थर्मोकपल उपकरण

परिभाषा

थर्मोकपल उपकरण को एक मापन यंत्र के रूप में परिभाषित किया जाता है जो थर्मोकपल का उपयोग करके तापमान, विद्युत धारा और वोल्टेज का मापन करता है। यह बहुमुखी उपकरण एकसमान विद्युत धारा (DC) और विकल्पित विद्युत धारा (AC) सर्किट दोनों में मापन करने में सक्षम है, इसलिए यह विस्तृत अनुप्रयोगों में एक मूल्यवान उपकरण है।

थर्मोकपल की बुनियादी जानकारी

थर्मोकपल एक विद्युत उपकरण है जो दो अलग-अलग धातुओं से बने तारों से बना होता है। इसकी कार्यक्षमता एक मौलिक सिद्धांत पर आधारित है: जहाँ ये दो असमान धातुएँ मिलती हैं, वहाँ ऊष्मा ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इस घटना, जिसे सीबेक प्रभाव के रूप में जाना जाता है, थर्मोकपल उपकरणों के संचालन का आधार बनाती है, जिससे वे धातु जंक्शन पर उत्पन्न विद्युत संभावना का उपयोग करके तापमान और अन्य विद्युत पैरामीटरों का सटीक मापन कर सकते हैं।

कार्यक्रम

विद्युत धारा के परिमाण को मापने के लिए, मापने वाली धारा को थर्मोकपल के जंक्शन से गुजारा जाता है। जैसे-जैसे धारा बहती है, वह हीटर तत्व में ऊष्मा उत्पन्न करती है। इसके जवाब में, थर्मोकपल अपने आउटपुट टर्मिनल पर एक विद्युत चालक बल (emf) प्रेरित करता है। फिर यह प्रेरित emf को एक निरंतर-चुंबक चलनशील कुंडल (PMMC) उपकरण का उपयोग करके मापा जाता है। इस emf का परिमाण थर्मोकपल जंक्शन पर तापमान और मापी गई धारा के वर्ग माध्य मूल (RMS) मान के साथ सीधे समानुपातिक होता है।

मुख्य लाभ

थर्मोकपल उपकरणों का सबसे उल्लेखनीय लाभ उच्च आवृत्ति वाली विद्युत धारा और वोल्टेज के मापन के लिए उनकी उपयुक्तता है। ये उपकरण 50Hz से अधिक आवृत्तियों के साथ बढ़ी हुई सटीकता प्रदर्शित करते हैं, जिससे उन्हें उच्च आवृत्ति वाले विद्युत पैरामीटरों को सटीकता से निर्धारित करने के लिए आदर्श बनाता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों का कार्य नियम

थर्मल emf का उत्पादन दो असमान धातुओं से बने एक परिपथ में होता है। जहाँ ये धातुएँ मिलती हैं, वहाँ का तापमान समग्र कार्य और उपकरण के कार्य को समझने के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है।

a और b को धातुओं के गुणों पर निर्भर करते हुए निर्धारित स्थिरांक मान लें। आमतौर पर, a का मान 40 से 50 माइक्रोवोल्ट के बीच होता है, जबकि b का मान कुछ दशमलव से सैकड़ों माइक्रोवोल्ट प्रति डिग्री सेल्सियस वर्ग μV/C°2 के बीच होता है।

Δθ को थर्मोकपल के गर्म और ठंडे जंक्शन के बीच का तापमान अंतर दर्शाता है। इसके आधार पर, तापमान-संबंधित व्यंजक निम्न प्रकार से व्युत्पन्न किए जा सकते हैं।

