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].
