Instrument de termopar
Definició
Un instrument de parella tàrmica es defineix com un dispositiu de mesura que utilitza una parella tàrmica per determinar la temperatura, la corrent i el voltatge. Aquest instrument versàtil és capaç de realitzar mesures en circuits d'altern corrent (AC) i corrent contínua (DC), el que el converteix en una eina valuosa en una àmplia gamma d'aplicacions.
Conceptes bàsics de les parelles tàrmiques
Una parella tàrmica és un dispositiu elèctric compost per dos fils fets de metalls diferents. La seva funcionalitat es basa en un principi fonamental: al juncte on aquests dos metalls diferents s'uneixen, l'energia tèrmica es converteix en energia elèctrica. Aquest fenomen, conegut com l'efecte Seebeck, forma la base de l'operació dels instruments de parella tàrmica, permetent-los mesurar amb precisió la temperatura i altres paràmetres elèctrics mitjançant l'ús del potencial elèctric generat als juntes metàl·lics.
Mecanisme d'operació
Per mesurar la magnitud d'una corrent elèctrica, la corrent a mesurar es passa pel juncte de la parella tàrmica. Quan la corrent flueix, genera calor dins de l'element calefactor. En resposta, la parella tàrmica induix una força electromotriu (fem) a les seves terminales de sortida. Aquesta fem induïda es mesura utilitzant un instrument de bobina mòbil permanent (PMMC). La magnitud d'aquesta fem és directament proporcional tant a la temperatura al juncte de la parella tàrmica com al valor de mitjana quadràtica (RMS) de la corrent mesurada.
Avantatges clau
Un dels beneficis més notables dels instruments de parella tàrmica és la seva idoneïtat per a mesures de corrent i voltatge d'alta freqüència. Aquests instruments mostren una major precisió quan tracten amb freqüències superiors a 50 Hz, el que els fa ideals per a aplicacions on cal determinar amb precisió paràmetres elèctrics d'alta freqüència.
Principi d'operació dels instruments termoelèctrics
La generació de fem tèrmica ocorre dins d'un circuit compost per dos metalls diferents. La temperatura al juncte on aquests metalls s'uneixen joca un paper crucial en l'operació general i és un paràmetre clau per entendre com funciona l'instrument.
Sigui a i b constants els valors dels quals estan determinats per les propietats dels metalls utilitzats en la parella tàrmica. Normalment, el valor de a varia entre 40 i 50 microvolts, mentre que b té un valor en el rang de alguns dècims a centenars de microvolts per grau Celsius al quadrat μV/C°2.
Denoti Δθ com la diferència de temperatura entre els juntes calent i fred de la parella tàrmica. Basant-se en això, les expressions relacionades amb la temperatura es poden derivar com segueix.
El calefactor genera calor, i la quantitat de calor produïda és directament proporcional al producte del quadrat del valor de mitjana quadràtica (RMS) de la corrent (I) i la resistència (R) de l'element calefactor, expressat per la fórmula I2R. Conseqüentment, l'augment de temperatura també és proporcional a la calor generada per l'element calefactor. Aquesta relació és fonamental per entendre com opera el calefactor i influeix en la temperatura del sistema, establint una connexió clara entre l'entrada elèctrica i la sortida tèrmica.
L'instrument de parella tàrmica té dos juntes, fred i calent. La diferència entre aquests dos juntes s'expressa com
El valor de b és molt petit en comparació amb a i, per tant, es negligeix. La temperatura al juncte s'expressa com
La desviació d'un instrument de bobina mòbil permanent (PMMC) és directament proporcional a la força electromotriu (fem) induïda a les seves terminales. Aquesta relació significa que quan la fem induïda augmenta o disminueix, la desviació de la bobina mòbil de l'instrument canvia d'una manera corresponent. Matemàticament, la desviació de la bobina mòbil dins d'aquests instruments es pot expressar per la següent equació, que engloba els principis físics que governen la resposta de l'instrument a l'entrada elèctrica.
Aquí, l'expressió K3 - aK1K2R) resulta en un valor constant. Aquesta característica fa que l'instrument presenti una resposta de llei quadràtica, és a dir, que la sortida de l'instrument varia com el quadrat de la quantitat d'entrada (com ara la corrent o el voltatge).
Construcció de l'instrument termoelèctric
Un instrument termoelèctric està compost principalment per dos components essencials: l'element termoelèctric i l'instrument indicador. Aquests dos parts treballen en conjunt per permetre una mesura precisa de les quantitats elèctriques i tèrmiques.
Elements termoelèctrics
Quatre tipus distintes d'elements termoelèctrics s'utilitzen habitualment en instruments de parella tàrmica. Cada tipus té les seves pròpies característiques úniques i principis operatius, que es detallen a continuació.
Tipus de contacte
L'element termoelèctric de tipus de contacte utilitza un calefactor separat. Com es mostra en la figura següent, el juncte de la parella tàrmica es posa en contacte físic directe amb el calefactor. Aquest contacte directe facilita la transferència eficient de calor del calefactor al juncte de la parella tàrmica, cosa que és crucial per convertir amb precisió l'energia tèrmica generada pel calefactor en un senyal elèctric (força electromotriu o fem) que es pugui mesurar pel instrument indicador.
Funcions de l'element calefactor elèctric
L'element calefactor elèctric serveix els següents propòsits crítics dins d'un instrument termoelèctric:
Conversió d'energia: Actua com un component clau en transformar l'energia elèctrica en energia tèrmica. Aquesta conversió és el primer pas en el procés que permet la mesura de quantitats elèctriques utilitzant efectes tèrmics.
