Глава XII. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

В электроизмерительной и вычислительной технике, в метрологии 169. 71, 841 термоэлектрическими преобразователями принято называть устройства (рис. XII. 1), содержащие две основные части - электрический нагреватель (иногда несколько нагревателей) и термоэлемент (чаще всего термопару или батарею термопар). Связь между током /, подводимым к нагревателю, и ЭДС, развиваемой термоэлементом, приближенно определяется выражением

£ = V- ( -

где Кр - коэффициент, занисящий от материала нагревателя и

термоэлемента, конструкции термопреобразователя и условий его работы.

Рис. XII. 1. Простейшая схема термопреобразователя: /- нагреватель; 2 - термовлемент.

Рис. XII.2. Контактные (а) и бесконтактные (б) термопреобразователи:

/ - входная цепь нагревателя; 2 - выходная цепь нагревателя; 3 - электрический изолятор.

Нагреватель является входной цепью преобразователя, термоэлемент - выходной.

Из выражения (XII. 1) следует основная особенность термопреобразователя - независимость ЭДС на его выходе от направления тока через входную цепь; это позволяет использовать преобразователь для измерения действующих значений переменного напряжения, тока, мощности и др.

По способу взаимосвязи входных и выходных цепей преобразователи разделяют на контактные и бесконтактные (рис. XII.2).

В контактных преобразователях нагреватель и термопара находятся в электрическом и тепловом контакте, в бесконтактных электрическая связь между нагревателем и термоэлементом отсутствует, а тепловой контакт осуществляется через, электроизолятор из материала, обладающего по возможности хорошей теплопроводностью.

По конструкции термопреобразователи разделяют на воздушные, вакуумные и газонаполненные. В первом случае нагреватель и термоэлемент находятся в среде окружающего воздуха, во втором помещаются в стеклянный или металлический ( /\

Рис. ХП.З. Схемы воздушного (а), вакуумного или газонаполненного (б) одноэлементных и

многоэлементных (в) термопреобразователей:

/ - нагреватель; 2 - термопар

(термобатарея); 3 - термостат. ив-

баллон, откуда воздух эвакуирован, в третьем используются герметичные камеры, наполненные газом, чаще всего инертным, определенного давления. Преобразователи разделяют также на одноэлементные , содержащие одну термопару, и многоэлементные, где использованы батареи термопар (рис. ХП.З).

Рис. XII.4. Термопреобразователь с непосредственным подогревом:

/, 2 - ветви термопары [77].

Рис. XII.5. Вакуумный преобразователь типа термокрест :

1,2- проводники из различных материалов; 3 - цепь нагревателя; 4 - цепь термопары.

Существуют термопреобразователи 177], у которых нагреватель и термопара совмещены; их называют преобразователями с непосредственным подогревом (рис. XII.4). В таких преобразователях пе-1 ременный ток протекает через термопару, разогревая ее ветви и спай; постоянная составляющая напряжения термопары регистрируется на холодных ее концах измерительным прибором постоянного тока. Для уменьшения влияния переменной составляющей тока в цепь измерительного прибора последовательно включена лндуктивность,

в контактных преобразователях типа термокрест* (рис. XII.Б) два проводника из материалов с различной термоЭДС соединены серединами; через одну из образовавшихси пар пропускают электрический ток, второй парой регистрируется нагрев. Преобразо-

Рис. XI 1.6. Мостоная схема контактного термопреобразователя: ], 2 - ветви термопар; S, 5 - вход; 4, 6 - выход преобразователя. Рис. XII.7. Схема контактного >многоэлементного преобразователя:

; - согласующее сопротивление; 2 - измерительный прибор; 3 - термопара; 4 - разделительный конденсатор; 5 - нагреватель.

ватели типа термокрест с непосредственным подогревом имеют существенный недостаток: их нельзя градуировать постоянным током из-за искажающего действия эффекта Пельтье на спае. По этой причине такие преобразователи не используются при точных

Рис. Х11.8. Многоэлементный преобразователь с трансформатором:

; - термопара; 2 - нагреватели [58].

Рие XII.9. Многоэлементный преобразователь (нагреватель совмещен с термопарами); влияние эффекта Пельтье на постоянном токе исключается мостовой схемой: /, 2 - ветви термопар; 3 - термостат [77].

измерениях. Уменьшение влияния эффекта Пельтье достигается применением мостовой схемы (рис. XI1.6).

Многоэлементные термопреобразователи, как правило, бесконтактные. Могут быть применены преобразователи с электрическим контактом между нагревателем и термопарой, если исполь-

зовать нагреватели для каждого из спаев, включенные последовательно через конденсаторы (рис. XII.7) или трансформатор, как показано на рис. XII.8. Для уменьшения влияния эффекта Пельтье многоэлементные преобразователи совмещенного типа включены в мостоные схемы (рис. XII.9).

Преобразователи с двумя нагревателями, вмонтированными на противоположных спаях термопар, называют дифференциальными. Такими преобразователями осуществляется одновременное сравнение действующего значения переменного тока с равным значением постоянного (рис. XII. 10). Преобразователи с двумя или большим количеством нагревателей (рис. XII. 11) используются в счетно-решающей технике или при измерениях методом равных температур [691.

