Alat Termokop

Definisi

Alat termokop adalah peranti pengukur yang menggunakan termokop untuk menentukan suhu, arus, dan voltan. Peranti serbaguna ini mampu membuat pengukuran dalam litar arus bolak-balik (AC) dan arus searah (DC), menjadikannya alat yang berharga di pelbagai aplikasi.

Asas Termokop

Termokop adalah peranti elektrik yang terdiri daripada dua dawai yang dibuat daripada logam yang berbeza. Fungsinya berdasarkan prinsip asas: pada pertemuan di mana kedua-dua logam yang berbeza ini bertemu, tenaga haba diubah menjadi tenaga elektrik. Fenomena ini, dikenali sebagai kesan Seebeck, membentuk asas operasi alat-alat termokop, membolehkan mereka mengukur suhu dan parameter elektrik lain dengan mengandalkan potensi elektrik yang dihasilkan pada pertemuan logam.

Mekanisme Operasi

Untuk mengukur magnitud arus elektrik, arus yang akan diukur dialirkan melalui pertemuan termokop. Apabila arus mengalir, ia menghasilkan haba di dalam elemen pemanas. Sebagai tindak balas, termokop menginduksi daya gerak elektromagnet (emf) pada terminal outputnya. Emf yang diinduksi ini kemudian diukur menggunakan instrumen Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC). Magnitud emf ini berkadar langsung dengan suhu di pertemuan termokop dan nilai root-mean-square (RMS) arus yang diukur.

Kelebihan Utama

Salah satu kelebihan paling ketara alat termokop adalah kesesuaiannya untuk pengukuran arus dan voltan frekuensi tinggi. Alat-alat ini menunjukkan kejituan yang lebih baik apabila menangani frekuensi di atas 50Hz, menjadikannya ideal untuk aplikasi di mana parameter elektrik frekuensi tinggi perlu ditentukan dengan tepat.

Prinsip Operasi Instrumen Termoelektrik

Penghasilan emf termal berlaku dalam litar yang terdiri daripada dua logam yang berbeza. Suhu di pertemuan di mana kedua-dua logam ini bertemu memainkan peranan penting dalam operasi secara keseluruhan dan merupakan parameter utama dalam memahami bagaimana instrumen tersebut berfungsi.

Biarkan a dan b menjadi pemalar yang nilainya ditentukan oleh sifat-sifat logam yang digunakan dalam termokop. Secara umum, nilai a berkisar antara 40 hingga 50 mikrovolt, manakala b mempunyai nilai dalam lingkungan beberapa puluh hingga ratusan mikrovolt per darjah Celsius kuasa dua μV/C°2.

Nyatakan Δθ sebagai perbezaan suhu antara pertemuan panas dan sejuk termokop. Berdasarkan ini, ungkapan-ungkapan berkaitan suhu boleh diturunkan seperti berikut.

Pemanas menghasilkan haba, dan jumlah haba yang dihasilkan berkadar langsung dengan hasil darab kuasa dua nilai root-mean-square (RMS) arus (I) dan rintangan (R) elemen pemanas, dinyatakan oleh formula I2R. Oleh itu, peningkatan suhu juga berkadar langsung dengan haba yang dihasilkan oleh elemen pemanas. Hubungan ini adalah asas untuk memahami bagaimana pemanas beroperasi dan mempengaruhi suhu dalam sistem, menetapkan hubungan yang jelas antara input elektrik dan output termal.

Instrumen termokop mempunyai dua pertemuan sejuk dan panas. Perbezaan antara kedua-dua pertemuan ini dinyatakan sebagai

Nilai b sangat kecil berbanding a dan oleh itu diabaikan. Suhu di pertemuan dinyatakan sebagai

Penyelewengan instrumen Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) berkadar langsung dengan daya gerak elektromagnet (emf) yang diinduksi pada terminalnya. Hubungan ini bermaksud bahawa apabila emf yang diinduksi meningkat atau berkurang, penyelewengan kumparan bergerak instrumen berubah dengan cara yang sepadan. Secara matematik, penyelewengan kumparan bergerak dalam instrumen-instrumen semacam ini boleh dinyatakan oleh persamaan berikut, yang merangkumi prinsip fizikal yang mengatur respons instrumen terhadap input elektrik.

