Termoelementni instrument

Definicija

Termoelementni instrument definiran je kao mjerni uređaj koji koristi termoelement za određivanje temperature, struje i napona. Ovaj prilagodljiv instrument može izvršiti mjerenja u običnoj (AC) i jednosmjerne (DC) strujnoj mreži, čime postaje vrijedan alat u širokom spektru primjena.

Osnove o termoelementima

Termoelement je električni uređaj sastavljen od dva žica od različitih metala. Njegova funkcionalnost temelji se na fundamentalnom principu: na presjeku gdje se ova dva različita metala susreću, toplinska energija pretvara se u električnu energiju. Ovaj fenomen, poznat kao Seebeckov učinak, čini osnovu rada termoelementnih instrumenata, omogućujući im precizno mjerenje temperature i drugih električnih parametara iskorištavanjem električnog potencijala generiranog na metalnim presjecima.

Mehanizam rada

Za mjerenje veličine električne struje, struja koja se mjeri prođe kroz presjek termoelementa. Dok struja teče, stvara toplinu unutar grejalnog elementa. Uz to, termoelement inducira elektromotornu silu (emf) na svojim izlaznim terminalima. Inducirana emf zatim se mjeri pomoću trajnog magneta i pokretnog bobina (PMMC) instrumenta. Veličina ove emf-a direktno je proporcionalna temperaturi na presjeku termoelementa i kvadratnom srednjem vrijednosti (RMS) mjerene struje.

Ključne prednosti

Jedna od najznačajnijih prednosti termoelementnih instrumenata jest njihova prikladnost za mjerenje visokofrekventne struje i napona. Ovi instrumenti pokazuju poboljšanu točnost kod frekvencija iznad 50Hz, što ih čini idealnim za primjene gdje su potrebna precizna određivanja visokofrekventnih električnih parametara.

Princip rada termoelektričnih instrumenata

Generiranje termoelektromotorne sile događa se unutar kruga sastavljenog od dva različita metala. Temperatura na presjeku gdje se ovi metali susreću igra ključnu ulogu u ukupnom radu i jest ključni parametar za razumijevanje kako instrument funkcionira.

Neka su a i b konstante čije vrijednosti određuju se osobinama metala korištenih u termoelementu. Obično, vrijednost a varira od 40 do 50 mikrovolti, dok b ima vrijednost u opsegu nekoliko desetinki do stotina mikrovolti po kvadratu stupnjeva Celzijusa μV/C°2.

Označimo Δθ kao razliku temperature između vrućeg i hladnog presjeka termoelementa. Na temelju toga, relevantne izraze vezane uz temperaturu mogu se izvesti sljedeće.

Grejalac generira toplinu, a količina topline proizvedene direktno je proporcionalna produktu kvadrata kvadratne srednje vrijednosti (RMS) struje (I) i otpora (R) grejalnog elementa, izražen formulom I2R. Stoga je porast temperature također proporcionalan toplini generiranoj grejalnim elementom. Ovaj odnos je fundamentalan za razumijevanje kako grejalac funkcionira i utječe na temperaturu unutar sustava, uspostavljajući jasan odnos između električnog ulaza i toplinskog izlaza.

Termoelementni instrument ima dva presjeka, hladni i vrući. Razlika između ova dva presjeka izražena je kao

Vrijednost b je vrlo mala u usporedbi s a i stoga se zanemaruje. Temperatura na presjeku izražena je kao

Otklon trajnog magneta i pokretnog bobina (PMMC) instrumenta direktno je proporcionalan elektromotornoj sili (emf) induciranoj na njegovim terminalima. Ovaj odnos znači da kako se inducirana emf povećava ili smanjuje, otklon pokretnog bobina instrumenta mijenja se u odgovarajući način. Matematički, otklon pokretnog bobina unutar takvih instrumenata može se izraziti sljedećom jednadžbom, koja sadrži fizičke principe koji upravljaju odzivom instrumenta na električni ulaz.

Ovdje, izraz K3 - aK1K2R rezultira konstantnom vrijednošću. Ova karakteristika dovodi do toga da instrument pokazuje kvadratni odziv, što znači da izlaz instrumenta varira kao kvadrat ulazne količine (poput struje ili napona).

Konstrukcija termoelektričnog instrumenta

Termoelektrični instrument glavno je sastavljen od dvije suštinske komponente: termoelektričnog elementa i pokazateljskog instrumenta. Ova dva dijela zajedno djeluju kako bi omogućili točno mjerenje električnih i toplinskih količina.

Termoelektrični elementi

Četiri različite vrste termoelektričnih elemenata često se koriste u termoelementnim instrumentima. Svaki tip ima svoje jedinstvene značajke i operativne principe, koji su detaljno navedeni u nastavku.

Tip kontakta

Termoelektrični element tipa kontakta koristi odvojeni grejalac. Kao što je prikazano na slici ispod, presjek termoelementa dolazi u direktni fizički kontakt s grejalcem. Ovaj direktni kontakt omogućuje učinkovitu prenos topline od grejalca na presjek termoelementa, što je ključno za točno pretvaranje toplinske energije generirane grejalcem u električni signal (elektromotorna sila ili emf) koji se može mjeriti pokazateljskim instrumentom.

Funkcije električnog grejalnog elementa

Električni grejalni element služi sljedećim ključnim svrham unutar termoelektričnog instrumenta:

• Pretvorba energije: Djeluje kao ključna komponenta u pretvorbi električne energije u toplinsku energiju. Ova pretvorba je inicijalni korak u procesu koji omogućuje mjerenje električnih količina korištenjem toplinskih efekata.

• Termoelektrična pretvorba: Iskoristeći Seebeckov učinak, toplinska energija generirana grejalnim elementom tada se pretvara u električnu energiju. Ova pretvorba događa se na presjeku termoelementa, gdje razlika temperature između vrućeg i hladnog presjeka stvara elektromotornu silu (emf).

• Rad instrumenta: Izlazni terminali termoelementa su spojeni s trajnim magnetom i pokretnim bobinom (PMMC) instrumentom. Minimalna količina električne energije proizvedene koristi se za otklon kazaljke PMMC instrumenta. Ova energija je spremljena u oprugu instrumenta, što pomaže u održavanju položaja kazaljke i pokazivanju mjerene vrijednosti.

Vrste termoelektričnih elemenata

Instrument bez kontakta

U instrumentima bez kontakta, ne postoji direktna električna veza između grejalnog elementa i termoelementa. Umjesto toga, ova dva komponenta su odvojena slojem električne izolacije. Iako ova izolacija pruža električnu izolaciju, također ima značajan utjecaj na performanse instrumenta. U usporedbi s instrumentima tipa kontakta, dizajn bez kontakta čini sustav manje osjetljivim na promjene mjerene količine i rezultira sporijim vremenom odziva. To je zato što je prenos topline od grejalca do termoelementa manje učinkovit zbog prisutnosti barijere izolacije.

Vakuumski termoelement

U termoelektričnim instrumentima temeljenim na vakuumskoj cijevi, i grejalac i termoelement su smješteni unutar evakuirane staklene cijevi. Ovaj vakuumski okvir značajno poboljšava učinkovitost instrumenta. Eliminiranjem prisutnosti zraka, smanjuje se gubitak topline putem konvekcije i provodnosti. Kao rezultat, grejalac može zadržati svoju toplinu duže vrijeme, osiguravajući stabilniji i konzistentniji izvor topline za termoelement. Ova stabilnost u generiranju topline dovodi do točnijih i pouzdanih mjerenja tijekom vremena.

Tip mosta

U termoelektričnim instrumentima tipa mosta, električna struja teče direktno kroz termoelement. Dok struja prolazi, površina termoelementa se zagrijava. Veličina ovog porasta temperature direktno je proporcionalna kvadratnoj srednjoj vrijednosti (RMS) struje. Ovaj direktni odnos između struje, promjene temperature i rezultirajućeg električnog izlaza iz termoelementa čini temelj toga kako ti instrumenti točno mjeri električne količine, pružajući pouzdan i učinkovit način mjerenja za razne primjene.

Prednosti termoelektričnih instrumenata

Termoelektrični instrumenti nude nekoliko značajnih prednosti, što ih čini vrijednim alatima u električnom mjerenju i analizi:

• Direktna indikacija RMS: Jedna od ključnih prednosti jest sposobnost direktnog prikaza kvadratnih srednjih vrijednosti (RMS) napona i struje na valovodu. Ova značajka pojednostavljuje proces mjerenja, omogućujući korisnicima brzo i točno određivanje ovih ključnih električnih parametara bez potrebe za dodatnim izračunavanjima ili složenim metodama pretvorbe.

• Imunitet na strane magnetske polja: Ovi instrumenti su po prirodi otporni na utjecaj stranih magnetskih polja. Ova imunitet osigurava točnija i pouzdanija mjerenja, jer vanjski magnetski smetnje ne utječu na rad instrumenta ili nisučave rezultate. U okruženjima gdje su magnetske smetnje uobičajene, poput blizu električnih strojeva ili naponskih linija, ova prednost postaje posebno značajna.

• Širok raspon mjerenja struje: Termoelektrični elementi korišteni u ovim instrumentima omogućuju širok raspon mjerenja struje. Bez obzira na to radi li se o primjenama s niskom strujom ili visokom strujom, termoelektrični instrumenti točno mogu uhvatiti i prikazati relevantne vrijednosti, čime postaju prilagodljivi za različite električne sustave i eksperimentalne postrojbe.

• Visoka osjetljivost: Termoelektrični instrumenti pokazuju visoku razinu osjetljivosti, omogućujući im detektiranje čak i malih promjena u električnim količinama. Ova osjetljivost je ključna za točna mjerenja u primjenama gdje male varijacije napona ili struje mogu imati značajne implikacije, poput istraživačkih laboratorija ili kalibracije drugih električnih uređaja.

• Koristnost za kalibraciju potenciometara: Izuzetno su korisni za kalibraciju potenciometara. Iskoristeći točnost standardne celije, termoelektrični instrumenti mogu pomoći u osiguranju pravilnog funkcioniranja i točnosti potenciometara, koji su ključne komponente u mnogim električnim krugovima za regulaciju i mjerenje napona.

• Operacija neovisna o frekvenciji: Termoelektrični elementi su slobodni od grešaka vezanih uz frekvenciju, omogućujući ovim instrumentima korištenje na širokom spektru frekvencija. Ova karakteristika čini ih prikladnima za primjene koje uključuju izmjenične struje (AC) različitih frekvencija, od niskofrekventnih naponskih sustava do visokofrekventnih elektroničkih krugova.

Nedostaci termoelektričnih instrumenata

Unatoč mnogim prednostima, termoelektrični instrumenti imaju jednu značajnu ograničenja:

• Ograničena kapacitet preopterećenja: U usporedbi s drugim vrstama elemenata za električno mjerenje, termoelektrični instrumenti imaju relativno nisku kapacitet preopterećenja. To znači da su podložniji oštećenju ili netočnim čitanjima kada su izloženi električnim strujama ili naponima koji premašuju njihove nominirane granice. Stoga moraju biti pažljivo razmotreni i poduzeti odgovarajuće zaštitne mjere kada se koriste u primjenama gdje se mogu javiti uvjeti preopterećenja kako bi se spriječila potencijalna neuspjeha instrumenta ili kompromitirana točnost mjerenja.