Термоэлектрические приборы

Термоэлектрические приборы представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с термоэлектрическим преобразователем. Термоэлектрический преобразователь позволяет использовать магнитоэлектрический механизм для измерения переменных токов и напряжений в широком диапазоне частот.

Термоэлектрический преобразователь состоит из проводника-нагревателя, по которому проходит измеряемый ток, и миниатюрной термопары. Нагреватель изготавливают из тонкой нихромовой или константановой проволоки, допускающей длительный нагрев. Термопара

представляет собой пару электродов, изготовленных из различных металлов, соединенных одними концами. Место соединения нагревается нагревателем. В качестве электродов применяют пары металлов или сплавов, дающие большую термо ЭДС: хромель-копель, золото-палладий, платинородий. Величина термо ЭДС составляет примерно 50-60 мкВ на 1^о С.

В контактных термопреобразователях (рис. 5.23, а) спай термопары приварен к нагревателю, а в бесконтактных (рис. 5.23, б) разде-лен изолятором (обычно бусинка стекла или керамики). Изоляция сплава обеспечивает гальваническую развязку цепи измеряемого тока и цепи измерительного механизма, но уменьшает чувствительность прибора, увеличивает и его инерционность. Бесконтактные термопреобразователи позволяют объединять термопары последовательно в термобатарею; при этом термо ЭДС возрастает пропорционально числу термопар (рис. 5.23, в).

E E Е

I_x I_x I_x

a) б) в)

Рис. 5.23.Термоэлектрические преобразователи:

а – контактный, б – бесконтактный, в – термобатарея.

Теплота, выделяемая электрическим током в проводнике нагревателя, в очень широком диапазоне не зависит от частоты, поэтому термоэлектрические приборы можно применять на постоянном и переменном токах, включая токи высокой частоты, когда приборы других систем не применяются.

Термо ЭДС, развиваемая термопреобразователем, пропорциональна количеству тепла, выделенного измеряемым током в месте спая, поэтому угол поворота подвижной части измерительного механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, проходящего через нагреватель:

α ═ kI_x²

а) б) R

U_x

I_x

Рис.5.24.Термоэлектрические приборы: а- амперметр, б – вольтметр.

На рис. 5.24 показана схема термоэлектрического амперметра и вольтметра. Для расширения пределов измерения термоэлектрических амперметров на высоких частотах используют специальные высокочастотные экранированные трансформаторы тока с сердечником из пермаллоя или феррита. Расширение пределов измерения вольтметров производится с помощью добавочных резисторов.

При измерении токов и напряжений для увеличения малой термо ЭДС используют в составе прибора усилитель постоянного тока. Таким образом снижают порог измерения тока до 100 мкА, а напряжения - до 75 мВ.

Термоэлектрические контактные преобразователи из-за большой емкостной утечки на высоких частотах не применяются. Термоэлектрический амперметр всегда следует включать в такую точку измеряемой цепи, потенциал которой относительно земли близок к нулю. Это уменьшит погрешности измерения, вызванные токами утечки.

Достоинством термоэлектрических приборов является возможность работать в широком диапазоне частот и независимо от формы кривой тока.

Недостатками можно считать большую инерционность, большое потребление мощности, неравномерную шкалу, зависимость от температуры окружающей среды и плохую устойчивость к перегрузкам.

Серийные термоэлектрические приборы имеют классы точности 1,0 и 1,5. Они могут работать в диапазоне частот до 100 МГц.

5.8. Индукционные механизмы..

Индукционный измерительный механизм представляет собой комбинацию неподвижных катушек, объединенных магнитной цепью и создающих вращающееся или бегущее магнитное поле, которое вызывает движение подвижной части. Работа таких механизмов в очень сильной степени зависит от частоты, поэтому они, как правило, применяются на переменном токе одной (промышленной) частоты. Точность индукционных механизмов невысокая.

