Thermoelementgerät

Definition

Ein Thermoelement-Messgerät wird definiert als ein Messgerät, das ein Thermoelement verwendet, um Temperatur, Strom und Spannung zu bestimmen. Dieses vielseitige Gerät kann in Wechselstrom- (AC) und Gleichstromkreisen (DC) Messungen durchführen, was es zu einem wertvollen Werkzeug in einer Vielzahl von Anwendungen macht.

Grundlagen des Thermoelements

Ein Thermoelement ist ein elektrisches Gerät, das aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metallen besteht. Seine Funktionalität basiert auf einem grundlegenden Prinzip: an der Stelle, an der diese beiden ungleichen Metalle zusammentreffen, wird Wärdeenergie in elektrische Energie umgewandelt. Dieses Phänomen, bekannt als Seebeck-Effekt, bildet die Grundlage für den Betrieb von Thermoelement-Instrumenten, die es ermöglicht, Temperatur und andere elektrische Parameter präzise zu messen, indem sie das an den Metallverbindungen erzeugte elektrische Potential nutzen.

Funktionsweise

Um die Größe eines elektrischen Stroms zu messen, wird der zu messende Strom durch die Verbindung des Thermoelements geleitet. Während der Strom fließt, erzeugt er Wärme im Heizelement. Als Reaktion darauf induziert das Thermoelement eine elektromotorische Kraft (emf) an seinen Ausgangsklemmen. Diese induzierte emf wird dann mit einem Permanentmagneten-Rahmen-Spuleninstrument (PMMC) gemessen. Die Größe dieser emf ist direkt proportional sowohl zur Temperatur an der Verbindung des Thermoelements als auch zum quadratischen Mittelwert (RMS) des gemessenen Stroms.

Hauptvorteile

Einer der bemerkenswertesten Vorteile von Thermoelement-Instrumenten ist ihre Eignung für Hochfrequenz-Strom- und Spannungsmessungen. Diese Instrumente zeigen bei Frequenzen über 50 Hz eine erhöhte Genauigkeit, was sie ideal für Anwendungen macht, in denen hochfrequente elektrische Parameter präzise bestimmt werden müssen.

Funktionsprinzip thermoelektrischer Instrumente

Die Erzeugung der thermischen emf erfolgt in einem Schaltkreis, der aus zwei ungleichen Metallen besteht. Die Temperatur an der Verbindung, an der diese Metalle zusammentreffen, spielt eine entscheidende Rolle im Gesamtverhalten und ist ein Schlüsselparameter, um zu verstehen, wie das Instrument funktioniert.

Sei a und b Konstanten, deren Werte durch die Eigenschaften der in dem Thermoelement verwendeten Metalle bestimmt werden. Typischerweise liegt der Wert von a zwischen 40 und 50 Mikrovolt, während b einen Wert im Bereich von einigen Zehnteln bis Hunderten von Mikrovolt pro Grad Celsius Quadrat μV/C°2 hat.

Bezeichne Δθ als die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Verbindungen des Thermoelements. Basierend darauf können die relevanten temperaturbezogenen Ausdrücke wie folgt abgeleitet werden.

Der Heizer erzeugt Wärme, und die Menge der erzeugten Wärme ist direkt proportional zum Produkt des quadratischen Mittelwerts (RMS) des Stroms (I) und dem Widerstand (R) des Heizelements, ausgedrückt durch die Formel I²R. Folglich ist die Temperaturerhöhung auch proportional zur vom Heizelement erzeugten Wärme. Diese Beziehung ist fundamental, um zu verstehen, wie der Heizer arbeitet und die Temperatur im System beeinflusst, und stellt eine klare Verbindung zwischen elektrischer Eingabe und thermischer Ausgabe her.

Das Thermoelement-Messgerät hat zwei Verbindungen, kalt und heiß. Der Unterschied zwischen diesen beiden Verbindungen wird ausgedrückt als

Der Wert von b ist sehr klein im Vergleich zu a und wird daher vernachlässigt. Die Temperatur an der Verbindung wird ausgedrückt als

Die Abweichung eines Permanentmagneten-Rahmen-Spuleninstruments (PMMC) ist direkt proportional zur am Terminal induzierten elektromotorischen Kraft (emf). Diese Beziehung bedeutet, dass sich die Abweichung der beweglichen Spule des Instruments entsprechend ändert, wenn die induzierte emf zunimmt oder abnimmt. Mathematisch kann die Abweichung der beweglichen Spule innerhalb solcher Instrumente durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, die die physikalischen Prinzipien zusammenfasst, die das Verhalten des Instruments gegenüber der elektrischen Eingabe regieren.

