9. Термоэлектрические приборы

Термоэлектрические приборы – это соединение термоэл-ого преобразователя с магн.-эл. измерительным механизмом.

Термоэл. преобразователь – 1 или несколько термопар.

Термопара – соединение 2ух разных проводников, при этом есть разность температур.

Контактный способ:

ЭДС

1 – нагреватель

2 – термоэлектроды

(электроды термопары)

Бесконтактный способ:

Нагреватели из константановой проволоки (кот. выдерживает высокие тем.) или медной проволоки.

ТермоЭДС на термопаре ~ кол-ву тепла (= ) – закон Джоуля-Ленца.

;

- угол отклонения стрелки

Термоэл. приборы непосредственно измеряют действующее значение тока (показания не зависят от вида кривой, мало зависят от частоты).

На частотах 2-5 МГц возрастает частотная погрешность в следствие поверхностного эффекта в нагревателе (на высокой частоте ток сдвигается к поверхности) => R растет.

Шкала этих приборов близка к квадратичной

Классы точности приборов: 1.5 и 2.

Недостатки:

1. зависимость показаний от тем. окр. среды (нету способов сделать компенсацию)

2. малая перегрузочная способность

3. малый срок службы термопары

4. необходимость применения ИМ высокой чувствительности

5. значительное собственное потребление

Основное применение термопар – высокочастотные амперметры и вольтметры в цепях с искаженной формой кривой.

12.Электромагнитные приборы

П ринцип действия состоит во взаимодействии магнитного поля катушки, по которой течет ток с полем ферромагнитного сердечника.

Наибольшее применение нашли приборы с плоской и с круглой катушкой.

1 – катушка ( с током )

2 – ферромагнитный сердечник

3 – ось

4 – спиральные пружины

Катушка наматывается мед. проволокой. Материал сердечника обязательно должен обладать высокой магн. проницаемостью и малой коэрцитивной силой (Н_С).

Высокое увеличивает вращающий момент. Малое Н_С понижает погрешность от гистерезиса.

В дешевых приборах используется эл.-техн. сталь

В дорогих – пермаллой

П ри наличии тока в катушке сердечник намагничивается и втягивается в катушку. При именении полярности сердечник перемагничивается и тоже втягивается.

В эл.-маг. приборах работают 2 поля – поле катушки и поле сердечника (наведенное).

; где - эл.-кин. энергия, - вращающий момент;

Мгновенное значение вращ. момента:

Если , то

Т.о. имеет 2 слагаемых, постоянную составляющую и гармоническую составляющую 2ой гармоники .

Из-за инерционности подвижная часть реагирует на постоянную составляющую, т.к.

Среднее значение момента: , где - действующее значение тока

Противодействующий момент: ; - удельный противодействующий момент

П ри динамическом равновесии и

Выводы из :

1. знак угла отклонения не зависит от направления тока в катушке

2. шкала неравномерная: если , то (квадратичная шкала), если , то (равномерная шкала)

Однако, это условие является физически нереализуемым во всем диапазоне изменения , т.к. при (что технически нельзя реализовать).

Для улучшения шкалы рассчитывается форма сердечника так, чтобы приблизиться к выражению .

Эл.-маг. приборы используются в качестве амперметров и вольтметров (основное назначение).

Существенным недостатком эл.-магн. приборов является сильное влияние внешних магнитных полей. Для защиты от внешних магнитных полей применяются 2 способа:

1 ) экранирование

2) астазирование

При астазировании используется 2 катушки и 2 сердечника (сердечник на 1ой оси).

П ри этом катушки включаются следующим образом, создают единый вращающий момент:

Момент 1ой катушки возрастает под действием Ф_ВН, а другой убывает => они компенсируют друг друга.

Достоинства:

1. простота конструкции (дешевизна и надежность)

2. способность выдерживать большие перегрузки (нет спец. токоподводов)

3. возможность работы на постоянном и переменном токах ( до 10 КГц)

Недостатки:

1. малая точность

2. малая чувствительность

В амперметрах катушка включается последовательно в цепь измеряемого тока. Чем выше предел измерения, тем меньше число витков в катушке (в обмотке катушки).

Щитовые амперметры выпускаются однопредельными, переносные – на несколько пределов (не более 4х).

И зменение пределов измерения производится путем секционирования обмотки катушки и включения секций последовательно или параллельно.

Шунты не применяются, т.к. собственное потребление мощности значительно больше чем у маг.-эл. приборов.

Поэтому падение напряжения и на катушке и на шунте будет большим => шунты будут громоздкими и дорогими.

Расширение пределов на переменном токе возможно с помощью измерительных трансформаторов тока (ИТТ).

Температурная погрешность возникает из-за зависимости упругости спиральных пружин от температуры. С этой погрешностью приходится считаться для приборов класса 0.2 и 0.1.

Частотная погрешность возникает из-за наличия вихревых токов в сердечники и других металлических частях ИМ. Для ее уменьшения мет. детали заменяют по возможности керамикой, сердечник же изготовляется из мат-ла с высоким S (удельное сопротивление), => экранирование применяется реже.

Погрешность от гистерезиса проявляется при измерении в цепи постоянного тока. Для ее уменьшения следует использовать пермаллой (мат-л с узкой петлей гистерезиса).

В эл.-магн. вольтметрах катушка и добавочное сопротивление подключаются последовательно и подключаются к измеряемому напряжению.

Для компенсации к температурной погрешности отношение добавочного R из манганина и R катушки из меди не должно быть < некоторой величины, определяемой классом точности прибора. Поэтому в вольтметрах на малые пределы (3-10 В) приходится понижать сопротивление катушки, уменьшая число витков катушки.

Основная область применения эл.маг. амперметра и вольтметра – измерения в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц), в основном щитовые приборы.

1 3. Электродинамические приборы. Условное обозначение

Принцип действия – взаимодействие катушек с токами. Неподвижная катушка из 2-х частей разделенных воздушным зазором. Наматывается медным проводом. Подвижная катушка (может быть бескаркасная) – обмотка медь или алюминий. Собственное магнитное поле (МП) невелико, для защиты от внешних МП – экранирование.

; .

Wk1 – Энергия первой катушки.

Wk2 – Энергия второй катушки.

Wvz – энергия взаимодействия.

При изменении энергия катушек не меняется, а меняется только энергия взаимодействия.

M1,2 – взаимная индуктивность между катушками.

Мнгновенное значение вращающего момента

П усть

- угол между токами.

Получаем:

Выражение для момента имеет две составляющие: постоянную и гармоническую. В силу инерционности, прибор реагирует только на постоянную составляющую. Таким образом:

На постоянном токе

0 1 q=w/w0

f0=1Гц

Выводы:

1. При одновременном изменении направления токов знак угла отклонения не меняется => приборы могут применятся в цепях переменного и постоянного тока.

2. Шкала прибора зависит от I1*I2 , а также от закона изменения взаимной индукции между катушками (т.е от формы катушек и их взаимного расположения). Меняя шкалу можно улучшить, но не полностью выровнять.

Для амперметров и вольтметров

Для ваттметров

Общие достоинства и недостатки:

Достоинства:

1. Самые точные приборы на переменном токе (вплоть док ласа 0.1

2. Возможность использования в расширенном диапазоне частот (в таком случае к огрешности добавляется еще один класс, то есть для 0.1 получается 0.1+0.1=0.2)

Недостатки:

1. Относительно большое собственное потребление мощности.

2. Относительно малая чувствительность.

3. Сильное влияние внешних магнитных полей, так как собственное поле невелико.

Основное: амперметры, вольтметры, ваттметры. Также частотомеры, фазометры, фарадометры.