Termostroj

Definice

Přístroj s termočlánkem je definován jako měřicí zařízení, které využívá termočlenku k určení teploty, proudu a napětí. Tento univerzální přístroj je schopen provádět měření jak v střídavých (AC), tak v jednosměrných (DC) obvodech, což z něj dělá cenný nástroj pro širokou škálu aplikací.

Základy termočlánků

Termočlenka je elektrické zařízení složené ze dvou drátů vyrobených z různých kovů. Funkčnost tohoto zařízení je založena na základním principu: v místě, kde se tyto dva odlišné kovy setkávají, je tepelná energie převedena na elektrickou energii. Tento jev, známý jako Seebeckův efekt, tvoří základ fungování přístrojů s termočlánkem, umožňující jim přesně měřit teplotu a další elektrické parametry využitím elektrického potenciálu vygenerovaného na kovových spojích.

Princip fungování

Pro měření velikosti elektrického proudu se proud, který se má měřit, vedou skrz spoj termočlánku. Když proud protéká, vyzařuje teplo v ohřívacím prvku. Reakcí na to vyvolá termočlenka elektromotorickou sílu (emf) na svých výstupních terminálech. Tato vyvolaná emf je pak změřena pomocí trvalomagnetického pohyblivého cívkového (PMMC) přístroje. Velikost této emf je přímo úměrná jak teplotě na spoji termočlánku, tak efektivní hodnotě (RMS) měřeného proudu.

Klíčové výhody

Jednou z nejvýznamnějších výhod přístrojů s termočlánkem je jejich vhodnost pro měření vysokofrekvenčních proudu a napětí. Tyto přístroje dosahují větší přesnosti při práci s frekvencemi nad 50 Hz, což je činí ideálními pro aplikace, kde je třeba přesně určovat vysokofrekvenční elektrické parametry.

Princip fungování termoelektrických přístrojů

Generování termoelektrické emf probíhá v obvodu složeném ze dvou odlišných kovů. Teplota na spoji, kde se tyto kovy setkávají, hraje klíčovou roli v celkovém fungování a je klíčovým parametrem pro pochopení, jak přístroj funguje.

Nechť a a b jsou konstanty, jejichž hodnoty jsou určeny vlastnostmi kovů použitých v termočlánku. Typicky se hodnota a pohybuje v rozmezí 40 až 50 mikrovoltů, zatímco b má hodnotu v rozmezí několika desetin do stovek mikrovoltů na stupen Celsia na druhou μV/C°2.

Označme Δθ jako rozdíl teplot mezi horkým a studeným spojem termočlánku. Na základě toho lze odvodit relevantní teplotní vztahy následovně.

Ohřívač generuje teplo a množství vyprodukovaného tepla je přímo úměrné součinu druhé mocniny efektivní hodnoty (RMS) proudu (I) a odporu (R) ohřívacího prvku, vyjádřeného vzorcem I2R. Následně je i zvýšení teploty úměrné teplu vygenerovanému ohřívacím prvkem. Tento vztah je základní pro pochopení, jak ohřívač funguje a ovlivňuje teplotu uvnitř systému, stanovující jasnou spojitost mezi elektrickým vstupem a tepelným výstupem.

Přístroj s termočlánkem má dva spoje - studený a horký. Rozdíl mezi těmito dvěma spoji je vyjádřen jako

Hodnota b je ve srovnání s a velmi malá a proto se opomíjí. Teplota na spoji je vyjádřena jako

Odchylka trvalomagnetického pohyblivého cívkového (PMMC) přístroje je přímo úměrná elektromotorické síle (emf) vyvolané na jeho terminálech. Tento vztah znamená, že s rostoucí nebo klesající emf se odchylka pohyblivé cívky přístroje mění odpovídajícím způsobem. Matematicky lze odchylku pohyblivé cívky u těchto přístrojů vyjádřit následujícím rovnicí, která zachycuje fyzikální principy řídící reakci přístroje na elektrický vstup.

Zde výraz K3 - aK1K2R) dává konstantní hodnotu. Tato charakteristika vede k tomu, že přístroj ukazuje kvadratickou odezvu, což znamená, že výstup přístroje se mění jako druhá mocnina vstupního množství (jako proudu nebo napětí).

Konstrukce termoelektrického přístroje

Termoelektrický přístroj je primárně složen ze dvou zásadních komponent: termoelektrického prvku a indikujícího přístroje. Tyto dvě části spolupracují, aby umožnily přesné měření elektrických a tepelných množství.

Termoelektrické prvky

Čtyři různé typy termoelektrických prvků jsou často používány v přístrojích s termočlánkem. Každý typ má své vlastní unikátní vlastnosti a operační principy, které jsou podrobně popsány níže.

Kontaktní typ

Kontaktní termoelektrický prvek využívá samostatný ohřívač. Jak je znázorněno na obrázku níže, spoj termočlánku je přiveden do přímého fyzického kontaktu s ohřívačem. Tento přímý kontakt umožňuje efektivní přenos tepla z ohřívače na spoj termočlánku, což je klíčové pro přesné převádění tepelné energie vygenerované ohřívačem na elektrický signál (elektromotorickou sílu nebo emf), který lze změřit pomocí indikujícího přístroje.

Funkce elektrického ohřívacího prvku

Elektrický ohřívací prvek plní následující klíčové funkce v termoelektrickém přístroji:

• Převod energie: Slouží jako klíčová komponenta pro převod elektrické energie na tepelnou. Tento převod je prvním krokem v procesu, který umožňuje měření elektrických množství pomocí tepelných efektů.

