Стартовая >> Книги >> Учеба >> Очерки развития термоэлектричества

Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения - Очерки развития термоэлектричества

Оглавление
Очерки развития термоэлектричества
Открытие основных термоэлектрических эффектов
Основные направления термоэлектричества
Связь термоэлектричества с другими научно-техническими направлениями
Феноменологическая теория
Гальванотермомагнитные эффекты
Современное состояние теории термоэлектрических явлений
Микроскопическая теория термоэлектрических явлений
История развития термоэлектрического материаловедения
Современное состояние термоэлектрического материаловедения
История термоэлектрической энергетики
Современное состояние термоэлектрической энергетики
Солнечные термогенераторы
Радиоизотопные термогенераторы
Термогенераторы с другими источниками тепла
История развития термоэлектрического охлаждения
Современное состояние термоэлектрического охлаждения
История развития термоэлектрической термометрии
Области применения термопар
Технические возможности термопар
Влияние внешних магнитных полей
Термоэлектрическая нестабильность термопар
Низкотемпературные термопары
Среднетемпературные измерения
Инерционность термопар, микротермопары
Тонкопленочные термопары
История развития термоэлектрических приемников излучения
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития электроизмерительных преобразователей
Современное состояние в области термоэлектрических приемников излучения
История развития термоэлектрической микрокалориметрии
Современное состояние микрокалориметрии
Термоэлектрическая теплометрия
Термоэлектромеханические преобразователи
Другие термоэлектрические приборы
Список сокращенных названий институтов, литературы

В настоящее время термоэлектрические преобразователи для измерения электрических величин представляют собой самостоятельное направление практического применения термоэлектричества.
Для рациональной и экономичной эксплуатации высокочастотного энергооборудования, для разработки установок широкочастотного диапазона (от нескольких герц до нескольких мегагерц), предназначенных для различных технических целей и научно-исследовательских работ, были необходимы приборы, позволяющие производить точные измерения основных электрических величин переменного тока в пределах от долей микроампер до нескольких тысяч ампер.

