是利用两种不同的导体组成的热电偶,在两端温度不同时回路中产生的热电势来测温度。热电阻温度传感器是利用导体或半导体阻值随温度的变化而变化的特性来测温的。

　　这两种传感器具有准确、稳定、可靠、价廉等优点。但他们本身及其传输线是金属材料,在微波场中可产生感应电流,所以必须采取措施减少或消除干扰: (1)减少金属元件的厚度和传输线的直径,如采用极细的材料作热电偶,并选用电导率低、导磁率低的材料作传输线和元件,以减少涡流效应、集肤效应和欧姆效应的影响; (2)尽可能减少处于电磁场中合回路的环包面积,以减少感应电流; (3)在仪表输入端增设滤波电容; (4)调整元件和传输线的走向,使其尽可能与电场方向垂直,以减弱电磁耦合; (5)必要时采取停机测温方法,即关掉电器设备,在没有电磁场的条件下测温,待温度测量完毕后再开机工作。

　　另外由于金属材料对微波辐射具有较强的反射作用,常被用作微波屏蔽材料,可以把这些材料做成屏蔽保护套,加在热电偶或热电阻及导线外部,以屏蔽微波辐射的干扰。

　　采用上述方法解决时,为提高精度可事先通过实验,做出干扰对示值的综合影响量,在测量时对测温结果作一定修正。但上述方法在连续测温、自动控温方面都不太理想。

　　1·2　热敏电阻—高阻导线组成抗电磁干扰温度传感器

　　这种传感器是采用半导体热敏电阻器作测温探头,用非金属的高阻导线作信号传输线,热敏电阻器—高阻导线—金属传输线间的连接采用导电胶粘接,再配以简单的测量电路构成。这种传感器适宜于微波场中的测量,因为在电磁场中,介质材料析出的热量主要由材料中带电质点相互摩擦引起,单位体积中析出的热功率P为:   式中f为电场频率;ε为介质的介电常数;E为电场强度的有效值;Φc为介质耗损角。半导体介于介质和导体之间,其性质更接近于介质,其损耗角和介电常数都很小,在电磁场下析出的热功率很小。因而无感应电流或感应电流极小,基本上不带来电磁干扰^[2]。