Di sini, ungkapan K3 - aK1K2R) memberi nilai pemalar. Ciri ini menyebabkan instrumen menunjukkan respons undang-undang segi empat, bermaksud bahawa output instrumen berubah sebagai kuasa dua kuantiti input (seperti arus atau voltan).

Konstruksi Instrumen Termoelektrik

Instrumen termoelektrik terutamanya terdiri daripada dua komponen penting: elemen termoelektrik dan instrumen penunjuk. Dua bahagian ini bekerja bersama-sama untuk membolehkan pengukuran tepat kuantiti elektrik dan termal.

Elemen Termoelektrik

Empat jenis elemen termoelektrik yang berbeza biasanya digunakan dalam instrumen termokop. Setiap jenis mempunyai ciri-ciri unik dan prinsip operasi sendiri, yang diperincikan di bawah.

Jenis Kontak

Elemen termoelektrik jenis kontak menggunakan pemanas terpisah. Seperti yang ditunjukkan dalam gambarajah di bawah, pertemuan termokop dibawa ke dalam hubungan fizikal langsung dengan pemanas. Hubungan langsung ini memfasilitasi pemindahan haba yang efisien dari pemanas ke pertemuan termokop, yang penting untuk mengubah dengan tepat tenaga termal yang dihasilkan oleh pemanas menjadi isyarat elektrik (daya gerak elektromagnet atau emf) yang boleh diukur oleh instrumen penunjuk.

Fungsi Elemen Pemanas Elektrik

Elemen pemanas elektrik memainkan peranan penting berikut dalam instrumen termoelektrik:

• Penukaran Tenaga: Ia bertindak sebagai komponen utama dalam menukar tenaga elektrik menjadi tenaga termal. Penukaran ini adalah langkah awal dalam proses yang membolehkan pengukuran kuantiti elektrik menggunakan kesan termal.

• Penukaran Termoelektrik: Dengan memanfaatkan kesan Seebeck, tenaga haba yang dihasilkan oleh elemen pemanas kemudian diubah menjadi tenaga elektrik. Penukaran ini berlaku di pertemuan termokop, di mana perbezaan suhu antara pertemuan panas dan sejuk mencipta daya gerak elektromagnet (emf).

• Operasi Instrumen: Terminal output termokop disambungkan ke instrumen Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC). Jumlah kecil tenaga elektrik yang dihasilkan digunakan untuk melencongkan penunjuk PMMC. Tenaga ini disimpan dalam spring instrumen, yang membantu mengekalkan kedudukan penunjuk dan menunjukkan nilai yang diukur.

Jenis Elemen Termoelektrik

Instrumen Jenis Tanpa Kontak

Dalam instrumen termoelektrik jenis tanpa kontak, tiada sambungan elektrik langsung antara elemen pemanas dan termokop. Sebaliknya, kedua-dua komponen dipisahkan oleh lapisan isolasi elektrik. Walaupun isolasi ini memberikan isolasi elektrik, ia juga mempunyai impak yang ketara terhadap prestasi instrumen. Berbanding dengan instrumen jenis kontak, reka bentuk tanpa kontak membuat sistem kurang sensitif terhadap perubahan kuantiti yang diukur dan menghasilkan masa tindak balas yang lebih lambat. Ini kerana pemindahan haba dari elemen pemanas ke termokop kurang efisien akibat hadirnya penghalang isolasi.

Elemen Termo di Bawah Vakum

Dalam instrumen termoelektrik berdasarkan tabung vakum, kedua-dua pemanas dan termokop dikemas dalam tabung kaca yang dikosongkan. Lingkungan vakum ini meningkatkan kecekapan instrumen secara signifikan. Dengan menghilangkan kehadiran udara, hilangnya haba melalui konveksi dan konduksi diminimumkan. Oleh itu, pemanas dapat mengekalkan habanya untuk tempoh yang lebih lama, memastikan sumber haba yang lebih stabil dan konsisten untuk termokop. Ke stabilan dalam penghasilan haba ini membawa kepada pengukuran yang lebih tepat dan boleh dipercayai sepanjang masa.

