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.
б
Рис.3.6. Схемы термоэлектрических приборов: а - ТЭ преобразователя; б - ТЭ амперметра;
в - ТЭ волтметра.
Свободные концы термопары подключаются к магнитоэлектрическому ИМ (рис. 3.6, б). Ток Iм, текущий через ИМ:
Iм = ет /RΣ
где ет – термоЭДС термопары; RΣ – 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. 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;
• малая 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. Воснове 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:
МПР = αΩ,
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
При М= МПР
= 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:
XL =jωL.
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;
• невысокий класс точности (типично – 1,5...2,5%).
Обозначение приборов ЭМ системы на шкалах: