Термоэлектрические приборы

Термоэлектрический прибор представляет собой соединение термопре­образователя и магнитоэлектрического измерительного меха­низма с отсчетным устройством.

Термопреобразователь со­стоит из термопары и нагревателя. В качестве нагревате­ля используют проволоку, допускающую длительный нагрев. При пропускании тока через нагреватель он нагревается и на сво­бодных концах термопары возникает термо-ЭДС, которая вызы­вает ток через измерительный механизм.

Термо-ЭДС пропорци­ональна количеству теплоты, выделенной измеряемым током в нагревателе. Количество теплоты, в свою очередь, пропорционально квадрату действующего значения измеряемого тока. Следовательно, показание термоэлектрического прибора пропорционально квадрату действующего значения измеряемого тока.

Теплота, выделяемая током в нагревателе, не зависит от частоты, поэтому термоэлектрическими приборами можно пользоваться и на постоянном токе и на пе­ременном, включая радиочастоты.

При малых значениях измеряемых токов (150—300 мА) при­меняют вакуумные термопреобразователи. В них нагреватель и термопара помещаются в стеклянный баллон, в котором созда­но разрежение. Этим достигается уменьшение потерь на теплоотдачу в окружающую среду, следовательно, для нагрева­ния рабочего конца термопары требуется меньшая мощность.

Расширение пределов измерений термоэлектрических ампер­метров на токи до 1 А производится включением измерительного механизма с отдельными термопреобразователями на каждый предел измерений. При измерении токов свыше 1 А для расшире­ния пределов измерений пользуются высокочастотными измери­тельными трансформаторами тока. В термоэлектрических вольт­метрах расширение пределов измерении производится с по­мощью добавочных резисторов, включаемых последовательно с нагревателем.

Основным достоинством термоэлектрических приборов явля­ется высокая точность измерений в расширенном диапазоне частот и при искаженной форме измеряемого тока или напряжения. Современные термопреобразователи используют как на постоянном токе, так и на частотах вплоть до 100 МГц. Однако на частотах примерно 5—10 МГц частотная погрешность термоэлектрического прибора может достигать 5—10 %. Объяс­няется это тем, что с увеличением частоты вследствие поверхно­стного эффекта повышается сопротивление нагревателя. Кроме того, при очень высоких частотах часть измеряемого тока ответ­вляется через собственные емкости, минуя нагреватель.

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести

малую перегрузочную способность,

ограниченный срок службы термопреобразователей,

зависимость показаний прибора от тем­пературы окружающей среды,

значительное собственное по­требление мощности (в амперметрах на 5 А примерно 1 В-А,

Промышленность выпускает многопредельные переносные термоэлектрические приборы, предназначенные для измерения переменных и постоянных токов от 100 мкА до 100 А, напряже­ний — от 150 мВ до 600 В. Приборы работают в диапазоне от постоянного тока до частот 50 МГц, класс

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ

Общие сведения. Токи и напряжения являются наиболее распространенными электрическими величинами, которые при­ходится измерять. Этим объясняется широкая номенклатура выпускаемых промышленностью средств измерении токов и на­пряжений. Выбор средства измерения может определяться со­вокупностью факторов: 1) предполагаемым размером измеряемой величины, 2) родом тока (постоянного или переменного), 3) требуемой точностью измерения, и другими.

Определение значения напряжения осуществляют прямыми измерениями. Определение значения тока осуществляют прямыми и косвенными измерениями. Измеряет­ся падение напряжения U на резисторе с известным сопротивле­нием R, который включен в цепь измеряемого тока. Значение тока находят по закону Ома. В этом случае погрешность результата измерения определяется погрешностью измерения напряжения и погрешностью обусловленной отличием номинального значения сопротивления от истинного значения сопротивления. Погрешность определяется по пра­вилам обработки результатов косвенных измере­ний.

Измерения токов и напряжений всегда сопровождаются по­грешностью, обусловленной сопротивлением используемого сред­ства измерений. Включение в исследуемую цепь средства измере­ний искажает режим этой цепи. Например, включение ампер­метра в цепь приведет к тому, что вместо тока, который протекал в этой цепи до включения амперметра, пойдет ток, обусловленный сопротивлениями цепи и амперметра. Погрешность тем больше, чем больше сопротивление амперметра. Анало­гичная погрешность возникает при измерении напряжений. На­пример, при включении вольтметра, имеющего сопротивление, вместо напряжения, которое было в схе­ме до включения вольтметра, после его включения напряжение станет меньше. Погрешность тем больше, чем меньше сопро­тивление вольтметра.

Косвенным показателем сопротивления средств измерений является мощность, потребляемая средством из цепи, в которой производится измерение. При протекании тока через амперметр с сопротивлением мощность, потребляемая амперметром, I²R_A. Мощность, потребляемая вольтметром, определяется выражением U²/R_V, где U — напряжение, измеряемое вольт­метром; R_V - внутреннее сопротивление вольтметра. чем меньше мощность, потреб­ляемая средством измерений из цепи, где производится измере­ние, тем меньше погрешность от искажения режима цепи. Из средств измерений, используемых для измерений токов и напряжений, наименьшим потреблением мощности обладают электрон­ные и цифровые приборы. Среди электромеханических приборов наименьшую мощность потребляют магнитоэлектрические и электростатические приборы.

