Приборы термоэлектрической системы

Термоэлектрические (ТЭ) измерительные приборы основаны на преобразовании электрической энергии в тепловую и затем вновь в электрическую. Приборы этой системы состоят из термоэлектри­ческого преобразователя (ТП) и магнитоэлектрического измери­тельного механизма. Термоэлектрический преобразователь представ­ляет собой объединение нагревателя (тонкая проволока из нихро­ма или константана) и термопары (рис.16, а). ТермоЭДС термо­пары е _тзависит от температуры ее рабочего спая, т.е. от темпера­туры нагревателя, которая, в свою очередь определяется действующим значением протекающего по нему тока i (t).

 

а б в

 

Рис.16. Схемы термоэлектрических приборов: а − ТЭ преобразователя; б − ТЭ амперметра;

в − ТЭ волтметра.

Протекающий по нагревателю ТП ток i (t)(переменный или постоянный) нагревает рабочий спай термопары до температуры, пропорциональной квадрату действующего значения этого тока.

Свободные концы термопары подключаются к магнитоэлектри­ческому ИМ (рис. 16, б). Ток I _м, текущий через ИМ:

I _м = е _т /R _Σ ,

где е _т – термоЭДС термопары; R _Σ–суммарное сопротивление термопары и ИМ.

Показание прибора α определяется по следующей формуле:

α = k I ² ,

где k – коэффициент пропорциональности, определяемый осо­бенностями конструкции ТП; I – действующее значение измеря­емого тока i (t).

На рис. 16, б приведена схема ТЭ амперметра, а на рис. 16, в – схема ТЭ вольтметра.

Для измерения малых токов и напряжений (поскольку значе­ния термоЭДС термопары незначительны – единицы – десятки милливольт) в схему прибора вводится усилитель постоянного тока, повышающий выходной сигнал термопары. Расширение диапазонов измерения ТЭ амперметров в сторону увеличения значений осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока. В случае расширения пределов ТЭ вольтметров применяют добавочные резисторы с различными сопротивлениями.

К достоинствам ТЭ приборов можно отнести следующие:

• работа как с постоянными, так и с переменными токами и напряжениями;

• реакция на истинное среднее квадратическое (действующее) значение независимо от формы сигнала;

• широкий диапазон частот измеряемых сигналов (до десятков мегагерц);

• сравнительно высокая точность приборов (типичные классы точности 1,0... 1,5).

К недостаткам ТЭ приборов относятся:

• невысокое быстродействие в силу значительной тепловой инерционности ТП;

• заметное собственное потребление приборов от источника ис­следуемого сигнала;

• неравномерность (квадратичность) шкалы приборов;

• зависимость точности от изменения температуры свободных концов термопары;

• малая перегрузочная способность.

 

Обозначение термоэлектрических приборов на шкалах:

 

2.2.4. Приборы электромагнитной системы

В щитовых измерительных приборах, предназначенных для ра­боты в электрических цепях переменного тока промышленной ча­стоты, широко применяется электромагнитная (ЭМ) система, ко­торая имеет ряд преимуществ перед магнитоэлектрической.

Конструкция и принцип действия. В основе самой простой кон­струкции (рис. 17) этого ИМ полая катушка с измеряемым током I (или с током, пропорциональным измеряемому напряжению U в случае вольтметра).

 

 

Рис. 17. Устройство электромагнитного механизма: 1 – катушка с измеряемым током; 2 – ось; 3 – спиральная пружина; 4 – сердеч­ник из магнитомягкого материала; 5 – стрелка; 6 –шкала

 

Протекающий по катушке 1 ток создает магнитный поток, кото­рый притягивает (втягивает внутрь катушки) сердечник 4,выпол­ненный из магнитомягкого материала и закрепленный на оси 2.

При этом возникает вращающий момент М, равный произ­водной энергии этой электромеханической системы по углу по­ворота α:

М= ,

где I – действующее значение тока в катушке; L – индуктивность катушки; α – угол поворота сердечника.

Спиральная пружина 3 служит для создания противодейству­ющего момента М _ПР:

М _ПР= αΩ,

где Ω– удельный противодействующий момент.

Моменты М и М _ПРнаправлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота α противодействующий момент М _ПРпропорционально растет. Это происходит до тех пор пока моменты не станут равными.

При М= М _ПР

= αΩ.

Следовательно, угол поворота

.

Отсчетное устройство – стрелка 5 и шкала 6 – преобразует угол поворота сердечника в показания (отсчет).

Из последнего уравнения следует, что ЭМ приборы могут ра­ботать как в цепях постоянного, так и переменного тока; а также, что шкала у ЭМ приборов – нелинейная (квадратичная).

Существуют и другие конструкции ЭМ измерительных меха­низмов, в частности с замкнутым магнитопроводом, которая обес­печивает лучшую защищенность от внешних магнитных полей.

Амперметры и вольтметры. В основе конструкции амперметров ЭМ системы лежит катушка, состоящая из нескольких секций (рис.18, а), переключением которых можно изменять пределы измере­ния токов:

I ₁ > I ₂ > I ₃.

 

а б в

 

Рис. 18. Схемы амперметров и вольтметров электромагнитной системы

В простейшей схеме вольтметра последовательно с катушкой включается добавочный резистор R_V (рис.18, б). В такой схеме с ростом частоты напряжения ω линейно растет индуктивное со­противление X_L катушки измерительного механизма:

X_L =j ω L.

При этом растет суммарное сопротивление цепи, ток в катуш­ке падает, что приводит к уменьшению показаний прибора.

Для поддержания полного комплексного сопротивления при­мерно постоянным в достаточно широком диапазоне частот в схе­му вольтметра (рис.18, в) вводится цепь частотной коррекции (конденсатор С _к и резистор R _к),сопротивление которой с рос­том частоты падает, компенсируя возрастание сопротивления катушки. С помощью добавочных резисторов R _Дlи R _Д2обеспечивается возможность работы в нескольких диапазонах измере­ния напряжения.

Особенности ЭМ приборов. Приборы электромагнитной систе­мы могут быть использованы для измерения и постоянных, и пе­ременных напряжений и токов. При этом они реагируют на истин­ное среднее квадратическое (действующее) значение переменно­го сигнала независимо от его формы (правда, в пределах своего сравнительно неширокого частотного диапазона). Кроме того, важ­ным преимуществом является то, что приборы этой системы вы­держивают значительные перегрузки (возможны двух- и трехкрат­ные перегрузки), имеют сравнительно простую конструкцию и, следовательно, надежны и дешевы. Достаточно сказать, что ЭМ приборы – это самые распространенные щитовые приборы.

Недостатки приборов ЭМ системы следующие:

• нелинейная (квадратичная) шкала;

• узкий частотный диапазон измеряемых сигналов (сотни герц – единицы килогерц);

• заметное влияние внешних магнитных полей;

• невысокий класс точности (типично – 1,5...2,5 %).

Обозначение приборов ЭМ системы на шкалах: