их термопары соединены навстречу друг другу. При включении моста в цепь постоянного тока результирующая ЭДС преобразователей пропорциональна произведению а при включении в цепь переменного тока -cos <р, где ф - сдвиг фаз между током и напряжением.

В вычислительной технике термоэлектрические преобразователи применяются для гальванической развязки, для выполнения математических операций, во вспомогательных цепях. Например, на рис. ХП. 19 приведена схема множительного устройства, со-

Рис. XII.18. Принципиальная схема компарирова-ния мощности при раздельном питании цепей тока и напряжения [71].

стоящая из сумматора на сопротивлениях и квадраторов на термопреобразователях [66, 69]. Разность термоЭДС преобразователей £1 и £2 пропорциональна произведению напряжений VxUy. Схема множительно-делительного устройства с термопреобразователями и резистивнымэлектротеплопреобразователем приведена на рис. XII. 20. Соответствующим выбором эле.ментов схемы достигается зависимость

(XII.4)

Для работы схемы необходимо использовать идентичные термопреобразователи. Схема производит операции умножения и деления напряжений, не имеющих гальванической связи. Напряжения могут быть как постоянными, так и переменными; частота любого из напряжений ограничиваетси точностью преобразователей и искажениями схемы и может изменяться от нескольких герц до нескольких мегагерц. На основе термопреобразователей разработаны дифференцирующие, интегрирующие и другие устройства для вычислительной техники [69].

Наиболее широко употребляемыми параметрами преобразователей являются:

номинальный ток через нагреватель. А, мА;

термоЭДС при номинальном токе, мВ;

электрическое сопротивление нагревателя. Ом;

электрическое сопротивление термопары. Ом;

перегрузочная способность - допустимая кратковременная перегрузка тока выше номинального, %;

ёмкость между нагревателем и термопарой нли термобатареей. пФ;

сопротивление изоляции между нагревателем и термопарой. Ом;

©Ry

£1-2

-о Us о

- Рис. XII. 19. Схема множительного устройства с квадраторами на термолреобразователях [69].

Рис. XI 1.20. Схема множительно-делительного устройства с уравновешенными термопреобразователями [69].

чувствительность, характеризующая крутизну вольт-амперной характеристики, мВ/мА;

инерционность, характеризуемая или гшстоянной времени, или временем выхода в стационарный режим с заданной степенью точности, с.

Кроме перечисленных параметров преобразователи характеризуются погрешностями, которыми определяется точность при использовании в измерительных приборах. При описании преобразователей наиболее широко используются следующие погрешности:

температурная, характеризующая изменение параметра преобразователя при изменении его температуры на 1 или 10° С;

нестабильность во времени - уход параметра за определенное время работы:

частотная погрешность в основном диапазоне частот, %;

частотная погрешность в расширенном диапазоне частот, %;

отклонение от квадратачности преобразования - изменение коэффициента или показателя степени в формуле XII.1 в динамическом диапазоне токов;

рсинополчрность - изменение в показаниях термоЭДС при изменении направления тока через нагреватель, %.

§ 1. Одноэлементные воздушные термопреобразователи

Эти термопреобразователи предназначены для измерения переменных электрической мощности и тока относительно больших значений (сныше 0,2 - 0,5 А).

1. Распределение температуры

в воздушном термопреобразователе

Для расчета параметров преобразователей необходимо знать распределение температуры в нагревателе (рис. XII.21). В стационарных условиях изменение температуры вдоль нагревателя находится из условия баланса теплот, где учтены эффект Джоуля, теплопроводность нагревателя, теплообмен с ок-ружающой средой и потери тепла на

Рис. XII.21. Модель для расчета и результаты расчета распределения температуры в нагревателе.

излучение. В одномерном приближении [77] распределение температуры определяется из уравнения

dx?

-e a(T*-Tl}mi = 0. (XII .5)

fll+I(T~To)] + Ks-a(T- Го) nd -

где р - удельное сопротивление материала нагревателя при температуре То, а - температурный коэффициент электрического сопротивления материала нагревателя, d - диаметр нагревателя, s - поперечное сечение нагревателя, х- коэффициент теплопроводности материала нагревателя, о - коэффициент теплообмена с окружающей средой, Og- постоянная Стефана-Больцмана, Го-температура концов нагревателя, равная температуре окружающей среды. Теплоты Пельтье и Томсона по сраннению с другими малы и при расчетах в большинстве случаев не учитываются. В зависимости от конструкций преобразователей для решения ураннения (XII.5) используют различные упрощающие допущения.

В достаточно коротких нагревателях с большим поперечным сечением основной тепловой поток протекает по нагревателю к холодным его концам, поэтому конвективным теплообменом и влиянием излучения здесь можно пренебречь. Распределение температуры вдоль нагревателя в этом случае при небольших Т - То (изменением сопротивления нагревателя можно пренебречь) находится из уравнения

dT Ро

с граничными условиями первого рода

Т\х=

\х=±1

Решение имеет вид

г-г = с 5(/?-4).

(XII.8)

где Со - постоянная. Г -температура нагревателя в точке 1, отстоящей на расстоянии х от середины нагревателя, 21 - длина термоэлемента (см. рис. XII.21). Максимальная температура в центре нагревателя

(Г-Го) ,кс = -/8<Р.

где и - разность потенциалов на концах нагревателя при протекании тока /.

Учет теплообмена с окружающей средой н потери тепла на излучение, если представить их зависимостью, пропорциональной разности первых степеней температуры [77], дает следующее решение ураннения (XII.5):

Г-Го:

chNJx

, (XII.IO)

I максимальная температура в центре нагревателя

(Г - Го) акс -

Р \а + еоои-- j

/2, (-chV /)

где - периметр сечения нагревателя, е - коэффициент излучения поверхности нагревателя.

В уравнении (XII.5) не учтены потери тепла, отводимого термопарой, поэтому при расчетах преобразователей производят дополнительную корректировку Для случая, когда сечение обеих ветвей термопары, длины и теплопронодности одинаковы, выражение для температуры спая имеет вид [77]

рР (. 1

(Г-Го)

макс

chNl

-, (ХП.12)

---.--.

Звездочками у коэффициентов выделяются свойства материалов одной из ветвей термопары. Из (XII.5) - (XII.8) при известных

свойствах материалов нагревателя и термопары, заданном номинальном токе и термоЭДС определяются геометрические размеры нагревателя и термопары, удонлетноряющие параметрам преобразователя.

2. Конструкции воздушных преобразователей

Типичная конструкция воздушного термопреобразонателя приведена на рис. XII. 22. Он состоит из нагревателя, устанонленного

Рис. XII.22. Типичная конструкция воздушного термопреобразователя:

/ трубчатый нагреватель; 2 - горячий спай термопары; 3 - колодка; 4- спай компенсационной термопары.

Рис. XII.23. Способ компенсации изменения температуры токопод-водящнх колодок путем приведения в тепловой контакт с колодками свободных концов термопары:

I, 2 - токоподводящие колодки; 3 - нагреватель; 4 - термопара;,5 - металлические ленты; 6 - электрическая изоляция [98].

на двух токоподводах (колодках), и дифференциальной термопары для компенсации изменения температуры окружающей среды и разогрева токоподнодящих колодок нагревателя. Используется и иной способ компенсации - разогревом свободных концон термопары до температуры обеих колодок (рис. XII.23), однако он менее точен и создает дополнительные электрические емкости в цепи

Рис. XII.24. Внешний вид воздушного термопреобразователя Т-ПО.

нагревателя, ухудшающие частотные характеристики преобразователя. Компенсация указанными способами достигается, если существует линейная зависимость между термоЭДС и перепадом температуры в термопаре, т. е. дифференциальная термоЭДС не зависит от температуры. Перегрев колодок уменьшается при использовании воздушных радпаторов, а для преобразователей большого тока (до 200 А) - применением водяного охлаждения 148). Внещ-

НИИ вид одного из воздушных термопреоСразонателей представлен на рис. XII.24.

Для уменьшения погрешностей на повышенных частотах, вызнанных влиянием скин-эффекта, используются трубчатые нагре-натели. Они изготовляются диаметром 0,25-6 мм при толщине стенки несколько десятков микрометров. Иногда в качестве материала нагревателей (например, в приборе Т-180) используется золото-палладиевый сплан. Для монтажа спая термопары к нагревателю приваривается золото-палладиевый лепесток. Пайка нагревателя к вкладышам производится серебряно-кадмиевым припоем (50% серебра, 40% латуни, 10% кадмия). Термопары изготовлены сваркой из проволоки золото-палладий и платина-иридий диаметром 0,06 мм. Бесконтактное соединение термопары с нагревателем производится бессвинцовой стеклоэмалью с присадкой кадмия при температуре плавления около 700-800° С.

3. Свойства воздушных термопреобразоватепей

Снедения о воздушных термопреобразователях отечественного производства и некоторых зарубежных фирм приведены н табл. XII.1.

Таблица XII.I

Технические характеристики воздушных термопреобразователей [84]

Преобразователи обычно используются в приборах не очень высокого класса точности (1.5 - 2,5), поэтому ряд свойственных преобразователям погрешностей несуществен. Однако нозннкают специфи-