Lämpöpariinstrumentti

Määritelmä

Termopari-instrumentti on mittaustilaus, joka käyttää termoparia lämpötilan, sähkövirran ja jännitteen määrittämiseen. Tämä monipuolinen laite pystyy tekemään mittauksia sekä vaihtovirta- (AV) että suoravirtapiireissä (SV), mikä tekee siitä arvokkaan työkalun laajalle sovellusalueelle.

Termoparin perusteet

Termopari on sähkölaite, joka koostuu kahdesta eri metallista valmistetusta jästestä. Sen toiminnallisuus perustuu perusperiaatteeseen: kohdassa, jossa nämä kaksi erilaista metallia kohtaavat, lämmön energia muuntautuu sähköenergiaksi. Tätä ilmiötä, tunnettua Seebeckin vaikutuksena, käytetään termopari-instrumenttien toiminnan perustana, mikä mahdollistaa niiden tarkat lämpötila- ja muut sähköparametrimittaukset hyödyntämällä metalliyhdisteissä luotua sähköpotentiaalia.

Toimintamekanismi

Sähkövirran suuruuden mittaamiseksi virra ohjataan termoparin yhdistekohdan kautta. Kun virta kulkee, se tuottaa lämmön lämmityselementissä. Vastauksena termopari aiheuttaa sähkömotorisena voiman (emf) sen ulosmenojen välillä. Tämä aiheutettu emf mitataan Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) -instrumentilla. Tämän emf:n suuruus on suoraan verrannollinen sekä termoparin yhdistekohdan lämpötilaan että mitatun virran neliökeskiarvoon (RMS).

Tärkeimmät etumat

Yksi termopari-instrumenttien huomattavimmista etuista on niiden soveltuvuus korkean taajuuden sähkövirran ja jännitteen mittauksiin. Nämä instrumentit näyttävät parannettua tarkkuutta frekvenssien yli 50 Hz käsittelyssä, mikä tekee niistä ideaaleja sovelluksissa, joissa korkean taajuuden sähköparametreja on määriteltävä tarkasti.

Termoelektristen instrumenttien toimintaperiaate

Lämpöemf:n tuotanto tapahtuu piirissä, joka koostuu kahdesta erilaisesta metallista. Metallien yhdistekohdan lämpötilalla on keskeinen rooli yleisessä toiminnassa ja se on avainparametri ymmärtääksesi, miten laite toimii.

Olkoon a ja b vakioita, jonka arvot määräytyvät termoparin käyttämien metallien ominaisuuksista. Yleensä a:n arvo on noin 40–50 mikrovoltia, kun taas b:n arvo on muutaman kymmenesosan tai satojen mikrovoltien välissä astetta celsiusa neliöllä μV/C°2.

Merkitse Δθ kuin lämpötilaero termoparin kuumalla ja kylmällä yhdistekohdalla. Tämän perusteella voidaan johtaa relevantit lämpötila-aiheiset ilmaisut seuraavasti.

Lämmitysjärjestelmä tuottaa lämmön, ja tuotettavan lämmön määrä on suoraan verrannollinen virran (I) neliökeskiarvon (RMS) neliön ja lämmityselementin vastuksen (R) tulokseen, jota ilmaistaan kaavalla I2R. Seurauksena lämpötilan nousu on myös verrannollinen lämmityselementin tuottamaan lämmölukuun. Tämä suhde on perustavanlaatuinen ymmärtääksesi, miten lämmitysjärjestelmä toimii ja vaikuttaa järjestelmän lämpötilaan, luoden selkeän yhteyden sähköiseen syöttöön ja lämpösyöttöön.

Termopari-instrumentilla on kaksi yhdistekohdat kylmä ja kuumakohdat. Näiden kahden yhdistekohdan ero ilmaistaan

b:n arvo on hyvin pieni verrattuna a:han, joten sitä ei oteta huomioon. Yhdistekohdan lämpötila ilmaistaan

Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) -instrumentin vino on suoraan verrannollinen siihen sähkömotoriseen voimaan (emf), joka aiheutetaan sen terminaalit. Tämä suhde tarkoittaa, että kun aiheutettu emf kasvaa tai vähenee, instrumentin liikkuvan kierukkaa koskeva vino muuttuu vastaavasti. Matemaattisesti liikkuvan kierukan vinon tällaisissa instrumenteissa voidaan ilmaista seuraavalla yhtälöllä, joka sisältää fyysiset periaatteet, jotka hallitsevat instrumentin reaktiota sähköiseen syöttöön.

