Termoelementide seade

Definitsioon

Termoelementidega mõõtur on mõõtevahend, mis kasutab termoelementi temperatuuri, voolu ja pinget määramiseks. See mitmekülgne seade suudab mõõtida nii võnkuvvoolu (AC) kui ka otsvoolu (DC) tsüklites, muutes selle väärtuslikuks laia valikutena rakendustes.

Termoelementide põhitõed

Termoelement on elektriline seade, mis koosneb kahest erinevast metallist. Selle funktsioonilisus põhineb põhiline printsiip: kohal, kus need kaks erinevat metalli kohtuvad, soojusenergia teisendatakse elektrivooluks. See fenomen, tuntud kui Seebecki efekt, moodustab termoelementidega mõõturite toimimise aluse, võimaldades neil täpselt mõõta temperatuuri ja teisi elektrilisi parameetreid, kasutades selleks elektrilist potentsiaali, mille genereeritakse metallide ühenduskohas.

Toimimismeetod

Selleks, et mõõta elektrivoolu suurust, läbib mõõdetav vool termoelementide ühenduskoha. Kuna vool liigub, genereeritakse soojus küttele. Vastusel termoelement induktseerib elektromotorkõnd (emf) oma väljundkontaktidel. See induktseeritud emf mõõdetakse järgmiselt: Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) seadmega. Selle emf suurus on otseproportsionaalne nii termoelementide ühenduskoha temperatuurile kui ka mõõdetava voolu ruutkeskmisele (RMS) väärtusele.

Omadused

Üks termoelementidega mõõturite märgatavamaid eeliseid on nende sobivus kõrge sagedusega voolu ja pingemõõtmiseks. Need seadmed näitavad suuremat täpsust sagedustega, mis on kõrgemad kui 50Hz, mis muudab need ideaalsed rakendustes, kus on vaja täpselt määra kõrge sagedusega elektrilisi parameetreid.

Termoelektriliste seadmete toimimisprintsiip

Termo-elektrilise jõu tekkimine toimub ringis, mis koosneb kahest erinevast metallist. Metallide ühenduskoha temperatuur mängib olulist rolli seadme üldises toimimises ja on oluline parameeter, et mõista, kuidas seade toimib.

Olgu a ja b konstandid, mille väärtused määratakse termoelementides kasutatavate metallide omaduste kaudu. Tavaliselt on a väärtus 40-50 mikrovolti, samas kui b väärtus on paaris kümnendite kuni sadade mikrovoltide vahemikus kraadi celsiusi ruudu kohta μV/C°2.

Tähistagem Δθ termoelementide soojema ja külmema ühenduskoha temperatuurierinevusega. Põhjalikult saab leida järgmised temperatuuri-seosed.

Kütteelement genereerib soojust, ja genereeritud soojuse hulk on otseproportsionaalne voolu (I) ruutkeskmise (RMS) väärtuse ruuduga ja kütteelementi vastusega (R), mida väljendatakse valemiga I2R. Seega on temperatuuri tõus ka otseproportsionaalne kütteelementi poolt genereeritud soojusega. See suhe on fundamentaalne, et mõista, kuidas kütteelement toimib ja mõjutab temperatuuri süsteemis, luues selge seose elektrilise sisendi ja soojuslike väljundi vahel.

Termoelementidega mõõturil on kaks ühenduskoha: külm ja soe. Nende kahe ühenduskoha erinevus väljendatakse järgmiselt:

Väärtus b on väga väike võrreldes a-ga ja seetõttu seda ignoreeritakse. Ühenduskoha temperatuur väljendatakse järgmiselt:

Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) seadme vihmlemine on otseproportsionaalne selle kontaktidele induktseeritud elektromotorkõndiga (emf). See suhe tähendab, et kui induktseeritud emf suureneb või väheneb, muutub seadme liikuva spiraali vihmlemine vastavalt. Matemaatiliselt saab selliste seadmete liikuva spiraali vihmlemist väljendada järgmise võrrandiga, mis hõlmab füüsikalisi printsiipe, mis režuleerivad seadme reageerimist elektrilisele sisendile.

