На преобразователях ТВБ-1 и ТВБ-2 с нагревателями из uv Гуна изменение термоЭДС при изменении на прения тока Ic-

Рнс. XII.38. Схема, демонстрирующая возможность частичной ко1йпенсации искажающего влияния эффектов Томсона и Пельтье на распределение температуры в нагревателе термоэлектрического преобразователя: / - дополнительный электрод; 2 - шунтирующее сопротивление. Рис. XII.39. Зависимости, демонстрирующие возможность исключения ошибки, вызванной разнополярностью тока:

1, 2 - зависимости ЭДС термопары Е от тока в различных направлениях; /о - ток, при котором ошибка от разнополярности минимальна [3].

стигает 1%. Меньшая погрешность у преобразователей с нихро-мовыми нагревателями. Уменьшение 3fHX погрешностей достигается при выборе материала, обладающего минимальными эффектами Томсона и Пельтье. Лучшие результаты получены для нагревателей из манганина или платино-иридиевого сплава (85% Р1 - 15% 1г); погрешность перехода от постоянного тока к перемевному в этих случаях не превышает 0,005% (см. табл. XII.6).

Иногда для уменьшения погрешности используют отводящий электрический проводник от участка, близкого к центру нагрева-502

теля. Им с помощью шунтирующего сопротивления уменьшается мощность в той части нагревателя, где эффект Томсона приводит к избыточному нагреву (рис. XII.38). Метод исключения погреш . ности предложили Т. Б. Рождественская и Р. Ф. Акнаев [3]. В иек использован тот факт, что для многих преобразователей зависимости выходного напряжения от подводимого то.ча при различных его направлениях представляются пересекающимися кривыми (рис. XII 39). Это означает, что для тока /о изменение полярности не приво ] дит к изменению термоЭДС, и ошибка сводится к минимуму (0,001- 0,005%). Методика определения погрешности, вызванной асиммет- < рней распределения температуры нагревателя, изложена также в работах (98, 125, 120]. Влияние эффектов Пельтье и Томсона усугубляется асимметричным расположением спая термопары и нагревателя.

11. Квадратнчность преобразования

Термопреобразователи характеризуются квадратичностью преоб-1 разоваиия, т. е. постоянством коэффициента Кр (XII. 1) в динами-ческом диапазоне токов. Для описания отклонения от квадратич-< ности используют также показатель степени п в формуле

(XII.29)

Рис. XII40. Два способа достижения квадратичности преобразования при использовании составных нагревателей:

а - нагреватель из трех составных элементов; б - нагреватель из двух составных элементов; /, 3 - инхром; 2 - платина [112].

Рис. XII.41. Преобразователь с тепловым шунтом 1 [109].

или разложение (XII. 1) по степеням до четвертой включительно: Е = Ki/Hl - /С,/2), (ХП.ЗО)

где /Cl и /Са - постоянные. Отклонения от квадратичности преобразования в основном обусловлены температурными зависимостями параметров материала нагревателя и термопары и изменениями условий теплообмена при изменении температуры нагревателя.-При нагреве не выше 150° С слагаемое КР находится в пределах 0,02 - 0,1 (в среднем 0,05) [106].

Для уменьшения отклонения от квадратичности могут бьпь использованы конструкции, компенсирующие изменения условий

работы преобразователя и температурные зависимости свойств материалов.

В работе [112] для этой цели предложено применять составные нагреватели, выполненные из материалов с различными по знаку температурными коэффициентами сопротивления (рис. XII.40). Выбором длин частей нагревателя можно добиться отклонения от квадратичности не более п = 1,99-i-2,01 (XII.29).

Применяют также дополнительный тепловой шунт, теплопроводность которого изменяется с изменением температуры так, чтобы погрешности преобразователя и погрешность, вызванная изменением теплового потока через шунт, компенсировали друг друга 1109]. Конструкция такого преобразователя приведена на рис. XII. 41. Применение шунта уменьшает температурный коэффициент выходной ЭДС от - 0,2 до 0,002%/К.

12. Частотные погрешности

Влияние скии-эффекта. Обуслоьлено возрастанием сопротивления нагревателя на высоких частотах [59]. Для круглых нагревателей приближенно [69, 122]

Д/Hf 1 4

/? ~ 3 45

(XII.31)

где б = -2 ]/Jl/po, г - радиус нагревателя, ц - магнитная проницаемость материала нагревателя, - удельная электропроводность материала нагревателя при температуре t, ARf - изменение сопротивления нагревателя R на частоте /. Для В С1

5 . 10-Sr*coV cT, (XII.32)

где со = 2я/.