Tässä ilmaisussa K3 - aK1K2R) tuloksena on vakio. Tämä ominaisuus johtaa siihen, että instrumentti esittää neliölainsidonnaisen vastauksen, mikä tarkoittaa, että instrumentin ulostulo vaihtelee syöttökoon (kuten virran tai jännitteen) neliön mukaan.

Termoelektrisen instrumentin rakennus

Termoelektrinen instrumentti koostuu pääasiassa kahdesta olennaisesta komponentista: termoelektrisestä elementistä ja osoitusinstrumentista. Nämä kaksi osaa toimivat yhdessä mahdollistaakseen sähköisten ja lämpömittausten tarkkoja mittaustuloksia.

Termoelektriset elementit

Neljä erilaista termoelektristä elementtiä on yleisesti käytössä termopari-instrumenteissa. Jokaisella tyypillä on omat ainutlaatuiset ominaisuudet ja toimintaperiaatteet, jotka ovat yksityiskohtaisesti kuvattu alla.

Yhteyshenkilötyyppi

Yhteyshenkilötyyppinen termoelektrinen elementti käyttää erillistä lämmitysjärjestelmää. Kuvan mukaan termoparin yhdistekohda tuodaan suoraan fysikaaliseen yhteyteen lämmitysjärjestelmään. Tämä suora yhteys helpottaa tehokasta lämmönsiirtymää lämmitysjärjestelmästä termoparin yhdistekohdalle, mikä on avainasemassa lämmöenergian tarkan muuntamisessa sähköiseksi signaaliksi (sähkömotoriseksi voimaksi eli emf:ksi), joka voidaan mitata osoitusinstrumentilla.

Sähkölämmityselementin funktiot

Sähkölämmityselementillä on seuraavat kriittiset tehtävät termoelektrisessä instrumentissa:

• Energiamuunnos: Se toimii avainkomponenttina sähköisen energian muuntamisessa lämpöenergiaksi. Tämä muunnos on ensimmäinen askel prosessissa, joka mahdollistaa sähköisten määritysten mittaamisen lämpövaikutusten avulla.

• Termoelektrinen muunnos: Lämmityselementin tuottaman lämmönenergian käyttäen Seebeckin vaikutuksen avulla lämpöenergia muuntautuu sähköenergiaksi. Tämä muunnos tapahtuu termoparin yhdistekohdassa, jossa kuuman ja kylmän yhdistekohdan lämpötilaero luo sähkömotorisen voiman (emf).

• Instrumentin toiminta: Termoparin ulostuloterminalit yhdistetään Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) -instrumenttiin. Vähäinen määrä tuotettua sähköenergiaa käytetään osoitusinstrumentin nuolen poikkipaineen muodostamiseen. Tämä energia tallennetaan instrumentin kevyen kehon sisällä, mikä auttaa ylläpitämään nuolen asentoa ja osoittamaan mitatun arvon.

Termoelektristen elementtien tyypit

Ei-yhteyshenkilötyyppinen instrumentti

Ei-yhteyshenkilötyyppisissä termoelektrisissä instrumenteissa ei ole suoraa sähköistä yhteyttä lämmityselementin ja termoparin välillä. Sen sijaan nämä kaksi komponenttia on erotettu sähköisen eristyskerroksen avulla. Vaikka tämä eristyseriste antaa sähköisen eristyksen, sillä on huomattava vaikutus instrumentin suorituskykyyn. Yhteyshenkilötyyppisiä instrumentteja verrattuna ei-yhteyshenkilötyyppinen suunnitelma tekee järjestelmästä vähemmän herkkää mitatun määrityksen muutoksille ja johtaa hitaampaan vastauksenaikaan. Tämä johtuu lämmönsiirtymän tehottomuudesta lämmityselementistä termopariin eristyseristeen läsnäolon vuoksi.

Tyhjiötermoelementti

Tyhjiöputkilapohjaisissa termoelektrisissä instrumenteissa sekä lämmitysjärjestelmä että termopari suljetut tyhjiölasiputkiin. Tämä tyhjiöympäristö parantaa merkittävästi instrumentin tehokkuutta. Ilman läsnäolon poistamalla vähennetään lämmön menetyksiä konvektion ja johtumisen kautta. Tämän seurauksena lämmitysjärjestelmä voi säilyttää lämmönsä pidempään, varmistamalla vakaimman ja jatkuvan lämmönlähde termoparille. Tämä lämmön tuotannon vakaus johtaa tarkempiin ja luotettavampiin mittauksiin ajan myötä.