Таким образом, конец 40-х годов можно считать началом нового периода развития электроизмерительной техники, причем в отличие от первых этапов ее развития, когда наиболее высокая точность требовалась только для целей поверки различных электроизмерительных приборов, в это время высокоточные электроизмерительные приборы стали интенсивно внедряться в промышленную практику.
Наиболее точными электроизмерительными приборами переменного тока (класса 0,1—0,2), как известно, являются приборы электродинамической и электромагнитной систем, однако они могут быть использованы только в узком диапазоне частот. Но те приборы, которые могут обеспечить измерения до частот порядка мегагерц, а именно, электростатические, ламповые и термоэлектрические, чаще всего имеют класс точности 1,0, так как характеризуются нестабильностью, приводящей к изменению их градуировки. Таким образом, перед специалистами в области электроизмерительной техники встала задача создания устройств, в которых широкий частотный диапазон органически бы сочетался с высокой точностью измерений.
Как показал анализ различных электроизмерительных систем, эти требования можно удовлетворить на базе термоэлектрических преобразователей, полувековой опыт эксплуатации которых также подтверждал реальность создания такого рода приборов. Работа в этом направлении легла в основу обширных исследований, проводимых с 1948 г. лабораторией электрических измерений ВНИИМ им. Д. И. Менделеева [19]. Их инициатором явился К. П. Широков. Большая заслуга в создании методов и комплексов уникальных и универсальных установок и приборов высокой точности для измерения силы тока, напряжения и мощности переменного тока и для поверок амперметров, вольтметров, ваттметров и трансформаторов тока при частотах от 50 Гц до 2 МГц принадлежит также А. Я. Безикович, Д. И. Зорину, М. С. Каяндер, Т. Б. Рождественской, А. М. Теплинскому и др. Они детально разработали теорию компараторов, методику расчета структурных узлов и определения погрешности измерений при различных условиях эксплуатации. Широков провел экспериментальное исследование влияния эффектов Пельтье и Томсона на характеристики термопреобразователя при различных полярностях постоянного тока и при переменном токе. Он определил, что эти эффекты вызывают асимметрию распределения температур вдоль нагревателя, и отмечал, Что снижение обусловленной этим эффектом погрешности можно обеспечить только при рациональном выборе материалов нагревателя и колодок термопреобразователя [19, 22].
Эксплуатационные характеристики термопреобразователей, изготовленных во ВНИИМ, подтвердили правильность теоретических воззрений Широкова. Оказалось, что у некоторых образцов вакуумных преобразователей для малых токов типов ТВБ-1, 2, 3 (рис. 8.3), имеющих чугунный нагреватель, изменение термо-ЭДС из-за полярности доходит до 1 %. У преобразователей ТВБ (типы от 4 до 9) с нихромовыми нагревателями изменение полярности вызывает меньшую погрешность. В воздушных преобразователях типа Т-110 (рис. 8.4), нагреватели которых выполнены из сплава золото—палладий— платина, погрешность асимметрии составляет не более 0,01 % [19].
Следует отметить, что если в 30—40-е годы многоэлементные термоэлектрические датчики вследствие конструктивных трудностей и высокой инерционности редко применялись в термопреобразователях, то исследования специалистов ВНИИМ, проведенные в 50-е годы, доказали целесообразность создания многоэлементных термоэлектрических преобразователей для практических целей, например, получение квадратичной характеристики преобразования в случае компарирования мощности. При компарировании тока или напряжения применение многоэлементных преобразователей может повысить их чувствительность.
В начале 60-х годов многоэлементные термопреобразователи типа ТЭМ-1, рассчитанные на номинальный ток 30 мА, стали выпускаться серийно. Отклонение вольтамперной характеристики от квадратичной составляло 0,03 %, а погрешность из-за асимметрии при постоянном токе — 0,02 %.
Улучшение характеристик воздушных многоэлементных термопреобразователей достигнуто в начале 70-х годов при изготовлении нагревателя и термобатареи из микропровода в стеклянной изоляции. В нашей стране разработаны преобразователи Т-200 с одним нагревателем и Т-201 с двумя нагревателями. Преобразователи рассчитаны на номинальный ток 30 мА, диапазон частот 40 Гц—20 кГц. Выходной сигнал составляет 15 мВ, квадратичность преобразования 0,03 % [3].
Как показали работы советских специалистов, влияние отклонения вольтамперной характеристики термопреобразователя от квадратичного закона может быть уменьшено не только использованием многоэлементных термопреобразователей, но и искусственными приемами, устраняющими необходимость строгой квадратичности преобразователей.

Рис. 8.3. Внешний вид термопреобразователя типа ТВБ [19].

Рис. 8.4. Внешний вид воздушного термопреобразователя Т-110 [19].