Рис. XII.10. Схема дифференциального термопреобразователя: /, 5 - нагреватели; 2 - дифференциальная термобатарея.

Рис. XII.11. Схема бесконтактного термопреобразователя с несколькими нагревателями: I, 2 - ветви термопары; 5, 4, 5 - нагреватели.

В зависимости от материала термоэлементов преобразователи разделяют на металлические и полупроводниковые.

В качестве элемента, чувствительлого к перепаду температуры, в преобразователях кроме термопар могут быть использованы и другие термоэлементы. На рис. XII.12, например, приведена схема преобразователя с анизотропным термоэлементом [611.

Наиболее простое использование термопреобразователей реализуется в показывающих приборах переменного тока: нагреватель подключается в цепь переменного тока, термопара присоединяется кСелочному прибору магнитоэлектрической системы

Из (XII. 1) следует, что шкала прибора должна быть квадратичной. В действительности квадратичность сохраняется только в начале шкалы - по мере нарастания тока через нагреватель возрастает и искажающее влияние различных факторов (потерь тепла на излучение, изменения теплообмена, температурных зависимостей свойств материалов и др.), приводящее к изменению коэффициента /Гр, т.е. /: р=/Г р(/).

Иногда для обеспечения линейной связи между измеряемым током и показаниями используют стрелочный прибор с чувствительностью, убывающей к концу шкалы также по квадратичному закону:

(XII.2)

где n - деления прибора, / - ток в цепи термоэлемента, к,- коэффициент. Такая зависимость в измерителе магнитоэлектрической системы достигается применением полюсных наконечников специальной формы или использованием измерительного механизма с внутрирамочным магнитом.

Рис. XII.12. Схема дифференциального термопреобразователя с анизотропным термоэлементом:

1, 5 - нагреватели; 2, электрическая изоляция; 4 - анизотропный термоэлемент.

Рис. XII.13. Принципиальная схема простейшего измерительного прибора (вольтметра) переменного тока с термопреобразователем; Rt - согласующие сопротивления.

Рис. XII.14. Схема преобразователя типа термокрест с дополнительным нагревателем:

I, 2 - клеммы дополнительного нагревателя; S, 4-клеммы основного нагревателя [85].

Рис. XII.15. Выравнивание квадратичной зависимости (1) термопреобразователя методом дополнительного отвода тепла излучением (2). toni опт - оптимальные напряжение и ток [57].

Для достижения большей равномерности шкалы предлагается также использовать дополнлтельный нагреватель [54, 85, 118], ко-, торым производится предварительный ра.чогрев термопары (рис. XII. 14). Таким способом достигается перевод преобразователя в режим, где вольт-амперная характеристика ближе к линейной. Для этой же цели предлагается [57] чернить область контакта с на-

гревателем. При чернении возрастает роль потерь тепла W на излучение:

W(T\ - J (X1I.3)

{Ti - температура спая, Tq - температура окружающей среды), что должно приближать квадратичную зависимость преобразователя к линейной (рис. XII. 15).

Преобразователи со стрелочными приборами не обладают высокой чувствительностью и точностью. Для повышения чувствительности вместо стрелочных приборов применяются приборы с оптическим отсчетом или фотоусилителем. Повышение точности до-

Рис. XII.16. Принципиальная схема устройства для разновременного компарирования термоэлектрическим преобразователем:

потенциометр для измерения ЭДС термоэлемента; 2 -источник измеряемого переменного тока; 3-источник известного постоянного тока.

Рис. XII.17. Принципиальная схема устройства для одновременного

компарирования термоэлектрическим преобразователем: / - индикатор нуля ЭДС термоэлементов; 2 - источник известного постоянного тока; 3 - источник измеряемого переменного тока.

стигается и компарированием: цепь нагревателя вначале присоединяется к источнику переменного тока (рис. XII. 16), ЭДС, развиваемая термоэлементом, фиксируется компенсационным методом, затем нагреватель присоединяется к источнику постоянного тока, вначение которого может измеряться в необходимых пределах и с требуемой точностью. При ЭДС, развиваемой термоэлементом на постоянном токе, равной ЭДС: иа переменном токе, действующие значения постоянного и переменного токов равны.

При наличии двух идентичных преобразователей осуществляется одновременное компарирование (рис. XII.17). Термоэлементы преобразователей включены последовательно, так что при равных токах через нагреватели их ЭДС взаимно компенсируются. Регистрация компенсации производится индикатором нуля. Сопротивлениями в цепях нагревателей достигается необходимое согласование с внешними цепями для измерения напряжений или токов.

Принципиальная схема компаратора мощности приведена иа рис. XI 1.18. Она содержит одинарный мост с двумя идентичными преобразователями и безреактивными сопротивлениями. К вершинам одной диагонали моста подведен ток /, к вершинам другой - наприжение V. В мост включены нагреватели преобразователей.