Как устроен термоэлектрический прибор: Термоэлектрический прибор — это… Что такое Термоэлектрический прибор?

Устройство и принцип действия электроизмерительных приборов


Устройство и принцип действия электроизмерительных приборов

Категория:

Термическая обработка



Устройство и принцип действия электроизмерительных приборов

Приборы различных систем и назначений имеют много общего как в конструкции, так и в принципе действия. Основная идея заключается в том, что то или иное проявление измеряемой величины вызывает усилия, производящие механическое перемещение указателя вдоль шкалы.

Всякий прибор состоит из корпуса, в котором размещаются измерительный механизм, шкала и вспомогательные части.

Измерительный механизм состоит из подвижной части и неподвижных частей. Подвижная часть может совершать вращательное движение в пределах некоторого ограниченного угла. Угол поворота подвижной части служит мерой измеряемой величины.

Усилие, вызывающее вращение подвижной части, называется вращающим моментом. Вращающий момент равен произведению силы на плечо и измеряется в килограммометрах (кГм). В измерительных приборах приходится иметь дело с весьма малыми моментами, не превышающими нескольких граммосантиметров (Гсм), а иногда и значительно меньшими. Так, например, максимальный момент, действующий на подвижную часть лабораторного электростатического вольтметра, имеет порядок долей миллиграм-мосантиметра (мГсм).

Для того чтобы под действием столь малого момента подвижная часть могла свободно поворачиваться, она устанавливается на растяжках — тонких ленточках, изготовляемых из фосфористой или бериллиевой бронзы.

При еще меньших моментах подвижная часть устанавливается; на подвесе, т. е. подвешивается лишь на одной ленточке. Чтобы предотвратить обрыв подвеса при переноске прибора, он снабжается арретиром — устройством, позволяющим разгрузить подвес от натяжения закреплением подвижной части.

В щитовых приборах действуют вращающие моменты порядка; долей или даже единиц граммосантиметров. Подвижная часть подобных приборов устанавливается на кернах и подпятниках. Ось, подвижной части может быть либо сквозной, либо состоять из двух половин. Концы оси, заточенные на конус с углом при вершине около 60°, называются кернами. Вершина конуса закругляется и тщательно полируется.

Керны упираются в имеющиеся в подпятниках углубления — кратеры.

Керны изготовляются из углеродистой стали, а подпятники из корунда или агата.

Радиус закругления керна обычно выбирается в пределах от 0,015 до 0,1 мм, в зависимости от веса подвижной части и условий эксплуатации прибора. Радиус закругления дна кратера должен быть в четыре — десять раз больше, чем радиус закругления керна. Обычно он лежит в пределах от 0,15 до 0,35 мм.

Чем меньше радиус закругления керна, тем меньше трение в подпятниках и тем свободнее может вращаться подвижная часть, но одновременно уменьшение радиуса закругления керна ведет к увеличению удельного давления, которое может стать при тряске прибора настолько большим, что вызовет повреждение полировки кратера или смятие керна.

Если подвижная часть может свободно вращаться, то под действием вращающего момента, вызванного измеряемой величиной, она повернется на полный угол, и мы не получим представления о том, насколько велик момент и каково значение измеряемой величины. Очевидно, кроме момента, вызываемого измеряемой величиной, так называемого действующего момента, необходимо иметь противодействующий. Этот момент создается при повороте подвижной части спиральными пружинками, изготовляемыми из тонкой бронзовой ленты. Один конец такой пружинки прикрепляется к оси подвижной части, а другой к неподвижной части.

Для того чтобы закрутить пружинку на некоторый угол, необходимо приложить момент, прямо пропорциональный величине этого угла.

Когда прибор не подключен, действующий и противодействующий моменты равны нулю, и подвижная часть находится в положении, при котором стрелка указывает на нулевую отметку. При подключении прибора подвижная часть будет поворачиваться до тех пор, пока действующий момент не уравновесится противодец^ ствующим моментом. Стрелка прибора останавливается против отметки, соответствующей некоторому, вполне определенному, значению измеряемой величины.

При подключении прибора подвижная часть занимает определенное положение, соответствующее измеряемой величине, не сразу. Некоторое время она будет колебаться возле этого положения, как возле среднего, с уменьшающейся амплитудой. Это время называется временем успокоения прибора. Для того чтобы сделать время успокоения достаточно малым, измерительные механизмы снабжаются успокоителями. Применяются воздушные и магнитные успокоители.

Более просто устроен магнитный успокоитель. На оси подвижной части укрепляется легкий алюминиевый сектор, могущий свободно двигаться в зазоре между полюсами постоянного магнита. Двигаясь в зазоре, сектор пересекает магнитные силовые линии. Наводимые в секторе токи взаимодействуют с магнитным полем постоянного магнита, что приводит к торможению сектора. Наводимые токи и сила торможения оказываются тем больше, чем больше скорость движения сектора. В неподвижном состоянии сила, действующая на сектор, равна нулю.

Магнитные успокоители применяются в таких приборах, где поле постоянного магнита не может оказать мешающего влияния на поля самого измерительного механизма. Там, где такая опасность имеется, применяются воздушные успокоители. Воздушный успокоитель представляет собой закрепленное на оси подвижной части легкое алюминиевое крыло, помещенное в закрытую воздушную камеру. Здесь торможение получается за счет сопротивления воздуха, которое пропорционально скорости движения сектора. Иногда вместо крыла употребляют поршень, движущийся в изогнутой трубке, закрытой с одного конца.

При очень сильном успокоении движение подвижной части может перейти из колебательного режима в апериодический, т. е. такой, когда подвижная часть при движении не переходит через положение равновесия, т. е. не совершает колебаний. Однако в этом случае время успокоения может оказаться очень большим.

Практически успокоение делают таким, чтобы сохранялся колебательный режим, но колебания быстро затухали.

В неподключенном приборе стрелка должна всегда стоять против нулевой отметки (исключение составляют приборы, не имеющие пружинок для создания противодействующего момента), но под влиянием температурных воздействий и деформации пружинок или вследствие других причин подвижная часть может «сойти с нуля». Для установки стрелки на нуль в приборах предусматривается устройство, называемое корректором.

По целому ряду причин измерительные приборы никогда не Дают нам действительного значения измеряемой величины. Погрешность измерения зависит как от погрешности прибора, так и от метода измерения, т. е. способа производства измерения.

Погрешности прибора вызываются его несовершенством. Так, вследствие трения в подпятниках, подвижная часть может не доходить до положения, определяемого равенством моментов действующего и противодействующего.

В приборах с подвижной частью, установленной на кернах и подпятниках, при вертикальном положении оси подвижной части имеет место погрешность от опрокидывания. Погрешность от опрокидывания появляется вследствие того, что ось подвижной части в подпятниках имеет некоторый зазор. При изменении положения прибора меняет свое положение и ось подвижной части, отклоняясь от вертикального в ту или другую сторону, а вместе с ней и стрелка.

Если подвижная часть недостаточно уравновешена или, как говорят, плохо отбалансирована, то показание прибора будет изменяться при изменении угла его наклона. Погрешность от неуравновешенности сильнее проявляется при горизонтальном расположении оси подвижной части.

Причиной некоторой погрешности может служить также неточно вычерченная при изготовлении или ремонте прибора, шкала и т. д.

Указанные погрешности присущи приборам почти всех систем, при измерениях всегда не превышают допустимой для данного случая величины.

Ниже будут указаны погрешности, характерные лишь для рассматриваемых приборов.

Приборы магнитоэлектрической системы. Магнитоэлектрическая система измерительных приборов определяется как система, вращающий момент которой создается благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и одним или несколькими проводниками с током.

Приборы магнитоэлектрической системы могут быть или с подвижным магнитом или с подвижной катушкой. Последние получили наиболее широкое распространение.

Идея устройства магнитоэлектрического прибора с подвижной катушкой представлена на рис. 1. Между полюсами постоянного магнита находится подвижная катушка. Для получения равномерного радиального поля между полюсами магнита располагается сердечник из мягкого железа.

При протекании тока по катушке на ее активные стороны, находящиеся в магнитном поле, будут действовать силы, создающие вращающий момент.

Величина вращающего момента, действующего на подвижную часть, прямо пропорциональна силе тока в катушке.

На рис. 2 изображен измерительный механизм магнитоэлектрической системы, применяемый в щитовых приборах нескольких типов. Здесь постоянный магнит, имеющий форму короткого бруска, охватывается ярмом из мягкого железа. Ярмо является магнитопроводом и образует один из полюсных наконечников.

Рис. 1. Схема устройства магнитоэлектрического прибора

Подвижная катушка представляет собой алюминиевый каркас — рамку, на которую намотана тонкая изолированная проволока. Ток к рамке подводится с помощью двух спиральных пружинок.

При повороте рамки пружинки закручиваются и создают противодействующий момент, прямо пропорциональный углу поворота.

Таким образом, угол отклонения стрелки магнитоэлектрического прибора прямо пропорционален силе тока в подвижной катушке. Прибор имеет шкалу с равномерными делениями. При перемене направления тока изменится и направление движения, т. е. стрелка будет отклоняться в обратную сторону, поэтому прибор пригоден только для постоянного тока.

При одном и том же токе угол отклонения подвижной части тем больше, чем больше чувствительность прибора — величина угла (в градусах или делениях шкалы) отклонения, соответствующая единице силы тока.

Чем больше индукция в воздушном зазоре, число витков рамки и ее размеры и чем слабее пружинки, тем выше чувствительность прибора. Казалось бы, что уменьшая момент пружинок, можно получить очень чувствительный прибор. Теоретически это верно, однако употребление очень слабых пружинок приводит к тому, что момент трения становится соизмеримым с действующим моментом. Погрешность от трения при этом может достигнуть недопустимых значений.

Увеличение размеров рамки и числа витков ведет к увеличению веса подвижной части, что опять-таки увеличивает трение. Кроме того, увеличение веса подвижной части ведет к увеличению момента инерции, из-за чего увеличивается период собственных колебаний и время успокоения.

Правильный выбор основных величин позволяет делать магнитоэлектрические приборы с весьма высокими показателями. Конструкции их чрезвычайно разнообразны. Мы ограничимся рассмотрением магнитоэлектрических амперметров и вольтметров, лишь упомянув о том, что существуют омметры, чувствительные гальванометры, шлейфные осциллографы, вибрационные гальванометры и другие специальные приборы этой системы.

Рис. 2. Измерительный механизм магнитоэлектрического прибора: 1 — обойма; 2 — магнит; 3 — стрелка; 4 — ярмо; 5 — полюсы; 6 — сердечник: 7 — рамка с обмоткой; 8 — спиральные пружины; 9 — корректор

Простейшим магнитоэлектрическим прибором является миллиамперметр. На рис. 3, а представлена схема включения миллиамперметра в цепь, а на рис. 3, б — схема внутренних соединений. Здесь весь измеряемый ток проходит по обмотке рамки. При изменении внешней температуры (или от нагревания обмотки рамки током) сопротивление рамки изменится (медный проводник при нагревании на 10 °С увеличивает свое сопротивление на 4%), но это не вызовет дополнительной погрешности, так как прибор отметит некоторое уменьшение тока нагрузки.

Рис. 3. Миллиамперметр: а — схема включения в измерительную цепь; б — схема внутренних соединений:

Рис. 4. Вольтметр: а —схема включения в измерительную цепь; б — схема внутренних соединений:

При увеличении температуры некоторая погрешность может возникнуть из-за уменьшения упругости пружинок, но так как при этом имеет место ослабление поля постоянного магнита, то эти два фактора взаимно компенсируются.

Вольтметр представляет собой тот же миллиамперметр, последовательно с сопротивлением рамки которого включено добавочное сопротивление. Схема включения вольтметра изображена на рис. 4, а, схема внутренних соединений — на рис. 4, б. Через обмотку рамки прибора будет протекать ток:

Изменение внешней температуры вызовет появление дополнительной погрешности, так как при изменении величины сопротивлений ток в обмотке рамки изменится, а следовательно, изменится и показание прибора, в то время как напряжение остается неизменным.

Для уменьшения погрешности от температуры добавочное сопротивление изготовляется из манганина — сплава, не меняющего своего сопротивления при изменении температуры. Если это сопротивление велико по сравнению с сопротивлением обмотки рамки, то общее сопротивление будет меняться незначительно и погрешность не будет превышать заданной величины.

Добавочные сопротивления помещаются внутри корпуса прибора. Если это оказывается невозможным, то применяются отдельные добавочные сопротивления. На приборе с отдельным добавочным сопротивлением должна быть соответствующая надпись. Если вольтметр градуировался вместе с добавочным сопротивлением, то оно называется индивидуальным и может употребляться только с данным вольтметром. Калиброванное добавочное сопротивление может употребляться в комплекте с вольтметром, имеющим стандартную величину номинального тока, т. е. тока полного отклонения.

Номинальный ток калиброванных добавочных сопротивлений при номинальном напряжении (ГОСТ 1845-52) устанавливается: 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 7,5; 15; 30 и 60 ма.

При расчете вольтметров на низкие пределы измерения получение малой погрешности от изменения температуры представляет уже известные трудности, так как относительно большое добавочное сопротивление при малом номинальном значении напряжения (т. е. верхнем пределе измерения вольтметра) требует снижения тока полного отклонения, который должен быть тем меньше, чем ниже заданное напряжение. Иначе говоря, чем меньше номинальное значение напряжения вольтметра, тем чувствительнее должен быть измерительный механизм. Повышение чувствительности связано с ухудшением механических свойств измерительного механизма, а следовательно, и всего прибора, что нежелательно. В этих случаях применяются более сложные схемы уменьшения температурной погрешности.

Ввиду того, что обмотка рамки должна быть достаточно легкой, она наматывается тонкой проволокой; пружинки, являющиеся токоподводами к рамке, делают также очень малого сечения для того, чтобы получить нужные механические свойства. Очевидно, через рамку можно пропускать лишь небольшой ток.

Для измерения больших токов применяются амперметры. В этих приборах только часть измеряемого тока проходит через измеритель (рис. 5), основная же его часть — через шунт, который может помещаться в приборе, либо устанавливается отдельно.

Наружные шунты, так же как отдельные добавочные сопротивления, разделяются на индивидуальные и калиброванные.

Согласно ГОСТ 1845-52 падение напряжения между потенциальными зажимами 1 калиброванных шунтов при номинальном токе устанавливается равным: 45, 75, 100 и 150 мв.

Амперметр с шунтом по сути дела представляет собой милливольтметр, измеряющий падение напряжения на сопротивлении шунта.

Шунты изготовляются из манганина и практически не меняют своего сопротивления под влиянием температуры; чтобы уменьшить температурную погрешность из-за изменения сопротивления обмотки рамки последовательно с ней включается добавочное сопротивление из манганина.

Возможность применения магнитоэлектрических приборов с шунтами и добавочными сопротивлениями позволяет использовать их для измерения постоянного тока и напряжения в весьма широких пределах.

Рис. 5. Амперметр: а — схема включения в измерительную цепь; б — схема внутренних соединений:

Измерительный механизм магнитоэлектрической системы может быть использован как омметр, так как при неизменном напряжении источника питания значение тока, протекающего через обмотку рамки, зависит от сопротивления цепи, в которую она включена, и шкала прибора может быть проградуирована в единицах сопротивления.

Рис. 6. Омметр: а — последовательная схема; б—параллельная схема: Rp — сопротивление рамки; Rx — измеряемое сопротивление; Rg—добавочное сопротивление

Омметры могут быть выполнены по последовательной (рис. 6, а) или параллельной (рис. 6,6) схеме.

Подобные омметры чаще всего снабжаются собственным источником питания, например сухой батарейкой. Уменьшение напряжения батарейки можно компенсировать увеличением чувствительности измерителя с помощью магнитного шунта, изменение положения которого относительно полюсов меняет индукцию в воздушном зазоре.

Омметры, показания которых не зависят от величины напряжения источника питания, строятся на основе приборов, называемых логометрами.

Подвижная часть измерительного механизма магнитоэлектрического лого-метра состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, имеющих изолированные обмотки. Рамки помещаются в поле постоянного магнита. Отличительной особенностью измерительного механизма логометра является неравномерное поле в воздушном зазоре, получаемое за счет неодинаковой ширины зазора или неодинаковой высоты сердечника. В логометрах отсутствует механический противодействующий момент, и токоподводы к обмоткам рамок выполняются в виде тонких безмоментных золотых или серебряных ленточек.

Рис. 7. Схема логометра: Rp — сопротивление обмотки первой рамки; Rp — сопротивление обмотки второй рамки; Rt — R2 — сопротивления для уменьшения температурной погрешности; измеряемое сопротивление; U — источник тока

Приборы электромагнитной системы. Электромагнитная система измерительных приборов определяется как система, вращающий момент которой создается благодаря взаимодействию между одной или несколькими катушками с током и одной или несколькими частями из мягкого ферромагнитного материала.

Электромагнитные приборы бывают:
а) с круглой катушкой и б) с плоской.

В настоящее время большее распространение имеют приборы с плоской катушкой.

Измерительный механизм прибора с плоской катушкой представлен на рис. 8. В основном, он состоит из катушки, по обмотке которой пропускается измеряемый ток, и эксцентрично укрепленного на оси подвижной части сердечника — пластинки из мягкого ферромагнитного материала (трансформаторная сталь, пермаллой) .

Под действием поля катушки сердечник намагничивается. Взаимодействие между магнитным полем катушки с током и магнитным полем сердечника вызывает втягивание сердечника внутрь щели катушки, так как он стремится занять такое положение, при котором через него будет проходить, наибольшее число силовых линий. Втягивание сердечника вызывает поворот оси подвижной части с укрепленными на ней стрелкой и крылом воздушного успокоителя.

Приблизительно можно сказать, что магнитная индукция в щели катушки пропорциональна току, проходящему по обмотке. Точно так же при малом насыщении стали магнитная индукция в сердечнике пропорциональна силе тока в катушке. Поэтому сила, действующая на сердечник, будет пропорциональна квадрату силы тока, протекающего по обмотке катушки, и вращающий момент, действующий на подвижную часть, будет также зависеть от квадрата силы тока, а так как противодействующий момент создается спиральной пружинкой, то и угол поворота подвижной части электромагнитного прибора пропорционален квадрату силы тока в обмотке катушки. Это значит, что прибор будет иметь квадратичный характер шкалы, т. е. сжатые в начале и расширяющиеся к концу шкалы деления. Соответствующей конструкцией главным образом, целесообразным выбором формы стальной пластинки и укреплением на катушке второй пластинки, можно сделать шкалу более равномерной.

Рис. 8. Измерительный механизм электромагнитного прибора с плоской катушкой: 1 — спиральная пружина; 2 — катушка; 3 — сердечник из мягкого ферромагнитного материала; 4 — крыло успокоителя

Электромагнитный прибор годен как для постоянного, так и для переменного токов. Проградуированный на постоянном токе электромагнитный прибор будет показывать при измерении переменного тока (или напряжения) его действующее значение.

