Термоелементски инструмент

Дефиниција

Термопарен инструмент е дефиниран како мерење кој го користи термопарата за одредување на температурата, струјата и напонот. Овој многуфункционален инструмент може да прави мерења во алтернативни (AC) и директни (DC) струјни кола, што го прави вреден алат за широк спектар на примените.

Основи на Термопарата

Термопара е електричко уредство состоено од две жице направени од различни метали. Неговата функционалност е заснована на фундаментален принцип: на јункцијата каде се среќаваат овие два различни метала, енергијата од топлината се претвора во електрична енергија. Овој феномен, познат како Себеков ефект, формира основа за работата на термопарните инструменти, што им овозможува точно мерење на температурата и други електрични параметри со извлекување на електричниот потенцијал генериран на металните јункции.

Механизам на Функционирање

За да се измери големината на електричната струја, струјата која треба да се измери минува низ јункцијата на термопарата. Кога струјата протече, генерира топлина во елементот за греење. Во одговор, термопарата индуцира електромоторна сила (emf) на нејзините излезни терминали. Индуцираната emf потоа се мери со уред со постојан магнет и движечки цев (PMMC). Големината на оваа emf е директно пропорционална со температурата на јункцијата на термопарата и квадратната средна вредност (RMS) на мерената струја.

Клучни Преимущества

Едно од најзначајните предности на термопарните инструменти е нивната пригодност за мерење на струја и напон на висока фреквенција. Овие инструменти покажуваат подобрената точност кога се работи со фреквенции над 50Hz, што ги прави идеални за примените каде прецизно треба да се одредат електрични параметри на висока фреквенција.

Принцип на Функционирање на Термоелектричките Инструменти

Генерирањето на термичка emf се случува во коло составено од два различни метала. Температурата на јункцијата каде се среќаваат овие метали игра критична улога во целосната работа и е ключен параметар за разбирање како функционира инструментот.

Нека a и b се константи чии вредности се одредуваат од својствата на метали користени во термопарата. Обично, вредноста на a се движи во опсег од 40 до 50 микроволти, додека b има вредност во опсег од неколку десетки до стотици микроволти по степен Целзиус на квадрат μV/C°2.

Означете Δθ како разликата во температурата помеѓу горещата и холодната јункција на термопарата. На база на ова, релевантните температурски изрази можат да се изведат како следи.

Греечкото тело генерира топлина, а количината на генерираната топлина е директно пропорционална со производот на квадратот на квадратната средна вредност (RMS) на струјата (I) и отпорот (R) на елементот за греење, изразена со формулата I2R. Консеквентно, зголемувањето на температурата исто така е пропорционално со генерираната топлина од елементот за греење. Оваа релација е фундаментална за разбирање како функционира греечкото тело и влијае на температурата во системот, што ја утврдува јасната врска помеѓу електричната входна вредност и термичкиот излез.

Термопарниот инструмент има две јункции - холодна и гореща. Разликата помеѓу овие две јункции се изразува како

Вредноста на b е многу мала во споредба со a и затоа се занемарува. Температурата на јункцијата се изразува како

Отклонувањето на инструментот со постојан магнет и движечки цев (PMMC) е директно пропорционално со електромоторната сила (emf) индуцирана на неговите терминали. Оваа релација значи дека кога индуцираната emf се зголемува или намалува, отклонувањето на движечата цев на инструментот се менува соодветно. Математички, отклонувањето на движечата цев во такви инструменти може да се изрази со следната равенка, која ги капсулира физичките принципи кои го регулираат одговорот на инструментот на електричната входна вредност.

Зде, изразот K3 - aK1K2R) резултира во константна вредност. Оваа карактеристика доведува до тоа што инструментот покажува квадратен закон, што значи дека излезот на инструментот варира како квадрат на входната количина (како што е струјата или напонот).

Конструкција на Термоелектрички Инструмент

Термоелектричкиот инструмент е главно састaven од две есенцијални компоненти: термоелектрички елемент и инструмент за покажување. Овие две делови работат заедно за да овозможат точно мерење на електрични и термички количини.

Термоелектрички Елементи

Четири различни типови на термоелектрички елементи обично се користат во термопарните инструменти. Секој тип има свои уникални карактеристики и оперативни принципи, кои се детајлизирани подолу.

Контактен Тип

Контактниот термоелектрички елемент користи одделен греечки елемент. Како што е прикажано на сликата подолу, јункцијата на термопарата е донесена во директен физички контакт со греечкиот елемент. Овој директен контакт овозможува ефикасна трансфер на топлина од греечкиот елемент до јункцијата на термопарата, што е критично за точно претварање на термичката енергија генерирана од греечкиот елемент во електричен сигнал (електромоторна сила или emf) кој може да се мери со инструментот за покажување.

Функции на Електричниот Греечки Елемент

Електричниот греечки елемент служи следните критични цели во термоелектричкиот инструмент:

• Претворање на Енергија: Тој игра клучна улога во трансформацијата на електричната енергија во термичка енергија. Оваа претворба е првиот чекор во процесот кој овозможува мерење на електрични количини со користење на термички ефекти.