Hier ergibt der Ausdruck K3 - aK1K2R eine konstante Größe. Diese Eigenschaft führt dazu, dass das Instrument ein quadratisches Verhaltensmuster zeigt, was bedeutet, dass die Ausgabe des Instruments sich wie das Quadrat der Eingangsgröße (wie Strom oder Spannung) verändert.

Aufbau thermoelektrischer Instrumente

Ein thermoelektrisches Instrument besteht hauptsächlich aus zwei wesentlichen Komponenten: dem thermoelektrischen Element und dem Anzeigeinstrument. Diese beiden Teile arbeiten zusammen, um eine genaue Messung elektrischer und thermischer Größen zu ermöglichen.

Thermoelektrische Elemente

Vier verschiedene Arten von thermoelektrischen Elementen werden häufig in Thermoelement-Instrumenten eingesetzt. Jede Art hat ihre eigenen einzigartigen Merkmale und Funktionsprinzipien, die unten detailliert beschrieben sind.

Kontakttyp

Das Kontakt-Thermoelement nutzt einen separaten Heizer. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, wird die Verbindung des Thermoelements in direkten physischen Kontakt mit dem Heizer gebracht. Dieser direkte Kontakt erleichtert eine effiziente Wärmeübertragung vom Heizer zur Verbindung des Thermoelements, was entscheidend für die präzise Umwandlung der vom Heizer erzeugten Wärmeenergie in ein elektrisches Signal (elektromotorische Kraft oder emf) ist, das vom Anzeigeinstrument gemessen werden kann.

Funktionen des elektrischen Heizelements

Das elektrische Heizelement erfüllt die folgenden wichtigen Funktionen in einem thermoelektrischen Instrument:

• Energieumwandlung: Es fungiert als Schlüsselfaktor in der Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie. Diese Umwandlung ist der erste Schritt im Prozess, der die Messung elektrischer Größen mithilfe thermischer Effekte ermöglicht.

• Thermoelektrische Umwandlung: Unter Nutzung des Seebeck-Effekts wird die vom Heizelement erzeugte Wärmeenergie dann in elektrische Energie umgewandelt. Diese Umwandlung findet an der Verbindung des Thermoelements statt, wo die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Verbindungen eine elektromotorische Kraft (emf) erzeugt.

• Instrumentenbetrieb: Die Ausgangsklemmen des Thermoelements sind mit einem Permanentmagneten-Rahmen-Spuleninstrument (PMMC) verbunden. Ein minimaler Teil der erzeugten elektrischen Energie wird verwendet, um den Zeiger des PMMC-Instruments abzuweichen. Diese Energie wird in der Feder des Instruments gespeichert, was hilft, die Position des Zeigers zu halten und den gemessenen Wert anzuzeigen.

Arten von thermoelektrischen Elementen

Nicht-Kontakt-Typ-Instrument

Bei nicht-kontaktbasierten thermoelektrischen Instrumenten besteht keine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Heizelement und dem Thermoelement. Stattdessen sind die beiden Komponenten durch eine elektrische Isolierungsschicht getrennt. Während diese Isolation eine elektrische Trennung bietet, hat sie auch einen beachtlichen Einfluss auf die Leistung des Instruments. Im Vergleich zu Kontakt-Instrumenten macht die nicht-kontaktbasierte Bauweise das System weniger empfindlich gegenüber Änderungen der gemessenen Größe und führt zu langsameren Antwortzeiten. Dies liegt daran, dass die Wärmeübertragung vom Heizelement zum Thermoelement aufgrund der Isolierschicht weniger effizient ist.

Vakuum-Thermo-Element

In vakuumröhrenbasierten thermoelektrischen Instrumenten sind sowohl der Heizer als auch das Thermoelement in einem evakuierten Glasrohr untergebracht. Diese Vakuumumgebung verbessert die Effizienz des Instruments erheblich. Durch die Eliminierung von Luft wird die Wärmeabgabe durch Konvektion und Wärmeleitung minimiert. Dadurch kann der Heizer seine Wärme länger speichern und stellt eine stabileren und konsistenteren Wärmequelle für das Thermoelement dar. Diese Stabilität in der Wärmeerzeugung führt zu präziseren und verlässlicheren Messungen über die Zeit.