Silta-tyyppi

Silta-tyyppisissä termoelektrisissä instrumenteissa sähkövirta kulkee suoraan termoparin kautta. Kun virta kulkee, se aiheuttaa termoparin lämpötilan nousun. Tämän lämpötilan nousun suuruus on suoraan verrannollinen virran neliökeskiarvoon (RMS). Tämä suora suhde virran, lämpötilamuutoksen ja termoparin tuottaman sähköisen ulostulon välillä muodostaa perustan, jolla nämä instrumentit mittaavat sähköisiä määrityksiä tarkasti ja tehokkaasti eri mittaussovelluksissa.

Termoelektristen instrumenttien edut

Termoelektriset instrumentit tarjoavat useita huomattavia etuja, mikä tekee niistä arvokkaita työkaluja sähköisten mittausten ja analyysien kannalta:

• Suora RMS-indikaattori: Yksi avainetujen on kyky näyttää suoraan sähkövirran ja jännitteen neliökeskiarvot (RMS) aallokulmassa. Tämä ominaisuus yksinkertaistaa mittaustulosta, mahdollistaen käyttäjien nopean ja tarkan määrittelyn näitä keskeisiä sähköisiä parametreja ilman lisälaskutoimituksia tai monimutkaisia muuntomenetelmiä.

• Immuunita satunnaisille magneettikentille: Nämä instrumentit ovat luonteeltaan vastustuskykyisiä satunnaisille magneettikentille. Tämä immuunius varmistaa tarkemmat ja luotettavammat mittaukset, sillä ulkopuoliset magneettihäiriöt eivät vaikuta instrumentin toimintaan tai vääristä tuloksia. Magneettihäiriöiden yleisissä ympäristöissä, kuten sähkökoneiden tai sähkölinjojen lähellä, tämä etu saa erityisen merkityksen.

• Laaja virramitta-alue: Termoelektrisissä elementeissä käytetty instrumentti mahdollistaa laajan virramitta-alueen. Olipa kyse alhaisen- tai korkeanvirran sovelluksista, termoelektriset instrumentit voivat tarkasti havaita ja näyttää relevanteja arvoja, mikä tekee niistä monipuolisia eri sähköjärjestelmille ja kokeellisille asetuksille.

• Korkea herkkyys: Termoelektriset instrumentit näyttävät korkeaa herkkyysastetta, mikä mahdollistaa niiden havaitsemisen jopa pieniä sähköisten määritysten muutoksia. Tämä herkkyys on keskeistä tarkoille mittauksille sovelluksissa, joissa minuuttivaihtelut jännitteessä tai virrassa voivat olla merkittäviä, kuten tutkimuslaboratorioissa tai muiden sähköisten laitteiden kalibroinnissa.

• Potentiometrin kalibrointityökalu: Ne ovat erittäin hyödyllisiä potentiometrien kalibroinnissa. Standardicellin tarkkuuden hyödyntämällä termoelektriset instrumentit voivat varmistaa potentiometrien oikean toiminnan ja tarkkuuden, jotka ovat olennaisia komponentteja monissa sähköisissä piireissä jännitteen säädössä ja mittaamisessa.

• Taajuusriippumaton toiminta: Termoelektriset elementit ovat vapaita taajuusvirheistä, mikä mahdollistaa näiden instrumenttien käytön laajalla taajuusalueella. Tämä ominaisuus tekee niistä sopivia sovelluksiin, jotka sisältävät vaihtovirta- (AV) signaaleja eri taajuuksilla, alhaalta taajuudelta sähköjärjestelmissä korkeaan taajuuteen elektronisissa piireissä.

Termoelektristen instrumenttien haitat

Huolimatta monista vahvuudestaan, termoelektrisillä instrumenteilla on yksi huomattava rajoitus:

• Rajoitettu ylikuormituskyky: Muihin sähköisiin mittaustelementteihin verrattuna termoelektriset instrumentit ovat suhteellisen alhaisella ylikuormituskyvyltään. Tämä tarkoittaa, että ne ovat alttiimpia vahingoitukselle tai epätarkoille lukemuksille, kun ne altistuvat sähkövirtoille tai jännitteille, jotka ylittävät niiden suunnitellut rajat. Tämän seurauksena on huolellista harkintaa ja asianmukaisia suojauskäytäntöjä käytettävä, kun näitä instrumentteja käytetään sovelluksissa, joissa ylikuormitusolosuhteet saattavat esiintyä, välttääksesi mahdollisen instrumentin epäonnistumisen tai mittausluotettavuuden heikkenemisen.