ON7AMI

Amateur Radio and Astronomy website. JO10UX

HF Low-Power meter based on temperature measurements
(will be translated in the future)

10/03/2007 - origineel artikel
22/06/2007 - Metingen met reële signalen

Bij het bouwen van een ATV Zendertje op 23cm, ontstond de hoge nood naar een vermogenmetertje voor kleine vermogens. Het zendertje was af, het bleek te werken, lokaal had ik althans schitterend beeld en geluid doch via het lokale relaisstation ON0TVO was geen beeld te bespeuren. De vraag was: is het verwachte uitgangsvermogen bereikt of is dit veel te laag. Voor een vermogenmeting met directionele coupplers heeft men een minimaal vermogen nodig om behoorlijk te meten en dan was er het probleem van het yken van het toestel.

Na wat rondneuzen in mijn literatuur kwam ik op het idee om een 'bolometer' te maken. Dit is een meetinstrument waarbij het opgewekte vermogen wordt omgezet in warmte en waabij we door het meten van de warmte het oorspronkelijk vermogen kunnen reconstrueren. De opgewekte warmte is bovendien altijd lineaire in functie van de True-RMS waarde van het vermogen

Hierboven het principeschema van de schakeling

Het is de bedoeling dat we de hoeveelheid opgewekte warmte meten. Dit wil zeggen dat we de ontwikkelde warmte voortdurend moeten afvoeren. We kunnen dit bereiken door de 50 ohm weerstand op een groot stuk metaal te plaatsen (groot genoeg dat we het metalen blok theoretisch niet kunnen opwarmen) Ook mogen we de weerstand niet te dicht bij de connector monteren om de meting niet dte beïnvloeden door de temperatuur dat onze connector heeft bij aanraking of bij opwarming door verliezen.

Voor de uitvoering heb ik hoofdzakelijk recuperatiemateriaal gebruikt

In eerste instantie moet je de mechanische onderdelen opmeten en de nodige gaten in de behuizing maken.

Ik heb als oplossing hiervoor volgende constructie gemaakt waarbij een stukje print met een stripline van 50 ohm gemonteerd word op een groot stuk alu. Langs de ene kant is de stripline op de connector aangesloten en op de andere kant is een 50 ohm SMD dummy load naar massa gesoldeerd.

  1. N-Connector
  2. Centrale geleieder gesoldeerd op de stripline
  3. Printje met 50 ohm stripline (2.8mm breed  voor epoxy-glasvezel van 1.5mm dik grondvlak vol massa)
  4. 50 ohm SMD Dummy load
    1. Ene kant met weinig soldeer aan de stripline solderen
    2. Andere kant aan de massa solderen
  5. Groot metalen koelblok dat op de kast van de behuizing gemonteerd is voor extra koeling. (de kast - in mijn geval het frontpaneel) moet reeds voorzien zijn van alle gaten voordat je de N-Connector en het blok monteert

 

 

Hieronder zie je hoe een en ander praktisch gerealiseerd werd. Om de SMD te kunnen solderen heb ik een stukje print weggekrast tot de onderste massa laag zichtbaar wordt.

Het printje met de stripline wordt met warmte geleidende pasta stevig op het koelblok gemonteerd

In een volgende stap worden de temperatuur opnemende elementen gemonteerd.  Ik koos voor NTC weerstanden gerecupereerd van Pentium III moederborden waarmee de temperatuur van de CPU gemeten werd. In principe kan je hier elk mogelijk temperatuur gevoelig element gebruiken als het voldoed aan de volgende voorwaarden:

De eigen massa moet zo klein mogelijk zijn, anders gaat de meting te lang duren.

Het element moet kleine temperatuurschommelingen kunnen waarnemen (dit kan je testen door een Ohmmeter aan te sluiten en met je vinger naar de NTC te wijzen. De uitslag moet reeds veranderen voor je de weerstand aanraakt, m.a.w. hij moet reageren op de stralingswarmte van je vinger, dan zit je goed)

De nominale weerstandswaarde mag niet te hoog zijn (ruis en stoorsignalen) en niet te klein (te veel stroom door de meetbrug) tussen 10K en 100K lijken mij haalbare waarden.

Om de veranderende omgevingstemperatuur te compenseren, kan je best werken met een brug van Wheatstone waarin in één tak twee identieke NTC weerstanden zitten, één als meetelement gemonteerd op de dummy load en één gemonteerd op het koelblok (voldoende ver van het meetpunt) om als compensatie te dienen van de omgevingstemperatuur. In de andere tak nemen we twee weerstanden op die in waarde kleiner zijn dan de nominale waarde van de NTC's en een 10-toeren potentiometer voor de nulstelling.

De NTC's worden met seconden lijm of een minuscule hoeveelheid twee-componenenten lijm op respectievelijk de dummy load en het koelblok gekleefd. Vervolgens wordt voorzichtig warmtegeleidende  pasta aangebracht.  Het geheel wordt met een blikken doosje afgeschermt en de aansluitingen van de NTC's worden via zo dun mogelijke draadjes (ik gebruikte fijne wire-wrap draad) aan drie doorvoercondensatoren aangesloten.

De volgende stap is het bikken doosje rond de meetopstelling dicht maken en alle andere mechanische  onderdelen monteren. Dit is nodig omdat we een groot deel van de componenten maar kunnen bepalen na de eerste testmeting.

De rest van de schakeling is op een experimenteer printje opgebouwd. misschien ontwerp ik hiervoor wel eens een printje en dan zal ik zeker de layout hier publiceren.

Hieronder zie je het volledige schema doch voor dat we dit kunnen opstellen moeten we eerst  het eerste deel maken (IC1-a) de verschilversterker en de schakeling naar het ledje. De spanning over het ledje dient namelijk als voedingsspanning voor de meetbrug.

