دستگاه حرارت‌کوپل
تعریف
دستگاه حرارت‌کوپل به عنوان وسیله‌ای برای اندازه‌گیری دما، جریان و ولتاژ تعریف می‌شود که از یک حرارت‌کوپل استفاده می‌کند. این دستگاه چند منظوره قادر به انجام اندازه‌گیری‌ها در مدارهای جریان متناوب (AC) و مستقیم (DC) است، که آن را به ابزاری با ارزش در طیف وسیعی از کاربردها تبدیل می‌کند.
اصول پایه‌ای حرارت‌کوپل
حرارت‌کوپل یک دستگاه الکتریکی است که شامل دو سیم از فلزات مختلف است. عملکرد آن بر اساس اصل اساسی‌ای بنا شده است: در محل اتصال این دو فلز متفاوت، انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این پدیده که به نام اثر زیبک شناخته می‌شود، پایه عملکرد دستگاه‌های حرارت‌کوپل است و به آن‌ها اجازه می‌دهد با استفاده از پتانسیل الکتریکی تولید شده در محل اتصال فلزات، دما و سایر پارامترهای الکتریکی را به صورت دقیق اندازه‌گیری کنند.
مکانیسم عملکرد
برای اندازه‌گیری مقدار جریان الکتریکی، جریان مورد اندازه‌گیری از محل اتصال حرارت‌کوپل عبور می‌کند. هنگامی که جریان عبور می‌کند، گرما در المان گرمکن تولید می‌شود. در پاسخ، حرارت‌کوپل یک نیروی الکتروموتوری (emf) در پایانه‌های خروجی خود القا می‌کند. این emf القایی سپس با استفاده از دستگاه دائم‌مغناطیسی متحرک‌میله‌ای (PMMC) اندازه‌گیری می‌شود. مقدار این emf مستقیماً متناسب با دمای محل اتصال حرارت‌کوپل و مقدار ریشه‌میانگین مربع (RMS) جریان اندازه‌گیری شده است.
مزایای کلیدی
یکی از مزایای قابل توجه دستگاه‌های حرارت‌کوپل، مناسب بودن آن‌ها برای اندازه‌گیری جریان و ولتاژ با فرکانس بالا است. این دستگاه‌ها در مقایسه با فرکانس‌های بالاتر از ۵۰ هرتز دقت بیشتری دارند، که آن‌ها را برای کاربردهایی که نیاز به تعیین دقیق پارامترهای الکتریکی با فرکانس بالا دارند، مناسب می‌کند.
اصول عملکرد دستگاه‌های ترموالکتریک
تولید emf گرمایی در یک مدار شامل دو فلز متفاوت رخ می‌دهد. دمای محل اتصال این فلزات نقش مهمی در عملکرد کلی و پارامتر کلیدی در فهم نحوه عملکرد دستگاه دارد.
فرض کنید a و b ثابت‌هایی هستند که مقادیر آن‌ها توسط ویژگی‌های فلزات استفاده شده در حرارت‌کوپل تعیین می‌شوند. معمولاً مقدار a بین ۴۰ تا ۵۰ میکروولت متغیر است، در حالی که b مقداری در محدوده چند دهم تا صدها میکروولت درجه سانتیگراد مربع μV/C°2 دارد.
Δθ را به عنوان تفاوت دمایی بین محل‌های گرم و سرد حرارت‌کوپل در نظر بگیرید. بر اساس این، عبارات مربوط به دما به صورت زیر مشتق می‌شوند.
گرمکن گرما تولید می‌کند و مقدار گرما تولید شده مستقیماً متناسب با حاصلضرب مربع مقدار ریشه‌میانگین (RMS) جریان (I) و مقاومت (R) المان گرمکن است، که با فرمول I2R بیان می‌شود. بنابراین، افزایش دما نیز متناسب با گرما تولید شده توسط المان گرمکن است. این رابطه برای درک نحوه عملکرد گرمکن و تأثیر آن بر دما در سیستم اساسی است و ارتباط روشنی بین ورودی الکتریکی و خروجی گرمایی ایجاد می‌کند.
دستگاه حرارت‌کوپل دو محل اتصال سرد و گرم دارد. تفاوت بین این دو محل اتصال به صورت زیر بیان می‌شود
مقدار b نسبت به a بسیار کوچک است و بنابراین نادیده گرفته می‌شود. دمای محل اتصال به صورت زیر بیان می‌شود
انحراف دستگاه دائم‌مغناطیسی متحرک‌میله‌ای (PMMC) مستقیماً متناسب با نیروی الکتروموتوری (emf) القایی در پایانه‌های آن است. این رابطه به این معنی است که با افزایش یا کاهش emf القایی، انحراف میله متحرک دستگاه به صورت متناظر تغییر می‌کند. ریاضیاً، انحراف میله متحرک در چنین دستگاه‌هایی می‌تواند با معادله زیر بیان شود که اصول فیزیکی حاکم بر پاسخ دستگاه به ورودی الکتریکی را در بر می‌گیرد.
