3-3. ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ПРИБОРОВ СРАВНЕНИЯ
Электротепловыми преобразователями (ЭТП) называются устройства, в которых электрический ток
преобразуется в теплоту
выделяющуюся в нагревательном элементе, а затем эта теплота
преобразуется в другую физическую величину, удобную для наблюдения или дальнейшего преобразования.
Эти преобразователи являются наиболее широкополосными элементами, используемыми для измерений различных электрических величин в диапазоне частот от десятков герц до сотен мегагерц. Любой преобразователь содержит нагревательный элемент в виде металлической нити или ленты, в которой ток преобразуется в теплоту, и чувствительный элемент, приращение температуры которого
преобразуется в приращение сопротивления, тока, напряжения, частоты или другого параметра. В зависимости от вида измеряемой величины, диапазона частот и структуры аппаратуры к таким преобразователям предъявляются различные требования, чем объясняется многообразие их типов и конструкций. Широкое применение в технике измерений напряжений и токов нашли терморезистивные ЭТП — болометры и термисторы, преобразующие ток
в
. Функция преобразования болометра аппроксимируется выражением
где в зависимости от типа болометра
При измерениях нестабильности переменных напряжений и токов, а также при создании калибраторов этих величин используются термоэмиссионные ЭТП, в которых
преобразуется в приращение анодного тока вакуумного диода, и термофотоэлектрические ЭТП, в которых
преобразуется в световой поток и далее в постоянный ток с помощью фоторезисторов или фототранзисторов. Эти преобразователи [38 и 80] обладают высокой чувствительностью (что важно для их области применения), но значительной нелинейностью зависимости выходного сигнала от 0, что затрудняет их применение
для измерений мощности. Дифференциальный термотранзисторный преобразователь, нагреватели и транзисторы которого выполнены с применением интегральной технологии [92], обладает функцией преобразования, близкой к квадратичной, и обеспечивает измерение напряжения на частоте 10 МГц с погрешностью менее 0,05%. По-видимому, этот элемент весьма перспективен и для измерении мощности.
Сравнительно новыми элементами являются терморезонансные преобразователи, представляющие собой подогреваемые конденсаторы или подогреваемые кварцевые резонаторы [45].
Достоинством таких ЭТП является то, что выходным сигналом является приращение частоты
которое может быть измерено с высокой точностью, причем для кварцевых резонаторов нелинейность зависимости
от тока
не превосходит 1% в интервале температур
Наиболее распространенным элементом, используемым в электротепловых приборах высокой точности, является термоэлектрический преобразователь
состоящий из одного или нескольких нагревательных элементв и одной или нескольких термопар, э. д. с. е которых пропорциональна
Отличительной особенностью такого преобразователя является то, что его выходной сигнал теоретически не зависит от температуры окружающей среды и определяется только изменением температуры нагревательного элемента, вызванным измеряемым током. Другим важным для создания ваттметров свойством термопреобразователя является высокая квадратичность зависимости э. д. с. е от тока
получаемая при значениях температуры
равных
Подробный анализ физических процессов, протекающих в термопреобразователях, и их работы в цепях постоянного и переменного тока приведен в работах [27, 53, 58, 74 и 84].
Поскольку в электротепловых ваттметрах сравнения в основном используются термоэлектрические преобразователи, рассмотрим их основные свойства и параметры, основываясь на материалах работ, указанных выше
Тепловые процессы в нагревательном элементе.
Аналитическое исследование тепловых процессов в нагревателе термопреобразователя проведено рядом авторов путем решения упрощенных уравнений теплового баланса, связывающих количество теплоты, выделяемое током:
с превышением температуры
. В зависимости от вида термопреобразователя (вакуумный или воздушный) и от рабочего диапазона температуры в в упрощенных уравнениях пренебрегают влиянием конвекции, лучеиспускания и теплопроводности нити. В любом случае характер переходного процесса в нагревательном элементе при ступенчатом изменении тока достаточно точно представляется экспонентой с постоянной времени
определяющейся теплоемкостью и массой элементарного отрезка нити:
Значение
различных термопреобразователей лежит в пределах 0,1 —10 с.
При синусоидальном токе частотой со приращение температуры
может быть представлено суммой постоянной и переменной составляющих:
или
где I — среднеквадратическое значение тока.
Сравнение переменного тока с постоянным с помощью термопреобразователя производится путем сопоставления приращений температуры
Переменная составляющая
при этом подавляется либо за счет инерционности термопреобразователя при
что обычно имеет место в звуковом диапазоне частот, либо внешним фильтром при
. В первом случае термопреобразователь относится к преобразователям с внутренним
интегратором, что согласно выражению (3-18) позволяет скомпенсировать в преобразователе мощности погрешность
.
