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)