ГЛАВА 8
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
8.1. История развития
Праобразом термопреобразователя послужил созданный Пельтье термокрест. В 1884 г. Н. А. Гезехус предложил использовать этот термокрест в качестве прибора для измерения силы тока в цепи (рис. 8.1). Устройство Гезехуса содержало две шестипарные термобатареи из железной и нейзильберовой проволок, два свободных конца которых соединялись в последовательную или параллельную цепь. Два других конца служили электродами для соединения с испытуемым источником тока. Спаянные концы железный и нейзильберовых проволок вставлялись в резервуары воздушного дифференциального термометра. При пропускании электрического тока через термобатареи термометр регистрировал понижение температуры в одном ряду спаев и повышение ее в другом, причем изменение температуры было пропорционально силе тока в цепи.
Работу «амперметра, основанного на электротермическом явлении Пельтье», Гезехус продемонстрировал на заседании Санкт-Петербургского физического общества и опубликовал описание его конструкции и принципа действия в журнале «Электричество» [9J. Несмотря на то, что эта публикация осталась практически неизвестной в научно-технических кругах, работа Гезехуса представляет собой неоспоримое историческое свидетельство приоритета русской науки в области термоэлектрических электроизмерительных устройств.
Позднее были разработаны термоэлектрические приборы для измерения электрических величин с использованием эффекта Зеебе- ка. Для этого в конструкцию термопреобразователя был добавлен нагреватель. Сила измеряемого тока определялась по термо-ЭДС, возбуждаемой в термоэлектрической цепи теплотой, которая выделялась в нагревателе при прохождении через него измеряемого тока. Один из первых создателей такого типа устройства — немецкий физик И. Клеменчич (1891 г.) [13]. В конце XIX в. термоэлектрические преобразователи разрабатывали также П. Чермак, В. Фукс, А. Клейнер, Э. ван Аубель и Р. Пайе, В. Вин, Л. Троост [42]. Первые термоэлектрические электроизмерительные приборы в основном изготавливались из железа и константана. Для увеличения выходного сигнала, попадающего на электроизмерительный прибор электродинамической или магнитоэлектрической системы, С. Холден (1899 г.) предложил использовать термоэлектрические столбики из толстых висмутовых и сурьмянистых стержней, спаи которых нагревались измеряемым током, проходящим через проволочные спирали. Устройства такой конструкции выпускались фирмой «Чемберлен энд Хукхэм» [42].
Рис. 8.1. Термоэлектрический амперметр Гезехуса [9].
Рис. 8.2. Термоэлектрический прибор для измерения электрических колебаний Лебедева [13]:
1, 2 - резонаторы; 3 — термоэлемент; 4 — эбонитовая пластинка; 5 — гальванометр.
Большой вклад в развитие термоэлектрических электроизмерительных приборов внес Π. Н. Лебедев. Он изготовил ряд миниатюрных и точных приборов, предназначенных для исследования свойств электромагнитного излучения. В частности, для измерений электрических колебаний, возбуждаемых резонатором, он использовал оригинальный по конструкции термоэлемент в виде двух проходящих друг в друга петелек из очень тонких железной и константановой проволок (рис. 8.2). Надежный металлический контакт петелек обеспечивался натяжением упругих проволок, укрепленных в эбонитовой пластинке, посредством которых термоэлемент соединялся с высокочувствительным гальванометром. Опыты с резонаторами различных типов позволили Лебедеву получить электромагнитные волны в 100 раз более короткие (6 мм), чем это было достигнуто другими исследователями того времени. Кроме того, Лебедев установил, что электромагнитные волны, как и оптические, дают явление двойного лучепреломления при прохождении через двоякопреломляющий кристалл. Таким образом, работа Лебедева послужила веским подтверждением молодой в то время электромагнитной теории света.
Но главной заслугой Лебедева в области термоэлектричества явилась выдвинутая им в 1895 г. идея о повышении чувствительности термоэлектрических приборов в вакууме, которая положила начало
развитию отдельного направления в термоэлектрическом приборостроении — вакуумных термоэлементов [13].
В начале XX в., когда бурное развитие электротехники сделало актуальной проблему точных измерений переменного тока, появилось большое число работ, посвященных термоэлектрическим преобразователям. X. Брандес (1905, 1906 гг.) разработал термоэлектрическое измерительное устройство, в котором в качестве нагревателя применялись стеклянные трубочки, заполненные ртутью. Брандес показал, что чувствительность прибора, выполненного в вакуумном варианте, в 18 раз выше значения этого параметра для невакуумированной термопары [42]. Используя железо-константановые термопары с ветвями толщиной 0,02 мм, Брандес достиг точности измерения тока 2,1 X 10-3 К. Шмидт в 1909 г. сообщил о возможности дальнейшего повышения чувствительности до 10-6 А при использовании более тонких проволок и помещении термопар в тщательно вакуумированный объем [43].