• Termoelektrický převod: Využíváním Seebeckova efektu se tepelná energie vygenerovaná ohřívacím prvkem převede na elektrickou energii. Tento převod probíhá na spoji termočlánku, kde rozdíl teplot mezi horkým a studeným spojem vytváří elektromotorickou sílu (emf).

• Funkce přístroje: Výstupní terminály termočlánku jsou připojeny k trvalomagnetickému pohyblivému cívkovému (PMMC) přístroji. Minimální množství vygenerované elektrické energie je využito k odchylce ukazovatele PMMC přístroje. Tato energie je uložena ve pružině přístroje, což pomáhá udržovat polohu ukazovatele a indikovat změřenou hodnotu.

Typy termoelektrických prvků

Nekontaktní typ přístroje

U nekontaktních termoelektrických přístrojů není přímé elektrické spojení mezi ohřívacím prvkem a termočlánkem. Místo toho jsou oba komponenty odděleny elektrickou izolační vrstvou. Zatímco tato izolace poskytuje elektrickou izolaci, má také významný dopad na výkon přístroje. Ve srovnání s kontaktními přístroji je nekontaktní design méně citlivý na změny měřeného množství a vede k pomalejšímu odezvě. To je způsobeno menší efektivitou přenosu tepla z ohřívacího prvku na termočlenku v důsledku přítomnosti izolační bariéry.

Vakuový termoelement

U vakuových termoelektrických přístrojů jsou jak ohřívač, tak termočlenka umístěny uvnitř evakuované skleněné trubice. Toto vakuové prostředí výrazně zvyšuje efektivitu přístroje. Odstraněním přítomnosti vzduchu se minimalizuje tepelná ztráta přes konvekci a vedení. Jako výsledek může ohřívač déle udržovat své teplo, což zajišťuje stabilnější a konzistentnější zdroj tepla pro termočlenku. Tato stabilita v produkci tepla vede k přesnějším a spolehlivějším měřením v průběhu času.

Mostový typ

U mostových termoelektrických přístrojů protéká elektrický proud přímo skrz termočlenku. Když proud protéká, způsobuje zvýšení teploty termočlánku. Velikost tohoto zvýšení teploty je přímo úměrná efektivní hodnotě (RMS) proudu. Tento přímý vztah mezi proudem, změnou teploty a výsledným elektrickým výstupem termočlánku tvoří základ, jak tyto přístroje přesně měří elektrická množství, poskytují spolehlivý a efektivní způsob měření pro různé aplikace.

Výhody termoelektrických přístrojů

Termoelektrické přístroje nabízejí několik významných výhod, což z nich dělá cenné nástroje pro měření a analýzu elektrických hodnot:

• Přímé zobrazování RMS: Jednou z klíčových výhod je schopnost přímého zobrazování efektivních hodnot (RMS) napětí a proudu na vlnovém průběhu. Tato funkce zjednodušuje měření, umožňuje uživatelům rychle a přesně určit tyto klíčové elektrické parametry bez potřeby dodatečných výpočtů nebo komplexních převodních metod.

• Imunita vůči cizímu magnetickému pole: Tyto přístroje jsou vrozeně odolné vůči vlivu cizích magnetických polí. Tato imunita zajišťuje přesnější a spolehlivější měření, protože externí magnetické rušení neovlivňuje fungování přístroje ani nezkresluje výsledky. V prostředích, kde je magnetické rušení běžné, jako je v okolí elektrických strojů nebo vedení, tato výhoda nabývá zvláštního významu.

• Široký rozsah měření proudu: Termoelektrické prvky používané v těchto přístrojích umožňují široký rozsah měření proudu. Bez ohledu na to, zda se jedná o nízké nebo vysoké proudy, termoelektrické přístroje mohou přesně zachytit a zobrazit relevantní hodnoty, což je činí univerzálními pro různé elektrické systémy a experimentální nastavení.

• Vysoká citlivost: Termoelektrické přístroje mají vysokou míru citlivosti, což jim umožňuje detekovat i malé změny v elektrických množstvích. Tato citlivost je klíčová pro přesná měření v aplikacích, kde malé změny napětí nebo proudu mohou mít významné důsledky, jako jsou výzkumné laboratoře nebo kalibrace jiných elektrických zařízení.

• Kalibrační utilita potenciometrů: Jsou extrémně užitečné pro kalibraci potenciometrů. Využitím přesnosti standardní buňky mohou termoelektrické přístroje zajistit správné fungování a přesnost potenciometrů, které jsou klíčovými komponentami v mnoha elektrických obvodech pro regulaci a měření napětí.

• Nezávislost na frekvenci: Termoelektrické prvky jsou volné od frekvenčních chyb, což umožňuje použití těchto přístrojů v rozsahu frekvencí. Tato charakteristika je vhodná pro aplikace s střídavým proudem (AC) různých frekvencí, od nízkofrekvenčních elektrických systémů až po vysokofrekvenční elektronické obvody.

Nevýhody termoelektrických přístrojů

Přestože mají termoelektrické přístroje mnoho silných stránek, mají jednu významnou omezení:

• Omezená přetížení: V porovnání s jinými typy elektrických měřicích prvků mají termoelektrické přístroje relativně nízkou kapacitu přetížení. To znamená, že jsou více náchylné k poškození nebo nepřesným čtením, když jsou vystaveny elektrickým proudům nebo napětí, které přesahují jejich nominální limity. Proto musí být při použití těchto přístrojů v aplikacích, kde mohou nastat přetížení, brány do úvahy opatření k ochraně, aby se zabránilo možnému selhání přístroje nebo snížení přesnosti měření.