• Термоелектричко Претворање: Со користење на Себековиот ефект, топлината генерирана од греечкиот елемент се претвора во електрична енергија. Оваа претворба се случува на јункцијата на термопарата, каде што температурната разлика помеѓу горешта и холодната јункција создава електромоторна сила (emf).

• Работа на Инструментот: Излезните терминали на термопарата се поврзани со инструмент со постојан магнет и движечки цев (PMMC). Минимална количина на електричната енергија која се произведува се користи за отклонување на покажувачот на PMMC инструментот. Оваа енергија се чува во пружината на инструментот, што помага во одржување на позицијата на покажувачот и показвање на мерената вредност.

Типови на Термоелектрички Елементи

Не-Контактен Тип Инструмент

Во не-контактните термоелектрички инструменти, нема директна електрична врска помеѓу греечкиот елемент и термопарата. Наместо тоа, двата компонента се одделени со слој на електрична изолација. Додека оваа изолација дава електрична изолација, исто така има значителен утврден ефект на перформансата на инструментот. Споредено со контактните инструменти, дизајнот без контакт прави системот помалку осетлив на промени во мерената количина и резултира со полесни временски одговори. Ова е затоа што трансферот на топлина од греечкиот елемент до термопарата е помалку ефикасен поради присуството на барьерата од изолација.

Вакуум Термо-Елемент

Во термоелектричките инструменти базирани на вакуумски труби, и греечкиот елемент и термопарата се заклучени во евакуирано стаклено тело. Оваа вакуумска околина значително го подобрува ефективноста на инструментот. Со елиминирање на присуството на воздух, загубата на топлина преку конвекција и проводимост е минимизирана. Како резултат, греечкиот елемент може да задржи неговата топлина за подолг период, што осигурува постабилен и конзистентен извор на топлина за термопарата. Оваа стабилност во генерирањето на топлина доведува до почетни и поверливи мерења во текот на времето.

Мостов Тип

Во мостовите термоелектрички инструменти, електричната струја тече директно низ термопарата. Кога струјата протече, таа причинува температурата на термопарата да се зголеми. Големината на оваа температурна зголемување е директно пропорционална со квадратната средна вредност (RMS) на струјата. Оваа директна релација помеѓу струјата, температурната промена и резултуващата електрична продукција од термопарата формира основа за тоа како овие инструменти точно мере електрични количини, што им овозможува надежен и ефикасен метод за различни мерни применби.

Преимущества на Термоелектричките Инструменти

Термоелектричките инструменти нудат неколку значајни предности, што ги прави вредни алатки во електричните мерења и анализа:

• Директна RMS Индикација: Едно од кључните предности е можноста за директно приказување на квадратните средни вредности (RMS) на напонот и струјата на формата. Оваа карактеристика ја поедноставува процесот на мерење, овозможувајќи корисниците брзо и точно да одредат овие важни електрични параметри без потреба од дополнителни пресметки или комплексни методи за конверзија.

• ИмуниТЕте на Стрaйни Магнетни Поља: Овие инструменти суcтински су одложни на утицaј стрaйних магнетних поља. Oва имунизација oсигурaвујe тачнија и поуздана мерења, јер спољни магнетни смешњаци не утичу на рад инструмента или исказују резултате. У окружeњима гдe су магнетни интерференције зaустaвлjене, попут близу електричних машинa или енергетских линија, ова предност постаје посебно значајна.

• Широк Ранг за Мерење на Струја: Термоелектричките елементи кориштени у овим инструментима омогућавају широк опсег мерења струје. Било да се ради о малим или великим струјама, термоелектрични инструменти могу тачно захватити и приказати релевантне вредности, што их чини универсалним за различита електрична система и експериментална поставке.

• Висока Осетливост: Термоелектрични инструменти показују висок степен осетљивости, омогућавајући им да детектују чак и мале промене електричних величина. Ова осетљивост је критична за прецизна мерења у применама где могу имати значајне последице, попут истраживачких лабораторија или калибрације других електричних уређаја.

• Потенциометарска Калибрација: Они су изузетно корисни за калибрацију потенциометара. Користећи тачност стандардне ћелије, термоелектрични инструменти могу помоћи у осигуравању правилног функционисања и тачности потенциометара, који су битни компоненти у многим електричним колима за регулацију и мерење напона.

• Независност од Фреквенције: Термоелектрични елементи су слободни од грешака фреквенције, што омогућава овим инструментима да се користе на широком опсегу фреквенција. Ова карактеристика их чини прикладним за примене које укључују алтернативне струје (AC) различитих фреквенција, од нискочестотних система за снабдевање до високочестотних електронских кола.

Недостаци Термоелектричких Инструмената

Упркос својим многим јачинама, термоелектрични инструменти имају једну значајну ограничењу:

• Ограничен Капацитет Преваре: Упоредено са другим типовима елемента за електрично мерење, термоелектрични инструменти имају релативно низак капацитет преваре. Ово значи да су више подлозни на оштету или нетачне читање када су изложене на електричне струје или напоне који премашују ниво те нивоа. Зато, треба обзирливо размотрити и узети правилне мере заштите када се користе ови инструменти у применама где могу догодити услови преваре, да се избегне потенцијална неисправност инструмента или компромитоване тачности мерења.