Термопара инструмент

Дефиниция

Термоелектрическият прибор се дефинира като измервателно устройство, което използва термопара за определяне на температурата, тока и напрежението. Този универсален прибор е способен да прави измервания както в алтернативни (AC), така и в постоянни (DC) електрически вериги, което го прави ценно средство в широк диапазон от приложения.

Основи на термопарите

Термопарата е електрическо устройство, състоящо се от два жица, направени от различни метали. Функционалността й е основана на фундаментален принцип: в точката, където тези два различни метала се срещат, енергията на теплото се преобразува в електрическа енергия. Това явление, известно като ефект на Зеебек, формира основата за функционирането на термоелектрическите прибори, позволявайки им да измерват точно температурата и други електрически параметри, използвайки електрическия потенциал, генериран в металните точки на среща.

Механизъм на действие

За измерване на големината на електрическия ток, токът, който трябва да бъде измерен, минава през точката на среща на термопарата. По мере на тока, той генерира топлина в нагревателния елемент. В отговор, термопарата индуцира електромоторна сила (ЕМС) на своите изходни контакти. Тази индуцирана ЕМС се измерва с помощта на прибор с постоянен магнит и движуща се спирала (PMMC). Големината на тази ЕМС е пряко пропорционална както на температурата в точката на среща на термопарата, така и на кореново-средноквадратичната (RMS) стойност на измерения ток.

Ключови предимства

Едно от най-значителните предимства на термоелектрическите прибори е техната подходящост за измерване на ток и напрежение с висока честота. Тези прибори показват подобрена точност при работа с честоти над 50Hz, което ги прави идеални за приложения, където са необходими точни измервания на високочестотни електрически параметри.

Принцип на действие на термоелектрическите прибори

Генерирането на термична ЕМС се случва в верига, съставена от два различни метала. Температурата в точката на среща, където тези метали се срещат, играе ключова роля в общото функциониране и е важен параметър за разбиране на начина, по който работи приборът.

Нека a и b са константи, чиито стойности са определени от свойствата на метали, използвани в термопарата. Обикновено стойността на a се колебае между 40 и 50 микроволта, докато b има стойност в диапазона няколко десети до стотици микроволта на градус Целзий на квадрат μV/C°2.

Означете Δθ като температурната разлика между горещата и студената точка на среща на термопарата. На основата на това, съответните температурни изрази могат да бъдат изведени по следния начин.

Нагревателят генерира топлина, а количеството произведена топлина е пряко пропорционално на продукта от квадрата на кореново-средноквадратичната (RMS) стойност на тока (I) и съпротивлението (R) на нагревателния елемент, изразено от формулата I2R. Следователно, увеличението на температурата също е пропорционално на топлината, генерирана от нагревателния елемент. Тази връзка е фундаментална за разбиране на начина, по който работи нагревателят, и влиянието му върху температурата в системата, установявайки ясна връзка между електрическата входна и термичната изходна мощност.

Термоелектрическият прибор има две точки на среща - студена и гореща. Разликата между тези две точки е изразена като

Стойността на b е много малка в сравнение с a и затова се пренебрегва. Температурата в точката на среща се изразява като

Отклонението на прибора с постоянен магнит и движеща се спирала (PMMC) е пряко пропорционално на електромоторната сила (ЕМС), индуцирана на неговите контакти. Тази връзка означава, че когато индуцираната ЕМС се увеличава или намалява, отклонението на движещата се спирала на прибора се променя съответно. Математически, отклонението на движещата се спирала в такива прибори може да бъде изразено от следното уравнение, което обобщава физическите принципи, които управляват отговора на прибора към електрическата входна мощност.

Тук, изразът K3 - aK1K2R) дава константна стойност. Това свойство води до прибор, който показва квадратичен отговор, което означава, че изходът на прибора варира като квадрат на входната величина (например ток или напрежение).

Конструкция на термоелектрическия прибор

Термоелектрическият прибор е главно съставен от две основни компонента: термоелектрически елемент и указващ прибор. Тези две части работят заедно, за да позволят точни измервания на електрически и термични величини.

Термоелектрически елементи

Четири различни типа термоелектрически елементи се използват обикновено в термопарните прибори. Всякъд тип има свои уникални характеристики и операционни принципи, които са детайлно описани по-долу.

Контактен тип

Контактният термоелектрически елемент използва отделен нагревател. Както е показано на фигурата по-долу, точката на среща на термопарата е в директен физически контакт с нагревателя. Този директен контакт осигурява ефективна преференция на топлината от нагревателя към точката на среща на термопарата, което е важно за точното преобразуване на термичната енергия, генерирана от нагревателя, в електрически сигнал (ЕМС), който може да бъде измерен от указващия прибор.

Функции на електрическия нагревателен елемент

Електрическият нагревателен елемент изпълнява следните ключови функции в термоелектрическия прибор:

• Преобразуване на енергия: Той действа като ключов компонент в преобразуването на електрическа енергия в термична енергия. Това преобразуване е първата стъпка в процеса, който позволява измерването на електрически величини чрез термични ефекти.