По числу создаваемых магнитных потоков механизмы могут быть однопоточные и многопоточные. Однопоточные механизмы из-за малости создаваемого ими вращающего момента в настоящее время не применяются. На рис. 5.25 условно представлена схема двухпоточного индукционного механизма. Два переменных тока I₁ и I₂ с фазовым углом между ними ψ, протекая по обмоткам двух катушек создают магнитные потоки Ф₁ и Ф₂. Потоки, пронизывая алюминиевый диск, проходящий через зазоры в сердечниках катушек, индуктирует в нем ЭДС Е₁ и Е₂, отстающие по фазе на угол π/2 от породившего их потока - рис. 5.26. Эти ЭДС создают в диске вихревые токи I₁₂ , I₂₂ , показанные на рис. 5.26 в виде окружностей. Отставание вихревых токов от ЭДС на угол α₁ , α₂ объясняется индуктивностью диска. Углы α₁ , α₂ незначительны.

I₂ I₁

Ф₁ Ф₂

I₁₂ I₂₂

M

Рис. 5.25. Схема индукционного механизма

Ф₁

I₁

Ψ I₂

Ф₂

γ

α₂ α₁

I₂₂ I₁₂

E₁

E₂

Рис.5.26. Векторная диаграмма индукционного механизма.

Мгновенное значение момента от взаимодействия потока Ф₁ и потока, созданного вихревым током i₁₂ :

М₁ = СФ_1еі₁₂ ; С = const.

Из-за массивности диска, он следует не за мгновенным значением вращающего момента, а за его средним значением за период тока:

1 _T 1 _T

M ═ —∫ M_t dt ═ ——СФ_1m I_12m∫sin(ωt – γ₁)sin ωt = СФ₁I₁₂cos γ₁

T ⁰ T ⁰

Если индуктивное сопротивление диска равно нулю, то α₁=0, a γ₁=π/2. В этом случае вращающий момент от взаимодействия потока Ф₁ и тока I₁₂ тоже будет равен нулю. Аналогично момент от взаимодействия потока Ф₂ и вихревого тока I₂₂ тоже будет равен нулю.

Определим значение вращающего момента от взаимодействия потока Ф₁ и вихревого тока I₂₂, а также потока Ф₂ и тока I₁₂ . Для случая α₁=α₂=0 получим:

M₁= C₁Ф₁І₂₂cosγ₁₂ = C₁Ф₁I₂₂cos(π/2+ψ) ═ — C₁Ф₁I₂₂ sinψ;

M₂= C₂Ф₂І₁₂cosγ₂₁ = C₂Ф₂ I₁₂cos(π/2—ψ) ═ C₂Ф₂I₁₂ sinψ.

Различие знаков моментов следует понимать так, что один сердечник втягивает диск, а второй выталкивает. В сумме моменты М₁ и М₂ образуют вращательный момент, направленный от опережающего по фазе потока Ф₁ к отстающему Ф₂ .

М_вр = М₂+ (-М₁)=(C₁Ф₁I₂₂ + C₂Ф₂I₁₂) sinψ.

В свою очередь вихревые токи связаны с порождающими их потоками:

І₁₂ = С₃ fФ₁ ; І₂₂ = С₄ fФ₂ .

Поэтому:

М_вр = (С₂С₃fФ₁Ф₂+С₁С₄ fФ₁Ф₂) sinψ = СfФ₁Ф₂ sinψ

Из последнего выражения следует, что для создания вращающего момента необходимо иметь не менее двух потоков (или двух составляющих одного потока), сдвинутых по фазе и смещенных в пространстве. Максимальное значение момента будет при ψ=π/2. Величина момента зависит от частоты.

Основная область применения индукционных измерительных механизмов – счетчики активной и реактивной энергии. Классы точности серийных индукционных счетчиков активной энергии могут быть 0.5; 1.0; 2.0; 2.5; а реактивной - 1.5; 2.0 и 3.0.

Измерительные цепи.

В электрических измерительных приборах и установках входной информационный сигнал может испытывать ряд преобразований с целью приведения его к виду, при котором возможно его измерение с заданной точностью. Совокупность элементов цепи преобразования называется измерительной цепью. Элемент измерительной цепи, в котором осуществляется одно из ряда последовательных преобразований, называется преобразовательным элементом. Один или несколько

преобразовательных элементов, конструктивно оформленных в самостоятельное изделие, образуют измерительный преобразователь. Характер преобразования может быть различным: изменение физической природы сигнала, линеаризация, масштабирование, фильтрация, функциональное или аналого-цифровое преобразование.