Termokoppel Instrument

Definisie

'n Thermokoppelinstrument word gedefinieer as 'n meettoestel wat 'n thermokoppel gebruik om temperatuur, stroom en spanning te bepaal. Hierdie verskeidkundige instrument is in staat om meting te doen in beide wisselstroom (AC) en eenrigtingstroom (DC) sirkels, wat dit 'n waardevol hulpmiddel oor 'n wyde verspreide toepassings maak.

Thermokoppel Beginsels

'n Thermokoppel is 'n elektriese toestel wat bestaan uit twee drade van verskillende metaale. Sy funksionaliteit is gebaseer op 'n fundamentele beginsel: by die kruising waar hierdie twee ongelyke metaale saamkom, word hitte-energie omgeskakel na elektriese energie. Hierdie verskynsel, bekend as die Seebeck-effek, vorm die basis vir die werking van thermokoppel-instrumente, wat dit in staat stel om akkuraat temperatuur en ander elektriese parameters te meet deur die elektriese potensiaal te benut wat by die metaal-kruisings gegenereer word.

Werkingsmekanisme

Om die grootte van 'n elektriese stroom te meet, word die te meet stroom deur die kruising van die thermokoppel gelei. Terwyl die stroom vloei, genereer dit hitte binne die verhitter-element. As reaksie hierop, induktief die thermokoppel 'n elektromotiewe krag (emf) by sy uitvoerterminals. Hierdie geïnduseerde emf word dan gemeet met 'n Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) instrument. Die grootte van hierdie emf is direk eweredig aan sowel die temperatuur by die thermokoppel-kruising as die wortel-gemiddelde-kwadraat (RMS) waarde van die gemeete stroom.

Kernvoordele

Een van die mees opmerklike voordele van thermokoppel-instrumente is hul geskiktheid vir hoë-frekwensiestroom- en spanning-metinge. Hierdie instrumente vertoon verbeterde akkuraatheid by frekwensies bo 50Hz, wat hulle ideaal maak vir toepassings waar hoë-frekwensie-elektriese parameters presies bepaal moet word.

Werkingsbeginsel van Termoelektriese Instrumente

Die generering van termiese emf vind plaas binne 'n sirkel wat bestaan uit twee ongelyke metaale. Die temperatuur by die kruising waar hierdie metaale saamkom speel 'n kritieke rol in die algehele werking en is 'n sleutelparameter om te verstaan hoe die instrument funksioneer.

Laat a en b konstantes wees waarvan die waardes bepaal word deur die eienskappe van die metaale wat in die thermokoppel gebruik word. Tipies val die waarde van a binne die bereik van 40 tot 50 mikrovolt, terwyl b 'n waarde het in die bereik van 'n paar tiende tot honderde mikrovolt per graad Celsius vierkant μV/C°2.

Dui Δθ aan as die temperatuurverskil tussen die warm en koue kruisings van die thermokoppel. Gebaseer hierop, kan die relevante temperatuur-verwante uitdrukkings soos volg afgelei word.

Die verhitter genereer hitte, en die hoeveelheid hitte wat geproduseer word, is direk eweredig aan die produk van die kwadraat van die wortel-gemiddelde-kwadraat (RMS) waarde van die stroom (I) en die weerstand (R) van die verhittings-element, uitgedruk deur die formule I2R. Gevolglik is die temperatuurstyg ook eweredig aan die hitte wat deur die verhittings-element gegenereer word. Hierdie verhouding is fundamenteel om te verstaan hoe die verhitter funksioneer en die temperatuur binne die stelsel beïnvloed, en stel 'n duidelike verband tussen elektriese invoer en termiese uitset vas.

Die thermokoppel-instrument het twee kruisings, koud en warm. Die verskil tussen hierdie twee kruisings word uitgedruk as

Die waarde van b is baie klein in vergelyking met a en word dus genegeer. Die temperatuur by die kruising word uitgedruk as

Die afbuiging van 'n Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) instrument is direk eweredig aan die elektromotiewe krag (emf) wat by sy terminals geïnduseer word. Hierdie verhouding beteken dat, soos die geïnduseerde emf toeneem of afneem, die afbuiging van die instrument se bewegende spoel op 'n ooreenstemmende manier verander. Wiskundig kan die afbuiging van die bewegende spoel binne sodanige instrumente deur die volgende vergelyking uitgedruk word, wat die fisiese beginsels insluit wat die instrument se reaksie op die elektriese invoer bestuur.