Conversió termoelèctrica: Utilitzant l'efecte Seebeck, la calor generada pel element calefactor es converteix llavors en energia elèctrica. Aquesta conversió ocorre al juncte de la parella tàrmica, on la diferència de temperatura entre els juntes calent i fred crea una força electromotriu (fem).
Operació de l'instrument: Les terminales de sortida de la parella tàrmica es connecten a un instrument de bobina mòbil permanent (PMMC). Una quantitat mínima de l'energia elèctrica produïda s'utilitza per desviar el punter de l'instrument PMMC. Aquesta energia s'emmagatzema en la molla de l'instrument, que ajuda a mantenir la posició del punter i a indicar el valor mesurat.
Tipus d'elements termoelèctrics
Instrument de tipus sense contacte
En els instruments termoelèctrics de tipus sense contacte, no hi ha cap connexió elèctrica directa entre l'element calefactor i la parella tàrmica. En lloc d'això, els dos components estan separats per una capa d'aislament elèctric. Si bé aquest aïllament proporciona aïllament elèctric, també té un impacte notable en el rendiment de l'instrument. En comparació amb els instruments de tipus de contacte, el disseny sense contacte fa que el sistema sigui menys sensible a canvis en la quantitat mesurada i resulti en temps de resposta més lents. Això és degut a que la transferència de calor de l'element calefactor a la parella tàrmica és menys eficient a causa de la barreira d'aislament.
Element tèrmic al buit
En els instruments termoelèctrics basats en tubs de buit, tant el calefactor com la parella tàrmica estan enclosos dins d'un tub de vidre evacuat. Aquest entorn de buit millora significativament l'eficiència de l'instrument. Eliminant la presència d'aire, la pèrdua de calor per convectió i conducció es minimitza. Com a resultat, el calefactor pot retenir la calor per un període més llarg, assegurant una font de calor més estable i consistent per a la parella tàrmica. Aquesta estabilitat en la generació de calor porta a mesures més precises i fiables amb el temps.
Tipus de pont
En els instruments termoelèctrics de tipus de pont, la corrent elèctrica flueix directament a través de la parella tàrmica. A mesura que la corrent passa, provoca un increment de la temperatura de la parella tàrmica. La magnitud d'aquest increment de temperatura és directament proporcional al valor de mitjana quadràtica (RMS) de la corrent. Aquesta relació directa entre la corrent, el canvi de temperatura i la sortida elèctrica resultant de la parella tàrmica forma la base de com aquests instruments mesuren amb precisió les quantitats elèctriques, proporcionant un mètode fiable i eficient per a diverses aplicacions de mesura.
Avantatges dels instruments termoelèctrics
Els instruments termoelèctrics ofereixen diversos avantatges notables, el que els converteix en eines valuoses en la mesura i anàlisi elèctrica:
Indicació directa de RMS: Un dels avantatges principals és la capacitat de mostrar directament els valors de mitjana quadràtica (RMS) de voltatge i corrent en la forma d'ona. Aquesta característica simplifica el procés de mesura, permetint als usuaris determinar ràpidament i amb precisió aquests paràmetres elèctrics crucials sense necessitat de càlculs addicionals o mètodes de conversió complexos.
Immunitat a camps magnètics estranys: Aquests instruments són inherentment resistent al influència de camps magnètics estranys. Aquesta immunitat assegura mesures més precises i fiables, ja que les pertorbacions magnètiques externes no interferixen amb el funcionament de l'instrument ni distorsionen els resultats. En entorns on la interferència magnètica és comuna, com a prop de maquinària elèctrica o línies d'alimentació, aquest avantatge esdevé particularment significatiu.
Ampli rang de mesura de corrent: Els elements termoelèctrics utilitzats en aquests instruments permeten una ampla gama de mesures de corrent. Tant en aplicacions de baixa corrent com d'alta corrent, els instruments termoelèctrics poden capturar i mostrar amb precisió els valors rellevants, el que els fa versàtils per a diversos sistemes elèctrics i configuracions experimentals.
Alta sensibilitat: Els instruments termoelèctrics presenten un grau elevat de sensibilitat, permetent-los detectar fins i tot petits canvis en quantitats elèctriques. Aquesta sensibilitat és crucial per a mesures precises en aplicacions on les variacions minúscules en voltatge o corrent poden tenir implicacions significatives, com en laboratoris de recerca o en la calibració d'altres dispositius elèctrics.
Utilitat en la calibració de potenciòmetres: Són extremadament útils per a la calibració de potenciòmetres. Mitjançant la precisió d'una cel·la estàndard, els instruments termoelèctrics poden ajudar a assegurar el funcionament adequat i la precisió dels potenciòmetres, que són components essencials en molts circuits elèctrics per a la regulació i mesura de voltatge.
Operació independent de la freqüència: Els elements termoelèctrics estan lliures d'errors de freqüència, permetent que aquests instruments s'utilitzin en un ampli rang de freqüències. Aquesta característica els fa adequats per a aplicacions que impliquen senyals de corrent altern (AC) de freqüències variables, des de sistemes de potència de baixa freqüència a circuits electrònics d'alta freqüència.
Desavantatges dels instruments termoelèctrics
Malgrat els seus nombrosos avantatges, els instruments termoelèctrics tenen un limitació notable:
Capacitat de sobrecàrrega limitada: En comparació amb altres tipus d'elements de mesura elèctrica, els instruments termoelèctrics tenen una capacitat de sobrecàrrega relativament baixa. Això significa que són més vulnerables a danys o lectures inexactes quan estan exposats a corrents o voltatges que excedeixen els seus límits especificats. Per tant, cal prendre consideracions cuidadoses i mesures de protecció adequades quan s'utilitzen aquests instruments en aplicacions on es puguin produir condicions de sobrecàrrega per evitar possibles fallides de l'instrument o una precisió compromesa en les mesures.
