Аналоговые электроизмерительные приборы термоэлектрической системы

Приборы термоэлектрической системы.

Термоэлектрический прибор представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма и измерительного термопреобразователя.

Термопреобразователь (рис. 2.3.6) состоит из нагревателя 1, который нагревается измеряемым током I, и термопары 2, образуемой двумя проводниками из разнородных металлов, одна пара концов которых сварена между собой. При изменении температуры места соединения этих проводников, называемого горячим, или рабочим, спаем, относительно свободных концов на них возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) примерно пропорциональная разности температур термоспаев. Термопары выполняют из металлов и сплавов, обладающих существенной контактной термоЭДС: платины – иридия, хромель – копеля и других, а нагревателя – из тугоплавких металлов: вольфрама, нихрома, чугуна.

Для осуществления теплового контакта между нагревателем и горячим спаем термопары горячий спай либо приваривают к нагревателю (рис. 2.3.6, а), либо механически соединяют с ним затвердевшей каплей – «бусинкой» из теплостойкого изоляционного материала, например, стекла (рис. 2.3.6, б). В первом случае термопара имеет электрическое соединение с нагревателем. Термопреобразователи первого вида называют контактными, термопреобразователи второго вида – бесконтактными. Так как место соединения термопары и нагревателя контактного преобразователя представляют собой не точку, а имеет некоторую площадь, то часть тока, текущего по нагревателю, ответвляется, как от шунта в нагрузку. При измерении тока с постоянной составляющей ответвляющийся ток сигнала в зависимости от его направления увеличивает или уменьшает ток измерительного прибора, обусловленный термоЭДС. Это создает дополнительную погрешность, свойственную контактному преобразователю. Бесконтактные термопреобразователи не имеют такого недостатка, что в значительной степени и обусловило их применение. Другим преимуществом бесконтактных термопреобразователей является возможность последовательного включения n термопар в термобатарею

Рис. 2.3.7. Термоэлектрические приборы: а – амперметр, б – вольтметр

(рис. 2.3.6, в), что при прочих равных условиях увеличивает чувствительность в n раз.

При токах подогревателя до 500 мА термопреобразователи обычно помещают в стеклянную колбу, в которой создают остаточное давление. При этом теплоотдача в воздух, а следовательно, бесполезный расход мощности термопреобразователя значительно уменьшаются, что увеличивает его чувствительность.

В бесконтактных термопреобразователях утечка измеряемого тока в цепь измерительного прибора может происходить только через емкость между нагревателем и термопарой. Так как эта емкость не превышает нескольких пикофарад, то погрешность из-за утечки тока в цепь измерителя сказывается только при очень высоких частотах. Существенным недостатком бесконтактных термопреобразователей является более высокая тепловая инерция. Ввиду небольших размеров нагревателя (отрезка провода длиною примерно 1 см) его индуктивность и емкость весьма малы. Это обусловливает ценное свойство термоэлектрических приборов – возможность их применения в электрических цепях с очень широки диапазоном частот – от нуля до сотен мегагерц. Они применяются для измерения действующих значений переменных токов от 10 -2 до 10 2 А, напряжений от 1 до 300 В и выпускаются в виде щитовых и переносных термоамперметров и термовольтметров, а также в виде лабораторных приборов с фотогальванометрическими усилителями (для измерения малых токов и напряжений), микроамперметров и милливольтметров. В схеме термоамперметра (рис. 2.3.7, а) и термовольтметра (рис. 2.3.7, б) манганиновый резистор R служит для согласования термопреобразователя с измерительным механизмом, а резистор Rд – добавочное сопротивление вольтметра.

Щитовые приборы имеют в основном встроенный термопреобразователь, квадратичную однопредельную шкалу, отградуированную в измеряемых единицах, хорошие механические свойства, не сравнительно высокую погрешность – до 5 % диапазона измерения. Переносные приборы выполняют с выносными термопреобразователями, они имеют равномерную неградуированную шкалу и несколько сменных преобразователей на разные токи, чем обеспечивается многопредельность прибора. Для перевода отсчета по шкале в результат измерения приборы снабжают пересчетными таблицами. На судах термоэлектрические приборы применяются для измерения токов и напряжений высокой частоты в радиопередающих и радионавигационных устройствах. В большей части приборов непосредственной оценки, в том числе выпрямительных и термоэлектрических, осуществляется отклонение подвижной части благодаря энергии, получаемой из контролируемой цепи, т.е. энергии сигнала. Такие приборы называют пассивными. Следует помнить, что их применение в цепях малой мощности может привести к появлению существенной дополнительной погрешности, если мощность контролируемой цепи и мощность, потребляемая прибором, соизмеримы.