در اینجا، عبارت K3 - aK1K2R) به یک مقدار ثابت منجر می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود دستگاه پاسخ مربعی داشته باشد، یعنی خروجی دستگاه متناسب با مجذور مقدار ورودی (مانند جریان یا ولتاژ) تغییر می‌کند.
ساختار دستگاه ترموالکتریک
یک دستگاه ترموالکتریک عمدتاً از دو مولفه اساسی تشکیل شده است: المان ترموالکتریک و دستگاه نشان‌دهنده. این دو بخش با هم همکاری می‌کنند تا اندازه‌گیری دقیق مقادیر الکتریکی و گرمایی را ممکن سازند.
المان‌های ترموالکتریک
چهار نوع متمایز از المان‌های ترموالکتریک معمولاً در دستگاه‌های حرارت‌کوپل استفاده می‌شود. هر نوع ویژگی‌ها و اصول عملکردی خاص خود را دارد که در ادامه توضیح داده می‌شود.
نوع تماسی
المان ترموالکتریک تماسی از یک گرمکن جداگانه استفاده می‌کند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، محل اتصال حرارت‌کوپل به طور مستقیم با گرمکن تماس فیزیکی دارد. این تماس مستقیم تسهیل‌کننده انتقال گرما از گرمکن به محل اتصال حرارت‌کوپل است که برای تبدیل دقیق انرژی گرمایی تولید شده توسط گرمکن به سیگنال الکتریکی (نیروی الکتروموتوری یا emf) که توسط دستگاه نشان‌دهنده اندازه‌گیری می‌شود، ضروری است.
وظایف المان گرمکن الکتریکی
المان گرمکن الکتریکی وظایف حیاتی زیر را در یک دستگاه ترموالکتریک ایفا می‌کند:
تبدیل انرژی: به عنوان مؤلفه کلیدی در تبدیل انرژی الکتریکی به گرما عمل می‌کند. این تبدیل مرحله اولیه در فرآیندی است که امکان اندازه‌گیری مقادیر الکتریکی با استفاده از اثرات گرمایی را فراهم می‌کند.
تبدیل ترموالکتریک: با استفاده از اثر زیبک، انرژی گرما تولید شده توسط المان گرمکن سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این تبدیل در محل اتصال حرارت‌کوپل رخ می‌دهد که تفاوت دمایی بین محل‌های گرم و سرد یک نیروی الکتروموتوری (emf) ایجاد می‌کند.
عملکرد دستگاه: پایانه‌های خروجی حرارت‌کوپل به یک دستگاه دائم‌مغناطیسی متحرک‌میله‌ای (PMMC) متصل می‌شوند. مقدار کمی از انرژی الکتریکی تولید شده برای انحراف نشانه‌گر PMMC استفاده می‌شود. این انرژی در فنر دستگاه ذخیره می‌شود که به حفظ موقعیت نشانه‌گر و نشان دادن مقدار اندازه‌گیری شده کمک می‌کند.
نوع‌های المان‌های ترموالکتریک
دستگاه غیرتماسی
در دستگاه‌های ترموالکتریک غیرتماسی، هیچ اتصال الکتریکی مستقیمی بین المان گرمکن و حرارت‌کوپل وجود ندارد. به جای آن، این دو مؤلفه با یک لایه عایق الکتریکی جدا شده‌اند. در حالی که این عایق عایق‌بندی الکتریکی ایجاد می‌کند، تأثیر قابل توجهی بر عملکرد دستگاه دارد. در مقایسه با دستگاه‌های تماسی، طراحی غیرتماسی سیستم را کمتر حساس به تغییرات مقدار اندازه‌گیری شده و باعث می‌شود زمان پاسخ کندتر باشد. این به این دلیل است که انتقال گرما از المان گرمکن به حرارت‌کوپل به دلیل وجود موانع عایق‌بندی کمتر کارآمد است.
المان ترموالکتریک خلاء
در دستگاه‌های ترموالکتریک مبتنی بر لامپ خلاء، هر دو گرمکن و حرارت‌کوپل در یک لوله شیشه‌ای خلاء شده قرار دارند. محیط خلاء به طور قابل توجهی کارایی دستگاه را افزایش می‌دهد. با حذف حضور هوا، گم شدن گرما از طریق جابجایی و هدایت کاهش می‌یابد. در نتیجه، گرمکن می‌تواند گرمای خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ کند و یک منبع گرما پایدار و مداوم برای حرارت‌کوپل فراهم کند. این پایداری در تولید گرما منجر به اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر و قابل اعتمادتر در طول زمان می‌شود.