हीटर ऊष्मा उत्पन्न करता है, और उत्पन्न ऊष्मा की मात्रा विद्युत धारा (I) के वर्ग माध्य मूल (RMS) मान और हीटिंग तत्व के प्रतिरोध (R) के उत्पाद के साथ सीधे समानुपातिक होती है, जिसे I2R द्वारा व्यक्त किया जाता है। इस परिणामस्वरूप, तापमान में वृद्धि भी हीटिंग तत्व द्वारा उत्पन्न ऊष्मा के साथ सीधे समानुपातिक होती है। यह संबंध इस बात को समझने के लिए मौलिक है कि हीटर कैसे काम करता है और प्रणाली में तापमान को कैसे प्रभावित करता है, इस प्रकार विद्युत इनपुट और ऊष्मीय आउटपुट के बीच एक स्पष्ट संबंध स्थापित करता है।

थर्मोकपल उपकरण में दो जंक्शन होते हैं - ठंडा और गर्म। इन दो जंक्शनों के बीच का अंतर निम्न प्रकार से व्यक्त किया जाता है:

b का मान a की तुलना में बहुत छोटा होता है, इसलिए इसे नगण्य माना जाता है। जंक्शन पर तापमान निम्न प्रकार से व्यक्त किया जाता है:

निरंतर-चुंबक चलनशील कुंडल (PMMC) उपकरण का विक्षेप उसके टर्मिनल पर प्रेरित विद्युत चालक बल (emf) के साथ सीधे समानुपातिक होता है। यह संबंध यह दर्शाता है कि जैसे-जैसे प्रेरित emf बढ़ता है या घटता है, उपकरण के चलनशील कुंडल का विक्षेप एक संगत ढंग से बदलता है। गणितीय रूप से, ऐसे उपकरणों में चलनशील कुंडल का विक्षेप निम्न समीकरण द्वारा व्यक्त किया जा सकता है, जो उपकरण के विद्युत इनपुट के प्रति प्रतिक्रिया के भौतिक सिद्धांतों को दर्शाता है।

यहाँ, व्यंजक K3 - aK1K2R एक स्थिर मान देता है। यह विशेषता उपकरण को वर्ग-कानून प्रतिक्रिया प्रदान करती है, जिसका अर्थ है कि उपकरण का आउटपुट इनपुट मात्रा (जैसे विद्युत धारा या वोल्टेज) के वर्ग के रूप में बदलता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरण का निर्माण

थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरण मुख्य रूप से दो महत्वपूर्ण घटकों से बना होता है: थर्मोइलेक्ट्रिक तत्व और संकेत उपकरण। ये दो भाग साथ-साथ काम करके विद्युत और ऊष्मीय मात्राओं का सटीक मापन संभव बनाते हैं।

थर्मोइलेक्ट्रिक तत्व

थर्मोकपल उपकरणों में आमतौर पर चार प्रकार के थर्मोइलेक्ट्रिक तत्व उपयोग किए जाते हैं। प्रत्येक प्रकार की अपनी अद्वितीय विशेषताएँ और कार्यक्रम होते हैं, जो नीचे विस्तार से दिए गए हैं।

संपर्क प्रकार

संपर्क-प्रकार थर्मोइलेक्ट्रिक तत्व एक अलग हीटर का उपयोग करता है। नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है कि थर्मोकपल का जंक्शन हीटर के साथ त्याग्य संपर्क में लाया जाता है। यह सीधा संपर्क हीटर से थर्मोकपल जंक्शन तक ऊष्मा के प्रवाह को सुविधाजनक बनाता है, जो ऊष्मीय ऊर्जा को विद्युत संकेत (विद्युत चालक बल या emf) में सटीक रूप से परिवर्तित करने के लिए आवश्यक है, जिसे संकेत उपकरण द्वारा मापा जा सकता है।

विद्युत हीटिंग तत्व के कार्य

थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरण में विद्युत हीटिंग तत्व निम्नलिखित महत्वपूर्ण कार्यों का निर्वाह करता है:

• ऊर्जा का परिवर्तन: यह विद्युत ऊर्जा को ऊष्मीय ऊर्जा में परिवर्तित करने का मुख्य घटक कार्य करता है। यह परिवर्तन विद्युत मात्राओं के मापन के लिए ऊष्मीय प्रभावों का उपयोग करने की प्रक्रिया का प्रारंभिक चरण है।