Наибольшее распространение в практике получили щитовые электромагнитные амперметры и вольтметры класса 2,5; они надежны в эксплуатации, дешевы и просты по конструкции. Так как пружинка служит только для создания противодействующего момента и не является токоподводом, то электромагнитные приборы без вреда выдерживают значительную перегрузку.

Величина вращающего момента электромагнитного механизма при полном отклонении подвижной части имеет порядок 200 мГсм. Для создания такого момента необходимо, чтобы катушка имела около 200 ампервитков. Зная число ампервитков, по заданному току нетрудно подсчитать нужное число витков обмотки, Электромагнитные амперметры изготовляются для непосредственного включения в цепь на токи до 300 а и выше. На переменном токе электромагнитные приборы включаются через измерительные трансформаторы тока с номинальным вторичным током 5 а.

Шунтирование амперметров этой системы не применяется, так как они обладают по сравнению с амперметрами магнитоэлектрической системы большим потреблением энергии (падение напряжения в катушке амперметра на 5 а имеет порядок 0,5 в), и при больших токах рассеиваемая в шунте мощность может оказаться столь большой, что практическое изготовление шунта будет невозможным.

Расширение пределов измерения электромагнитных вольтметров производится с помощью добавочных сопротивлений, а также с помощью измерительных трансформаторов напряжения. Номинальное напряжение вольтметра, предназначенного для включения через измерительный трансформатор напряжения, равно 100 в.

Погрешность электромагнитных приборов на постоянном токе появляется за счет гистерезиса, т. е. неодинаковой степени намагничивания сердечника при возрастающей и убывающей силах измеряемого тока. При измерении на переменном токе погрешности возникают из-за потерь на вихревые токи в сердечнике и в железных частях самого прибора, а также из-за индуктивности обмотки катушки. Вследствие этих причин показания прибора на переменном токе оказываются меньше истинного значения измеряемой величины, т. е прибор имеет отрицательную погрешность. Однако изготовление сердечника из сплава пермаллой позволило выпускать лабораторные электромагнитные приборы по классу 0,5, одинаково пригодные как для постоянного, так и для переменного токов.

Влияние внешних магнитных полей на показания электромагнитных приборов велико, так как собственное магнитное поле катушки измерительного механизма незначительно. Для уменьшения этого влияния щитовые приборы экранируют железным кожухом, а лабораторные и приборы, предназначенные для работы при повышенной частоте, изготовляют астатическими.

Измерительный механизм астатического прибора состоит из двух одинаковых катушек, обмотки которых соединены последовательно, но так, что магнитные поля их направлены в противоположные стороны. Если такой прибор подвергается воздействию постороннего однородного поля, то оно’ в зависимости от своего направления усиливает поле одной из катушек настолько же, насколько ослабляет поле другой. Поэтому результирующий вращающий момент, под влиянием которого спаренная подвижная часть перемещается, не зависит от постороннего магнитного поля.

Отечественная промышленность выпускает щитовые амперметры типа ВЧА электромагнитной системы, предназначенные для измерения силы тока в цепях звуковой частоты 1000, 2500 и 8000 гц класса 2,5. Эти амперметры изготовляются астатическими и удовлетворяют требованиям, предъявляемым к приборам этого класса при измерениях в цепях с номинальной частотой тока, указанной на приборе. Амперметры рассчитаны для работы с измерительными трансформаторами тока соответствующей частоты с номинальным вторичным током 5 а. При номинальном токе падение напряжения на приборе для частоты 1000 гц равно 0,55 в, для частоты 2500 гц— 1,3 в и для частоты 8000 гц — 4 в. Это падение напряжения обязано, главным образом, индуктивности катушки, так как активное сопротивление ее не превышает 0,04 ом.

С увеличением частоты увеличивается полная мощность, потребляемая прибором, а вращающий момент уменьшается. Вращающий момент становится большим при увеличении числа витков катушки, но это ведет к возрастанию ее индуктивности и потребляемой прибором полной мощности. Эти обстоятельства и ограничивают применение электромагнитных амперметров лишь областью звуковых частот.

Применение электромагнитных вольтметров для измерения напряжения звуковой частоты, так же как и в случае амперметров, не встречает принципиальных возражений. Дело лишь в том, что полная мощность, потребляемая прибором, оказывается в этом случае еще больше, чем у амперметра, из-за увеличения потерь в добавочном сопротивлении, которое необходимо для уменьшения температурной погрешности.

Погрешность от изменения частоты у электромагнитных вольтметров особенно высока, так как изменение частоты влечет за собой изменение полного сопротивления прибора, что, в свою очередь, приводит к изменению тока и вращающего момента.

В НИИ ТВЧ им. проф. В. П. Вологдина в период до появления специальных приборов измерения тока и напряжения звуковой частоты производились щитовыми приборами завода «Электропульт», проградуированнымй на нужной частоте с помощью при-rt dob ‘показания которых не зависят от частоты. Амперметры, как навило, не требовали никаких предварительных переделок, а вольтметры требовали перемотки катушки и замены пружинки на менее сильную.

Приборы электродинамической системы. Электродинамическая система измерительных приборов определяется как система, в которой вращающий’ момент создается благодаря взаимодействию магнитных полей неподвижных и подвижных катушек с током.

Измерительный механизм электродинамического прибора (рис. 9) обычно состоит из двух катушек, одна из которых неподвижна, а другая может вращаться на оси внутри неподвижной катушки. На этой же оси укреплены стрелка и концы пружинок, служащих для подведения тока к подвижной катушке и для создания противодействующего момента.

Токи катушек создают магнитные поля, взаимодействие которых проявляется в механических силах, действующих на катушки. Под влиянием этих сил подвижная катушка стремится расположиться так, чтобы направление создаваемого ею поля совпало с направлением поля, создаваемого неподвижной катушкой.

Сила взаимодействия катушек, а следовательно, и вращающий момент, действующий на подвижную часть, будут пропорциональны произведению сил токов обеих катушек. Кроме того, величина момента, действующего на подвижную часть, зависит от угла р между направлениями магнитных полей катушек. Если угол равен нулю, т. е. поля катушек совпадают, то и момент вращения равен нулю. Если угол равен 90°, то момент вращения будет иметь максимальную величину.

Обычно измерительный механизм собирают так, чтобы в начальном положении (при отсутствии тока в катушках) р=135°, а при полном отклонении |3 = 45°. Таким образом, угол |3 меняется в пределах от 135° до 45°, и синус его — от 0,707 до 0,707, проходя через единицу при р = 90°, когда плоскости катушек взаимно перпендикулярны.

У вольтметров и у амперметров на ток до 0,5 а катушки соединяются последовательно, поэтому угол поворота подвижной части электродинамических амперметров и вольтметров зависит от квадрата силы тока.

Отсюда следует, что амперметры и вольтметры должны иметь неравномерную шкалу. Приборы пригодны как для постоянного, и для переменного токов. В случае переменного тока прибор реагирует на его действующее значение.

Рис. 9. Электродинамический измерительный механизм: А — неподвижная катушка; В — подвижная катушка; Фд — направление поля катушки А; Ф — направление поля катушки В;

Электродинамические амперметры й вольтметры получили распространение в виде лабораторных приборов высокого класса (в настоящее время отечественной промышленностью выпускаются приборы этой системы класса 0,2 и даже 0,1), сохраняющих свою точность при переходе с постоянного тока на переменный ток промышленной частоты.

Электродинамические приборы являются наиболее пригодными для измерений в цепях звуковой частоты, но для этого они должны быть проградуированы не на постоянном токе, а на той частоте, на которой будут работать.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются щитовые электродинамические ваттметры типа ЭТВ и фазометры типа ЭТФ, предназначенные для измерения в цепях с номинальной частотой 1000, 2500 и 8000 гц. Приборы выпускаются однопредельными на номинальное напряжение в 100 в и номинальный ток 5 а и рассчитаны на включение через измерительные трансформаторы тока и напряжения. Если ток и напряжение не превышают указанных выше величин, то приборы могут включаться непосредственно. Шкалы приборов градуируются на измеряемые величины с учетом коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов.

Принципиальная схема ваттметра ЭТВ представлена на рис. 10.

Измерительный механизм ваттметра имеет астатическое выполнение для того, чтобы уменьшить погрешность от влияния внешних магнитных полей. Он представляет собой две системы катушек, расположенных одна над другой.

Неподвижные катушки, соединенные между собой последовательно, включаются в цепь тока. Подвижные катушки также соединяются последовательно между собой и с добавочным сопротивлением. Эта цепь называется параллельной цепью или цепью напряжения ваттметра. Она включается паралельно нагрузке, аналогично включению вольтметра.

Часть добавочного сопротивления шунтируется конденсатором, емкость которого подбирается таким образом, чтобы ток в параллельной цепи ваттметра при частоте, равной номинальной, совпадал по фазе с приложенным напряжением.

Рис. 10. Принципиальная схема ваттметра ЭТВ:

Так как сила тока в параллельной цепи зависит от приложенного напряжения U и сопротивления параллельной цепи, которое для данной частоты остается постоянным, то показания ваттметра пропорциональны активной мощности нагрузки.

Это положение остается справедливым и в том случае, когда ваттметр включен через измерительные трансформаторы, так как последние должны иметь во вторичных цепях те же фазы тока и напряжения, что и нагрузка, мощность которой измеряется.

Рассмотрим теперь работу фазометра. По принципу действия фазометр ЭТФ представляет собой электродинамический логометр, включенный таким образом, что положение подвижной части определяется коэффициентом мощности нагрузки.

Принципиальная схема фазометра представлена на рис. 11.

Неподвижные катушки прибора соединены последовательно и включаются в цепь тока. Катушки расположены одна над другой в вертикальной плоскости.

Подвижные катушки жестко укреплены на оси так, что плоскости их сдвинуты на некоторый угол. Они могут вращаться внутри неподвижных катушек.

Одна из подвижных катушек включена в цепь напряжения последовательно с добавочным сопротивлением; вторая — последовательно с конденсатором С\. Конденсатор С2 служит для компенсации индуктивности катушки Ви Величина его емкости подобрана таким образом, что ток в катушке В\ совпадает по фазе с приложенным напряжением.

В результате взаимодействия этих токов с полем неподвижных катушек подвижная часть прибора занимает такое положение, при котором противоположно направленные вращающие моменты подвижных катушек равны друг другу. При изменении коэффициента мощности Изменяются фазы токов в катушках; один из моментов увеличивается, второй — уменьшается, и под действием разности этих моментов подвижная часть перемещается в такое положение (поскольку величина момента зависит от относительного положения катушек), в котором снова наступает равенство моментов Стрелка прибора указывает на шкале значение коэффициента мощности. По принципу действия прибор не должен иметь механического противодействующего момента, поэтому подвижные катушки присоединяются к схеме с помощью безмоментных токоподводов. В выключенном приборе подвижная часть находится в безразличном равновесии, и стрелка может указывать на любую отметку.

Рис. 11. Принципиальная схема фазометра ЭТФ: Ал. А2. — неподвижные катушки; Blt В2— подвижные катушки; г — добавочное сопротивление; С, — конденсатор, создающий сдвиг фазы тока в катушке В2; С2 — конденсатор для компенсации индуктивности катушки В

Приборы ферродинамической системы. Приборы ферродинами-ческой системы (рис. 12) отличаются от приборов электродинамической системы лишь тем, что большая часть пути магнитного потока неподвижной катушки А проходит по магнитопроводу из трансформаторной стали.

Рис. 12. Измерительный механизм ферродинамического трехфазного ваттметра

Рис. 13. Устройство теплового прибора: Ав — основная нить; CD — вспомогательная нить; ON — шелковая нить; К — пружина; Я — ролик

Применение трансформаторной стали увеличивает магнитную индукцию в приборе и, следовательно, с одной стороны, увеличивает вращающий момент, с другой, уменьшает влияние внешних магнитных полей на показания прибора.

Применение стали, вместе с тем, ведет к снижению точности прибора из-за гистерезиса и вихревых токов, а также к увеличению индуктивности приборов, что делает их малопригодными для измерений в цепях повышенной частоты.

Ферродинамическая система получила наибольшее распространение в самопишущих приборах промышленной частоты, где требуется увеличенный вращающий момент.

К достоинствам приборов ферродинамической системы следует отнести также меньшее потребление энергии по сравнению с электродинамическими приборами.

Приборы тепловой системы. В приборах тепловой системы (рис. 13) используется удлинение металлической нити вследствие нагревания ее измеряемым током. Измеряемый ток или его определенная часть проходит по основной нити, концы которой закреплены.

К середине основной нити одним концом прикреплена вспомогательная нить, второй конец которой” закреплен. От средней трчки вспомогательной нити отходит шелковая нить, обходящая вокруг ролика. Конец шелковой нити прикреплен к свободному концу плоской стальной пружины.

При удлинении основной нити она ослабнет, и усилие пружины, передаваемое через шелковую нить и через вспомогательную нить, повернет ролик и сидящую на одной оси с ним стрелку.

Угол поворота подвижной части зависит от удлинения нагреваемой нити, последнее же можно считать пропорциональным квадрату силы тока, протекающего по нити, поэтому тепловые приборы имеют квадратичную шкалу, сильно сжатую вначале.

Тепловой амперметр, проградуированный на постоянном токе, будет показывать действующее значение переменного тока независимо от формы его кривой. Приборы этой системы пригодны для измерений в цепях тока высокой частоты в широком диапазоне ее изменения. К достоинствам этих приборов следует также отнести независимость их показаний от посторонних магнитных полей.

К недостаткам тепловых приборов относится большое собственное потребление энергии, медленное установление стрелки вследствие тепловой инерции нити и, главное, большая чувствительность к перегрузкам. Расширение пределов измерения производится у вольтметров с помощью добавочных сопротивлений. В этом случае прибор будет иметь сильную зависимость показаний от частоты, так как изготовление безиндукционных и безъемкостных сопротивлений представляет большие трудности. Расширение пределов измерения амперметров при помощи шунтов с целью использования их для измерения больших токов высокой частоты встречает препятствие в виде невозможности сохранить соотношение сопротивлений нити и шунта вследстие явления поверхностного эффекта. В амперметрах, изготовлявшихся фирмой Гартман и Браун, применяется особая система шунтирования, состоящая в том, что измеряемый ток подводится и разветвляется по системе совершенно одинаковых тонких металлических ленточек, соединенных параллельно и размещенных наподобие беличьего колеса (барабанный шунт). Одна из этих ленточек играет роль нити, остальные служат лишь для увеличения общего тока, который можно пропустить через прибор. Так как ленточки делаются весьма тонкими, поверхностный эффект сказывается мало, и такие приборы пригодны для измерения токов высокой частоты до 2,5 мггц.

Расширение пределов измерения тепловых приборов можно осуществить применением измерительных трансформаторов, но в этом случае прибор будет пригоден лишь для узкого диапазона частот, так как измерительные трансформаторы изготовляются для -работы на фиксированной частоте.

В настоящее время тепловые приборы в СССР не производятся и заменены более совершенными термоэлектрическими приборами.

Приборы термоэлектрической системы. Приборы термоэлектрической системы представляют собой соединение измерительного механизма магнитоэлектрической системы с одним или несколькими термопреобразователями.

Термопреобразователем называется устройство, состоящее из одной или нескольких термопар и нагревателя — проводника, по которому проходит измеряемый ток.

Термопреобразователи по выполнению бывают либо вакуумные (рис. 14), Яибо воздушные (рис. 15). Как те, так и другие могут разделяться на контактные, у которых нагреватель имеет металлическое соединение с термопарой, и бесконтактные, у которых обеспечен лишь тепловой контакт нагревателя с термопарой посредством материала, не проводящего электрический ток (слюда, стекло).

Рис. 14. Вакуумный термопреобразователь типа Т-102: 1 — баллон; 1 — нагреватель; 3 — рабочий спай термопары

Рис. 15. Воздушный термопреобразователь типа Т-103: 1— нагреватель; 2 — рабочий спай термопары; 3— колодки; 4— компенсационная термопара

Контактные термопреобразователи проще по своему устройству и более чувствительны, но электрический контакт термопары с нагревателем является нежелательным.

В качестве материала для нагревателя обычно используется проволока из константана или платиноиридия.

Термопреобразователь помещается внутри корпуса прибора или же устанавливается отдельно и соединяется с измерителем с помощью калиброванных проводников.

Электродвижущая сила термопары приблизительно пропорциональна температуре нагревателя, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату силы тока, протекающего по нагревателю. Так как угол отклонения подвижной части магнитоэлектрического прибора пропорционален силе тока, то термоэлектрические амперметры имеют квадратичную шкалу; будучи проградуированы на постоянном токе, они пригодны и для переменного тока, причем будут измерять его действующее значение.

Рис. 16. Принципиальные схемы термоэлектрических приборов: а — с контактным термопреобразователем; б — с контактным термопреобразователем типа „термокрест”; в — с бесконтактной термобатареей; г — с термопреобразователем, собранным по мостовой схеме

Термоэлектрические приборы пригодны для широкого диапазона частот от постоянного тока до радиочастоты порядка десятков мегагерц.

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести большую чувствительность к перегрузкам (перегорают при перегрузке на 50%), необходимость переградуировки при смене термопреобразователя, малый срок службы термопреобразователей (несколько сот часов при работе без перегрузок).

На рис. 16, а изображена простейшая схема термоэлектрического прибора. Измеряемый ток I, проходя по нагревателю, нагревает рабочий спай термопары, составленный’ из разнородных проволок — термоэлектродов. К свободным концам термопары присоединен прибор, измеряющий термоэлектродвижущую силу (т. э. д. е.), развивающуюся в месте рабочёго спая. Прибор может быть проградуирован в единицах измеряемого тока. Эта схема имеет недостаток — показания прибора будут зависеть не только от силы измеряемого тока, но и от его направления, так как вследствие того, что точка соединения термопары с нагревателем не есть геометрическая точка и имеет конечные размеры, часть тока I будет ответвляться в цепь измерителя и либо складываться с термотоком, либо вычитаться из него. По этой причине градуировка рассмотренной схемы должна производиться на переменном токе.

Другая схема (рис. 16,6), которую называют термокрест, представляет собой два разнородных проводника, соединенных в одной точке. Место соединения образует рабочий спай термопары. Здесь нагреватель оказывается составленным из двух разнородных проводников, поэтому при прохождении измеряемого тока I из одного металла в другой будет происходить дополнительное нагревание или охлаждение места спая в зависимости от направления тока (эффект Пельтье). Кроме того, здесь, как и в предыдущем случае, будет происходить ответвление тока / в цепь измерителя, и, следовательно, прибор должен градуироваться на переменном токе.

На рис. 16, в приведена схема, в которой используется несколько термопар, соединенных последовательно. Это приводит к увеличению термоэлектродвижущей силы, что позволяет использовать менее чувствительный, а следовательно, более надежный в эксплуатации измеритель. К недостаткам такой схемы следует отнести то, что соединение нескольких термопар в термобатарею возможно лишь при изолированном нагревателе (иначе все термопары оказались бы замкнутыми накоротко нагревателем), а это уменьшает чувствительность термопреобразователя и увеличивает его тепловую инерцию.