Siin avaldis K3 - aK1K2R annab konstantse väärtuse. See omadus tekitab seadmes ruutseaduspärase reageerimise, mis tähendab, et seadme väljund muutub sisendkoguse (näiteks vool või ping) ruudu järgi.

Termoelektriliste seadmete ehitus

Termoelektriline seade koosneb peamiselt kahest olulisest komponendist: termoelektrilisest elemendist ja näitajaseadmest. Need kaks osa töötavad koos, et võimaldada täpset mõõtmist elektrilistest ja soojuslikest kogustest.

Termoelektrilised elemendid

Neli erinevat tüüpi termoelektrilisi elemente on tavaliselt kasutuses termoelementidega mõõturites. Iga tüüp oma unikaalsete omadustega ja toimimisprintsiipidega, mida detailsemalt kirjeldatakse allpool.

Kontaktitüüp

Kontaktitüübilisel termoelektrilisel elemendil on eraldi kütteelement. Järgnevates joonistes näidatakse, kuidas termoelementide ühenduskoha tuuakse otse füüsilise kontakti kütteelementiga. See otsekontakt võimaldab tõhusat soojuse edastamist kütteelementist termoelementide ühenduskohale, mis on oluline, et täpselt teisendada kütteelementi poolt genereeritud soojusenergiat elektriliseks signaaliks (elektromotorkõndina emf), mida näitajaseade mõõtab.

Elektrilise kütteelementi funktsioonid

Elektrilisel kütteelementil on järgmised kriitilised ülesanded termoelektrilistes seadmetes:

• Energiateisendus: See on võti elektrilise energiategurite teisendamiseks soojusenergiaks. See teisendus on esimene samm protsessis, mis võimaldab mõõta elektrilisi koguseid soojuslike mõjude abil.

• Termoelektriline teisendus: Kasutades Seebecki efekti, teisendatakse kütteelemendil genereeritud soojusenergia elektriliseks energiaks. See teisendus toimub termoelementide ühenduskohas, kus soe ja külm ühenduskoha temperatuurierinevus loob elektromotorkõndi (emf).

• Seadme toimimine: Termoelementide väljundkontaktid on ühendatud Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) seadmega. Vähesed elektrilised energiategurid, mida genereeritakse, kasutatakse PMMC seadme vihmlemiseks. See energia säilitatakse seadme veeranduses, mis aitab hoolda vihjapinna asendit ja näidata mõõdetud väärtust.

Termoelektriliste elementide tüübid

Mittekontaktitüübilised seadmed

Mittekontaktitüübilistes termoelektrilistes seadmetes ei ole otsest elektrilist ühendust kütteelementi ja termoelementi vahel. Ainsaid komponente eraldab elektriline eralduskiht. Kuigi see eraldus andis elektrilise isolatsiooni, mõjutas see oluliselt seadme toimimist. Kontaktitüübi võrreldes muutub mittekontaktitüüp seadmete vastus mõõdetavate koguste muutustele aeglasemaks. See on tingitud sellest, et soojuse edastamine kütteelementist termoelementi on vähem tõhus, kuna eralduskiht takistab soojuse levikut.

Vakuumi termoelement

Vakuumpüstitel põhinevates termoelektrilistes seadmetes on nii kütteelement kui ka termoelement sisse pandud evakueeritud klaaspuhas. See vakuumikeskkond suurendab oluliselt seadme tõhusust. Õhukihist vabanemine vähendab soojuse kadumist konvektsiooni ja juhtimise kaudu. Seetõttu saab kütteelement säilitada oma soojust pikemaks ajaks, tagades stabiilima ja regulaarsema soojuse allikase termoelementidele. See stabiilsus soojuse genereerimises viib kauaaegsete ja täpsete mõõtmistega.

