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.
- N-Connector
- Centrale geleieder gesoldeerd op de stripline
- Printje met 50 ohm stripline (2.8mm breed voor
epoxy-glasvezel van 1.5mm dik grondvlak vol massa)
- 50 ohm SMD Dummy load
- Ene kant met weinig soldeer aan de stripline solderen
- Andere kant aan de massa solderen
- 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.
(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.