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 1о 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

               
     
 
 
     

 

 


Ix Ix Ix

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 ═ kIx2

 

а) б) R

 

Ux

Ix

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 = СФ1еі12 ; 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 ═ —∫ Mt dt ═ ——СФ1m I12m∫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 .

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

В свою очередь вихревые токи связаны с порождающими их потоками:

І12 = С3 fФ1 ; І22 = С4 fФ2 .

Поэтому:

Мвр = (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.