Чаще всего применяется мостовая схема термопреобразователя (рис. 16, г), позволяющая выполнить термобатарею, состоящую из двух термопар, соединенных последовательно, с непосредственным нагревом током места спая. Если сборка термопреобразователя произведена правильно, то измеряемый ток не ответвляется в измерительный механизм и из одного металла в другой не переходит, вследствие чего такие термоэлектрические приборы можно градуировать на постоянном токе. По этой схеме выполняются термопреобразователи типа Т-1, которые изготовляются на шесть пределов измерения от 0,5 до 10 а и входят в комплекты термоэлектрических прибороз Т-51 и Т-53, предназначенных для измерений в цепях переменного тока высокой частоты от 0,3 до 7,5 мггц. Основная погрешность показаний приборов в этом диапазоне не превышает +5%.

Отечественные лабораторные термоэлектрические приборы типов Т-12 и Т-13 с отдельными термопреобразователями типов Т-101, Т-102 и Т-103 позволяют измерять токи в широком диапазоне частот в пределах от 1 ла до 20 а с погрешностью, не превышающей +1,5%.

Для увеличения чувствительности и получения достаточно высокой температуры горячего спая термопары приборы на пределы измерения до 500 ма включительно изготовляются с вакуумными термопреобразователями типа Т-102 (рис. 14). Термоприборы на 1 и 3 а изготовляются с воздушными термопреобразователями типа Т-103 (рис. 15), а на 5, 10 и 20 а —с воздушными термопреобразователями типа Т-101.

Для уменьшения погрешности приборов от емкостных токов утечки при измерениях на высоких частотах все термопреобразователи сделаны бесконтактными.

Для уменьшения погрешности прибора от поверхностного эффекта, проявляющегося в термопреобразователях на большие токи, нагреватели на предел измерения 3, 5, 10 и 20 а сделаны из тонкостенной золотопалладиевой трубки. Для уменьшения погрешности от нагревания наконечников при длительном включении применяется компенсационная термопара, горячий спай которой с помощью эмали приклеивается к одному из наконечников. Рабочая термопара соединена с компенсационной таким образом, чтобы т. э. д. с. термопар были направлены встречно.

Приборы детекторной системы. Приборы детекторной системы представляют собой соединение магнитоэлектрического из1мери-тельного механизма с твердыми выпрямителями — детекторами.

В качестве выпрямителей применяются чаще всего меднозакис-ные детекторы, отличающиеся от выпрямителей, применяемых для энергетических целей, малыми размерами и пригодные для выпрямления токов, не превышающих нескольких миллиампер.

Меднозакисный выпрямитель представляет собой пластинку из химически чистой меди, на одной стороне которой посредством специальной термической обработки получается слой закиси меди. Между медью и закисью меди образуется очень тонкий слой, получивший название запирающего слоя, обусловливающий особенность выпрямителя оказывать небольшое сопротивление току, протекающему от закиси меди к меди. Сопротивление току обратного направлений, т. е. от меди к закиси меди, оказывается в сотни и даже тысячи раз большим.

Отношение прямого тока к обратному при одном и том же напряжении на выпрямителе называется коэффициентом выпрямления. Очевидно, это отношение равно отношению обратного сопротивления к прямому.

Прямое и обратное сопротивления выпрямителя не остаются строго постоянными, а изменяются в некоторых пределах в зависимости от приложенного напряжения, температуры и частоты. В детекторах, применяемых в измерительных приборах, стараются получить эти зависимости возможно малыми. Выпускаемые нашей промышленностью щитовые вольтметры типа Ц211 предназначены Для измерения напряжения звуковой частоты от 50 гц до 8000 гц с погрешностью, не превышающей +2,5%.

Принципиальная схема внутренних соединений вольтметра Ц211 показана на рис. 17, а. Выпрямитель состоит из четырех элементов, собранных по мостовой схеме. Нужный предел измерения подбирается величиной добавочного сопротивления Rg. Добавочное сопротивление включается в цепь переменного тока.

Приборы Ц211 выпускаются с верхними пределами измерения 30, 50, 150 и 250 в — для непосредственного включения и на 500, 1000, 2000 в — для включения с измерительными трансформаторами напряжения.

В отношении надежности в эксплуатации детекторные приборы уступают приборам других систем и нуждаются в более частой поверке (не реже 1 раза в 6 месяцев), так как с течением времени выпрямители могут менять свои свойства.

Рис. 17. Схемы детекторных вольтметров: а — с двухполупериодной мостовой схемой выпрямления; б — с однополупериодной схемой выпрямления

Кроме двухполуцериодных схем выпрямления, применяются и однополупериодные (рис. 17,6). В этой схеме выпрямитель Ву соединяется последовательно с измерительным механизмом и пропускает одну полуволну переменного тока. Обратная полуволна пропускается выпрямителем В2 и через измеритель не проходит. Выпрямитель В2 необходим для защиты выпрямителя В\ от пробоя при обратной полуволне. Сопротивление R в этой схеме выбирается равным сопротивлению измерителя.

В случае однополупериодной схемы выпрямления ток, текущий через измеритель, будет в два раза меньше, и, следовательно, чувствительность прибора будет ниже. В некоторых случаях эта схема оказывается более выгодной, так как в схемах с двухполупериод-ным выпрямителем на каждый выпрямитель приходится только половина измеряемого напряжения, и если последнее мало, то вследствие нелинейности характеристики выпрямителей они будут работать с низким коэффициентом выпрямления. В зависимости от приложенного к схеме напряжения иногда несколько выпрямителей соединяются последовательно.

Через катушку измерителя в детекторном приборе проходит пульсирующий ток, в соответствии с этим и вращающий момент пульсирует. Однако благодаря инерционности подвижная часть не может менять своего положения с большой скоростью и отклонится на угол, равный среднему значению тока.

В цепях переменного тока обычно бывает необходимо измерять действующие значения тока или напряжения, поэтому детекторные приборы градуируются на действующие значения синусоидального тока или напряжения и дают правильные показания только при синусоидальной форме кривой.

Детекторные приборы применяются чаще всего для измерения напряжения звуковой частоты. Существуют также детекторные амперметры. Схемы их боле сложны из-за необходимости компенсации температурной зависимости, а также зависимости показаний приборов от частоты, обязанной емкости выпрямителей.

Особенно мала емкость германиевых детекторов. Использование этих детекторов позволит, очевидно, изготовлять детекторные приборы, пригодные для измерений на радиочастоте.

Кроме детекторных вольтметров и амперметров, существуют частотомеры, позволяющие осуществлять измерение частоты с высокой точностью. Возможно также осуществление детекторных ваттметров.

Приборы электростатической системы. Приборы электростатической системы основаны на взаимодействии проводников, заряженных до некоторый разности потенциалов.

В отличие от рассмотренных выше систем измерительных приборов в измерительном механизме электростатической системы изменение положения подвижной части происходит под действием сил электрического поля.

Идея устройства измерительного механизма электростатического вольтметра представлена на рис. 18. Весь измерительный механизм представляет собой подобие конденсатора переменной емкости. Один зажим соединяется с подвижными пластинами, расположенными на оси подвижной части, а другой — с неподвижными. При подключении прибора к измеряемому напряжению подвижные и неподвижные пластины оказываются заряженными разноименно и притягиваются друг к другу. Подвижная часть стремится занять такое положение, при котором емкость системы будет наибольшей. Момент вращения, действующий на подвижную часть, пропорционален скорости изменения емкости с углом поворота и квадрату напряжения, приложенного к пластинам. Противодействующий момент обычно создается спиральной пружиной.

Приборы пригодны как для постоянного, так и для переменного напряжения и измеряют действующее значение переменного напряжения.

Показания электростатических вольтметров не зависят ни от частоты, ни от формы кривой напряжения, ни от внешних магнитных полей, ни от температуры.

Положительным свойством электростатических вольтметров является их малое потребление тока. На постоянном напряжении электростатический вольтметр вовсе не потребляет энергии. При переменном напряжении величина тока потребления зависит от емкости измерительного механизма и частоты.

Рис. 18. Схема устройства механизма электростатического вольтметра: 1 — неподвижные пластины; 2 — подвижные пластины

На рис. 19 представлен измерительный механизм электростатического вольтметра типа С95, выпускаемого по классу точности 1,5. Прибор предназначен для измерения постоянного напряжения и переменного напряжения в диапазоне частот 20 гц до 10— 30 мггц (в зависимости от пределов измерения). Приборы этого

типа являются однопредельными и имеют один из следующих пределов измерения: 30, 75, 150, 300 и 600 в; 1; 1,5 и 3 кв.

Максимальная входная емкость прибора не превышает 10 мкмкф, что достигается малыми размерами электродов (подвижной и неподвижных пластин). Малая емкость прибора обусловливает малый вращающий момент подвижной части, поэтому последняя устанавливается на растяжках. Для увеличения чувствительности приборы снабжены световым отсчетом с многократным отражением светового луча.

Шкала прибора достаточно равномерна благодаря специальной форме подвижного электрода, позволяющей получить изменение емкости в зависимости от угла поворота подвижной части по логарифмическому закону.

Кроме приборов С95, выпускаются трехпредельные киловольтметры типа С96 на 7,5; 15 и 30 кв и трехпредельные киловольтметры €100 на 25, 50 и 75 кв.

Щитовые электростатические вольтметры в настоящее время отечественной промышленностью не выпускаются.

Расширение пределов измерения электростатических вольтметров на переменном напряжении может быть осуществлено с помощью емкостных делителей напряжения.

Приборы электронной системы. Приборы электронной системы, или ламповые приборы, представляют собой соединение измерительной схемы, включающей одну или несколько электронных ламп, с измерительным механизмом магнитоэлектрической системы.

Существуют ламповые вольтметры, амперметры, омметры, ваттметры, частотомеры и многочисленные специальные приборы.

Наиболее широкое распространение получили ламповые вольтметры. Схемы ламповых вольтметров достаточно разнообразны. Рассмотрим здесь схему лампового вольтметра ВКС-7Б, поскольку он находит применение как в лабораторной, так и цеховой практике измерений напряжения высокой частоты.

Рис. 19. Измерительный механизм электростатического вольтметра типа С95: 1 — неподвижный электрод; 2 — подвижный электрод; 3 — ось; 4 — растяжки; 5 — магнитный успокоитель

Вольтметр состоит (рис. 20) из диодмо-конденсаторного выпрямителя и усилителя постоянного тока. Приложенное к зажимам прибора переменное напряжение выпрямляется диодом и подается на сетку триода, в цепь катода которого включен магнитоэлектрический измеритель. Изменение измеряемого переменного напряжения вызывает изменение анодного тока, отмечаемое чувствительным магнитоэлектрическим измерителем, проградуированным на действующее значение синусоидального напряжения.

Переменные сопротивления в схеме служат для изменения чувствительности и установки стрелки прибора на нуль при отсутствии напряжения.

Рис. 20. Принципиальная схема лампового вольтметра ВКС-7Б

Катодный вольтметр ВКС-7Б относится к ламповым вольтметрам амплитудного типа, шкала же градуируется на действующее значение переменного синусоидального напряжения. Следует иметь в виду, что при форме кривой напряжения, отличающейся от синусоидальной, показания прибора будут неверными.

Вольтметр имеет пять пределов измерения: 1,5; 5; 15; 50 и 150 в. Основная погрешность прибора +3% от номинального значения шкалы на всех пяти шкалах при синусоидальном напряжении, коэффициент искажения которого не превышает 1 . Дополнительная погрешность от изменения частоты должна быть не более + 1 на частотах от 30 гц до 25 мггц; +3% на частотах от 50 мггц и +10% на частотах до 100 мггц.

Для расширения пределов измерения вольтметра ВКС-7Б до 10 кв используется делитель напряжения типа ДНЕ-2.

Другим примером электронно-ламповых приборов может служить измеритель частоты ИЧ-5, предназначенный для измерения частоты электрических колебаний звукового и ультразвукового диапазонов с непосредственным отсчетом частоты по шкале измерителя. Измерение частоты прибором ИЧ-5 производится по принципу измерения среднего значения выпрямленного тока в цепи конден-

Сатора, перезаряжаемого с измеряемой частотой в определенных границах разности потенциалов. В качестве измерителя использован стрелочный магнитоэлектрический гальванометр. Угол отклонения стрелки гальванометра прямо пропорционален количеству разрядов и зарядов в секунду, т. е. частоте.

Диапазон измеряемых частот прибора ИЧ-5 от 10 до 100 000 гц при десяти поддиапазонах с верхними пределами измерений 100, 200, 500, 1000, 5000, 10 000, 20 000, 50 000 и 100 000 гц. Погрешность показаний в каждом поддиапазоне не превышает +2% от номинального значения шкалы. Входное напряжение, подаваемое на прибор, может иметь значение в пределах от 0,5 до 200 в.


Реклама:

Читать далее:
Измерительные трансформаторы

Статьи по теме:

ил. // Библиотека технической литературы

В справочнике приведены сведения о средствах и методах измерения электрических и неэлектрических величин в сельскохозяйственном производстве.

Предназначен для специалистов, инженерно-технических работников АПК, имеющих дело с электрическими измерениями. Может быть полезен для студентов факультетов электрификации сельского хозяйства.

Размер: 2,61 Мб
Формат: djvu
Скачать книгу с depositfiles.com
Скачать книгу с narod.ru
Не работает ссылка? Напишите об этом в комментарии.

Оглавление:

Предисловие.

Раздел первый. Электроизмерительные приборы и вспомогательные устройства.

Глава 1. Общие сведения о средствах измерений.
1.1. Что такое средство измерений?
1.2. Какие параметры и свойства средств измерений следует учитывать при их выборе?
1.3. Какие бывают погрешности средства измерений?
1.4. Какие условные обозначения наносят на электроизмерительные приборы?
1.5. Что означает класс точности прибора?
1.6. Какие требования техники безопасности предъявляются к электроизмерительным приборам?

Глава 2. Магнитоэлектрические приборы.
2.1. Как устроен магнитоэлектрический прибор?
2.2. Как работает магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой?
2.3. Какие достоинства и недостатки имеют магнитоэлектрические приборы?
2.4. Что такое гальванометры, где их применяют?
2.5. В чем заключается особенность магнитоэлектрических логометров?

Глава 3. Электромагнитные приборы.
3.1. Как устроены электромагнитные приборы?
3.2. Как работают электромагнитные приборы?
3.3. Какие достоинства и недостатки имеют электромагнитные приборы?
3.4. В чем особенность электромагнитных приборов с высокой чувствительностью?
3.5. Как устроены и работают электромагнитные логометры?

Глава 4. Электродинамические и ферродинамические приборы.
4.1. Как устроен электродинамический прибор?
4.2. Как работает электродинамический прибор?
4.3. Как включают катушки электродинамического прибора при измерении напряжения и тока?
4.2. Как устроен и подключается индукционный счетчик электроэнергии?
5.3. Как работает индукционный счетчик электрической энергии?
5.4. Почему не весь магнитный поток направляют через алюминиевый диск?
5.5. Почему возникает самоход счетчика?

Глава 6. Электростатические приборы и приборы с преобразователями.
6.1. Как устроен и работает электростатический прибор?
6.2. В чем особенность термоэлектрических приборов?
6.3. В чем особенность электроизмерительных приборов с полупроводниковым выпрямителем?
6.4. Что такое аналоговый электронный измерительный прибор (АЭИП)? Какие АЭИП выпускаются промышленностью?
6.5. Как устроен и работает электронный вольтметр?
6.6. Как классифицируются цифровые измерительные приборы? В чем их особенность?
6.7. Какие основные характеристики цифровых приборов следует учитывать при их выборе?

Глава 7. Самопишущие и регистрирующие приборы.
7.1. Как устроены и работают самопишущие приборы?
7.2. Как устроен и работает электронно-лучевой осциллограф?
7.3. Какие основные характеристики электронно-лучевых осциллографов необходимо учитывать при их выборе?
7.4. Как устроены и работают светолучевые осциллографы?
7.5. Что необходимо учитывать при выборе светолучевых осциллографов?

Глава 8. Измерительные мосты.
8.1. Как устроены и работают одинарные мосты постоянного тока?
8.2. Как устроен двойной мост постоянного тока?
8.3. В чем особенность мостов переменного тока?
8.4. Как работает автоматический мост?
8.5. В чем особенность неуравновешенных мостов постоянного тока?

Глава 9. Потенциометры.
9.1. Как устроен и работает потенциометр постоянного тока?
9.2. В чем особенность потенциометров переменного тока?
9.3. Как работает автоматический потенциометр?

Глава 10. Преобразователи электрических величин в электрические.
10.1. Как можно преобразовать электрическое напряжение при помощи резисторов?
10.2. Как можно преобразовать электрическое напряжение при помощи трансформаторов?
10.3. Как можно преобразовать ток при помощи резисторов? Что такое шунт?
10.4. Как устроен и работает измерительный трансформатор тока?
10.5. Почему вторичную обмотку трансформатора тока нельзя оставлять разомкнутой?

Глава 11. Преобразователи неэлектрических величин в электрические.
11.1. Какие бывают преобразователи неэлектрических величин в электрические?
11.2. Как устроены и работают индукционные преобразователи?
11.3. Что такое датчик Холла и для чего его можно применять?
11.4. Как устроен и работает фотоэлектрический преобразователь?
11.5. Как работают пьезоэлектрические преобразователи?
11.6. В чем особенность термоэлектрических преобразователей? Как устроены термоэлектрические термометры?
11.7. Как устроены термометры сопротивления (терморезисторы)? Какие термометры сопротивления используют в измерительной технике?
11.8. Что такое реостатный преобразователь и как его можно использовать?
11.9. Как устроены проволочные преобразователи и где их можно применять?
11.10. Как устроены и работают индуктивные преобразователи?
11.11. В чем особенность емкостных преобразователей?

Раздел второй. Измерение электрических величин.

Глава 12. Измерение силы тока.
12.1. Какие методы измерения силы электрического тока применяют на практике?
12.2. Как измерить силу постоянного тока компенсационным методом?
12.3. Как правильно выбрать гальванометр для измерения малых постоянных токов?
12.4. Как правильно рассчитать сопротивление шунта?
12.5. Как правильно выбрать трансформатор тока для расширения пределов измерений приборов в цепях переменного тока?
12.6. Как измерить силу тока повышенной и высокой частоты потенциометром переменного тока?
12.7. В чем особенность измерения силы переменного тока в трехфазных сетях?

Глава 13. Измерение напряжений.
13.1. Какие методы измерения напряжения применяют на практике?
13.2. Как правильно подобрать добавочный резистор для расширения предела измерений вольтметра постоянного тока?
13.3. Как измерить постоянное напряжение при помощи потенциометра постоянного тока?
13.4. В чем особенность работы цифровых электронных вольтметров для измерения постоянного напряжения?
13.5. Что необходимо знать при измерении больших напряжений приборами, подключенными через измерительный трансформатор напряжения?
13.6. Как измерить напряжение в трехфазной сети?
13.7. Как измерить напряжение в высоковольтной сети трехфазного переменного тока?
13.8. Как измерить напряжение при помощи электронно-лучевого осциллографа?