Диапазон измеряемых токов и напряжений весьма широк. Например, при биологических исследованиях, космических исследованиях, измерениях в вакууме необходимо измерять по­стоянные токи 10^-15 А, а в мощных энергетических установках, на предприятиях цвет­ной металлургии, химической промышленности - токи, достига­ющие сотен 10⁵ А. Для измерений токов и напряжений в таком широком диапазоне значений делают различные средства измерений, обеспечива­ющие измерения в определенных поддиапазонах. Для расширения пределов измерений постоянного тока применяют шунты и измерительные трансформаторы постоянно­го тока, в цепях переменного тока применяют измерительные трансфор­маторы тока. Для рас­ширения пределов измерений напряжения используют делители напряжения, добавочные резисторы и измерительные трансфор­маторы напряжения.

При измерении малых и больших токов и напряжений возни­кают дополнительные трудности.

При измерении малых токов и напряжений эти трудности обусловлены термо-ЭДС в измерительной цепи, резистивными и емкостными связями измерительной цепи с посторонними ис­точниками напряжения, влиянием внешнего магнитного поля и другими причинами. Термо-ЭДС возникают вследствие неравномерного температурного поля в местах соединения разнородных метал­лов (в местах пайки и сварки проводников, в местах соприкосно­вения подвижных и неподвижных контактов переключателей и т. п.). Внешнее переменное магнитное поле вносит су­щественные искажения за счет ЭДС, наводимых в проводах и других элементах цепи, соединяющей источник малой измеря­емой величины со средством измерений.

Невозможно полностью устранить влияние этих факторов. Поэтому измерения малых токов и напряжений осуществля­ются с большей погрешностью.

Измерения больших токов и напряжений имеют свои осо­бенности. Например, при измерении больших посто­янных токов с использованием шунтов на шунтах рассеивается большая мощность, приводящая к нагреву шун­тов и появлению дополнительных погрешностей вследствие увеличения их сопротивлений. Необходимо уве­личивать габариты шунтов или применять специальные дополни­тельные меры по искусственному охлаждению для уменьшения рассеиваемой мощности или устранения перегрева. В результате шун­ты получаются громоздкими и дорогими. При измерении больших токов возникают дополнительные погрешности от влияния сильного магнит­ного поля, созданного протекающим током вокруг шин, на средства измерений

При измерении больших напряжений возрастают требования к изоляции средств измерений, как для уменьшения погрешностей, возникающих от токов утечки через изоляцию, так и для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Например, если для расширения пределов измерений используется делитель напряжения, то с уве­личением измеряемого напряжения сопротивление делителя нуж­но увеличивать. При измерении больших напряжений сопротивление делителя может оказаться сравнимым с сопротив­лением изоляции, что приведет к погрешности деления напряже­ния и, следовательно, к погрешности измерений. Трудность учета ре­ального коэффициента деления заключается в том, что сопротив­ление изоляции может изменяться в зависимости от состояния окружающей среды (запыленности, влажности и т. п.).

Отсюда следует, что при измерении больших токов и напряже­ний, кроме обычных погрешностей, возникают погрешности, обус­ловленные спецификой этих измерений.

Всем средствам измерений переменных токов и напряжений присуща частотная погрешность, обусловленная изменением со­противлений индуктивных и емкостных элементов средств изме­рений с изменением частоты, потерями на перемагничивание ферромагнитных материалов, потерями на вихревые токи в ме­таллических деталях средств измерений, влиянием паразитных индуктивностей и емкостей (на высоких частотах). Эти причины не позволяют получить одинаковую точность измерений во всем указанном диапазоне частот. В документации на средства изме­рений переменных токов и напряжений обязательно указывается область частот, в которой гарантируется определенная точность измерений данным средством. Область частот от 20 Гц до единиц килогерц является наиболее обеспеченной средствами измерений переменных токов и напря­жений. В более широкой области частот используют электронные и цифровые приборы, а из электромеханических приборов - термоэлектрические и электростатические приборы. Увеличение погрешности измерения с ростом частоты является общей закономерностью для средств измерений токов и напряжений.

При измерениях на частотах ниже 20 Гц появляются трудности, обусловленные недостаточной инерционностью под­вижной части электромеханических приборов. С уменьшением частоты инерция подвиж­ной части недостаточна для получения установившегося отклоне­ния указателя. Преодоление этой трудности путем увеличения инерции подвижной части измерительного механизма нецелесо­образно из-за уменьшения чувствительности средства измерений. Поэтому для измерений токов и напряжений инфранизких частот требуются специальные устройства усредне­ния (интегрирования) измеряемых величин.