Более подробно влияние поверхностного эффекта рассмотрено в работах [1, 5, 98]. Погрешность рассчитана для случая, когда влиянием индуктивной и емкостной составляющих преобразователя пренебрегают. При равных термоЭДС иа переменном и постоянном токах

I2R = lR (ХП.ЗЗ)

(ff - ток через нагреватель, сопротивление которого на частоте / равно Rj), частотная погрешность

а при Rf, не очень отличном от

1 Ai?,

(XII.34)

Для круглых проводников

(XII.36)

(Моя магнитная постоянная, равная 4п 10 г/м). Формула XII.36 справедлива при т< 1. Частотная погрешность

6,1 . lOpS

(XII.37)

В табл. XII.7 приведены рассчитанные для частот 1; 10; 30 МГц значения погрешности преобразователей ТВБ-1, ТВБ-Зс чугунныш нагревателями и ТВБ-4, ТВБ-5 с нихромовыми нагревателями. Влияние скин-эффекта существенно только для преобразователей ТВБ-2 и ТВБ-3 на высоких частотах (v до 0,2%).

Таблица XII.7

Рассчитанные погрешности влияния поверхностного эффекта в нагревателях преобразователей типа ТВБ [5]

Учет влияния реактивной составляющей сопротивления нагревателя. Погрешность, вызванная реактивной составляющей сопротивления нагревателя для эквивалентной схемы, приведенной на рис. XI 1.42, дается выражением [69, 84]

:-1, (XII.38)

/ 1-+(иС/?)?

где / - ток, подводимый к преобразователю. If - ток через нагреватель, О)о = - резонансная частота эквивалентного контура.

Рабочие частоты преобразователя должны быть существенно меньше резонансной: и С сйо- В этом случае

1 ~<\

(XII-.39)

Индуктивность нагревателя круглого сечения определяется по формуле [46, 77]

£, = 2/(ln-lj.l0-9. (XII.40)

3J. ил.

Рис. XII.42. Эквивалентная схема нагревателя термопреобразователя для определения погрешностей на повышенных частотах: С - межэлектродная емкость; L - индуктивность вагревателя; R - омическое сопротивление нагревателя.

Рис. XII.43. Схема, иллюстрирующая утечки тока через емкости преобразователя на повышенных частотах.

ъоив

30 ив

Рис. XII.44. Зависимость погрешности, обусловленной дополнительным подогревом термопары на частоте 100 МГц:

/ - ТВБ-2: 2 - ТВБ-3; - ТВБ-б; 4 - ТВБ-4; 5 - ТВБ-6; 6 - ТВБ-7 [76].

Рис. XII .45. Зависимость погрешности, обусловленной дополнительным подогревом термопары на частоте 400 МГц:

/ - ТВБ-2; 2 - ТВБ-3; 3 ТВБ-5; 4 - ТВБ-4; 5 - ТВБ-6; 6 ТВБ-7 [76].

где / - длина, d -диаметр нагревателя. Для нагревателя прямоугольного сечения

0,2235 (а + Ь)

1 2L-a- 1

10- , (XII.41)

где a.b- стороны сечения прямоугольного нагревателя. В (XI1.40), (XI 1.41) L приводится в генри.

Влияние емкостных утечек тока через нагреватель. Влияние утечки тока при включении термопреобразователя в цепь постоянного тока ничтожно мало, так как сопротивление изоляционной бусинки в 10- 10 раз больше сопротивления нагревателя или термопары. На повышенных частотах утечки подводимого к преобразователю тока становятся существенными через контуры, содер жащие емкости с С2,Сз (рис. XII.43), где с, - емкость между элект родами нагревателя и землей , Cj - между нагревателем и термо элементом, Cg - между электродами термоэлемента и землей . Токи утечки, текущие через термопару, вызывают ее дополнитель ный подогрев [76]. Эти погрешности ограничивают применение тер мопреобразователей в цепях с потенциалом относительно земли Д.тя преобразователей типа ТВБ значения таких погрешностей при частотах 100 и 400 МГц приведены на рнс. XII.44 и XII.45. Для уменьшения этих погрешностей [30] необходимо тщательно экранировать цепи преобразователя или заземлять один из выводов нагревателя.

Рис. XII.46. Схема термопреобразователя с шунтированием термопары для уменьшения влияния токов утечки [5].

Расчет погрешностей, вызванных утечками на высоких частотах, рассмотрен в работе [5]. В этой же работе предложен ряд схем, уменьшающих погрешность, вызванную утечками тока через термопару (рис. XII.46).

Учет влияния электродов нагревателя. Для электродов из немагнитных материалов (например, медных) необходимо учитывать их индуктивную и емкостную составляющую. Для электродов из магнитных материалов (например, ковара) необходимо дополнительно учитывать влияние поверхностного эффекта. Обозначим [5]

RifRi + ARf.

R2f - Ri

+ AR

2f 2f

10 + 11

(XII.42)

где R2f-сопротивление выводов на переменном токе, R, R2 - сопротивление выводов на постоянном токе, A/?jf, ARf - приращение сопротивлений на переменном токе, Lf, - индуктивность выводов, Lio, L20 -внешние индуктивности, L, Lgj - внутренние индуктивности. Погрешность для случая сопротивления нагревателя R, существенно большего Ri и Rf, определяется по формуле

(L + Z. + L2f)2

(xii.43)