Юному фізику – експерименти з термоперетворювачами
Прилади з термоперетворенням призначені для роботи в ланцюгах змінного струму в діапазоні низьких та високих частот. Термоелектричний прилад (ТП) складається з нагрівача та термопари.
Перетворювач (рис. 1) являє собою нагрівач 1, по якому протікає вимірюваний струм, і пов'язану з ним термопару 2. Під час вимірювання температура місця з'єднання нагрівача і термопари набуває значення T1, а вільні кінці термопари мають температуру навколишнього простору Т2. Різниця температур викликає термоЕРС Ет = а(Т1-Т2), де а - коефіцієнт пропорційності, що залежить від матеріалу термопари та її конструкції. Внаслідок теплової інерції температура нагрівача, постійна і визначається розсіюваною на ньому потужністю. Запишемо такий вираз для термоЕРС,
де ат = aRн
а - коефіцієнт пропорційності; Rн - опір нагрівача; I - середньоквадратичне значення вимірюваного струму.
Нагрівач включають послідовно в розрив вимірюваного ланцюга, а термоЕРС, що виникає, вимірюють мікроамперметром, що працює як мілівольтметр. Шкалу останнього градують у середньоквадратичних значеннях вимірюваного струму.
У метрологічній практиці всіх країн найбільшого поширення набули вакуумні (безконтактні) термоелектричні одно, та багатоелементні перетворювачі струму. Гарячий спай у них відокремлений від нагрівача ізоляційною намистинкою. Їхня перевага полягає в конструктивній розв'язці термопари від нагрівача, внаслідок чого суттєво зменшується частотна похибка, оскільки проникнення струму ВЧ у ланцюг термопари практично відсутнє. Ці перетворювачі постійно удосконалюються.
В даний час найбільш широко використовують одноелементні вакуумні термоперетворювачі типів ТВБ-1 - ТВБ-7, які були розроблені та передані в серійне виробництво у 60-х роках. минулого століття і випускаються на окремі замовлення досі.
Наведем основні параметри для термоперетворювача ТВБ-5 з яким і будемо проводити експеримент:
Номінальний струм нагрівача – 30 мА
Номінальна ЕРС термопари, 12 мВ
Номінальна опір нагрівача, 13 Ом
Матеріал нагрівача - ніхром
До переваг термоелектричних приладів слід віднести незалежність показань від форми кривої вимірюваного струму. Термоперетворювачів можливо використати в схемах вольтметрів які працюють на частотах до 200 МГц.
Для експерименту з ТП не обов’язково подавати на нагрівач змінний струм – можливо подати і постійний струм, як це показано на рис. 1. Передбачено два варіанти струму через нагрівач ТП. Якщо ввімкнено тільки один резистор R1 (резистор R2 закорочений перемикачем SA2), то струм через нагрівач буде рівний U/(R2 + Rн) = 1,5/ (47 + 13) = 0,025 А, тобто 25 мА – при цьому мікроамперметр показує 22 мкА.
Якщо ввімкнено два резистора R1 і R2, то струм через нагрівач буде рівний U/(R1 + R2 + Rн) = 1,5/ (47 + 47 + 13) = 0,014 А, тобто 14 мА – при цьому мікроамперметр показує 5 мкА. Як видно з експерименту залежність показання ЕРС і величини струму в підігрівачі нелінійна.
На ПТ типу ТВБ-5 (на фото 1 під №1) вказано «+» і «-» це вихід термопари, а інші два виводи – це нагрівач. Виводи розміщені «навхрест».