Переходные процессы в термопреобразователе.
Характер зависимости
при ступенчатом изменении тока в нагревательном элементе определяется не только инерционностью нагревателя, но и тепловой постоянной времени
горячего спая термопары, зависящей от теплоемкости, массы спая и условий теплоотвода:
Отсюда следует, что термопреобразователь является инерционным звеном второго порядка. Поскольку обычно
наличие
вызывает лишь незначительные изменения начального участка экспоненты, что не существенно при использовании термопреобразователя в неавтоматической аппаратуре, но может явиться причиной неустойчивости автоматического измерительного преобразователя с обратной связью. В воздушных термопреобразователях переходный процесс характеризуется еще двумя постоянными времени
вызванными постепенным разогревом холодных концов термопары и зажимов нагревателя, значения которых лежат в пределах от десятков мину
до нескольких часов. Относительное изменение э. д. с., вызванное этими явлениями, после окончания основного переходного процесса в зависимости от конструкции термопреобразователя лежит в пределах
Погрешность асимметрии термопреобразователя.
Погрешность асимметрии
проявляющаяся как разность э. д. с. гермопреобразовагеля при двух направлениях постоянного тока в нагревателе, является одной из основных составляющих погрешности перехода термоэлектрических преобразователей мощности:
Физическая природа этой погрешности, вызванной эффектами Томпсона и Пельтье в нагревателе, подробно рассмотрена в работе [84].
В одноэлементных вакуумных термопреобразователях типа
погрешность
лежит в пределах от нескольких сотых до одного процента. У лучших образцов многоэлементных воздушных термопреобразователей типа
погрешность
не превышает 0,002%, а худших — 0,02%.
Квадратичносгь характеристики и чувствительность термопреобразователя.
Характеристики реальных термопреобразователей:
в зависимости от их конструкции и режимов работы в большей или меньшей степени отличаются от параболы, что объясняется в основном нелинейностью зависимостей температуры
от количества теплоты
и
. С достаточной точностью характеристика термопреобразователя аппроксимируется двумя членами полинома:
где
— коэффициенты, определяющиеся конструкцией термопреобразователя и температурой
.
Для преобразователя типа
где
слагаемое
в среднем составляет
для преобразователя типа
где
это соотношение меньше на
порядка. Удобная оценка неквадратичности характеристики термопреобразователя предложена в работе Д. И. Зорина [9]. Отклонение характеристики от параболы в интервале токов нагревателя
оценивается коэффициентом
где
, соответствующие двум точкам характеристику
Чувствительность термопреобразователя достаточно точно оценивается коэффициентом
:
В дальнейшем изложении будем использовать более удобное понятие — коэффициент передачи термопреобразователя:
имеющий размерность
Частотные погрешности термопреобразователя.
Частотная погрешность характеризуется относительным изменением э. д. с. при изменении частоты и неизменном значении тока в нагревателе:
Она определяется поверхностным эффектом в нагревателе, его реактивностью и емкостными связями между нагревателем и термопарой. Влиянием поверхностного эффекта для термопреобразователя с номинальными токами менее 10 А в звуковом диапазоне частот можно пренебречь. Частотная погрешность, вызванная реактивностью нагревателя,
где
— емкость, шунтирующая сопротивление нагревателя
Для наиболее распространенных термопреобразователей типов
и
систематическая составляющая
в звуковом диапазоне частот не выявляется, а среднеквадратическое отклонение случайной составляющей не превосходит
При использовании термопреобразователей с шунтами и добавочными резисторами, обладающими постоянными времени
зависит, в основном, от индуктивности
шунтов и емкости
конденсатора, шунтирующей резистор и определяется соответственно выражениями
В звуковом диапазоне частот погрешность
термопреобразователя с шунтами и добавочными резисторами не превосходит
при преобразовании напряжений 1—600 В и токов
Основные типы термопреобразователей и их параметры.
Практическое применение в приборах переменного тока нашли три типа термопреобразователей [58]: вакуумные бесконтактные типа
воздушные бесконтактные типа
и используемые в образцовой аппаратуре воздушные бесконтактные многоэлементные типа
Особый интерес для создания ваттметров высокой точности представляют термопреобразователи типа
разработанные и изготовленные во ВНИИМ Э. В. Ловцюсом специально для наиболее точных измерений электрических величин методом сравнения.
Высокая стабильность и квадратичность характеристик преобразователей типа ТЭМ обеспечиваются малым превышением температуры, а потери в чувствительности при этом компенсируются применением термобатареи, содержащей 30—40 последовательно соединенных термопар, расположенных вдоль на гревателя длиной 10 мм.
Технические данные некоторых термопреобразователей приведены в табл. 3-1.
Таблица 3-1 (см. скан)