Hier, lei die uitdrukking K3 - aK1K2R) tot 'n konstante waarde. Hierdie kenmerk gee aanleiding tot die instrument wat 'n vierkantswet-reaksie vertoon, wat beteken dat die uitset van die instrument varieer as die kwadraat van die invoerhoeveelheid (soos stroom of spanning).

Konstruksie van Termoelektriese Instrument

'n Termoelektriese instrument bestaan hoofsaaklik uit twee essensiële komponente: die termoelektriese element en die aanduidende instrument. Hierdie twee dele werk saam om akkurate meting van elektriese en termiese hoeveelhede moontlik te maak.

Termoelektriese Elemente

Vier verskillende tipes termoelektriese elemente word algemeen in thermokoppel-instrumente gebruik. Elke tipe het sy eie unieke kenmerke en operasionele beginsels, wat hieronder in detail bespreek word.

Kontakt Tipe

Die kontakt-tipe termoelektriese element maak gebruik van 'n aparte verhitter. Soos in die figuur hieronder geïllustreer, word die kruising van die thermokoppel in direkte fisiese kontak gebring met die verhitter. Hierdie direkte kontak fasiliteer doeltreffende hitte-oordrag van die verhitter na die thermokoppel-kruising, wat krities is vir akkurate omskakeling van die termiese energie wat deur die verhitter gegenereer word, na 'n elektriese sein (elektromotiewe krag of emf) wat deur die aanduidende instrument gemeet kan word.

Funksies van die Elektriese Verhitter Element

Die elektriese verhitter element vervul die volgende kritiese doeleindes binne 'n termoelektriese instrument:

• Energie Omskakeling: Dit funksioneer as 'n sleutelkomponent in die omskakeling van elektriese energie na termiese energie. Hierdie omskakeling is die eerste stap in die proses wat die meting van elektriese hoeveelhede deur termiese effekte moontlik maak.

• Termoelektriese Omskakeling: Deur die Seebeck-effek te benut, word die hitte-energie wat deur die verhitter gegenereer word, dan omgeskakel na elektriese energie. Hierdie omskakeling vind plaas by die kruising van die thermokoppel, waar die temperatuurverskil tussen die warm en koue kruisings 'n elektromotiewe krag (emf) skep.

• Instrument Werking: Die uitvoerterminals van die thermokoppel is verbonden met 'n Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) instrument. 'n Minimale hoeveelheid van die gegenereerde elektriese energie word gebruik om die wyser van die PMMC instrument af te buig. Hierdie energie word opgeslaan in die veer van die instrument, wat help om die posisie van die wyser te handhaaf en die gemeete waarde aan te dui.

Tipes Termoelektriese Elemente

Non-Kontakt Tipe Instrument

In non-kontakt tipe termoelektriese instrumente is daar geen direkte elektriese verbinding tussen die verhitter en die thermokoppel nie. In plaas daarvan word die twee komponente deur 'n elektriese isolasie laag geskei. Terwyl hierdie isolasie elektriese isolasie verskaf, het dit ook 'n merkbare impak op die instrument se prestasie. In vergelyking met kontakt tipe instrumente, maak die non-kontakt ontwerp die stelsel minder sensitief vir veranderinge in die gemeete hoeveelheid en lei tot trager reaksietye. Dit is omdat die hitte-oordrag van die verhitter na die thermokoppel minder doeltreffend is as gevolg van die teenwoordigheid van die isolasie barrière.

Vakuum Thermo-Element

In vakuumbuis gebaseerde termoelektriese instrumente is beide die verhitter en die thermokoppel in 'n gevakuümde glasbuis ingesluit. Hierdie vakuum-omgewing verhoog die effektiwiteit van die instrument aansienlik. Deur die teenwoordigheid van lug te elimineer, word hitteverlies deur konveksie en geleiding geminimaliseer. As gevolg hiervan kan die verhitter sy hitte vir 'n verlengde tyd behou, wat 'n meer stabiele en konsekwente hittebron verseker vir die thermokoppel. Hierdie stabiliteit in hittegenerering lei tot akkurater en betroubare metings oor tyd.