Глава 14. Измерение мощности.
14.1. Как и какими средствами измерений можно измерить мощность в цепи постоянного тока?
14.2. Как включить ваттметр в цепь постоянного тока?
14.3. Как рассчитать сопротивления добавочного резистора и шунта для подключения ваттметра в цепь постоянного тока?
14.4. Какими методами можно измерить активную мощность, в однофазной цепи переменного тока?
14.5. Как включить ваттметр в цепь переменного тока, если ток нагрузки больше допустимого?
14.6. Как включить ваттметр в высоковольтную сеть пере-меиного тока?
14.7. Как измерить активную мощность в трехфазной трех-проводной сети?
14.8. Как измерить активную мощность в трехпроводной сети, если нагрузка несимметричная?
14.9. В чем особенность измерения мощности при помощи двух ваттметров?
14.10. Как выполнены ваттметры для измерения активной мощности в трехфазной сети?
14.11. Как измерить активную мощность в трехфазной четырехпроводной сети?
14.12. Как измерить активную мощность в трехфазной высоковольтной цепи?
14.13. Как устроен ваттметр для измерения реактивной мощности в трехфазной сети?
14.14. Какими косвенными методами можно измерить реактивную мощность?

Глава 15. Измерение потребляемой электрической энергии.
15.1. Какими методами и какими средствами измерений можно измерить потребляемую электрическую энергию в цепи постоянного и однофазного переменного тока?
16.2. Какие приборы применяют для измерения потребления активной электрической энергии в трехфазных цепях?
15.3. Как включить трехфазный счетчик в низковольтную сеть с большим током?
15.4. Как включить трехфазный счетчик активной электрической энергии в высоковольтную сеть?
15.5. Какими средствами измерений и как измеряют потребление реактивной электрической энергии в трехфазной сети.

Глава 16. Измерение активных сопротивлений.
16.1. Какие методы применяют на практике для измерения активных сопротивлений постоянному току?
16.2. Как измерить активное сопротивление при помощи амперметра и вольтметра в цепи постоянного тока?
16.3. Как устроен и работает омметр?
16.4. Как устроен и работает мегомметр?
16.5. Как измерить сопротивление при помощи мостов?
16.6. Как измерить сопротивление при помощи одного вольтметра?
16.7. Как измерить сопротивление заземления?

Глава 17. Измерение емкости, индуктивности и взаимной индуктивности.
17.1. Какие параметры конденсаторов и катушек индуктивности можно измерить электроизмерительным прибором?
17.2. Как измерить индуктивность и добротность при помощи моста переменного тока?
17.3. Какие косвенные методы измерения индуктивности и взаимной индуктивности можно применять?
17.4. Как измерить емкость и угол потерь конденсаторов при помощи мостов?
17.5. Как измерить емкость при помощи фарадометра?
17.6. Как измерить емкость при помощи баллистического гальванометра?
17.7. Как измерить емкость методом замещения?
17.8. Какие косвенные методы измерения емкости можно применить?

Глава 18. Измерение коэффициента мощности и фазового сдвига.
18.1. Как измерить коэффициент мощности?
18.2. Как измерить фазовый сдвиг и cos ф при помощи фазометра?
18.3. Какие фазометры выпускает промышленность?
18.4. Какими осциллографическими методами можно воспользоваться для определения фазового сдвига?

Глава 19. Измерение частоты тока.
19.1. Как и какими средствами можно измерить частоту тока?
19.2. Как измерить частоту тока косвенным методом?
19.3. Как измерить частоту методом заряда — разряда конденсатора?
19.4. Как измерить частоту при помощи цифровых измерительных приборов?

Раздел третий. Измерение неэлектрических величин в сельскохозяйственном производстве.

Глава 20. Измерение температуры.
20.1. Какими методами и средствами измерений пользуются при измерении температуры?
20.2. Как измерить температуру при помощи термоэлектрического термометра?
20.3. Как измерить температуру при помощи термометра сопротивления?
20.4. В чем особенность измерения температуры термометром сопротивления, вторичным измерительным прибором которого является уравновешенный мост?
20.5. Как использовать неуравновешенный мост для измерения температуры в комплекте с термометром сопротивления?
20.6. Какие автоматические мосты для измерения температуры выпускает промышленность? Как они работают?
20.7. В чем особенность измерения температуры термометром сопротивления в комплекте с магнитоэлектрическим логометром?
20.8. Как использовать диоды и транзисторы для измерения температуры?
20.9. Как измерить температуру тела животных?
20.10. Как измерить температуру воздуха в помещении?
20.11. Как можно измерить температуру пола в животноводческом помещении?
20.12. Как измерить температуру воды, молока и других жидкостей?
20.13. Как измерить температуру сена и силоса?
20.14. Как измерить температуру почвы?

Глава 21. Измерение влажности.
21.1. Какие электрические методы измерения влажности твердых, сыпучих и жидких веществ получили распространение в агропромышленном комплексе?
21.2. Какими методами и средствами измерений можно измерить влажность зерна и других сыпучих материалов?
21.3. Как измерить влажность кормов и кормосмесей?
21.4. Как измерить влажность воздуха и газов?

Глава 22. Применение электрических средств измерений для анализа свойств и состава молока и кормосмесей.
22.1. Какими методами можно определить качество смешивания кормов?
22.2. Какими электрическими методами можно измерить жирность молока?
22.3. Как измерить количество белка в молоке?

Глава 23. Измерение уровня.
23.1. Какие электрические методы используются в агропромышленном комплексе для измерения уровня?
23.2. Как измерить уровень жидкости?
23.3. Как измерить уровень сыпучих материалов?

Глава 24. Измерение давления.
24.1. Какие методы измерения давления используются в агропромышленном комплексе?
24.2. Как измерить положительное избыточное давление?
24.3. Как измерить отрицательное избыточное давление?

Глава 25. Измерение скорости воздуха и расхода газов и жидкостей.
25.1. Как измерить скорость движения воздуха?
25.2. В чем особенность анемометров, измеряющих среднюю скорость движения воздуха?
25.3. Как измерить расход жидкости или газа?

Глава 26. Погрешности измерений.
26.1. Какие бывают погрешности измерений?
26.2. Как оценить и исключить систематические погрешности измерений?
26.3. Как оценить, и исключить случайные погрешности прямых измерений?
26.4. Как. оценить погрешность косвенных измерений?
26.5. Как исключить грубые погрешности?

Указатель литературы.

Метки: Измерение активных сопротивлений, Измерение влажности, Измерение давления, Измерение емкости, Измерение коэффициента мощности, Измерение мощности, Измерение напряжений, Измерение потребляемой электрической энергии, Измерение силы тока, Измерение температуры, Измерение уровня, Измерение частоты, Измерительные мосты, КИПиА, Погрешности измерений, Потенциометры, Электрические измерения

Термоэлектрический преобразователь — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Термоэлектрический преобразователь

Cтраница 1

Термоэлектрический преобразователь как элемент системы регулирования в значительной степени определяет характеристики температурного устройства испытательной машины. Тепловая инерция термопреобразователя зависит от его конструктивного исполнения, уровня температуры и диаметра термоэлектродов.  [1]

Термоэлектрические преобразователи пригодны для измерения мощности, причем шкала термоваттметра линейна.  [2]

Термоэлектрические преобразователи ( термопары, термоэлементы) [15, 16] содержат спай из двух разнородных материалов, при нагреве которого появляется термоЭДС, монотонно возрастающая при увеличении температуры спая и зависящая от материалов термопары.  [3]

Термоэлектрические преобразователи могут включаться в различные измерительные цепи. В общем случае термоэлектрический термометр состоит из термоэлектрического преобразователя ( термопары), удлиняющих проводов, коробки холодных спаев, соединительных проводов, измерительного или регистрирующего прибора. Коробки холодных концов термопары представляют собой некоторый кожух, в котором размещают места соединений удлиняющих и соединительных проводов. Эти коробки должны обеспечивать надежный контакт между проводами и уравнивать температуры обеих точек соединений.  [5]

Термоэлектрический преобразователь ( ТП) ( термопара) — прибор, служащий для измерения температуры в нагревательных и других установках. ТП содержит термоэлемент, заключенный в корпус, помещаемый Одним концом в среду, где измеряется температура. Другой конец корпуса укрепляется на установке. От корпуса идут провода, связанные с термоэлементом, к прибору, воспринимающему термо — ЭДС и показы-вающеиу стрелкой на шкале температуру объекта.  [6]

Термоэлектрический преобразователь ( ТП), или термопара — прибор, служащий для измерения температуры в нагревательных или других установках. ТП содержит термоэлемент, заключенный в корпус, помещаемый одним концом в среду, где измеряется температура. От корпуса выходят провода, связанные с термоэлементом, и присоединяются к прибору, вопринимающему термо — ЭДС и показывающему стрелкой на шкале температуру объекта.  [7]

Термоэлектрические преобразователи ( термопары) относятся к приборам, принцип действия которых основан на термоэлектрическом эффекте.  [8]

Термоэлектрические преобразователи ( термопары) служат для дистанционного измерения температуры.  [9]

Термоэлектрические преобразователи обозначаются в зависимости от применяемых сплавов: хромель-копель — ТХК; хромель-алюмель — ТХА; платинородий-платина — ТПП; пла-тинородий ( 30 % родия) — платинородий ( 6 % родия) — ТПР.  [10]

Термоэлектрический преобразователь устроен аналогично термопреобразователю сопротивления.  [11]

Термоэлектрические преобразователи ( термопары) служат также для дистанционного измерения температуры. Ик принцип действия основан на использовании ЭДС, получаемой от двух спаянных концов разного металла, если их спай и свободные концы находятся при разных температурах.  [12]

Термоэлектрические преобразователи обозначаются в зависимости от применяемых сплавов: хромель-копель — ТХК, хромель-алюмель — ТХА, платинородий-платина — ТПП, платинородий ( 30 % родия) — платинородий ( 6 % родия) — ТПР.  [13]

Термоэлектрический преобразователь устроен аналогично термопреобразователю сопротивления.  [14]

Термоэлектрический преобразователь как элемент системы регулирования в значительной степени определяет характеристики температурного устройства испытательной машины. Тепловая инерция термопреобразователя зависит от его конструктивного исполнения, уровня температуры и диаметра термоэлектродов.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Термометр. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Термометр – это прибор, предназначенный для измерения температуры жидкостной, газообразной или твердой среды. Изобретателем первого устройства для измерения температуры является Галилео Галилей. Название прибора с греческого языка переводится как «измерять тепло». Первый прототип Галилея существенно отличался от современных. В более привычном виде устройство появилась спустя более чем через 200 лет, когда за изучение данного вопроса взялся шведский физик Цельсий. Он разработал систему измерения температуры, разделив термометр на шкалу от 0 до 100. В честь физика уровень температуры измеряются в градусах Цельсия.

Разновидности по принципу действия

Хотя с момента изобретения первых термометров прошло уже более через 400 лет, эти устройства до сих пор продолжают совершенствоваться. В связи с этим появляются все новые устройства, основанные на ранее не применяемых принципах действия.

Сейчас актуальными являются 7 разновидностей термометров:
  • Жидкостные.
  • Газовые.
  • Механические.
  • Электрические.
  • Термоэлектрические.
  • Волоконно-оптические.
  • Инфракрасные.
Жидкостные

Термометры относятся к самым первым приборам. Они работают на принципе расширения жидкостей при изменении температуры. Когда жидкость нагревается – она расширяется, а когда охлаждается, то сжимается. Само устройство состоит из очень тонкой стеклянной колбы, заполненной жидким веществом. Колба прикладывается к вертикальной шкале, выполненной в виде линейки. Температура измеряемой среды равна делению на шкале, на которое указывает уровень жидкости в колбе. Эти устройства являются очень точными. Их погрешность редко составляет более 0,1 градуса. В различном исполнении жидкостные приборы способны измерять температуру до +600 градусов. Их недостаток в том, что при падении колба может разбиться.

Газовые

Работают точно так же как и жидкостные, только их колбы заполняются инертным газом. Благодаря тому, что в качестве наполнителя используется газ, увеличивается диапазон измерения. Такой термометр может показывать максимальную температуру в пределах от +271 до +1000 градусов. Данные приборы обычно применяются для снятия показания температуры различных горячих веществ.

Механический

Термометр работает по принципу деформации металлической спирали. Такие приборы оснащаются стрелкой. Они внешне немного напоминает стрелочные часы. Подобные устройства используется на панели приборов автомобилей и различной спецтехнике. Главное достоинство механических термометров в их прочности. Они не боятся встряски или ударов, как модели из стекла.

Электрические

Приборы работают по физическому принципу изменения уровня сопротивления проводника при различных температурах. Чем горячее металл, тем его сопротивляемость при передаче электрического тока выше. Диапазон чувствительности электротермометров зависит от металла, который использован в качестве проводника. Для меди он составляет от -50 до +180 градусов. Более дорогие модели на платине могут указывать на температуру от -200 до +750 градусов. Такие приборы применяются как датчики температуры на производстве и в лабораториях.

Термоэлектрический

Термометр имеет в своей конструкции 2 проводника, которые измеряют температуру по физическому принципу, так называемому эффекту Зеебека. Подобные приборы имеют широкий диапазон измерения от -100 до +2500 градусов. Точность термоэлектрических устройств составляет около 0,01 градуса. Их можно встретить в промышленном производстве, когда требуется измерение высоких температур свыше 1000 градусов.

Волоконно-оптические

Делаются из оптоволокна. Это очень чувствительные датчики, которые могут измерять температуру до +400 градусов. При этом их погрешность не превышает 0,1 градуса. В основе такого термометра лежит натянутое оптоволокно, которое при изменении температуры растягивается или сжимается. Проходящий сквозь него луч света преломляется, что фиксирует оптический датчик, сопоставляющий преломление с температурой окружающей среды.

Инфракрасный

Термометр, или пирометр, является одним из самых недавних изобретений. Они имеют верхний диапазон измерения от +100 до +3000 градусов. В отличие от предыдущих разновидности термометров, они снимают показания без непосредственного контакта с измеряемым веществом. Прибор посылает инфракрасный луч на измеряемую поверхность, и на небольшом экране отображает ее температуру. При этом точность может отличаться на несколько градусов. Подобные устройства применяются для измерения уровня нагрева металлических заготовок, которые находятся в горне, корпуса двигателя и пр. Инфракрасные термометры способны показать температуры открытого пламени. Подобные устройства применяются еще в десятках различных сфер.

Разновидности по предназначению
Термометры можно классифицировать на несколько групп:
  • Медицинские.
  • Бытовые для воздуха.
  • Кухонные.
  • Промышленные.
Медицинский термометр

Медицинские термометры обычно называют градусники. Они имеют низкий диапазон измерения. Это связано с тем, что температура тела живого человека не может составлять ниже +29,5 и выше +42 градусов.

В зависимости от исполнения медицинские градусники бывают:
  • Стеклянные.
  • Цифровые.
  • Соска.
  • Кнопка.
  • Инфракрасный ушной.
  • Инфракрасный лобный.

Стеклянные термометры являются первыми, которые начали применять для медицинских целей. Данные устройства универсальны. Обычно их колбы заполняются спиртом. Раньше для таких целей использовалась ртуть. Подобные устройства имеют один большой недостаток, а именно необходимости длительного ожидания для отображения реальной температуры тела. При подмышечном исполнении продолжительность ожидания составляет не менее 5 минут.

Цифровые термометры имеют небольшой экран, на который выводится температура тела. Они способны показать точные данные спустя 30-60 секунд с момента начала измерения. Когда градусник получает конечную температуру, он создает звуковой сигнал, после которого его можно снимать. Данные приборы могут работать с погрешностью, если не очень плотно прилегают к телу. Существуют дешевые модели электронных термометров, которые снимают показания не менее долго, чем стеклянные. При этом они не создают звуковой сигнал об окончании измерения.

Термометры соски сделаны специально для маленьких детей. Устройство представляет собой соску-пустышку, которая вставляется в рот младенца. Обычно такие модели после завершения измерения подают музыкальный сигнал. Точность устройств составляет 0,1 градуса. В том случае если малыш начинает дышать через рот или плакать, отклонение от реальной температуры может быть существенным. Продолжительность измерения составляет 3-5 минут.

Термометры кнопки применяются тоже для детей возрастом до трех лет. По форме такие приборы напоминают канцелярскую кнопку, которая размещается ректально.  Данные устройства снимают показания быстро, но имеют низкую точность.

Инфракрасный ушной термометр считывает температуру из барабанной перепонки. Такое устройство способно снять измерения всего за 2-4 секунды. Оно также оснащается цифровым дисплеем и работает на батарейках. Данное устройство имеет подсветку для облегчения введения в ушной проход. Приборы подходят для измерения температуры у детей старше 3 лет и взрослых, поскольку у младенцев слишком тонкий ушной канал, в который наконечник термометра не проходит.

Инфракрасные лобные термометры просто прикладываются ко лбу. Они работают по такому же принципу, как и ушные. Одно из преимуществ таких устройств в том, что они могут действовать и бесконтактно на расстоянии 2,5 см от кожи. Таким образом, с их помощью можно измерить температуру тела ребенка не разбудив его. Скорость работы лобных термометров составляет несколько секунд.

Бытовые для воздуха

Для измерения температуры воздуха на улице или в помещении применяются бытовые термометры. Они, как правило, выполнены в стеклянном варианте и заполнены спиртом или ртутью. Обычно диапазон их измерения в уличном исполнении составляет от -50 до +50 градусов, а в комнатном от 0 до +50 градусов. Подобные приборы часто можно встретить в виде украшений для интерьера или магнита на холодильник.

Кухонные

Кухонные термометры предназначены для измерения температуры различных блюд и ингредиентов. Они могут быть механическими, электрическими или жидкостными. Их применяют в тех случаях, когда необходимо строго контролировать температуру по рецепту, к примеру, при приготовлении карамели. Обычно подобные устройства идут в комплекте с герметичным тубусом для хранения.

Промышленные

Промышленные термометры предназначены для измерения температуры в различных системах. Обычно они представляют собой приборы механического типа со стрелкой. Их можно увидеть в магистралях водяного и газового снабжения. Промышленные модели бывают электрические, инфракрасные, механические и пр. Они имеют самое большое разнообразие форм, размеров и диапазонов измерения.

