4.5. Термоелектрична система

У мовне позначення —

Прилади термоелектричної системи є об'єднанням магніто­електричного вимірювального механізму з одним або декількома термоперетворювачами (рис. 9.). Термоперетворювач скла­дається з одної чи декількох термопар 1 і нагрівача 2, через який протікає вимірювальний змінний струм. Можна рахувати, що ЕРС термопари пропорційна різниці температур між її гарячим і холодним кінцями, тобто перегріванню термопари. Перегрівання пропорційне (внаслідок теплової інерції) квадрату діючого значення І змінного струму; тому і обертовий момент, що діє на рухому частину вимірювального механізму, пропорційний Р, а відповідно, шкала приладу квадратична.

Термоперетворювачі поді­ляються на контактні рис. 4.14, а, і безконтактні рис. 4.14, б. У пер­ших термопара приварюється або притискається до нитки нагрівача. У других гарячий спай віддалений від нагрівача яким-небудь ізо­ляційним матеріалом (скло). Це дозволяє отримати велику ЕРС шляхом послідовного з'єднання декількох термопар, але збільшує теплову інерцію приладу. Через дуже низький ККД термоперетворювача термоелектричні прилади малочутливі і повинні працювати при високій температурі нагрівача, їх власне споживання велике, а при перевантаженні більше 50% вони руйнуються, оскільки температура нагрівача зростає пропорційно квадрату струму. Область вимірювань, в якій вони майже незамінні, — це вимірювання змінних струмів високої частоти. Прилади: міліамперметри, омметри і ватметри у колах змінного струму високої частоти.

Принцип дії системи: виникнення ЕРС у результаті термо­електричного ефекту і вимірювання її магнітоелектричним приладом.

Висока якість магнітоелектричних приладів зумовили винай­дення способів їх використання для вимірювання змінного струму, перетворюючи попередньо вимірюваний змінний струм у постій­ний. Цей принцип використовується у приладах термоелектричної системи.

Вимірювальний струм І протікає по платинородієвій і ніхро­мовій дротині 1 і нагріває її приблизно до 300—400 °С. До дроту 1, що називається нагрівачем, приварений спай термопари 3—2, у коло якої включе­ний чутливий прилад магнітоелектрич­ної системи. Описаний пристрій, склада­ється з нагрівача і термопари має назву термоперетворювач, за допомогою його вимірювальний змінний струм перетво­рюється у постійний, який діє вже безпо­середньо на вимірювальний прилад маг­нітоелектричної системи.

Вимірювальний струм виділяє у нагрівачі тепло, кількість якого Q₁ за час t визначається формулою Джоуля-Ленца.

де R— опір нагрівача.

Це тепло розсіюється у навколишнє середовище частково випромінюванням, частково завдяки теплопровідності — через затискачі, термопару і повітря. Кількість розсіюваного тепла Q₂ за час t, через порівняно невисоку температуру нагрівача, можна рахувати пропорційним різниці його температури Т і температури навколишнього повітря Т_о, тобто

де k— коефіцієнт тепловіддачі.

При динамічній рівновазі, що встановлюється нагрівач прийме таку температуру, при якій (Q₁ = Q₂, і відповідно, як нагрівач, так і приварений до нього гарячий спай термопари буде мати підвищен­ня температури ΔТ

Об'єднуючи постійні величини у правій частині цієї рівності в один коефіцієнт, отримаємо:

Під дією різниці температур гарячого і холодного спаїв термопара розвине термо-ЕРС Е, приблизно пропорційну ΔТ, тобто Е=m·ΔТ, і у колі магнітоелектричного приладу з'явиться струм.

де R₁ — загальний опір кола: термопара — прилад.

Струм І_а викличе відхилення стрілки приладу на кут α = S -I_а. Приймаючи до уваги, що

де S — чутливість приладу, Ψ₀ – зміна потокозчеплення у магнітоелектричному приладі; W - момент пружинок. Отримаємо:

Об'єднавши всі постійні коефіцієнти, отримаємо рівняння шкали приладу термоелектричної системи

α = А·І² (4.46)

З якого витікає, що шкала приладу нерівномірна і має вадратичний характер.

Термоелектричний прилад може застосовуватися з однією Щ тією ж шкалою для вимірювань постійного і змінного струмів. Власне споживання термоелектричних приладів досить значне через велике споживання енергії у термоперетворювачі. Вакуумні термоперетворювачі при номінальному струмі 10— 20 mА споживають 0,01—0,02 Вт, повітряні перетворювачі з відкритими термопарами споживають потужність більше 1 Вт. З підвищенням температури зовнішнього повітря збільшується опір нагрівача термоперетворювача, у результаті цього збіль­шується як різниця температур ΔТ гарячих і холодних спаїв термопар, так і термо-ЕРС Е=m·ΔТ. Це явище повинно було б призводити до збільшення показів приладу, але воно у значній мірі компенсується зростанням загального опору кола струму І_а, що відбувається при підвищенні температури. З цієї причини загальний вплив температури навколишнього повітря на покази термоелектричного приладу є незначним. Похибки термо­електричних приладів тільки при високих частотах понад 5 МГц можуть бути значними. Зовнішнє магнітне поле має незначний вплив на покази приладів термоелектричної системи (як і магнітоелектричної теж). Мала перевантажувальна властивість приладів (більше 20% перевантаження від номінального призво­дить до пошкоджень). Малий вплив частоти (і форма кривої) змінного струму на покази термоелектричних приладів зробив їх незамінимими на радіостанціях, установках високочастотної закалки та плавлення металів і у лабораторних роботах із змінними струмами підвищеної частоти.

Через низьку перевантажувальну властивість термоелек­тричні прилади не застосовують у колах змінного стуму з частотою 50 Гц. Прилади цієї системи застосовуються в основному як амперметри, рідше як вольтметри, але часто їх використовують як ватметри для вимірювання потужності у колах з частотою 2 МГц.