Приборы термоэлектрической системы

Устройство. Приборы состоят из термоэлектрического преобразователя (нагревателя и термопары), соединенного с измерительным механизмом магнитоэлектрической системы.

Термопреобразователи бывают контактные (рис. 15, а), бесконтактные (рис. 15, б) и многоэлементные, содержащие несколько термопар для получения большей термоЭДС (рис. 15, в). В контактном преобразователе нагреватель 1-2 и термопара 3-4 соединяются в точке 5 посредством сварки или пайки.

а) б) в)

Рис. 15

В бесконтактном преобразователе нагреватель и термопара разделены изолятором – стеклом, фарфором, окисью тантала и т д. Для повышения чувствительности и уменьшения излучения тепла термопреобразователи помещают в стеклянный баллон, в котором создают вакуум.

Нагреватель 1–2 изготавливают из платиноиридиевой, нихромовой или константановой проволоки. Диаметр проволоки нагревателя зависит от значения измеряемого тока, которое выбирают в диапазоне от 1 мА до 50 А. Падение напряжения на термопаре 3–4 при предельном токе составляет 0,2–0,8 В.

Термопара (термоэлемент) состоит из двух проводников, изготовленных из металлов, имеющих различные термоэлектрические свойства: железо-константан, хромель-алюмель, хромель-копель, хромель-константан и др. Проводники термопары допускают высокую температуру нагрева (до 600 °С) и имеют сопротивление порядка нескольких десятков Ом.

Принцип действия. Измеряемый электрический ток, проходя по нагревателю, подогревает место соединения термопары, на концах которой создается ЭДС, зависящая от разности температур места соединения термопары и ее свободных концов.

Под действием ЭДС Е в цепи измерителя протекает постоянный ток:

I_и = E/R,

где R – общее сопротивление цепи термопары и измерителя.

ЭДС Е пропорциональна тепловой мощности, выделяемой током в нагревателе, т. е.: Е = kR_нI_н²,

где R_н – сопротивление нагревателя.

Отсюда: I_и = kR_нI_н².

Угол поворота подвижной части магнитоэлектрического измерителя:

= I_иBsn/D = k_TI_н²Bsn/D;

= k_TI_н²S. (21)

Схема включения зависит от рода измеряемой величины. При измерениях токов и напряжений приборы включают по схемам для включения амперметров и вольтметров. Для расширения пределов измерений применяют шунты и добавочные сопротивления. Иногда применяют фотоусилители или специальные высокочастотные трансформаторы тока.

Достоинства и недостатки. Контактные термопреобразователи обладают высокой чувствительностью, но развивают небольшую термоЭДС, зависящую от направления тока. Бесконтактные преобразователи не имеют указанных недостатков, но их чувствительность ниже, чем у контактных, а тепловая инерция довольно велика и составляет 4–5 с.

Общими достоинствами приборов этой системы являются независимость показаний от формы кривой тока или напряжения, широкий частотный диапазон и высокая чувствительность.

Недостатки – малая перегрузочная способность, малый срок службы термопар, зависимость показаний от температуры окружающей среды и невысокая точность (не выше 1,0).

Область применения. Приборы применяют в основном для измерения высокочастотных токов в контурах и антеннах, в цепях высокой и звуковой частот. В качестве вольтметров приборы применяют из-за трудностей изготовления безреактивных добавочных сопротивлений. Приборы используют для измерений в цепях переменного и постоянного токов. Термоэлектрические амперметры используют в установках для высокочастотной закалки и плавки металлов.

Промышленность выпускает миллиамперметры, работающие в диапазоне частот до 100 МГц (щитовые Т20, Т22 с пределами измерений от 50 до 1000 мА и переносные Т13, Т15 с пределами от 1 до 500 мА), амперметры, работающие в диапазоне частот до 25 МГц (щитовые Т23, Т25, Т26 и переносные Т12, Т14 с верхними пределами измерений 1 до 50 А), вольтметры Т131, Т132 и многопредельный вольтметр Т130 для измерений напряжений от 75 мВ до 30 В.