Похожие темы:

Тема 6. Электрические измерения — PDF Free Download

1 Тема 6. Электрические измерения Вопросы темы. Классификация измерительных приборов и погрешности измерений.. Приборы магнитоэлектрической системы. 3. Приборы электромагнитной системы. 4. Приборы электродинамической и ферродинамической систем. 5. Однофазный индукционный счетчик электрической энергии. 6. Омметры и мегаомметры. 7. Термоэлектрические приборы. 8. Цифровые измерительные приборы. 9. Измерение неэлектрических величин электрическими методами. Датчики.. Классификация измерительных приборов и погрешности измерений Для контроля режима электрических цепей приходится измерять ряд физических величин: ток, напряжение, мощность, энергию. В цепях переменного тока помимо этого измеряют также частоту, сдвиг по фазе и контролируют форму кривой напряжения и тока. Измерение нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Технические средства, которые служат для измерения электрических величин, называются электроизмерительными приборами. Во многих отраслях техники электроизмерительными приборами пользуются также для измерения и контроля неэлектрических величин. От измерительных приборов, применяемых в электрических цепях, прежде всего требуется, чтобы они не вносили заметных искажений в режим цепи. Поэтому электроизмерительные приборы должны потреблять минимальную мощность и не оказывать существенного влияния на сопротивление цепи. Приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называют аналоговыми (в них отсчет значения измеряемой величины производится по шкале). Измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и дающие показания в цифровой форме, называют цифровыми. На практике часто применяют суммирующие приборы, в которых значения измеряемой величины суммируются по времени или по другой независимой переменной, например счетчик электрической энергии. Суммирующие измерительные приборы дают значения суммы двух или нескольких величин, подводимых по различным

2 каналам, например, ваттметр, суммирующий мощность нескольких электрических генераторов. Полученное из опыта значение измеряемой величины может отличаться от ее действительного значения. Это может быть обусловлено конструктивными недостатками прибора, несовершенством технологии его изготовления, а также влиянием различных внешних факторов. Разность между показанием прибора X и истинным значением измеряемой величины X называется абсолютной погрешностью измерительного 0 прибора: = X X 0. () Относительная погрешность измерения δ определяется обычно в процентах к истинному значению X, но так как отклонения X от 0 X сравнительно малы, то 0 можно считать, что δ = 00% 00% () X X 0 Поскольку величина X при измерении может принимать любые значения в пределах от 0 до X, где N X — верхний предел диапазона измерения прибора (номинальное значение), то оценить качество прибора по значению абсолютной или N относительной погрешности невозможно. Поэтому было введено понятие приведенной погрешности γ = (3) X N Значение приведенной погрешности, выраженное в процентах: γ = 00%, определяет класс точности прибора. По степени точности даваемых показаний электроизмерительные приборы делятся на классы, обозначаемые соответственно числами: 0,05; 0,; 0,; 0,5; ;,5;,5 и 4, определяющими максимальную погрешность прибора в процентах при полном отклонении указателя. Электроизмерительные приборы классифицируют по целому ряду признаков. Здесь приведены лишь некоторые из них:. По виду измеряемой величины. Классификация в этом случае производится по наименованию единицы измеряемой величины. На шкале прибора пишут полное его наименование или начальную латинскую букву единицы измеряемой величины, например, амперметр — A, вольтметр — V, ваттметр — W и т. д. К условной букве наименования прибора может быть добавлено обозначение кратности основной единицы: миллиампер — ma, киловольт -kv, мегаватт -MW ит. д.. По физическому принципу действия измерительного механизма прибора, т. е. по способу преобразования электрической энергии в механическое действие подвижной части прибора (табл. ). Таблица Условные обозначения, указывающие принцип действия измерительного механизма прибора X N

3 Тип прибора Магнитоэлектрический Условные обозначения Выпрямительный с магнитоэлектрическим механизмом Электромагнитный Электродинамический Ферродинамический Индукционный Термоэлектрический 3. По роду измеряемого тока. Эта классификация позволяет определить, в цепях какого тока можно применять данный прибор (табл. ). Условные обозначения, указывающие род тока, для которого предназначен прибор Таблица На приборах переменного тока указывают номинальное значение частоты или диапазон частот, на которые они рассчитаны, например, 0 Гц, Гц. Если на приборе не указан диапазон рабочих частот, значит, он предназначен для работы в установках с частотой 50 Гц. 4. По классу точности. Класс точности прибора является его обобщенной характеристикой. Допускаемая относительная погрешность меньше в точках шкалы, ближайших к номинальному значению. На шкале электроизмерительного прибора отмечаются измеряемая им физическая величина, класс точности прибора, род тока, для которого прибор предназначен, рабочее положение (вертикальное или горизонтальное), величина напряжения, 3

4 при котором испытывалась изоляция прибора, система прибора. Например, прибор М40, изображённый на рис., представляет собой килоамперметр постоянного тока класса точности,5, вертикального расположения, изоляция испытана напряжением кв, магнитоэлектрической системы (таблица 4): Таблица 4 Обозначения на шкале измерительного прибора, изображённого на рис. Наименование прибора М40 Тип (измеряемая физическая величина) килоамперме тр Класс точности прибора,5 Род измеряемого тока Рабочее положение кв Система прибора Напряжение испытания изоляции постоянный вертикальное магнитоэлектрическая. Приборы магнитоэлектрической системы Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии рамки с током с магнитным полем постоянного магнита (рис. ). Полюсные наконечники магнита служат для создания однородного магнитного поля, в котором может поворачиваться вокруг своей оси 5 легкая алюминиевая рамка, которая содержит обмотку. Измеряемый ток, при подключении прибора через клеммы 4, проходит в рамку через спиральные пружины 3, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. Рис.. К принципу действия прибора магнитоэлектрической системы Рис.. Килоамперметр магнитоэлектрической системы При протекании тока через рамку возникают силы, создающие вращательный момент, который по мере ее поворота уравновешивается механическим противодействующим моментом, создаваемым пружинами. Если по обмотке с числом витков w протекает ток I, то создается вращающий момент 4

5 M BP = BwIS, (4) где B — магнитная индукция в зазоре, в котором вращается рамка; S — площадь рамки. Так как величины B, w и S для данного прибора постоянные, то их произведение дает также постоянную величину. Следовательно, можно записать: MBP = ki. Под действием этого вращающего момента рамка поворачивается на угол α и закручивает спиральную пружину, которая создает противодействующий момент MПP = k α, (5) где k — постоянная, характеризующая жесткость пружины. При некотором угле поворота рамки противодействующий момент пружины k будет равен вращающему моменту, т. е. ki = kα. Обозначив k =, получим k α = ki (6) где k — постоянная данного прибора по току, которая называется чувствительностью прибора. Таким образом, угол поворота стрелки 6 магнитоэлектрического прибора пропорционален току в рамке и шкала 7 такого прибора равномерна. Механизм магнитоэлектрического прибора обычно используется для изготовления гальванометра и амперметра (рис. ). Но ток, проходя по обмотке рамки, создает на ней падение напряжения U = IR, равное напряжению, приложенному к прибору, и угол поворота стрелки будет пропорционален этому напряжению: U k α = ki = k = cu, где c = — постоянная прибора по напряжению. Отсюда следует, R R что магнитоэлектрический механизм можно использовать и для изготовления вольтметра. Так как сопротивление вольтметра должно быть достаточно большим, то в вольтметре магнитоэлектрической системы последовательно с обмоткой рамки включают добавочный резистор с большим сопротивлением. Меняя величину добавочного резистора, можно уменьшать или увеличивать предел измерения напряжения. Если магнитоэлектрический прибор используют для измерения сравнительно больших токов, то параллельно рамке присоединяют резистор, называемый шунтом. В этом случае через измерительный прибор идет только часть измеряемого тока, и предел измерения по току расширяется. Магнитоэлектрические приборы пригодны только для измерения в цепях постоянного тока. При включении их в цепь переменного тока применяют преобразовательные устройства (выпрямители, термоэлектрические преобразователи и т. д.). Детекторный прибор совокупность выпрямителя (детектора) и магнитоэлектрического измерителя. Такое сочетание вызвано необходимостью измерений малых токов и напряжений переменного тока. Наибольшее распространение получила мостовая схема с двухполупериодным выпрямителем (рис. 3). Если в этой схеме подобрать все четыре диода одинаковыми, то сопротивления переменному току по обоим 5

6 направлениям также будут одинаковыми. Через прибор проходит ток в обе половины периода в одном направлении, вдвое увеличивая значение вращающего момента. Рис. 3. Двухполупериодный выпрямитель Рис. 4. Ампервольтомметр Ц4353 Детекторные приборы широко применяют для измерений переменных токов и напряжений и часто используют в комбинированных приборах — авометрах (ампервольтомметрах), рис. 4. В отличие от приборов переменного тока всех других систем детекторные приборы измеряют среднее, а не действующее значение переменного тока и напряжения. Градуируют шкалы этих приборов в действующих значениях, поэтому детекторные приборы не пригодны для измерений в цепях несинусоидальных токов. Магнитоэлектрические приборы обладают высокой точностью и чувствительностью, равномерной шкалой, низкой восприимчивостью к изменениям температуры окружающей среды и внешним магнитным полям, малым потреблением энергии. Недостатки таких приборов пригодность только для постоянных токов (для переменных токов нужны дополнительные устройства), большая чувствительность к перегрузкам, сложность конструкции и высокая стоимость. 3. Приборы электромагнитной системы Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемого измеряемым током, со стальным сердечником, помещенным в это поле (рис. 5). 6

7 Рис. 5. К принципу действия прибора электромагнитной системы Рис. 6. Амперметр переменного тока электромагнитной системы При протекании измеряемого тока через катушку в ее плоской щели создается магнитное поле. Вне катушки на агатовых подпятниках установлена ось 3 с эксцентрично укрепленным сердечником 4 из магнитомягкой (с малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью) стали и стрелкой 5. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его внутрь, поворачивая тем самым ось со стрелкой прибора. Этому повороту препятствует закручивающаяся спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент. В отличие от приборов магнитоэлектрической системы у приборов электромагнитной системы угол отклонения стрелки пропорционален квадрату тока: α = ci (7) где с постоянная для данного прибора величина, поэтому шкала электромагнитного прибора неравномерна (рис. 6). Меняя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить почти равномерную шкалу, начиная с 0 % от верхнего предела измерений. При меньших значениях измеряемой величины электромагнитные приборы недостаточно чувствительны и начальная часть шкалы считается нерабочей. Направление отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке, так как при изменении направления тока одновременно меняется направление вектора магнитной индукции внутри катушки и в сердечнике, а характер их взаимодействия (притяжение) остается прежним. Этот же вывод следует из выражения (7), в которое значение тока входит в квадрате. Следовательно, эти приборы пригодны для измерений в цепях и постоянного, и переменного тока. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение. Электромагнитные приборы применяются и как амперметры, и как вольтметры. В последнем случае обмотка выполняется большим числом витков тонкой медной проволоки. Внешние магнитные поля оказывают значительное влияние на показания электромагнитных приборов из-за относительно слабого собственного магнитного поля. Для ослабления этого влияния измерительный механизм защищают стальным экраном или применяют астатические измерительные механизмы. 7

8 Астатическое устройство совокупность двух измерительных механизмов, подвижные системы которых объединены в одном приборе и воздействуют на одну и ту же ось со стрелкой. При этом измерительные механизмы расположены так, что под действием внешнего поля вращающий момент одного из них увеличивается, а другого на столько же уменьшается, при этом общий вращательный момент, действующий на всю подвижную систему прибора, остается неизменным. Достоинствами электромагнитных приборов являются простота конструкции, невысокая стоимость, пригодность для постоянного и переменного тока, способность выдерживать большие перегрузки, возможность непосредственного включения амперметров на большие токи, а также пригодность для применения в качестве щитовых приборов. Недостатки: неравномерность шкалы, низкая чувствительность, сравнительно большое собственное потребление энергии, высокая чувствительность к влиянию внешних магнитных полей. 4. Приборы электродинамической и ферродинамической систем Принцип действия приборов электродинамической системы основан на механическом взаимодействии двух катушек с током (рис. 7). Неподвижная катушка состоит из двух секций (для создания однородного поля) и навивается обычно толстой проволокой. Внутри неподвижной помещается легкая подвижная катушка, жестко скрепленная с осью и стрелкой. Подвижная катушка включается в измеряемую цепь через спиральные пружины, создающие противодействующий момент. Прибор также содержит воздушный успокоитель 3. При прохождении тока по катушкам создаются два магнитных поля, которые стремятся повернуть подвижную катушку в положение, в котором энергия всего механизма была бы минимальной. Рис. 7. К принципу действия прибора электродинамической системы Угол отклонения стрелки прибора электродинамической системы пропорционален произведению токов в катушках: α = ki I, (8) где k постоянная данного прибора. Электродинамические приборы можно использовать и для переменного тока, так как направления токов в обеих катушках изменяются на противоположные одновременно (или с постоянным сдвигом по фазе), и поэтому направление поворота подвижной катушки остается неизменным. 8

9 Электродинамические приборы используются как вольтметры, амперметры и главным образом как ваттметры. При использовании электродинамического прибора в качестве амперметра обмотки обеих катушек соединяют параллельно (рис. 8, а). Условно обмотка неподвижной катушки показана толстой линией, подвижной тонкой. При использовании электродинамического прибора в качестве вольтметра обе обмотки прибора включают последовательно друг с другом и с добавочным резистором R (рис. 8, б). У вольтметров и амперметров соединение концов обмоток обыч- Д но делают внутри прибора, а на его зажимы выведены два конца, подключаемые в цепь. Шкалы электродинамических вольтметров и амперметров неравномерны, так как токи в обеих катушках пропорциональны одной и той же измеряемой величине. Например, для вольтметра в обеих катушках течет одинаковый ток, поэтому I = I = I и α = ki. У электродинамического амперметра угол отклонения стрелки также пропорционален квадрату тока. Рис. 8. Использование электродинамического прибора в качестве: (а) амперметра; (б) вольтметра; (в) ваттметра При использовании электродинамического прибора в качестве ваттметра (рис. 8, в) обмотку неподвижной катушки включают в цепь последовательно (тогда I = I ), а обмотку подвижной катушки, соединенную последовательно с добавочным рези- 9

10 стором R, параллельно зажимам приемника (тогда I Д U = R + R Д, где R — сопро- тивление подвижной катушки). Следовательно, в соответствии с формулой (8) угол поворота стрелки пропорционален произведению IU, т. е. мощности, потребляемой нагрузкой, причем шкала электродинамического ваттметра равномерна. Зажимы последовательной обмотки обозначают буквой I или числом ампер, равным предельному значению ее тока. Эта обмотка называется токовой. Зажимы параллельной обмотки или обмотки напряжения, включаемой так же, как вольтметр, обозначают буквой U или числом вольт, равным предельному значению напряжения на ней. Направление отклонения подвижной системы прибора зависит от взаимного направления токов в катушках. Поэтому для правильного включения обмоток их зажимы маркируют. У так называемых «генераторных» зажимов обмоток (зажимов, к которым следует присоединять провода со стороны источника питания) ставится знак *. На электрических схемах их обозначают точками. На показания электродинамических приборов могут влиять внешние магнитные поля, так как собственное поле катушек слабое. Для устранения этого влияния применяют астатические измерительные механизмы. Приборы электродинамической системы изготовляют и применяют в основном как переносные лабораторные приборы классов точности 0,; 0, и 0,5. К достоинствам электродинамических приборов относятся большая точность и пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока. Недостатками являются неравномерная шкала, большая чувствительность к перегрузкам (из-за наличия токоведущих пружин) и зависимость от внешних магнитных полей. Для самопишущих приборов и приборов, в которых требуются большие вращающие моменты, используют ферродинамические измерительные механизмы. В этих устройствах обмотка неподвижной катушки размещается на стальном магнитопроводе, выполненном из листовой электротехнической стали или специального сплава (пермаллоя), обладающего малыми потерями на гистерезис и вихревые токи. Введение стального сердечника приводит к значительному повышению чувствительности, так как намного увеличивается вращающий момент. Кроме того, ослабляется влияние внешних магнитных полей, но из-за гистерезиса и вихревых токов снижается точность приборов. Ферродинамические приборы изготовляются классов точности и,5. В цепях переменного тока с помощью электродинамического ваттметра можно измерять как активную, так и реактивную мощность. Для измерения активной мощности используют ваттметр с активным добавочным сопротивлением R, включенным в цепь катушки напряжения (подвижной катушки). Д В этом случае угол отклонения стрелки ваттметра пропорционален активной мощности: α = kiu cosϕ (9) Для измерения реактивной мощности последовательно с катушкой напряжения включают добавочное индуктивное сопротивление x (рис. 7), величина которого L значительно превышает сопротивление обмотки напряжения xl R. В этом случае угол отклонения стрелки ваттметра будет пропорционален реактивной мощности: 0

11 α = k IU sinϕ (0) Рис. 9. Измерение реактивной мощности 5. Однофазный индукционный счетчик электрической энергии Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии переменного магнитного поля с вихревыми токами, индуцируемыми этим же полем в проводящем подвижном диске или цилиндре. Индукционные приборы пригодны лишь для переменных токов, так как ток в диске или цилиндре может индуцироваться лишь действием переменного магнитного потока. Индукционный счетчик имеет две катушки с сердечниками: токовую и катушку напряжения. Поэтому переменное магнитное поле создается двумя магнитными потоками Φ и Φ, сдвинутыми на некоторый угол по фазе и в пространстве. При этом осуществляется взаимодействие потоков с «чужими» (а не со «своими») индукционными токами. Токовую катушку (рис. 0) навивают толстым проводом на стальной сердечник и включают последовательно с нагрузкой. Магнитный поток Φ в ней пропорционален току нагрузки. Рис. 0. Токовая катушка индукционного прибора Рис.. Катушка напряжения индукционного прибора Катушку напряжения (рис. ) навивают большим числом витков тонкого провода на стальной сердечник. Индуктивное сопротивление этого электромагнита намного больше активного, поэтому данную цепь можно считать чисто индуктивной (ток в катушке напряжения отстает по фазе на π ). Таким образом, счетчик состоит из двух электромагнитов и подвижного алюминиевого диска. Схематически устройство индукционного однофазного счетчика показано на рис.. Легкий алюминиевый диск D укреплен на оси, которая связана с помощью червячной передачи со счетным механизмом, и вращается в зазоре элек-

12 тромагнитов. Магнитный поток Φ электромагнита U -образной формы (см. рис. 0) создается током приемника электрической энергии, так как его обмотка включена последовательно в цепь нагрузки. Можно считать, что поток Φ пропорционален току: Φ ~ I. Рис.. Устройство индукционного однофазного счётчика Рис. 3. Однофазный индукционный счётчик На втором электромагните (см. рис. ) расположена обмотка, включенная параллельно приемнику электрической энергии, и ток в ней пропорционален напряжению сети U. Обмотка состоит из большого числа витков тонкого провода и создает магнитный поток Φ, значение которого пропорционально U: Φ ~ U. Индуктивное сопротивление этого электромагнита несравненно больше активного, поэтому можно считать, что ток в его обмотке сдвинут по фазе от напряжения на π. Таким образом, магнитные потоки, сдвинутые по фазе и в пространстве, образуют «бегущее» магнитное поле, пересекающее диск. Вихревые токи, индуцируемые в диске магнитными потоками, пропорциональны им: I B Φ и I B Φ. Среднее за период значение электромагнитной силы, возникающей при взаимодействии магнитного поля и вихревого тока и действующей на диск, определяется формулой F = Φ I cos γ, где γ — угол сдвига по фазе между потоком Φ и током I. Из этой формулы видно, что взаимодействие между индуцированным током в диске и созданным им магнитным полем не создает электромагнитной силы, так как γ = 0. Электромагнитные силы появляются только в результате взаимодействия магнитного потока Φ с током I и потока B Φ с током I, и создают вращающий момент. B

