sua - площадь поверхности теплообмена и коэффициент теплообмена соответственно,

R al sa

(XII.22)

/?ц - сопротивление нагревателя, откуда следует, что чувствительность преобразователей может быть увеличена путем увеличения

термоЭДС термопары и сопротивления нагревателя и уменьшения тепловых потерь. Рост термоЭДС может быть достигнут при использовании

Рис. XII,3I. Конструкция термоэлемента с теплопронодящим нагревателем:

/-проводник нагревателя; 2 -покрытие из материала с высокой теплопроводностью: 3, 4 - ветви термопары; 5 - спай; 6, 7 - изоляция [10].

термопар из .полупроводников или полуметаллов; увеличение сопротивления нагревателя достигается при их изготовлении из угольных пленок или других материалов, обладающих большим удельным сопротивлением; уменьшение потерь тепла достигается ваку-умированием и зеркальным покрытием стеклянного баллона термопреобразонателя [ИЗ].

Таблица XII.4

Термопреобразователи повышенной чувствительности для установки УППТ-1 [87]

Предложена также конструкция преобразователя, в которой для уменьшения тепловых потерь [10] применен переносчик тепла из периферийных участков к термопаре.

Конструкция такого прибора приведена на рис. XI 1.31. Серебряное покрытие, напыленное на микропровод, увеличивает теп-лопритоки к спаю термопары, что приводит к увеличению чувствительности термопреобразователя. 9,;9

Во ВНИИМ совместно с заводом Эталон разработаны накуумные преобразователи повышенной чув-

/,+/2

Рис. XII.32. Способ улучшения чувствительности термопреобразователя подключением дополнительного источника постоянного тока; Si<Sa.

стнительности [87]. Нагреватель преобразователя изготовлен из нихромовой проволоки, намотанной на стеклянный трубчатый изолятор; внутри трубки размещена термопара хромель-копель. Параметры преобразователей приведены н табл. XII.4.

При малых токах увеличение чувствительности преобразователя достигается подключением к нагревателю дополнительного источника электрического тока (рис. XII.32), позноляющего пере-

hen lecir~

Рис. ХП.ЗЗ. Способы понышения чувствительности измерительного преобразователя 171].

вести режим работы преобразователя в область с большей крутизной вольтамперной характеристики. Повышение чувствительности достигается и при включении идентичных преобразователей в мос-тоную схему (рис. ХП.ЗЗ). Чувствительность регулируется пропусканием через одну из диагоналей моста вспомогательного тока [71].

Параметры нысокочунствительных преобразователей приведены в табл. XII.5. Высокие значения чувстнительиости получены

на опытных преобразователях ВНИИМ. Нагреватель этих преобразователей выполнен на стеклянной трубочке длиной 2,5 мм с наружным диаметром 0,18 мм из суспензии на основе мелкозернистой сажи и эпоксидной смолы. Толщина смолы 0,01-0,02 мм. По оси трубочки расположена термопара хромель-копель. К недостаткам преобразователей с высокоомными нагревателями относятся их большие частотные погрешности и нестабильность во времени. Вариант конструкции преобразователей описан в работе [78].

5. Перегрузочная способность

Увеличение тока через нагреватель приводит соответственно к увеличению температуры, поэтому перегрузочная способность вакуумных преобразователей невелика. Действительно, нагрев в центре нагревателя при номинальном токе составляет обычно 100-200° С и увеличение тока до трех-четырех номинальных его значений приводит к нагреву до температур, при которых в большинстве случаев преобразователь выводится из строя. Поэтому перегрузочная способность обычно не превышает 150-200% значения номинального тока.

Для предотвращения токовых перегрузок в схемах с преобразователями используются различные блокирующие устройства. Для этой цели предложено [40] применять нелинейные элементы (например, диоды) или специальные автоматы [52]. Используются и плавкие предохранители из микропровода.

6. Инерционность

Определяется с достаточной степенью точности постоянной времени т. Используют также интервал времени t, в-течение которого

нагрев термопары достигает 99% значения ее максимального нагрева. Между этими двумя параметрами существует связь [102]

<о 4,6 т. (XII.23)

Время, за которое достигается более точно максимальное значение термоЭДС (99,9%),

<о 6,9 т; (XII.24)

время, за которое достигается 99,99% максимальной термоЭДС,

/о ~ .2 т. (XII.25)

Для контактных преобразователей постоянная времени может приближенно определяться по формуле [68, 69]

х=--!-(XII.26)

где Мц - ати!

CSPo СРоР

, d - диаметр проволоки, s - площадь поперечного сечения проволоки, с - удельная теплоемкость материала проволоки, Ро - плотность, / - длина проволоки. Если четыре проволоки преобразователя от места их пересечения до контактных проводников имеют одинаковые постоянные времени, то этому же значению равна постоянная времени преобразователя. Если постоян-

Рис. XII.34. Схема преобразователя с различными постоянными времени:

/ - вакуумный баллои; 2, 3, 4 - висмутовые ветви со спаями иа различных расстояниях от нагревателя (т, > > т, - постоянные времен преобразователя на электродах 2, 3, 4); 5 - константановый нагреватель; 6 - платиновый стержень [93].

