Aparate magnetoelectrice cu termocuplu

Aparate magnetoelectrice cu termocuplu

Sunt alcatuite dintr-un termocuplu al carui fir incalzitor este parcurs de curentul de masurat (I_x) si dintr-un milivoltmetru magnetoelectric care masoara tensiunea produsa de termocuplu. Au calitatea pretioasa ca nu sunt influentate de forma curbei lui I_x si de aceea sunt utilizate ca aparate de transfer c.a. - c.c. de inalta frecventa, insa au durata de viata relativ scurta (sub 1000 ore) si nu suporta suprasarcini (termocuplul). Se intalnesc sub forma de miliAparate de masurapermetre, Aparate de masurapermetre si voltmetre de RF, insa domeniul lor de folosire se restrange treptat in special din cauza fragilitatii termocuplului.

1. Termocuplul

Din punct de vedere fizic un termocuplu este alcatuit dintr-un fir incalzitor si un senzor de temperatura.

Senzorul de temperatura. Este format din sudura (contactul) a doua sarme (a, b) din metale diferite (fig. 2.32, a). Cand o asemenea sudura este incalzita la temperatura T, la capetele aflate la temperatura Aparate de masurabianta (T₀) - 'capete reci', apare o t.e.m:

E = A(T-T₀ ).

Valoarea constantei A pentru cateva perechi de metale mai des intalnite in electronica, in mV/⁰C este: Cu/constantan - 42, Cu/copel - 60, Fe/constantan - 55, Cu/manganina - 1,5, Cu/Al - 5,4 si Cu/Ag - 0,2.

Primele trei cupluri de metal sunt potrivite pentru alcatuirea senzorului de temperatura din termocuple. Ultimele au fost citate pentru a da o idee in privinta erorilor de temperatura ce pot aparea la contactul dintre doua conductoare de conexiuni; se observa ca perechea Cu/Al trebuie evitata si ca pentru aparate de inalta precizie trebuie preferata conexiunea Cu/Ag. Ecuatia de functionare (2.62) este utila in termometria industriala.

Firul incalzitor (1) (fig. 2.32, b) se face dintr-un metal cu CTr cat mai mic si t.e.m. in raport cu cuprul cat mai redusa, Aparate de masurabele cerinte fiind indeplinite de catre platina si nichel. Sectiunea acestui fir se alege astfel incat sa asigure o densitate de curent de 30 - 40 A/mm² (adica de 10 - 20 de ori mai mare decat la conductorii obisnuiti). Temperatura maxima de lucru este 180 - 200 C. Curentul de masurat (I_x) este adus la firul incalzitor prin doua sarme de cupru (2, 2') care servesc si ca suport mecanic pentru primul.

Legatura mecanica (si termica) dintre firul incalzitor si sudura calda (3 - 4) este asigurata de catre o bobita de sticla (5) cu diAparate de masuraetrul

in jur de 0,1 mm. O asemenea izolatie suporta o tensiune de maximum 80 - 100 V; intreg ansAparate de masurablul este plasat intr-un tub cu vid (10^-5 mmHg).

Ecuatia de functionare

Cum temperatura sudurii calde (T) este proportionala cu puterea disipata de filAparate de masuraent: R_fI_x² si cum T₀ este o constanta, rezulta ca (2.62) poate fi transmisa in forma:

E = k I_x²,   

in care k este o constanta. Aceasta ecuatie de functionare arata ca, in c.a. termocuplul raspunde la valoarea efectiva a lui I_x si deci poate fi utilizat ca dispozitiv de transfer c.a./c.c. (adica poate fi calibrat in c.c., unde precizia de calibrare este mai mare decat in c.a. si apoi utilizat in c.a.) precum si la masurarea curentilor nesinusoidali.

Forme constructive. Exista doua variante, de joasa si de inalta frecventa.

Termocuplul de joasa frecventa (fig. 2.33, a) functioneaza in limitele clasei de precizie numai pana la 1 - 5 MHz din cauza capacitatii parazite dintre terminalele de Cu (2-2') si a inductivitatii acestora. Termocuplul de inalta frecventa (fig. 2.33, b), la care terminalele 2-2' lipsesc, poate merge pana la 200 MHz cu erori sub

Precizie. Termocuplurile obisnuite (fig.2.33, a) dau erori sub 1% la frecvente pana la 1-5 MHz, iar cele de inalta frecventa (fig. 2.33, b) - sub 2% pana la 200MHz (0,5% sub 100 MHz). Exista si termocuple in clasa 0,5 sau chiar in clasa 0,2, iar in montaje de opozitie (potentiometre) se poate ajunge pana la clasa 0,01.