Один из таких приемов, предложенный М. И. Левиным, заключается в уравнивании при компарировании не разностей термо- ЭДС, а термо-ЭДС каждого из преобразователей в отдельности, при этом необходимость в квадратичности вольтамперной характеристики отпадает.
Дальнейшим развитием этого вопроса является «метод равных температур», предложенный В. С. Поповым (1958 г.) для измерения мощности и разработанный применительно к термоэлектрическому компаратору мощности А. Я. Безикович. Основное преимущество этого метода — независимость показаний от вида характеристик термопреобразователя и подогревного сопротивления [17].
С целью применения метода равных температур для поверки ваттметров, кроме многоэлементных термопреобразователей ТЭМ-1 с одним нагревателем, во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева были созданы аналогичные специальные термопреобразователи типа ТЭМ-2 с двумя нагревателями.
В разработках ВНИИМ особое внимание уделялось расширению пределов измерения термоэлектрических компараторов в сторону как больших, так и малых значений измеряемых величин. При необходимости компарирования больших значений тока и напряжения в качестве масштабных преобразователей применялись измерительные трансформаторы тока и напряжения, причем наиболее точные результаты достигались в схемах, в которых отсутствовал приемный преобразователь (набор шунтов, добавочные сопротивления), вторичный ток трансформатора тока или вторичное напряжение трансформатора напряжения были близки по значениям к номинальному току и напряжению применяемого преобразователя. Для переменных токов частоты 50 Гц этот способ давал погрешность измерения порядка нескольких сотых долей процента [21].
Известно, что термоэлектрические компараторы, предназначенные для различных целей, имеют много общих элементов, следовательно, их можно объединить в один универсальный компаратор, обеспечивающий точное измерение тока, напряжения и мощности. Впервые такие универсальные компараторы типа ТЭК для частот до 20 кГц созданы во ВНИИМ в 1954 г. под руководством К. П. Широкова. Следующей разработкой этого типа явилось создание термоэлектрического компаратора типа ТЭКМ А. Я. Безикович и Д. И. Зориным, что позволило выполнить комплексную установку для поверки амперметров, вольтметров и ваттметров. Пределы измерения установки по току 0,05—10 А, по напряжению 0,5—300 В, диапазону частот 50 Гц—20 кГц. Погрешности сравнения значений переменного и постоянного тока находятся в пределах ± (0,05—0,2) % во всем диапазоне частот [19].
Большая работа во ВНИИМ проводилась в направлении расширения области применения термоэлектрических преобразователей. Одной из таких разработок, выполненных в конце 60-х годов, явилось применение термопреобразователя в статических умножающих цепях — устройствах, основанных на использовании суммо-разностного метода с последующим квадратичным преобразованием. Эти установки легли в основу высокоточных термоэлектрических компараторов измерения мощности и устройств для измерения коэффициента мощности [8].
Бесконтактные термопреобразователи типа ТВБ используются в качестве простых и точных измерителей напряженности электромагнитного поля. Этот принцип реализуется, к примеру, в измерительной антенне с запоминающим устройством, разработанной в середине 70-х годов Μ. Е. Мелеховым [14].
Электрическое напряжение переменного тока является одной из важных физических величин, от точности измерения которой в значительной мере зависят результаты исследований в различных областях науки и техники, правильность ведения технологических процессов и качество продукции, выпускаемой предприятиями многих отраслей народного хозяйства. По мере развития научно-технического прогресса расширяется диапазон частот электрического напряжения и повышаются требования к точности и единообразию средств его измерения. В 1975 г. Госстандарт СССР утвердил разработанный во ВНИИМ Государственный специальный эталон напряжения переменного тока в диапазоне частот 20 — 3 · 107 Гц, который включает комплекс средств, в частности, набор из четырех эталонных низкочастотных термопреобразователей на номинальные напряжения 0,3, 1,3 и 10 В (20 Гц — 100 кГц); четыре эталонных высокочастотных термопреобразователя на эти же номинальные напряжения (100 кГц — 30 МГц). Термопреобразователи изготовлены на базе многоэлементных преобразователей [20]. В этом же году Госстандарт утвердил Государственный специальный эталон единицы напряженности электрического поля в диапазоне частот 30— 1000 МГц (электрическая составляющая электромагнитного поля). Эталон разработан во ВНИИФТГИ (Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений). Комплекс служит для метрологического обеспечения измерительной техники, предназначенной для определения параметров электромагнитного поля антенно-фидерных устройств и рассеивающих объектов, электромагнитной совместимости различных радиоэлектронных устройств. Основным элементом структурной схемы является эталонный измеритель напряженности, включающий термопреобразователь [4].
В США работа в области термоэлектрических электроизмерительных термопреобразователей с начала 50-х годов сосредоточена главным образом в НБС США. Большая роль в создании основ расчета и конструирования термоэлектрических электроизмерительных приборов принадлежит Ф. Хермачу [33]. Для приборов, разработанный в НБС до начала 70-х годов, характерно использование одноэлементных преобразователей с выходным сигналом, не превышающие 10 мВ [45]. В середине 70-х годов эти преобразователи стали заменяться более точными многоотводными преобразователями, состоящими из бифилярно намотанного провода нагревателя и 50— 500 последовательно соединенных термопар. Средняя погрешность преобразования этой группы устройств не превышает 3 · 10-7 на частоте 160 Гц и 5 · 10-7 для частот 30 Гц и 10 кГц [34].
Помимо НБС в США разработкой и выпуском термоэлектрических электроизмерительных термопреобразователей занимается большое число фирм и исследовательских организаций. Так, фирмой «Хьюлетт-Паккард» выпускаются термоэлектрические измерители радиочастотной мощности типа HP 435А с набором чувствительных сменных головок на диапазон частот от 100 кГц до 18 Гц и мощностей от 3 мкВт до 3,5 Вт [37]. В фирме «Дженерал микровейв» разработан прибор для измерения мощности микроволнового электромагнитного поля в пределах 0,2—200 мВт-см-2 и в диапазоне частот 0,3—18 Гц. Приемный элемент зонда-головки выполнен в виде двух прямоугольных, расположенных один против другого, тонкопленочных термопарных элементов, которые нагреваются высокочастотными токами, возникающими в головке под воздействием эффективной электрической компоненты поля [28].
Важное место в термоэлектрической электроизмерительной технике занимает обширный ряд приборов, выпускаемых серийно в ФРГ фирмами «Гартман унд Браун», «Сименс унд Гальске», «Филлипс» и в Австрии фирмой «Пауль Герц» [25]. В Японии получили распространение вакуумные термопреобразователи. Они содержат прямолинейный нагреватель и хромель-константановую термопару с выходным сигналом 8 мВ, рабочий спай которой изолирован от нагревателя стеклянной бусиной. Термопреобразователь служит для сравнения токов или напряжений [35].
В Великобритании к созданию многоэлементных термопреобразователей приступили раньше, чем в США. В 1965 г. в Национальной физической лаборатории Ф. Вилкинс разработал многоэлементный преобразователь с термобатареей, изготовленной путем осаждения меди на константановые проводники. В средине 70-х годов усовершенствованные термопреобразователи аналогичной конструкции позволяли производить высокоточные измерения на частотах до 50 кГц [46, 47].
Следует отметить, что многоэлементные преобразователи по ряду параметров превосходят одноэлементные термопреобразователи, однако наряду с усложненной конструкцией многоэлементные термопреобразователи обладают существенным недостатком, а именно невозможностью их применения при измерениях на высоких частотах вследствие больших емкостей, возникающих между нагревателем и термобатареей.
Исследования показали, что применение полупроводниковых термоэлементов при сохранении достоинств одноэлементных преобразователей позволяет использовать малые перепады температуры и совместить их с преимуществами многоэлементных термопреобразователей [38]. Однако большинству полупроводниковых материалов свойственна резкая зависимость параметров от температуры, а это недопустимо при измерениях электрических величин. Одним из путей устранения указанного недостатка, как отмечалось в гл. 3, является управление температурной зависимостью свойств полупроводников. На основе термостабилизированных полупроводниковых материалов Л. И. Анатычуком, С. А. Андрусяком, В. И. Боднаруком, С. А. Харитонюк и др. создан ряд дифференциальных термопреобразователей, чувствительность которых, как видно из табл. 8.1 [2], существенно выше, чем у лучших зарубежных приборов такого типа, но с другими материалами термопар.