13 Под действием этого вращающего момента диск пришел бы в ускоренное вращение и число оборотов не соответствовало бы израсходованной электрической энергии. Поэтому необходимо наличие противодействующего момента. Противодействующий момент создается постоянным магнитом, в поле которого вращается диск, и является тормозным моментом, пропорциональным частоте вращения диска. Когда моменты равны, частота вращения диска постоянна (установившийся режим) и число оборотов диска пропорционально расходу электроэнергии. Индукционные счетчики (рис. 3) обладают слабой чувствительностью к внешним магнитным полям и изменениям температуры окружающей среды и хорошо выдерживают перегрузки. Однако они очень чувствительны к изменению частоты переменного тока в сети, поэтому предназначаются для работы только на определенной частоте (обычно 50 Гц). 6. Омметры и мегаомметры Сопротивления различных элементов электрических цепей изменяются в очень широком диапазоне. Сопротивления условно можно разделить на малые (до Ом), средние (от Ом до 00 ком) и большие (более 00 ком). Для измерения сопротивлений используют следующие методы: косвенный (с помощью амперметра и вольтметра, с последующим вычислением сопротивления), непосредственной оценки и сравнения (с помощью мостов и потенциометров). Для непосредственного измерения сопротивлений применяют омметры приборы, у которых шкала проградуирована в омах. Обычно омметр прибор, объединяющий в одном корпусе миллиамперметр магнитоэлектрической системы, источник питания (батарейку) и добавочный резистор R, ограничивающий ток (рис. 4). Рис. 4. К принципу действия омметра Рис. 5. Омметр Рис. 6. Мегаомметр Так как малому сопротивлению соответствует большой ток (и наоборот), то для нахождения положения нулевого деления на шкале замыкают ключ К и перемещением движка резистора R добиваются наибольшего отклонения стрелки. Это положение стрелки соответствует нулевому делению шкалы. Затем, подключая известные сопротивления, градуируют шкалу в омах. Отсчет по такой шкале ведется справа налево, а так как по закону Ома между током и сопротивлением существует обратно пропорциональная зависимость, то шкала омметра неравномерна (рис. 5). Она сильно сжата у конца, соответствующего большим сопротивлениям. Для измерения больших сопротивлений (сопротивления изоляции электрических машин, аппаратов, приборов и электрической сети напряжением до 000 В) 3

14 применяются мегаомметры (рис. 6). Омметры с электроизмерительным механизмом позволяют измерять сопротивления, не превышающие нескольких тысяч МОм. Для измерения больших сопротивлений используются электронные омметры (тераомметры). 7. Термоэлектрические приборы Термоэлектрический измерительный прибор представляет собой сочетание термоэлектрического преобразователя и электроизмерительного механизма постоянного тока. Применяется для измерения силы и напряжения (реже мощности) электрического тока. Особенно часто применяется при измерении несинусоидальных токов и на повышенных частотах. На рис. 4 изображена схема термоэлектрического амперметра. Измеряемый ток проходит через подогреватель П (обмотка с большим удельным сопротивлением) и нагревает его. Спай термопары Т прикреплен к подогревателю или находится вблизи него. ЭДС термопары создает ток, проходящий через магнитоэлектрический прибор. Таким образом, показания термоэлектрического прибора пропорциональны мощности, расходуемой на нагревание подогревателя (т. е. квадрату действующего значения тока в нем). Поэтому шкала такого прибора почти квадратична и градуируется в единицах действующего значения тока (в случае вольтметра действующего значения напряжения). Рис. 7 Показания термоэлектрического измерительного прибора слабо зависят от частоты (поэтому они применяются в цепях как постоянного, так и переменного тока) и формы кривой тока или напряжения. В наиболее точных приборах (до ма) для ограничения потерь тепла подогреватель вместе с термопарой помещают в вакуумный стеклянный баллон. 8. Цифровые измерительные приборы Цифровой электроизмерительный прибор такой прибор, в котором значение измеряемой электрической величины представлено в виде цифр. Показания цифровых приборов легче читать, и они обеспечивают большую точность, чем аналоговые. Однако аналоговые приборы обеспечивают возможность проследить за быстрыми изменениями тока и напряжения. Цифровые приборы применяются для измерений практически всех электрических величин (постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления, емкости, индуктивности, добротности и др., так называемые мультиметры, рис. 8), а также неэлектрических (например, давления, температуры, скорости), предварительно преобразованных в электрические. 4

15 Рис. 8. Цифровой мультиметр Принцип действия цифровых измерительных приборов основан на автоматическом преобразовании непрерывной, или аналоговой, измеряемой величины в дискретные сигналы в виде кода, в соответствии с которым ее значение отображается на дисплее в цифровой форме. Представление аналоговых сигналов в виде дискретного кода очень удобно, поскольку в таком виде аналоговые сигналы могут вводиться в ЭВМ или передаваться по каналам телеметрии. Большинство цифровых электроизмерительных приборов состоит из следующих частей: измерительной цепи, выполняющей необходимые аналоговые преобразования измеряемой величины (измерительные мост, усилитель, преобразователь напряжения во временной интервал и др.), аналого-цифрового преобразователя и дешифратора, в котором кодированный сигнал преобразуется в соответствующее число и затем отображается на дисплее. Существует несколько методов преобразования непрерывной величины в дискретную, из которых наибольшее распространение получил метод числоимпульсного кодирования. Этим методом измеряемая величина преобразуется в пропорциональное ей число импульсов, которое подсчитывается цифровым электронным счетчиком. Электронные счетчики ведут счет импульсов, как правило, в двоичной системе счисления. Применение двоичной системы счисления в цифровых приборах обусловлено тем, что для записи чисел в ней нужны элементы, имеющие всего два устойчивых состояния. Результат измерения, полученный в двоичной системе счисления, с помощью специального устройства дешифратора переводится в десятичную систему, а затем выдается на световое табло. 9. Измерение неэлектрических величин электрическими методами. Датчики 5

16 На практике часто возникает необходимость измерять неэлектрические величины. Проще всего это достигается с помощью электрических методов, хотя сами измеряемые параметры не являются электрическими. Любой электрический прибор, предназначенный для измерения неэлектрической величины, имеет в своем составе измерительный преобразователь неэлектрической величины в электрическую (датчик). В качестве электрического измерительного устройства преобразованной величины применяют магнитоэлектрический милливольтметр, цифровой измерительный прибор и др. При этом шкалу отсчетного устройства электроизмерительного прибора градуируют в единицах измеряемой неэлектрической величины. Датчики разнообразны по принципу действия. В индуктивных преобразователях используется зависимость индуктивности обмоток от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов магнитной цепи. Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок. В пьезоэлектрических преобразователях используется эффект появления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, титаната бария и др.) под влиянием механических напряжений. Простейшим примером датчика является термопара. ЭДС термопары является функцией температуры. В качестве электрического измерительного устройства используют милливольтметр, который может иметь шкалу, отградуированную в градусах. Индукционные датчики чаще всего применяются в приборах для измерения угловой скорости, линейных и угловых перемещений и ускорений. Так, действие индуктивного датчика с разомкнутой магнитной цепью основано на изменении индуктивности катушки по мере внесения в нее стального сердечника. Если небольшой генератор соединить с вращающимся или прямолинейно движущимся механизмом, то его ЭДС будет пропорциональна скорости вращения (движения). Таким образом, по значению ЭДС можно судить о скорости движения. Электроизмерительные приборы, используемые для измерения неэлектрических величин, имеют ряд преимуществ перед неэлектрическими приборами. Здесь прежде всего следует отметить их низкую инерционность, т. е. возможность быстро реагировать на изменение измеряемой величины, широкий диапазон измерений соответствующей величины, возможность включения их в электрические цепи, а потому использование их при дистанционном и автоматическом управлении технологическими процессами. Вопросы для повторения. Что такое абсолютная погрешность электроизмерительного прибора?. Что такое класс точности электроизмерительного прибора? 3. Какие условные обозначения имеются на шкале электроизмерительного прибора? 4. Для чего служит корректор? 5. Для чего служит успокоитель? 6. Как действует магнитный успокоитель? 7. Как действует воздушный успокоитель? 8. Опишите устройство и принцип действия магнитоэлектрического электроизмерительного прибора. 9. Опишите устройство и принцип действия электромагнитного электроизмерительного прибора. 6

17 0. Опишите устройство и принцип действия электродинамического электроизмерительного прибора.. Как нужно соединить обмотки электродинамического прибора, чтобы использовать его как амперметр?. Как нужно соединить обмотки электродинамического прибора, чтобы использовать его как вольтметр? 3. Как нужно включить электродинамический прибор, чтобы измерить активную мощность на переменном токе? 4. Как нужно включить электродинамический прибор, чтобы измерить реактивную мощность на переменном токе? 5. Как устроен омметр? 6. Почему у омметра нулевое деление шкалы находится справа? 7. Как устроен термоэлектрический прибор? 8. Как устроен детекторный прибор? 9. Как устроен и работает счетчик электрической энергии? 0. Опишите принцип действия цифрового измерительного прибора.. Приведите пример измерения неэлектрической величины с помощью датчика. 7

Термоэлектрический преобразователь устроен аналогично термопреобразователю сопротивления

Термоэлектрический преобразователь устроен аналогично термопреобразователю сопротивления. Длина его монтажной части до 10 м, пределы измеряемой температуры — от —50 до 1800 °C.

Особенность применения термоэлектрических преобразователей заключается в необходимости компенсации температуры холодных концов спая. Если температура холодных концов, равная температуре окружающего воздуха, будет изменяться, а температура измеряемой среды будет неизменной, то значения термо-ЭДС будут также изменяться. Неизменность показаний прибора достигают электрической компенсацией влияний температуры в месте установки прибора, воспринимающего термо-ЭДС. Для этого термоэлектрический преобразователь присоединяют к вторичному прибору специальными компенсационными проводами (табл. 2.145).

Таблица 2.145 ДАННЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОВОДОВ

Обозначение

провода

Расцветка

изоляции

жил

Материал проводов

Тип

термоэлектрического

преобразователя

положительного

отрицательного

м

Красная

Коричневая

Медь

Константан

Хромель—алюмель ТХА

п

Красная

Зеленая

Медь

Сплав ТП

Платинородий— платина ТПП

хк

Фиолетовая

Желтая

Хромель

Копель

Хромель — копель ТХК

Технические характеристики термоэлектрических преобразователей приведены в табл. 2.146.

Манометрические термометры применяются для дистанционного измерения температуры. Их принцип действия основан на зависимости между температурой и давлением жидкости или газа при постоянном объеме. Схема манометрического термометра показана на рис. 2.61.

Прибор состоит из термобаллона, соединенного капилляром с вторичным прибором — манометром. В манометре капилляр соединяется с трубчатой пружиной, которая скручивается или раскручивается в зависимости от давления жидкости или газа в системе манометра, зависящего от температуры измеряемой среды, куда помещен термобаллон. Пружина действует на мех изм манометра, воздействующий на показыва-362

ющие и регулирующие устройства (стрелки, самописцы, контакты).

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Таблица 2.146

Тип преобразователя

Пределы

измерения,

°C

Максимальное условное давление, МПа

Длина

монтажной

части, мм

ТХА-2174

0…90

0,4    32 64

250…800

ТХА-0806

0…1000

0,25    44

160…3150

ТХА-1489

0…1000

1000…20000

ТХК-0083

0…300

20

50…320

ТХК—0179 (одинарный)

-50…600

0,4    6,4

10…2000

ТХК-0179 (двойной)

-50…600

0,4    6,4

120…2000

ТХК-0806

0…600

0,25    0,4

160…3150

ТПП-0679

0…1300

0,1

320…2000

ТПП-0679-01

0…1300

0,1

40…3150

ТПР-0779

300… 1600

4

400… 1600

ТПР-0679

300… 1600

0,1

320…2000

ТПР—0679—01

300… 1600

0,1

40…10000

ТВР-251

100… 1800

200…400

ТВР-0877

300…1800

0,1

560…900

Приборы для измерения температуры — виды и принцип действия

Большинство технологических процессов корректно проходят только при определенной температуре. Кроме того, измеряемые температурные показатели помогают определять, насколько корректно используется затрачиваемая энергия.

Иными словами, это — та величина, которую нужно постоянно контролировать. Все виды приборов для измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Также они классифицируются по материалам, принципам и способам действия.

Виды термометров по принципу действия

Процесс измерения температуры может основываться на разных физических процессах. Исходя из этого, выделяют 5 видов термометров.

Контактные

Такие приборы еще называют термометрами расширения. Они основаны на отслеживании изменения объема тел под действием меняющейся температуры. Обычно измеряемый диапазон температур составляет от -190 до +500 градусов по Цельсию.

К этой категории относятся жидкостные и механические устройства. Жидкостные представляют собой приборы в стеклянном корпусе, заполненные спиртом, ртутью, толуолом или керосином. Они прочные и устойчивые к внешним воздействиям. Температурный диапазон измерений зависит от типа используемой жидкости (наибольший — у ртутных, наименьший — у цифровых).

Механические могут работать с разными типами сред, включая жидкостные, газообразные, твердые или сыпучие. Универсальность позволяет использовать их в разных инженерных системах.

Термометры сопротивления

К этой категории относятся приборы, которые способны измерять электрическое сопротивление веществ, меняющееся в зависимости от температурных показателей. Рабочий диапазон этих устройств — от -200 до +650 градусов.

Такие термометры состоят из чувствительных термодатчиков и точных электронных блоков, контролирующих изменения проводимости, сопротивления и электрического потенциала. Обычно их встраивают в общую систему мониторинга и оповещения, туда, где нужно отслеживать меняющиеся параметры и не допускать их превышения.

В котельных установках наибольшее применение получили термометры сопротивления медные (ТСМ). Термометрами сопротивления можно измерять температуры от -50 до +600°С.

Электронные термопары

При нагревании эти приборы генерируют ток, что и позволяет измерять температуру. Принцип действия основан на замерах термоэлектродвижущей силы. Диапазон измерений в этом случае — от 0 до +1800 градусов.

Манометрические

Такие термометры учитывают зависимость между температурными показателями и давлением газа. В измеряемую среду помещают термобаллон, соединенный с манометром латунной трубкой. При нагреве термобаллона давление внутри него увеличивается, и эта величина измеряется манометром. Таким образом проводят замеры температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов.

Бесконтактные пирометры

В основе этих приборов — инфракрасные датчики, считывающие уровень излучения. Они подразделяются на два вида: яркостные, проводящие измерения излучений на определенной длине волны (диапазон — от +100 до +6000 градусов), и радиационные, когда определяется тепловое действие лучеиспускания (от -50 до +2000 градусов). Они могут использоваться в том числе и для определения температуры нагретого металла, а также при наладке и испытаниях котлов.

Виды термометров по используемым материалам

Здесь различают 7 категорий:

  1. Жидкостные. Представляют собой корпус, заполненный жидкостью, которая подвержена температурному расширению. Колба с жидкостью прикладывается к шкале. При нагреве жидкость расширяется, и столбик растет, а при охлаждении — наоборот, сжимается (уменьшается). Погрешность измерений такими приборами составляет менее 0,1 градуса.
  2. Газовые. Принцип действия — тот же, что и у жидкостных, но в качестве заполнителя для колбы выбирается инертный газ. Это позволяет существенно увеличить температурный диапазон измерения (если для жидкостных предел — +600 градусов, то для газовых — +1000 градусов). С их помощью можно измерять температуру в различных раскаленных жидких средах.
  3. Механические. В основе действия — принцип деформации металлической спирали. Часто эти термометры комплектуются стрелочным “дисплеем”. Устанавливаются в спецтехнике, автомобилях, на автоматизированных линиях. Нечувствительны к ударам.
  4. Электрические. Работают, измеряя уровень сопротивления проводника при разных температурных показателях. В качестве проводника могут использоваться разные металлы (например, медь или платина). Соответственно, и диапазон измерений таких устройств будет отличаться. Чаще всего такие модели применяются в лабораторных условиях.
  5. Термоэлектрические. В конструкции предусмотрено два проводника, проводящие замеры по физическому принципу на основе эффекта Зеебека. Эти устройства очень точные, работают с погрешностью до 0,01 градуса и подходят для высокоточных измерений в производственных процессах, когда рабочая температура превышает 1000 градусов.
  6. Волоконно-оптические. Чувствительные датчики из оптоволокна (оно натягивается и сжимается или растягивается при изменении температуры, а прибор фиксирует степень преломления проходящего луча света). Допустимый диапазон измерений — до +400 градусов, а погрешность — не более 0,1 градуса.
  7. Инфракрасные. Непосредственный контакт с измеряемым веществом не требуется: прибор генерирует инфракрасный луч, который направляется на изучаемую поверхность. Это современный вид бесконтактных термометров, которые работают с точностью до нескольких градусов и подходят для высокотемпературных измерений. С их помощью можно измерять даже температуру открытого пламени.

Компания «Измеркон» предлагает как разные виды термометров, так и комбинированные устройства, в том числе манометры-термометры или гигрометры-термометры для автономной работы с энергонезависимой памятью, обеспечивающей постоянную фиксацию результатов измерений.

Как работают термоэлектрические генераторы — Applied Thermoelectric Solutions LLC

Как работают термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой твердотельные полупроводниковые устройства, которые преобразуют разницу температур и тепловой поток в полезный источник постоянного тока. Полупроводниковые устройства термоэлектрического генератора используют эффект Зеебека для генерации напряжения. Это генерируемое напряжение управляет электрическим током и производит полезную мощность при нагрузке.

Модуль термоэлектрического генератора

Термоэлектрический генератор — это не то же самое, что термоэлектрический охладитель.(также известный как TEC, модуль Пельтье, охлаждающие чипы, твердотельное охлаждение)

Термоэлектрический охладитель работает в обратном направлении от термоэлектрического генератора. При подаче напряжения на термоэлектрический охладитель возникает электрический ток. Этот ток вызывает эффект Пельтье. Благодаря этому эффекту тепло перемещается с холодной стороны на горячую. Термоэлектрический охладитель также является твердотельным полупроводниковым устройством. Компоненты такие же, как у термоэлектрического генератора, но конструкция компонентов в большинстве случаев отличается.

В то время как термоэлектрические генераторы используются для производства энергии, термоэлектрические охладители (охладители Пельтье) используются для отвода или добавления тепла. Термоэлектрическое охлаждение имеет множество применений в охлаждении, нагреве, охлаждении, контроле температуры и управлении тепловым режимом.

Остальная часть этого поста посвящена термоэлектрическим генераторам.

Как термоэлектрический генератор использует эффект Зеебека?

Основным строительным блоком термоэлектрического генератора является термопара.Термопара состоит из одного полупроводника p-типа и одного полупроводника n-типа. Полупроводники соединены металлической полосой, которая электрически соединяет их последовательно. Полупроводники также известны как термоэлементы, кубики или гранулы.