Положительные свойства термоэлектрических приборов: высокая чувствительность, независимость показаний от частоты.

Отрицательные свойства: относительно невысокая точность, зависимость показаний от температуры окружающей среды, значительная мощность потерь.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое измерительный механизм.

2. От каких параметров зависит вращающий момент.

3. Для каких целей в приборе создается противодействующий момент.

4. В какой момент времени остановится указатель.

5. От каких параметров зависит чувствительность прибора.

6. Что такое цена деления, от каких параметров она зависит.

7. От каких причин может увеличиться погрешность прибора.

8. Для каких целей применяются успокоители.

9. Как классифицируются приборы непосредственной оценки.

10. Расшифруйте следующие условные обозначения, указанные на шкале прибора:

,

,

,

,

.

1. Какое обозначение указывает, что данный прибор – вольтметр, амперметр, варметр.
2. При работе прибора стрелка амперметра отклоняется до упора при любом значении измеряемого тока. Укажите причину данного явления.

13. Для каких целей служат отсчетные устройства. Их конструкция.

14. Дайте классификацию и сравнительную характеристику указателей приборов.

15. Какие шкалы вы знаете, их достоинства и недостатки.

16. Какую функцию в приборах играют оси, какие они бывают, их конструкция и применение.

17. Каким способом создается противодействующий момент в приборах.

18. Для каких целей служат успокоители, их конструкция, принцип работы.

19. В каких случаях пользуются арретиром.

20. Почему в приборы встраиваются внутренние шунты и добавочные сопротивления. Чем они отличаются друг от друга.

21. Чем отличается бифилярная катушка от обычной.

22. Для каких целей в приборах устанавливают упоры, зажимы.

23. Какие зажимы приборов отмечают знаком «*» (звездочка).

24. Дайте определение систематических и случайных погрешностей.

25. Что такое точность прибора.

26. Как определяется абсолютная, относительная и приведенная погрешность.

27. От каких причин изменяются основные и дополнительные погрешности приборов. В каких случаях ими можно пренебречь.

28. Что такое поправка прибора.

29. Дайте определение класса точности.

30. Для измерения ЭДС генератора к его зажимам присоединен вольтметр (рис. 2.1, сопротивление которого RV = 10 000 Ом.

1. Сопротивление якоря генератора Rа = 0,2 Ом. Определить, на сколько процентов делаем ошибку, считая показания вольтметра, равным ЭДС генератора. (Ответ: 0,002%)

Рис. 2.1 Задача 30

32. Определить для вольтметра с пределом измерения 30 В класса точности 0,5 относительную погрешность для точек 5, 10, 15, 20, 25 и 30 В и наибольшую абсолютную погрешность прибора (Ответ: 3; 1,5; 1; 0,75; 0,6 и 0,5 %)

33. Вольтметр с пределом измерения 7,5 В и максимальным числом делений 150 имеет наибольшую абсолютную погрешность 36 мВ. Определить класс точности прибора и относительную погрешность в точках: 40, 80, 90, 100 и 120 делений (Ответ: класс точности 0,5; погрешности: 1,8; 0,9; 0,8; 0,72 и 0,6 %).

34. Какое условное обозначение указывается на шкале магнитоэлектрических приборов.

35. Какая конструкция измерительного механизма у приборов магнитоэлектрической системы.

36. Для каких целей служит магнитный шунт. Конструкция магнитного шунта.

37. Какой успокоитель применяется в приборах магнитоэлектрической системы.

38. Укажите уравнение угла поворота подвижной части приборов магнитоэлектрической системы.

39. Какое время успокоения достигается в магнитоэлектрических приборах.

40. На каком токе работают магнитоэлектрические приборы. Объясните на примере уравнения угла поворота подвижной части.

41. Какая конструкция у магнитоэлектрических логометров. Чем магнитоэлектрические логометры отличаются от приборов магнитоэлектрической системы.

42. Укажите уравнение угла поворота подвижной части магнитоэлектрических логометров.