Brug Tipe

In brug-tipe termoelektriese instrumente vloei die elektriese stroom direk deur die thermokoppel. Terwyl die stroom vloei, veroorsaak dit 'n temperatuurstyg van die thermokoppel. Die grootte van hierdie temperatuurstyg is direk eweredig aan die wortel-gemiddelde-kwadraat (RMS) waarde van die stroom. Hierdie direkte verhouding tussen die stroom, temperatuurverandering, en die resulteerende elektriese uitset van die thermokoppel vorm die basis van hoe hierdie instrumente akkuraat elektriese hoeveelhede meet, en bied 'n betroubare en effektiewe metode vir verskeie metingstoepassings.

Voordelige van Termoelektriese Instrumente

Termoelektriese instrumente bied verskeie opmerklike voordele, wat hulle waardevolle hulpbronne maak in elektriese meting en analise:

• Direkte RMS Aanduiding: Een van die sleutelvoordele is die vermoë om direk die wortel-gemiddelde-kwadraat (RMS) waardes van spanning en stroom op die golfvorm aan te dui. Hierdie kenmerk vereenvoudig die metingproses, wat gebruikers in staat stel om vinnig en akkuraat hierdie kritiese elektriese parameters te bepaal sonder die nodigheid vir bykomende berekeninge of komplekse omskakelingsmetodes.

• Immunitasie teen Strelingmagnetiese Velds: Hierdie instrumente is inherent resistent teen die invloed van strelingmagnetiese velds. Hierdie immunitasie verseker akkurater en betroubaarder metings, aangesien eksterne magnetiese verstoringe nie die instrument se werking beïnvloed of die resultate skyn nie. In omgewings waar magnetiese interferensie algemeen is, soos naby elektriese masjiens of kraglyne, word hierdie voordeel veral belangrik.

• Breed Stroommetingbereik: Die termoelektriese elemente wat in hierdie instrumente gebruik word, maak 'n wye verskeidenheid stroommetings moontlik. Of jy nou met lae-stroom of hoë-stroom toepassings werk, kan termoelektriese instrumente akkuraat vasvang en aandui die relevante waardes, wat hulle verskeidenheid vir verskeie elektriese stelsels en eksperimentele opstellings maak.

• Hoë Sensitiewe: Termoelektriese instrumente vertoon 'n hoë mate van sensitiewe, wat hulle in staat stel om selfs klein veranderinge in elektriese hoeveelhede op te spoor. Hierdie sensitiewe is krities vir akkurate metings in toepassings waar minute variasies in spanning of stroom aansienlike implikasies kan hê, soos in navorsingslaboratories of in die kalibrering van ander elektriese toestelle.

• Potentiometer Kalibrasie Nutsaanduiding: Hulle is uitermate nuttig vir die kalibrering van potentiometers. Deur die akkuraatheid van 'n standaardcel te benut, kan termoelektriese instrumente help om die regte funksionering en akkuraatheid van potentiometers te verseker, wat essensiële komponente is in baie elektriese sirkels vir spanning-regulering en -meting.

• Frekwensie-onafhanklike Operasie: Termoelektriese elemente is vry van frekwensiefout, wat dit moontlik maak dat hierdie instrumente oor 'n uitgebreide verskeidenheid frekwensies gebruik kan word. Hierdie kenmerk maak hulle geskik vir toepassings wat wisselstroom (AC) signale van verskillende frekwensies behels, van lae-frekwensie kragstelsels tot hoë-frekwensie elektroniese sirkels.

Nadele van Termoelektriese Instrumente

Ongesien hul baie sterkpunte, het termoelektriese instrumente een opmerklike beperking:

• Beperkte Oorbelasting Kapasiteit: In vergelyking met ander tipes elektriese metingselemente, het termoelektriese instrumente 'n relatief lae oorbelasting kapasiteit. Dit beteken dat hulle meer vatbaar is vir skade of onakkurate leesings wanneer blootgestel aan elektriese strome of spannings wat hul gerate limiete oorskry. As gevolg hiervan moet sorgvuldige oorweging en passende beskermingsmaatreëls getref word wanneer hierdie instrumente in toepassings gebruik word waar oorbelastingskan voorkom om potensiële instrumentmislukking of gekompromitteerde metingakkuraatheid te vermy.