Термоэлектрический преобразователь среднеквадратического значения.

Термоэлектрические измерительные преобразователи обладают квадратичной функцией преобразования: выходное напряжение (ток) прямо пропорционально квадрату входного напряжения (тока).

Конструктивно термопреобразователи состоят из нагревателя и одной или нескольких соединенных в батареи термопар (рис. 5.28), в которых под действием тепла, выделяемого в нагревателе измеряемым током , возникает термоЭДС , которая в замкнутой цепи термопар вызывает термоэлектрический ток . Нагреватель представляет собой тонкую проволочку из константана, нихрома, вольфрама, платины и других нагревостойких материалов. Термопары обычно выполняют из разнородных металлов или их сплавов: золото-палладий, железо-константан, висмут-сурьма, медь-константан, хромель-копель, хромель-алюмель.

Рис. 5.28 Типы термопреобразователей

Пусть температура рабочего спая термопар, а температура нерабочих (холодных) концов - . При между концами термопар в соответствии с эффектом Зеебека возникает термоЭДС , прямо пропорциональная разности температур .

Определим характер зависимости между термоЭДС и измеряемым током. Положим, нагреватель термопары включен в цепь измеряемого переменного тока . Тогда количество тепла , которое выделяется в нагревателе за период переменного тока

, (5.54)

где - активное сопротивление нагревателя. Тепло, отводимое от нагревания за то же время Т:

, (5.55)

где с - коэффициент теплоотдачи, S - поверхность охлаждения нагревателя, - разность температур нагревателя и окружающей среды.

В установившимся режиме . Приравнивая (5.54) и (5.55) и выражая θ, получаем . Здесь - среднеквадратическое значение тока. Поскольку прямо пропорционально θ, то уравнение термоэлектрического преобразования будет иметь вид

, (5.56)

где k - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров нагревателя и термоэлемента.

Эта зависимость справедлива при малых температурах. При больших температурах будут оказываться потери тепла на тепло­излучение; при выводе (5.56) учитывали лишь потери на тепло­проводность.

Термопреобразователи изготавливаются контактными и бескон­тактными. В бесконтактном преобразователе (рис. 5.28,б) нагреватель изолирован от термопары и не имеет с ней гальванической связи. Эта мера позволяет последовательно соединять термопары, создавать батареи термопар, повышая чувствительность термопреобразователя (рис. 5.28,в). Бесконтактные термопреобразователи обеспечивают лишь слабую емкостную связь между входной и выходной цепью, а следовательно, и слабое влияние измерительного преобразователя на измеряемую цепь. Сказывается связь и через взаимную индуктивность. Для повышения чувствительности изготавливают вакуумные термо­пары. В них уменьшаются потери на передачу тепла воздуху. Термоэлектрические преобразователи используются в высокочастотных амперметрах и вольтметрах на частотах до 300 МГц в качестве основного измерительного преобразователя с квадратичной характеристикой. К зажимам термопар подсоединяется чувствительный магнитоэлектрический прибор. При этом для повышения чувствительности необходимо обеспечить согласование сопротивления батареи термопар и сопротивления рамки. Чувствительность также можно повысить применением УПТ. Вследствие малой чувствительности преобразователей в вольтметрах применяют высокочастотные усилители.

Однако уже на частотах частотная погрешность со­ставляет до 10 %. С увеличением частоты вследствие поверхностного эффекта увеличивается сопротивление нагревателя. Часть энергии ответвляется через шунтирующую цепь, образованную емкостями между отдельными частями прибора, минуя нагрева­тель. Поэтому на ВЧ и СВЧ применяют пленочные термопары, которые напыляются на слюдяные, стеклянные и другие диэлектрические подложки. В качестве металлов выбирают висмут-сурьму или хромель-копель. Основные достоинства таких преобразователей: хорошее согласование с трактом СВЧ, устойчивость к перегрузкам, высокий коэффициент преобразования. Пленочные преобразователи применяют в измерителях мощности на СВЧ.

Недостатками являются значительное собственное потребление энергии, малая чувствительность, малая перегрузочная способность (у проволочных термоэлементов), инерционность.

Погрешности преобразования связаны с отклонением харак­теристики преобразования от квадратичной, старением, в результате чего изменяются свойства термопары, частотной погрешностью, обусловленной поверхностным эффектом, индуктивностью подогревателя и проводов, емкостью относительно земли.

Термоэлектрические амперметры и вольтметры имеют вследствие этого основную погрешность не менее 1 %.