• थर्मोइलेक्ट्रिक परिवर्तन: सीबेक प्रभाव का उपयोग करते हुए, हीटिंग तत्व द्वारा उत्पन्न ऊष्मीय ऊर्जा फिर विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। यह परिवर्तन थर्मोकपल के जंक्शन पर होता है, जहाँ गर्म और ठंडे जंक्शन के बीच का तापमान अंतर एक विद्युत चालक बल (emf) उत्पन्न करता है।

• उपकरण का कार्य: थर्मोकपल के आउटपुट टर्मिनल एक निरंतर-चुंबक चलनशील कुंडल (PMMC) उपकरण से जुड़े होते हैं। उत्पन्न विद्युत ऊर्जा का एक न्यूनतम भाग PMMC उपकरण के संकेतक को विक्षेपित करने के लिए उपयोग किया जाता है। यह ऊर्जा उपकरण के स्प्रिंग में संचित होती है, जो संकेतक की स्थिति को बनाए रखने और मापी गई मान को दर्शाने में मदद करता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक तत्वों के प्रकार

संपर्क-रहित प्रकार का उपकरण

संपर्क-रहित प्रकार के थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों में हीटिंग तत्व और थर्मोकपल के बीच कोई सीधा विद्युत संपर्क नहीं होता है। इसके बजाय, दोनों घटकों के बीच एक विद्युत अवरोधक परत होती है। यह अवरोधक विद्युत अलगाव प्रदान करता है, लेकिन यह उपकरण के प्रदर्शन पर भी नोटेबल प्रभाव डालता है। संपर्क-प्रकार के उपकरणों की तुलना में, संपर्क-रहित डिजाइन उपकरण को मापी गई मात्रा में परिवर्तनों के प्रति कम संवेदनशील बनाता है और धीमी प्रतिक्रिया समय प्रदान करता है। यह इसलिए होता है क्योंकि अवरोधक बाधा के कारण हीटिंग तत्व से थर्मोकपल तक ऊष्मा का प्रवाह कम प्रभावी होता है।

वैक्यूम थर्मो-तत्व

वैक्यूम ट्यूब-आधारित थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों में, हीटर और थर्मोकपल दोनों एक वैक्यूमित ग्लास ट्यूब के अंदर बंद होते हैं। यह वैक्यूम वातावरण उपकरण की प्रभावशीलता को बहुत बढ़ाता है। हवा की उपस्थिति को समाप्त करके, ऊष्मा का नुकसान द्वारा और चालन के माध्यम से कम हो जाता है। इस परिणामस्वरूप, हीटर लंबे समय तक अपनी ऊष्मा बनाए रख सकता है, जिससे थर्मोकपल के लिए एक अधिक स्थिर और निरंतर ऊष्मा स्रोत सुनिश्चित होता है। यह ऊष्मा उत्पादन में स्थिरता लंबे समय तक अधिक सटीक और विश्वसनीय मापन को सुनिश्चित करती है।

ब्रिज प्रकार

ब्रिज-प्रकार थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों में, विद्युत धारा सीधे थर्मोकपल से गुजरती है। जैसे-जैसे धारा गुजरती है, वह थर्मोकपल के तापमान को बढ़ाती है। इस तापमान वृद्धि का परिमाण विद्युत धारा के वर्ग माध्य मूल (RMS) मान के साथ सीधे समानुपातिक होता है। विद्युत धारा, तापमान परिवर्तन, और थर्मोकपल से परिणामी विद्युत आउटपुट के बीच यह सीधा संबंध इन उपकरणों को विद्युत मात्राओं का सटीक मापन करने का आधार बनाता है, जो विभिन्न मापन अनुप्रयोगों के लिए एक विश्वसनीय और प्रभावी विधि प्रदान करता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों के लाभ

थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरण कई उल्लेखनीय लाभ प्रदान करते हैं, जिससे वे विद्युत म