Пара термоэлектрических генераторов Термоэлектрический генератор (гранулы, кости, полупроводники, термоэлементы)

Эффект Зеебека представляет собой прямое преобразование энергии тепла в потенциал напряжения. Эффект Зеебека возникает из-за движения носителей заряда внутри полупроводников.В легированных полупроводниках n-типа носителями заряда являются электроны, а в легированных полупроводниках p-типа носителями заряда являются дырки. Носители заряда диффундируют от горячей стороны полупроводника. Эта диффузия приводит к накоплению носителей заряда на одном конце. Это накопление заряда создает потенциал напряжения, который прямо пропорционален разности температур полупроводника.

Носители заряда термоэлектрических генераторов

Какие полупроводниковые материалы используются для термоэлектрических генераторов?

Три материала обычно используются для термоэлектрических генераторов.Этими материалами являются теллурид висмута (Bi2Te3), теллурид свинца (PbTe) и кремний-германий (SiGe). Какой материал использовать, зависит от характеристик источника тепла, холодоотвода и конструкции термоэлектрического генератора. Многие материалы для термоэлектрических генераторов в настоящее время проходят исследования, но не были коммерциализированы.

Теллурид висмута сурьмы (BiSbTe)

Что такое модуль термоэлектрического генератора?

Для создания модуля термоэлектрического генератора множество пар p-типа и n-типа соединяются электрически последовательно и/или параллельно для создания желаемого электрического тока и напряжения.Пары помещаются между двумя параллельными керамическими пластинами. Пластины обеспечивают жесткость конструкции, плоскую поверхность для монтажа и диэлектрический слой для предотвращения коротких замыканий.

Модуль термоэлектрического генератора

Кто открыл эффект Зеебека? Когда был открыт эффект Зеебека?

До недавнего времени считалось, что Томас Зеебек открыл явление, известное сегодня как эффект Зеебека. Сейчас считается, что Алессандро Вольта открыл эффект Зеебека за 27 лет до Томаса Зеебека.Открытие произошло за 224 года до написания этой статьи.

В 1794 году Алессандро Вольта провел эксперименты, придав железному стержню U-образную форму. Один конец стержня нагревали, опуская его в кипящую воду. Когда неравномерно нагретый стержень был электрически соединен с уже неживой лягушачьей лапкой, через лягушачью лапку пропускался ток, и мышцы сокращались. Считается, что это первая демонстрация эффекта Зеебека.

Алессандро Вольта

В 1821 году Томас Зеебек обнаружил, что при нагревании одного из соединений двух соединенных разнородных металлов вращается стрелка компаса в непосредственной близости.Первоначально это называлось термомагнитным эффектом. Позже было обнаружено, что напряжение и, следовательно, ток индуцируются нагревом перехода. Ток создавал магнитное поле по закону Ампера. Это индуцированное напряжение из-за нагрева перехода стало известно как эффект Зеебека.

How it Works and its Applications — Contemporary Science and Innovation Spring 2018

Томас Иоганн Зеебек, основатель эффекта Зеебека; Источник: thermoelectrics.caltech.edu

Краткая история термоэлектрики

При каждом обсуждении старых и новых появляющихся концепций, теорий и технологий в области STEM следует введение цифр, стоящих за ними.Томас Иоганн Зеебек, безусловно, не единственный ученый, оказавший длительное влияние на развитие термоэлектрических технологий, но он лишь один из многих, кто стал катализатором исследований этого источника энергии. В 1821 году Зеебек сделал открытие, что различные температуры способны перемещать магнит компаса. [1] Хотя первоначально он думал, что это вызвано магнетизмом, созданным разницей температур и «магнитным полем Земли», позже он обнаружил, что разница температур производит электрический потенциал (напряжение) , который может генерировать электрические ток в замкнутой цепи, теперь известный как Эффект Зеебека . [1]

Как термоэлектрические материалы генерируют электричество

По существу, термоэлектричество образуется при преобразовании тепла в энергию. Что делает материал способным создавать тепловое электричество, так это «как высокая электропроводность, так и низкая теплопроводность. [2] Чтобы упростить эту идею: электронов текут туда и обратно по так называемому температурному градиенту. [2]  Поскольку мы обычно знаем, что металл является хорошим проводником энергии , электроны, ответственные за создание термоэлектрической энергии, могут легко течь через металл.(ЦИТАТА 2) Теперь добавим следующий компонент, который представляет собой градиент температуры, о котором мы только что упомянули; Как вы думаете, что произойдет, если один конец металлической трубы нагреть, а другой оставить холодным? Это заставляет электроны двигаться от горячего конца трубы к холодному концу (ЦИТАТА 2). На рисунке ниже показано, как это выглядит.

Чтобы термоэлектрики установили температурный градиент, их теплопроводность должна быть низкой. Как вы можете видеть здесь, по мере того, как быстро движется больше электронов, создается электричество; Источник: AlphabetEnergy.com

Термоэлектрические модули: как они создают более эффективную энергию

Термоэлектрический модуль   является основным компонентом, производящим полезную энергию в качестве конечного продукта. Поскольку термоэлектрические модули должны производить постоянный поток энергии, они должны быть в состоянии поддерживать большой градиент энергии и содержать большое количество протонов, движущихся вперед и назад, чтобы производить полезную и надежную энергию. Термоэлектрические модули испытывают так называемую механическую усталость , что свидетельствует о том, что для производства термоэлектрической энергии также требуется много работы. [2]    Физический состав термоэлектрических моделей обеспечивает их уникальные свойства; он должен состоять из двух типов полупроводников , которые являются материалами, которые являются «промежуточными по электропроводности между проводником и изолятором». [3]   Один тип полупроводника является положительно заряженным или p-типа , а другой — отрицательно заряженным или n-типа . [4] Подобно тому, как термоэлектрические технологии нуждаются в балансе между горячей и холодной температурой с градиентом, необходимо поддерживать разницу между положительными и отрицательными полупроводниками. [4] На рисунке ниже показано, как могут выглядеть термоэлектрические модули. Обратите внимание на петли, через которые должна пройти энергия.

Стрелки показывают движение протонов вперед и назад, которые продолжают производство энергии. Источник: Alphaenergy.com

Где используется термоэлектричество

Термоэлектричество используется в различных технологиях во многих сферах нашей жизни, от лабораторных установок до военных и телекоммуникаций. Эта энергия используется для питания многих вещей, с которыми мы знакомы. [5]  Термоэлектрические модули обычно используются в ПК с жидкостным охлаждением. Если у вас есть компьютер любой марки, вам может быть знаком звук вентилятора после того, как вы использовали компьютер в течение длительного периода времени или только что закончили загрузку нового программного обеспечения. Чтобы компьютер не перегревался, используется жидкостное охлаждение. [6]  Возможно, вам интересно, почему часть дорогостоящей технологии использует воду для охлаждения, но подумайте на секунду о том, как автомобилям нужен антифриз, чтобы поддерживать их эффективную работу в зимние месяцы — это аналогичная идея. .Обе части используют термодинамику , которую вы, возможно, помните как идею о том, что тепло перемещается из теплых областей в более холодные области. Когда этот процесс имеет место, он охлаждает компьютер или автомобиль. Аналогичным применением термоэлектрических охладителей являются водяные охладители и осушители   [5] Можете ли вы назвать какие-либо другие способы использования термоэлектричества или термоэлектрических охладителей? Конечно, когда Томас Зеебек сделал свое первое открытие в 1800-х годах, он не предвидел применения этих концепций ко многим вещам, которые мы используем сегодня.

 

Источники:

  1. Краткая история термоэлектрики. История термоэлектрики. [по состоянию на 28 февраля 2018 г.]. http://www.thermoelectrics.caltech.edu/thermoelectrics/history.html
  2. Как работают термоэлектрические генераторы. Энергия алфавита. [по состоянию на 28 февраля 2018 г.]. https://www.alphabetenergy.com/how-thermoelectrics-work/
  3. Редакторы Британской энциклопедии. Полупроводник. Британская энциклопедия. 2017 г., 28 декабря [по состоянию на 28 февраля 2018 г.]. https://www.britannica.com/science/semiconductor
  4. Как работают термоэлектрики? Мощность Практичная. [по состоянию на 28 февраля 2018 г.]. https://powerpractical.com/pages/how-do-thermoelectrics-work
  5. Термоэлектрический технический справочник . Ферротек. [по состоянию на 28 февраля 2018 г.]. https://thermal.ferrotec.com/technology/thermoelectric-reference-guide/thermalref03/
  6. Уилсон ТВ. Как работают ПК с жидкостным охлаждением. Как это работает. [по состоянию на 28 февраля 2018 г.]. https://computer.howstuffworks.com/liquid-cooled-pc.htm

 

 

 

 

Принцип, механизм и материалы » Наука ABC

Мы знаем, что генераторы используются для производства электроэнергии, и представление о генераторе, которое большинство из нас имеет в виду, состоит в том, что это огромные машины с магнитным полем и ротором , который прорезает его с помощью механических сил для создания электричество.Однако что, если я скажу вам, что для производства электроэнергии не всегда требуется машина с вращающимися частями? Давайте подробнее рассмотрим одно из таких устройств, широко известное как термоэлектрический генератор.

Горячая сторона термоэлектрического генератора (Фото: Gerardtv/Wikimedia Commons)


Рекомендуемое видео для вас:


Принцип

Термоэлектрический эффект представляет собой прямое преобразование тепла в электричество. Согласно закону Джоуля, проводник с током выделяет тепло, пропорциональное произведению сопротивления проводника на квадрат протекающего по нему тока.В 1820-х годах Томас Дж. Зеебек проверил этот закон, по-разному его интерпретировав. Он принес два разнородных металла где точки соприкосновения металлов имеют разную температуру. Он заметил, что между контактами возникает напряжение, пропорциональное разнице тепла. Ток, возникающий из-за разницы температур на стыке двух разных металлов, известен как  Эффект Зеебека .Эффект Зеебека создает измеряемые величины напряжения и тока.Плотность тока, генерируемого термоэлектрическим генератором, можно рассчитать по следующему уравнению.

Интенсивность электродвижущего поля можно рассчитать с помощью коэффициента Зеебека, который по своей природе уникален для каждого используемого материала, а дельта Т представляет собой градиент температуры. Другим эффектом , который помогает в описании термоэлектрического эффекта, является Эффект Пельтье .

Эффект Пельтье помогает описать рассеивание или поглощение тепла при соединении проводящих материалов.В зависимости от направления течения тока тепло либо рассеивается, либо поглощается этой точкой материала.

Механизм

Эффект Зеебека создает электрический ток, когда разнородные металлы подвергаются воздействию разницы температур. Применение эффекта Зеебека лежит в основе термоэлектрических генераторов (ТЭГ) или генераторов Зеебека, которые преобразуют тепло в энергию. Напряжение, создаваемое ТЭГ или генераторами Зеебека, пропорционально разности температур между двумя металлическими переходами.

Термоэлектрические генераторы представляют собой твердотельные тепловые двигатели, состоящие из двух первичных переходов, известных как элементы p-типа (с высокой концентрацией положительного заряда) и n-типа (с высокой концентрацией отрицательного заряда). Элементы p-типа легированы таким образом, чтобы иметь большое количество положительных зарядов или дырок, что дает им положительный коэффициент Зеебека. Элементы n-типа легированы, чтобы содержать высокую концентрацию отрицательного заряда или электронов , что придает им отрицательный коэффициент Зеебека.

Когда возникает электрическое соединение между элементом p-типа и элементом n-типа, для каждой дырки, которая мигрирует в материал n-типа, электрон из n-типа перемещается в материал p-типа.

Материалы

На сегодняшний день лишь очень немногие элементы идентифицированы как термоэлектрические материалы. Двумя важными термоэлектрическими материалами являются теллурид висмута (Bi 2Te 3) при комнатной температуре 9K (действующий как холодная сторона) и теллурид свинца (PbTe) с температурой от 500K до 600K (действующий как горячая сторона).Эти термоэлектрические материалы имеют метрику измерения, которая помогает оценить термоэлектрические свойства материала; эта мера известна как показатель качества. Показатель качества для теллурида висмута (Bi 2Te 3) и теллурида свинца (PbTe) равен единице при вышеупомянутых температурах. Чтобы быть жизнеспособным источником надежной мощности, добротность должна быть от 2 до 3.

Существует множество других факторов, которые также необходимо учитывать при выборе термоэлектрического материала. В идеале термоэлектрический материал должен иметь широкий температурный градиент.Если он не имеет большого температурного градиента, он будет подвержен тепловому напряжению, которое может привести к разрушению материала. Необходимо учитывать механические свойства материалов, а коэффициент теплового расширения материалов n-типа и p-типа должен быть достаточно хорошо подобран.

КПД генерации тока в термоэлектрическом генераторе составляет около 5-8%. Старые устройства были еще менее эффективны, так как в них использовались биметаллические соединения, что приводило к серьезным потерям мощности из-за нагревания.В более современных устройствах присутствует легированный полупроводниковый материал, такой как теллурид свинца (PbTe), теллурид висмута (Bi 2Te 3) и оксид кальция и марганца, или некоторая комбинация этих материалов.

Хотя термоэлектрическая энергия не может компенсировать основную мощность, в определенной степени полезно использовать скрытую энергию, теряемую в системе в виде тепла, в качестве полезной энергии. Хотя это может быть немного, немного энергии, подаваемой в течение длительного периода времени, может иметь большое значение!

Рекомендуемая литература

Конструкция, принцип работы и применение

Термоэлектрический генератор представляет собой устройство, в котором электрическая энергия производится непосредственно из тепловой энергии.Их также называют генераторами Зеебека, поскольку они использовали эффект Зеебека для производства энергии. На обычных электростанциях, таких как тепловые электростанции, атомные электростанции, топливо используется для нагрева воды. Как правило, в этом процессе сжигается уголь. После того, как вода начинает кипеть и превращается в пар под высоким давлением, этот пар используется для вращения турбины, и, следовательно, механическая энергия преобразуется в электрическую по закону электромагнитной индукции Флеминга. В этом процессе происходит двухступенчатое преобразование энергии, сначала тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.Из-за этого двухэтапного процесса эффективность всей системы снижается. Если мы сможем напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую, эффективность будет выше. В термоэлектрическом генераторе тепловая энергия напрямую преобразуется в электрическую энергию, что имеет большие экономические преимущества. В основе термоэлектрических генераторов лежит термоэлектрический принцип работы, основанный на градиенте температуры.

Что такое термоэлектрический генератор?

Определение: Это устройство преобразования энергии, в котором тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию.В основе термоэлектрического генератора лежит термоэлектрический эффект. В термоэлектрическом эффекте, основанном на градиенте температуры, электроны перемещаются из одного места в другое. Градиент температуры получается, когда существует разница в уровнях температуры между двумя точками.

Термоэлектрический генератор

Тепловая энергия, которая теряется на тепловых электростанциях, может быть использована для создания температурного градиента между двумя концами. При этом КПД термоэлектрического генератора увеличивается по сравнению с обычными генераторами.Самое лучшее в термоэлектрических генераторах то, что в них нет движущихся частей. При этом потери уменьшаются в геометрической прогрессии. Теория термоэлектрического генератора поясняется ниже.

Конструкция термоэлектрического генератора

Конструкция изготовлена ​​из полупроводниковых материалов для создания температурного градиента. Полупроводниковые материалы используются для формирования термопары, которая создает градиент температуры и создается разность потенциалов. Для этого полупроводникового устройства используются материалы как p-типа, так и n-типа.Металлические сплавы формируются с использованием этого полупроводникового устройства. Металлические сплавы, такие как Bi2Te3, Sb2Te3, используются для создания полупроводникового пути для потока зарядов.

Термоэлектрический генератор Рабочий

Как уже упоминалось, он работает на концепции эффекта Зеебека термоэлектрического эффекта. В эффекте Зеебека между двумя концами создается температурный градиент или разница температур. Когда создается температурный градиент, электроны перетекают с одного конца на другой. Электроны на высокотемпературном конце будут на высоких энергетических уровнях.Поэтому они начинают двигаться к другим концам.

Из-за движения электронов на двух концах создается разность потенциалов. Который формирует выходное постоянное напряжение. Для потока электронов используется подходящий материал, чтобы эффективность была выше. Материал должен иметь высокую электропроводность и низкую теплопроводность. Для этого используются металлические сплавы, изготовленные из полупроводниковых приборов. Эти металлические сплавы, соединенные таким образом, образуют термопару. Термоэлектрический генератор можно назвать набором термопар, соединенных вместе.

Теория

Термоэлектрический генератор работает по принципу термоэлектрического эффекта. Термоэлектрические эффекты означают, что с двух сторон генератора создается температурный градиент. Градиент температуры означает разницу уровней температуры. Например, если мы возьмем металлический стержень, и нагреем один конец, а другой конец охладим. Между двумя концами создается температурный градиент. Электроны, присутствующие на горячем конце, будут иметь более высокий энергетический уровень по сравнению с электронами, присутствующими на стороне холодного конца.Это означает, что горячие электроны будут пытаться двигаться к холодному концу из-за температурного градиента.

Конструкция термоэлектрического генератора

Из-за движения электронов горячий конец будет заряжаться положительно, а холодный конец — отрицательно. Поскольку электроны на обоих концах находятся на разных энергетических уровнях, они имеют тенденцию двигаться в каждую сторону с относительно разной скоростью. Электроны на стороне горячего конца будут двигаться быстрее и создавать разность потенциалов между двумя концами.Создание разности потенциалов из-за градиента температуры в двух точках определяется как термоэлектрический эффект. Тот же принцип используется в термоэлектрических генераторах.

Конструкция термоэлектрического генератора

Для создания температурного градиента горячие электроны должны течь от одного конца к другому без использования какого-либо внешнего материала. Например, мы не можем соединить два провода между термоэлектрическими генераторами, чтобы протекал ток. Следовательно, теперь видно, что материал, используемый для термоэлектрического генератора, должен иметь высокую электропроводность и низкую теплопроводность.

При повышении температуры электроны не должны двигаться быстро. В идеале для создания таких термоэлектрических генераторов используются полупроводники, обладающие высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью. Используя полупроводники, эффект Зеебека или термоэлектрические эффекты используются для создания температурного градиента. Это устройство или когда полупроводники соединены вместе, образуя генератор, называется термопарой.

Блок-схема

Блок-схема термоэлектрического генератора показана на схеме.Вход в генератор представляет собой отработанное тепло, или также называемое потерями тепла. Эти потери тепла также могут быть получены от автомобилей или других источников выработки энергии. Эта потеря тепла создает температурный градиент. При подаче на вход термоэлектрического генератора на основе эффекта Зеебека вырабатывается мощность постоянного тока. Энергия постоянного тока может быть дополнительно преобразована в переменный ток с помощью схемы инвертора.