43. Достоинства и недостатки приборов магнитоэлектрической системы, их применение, влияние температуры на точность приборов.

44. Какая конструкция у приборов электромагнитной системы. Условное обозначение

1. электромагнитной системы на шкале прибора.
2. Укажите уравнение угла поворота подвижной части электромагнитного прибора.
3. На каком токе применяются приборы электромагнитной системы. Докажите это утверждение.
4. Почему шкала приборов электромагнитной системы неравномерная, а у приборов магнитоэлектрической системы – равномерная.
5. Какой прибор будет называться электромагнитным логометром.
6. Укажите уравнение угла поворота подвижной части электромагнитного логометра.
7. Для каких целей применяются астатические электромагнитные системы.
8. Достоинства и недостатки приборов электромагнитной системы, их применение.
9. Расскажите принцип работы приборов электродинамической системы. Укажите условное обозначение этих приборов на шкале.
10. Дать сравнительную характеристику электродинамических и магнитоэлектрических приборов.
11. Уравнение угла поворота подвижной части электродинамических приборов.
12. Какая конструкция у электродинамических логометров. Указать уравнение подвижной части.
13. Почему в приборах электродинамической системы нет погрешности от гистерезиса и вихревых токов.
14. Какое влияние на приборы электродинамической системы оказывают внешние магнитные поля. Для каких целей применяется экранирование и астатические системы.
15. Работа приборов электродинамической системы в цепях постоянного и переменного тока.
16. Достоинства и недостатки, применение приборов электродинамической системы и электродинамических логометров.
17. Отличительные признаки ферродинамической системы. Сравнительная характеристика ее с электродинамической системой.
18. Какое положение занимает стрелка в отключенном приборе электродинамической системы и в электродинамическом логометре.

63. Принцип работы приборов индукционной системы. Уравнение угла поворота подвижной части.

64. Достоинства и недостатки приборов индукционной системы. Применение этих приборов.

65. Принцип работы и применение вибрационных приборов.

66. Принцип работы, уравнение шкалы электростатических приборов. Их достоинства и недостатки, применение.

67. Применение и устройство приборов выпрямительной системы.

68. Устройство термоэлектрических приборов. Конструкции термопар. Достоинства и недостатки данных приборов. Применение.

69. Укажите условные обозначения на шкалах приборов индукционной, вибрационной, электростатических, выпрямительных и термоэлектрических приборов.

3.2.3. 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.3.6, а). ТермоЭДС термо­пары ет зависит от температуры ее рабочего спая, т.е. от темпера­туры нагревателя, которая, в свою очередь определяется действующим значением протекающего по нему тока i(t).

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

Рис.3.6. Схемы термоэлектрических приборов: а — ТЭ преобразователя; б — ТЭ амперметра;

Свободные концы термопары подключаются к магнитоэлектри­ческому ИМ (рис. 3.6, б). Ток Iм, текущий через ИМ:

где ет – термоЭДС термопары; RΣ – суммарное сопротивление термопары и ИМ.

Показание прибора α определяется по следующей формуле:

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

На рис. 3.6, б приведена схема ТЭ амперметра, а на рис. 3.6, 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 (см. подразд. 3.3). 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;

м

алая перегрузочная способность.

Обозначение термоэлектрических приборов на шкалах:

3.2.4. 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. 3.7) этого ИМ полая катушка с измеряемым током I (или с током, пропорциональным измеряемому напряжению U в случае вольтметра).

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 МПР:

где Ω – удельный противодействующий момент.

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

Рис. 3.7. Устройство электромагнитного механизма:

1 – катушка с измеряемым током; 2 – ось; 3 – спиральная пружина; 4 – сердеч­ник из магнитомягкого материала; 5 – стрелка; 6 – шкала

= 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.3.8,а), переключением которых можно изменять пределы измере­ния токов: I1 > I2 > I3.

В простейшей схеме вольтметра последовательно с катушкой включается добавочный резистор RV (рис.3.8,б). В такой схеме с ростом частоты напряжения ω линейно растет индуктивное со­противление XL катушки измерительного механизма:

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.3.8,в)

вводится цепь частотной коррекции (конденсатор Ск и резистор Rк), сопротивление которой с рос­том частоты падает, компенсируя возрастание сопротивления катушки. С помощью добавочных резисторов RДl и RД2 обеспечивается 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;

н

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

Источник