VwmV

ные времени проводников различны, то для расчета постоянной вре-. мени преобразователя берется большая из них.

У бесконтактных преобразователей постоянная времени зависит также от тепловых свойств материала бусинки и ее геометрических размеров. Иногда необходимы преобразователи с меняющимся значением постоянной времени. Для этого предлагается [93] конструкция, содержащая нагреватель и комбинированную термопару, одна ветвь которой представляет собой теплопроводя-щий стержень, вторые ветви присоединены к нему на различных расстояниях (рис. XII.34); нагреватель монтируется на стержне. Чем дальше расположен спаи, тем больше времени необходимо для достижения стационарного режима, тем, естественно, больше постоянная времени преобразователя. Таким образом, на различных спаях достигаются различные постоянные времени.

Параметры высокочувствительных вакуумных термопреобразователей [71]

7. Стабильность параметров во времени

Для большинства преобразователей типа ТВБ временные погреш-ностя (изменение термоЭДС за время измерения) в течение 2-3 мин ие превышают 0,002 -0,006%. При использовании масляных термостатирующих ванн погрешность уменьшается до 0,001% [3]. Стабильность параметров преобразователей с проволочными нагревателями исследована в работе [106]. Для преобразователей с нихромовыми нагревателями изменения термоЭДС при номинальном токе 10 мА между двумя измерениями с интервалом 1 неделя не превышали 0,5 мкВ, что составляет менее 0,001% номинальной термоЭДС. Из этого делается вывод, что нестабильность в течение года не должна превышать 0,1%. Исследованиями 12 преобразователей без перегрузок в течение 10 лет зафиксировано изменение характеристик не более чем на 0,5%. Кратковременные перегрузки изменяют вольт-амперные характеристики преобразователей на несколько процентов.

8. Влияние изменения температуры свободных концов термолары

Изменение температуры свободных концов термопары является источником искажения параметров преобразователен. Для уменьшения искажений в конструкцию преобразователя могут вводиться дополнительные компенсирующие термопары [107, 108]. Пример такой конструкции приведен на рис. XII. 35. Спаи компенсирующих термопар установлены на концах нагревателя. Компенсирующие термопары соединены параллельно одна с другой и последовательно с измерительной термопарой. К преимуще-

Рис. XII.35. Преобразователь с компенсирующими термопарами:

I, 2 - ветвн термопар; S - нагреватель [107, 108].

ствам такого включения относится отсутствие контакта различных ветвей термопары с электродами преобразователя. Тепловые мосты между свободными концами термопары и термостатирование преобразователя также уменьшают влияние изменений температуры свободных концов термопары.

9. Изменения параметров преобразователя в интервале температур

Эти изменения обусловлены рядом причин, в первую очередь температурными зависимостями свойств материалов термоэлемента и нагревателя, изменениями условий теплообмена. Их влияние уменьшается, если в цепь термопары вводят элементы компенсации (рис. XII.36). Они могут располагаться как вне корпуса преобразователя, так и монтироваться [119] с элементами, расположенными внутри вакуумного баллона (рис. XII.37). Уменьшение погрешности

может быть достигнуто и соответствующим выбором материала термопары и нагревателя [75}. Температурные зависимости могут быть почти полностью компенсированы также при использовании уравновешенных дифференциальных схем с двумя идентичными преобразователями.

Рнс. XII.36 Схема компенсации температурной погрешности термопреобразователя термистором Я.,.

Рис. XII.37. Схемы вакуумных преобразователей с резистив-ной температурной компенсацией:

t - резнстнвный элемент, компенсирующий температурные изменения параметров преобразователя; 2 - термопара; 3 - нагреватель [119].

10. Влияние эффектов Пельтье и Томсона

Действие названных эффектов приводит к нарушению симметрии в распределении температуры нагревателя и к смещению области максимального нагрева в зависимости от на-правления тока через нагреватель (см. рис. XII.26). Из рисунка следует, что эффекты Пельтье и Томсона приводя к нарушению тождественности показаний на переменном и постоянном токах.

Изменение температуры в центре нагревателя для случая, когда коэффициент Томсона несущественно зависит от температуры, приближенно определяется из выражения [100]

ДГ = Т

(XII.27)

В.

где Tj-коэффициент Томсоиа, U - разность потенциалов на концах нагревателя. Волге точно влияние эффекта Томсона определяется при аппроксимации зависимости i.j линейной функцией темпера-уры [100]:

f (r -fr-f 273]. (XII.28)

где В - вторая производная функции зависимости термоЭДС от температуры. Рассчитанные погрешности при Т - Го= 200° С, и = 0,2 В для различных материалов приведены в табл. XII.6.

Экспериментально подтверждено влияние эффекта Томсона на точность преобразования: для константановых нагревателей при токах 0,1; 0,5; 1,0 А погрешность составляет не менее 0,06%, для нихрома и платиноиридия при токах 1; 2; 5; 10; 20; 50; 200 мА - не менее 0,01% [100].