Блок-схема

В современных гибридных автомобилях эта мощность постоянного тока преобразуется в переменную мощность постоянного тока и подается на другие нагрузки, такие как кондиционер, освещение и т. д.Для этого преобразователя используется устройство типа чоппера. Для рассеивания потерь на стороне генератора используется радиатор. Для устройств с высоким рейтингом также требуются вентиляторы для отвода тепла.

Принцип работы

Принцип работы термоэлектрического генератора заключается в том, что он работает на концепции термоэлектрического эффекта или эффекта Зеебека. Согласно этому эффекту, когда между двумя концами создается градиент температуры, электроны начинают течь от одного конца к другому и создают разность потенциалов.Для создания температурного градиента необходимо использовать термопарные устройства. Устройства термопары в основном полупроводниковые устройства, которые имеют высокую электропроводность и низкую теплопроводность. Для этого используются свойства полупроводниковых приборов.

Как правило, у них есть четыре валентных электрона на внешней орбите. Таким образом, они могут быть как p-типа, так и n-типа. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны. Их еще называют донорами.В полупроводниках p-типа большинство носителей заряда являются дырками. Дырки также называют отсутствием электронов. Материал р-типа также называют акцепторами. Таким образом, когда материал p-типа и n-типа соединен надлежащим образом и создается температурный градиент, он образует разность потенциалов в двух точках. Из-за чего электроны начинают течь с одного конца на другой. Это создает термоэлектрический генератор. По этому принципу создается перепад температур термоэлектрического генератора.

Уравнение эффективности термоэлектрического генератора

Эффективность термоэлектрического генератора определяется как отношение выходной мощности к входной мощности. С точки зрения устройства это можно определить как

, где это температура источника, а Tc температура стока. T — среднее значение температуры на этих двух концах. Z определяется как

, где «s» — коэффициент Зеебека, сигма — электрическая проводимость, а гамма — теплопроводность. На основании вышеизложенного оценивается константа Z и рассчитывается эффективность.Можно отметить, что КПД генератора основан исключительно на перепаде температур и не зависит от внешних факторов.

Различные типы

Классификация термоэлектрических генераторов зависит от способа производства входного тепла. Различные типы термоэлектрических генераторов :

  • Генераторы на ископаемом топливе — В этом типе тепло вырабатывается путем сжигания ископаемого топлива. Ископаемое топливо, используемое для этой цели, — это природный газ, пропан, бутан и т. Д.Его мощность составляет от 10 Вт до 100 Вт.
  • Солнечные генераторы – В этом типе тепло производится с использованием солнечной энергии.
  • Генераторы на ядерном топливе — В этом типе ядерная энергия используется для подачи тепла. Его номинальная мощность высока по сравнению с другими генераторами. Может достигать 1000 Вт.

Преимущества и недостатки

К преимуществам термоэлектрических генераторов относятся следующие.

  • Экономичный
  •  Утилизирует отработанное тепло
  • Надежный источник энергии
  • Более низкая стоимость производства

К недостаткам термоэлектрических генераторов относятся следующие.

  • Низкий КПД
  • Ограниченное применение
  • Требуется постоянный источник тепла
  • Энергия не может накапливаться

    • Электроника
    • Космические приложения
    • Возобновляемые источники энергии
    • Газопроводы
    • Радиосвязь

    Итак, это все обзор термоэлектрического генератора.Таким образом, мы увидели принцип работы и особенности конструкции термоэлектрического генератора. Одним из основных недостатков является ограниченное количество приложений. Следует подумать, как, используя выходное напряжение термоэлектрического генератора, его можно в дальнейшем использовать для большего количества применений. Конечно, это требует большего количества операций преобразователя и сложной конструкции.

    Термоэлектрический прибор

    — Студенты | Britannica Kids

    Будь то питание космического корабля «Кассини» во время его полета к Сатурну или охлаждение плазмы крови во время хранения, термоэлектрические устройства используют важное качество энергии — ее можно преобразовать из одной формы в другую.Такие устройства преобразуют тепло непосредственно в электричество для освещения или работы электрооборудования или, поскольку термоэлектрическое преобразование является обратимым, преобразуют электрическую энергию в тепловую для нагрева или охлаждения.

    Первым полезным термоэлектрическим устройством была термопара, прибор, измеряющий температуру с высокой точностью. Его действие основано на термоэлектрическом явлении, известном как эффект Зеебека. В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек соединил полоски двух разных проводящих материалов в петлю.Когда он нагревал один из спаев контура, поток тепла от более горячего спая к более холодному создавал электрический ток. В термопаре один из спаев помещается туда, где должна быть измерена температура, а другой поддерживается при известной более низкой температуре. Возникающая в результате небольшая разница в электрическом напряжении на двух переходах примерно пропорциональна разнице в их температурах.

    Еще одно важное термоэлектрическое явление — по существу обратное эффекту Зеебека — было открыто в 1834 г. французским физиком Жаном Пельтье.Когда Пельтье пропускал электрический ток по замкнутой цепи из двух разных проводников, один из спаев охлаждался, а другой нагревался. Термоэлектрические холодильные системы используют это свойство, которое называется эффектом Пельтье.

    Однако ни Зеебек, ни Пельтье полностью не понимали, как работают эти явления, и только в 1855 году кто-либо осознал взаимосвязь между ними. Английский физик Уильям Томсон (впоследствии лорд Кельвин) установил связь между двумя эффектами и открыл третий.Он обнаружил, что тепло выделяется при протекании электрического тока по одному проводнику, в котором температура изменяется по его длине.

    Хотя открытия Томсона продвинули понимание термоэлектричества, в то время было возможно лишь несколько практических применений, кроме термопары. Примерно с 1885 г., когда потребность в источниках электроэнергии возросла, ученые начали целенаправленное изучение термоэлектричества. Примерно в 1910 году они начали проектировать термоэлектрические генераторы.Тем не менее, они были поставлены в тупик из-за отсутствия подходящего проводящего материала; металлы, единственные доступные тогда проводники, могли производить только очень неэффективное оборудование. Растущее понимание полупроводников привело к разработке в 1950-х годах термоэлектрических генераторов энергии и систем охлаждения, которые были достаточно эффективны, чтобы их можно было использовать в особых ситуациях.

    Термоэлектрические устройства теперь имеют множество применений. Термоэлектрические генераторы можно сделать компактными и износостойкими.Они подходят для удаленного управления оборудованием с умеренными требованиями к электропитанию, например, на арктических метеостанциях или навигационных буях. Поскольку термоэлектрические генераторы относительно нечувствительны к ядерному излучению, они хорошо сочетаются с радиоизотопами, при распаде которых выделяется тепло в течение длительного времени. Такие устройства на ядерном топливе преобразуют тепло в электроэнергию для спутников и других космических аппаратов, инструментов для сбора данных глубоко в океанах и кардиостимуляторов.

    Все еще практичные в измерении и контроле температуры, термопары используются в научных лабораториях и в труднодоступных или опасных местах, таких как печи.Гораздо более недавнее изобретение, переносной термоэлектрический обогреватель, согревает солдат в полевых условиях. Некоторое электронное оборудование содержит термоэлектрические охладители для повышения производительности. Другие приложения включают охладители, которые сохраняют медицинские продукты, такие как антибиотики, и холодильники, достаточно тихие, чтобы их можно было использовать на борту атомных подводных лодок.

    Термоэлектрический генератор противопоставляет солнечное тепло и космический холод

    Инженеры Японского национального института материаловедения (NIMS) разработали новый тип термоэлектрического генератора, который вырабатывает электрический ток за счет температурного градиента.Поглощая солнечное тепло на одной поверхности и излучая его на другой, устройство может вырабатывать электричество днем ​​и ночью.

    Основной принцип физики заключается в том, что тепло передается от более горячих объектов к более холодным. К этому подключаются термоэлектрические генераторы, где градиент температуры между двумя поверхностями заставляет электроны двигаться от более теплой к более холодной, тем самым создавая электрический ток. Это называется эффектом Зеебека, и теоретически эти термоэлектрические материалы, краски и генераторы могут быть использованы для переработки отработанного тепла практически из любого места, например, из двигателей, выхлопных труб, электростанций и даже одежды или кухонной посуды.

    В новом исследовании исследователи NIMS разработали термоэлектрический генератор на солнечной энергии, основанный на разновидности принципа, называемого спиновым эффектом Зеебека. В этом случае ток возникает из потока спинов электронов, создаваемых магнитными материалами в каждом электроде.

    Новый дизайн состоит из четырех слоев, каждый из которых выполняет важную функцию. Два верхних слоя прозрачны, что позволяет солнечному свету проходить к двум нижним слоям, которые его поглощают. Это означает, что верхний слой остается прохладным, нижний — теплым, а два средних слоя генерируют электричество за счет возникающего температурного градиента.

    Основной фактор, ограничивающий полезность термоэлектрических генераторов, заключается в том, что холодная сторона не может избавиться от тепла достаточно быстро, поэтому температурный градиент выравнивается. Новое устройство решает эту проблему, выпуская избыточное тепло прямо в космос. Это благодаря самому верхнему слою, парамагнетику из гадолиний-галлиевого граната (GGG), который излучает инфракрасное излучение, проходящее прямо через атмосферу.

    Второй слой представляет собой ферромагнетик из железо-иттриевого граната, создающий спиновый ток за счет градиента температуры.Третий нижний слой представляет собой парамагнетик из платины, который преобразует этот спиновой ток в полезное напряжение. И последний слой покрыт черной краской, которая поглощает солнечный свет и удерживает тепло.

    Команда говорит, что такая конструкция позволяет устройству продолжать вырабатывать электроэнергию днем ​​и ночью, так как нижние слои некоторое время сохраняют тепло. Инженеры говорят, что лучше всего он работает в ясную погоду, потому что облака могут блокировать выход инфракрасного излучения.

    Тем не менее, они признают, что эффективность текущей версии все еще довольно низкая.Они планируют улучшить это, изменив дизайн и материалы.

    Исследование было опубликовано в журнале Science and Technology of Advanced Materials .

    Источник: NIMS через Asia Research News

    Термоэлектрические устройства превращают отработанное тепло в электричество для транспортных средств и других машин

    На этом изображении показана внутренняя часть модуля TEG компании GMZ Energy. Когда отработанное тепло попадает в верхнюю часть модуля и проходит через полупроводниковый материал (обозначенный здесь как P и N) к более холодной стороне, возникающая разница температур создает напряжение, которое извлекается в виде электричества.Кредит: Скриншот из видео GMZ Energy

    Подсчитано, что более половины энергии в США — например, от транспортных средств и тяжелой техники — тратится впустую в виде тепла. В основном это отработанное тепло просто уходит в воздух. Но это начинает меняться благодаря новаторам в области термоэлектричества, таким как Ган Чен из Массачусетского технологического института.

    Термоэлектрические материалы преобразуют разницу температур в электрическое напряжение.Около десяти лет назад Чен, профессор энергетики Карла Ричарда Содерберга и глава факультета машиностроения Массачусетского технологического института, использовал нанотехнологии для реструктуризации и резкого повышения эффективности одного из таких материалов, проложив путь к более экономичным термоэлектрическим устройствам.

    Используя этот метод, компания GMZ Energy, соучредителем которой являются Чен и его соавтор Чжифэн Рен из Университета Хьюстона, создала термоэлектрический генератор (ТЭГ) — модуль толщиной в один квадратный дюйм и четверть дюйма, который превращает отработанное тепло, выделяемое транспортными средствами, в электричество, чтобы обеспечить этим транспортным средствам дополнительную мощность.

    «Все признают огромный потенциал отработанного тепла, но проблема всегда заключалась в том, что немногие серьезно задумываются о системах, которые могут превращать это тепло в энергию», — говорит Чен. «Это не просто отработанное тепло, это потерянный потенциал для выполнения полезной работы».

    В ТЭГ электричество вырабатывается, когда тепло поступает в верхнюю часть модуля, а затем проходит через полупроводниковый материал, упакованный в ТЭГ, к более холодной стороне. Результирующее движение электронов в полупроводнике при этой разнице температур создает напряжение, которое извлекается в виде электричества.

    Однако во многих ТЭГ колебания атомов в материале также могут привести к утечке тепла с горячей стороны на холодную. Метод GMZ существенно замедляет утечку тепла, что приводит к увеличению производительности на 30-60% для многих термоэлектрических материалов.

    ТЭГ компании может выдерживать температуру около 600 градусов Цельсия на горячей стороне (верхняя поверхность) и поддерживать температуру 100 градусов Цельсия на холодной стороне (нижняя поверхность). При таком градиенте 500°С модуль площадью 4 квадратных сантиметра может дать 7.2 ватта мощности. Например, установленная рядом с выхлопной трубой автомобиля, это преобразованное электричество может питать электрические компоненты автомобиля, существенно снижая нагрузку на генератор автомобиля, снижая затраты на топливо и общие выбросы.

    В июне ГМЗ успешно выработал 200 ватт от более крупного ТЭГ за 1 доллар.5 миллионов программа поддержана Министерством энергетики США (DOE). Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге интегрировать несколько 200-ваттных ТЭГ в боевую машину Bradley, американский военный танк, для производства 1000 ватт, помогая сэкономить на топливе, потребляемом на поле боя, которое может стоить 40 долларов за галлон.

    ГМЗ также работает в рамках еще одного гранта Министерства энергетики США в размере 9 миллионов долларов в рамках программы по улучшению топливной экономичности легковых автомобилей на 25 процентов. ГМЗ планирует вскоре применить свои ТЭГ к автомобилям с целью повышения эффективности на 5 процентов.

    Десятилетия создания

    Концепция термоэлектричества восходит к 1821 году. Первоначально названный эффектом Зеебека в честь его первооткрывателя Томаса Зеебека, он происходит от нагревания одного конца проводящего материала — например, полупроводника — для того, чтобы заставить электроны двигаться к более холодному концу, производя электрический ток. Подача тока к материалу, в свою очередь, переносит тепло от горячего конца к холодному.

    Термоэлектрические технологии набрали обороты в 1950-х годах, когда компании и исследовательские лаборатории начали финансировать проекты по внедрению технологии в реальные приложения.Хотя эти усилия привели к нишевым применениям в холодильной технике и датчиках, крупномасштабные приложения не материализовались, потому что термоэлектрические материалы заведомо неэффективны: хотя эти материалы хорошо проводят электричество, они также хорошо проводят тепло, поэтому они быстро выравнивают температуру, что приводит к низкий КПД.

    Поле оставалось в застое десятилетиями. Затем, в 1990-х годах, исследователи, в том числе почетный профессор института Милдред Дрессельхаус из Массачусетского технологического института, начали использовать нанотехнологии для изменения структуры термоэлектрических материалов для повышения эффективности.

    Чен поступил в Массачусетский технологический институт в 2001 году после четырехлетнего исследования тонких пленок и термоэлектрики на основе нанопроволоки в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, в том числе в рамках дистанционного сотрудничества с Dresselhaus. В Массачусетском технологическом институте он продолжил сотрудничество с Dresselhaus и пригласил Рена, эксперта по материалам, для разработки новых материалов.

    Затем, в 2008 году, Чен, Рен и Дрессельхаус достигли еще одной важной вехи: они добились 40-процентного повышения эффективности теллурида висмута-сурьмы — материалов, используемых в термоэлектрических охладителях — с помощью недорогого процесса.

    Как описано в научной статье того же года, Чен и его команда измельчили материал в наноскопическую пыль и воссоздали ее в объемной форме — с зернами и неровностями, которые резко замедляли прохождение фононов через материал. (Фононы, квантовая мода вибрации, являются основным средством теплопроводности.) Это сдерживало утечку тепла, обеспечивая при этом свободный поток электронов.

    Использование экономичного и безопасного сплава в объемной форме означало, что этот материал можно применять в различных областях.И Чен увидел, что метод — «теперь широко используемый во всем мире», — говорит он, — созрел для коммерциализации. «С термоэлектричеством вы всегда проводите исследования для потенциального применения», — говорит он. «Как только материал был хорош, пришло время двигаться».

    Миру «нужно устройство»

    Чтобы создать стартап, Чен черпал вдохновение в предпринимательской экосистеме Массачусетского технологического института. «Ты как бы чувствуешь это», — говорит он. «Вы слышите и видите, что делают другие люди, и вы вдохновляетесь.(Теперь, по его словам, он стал частью этой экосистемы, «направляя студентов, которые хотят основать компанию».)

    После своего открытия Чен и Рен запустили GMZ из гаража в Уолтеме, штат Массачусетс, с общей целью разработки и коммерциализации своих материалов.

    «Но мы были немного наивны», — говорит Чен. «Оказывается, поскольку рынок термоэлектрических изделий невелик, на нем нет крупных покупателей. Мы поняли, что мир материалов — это не только материалы. Ему нужно устройство».

    Три года спустя у них появились реальные продукты, которые они могли предложить инвесторам: устройство, которое могло получать электроэнергию от солнечных водонагревателей, и ранняя версия текущего модуля ТЭГ.Им удалось собрать 7 миллионов долларов в первом раунде финансирования и 18 миллионов долларов через несколько месяцев.

    Но проблемы остались. Поскольку на рынке не было аналогичного продукта, они прошли через годы проб и ошибок; выбор материалов, например, является сложной задачей, потому что в термоэлектрических приложениях используется много типов материалов и множество источников тепла. «[Эффективность] материала зависит от температуры, с которой вы сталкиваетесь», — объясняет Чен. «Поэтому вам нужно смотреть на температуру источника тепла и на то, какой материал соответствует этому температурному диапазону.

    Для своих коммерческих модулей ТЭГ, которые компания начала производить примерно в 2011 году, ГМЗ остановился на полугейслеровских материалах, сплаве с прочной кристаллической структурой, обеспечивающей большую стабильность при высоких температурах. Но у компании есть планы на будущее в отношении других материалов: теллурида висмута, теллурида свинца, минеральных скуттерудитов и кремний-германия.

    Помимо стимула для развития компании, разработка ТЭГ способствовала развитию всего рынка, говорит Чен: «Термоэлектрики нельзя увидеть.Это не так известно, как батарея или фотоэлектрический элемент. Вся отрасль нуждается в успешных продуктах на рынке, чтобы поддерживать, вдохновлять и стимулировать инновации. Это действительно миссия для людей, работающих над этим.»

    В конечном счете, Чен считает GMZ большим шагом на пути к своей цели — созданию более энергоэффективного мира. «Большая часть моих исследований в Массачусетском технологическом институте посвящена энергии, — говорит он. «Мотивация для меня действительно заключается в том, чтобы перенести это фундаментальное исследование в реальный мир. Я очень горжусь этим».


    Разгадка тайны термоэлектричества
    Дополнительная информация: гмзэнергия.ком/ Предоставлено Массачусетский Технологический Институт

    Эта история переиздана с любезного разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, на котором публикуются новости об исследованиях, инновациях и преподавании Массачусетского технологического института.

    Цитата : Термоэлектрические устройства превращают отработанное тепло в электричество для транспортных средств и других машин (2014, 11 августа) получено 4 апреля 2022 г.

0 comments on “Как устроен термоэлектрический прибор: Термоэлектрический прибор — это… Что такое Термоэлектрический прибор?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.