Большую исследовательскую работу в области термоэлектрических преобразователей провел О. Кнопп. Он разработал теорию расчета чувствительности термопреобразователя, проанализировал обширный класс металлов, пригодных для этих целей, а также рассмотрел различные конструктивные особенности термопар [36].
Гартман, основатель широко известной фирмы по выпуску электроизмерительной аппаратуры «Гартман и Браун», изучил вопрос чувствительности термопреобразователя с проволочными ветвями в зависимости от толщины проволок и пришел к выводу, что величина порядка 10-6 А является предельной для такого типа приборов [43].
На порядок большей чувствительностью характеризовались термогальванометры В. Дудделя. Для измерения силы тока высокой частоты он предложил использовать микрорадиометр Бойса, т. е. зеркальный гальванометр, рамка которого, размещенная между полюсами магнита, образовывала термопару [24].
Термопреобразователь для измерения высокочастотных токов разработал в 1909 г. сотрудник лаборатории по созданию аппаратуры беспроволочного телеграфа военно-морских сил США Л. Остин. По своим конструктивным особенностям он принадлежал к преобразователям с непосредственным подогревом, т. е. к термопреобразователям, у которых нагреватель и термопара совмещены [27].
Трудности последовательного соединения термоэлементов с непосредственным подогревом, обусловленные наличием большого общего участка цепей измеряемого тока и термотока, были устранены в термопреобразователе, предложенном Шерингом. В этом устройстве одна из половин каждого термоэлемента имела две параллельно соединенные ветви, благодаря чему при симметричности образуемого этими ветвями четырехугольника сопротивления термоток не попадал во внешнюю цепь, а измеряемый ток не проникал в измеритель.
Усовершенствование термопреобразователей с непосредственным нагревом было осуществлено также И. Вертгейм-Саломсоном. Его мостовая схема обеспечивала возможность последовательного соединения любого числа термоэлементов, кратного четырем.
Следует отметить, что способ взаимосвязи входных и выходных цепей является одним из важных конструктивных признаков термопреобразователей. Помимо устройств с непосредственным подогревом существуют еще два обширных класса термопреобразователей, а именно, контактные и бесконтактные. К контактным термопреобразователям, в которых термопара имеет электрический контакт с нагревателем, можно отнести приборы американских исследователей А. Германа (1928 г.), С. Стека (1937 г.), Дж. Веста (1938 г.), О. Доу (1938 г.), Л. Негарда (1938 г.), Н. Кормана (1940 г.), Ф. Моулза (1942 г.), X. Бэнифора (1945 г.), В. Даунинга, Д. Эгглестона и Дж. Вандерлека (1948 г.) [30, 41, 44]. В частности, Негард разработал вакуумную термопару для измерения мощности сверхвысокой частоты. Преобразователь содержал вакуумный баллон, в котором находился нагреватель в виде спирали, причем для предотвращения потерь измеряемой мощности нагреватель помещался в металлическую трубку с хорошей теплопроводностью. Трубка снабжена направленным вниз фланцем, к которому подсоединялись проводники термопар.
В Германии в этот период созданию контактных термопреобразователей были посвящены работы X. Брукмана (1928 г.), И. Фишера (1931 г.), В. Бадера (1935 г.) [29]. В СССР интересные технические решения термоэлектрических преобразователей для электроизмерительной техники предложены М. Я. Рапопортом (1934 г.) и С. М. Мошковичем (1935 г.). Рапопорт разработал чувствительный термоэлемент для массового выпуска электроизмерительных приборов на основе легкодоступных и недорогих материалов. Для изготовления термоэлементов использовались две серебряные нити, на определенные участки которых наносились металлы, входящие в состав пары, например, висмут и сурьма [18].
В термопреобразователе Мошковича достигнуто хорошее приближение характеристики термоэлемента к прямолинейной, что позволило уменьшить неравномерность чувствительности прибора. С этой целью на место контакта термопары с нитью нагревателя наносилось вещество с повышенной излучательной способностью, например, сажа или тушь, что существенно увеличивало отвод тепла от горячего спая [15].