Таблица 8.1. Параметры полупроводниковых термопреобразователей

Примечание. ЧГУ — Черновицкий государственный университет.

Более того, на некоторых экспериментальных образцах достигнута рекордная чувствительность 300 В-Вт-1, в то время как у полупроводниковых термопреобразователей, выпускаемых в США, она составляет 2,0—4,0 В-Вт-1 [2,5,6].
Высокочувствительные полупроводниковые термопреобразователи нашли свое применение не только в цифровых вольтметрах, амперметрах и мультиметрах переменного тока, но и в вычислительной технике, устройствах автоматики, информационно-измерительных системах. Особенно перспективно их использование при создании эталонных и образцовых средств метрологического обеспечения, а также средств передачи единиц хранения от государственных эталонов рабочим эталонам и мерам переменного тока.
В термопреобразователях, предназначенных для электроизмерительной техники, начинают находить применение анизотропные полупроводниковые термопары. В частности, в Кишиневском научно- исследовательском институте электроприборостроения в 1972 г. был разработан термопреобразователь, в котором термоэлектроды выполнены в форме остеклованных нитей из материала с анизотропной магнитотермо-ЭДС и размещены в зазоре постоянных магнитов, встроенных в корпус. Чувствительность повышается вследствие возрастания термо-ЭДС в магнитном поле [7].



 
« Оперативное управление в энергосистемах   Проектирование силового электрооборудования »
электрические сети