Silindrilise tüübi

Silindrilistes termoelektrilistes seadmetes liigub elektrivool otse termoelementide kaudu. Kuna vool liigub, tõstab see termoelementide temperatuuri. Selle temperatuuri tõusu suurus on otseproportsionaalne voolu ruutkeskmise (RMS) väärtusega. See otsemine suhe voolu, temperatuuri muutuse ja tulemuseks saanud termoelementide elektrilise väljundi vahel moodustab põhja, kuidas need seadmed täpselt mõõtavad elektrilisi koguseid, pakkudes usaldusväärset ja tõhusat meetodit erinevateks mõõtmisrakendusteks.

Termoelektriliste seadmete eelised

Termoelektrilised seadmed pakuvad mitmeid märgatavaid eeliseid, mis muudavad need väärtuslikuks vahendiks elektriliste mõõtmiste ja analüüside tegemisel:

• Otseine RMS näitamisviis: Üks olulisi eeliseid on võime otse näidata voolu ja pingeväärtuste ruutkeskmist (RMS) lainekujul. See omadus lihtsustab mõõtmisprotsessi, võimaldades kasutajatel kiiresti ja täpselt määrata need olulised elektrilised parameetrid ilma lisarägelduste või keeruliste teisendusmeetodite vajalikuks jäädamata.

• Immunitas rändavate magnetväliste mõjude vastu: Need seadmed on inheerentselt vastupidavad rändavate magnetväliste mõjudele. See immunitas tagab täpsemad ja usaldusväärsemad mõõtmised, kuna välised magnetilised segadused ei sega seadme toimimist ega moonuta tulemusi. Olukordades, kus magnetilised segadused on tavalised, nagu elektriseadmete või elektriliinide lähedal, saab see eelis eriti oluliseks.

• Lai voolu mõõtmise ulatus: Termoelektrilistes elementides kasutatavad seadmed võimaldavad laia valikutena voolu mõõtmist. Olgu tegemist madala voolu või kõrge vooluga rakendustega, termoelektrilised seadmed suudavad täpselt mõõta ja näidata vastavaid väärtusi, muutes need universaalseteks erinevates elektrilistes süsteemides ja eksperimentaarsetes paigutustes.

• Kõrge tundlikkus: Termoelektrilised seadmed näitavad kõrget tundlikkust, võimaldades neil tuvastada isegi väikeseid muutusi elektrilistes kogustes. See tundlikkus on oluline täpsete mõõtmiste tegemisel rakendustes, kus minimaalsed variatsioonid voltagis või voolus võivad omada olulist mõju, nagu teaduslaborites või teiste elektriliste seadmete kalibreerimisel.

• Potentsiomeetri kalibreerimise kasutusvõimalus: Need on äärmiselt kasutajasõbralikud potentsiometrite kalibreerimiseks. Kasutades standardse akunäitajaga, aitavad termoelektrilised seadmed tagada potentsiometrite õige toimimise ja täpsuse, mis on olulised komponendid paljudes elektrilistes tsüklites voltagi reguleerimiseks ja mõõtmiseks.

• Sagedusest sõltumatu toimimine: Termoelektrilised elemendid on vabad sagedusevigadest, võimaldades nende seadmete kasutamist laia valikutena sageduste vahel. See omadus muudab need sobivaks rakendusteks, mis hõlmavad erinevaid sagedusi, alates madalasageduslikest elektrivooludest kuni kõrgesageduslikesse elektronilistesse tsüklitesse.

Termoelektriliste seadmete puudused

Hoolimata paljudest tugevustest, on termoelektrilised seadmed ühe märgatava piiranguga:

• Piiratud ületõmmeldusvõime: Võrreldes teiste elektriliste mõõteelementidega, on termoelektrilised seadmed suhteliselt madalal ületõmmeldusvõimega. See tähendab, et nad on tundlikumad kahjustuste või ebatäpsete näitajate ees, kui neile antakse elektrivoolu või pingi, mis ületavad nende määratud limiite. Seetõttu tuleb nende seadmete kasutamisel rakendustes, kus võivad esineda ületõmmeldusolukorrad, hoolikalt kaaluda ja rakendada sobivaid kaitsemeetodeid, et vältida seadme vigastumist või mõõtmistäpsuse halvenemist.