De LED dient als het ware als een Zenerdiode van +/-1.5v de waarde doet er niet zo toe maar ze moet wel constant zijn.

De verschil versterker meet het verschil tussen de twee meetpunten van de brug en versterkt het signaal eveneens met een factor 10. De versterker is zo gedimensioneerd dat hij een evenwicht zoekt tussen lage belasting van de meetkring en minimale ruis.

IC1 = TL072

Eens de eerste trap (IC1-a) bestukt moeten we een eerste reeks metingen doen om het verder dimensioneren. Aangezien de bolometer de temperatuur meet die er in een weerstand opgewekt word doet het er niet toe of het vermogen die deze temperatuur opwerkt er een is van een DC, AC of HF bron. Voor ons eigen gemak kunnen we dus best een DC vermogen in de dummy load sturen, dit kunnen we makkelijk meten en juist instellen.

We gaan in de eerste plaats 100 mWatt in de 50 Ohm weerstand sturen en opmeten welke spanning er uit de eerste trap komt. Om 100 mW n de dummy load op te wekken moeten we een spanning van:

We leggen dus 2.236V aan op de HF-ingang van de en noteren de uitgangsspanning van de eerste trap.

Vermogen (mW) Spanning (V)over 50 Ohm
1 0,224
3 0,387
10 0,707
30 1,225
100 2,24
300 3,87

Als we weten welk de uitgangsspanning moet zijn om onze galvanometer op volle schaal te sturen kunnen we de versterkingsfactor berekenen van onze tweede trap.

Aangezien de Bolometer lineair is kunnen we alle andere bereiken gewoon berekenen. De op het schema aangegeven componenten zijn uiteraard voor de door mij toegepaste NTC weerstanden en kunnen voor andere types NTC's anders zijn. Uiteraard gebruiken we voor de vaste weerstanden 1% waarden.

Voor de fijnafregeling gaan we nu voor alle bereiken een DC spanning aanleggen voor de gewenste vermogens voor volle schaal op de verschillende bereiken.

We regelen met TR1 de bereiken 3 mW, 30 mW, en 300 mW af. Als we één bereik afgeregeld hebben dan moeten de andere twee automatisch correct staan.

Ten slotte regelen we de bereiken 1 mW, 10mW en 100mW af met de trimmers TR2, TR3 en TR4.

Ons laatste werk is nu een mooie schaal te maken van 0 tot 1 mW en van 0 tot 3 mW en als goed amateur natuurlijk ook de bijhorende schalen in dbm (Hier moeten we voor de verschillende bereiken niet vermenigvuldigen maar van 0 tot 10 mW tellen we 10 db bij en voor de schaal 0 tot 100 mW tellen we 20 db bij. Het zelfde voor de schalen 3, 30 en 300 mW

Verder wens ik iedereen veel bouwplezier en vooral veel meetplezier achteraf. Zoals u ziet wordt de schakeling gevoed met 2 9V batterijtjes, een eventuele uitbreiding in de laadstand is niet uitgesloten. Vanaf ik die gemaakt heb zal ik ze zeker hier bij publiceren.

*Bij metingen in de OVRC op verschillende frequenties bleek het toestel tot 5 GHz perfect te meten +/- 0.5dB en op 10 GHz was er een meetfout van 3 dB. Met dank aan de Oost Vlaamse Radio Club en in het bijzonder aan Frans ON4VVV die hiervoor zijn apparatuur ter beschikking stelde.

horizontal rule

(c) ON7AMI - Jean Paul Mertens

Iedereen die zin heeft mag deze schakeling nabouwen, doorgeven of opnemen in tijdschriftjes zolang de bron vermeld blijft en dat er geen vergoeding in gelden of in natura ontvangen worden. Indien u denkt dat dit om welke reden dan aak nodig mocht blijken dit toch te doen kan dit enkel mits schriftelijke toestemming van de auteur.


سُوۡرَةُ حٰمٓ السجدة / فُصّلَت
ثُمَّ اسْتَوَىٰ إِلَى السَّمَاءِ وَهِيَ دُخَانٌ فَقَالَ لَهَا وَلِلْأَرْضِ ائْتِيَا طَوْعًا أَوْ كَرْهًا قَالَتَا أَتَيْنَا طَائِعِينَ ﴿١١
فَقَضَاهُنَّ سَبْعَ سَمَاوَاتٍ فِي يَوْمَيْنِ وَأَوْحَىٰ فِي كُلِّ سَمَاءٍ أَمْرَهَا ۚ وَزَيَّنَّا السَّمَاءَ الدُّنْيَا بِمَصَابِيحَ وَحِفْظًا ۚ ذَٰلِكَ تَقْدِيرُ الْعَزِيزِ الْعَلِيمِ ﴿١٢


Surah Fussilat: Thereafter turned He to the heaven and it was as smoke, and said Unto it and Unto the earth: come ye twain, willingly or loth. They said: we come willingly. (11) Then He decreed them as seven heavens in two days, and revealed Unto each heaven the command thereof; and We bedecked the nether heaven with lamps and placed therein a guard. That is the ordinance of the Mighty, the Knower. (12)

De hemelen en aarde (waren) een samenhangende massa. Wij hebben ze toen van elkaar gescheiden… Wij hebben de hemel tot een beschermend dak gemaakt … en de dag en de nacht, de zon en de maan geschapen. (Koran 41 11:12)


Copyright (c) 2000-2014 - Jean Paul Mertens - ON7AMI - formal ON1AMI - Grote Steenweg 86 - 9840 Zevergem - Belgium - Europe