Jenis Jambatan

Dalam instrumen termoelektrik jenis jambatan, arus elektrik mengalir secara langsung melalui termokop. Semasa arus mengalir, ia menyebabkan suhu termokop meningkat. Magnitud peningkatan suhu ini berkadar langsung dengan nilai root-mean-square (RMS) arus. Hubungan langsung antara arus, perubahan suhu, dan output elektrik yang dihasilkan dari termokop membentuk asas bagaimana instrumen-instrumen ini mengukur kuantiti elektrik dengan tepat, menyediakan kaedah yang boleh dipercayai dan efisien untuk pelbagai aplikasi pengukuran.

Kelebihan Instrumen Termoelektrik

Instrumen termoelektrik menawarkan beberapa kelebihan yang ketara, menjadikannya alat yang berharga dalam pengukuran dan analisis elektrik:

• Indikasi RMS Langsung: Salah satu kelebihan utama adalah kemampuan untuk menunjukkan nilai root-mean-square (RMS) voltan dan arus secara langsung pada gelombang. Ciri ini memudahkan proses pengukuran, membolehkan pengguna menentukan parameter elektrik penting ini dengan cepat dan tepat tanpa keperluan untuk pengiraan tambahan atau kaedah penukaran yang rumit.

• Kekal Terhadap Medan Magnet Liar: Instrumen-instrumen ini secara inheren tahan terhadap pengaruh medan magnet liar. Ketahanan ini memastikan pengukuran yang lebih tepat dan boleh dipercayai, kerana gangguan magnet luar tidak mengganggu operasi instrumen atau menjejaskan hasil. Dalam persekitaran di mana gangguan magnetik adalah biasa, seperti dekat mesin elektrik atau garisan kuasa, kelebihan ini menjadi sangat signifikan.

• Julat Pengukuran Arus Luas: Elemen-elemen termoelektrik yang digunakan dalam instrumen-instrumen ini membolehkan julat pengukuran arus yang luas. Baik dalam aplikasi arus rendah atau arus tinggi, instrumen termoelektrik dapat mengambil dan menunjukkan nilai relevan dengan tepat, menjadikannya serbaguna untuk pelbagai sistem elektrik dan susunan eksperimental.

• Sensitiviti Tinggi: Instrumen termoelektrik menunjukkan tahap sensitiviti yang tinggi, membolehkannya mendeteksi perubahan kecil dalam kuantiti elektrik. Sensitiviti ini penting untuk pengukuran tepat dalam aplikasi di mana variasi minit dalam voltan atau arus boleh memiliki implikasi yang signifikan, seperti di makmal penyelidikan atau dalam kalibrasi peranti elektrik lain.

• Utiliti Kalibrasi Potensiometer: Mereka sangat berguna untuk mengkalibrasi potensiometer. Dengan memanfaatkan ketepatan sel standard, instrumen termoelektrik dapat membantu memastikan fungsi dan ketepatan potensiometer, yang merupakan komponen penting dalam banyak litar elektrik untuk pengaturan dan pengukuran voltan.

• Operasi Bebas Frekuensi: Elemen-elemen termoelektrik bebas daripada ralat frekuensi, membolehkan instrumen-instrumen ini digunakan di julat frekuensi yang luas. Ciri ini menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang melibatkan isyarat arus bolak-balik (AC) dengan frekuensi yang berbeza, dari sistem kuasa frekuensi rendah hingga litar elektronik frekuensi tinggi.

Kekurangan Instrumen Termoelektrik

Walaupun mempunyai banyak kekuatan, instrumen termoelektrik mempunyai satu kekurangan yang ketara:

• Kapasiti Overload Terhad: Berbanding dengan elemen-elemen pengukuran elektrik lain, instrumen termoelektrik mempunyai kapasiti overload yang relatif rendah. Ini bermaksud mereka lebih mudah rosak atau memberikan bacaan yang tidak tepat apabila terdedah kepada arus atau voltan yang melebihi had yang ditetapkan. Oleh itu, pertimbangan teliti dan langkah-langkah perlindungan yang sesuai mesti diambil apabila menggunakan instrumen-instrumen ini dalam aplikasi di mana keadaan overload mungkin berlaku untuk mengelakkan kegagalan instrumen atau ketepatan pengukuran yang terjejas.