Brückentyp

Bei Brücken-Thermoelement-Instrumenten fließt der elektrische Strom direkt durch das Thermoelement. Während der Strom fließt, steigt die Temperatur des Thermoelements. Die Größe dieser Temperaturerhöhung ist direkt proportional zum quadratischen Mittelwert (RMS) des Stroms. Diese direkte Beziehung zwischen dem Strom, der Temperaturänderung und dem resultierenden elektrischen Ausgang des Thermoelements bildet die Grundlage dafür, wie diese Instrumente elektrische Größen präzise messen, und bietet eine zuverlässige und effiziente Methode für verschiedene Messanwendungen.

Vorteile thermoelektrischer Instrumente

Thermoelektrische Instrumente bieten mehrere bemerkenswerte Vorteile, die sie zu wertvollen Werkzeugen in der elektrischen Mess- und Analyse machen:

• Direkte RMS-Anzeige: Einer der wichtigsten Vorteile ist die Fähigkeit, die quadratischen Mittelwerte (RMS) von Spannung und Strom direkt auf dem Wellenformbild anzuzeigen. Diese Funktion vereinfacht den Messprozess, indem Benutzer schnell und präzise diese entscheidenden elektrischen Parameter bestimmen können, ohne zusätzliche Berechnungen oder komplexe Umrechnungsmethoden benötigen zu müssen.

• Immunität gegenüber Streufeldern: Diese Instrumente sind grundsätzlich resistent gegen den Einfluss von Streufeldern. Diese Immunität gewährleistet präzisere und verlässlichere Messungen, da externe magnetische Störungen den Betrieb des Instruments nicht beeinflussen oder die Ergebnisse verzerren. In Umgebungen, in denen magnetische Störungen häufig sind, wie in der Nähe von elektrischen Maschinen oder Stromleitungen, wird dieser Vorteil besonders bedeutsam.

• Breiter Strommessbereich: Die in diesen Instrumenten eingesetzten thermoelektrischen Elemente ermöglichen eine breite Palette von Strommessungen. Ob bei niedrig- oder hochstromfähigen Anwendungen, thermoelektrische Instrumente können die relevanten Werte präzise erfassen und anzeigen, was sie für verschiedene elektrische Systeme und experimentelle Aufbauten vielseitig nutzbar macht.

• Hohe Empfindlichkeit: Thermoelektrische Instrumente weisen eine hohe Empfindlichkeit auf, die es ihnen ermöglicht, selbst kleine Veränderungen in elektrischen Größen zu erkennen. Diese Empfindlichkeit ist entscheidend für präzise Messungen in Anwendungen, in denen geringfügige Variationen in Spannung oder Strom signifikante Auswirkungen haben, wie in Forschungslaboratorien oder bei der Kalibrierung anderer elektrischer Geräte.

• Kalibrierverwendung für Potentiometer: Sie sind extrem nützlich zur Kalibrierung von Potentiometern. Indem sie die Genauigkeit einer Standardzelle nutzen, können thermoelektrische Instrumente dazu beitragen, die korrekte Funktionsweise und Genauigkeit von Potentiometern sicherzustellen, die in vielen elektrischen Schaltkreisen für Spannungsregelung und -messung unerlässlich sind.

• Frequenzunabhängiger Betrieb: Thermoelektrische Elemente sind frei von Frequenzfehlern, was es diesen Instrumenten ermöglicht, in einem weiten Frequenzbereich eingesetzt zu werden. Diese Eigenschaft macht sie geeignet für Anwendungen, die Wechselstromsignale (AC) mit variierenden Frequenzen umfassen, von Niederfrequenz-Netzwerken bis hin zu Hochfrequenz-Schaltkreisen.

Nachteile thermoelektrischer Instrumente

Trotz ihrer zahlreichen Stärken haben thermoelektrische Instrumente eine bemerkenswerte Einschränkung:

• Geringe Überlastkapazität: Im Vergleich zu anderen Arten von elektrischen Messkomponenten haben thermoelektrische Instrumente eine relativ geringe Überlastkapazität. Das bedeutet, dass sie anfälliger für Schäden oder ungenaue Messwerte sind, wenn sie elektrischen Strömen oder Spannungen ausgesetzt sind, die ihre zulässigen Grenzen überschreiten. Daher müssen bei der Verwendung dieser Instrumente in Anwendungen, in denen Überlastbedingungen auftreten können, sorgfältige Überlegungen und angemessene Schutzmaßnahmen getroffen werden, um mögliche Instrumentenversagen oder beeinträchtigte Messgenauigkeit zu vermeiden.