Бесконтактными термопреобразователями, в которых термоэлектрический датчик электроизолирован от нагревателя, являлись устройства В. Гудвина (1920 г.), Э. Масса (1935 г.), Л. Роде и Г. Шварца (1936 г.), К. Пьера (1938 г.), X. Томпсона (1938 г.), Г. Брауна и Дж. Эпстейна (1940 г.) [1, 31]. Интересное конструктивное решение бесконтактного термопреобразователя, обеспечивающее высокую чувствительность устройства, предложил В. И. Кудрявцев (1931г.). Особенностью его прибора явилось применение дополнительного независимого нагревателя, которым производился предварительный разогрев термопары. Таким образом достигалась большая равномерность шкалы, а также перевод преобразователя в режим, где вольтамперная характеристика ближе к линейной [12]. Эта идея получила развитие в устройстве И. Г. Черноморского (1939 г.) [26].
Термопреобразователи с многоэлементными датчиками также принадлежат к бесконтактным устройствам, причем они не могут быть выполнены по типу контактного, так как в этом случае все термопары батареи оказались бы накоротко замкнутыми нагревателем термопреобразователя. Многоэлементные термопреобразователи были разработаны В. Вильсоном и Т. Эппс (1920 г.), Дж. Гордоном (1925 г.), В. Моллем (1926 г.), В. Бредли и Г. Дейли (1943 г.) [40, 48]. Вильсон и Эппс не только детально разработали способ электроосаждения в применении к термоэлектрическим устройствам, но и впервые использовали его для изготовления многоэлементного термопреобразователя в виде моста Уитстоуна, плечи которого уравновешивались сопротивлением, а термо-ЭДС компенсировалась внешним источником питания.
Советский исследователь Р. Ф. Найхович (1949 г.) достиг повышения чувствительности за счет исключения необходимости применения электроизоляции между нагревателем и горячими спаями многоэлементной термопары. Он использовал трансформатор с первичной обмоткой, питаемой измеряемым током, и вторичными обмотками (по числу, равному количеству термопар), питающими нагревательные элементы отдельных термопар, соединенных в батарею [16].
Компенсационный способ измерения основных параметров постоянного и переменного токов, позволяющий уменьшить погрешности термоэлектрического преобразователя, предложен в 1915 г. сотрудником электротехнической лаборатории Екатеринославского горного института Г. Евреиновым [10]. В частности, Евреинов считал целесообразным использовать для этих целей дифференциальную схему — комбинацию из двух термогальванометров Дудделя или из двух термоэлементов (термобатарей), которые нагреваются двумя независимыми электрическими цепями.
Более детально компенсационные схемы для термопреобразователей разработаны в 1922—1936 гг. американским инженером В. Гудвином [32]. Он представил теорию расчета компенсационных термопреобразователей, а также рассмотрел несколько конкретных вариантов устройств такого типа.
Идеи Гудвина легли в основу разработки целого ряда термоэлектрических электроизмерительных устройств, выпускаемых известной американской фирмой «Вестон электрикал инструмент». В высокочастотных контактных термопреобразователях этой фирмы использовался нагреватель трубчатой формы, как это было предложено Дж. Миллером [39]. Такая конструкция позволяла существенно снизить погрешность, обусловленную изменением действующего сопротивления нагревателя термопары под влиянием скин-эффекта. Однако термопреобразователи типа Вестона характеризовались высокой погрешностью вследствие дополнительного нагрева горячего спая высокочастотным током, попадающим в термоэлектрическую цепь через контакт между нагревателем и термопарой [1].
Конструктивное развитие термоэлектрических преобразователей неразрывно связано с разработкой теоретических представлений. Особая заслуга в формировании теории расчета термоэлектрических устройств для электроизмерительной техники принадлежит советским исследователям Я. С. Авербуху, Р. Э. Альбрандту, В. Ф. Коваленко, Η. Н. Пономареву. Коваленко всесторонне изучил вопрос влияния вакуума на параметры термоэлемента [11]. Пономарев представил теорию расчета перегрузочной способности и коэффициента добротности электроизмерительных приборов термоэлектрической системы с учетом максимально допустимой температуры нагревателя и наиболее соответствующих термоэлектрических материалов для этих целей [23].
Альбрандт и Авербух подробно проанализировали основные причины, вызывающие погрешности термопар, использующихся на высоких частотах. Следует отметить, что попытка определения расчетным путем полной погрешности, обусловленной любыми причинами при использовании термоамперметра на радиочастотах, предпринята И. Станеком (1934 г.). Однако проведенная Альбрандтом годом позже проверка показаний термоприборов на различных частотах, а также расчетные данные Авербуха свидетельствовали о том, что данные, указанные Станеком, несколько преувеличены [1].
Опираясь на основные теоретические представления и методику расчета, советские инженеры разработали целый ряд электроизмерительных приборов термоэлектрической системы, которые в кратчайшие сроки получили промышленное освоение и стали широко применяться во многих отраслях народного хозяйства.