• Термоелектрическо преобразуване: Използвайки ефекта на Зеебек, термичната енергия, генерирана от нагревателния елемент, се преобразува в електрическа енергия. Това преобразуване се случва в точката на среща на термопарата, където температурната разлика между горещата и студената точка на среща създава електромоторна сила (ЕМС).

• Работа на прибора: Изходните контакти на термопарата са свързани с прибор с постоянен магнит и движеща се спирала (PMMC). Минимално количество от произведената електрическа енергия се използва за отклоняване на стрелката на PMMC прибора. Тази енергия се съхранява в пружината на прибора, която помага за поддържане на положението на стрелката и указване на измерената стойност.

Типове термоелектрически елементи

Неконтактен тип прибор

В неконтактен тип термоелектрически прибори няма директно електрическо свързване между нагревателния елемент и термопарата. Вместо това, двата компонента са разделени от електрически изолиращ слой. Въпреки че тази изолация предоставя електрическа изолация, тя също има значително влияние върху производителността на прибора. В сравнение с контактните типове прибори, неконтактен дизайн прави системата по-малко чувствителна към промени в измерената величина и води до по-бавни времена на отговор. Това е поради факта, че преференцията на топлината от нагревателния елемент към термопарата е по-малко ефективна поради наличието на изолиращия барьер.

Вакуум термоелемент

В термоелектрически прибори, базирани на вакуумни трубки, както нагревателят, така и термопарата са заключени в евакуирана стъклена трубка. Тази вакуумна среда значително подобрява ефективността на прибора. Чрез елиминирането на въздуха, загубата на топлина чрез конвекция и проводимост е минимизирана. Резултатът е, че нагревателят може да задържа топлината си за по-дълго, осигурявайки по-стабилен и последователен източник на топлина за термопарата. Тази стабилност в генерирането на топлина води до по-точни и надеждни измервания с течение на времето.

Мостов тип

В мостови термоелектрически прибори, електрическият ток протича директно през термопарата. По мере на протичането на тока, той причинява температурата на термопарата да се повиши. Големината на това увеличение на температурата е пряко пропорционална на кореново-средноквадратичната (RMS) стойност на тока. Тази пряка връзка между тока, промяната на температурата и резултиращия електрически изход от термопарата формира основата на начина, по който тези прибори точни измервания на електрически величини, предоставяйки надежден и ефективен метод за различни приложения за измервания.

Предимства на термоелектрическите прибори

Термоелектрическите прибори предлагат няколко значителни предимства, които ги правят ценни средства в електрическите измервания и анализ:

• Директно указване на RMS: Едно от ключовите предимства е възможността за директно показване на кореново-средноквадратичните (RMS) стойности на напрежението и тока на вълновата форма. Тази функция опростява процеса на измерване, позволявайки потребителите бързо и точно да определят тези важни електрически параметри без допълнителни изчисления или сложни методи за преобразуване.

• Имунитет към случайни магнитни полета: Тези прибори са вродено устойчиви към влиянието на случайни магнитни полета. Този имунитет осигурява по-точни и надеждни измервания, тъй като външните магнитни смущения не пречат на функционирането на прибора или не искривяват резултатите. В околната среда, където магнитното смущение е обикновено, като близо до електрически машини или линии за електроенергия, това предимство става особено значително.

• Широк диапазон за измерване на тока: Термоелектрическите елементи, използвани в тези прибори, позволяват широк диапазон за измерване на тока. Независимо дали се занимавате с приложения с нисък ток или висок ток, термоелектрическите прибори могат точно да засичат и показват съответните стойности, правейки ги универсални за различни електрически системи и експериментални настройки.

• Висока чувствителност: Термоелектрическите прибори показват висока степен на чувствителност, позволявайки им да засичат дори малки промени в електрическите величини. Тази чувствителност е критична за точни измервания в приложения, където малките вариации в напрежението или тока могат да имат значително значение, като в научно-изследователски лаборатории или при калибрацията на други електрически устройства.

• Утилити за калибрация на потенциометри: Те са изключително полезни за калибрация на потенциометри. Използвайки точността на стандартна клетка, термоелектрическите прибори могат да помогнат за осигуряване на правилното функциониране и точността на потенциометрите, които са важни компоненти в много електрически вериги за регулиране и измерване на напрежението.

• Функциониране, независимо от честотата: Термоелектрическите елементи са свободни от честотни грешки, позволявайки тези прибори да се използват в широко разнообразие от честоти. Тази характеристика ги прави подходящи за приложения, включващи алтернативни (AC) сигнали с различни честоти, от системи с ниска честота до високочестотни електронни вериги.

Недостатъци на термоелектрическите прибори

Въпреки многото си предимства, термоелектрическите прибори имат един значителен недостатък:

• Ограничен капацитет за прекомерна нагрузка: В сравнение с други видове елементи за електрическо измерване, термоелектрическите прибори имат относително нисък капацитет за прекомерна нагрузка. Това означава, че те са по-уязвими за повреда или неточни измервания, когато са изложени на електрически токове или напрежения, които надвишават техните номинални граници. Следователно, при използването на тези прибори в приложения, където могат да се появят условия за прекомерна нагрузка, трябва да се вземат внимателни мерки и да се предприемат подходящи защитни мерки, за да се избегне потенциална повреда на прибора или компрометиране на точността на измерванията.