При выбранных размерах датчика с относительным расстоянием центральных выводов от края, равным х=5, к токосъем-ным проводникам дойдет лишь 0,8% первоначального возмущения. Видимо, дальнейшее увеличение размеров датчика в направлении X уже нецелесообразно. В связи с изложенным становится понятным значительное сокращение возмущающих влияний, наблюдавшееся при переносе места крепления съемных проводников с края датчика в центр.

Рассмотренными выше методами при заданном характере распределения потока по датчику можно найти плотность поперечного электрического тока в любой точке датчика, в частности 3 месте крепления токосъемных проводников. По закону Кирхгофа поперечный ток будет ослаблять или усиливать рабочий сигнал датчика. При известных для места крепления проводников потоке q и поперечном токе i эффективное значение снимаемого сигнала датчика

sфф=-T; + Я2i ( -37)

где положительными приняты направления, показанные на рис. 31.

3. ПОМЕХИ И ШУМЫ в СИГНАЛАХ О. Д. Т. П.

Рабочие коэффициенты малогабаритных о. д. т. п. имеют значения, близкие к 500 10 вт1м^- в. При измерении потоков в диапазоне 10-10 вт/м^ сигнал датчика изменяется приблизительно от 2 до 2 10 мкв, что соответствует 0,05-50 град разности температур на промежуточном слое. Вдоль съемных проводов изменение температуры, как правило, бывает значительно больше. При всех известных методах уменьшения помех [205] в измерительных схемах наиболее радикально, видимо, подавление причин помех в датчиках.

Согласно ГОСТам 1790-63 и 6916-54, погрешность термопар из стандартных термоэлектродов может превышать 1 % измеряемой величины. Это обусловлено главным образом негомогенностью материалов как от партии к партии, так и в пределах одного отрезка провода [91].

Как и в термопарах, в о. д. т. п. источник помех - разность температур вдоль термоэлектродЬв. Отличие же состоит в том, что в термопарах рабочий сигнал и помехи возникают обычно по одной и той же причине, а в датчиках причиной сигнала является измеряемый поток, не обусловленный разностью температур вдоль токосъемных электродов.

Как правило, разность температур на датчике иногда на несколько порядков меньше разности температур на съемных проводниках. Поэтому при одинаковых, допусках на погрешности из-

мерений требования к гомогенности термоэлектродов должны быть значительно выше для датчиков, чем для термопар.

С целью выяснения вопроса о пригодности стандартных термоэлектродов для токосъемных проводников о. д. т. п. была проведена проверка на гомогенность по обычной методике [92, 190]. При этом было обнаружено, что проволоки из чистых металлов имеют значительно лучшую термоэлектрическую гомогенность, чем сплавы. Наивысшей гомогенностью обладают чистые платина (99,997о) и серебро (99,9%), а также электротехническая проводниковая медь (ГОСТ 2112-62). В сплавах же, включая и стандартные термоэлектродные, помехи, как правило, на порядок выше, чем в чистых металлах. Кроме названных выше, мы не располагали другими чистыми металлами. Исследованные никель и железо имели более 1% примесей и по гомогенности находились между сплавами и чистыми металлами. По-видимому, можно ожидать, что все чистые металлы будут обладать высокой гомогенностью.

Требования к промежуточному термоэлектроду обычные, поэтому его можно изготовлять из сплавов.

Все изложенное о требованиях по гомогенности к материалам датчиков справедливо и для материалов дифференциальных термопар, применяемых для измерения малых разностей температур. Следует заметить, что принятая в СССР система подбора стандартных термоэлектродов уступает принятой в странах Западной Европы (Англия, Франция, ФРГ). У нас только в ТИП используется чистая платина, во всех же остальных парах оба термоэлектрода - сплавные, а в качестве стандартных не принят ни один из неблагородных чистых металлов (медь, железо, никель). Во Франции, например, в большинстве термопар присутствует чистый термоэлектрод: медь-константан, железо-константан, никель-нихром [286]. Последний по составу соответствует нашему хромелю.

В связи с низкой гомогенностью всех сплавных проводов, и в частности стандартных термоэлектродов, для токосъемных проводников датчиков обычно применяются только проволоки из чистой платины и электротехнической меди. Даже при температуре датчика около 600 С для серийного о. д. т. п. помеха от негомогенности меди может привести к ошибке в измеряемом потоке не более чем на 30-40 ег/лг.

Одним из основных источников стационарных помех в сигнале могут служить возмущения и неоднородность в измеряемом потоке (см. параграф 2 данной главы).

При температуре, отличной от 0° К, все физические параметры датчика претерпевают флуктуационные изменения. Применительно к о. д. т. п. это должно привести к статистической вариации рабочего сигнала датчика. В различных случаях измерительной практики уровень этих шумов определяет возможности аппаратуры. В частности, при комнатной температуре (20° С) в

металлах величина флуктуационного потока электронов доходит до 10 alcjHp [243]. В среднем этот колоссальный ток (существующие приборы в состоянии измерить лишь миллиардные его доли) , с точностью до считанных электронов в секунду, полностью уравновешивается противоположным для каждой площадки током (заряд электрона е= 1,6 10-з а сек).

Квазистационарное в среднем равновесие нарушается в силу квантового характера обмена энергией между частицами материала датчика. При формальном анализе флуктуационная природа сигнала проявляется, с одной стороны, в неоднородности дифференциальных уравнений, с другой - в неоднородности граничных условий. Даже если бы была уверенность в правильности основных представлений, из которых выводятся дифференциальные уравнения и формулируются граничные условия, то их решение пришлось бы ограничивать рядом упрощающих допущений [167]. Поэтому остановимся лишь на оценке частотного спектра флуктуационного сигнала в условиях, имеющих место в о. д. т. п., подобно тому, как это сделал Рытов для металлических проводников [195].

Предполагается, что период флуктуационных колебаний имеет порядок времени свободного пробега электронов в металле [5], а это время в среднем равно отношению средней длины свободного пробега S к тепловой скорости электронов t:

Значения величин, входящих в уравнение (11.38), в обычных условиях тепловых экспериментов имеют порядок соответственно 5г 10- м и t=10 м/сек. Следовательно, период флуктуации электрического сигнала датчика за счет тепловой флуктуации электронов имеет порядок т=10-* сек. Таким образом, электронную флуктуацию можно не принимать во внимание, поскольку в обычных технических измерениях постоянная времени системы измеряется целыми секундами и лишь в исключительных случаях доходит до Ю * сек.

Следующей причиной флуктуации сигнала может быть флуктуация местной температуры в точках съема сигнала в датчике. Для обычных термоэлектродных материалов Гайлинг [268], исходя из Максвеллова закона распределения, нашел такое минимальное значение регистрируемого сигнала, которое не превышало по величине шумовой эффект. Для термоэлектрического приемника площадью 1 мм Pmtn=0,5 - 10-° вт. Эти данные хорошо согласуются с результатами измерений Фелльже. Для датчика площадью 1 см, принимая во внимание, что минимальная мощность прямо пропорциональна корню квадратному из площади датчика, найдем, что поток, приведенный к шумовому сигналу, не превышает 9шум=0,5 10- вт/м^.

5-264 65