Тепловые обратные преобразователи

В качестве обратных преобразователей теплового потока могут быть использованы электрическое сопротивление, нагреваемое током, или полупроводниковый элемент, выделяющий или погло­щающий тепло при прохождении тока за счет эффекта Пельтье.

Тепловой обратный преобразователь сопротивления. Количе­ство теплоты в джоулях, выделяющейся в электрическом сопротив­лении за время t, равно

Для определения количества выделяющейся теплоты могут быть измерены активная мощность на входе преобразователя или ток преобразователя. При измерении тока возникает погрешность от изменения сопротивления нагревателя. Поэтому в данном случае нагреватель надо выполнять из материала, электрическое сопро­тивление которого не зависит от температуры, т. е. из манганина или константана.

Обратный преобразователь сопротивления можно питать как постоянным, так и переменным током. Однако при питании пере­менным током надо учитывать, что температура тела при малой тепловой инерции последнего будут пульсировать с частотой, рав­ной удвоенной частоте напряжения питания.

Тепловой обратный преобразователь, основанный на эффекте Пельтье. Наиболее сильно эффект Пельтье выражен в термоэлементе, состоящем из двух полупроводников с электронной и дырочной проводимостью. На рис. 3-5, а, схематически показана конструк­ция такого термоэлемента. Для того чтобы наличие перемычки не сказалось на инерционности термоэлемента, толщина металличе­ской пластинки 1 не должна превышать 5% от длины полупровод­никовых брусков с электронной 2 и дырочной 3 проводимостью. Особенностью обратного преобразователя на эффекте Пельтье яв­ляется то, что в зависимости от направления тока пластинка 1 может иметь температуру как выше, так и ниже окружающей. Количество теплоты, выделяющейся при эффекте Пельтье, значи­тельно меньше теплоты Джоуля — Ленца при той же затрачи­ваемой мощности, поэтому полупроводниковый преобразователь рационально использовать только при необходимости охлаждения.

Рис.3-5

Количество теплоты, поглощаемой холодным спаем преобразо­вателя из окружающей среды в единицу времени, определяется по формуле

Как видно из приведенного уравнения, температура холод­ного спая будет уменьшаться при увеличении тока за счет эффекта Пельтье, в то же время с увеличением тока увеличивает­ся теплота Джоуля — Ленца, и эффект нагревания при больших токах снижает эффект охлаждения, поэтому минимальная темпе­ратура холодного спая достигается при некотором оптимальном токе.

На рис. 3-5, б изображены кривые зависимости понижения температуры холодного спая термоэлемента с длиной ветвей 20 мм от времени для разных значений пропускаемого тока от 2 до 16 А. Как видно из этих кривых, при токах больше 8 А эффект нагрева­ния в теле полупроводника значительно снижает эффект охлажде­ния контакта. Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелиней­ность зависимости сопротивления от температуры и значительный разброс от образца к образцу как номиналь­ного значения сопротивления, так и постоянной В. Согласно ГОСТ 10688—63 допуск на величину номинального сопротивления может составлять ±20%. Допуск на величину постоянной В не нормируется, практически он достигает ±17% от номинального.

Нелинейность характеристики и технологический разброс пара­метров терморезисторов затрудняет получение линейных шкал термометров, построение многоканальных приборов, обеспечение взаимозаменяемости терморезисторов, необходимой при массовом производстве термометров с терморезисторами. Чтобы улучшить вид шкалы и обеспечить взаимозаменяемость терморезисторов, приходится применять специальные унифицирующие и линеари­зующие цепи, как пассивные, так и активные.

Измерительные цепи. Отличия измерительных цепей для термо­резисторов от обычных цепей омметров заключаются в более узком диапазоне изменения измеряемого сопротивления и в необходимости учета сопротивлений проводов, соединяющих термометр сопротив­ления с измерительной цепью. Если используется простейшая двухпроводная соединитель­ная линия, то может возник­нуть погрешность от темпе­ратурного изменения сопро­тивления этой линии. При применении высокоомных тер­мометров (например, полупро­водниковых) эта погрешность может быть пренебрежимо мала, однако в большинстве практических случаев, когда используются стандартные термометры сопротивления, ее приходится принимать во вни­мание.

Если, например, сопро­тивление медной линии равно 5 Ом и используется термо­метр с R0 = 53 Ом, то изменение температуры линии на 10° С приведет к изменению показаний прибора примерно на 1°С. Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соедини­тельной линии часто применяют трехпроводную линию. При этом термометр подключают к мостовой цепи так, чтобы два провода линии вошли в разные плечи моста, а третий оказался подключен­ным последовательно с источником питания или указателем.

Рис.3-6

На рис. 3-6, а показана схема моста, содержащего термометр сопро­тивления, присоединенный трехпроводной линией.

Исключить влияние сопротивлении соединительнои линии можно, используя четырех проводное включение терморезистора, как это показано на рис. 3-6, б. Ток через терморезистор должен быть задан, поэтому при такой схеме включения терморезистор питают от стабилизатора тока.

Возможно также построение мостовых цепей с четырехпровод- ным подключением термометра. Разнообразные мосты постоянного и переменного тока, применяемые для измерения сопротивления терморезисторов, описаны в работе.