نوع پلی
در دستگاه‌های ترموالکتریک پلی، جریان الکتریکی مستقیماً از حرارت‌کوپل عبور می‌کند. هنگامی که جریان عبور می‌کند، دمای حرارت‌کوپل افزایش می‌یابد. مقدار این افزایش دما مستقیماً متناسب با مقدار ریشه‌میانگین (RMS) جریان است. این رابطه مستقیم بین جریان، تغییر دما و خروجی الکتریکی ناشی از حرارت‌کوپل پایه عملکرد این دستگاه‌ها برای اندازه‌گیری دقیق مقادیر الکتریکی است و روشی قابل اعتماد و کارآمد برای کاربردهای مختلف اندازه‌گیری فراهم می‌کند.
مزایای دستگاه‌های ترموالکتریک
دستگاه‌های ترموالکتریک چندین مزیت قابل توجهی دارند که آن‌ها را به ابزارهای ارزشمندی در اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل الکتریکی تبدیل می‌کند:
نشان‌دهی مستقیم RMS: یکی از مزایای کلیدی توانایی نمایش مستقیم مقادیر ریشه‌میانگین (RMS) ولتاژ و جریان در موج است. این ویژگی فرآیند اندازه‌گیری را ساده می‌کند و به کاربران امکان می‌دهد این پارامترهای الکتریکی مهم را به سرعت و با دقت تعیین کنند بدون نیاز به محاسبات اضافی یا روش‌های تبدیل پیچیده.
مقاومت در برابر میدان‌های مغناطیسی تصادفی: این دستگاه‌ها به طور ذاتی مقاوم در برابر تأثیر میدان‌های مغناطیسی تصادفی هستند. این مقاومت باعث اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر و قابل اعتمادتر می‌شود، زیرا اختلالات مغناطیسی خارجی عملکرد دستگاه یا نتایج آن را اغتشاش نمی‌دهند. در محیط‌هایی که اختلال مغناطیسی معمول است، مانند نزدیک به ماشین‌آلات الکتریکی یا خطوط برق، این مزیت به ویژه مهم می‌شود.
محدوده گسترده اندازه‌گیری جریان: المان‌های ترموالکتریک استفاده شده در این دستگاه‌ها امکان اندازه‌گیری محدوده گسترده‌ای از جریان را فراهم می‌کنند. چه در کاربردهای با جریان پایین یا بالا، دستگاه‌های ترموالکتریک می‌توانند مقادیر مربوطه را به صورت دقیق ضبط و نمایش دهند، که آن‌ها را برای سیستم‌های الکتریکی مختلف و تنظیمات آزمایشی چند منظوره می‌کند.
حساسیت بالا: دستگاه‌های ترموالکتریک حساسیت بالایی دارند که به آن‌ها امکان می‌دهد حتی تغییرات کوچک در مقادیر الکتریکی را شناسایی کنند. این حساسیت برای اندازه‌گیری‌های دقیق در کاربردهایی که تغییرات کوچک ولتاژ یا جریان می‌تواند تأثیرات قابل توجهی داشته باشد، مانند آزمایشگاه‌های تحقیقاتی یا کالیبراسیون دستگاه‌های الکتریکی دیگر، ضروری است.
کاربرد در کالیبراسیون پتانسیومتر: این دستگاه‌ها برای کالیبراسیون پتانسیومتر‌ها بسیار مفید هستند. با استفاده از دقت سلول استاندارد، دستگاه‌های ترموالکتریک می‌توانند به اطمینان از عملکرد صحیح و دقت پتانسیومتر‌ها کمک کنند که اجزای ضروری در بسیاری از مدارهای الکتریکی برای تنظیم و اندازه‌گیری ولتاژ هستند.
عملکرد مستقل از فرکانس: المان‌های ترموالکتریک از خطاهای فرکانسی آزاد هستند، که این دستگاه‌ها را برای کاربردهایی که شامل سیگنال‌های جریان متناوب (AC) با فرکانس‌های مختلف است، مناسب می‌کند. این ویژگی آن‌ها را برای کاربردهایی از سیستم‌های برق با فرکانس پایین تا مدارهای الکترونیکی با فرکانس بالا مناسب می‌کند.
نقایص دستگاه‌های ترموالکتریک
با وجود مزایای بسیاری، دستگاه‌های ترموالکتریک یک محدودیت قابل توجه دارند:
ظرفیت بارگیری محدود: در مقایسه با سایر انواع المان‌های اندازه‌گیری الکتریکی، دستگاه‌های ترموالکتریک ظرفیت بارگیری نسبتاً پایینی دارند. این به این معنی است که آن‌ها در مقابل جریان‌ها یا ولتاژهایی که حدود مجاز آن‌ها را تجاوز می‌کنند، آسیب‌پذیرتر و ممکن است خواندن‌های نادرستی داشته باشند. بنابراین، در کاربردهایی که شرایط بارگیری می‌تواند رخ دهد، باید ملاحظات دقیق و اقدامات محافظتی مناسب اتخاذ شود تا از خرابی احتمالی دستگاه یا دقت نامطلوب اندازه‌گیری جلوگیری شود.