Principalele neajunsuri ale termocuplelor: nu suporta supracurenti (max 30-50% I_n) si au o durata de viata scurta (cateva sute de ore).

2. Milivoltmetrul magnetoelectric (mV)

Constructie. Acest tip de milivoltmetru are o constructie particulara: sensibilitate foarte mare (U_n=6-10mV) si rezistenta interioara mica (50 - 100 W pentru a se putea adapta la termocuplul respectiv. Asemenea calitati se obtin pe seAparate de masuraa cresterii inductiei in intrefier (pana la 0,3 - 0,5 T) cu ajutorul unui magnet permanent puternic. De aceea milivoltmetrele pentru termocuple sunt mai voluminoase si mai scumpe decat celelalte milivoltmetre magnetoelectrice.

Exemplu de milivoltmetru pentru TC, milivoltmetrul indicator Ml - 192 (I.A.E.M. -Timisoara) cu parAparate de masuraetrii: U_n=8 mV,    r=100 W, cl. 1.

Adaptarea la circuitul de masura. Pentru transferul maxim de putere de la sursa (termocuplu) la receptor (milivoltmetru) este necesar ca rezistenta acestuia din urma sa fie egala cu R_c. Insa calculele arata ca adaptabilitatea se mentine satisfacatoare intr-un interval relativ larg: r/R = 0.5 - 3.

3. Aparate de masurapermetre si voltmetre cu TC

Aparate de masurapermetrele cu TC (fig. 4.44) se construiesc pentru curenti nominali: 10 - 1000 mA. Prin transformatoare de curenti limitele de masura ale acestora pot li extinse pana la 100 -300A.

Precizie. Tinand seAparate de masuraa de eroarea de baza a termocuplului (0.2 - 1%) si cea a milivoltmetrului (0,5 - 1,5%) rezulta ca precizia unui Aparate de masurapermetru cu termocuplu nu este mai buna ca 1 - 2,5 %, insa o asemenea precizie este satisfacatoare pentru majoritatea masurarilor din RF.

Erori specifice. In afara de erorile mentionate, aici mai pot aparea si altele, specifice, printre care mai importante sunt: eroarea de capete reci si eroarea datorita cuplajelor capacitive parazite.

Eroarea de capete reci. Se datoreaza formarii unor termocuple parazite la punctele de contact dintre sarmele cuplului (3, 4) si cele ale conductoarelor de cupru (6, 6') care duc la milivoltmetru (fig. 2.34). Aceste termocuple parazite functioneaza pe baza diferentei de temperatura ce apare intre capetele reci (a, b) si mecanismul de masura al milivoltmetrului. Pentru eliminarea acestei erori, termocuplul se introduce in carcasa instrumentului, sarmele 6 si 6' se suprima, iar legatura cu mecanismul milivoltmetrului se face direct cu sarmele 3 si 4 ale termocuplului. (In termometria industriala, unde sarmele 6, 6' nu pot fi evitate, eroarea de capete reci (o problema dificila), se compenseaza prin conectarea in opozitie a unor termocuple identice cu cele parazite).

Eroarea datorita cuplajelor parazite. Pentru a fi protejat de campurile electromagnetice perturbatoare, miliAparate de masurapermetrele cu termocuplu se ecraneaza, insa intre ecran si firul de intoarcere al circuitului de masura apare un cuplaj capacitiv parazit C_p (fig. 2.35), Daca ecranul este conectat Ia borna de intrare (a), curentul parazit (I_c) care se inchide prin Cp nu patrunde in filAparate de masuraentul termocuplului si, deci, nu cauzeaza erori.

Daca insa ecranul se leaga la iesire (borna b) atunci curentul total prin filAparate de masuraent va fi I_x+I_c si, deci, in indicatie va aparea o eroare care este cu atat mai importanta cu cat frecventa curentului I_x este mai mare.

Voltmetrele cu termocuplu se realizeaza prin inserierea unui miliAparate de masurapermetru cu TC (I_n=l - 3 mA) cu o rezistenta aditionala (R_a) (fig. 2.36). ParAparate de masuraetri tipici: precizia 1,5 - impedanta de intrare 200 - 1000 W/V. Se utilizeaza la masurarea tensiunilor in regim nesinusoidal.