Thermokoppel Instrument

Definitie

Een thermokoppelapparaat wordt gedefinieerd als een meetapparaat dat gebruik maakt van een thermokoppel om temperatuur, stroom en spanning te bepalen. Dit veelzijdige apparaat is in staat om metingen uit te voeren in zowel wisselstroom- (AC) als gelijkstroom- (DC) circuits, waardoor het een waardevol hulpmiddel is voor een breed scala aan toepassingen.

Basisprincipes van Thermokoppels

Een thermokoppel is een elektrisch apparaat dat bestaat uit twee draden van verschillende metalen. Zijn functionaliteit is gebaseerd op een fundamenteel principe: op de kruising waar deze twee verschillende metalen elkaar ontmoeten, wordt warmte-energie omgezet in elektrische energie. Dit fenomeen, bekend als het Seebeck-effect, vormt de basis voor het functioneren van thermokoppelapparaten, waarmee ze nauwkeurig temperatuur en andere elektrische parameters kunnen meten door gebruik te maken van de elektrische potentiaal die op de metaalkruisingen wordt gegenereerd.

Werking

Om de grootte van een elektrische stroom te meten, wordt de te meten stroom door de kruising van het thermokoppel geleid. Wanneer de stroom stroomt, genereert deze warmte binnen het verwarmingselement. Als reactie hierop induceert het thermokoppel een elektromotorische kracht (emf) op de uitgangsterminals. Deze geïnduceerde emf wordt vervolgens gemeten met behulp van een Permanent Magnet Moving Coil (PMMC)-instrument. De grootte van deze emf is recht evenredig met zowel de temperatuur op de thermokoppelkruising als de wortel-van-het-gemiddelde-kwadraat (RMS)-waarde van de gemeten stroom.

Belangrijkste Voordelen

Een van de meest opvallende voordelen van thermokoppelapparaten is hun geschiktheid voor metingen van hoge-frequentiestroom en -spanning. Deze apparaten tonen een verbeterde nauwkeurigheid bij frequenties boven de 50Hz, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen waarbij hoge-frequentie-elektrische parameters nauwkeurig moeten worden bepaald.

Werkingsprincipe van Thermoelektrische Instrumenten

De generatie van thermische emf vindt plaats binnen een circuit dat bestaat uit twee verschillende metalen. De temperatuur op de kruising waar deze metalen elkaar ontmoeten speelt een cruciale rol in de algemene werking en is een belangrijke parameter om te begrijpen hoe het instrument functioneert.

Laat a en b constanten zijn waarvan de waarden worden bepaald door de eigenschappen van de metalen die in het thermokoppel worden gebruikt. Meestal ligt de waarde van a tussen 40 en 50 microvolt, terwijl b een waarde heeft in de orde van enkele tienden tot honderden microvolt per graad Celsius kwadraat μV/C°2.

Aanduid Δθ als het temperatuurverschil tussen de hete en koude kruisingen van het thermokoppel. Op basis hiervan kunnen de relevante temperatuurrelatieve expressies als volgt worden afgeleid.

De verwarmer produceert warmte, en de hoeveelheid geproduceerde warmte is recht evenredig met het product van het kwadraat van de wortel-van-het-gemiddelde-kwadraat (RMS)-waarde van de stroom (I) en de weerstand (R) van het verwarmingselement, uitgedrukt door de formule I2R. Daarom is de temperatuurstijging ook evenredig met de door het verwarmingselement geproduceerde warmte. Deze relatie is fundamenteel voor het begrijpen van hoe de verwarmer werkt en de temperatuur binnen het systeem beïnvloedt, waardoor er een duidelijke verbinding wordt gelegd tussen de elektrische invoer en de thermische uitvoer.

Het thermokoppelapparaat heeft twee kruisingen: koud en heet. Het verschil tussen deze twee kruisingen wordt uitgedrukt als

De waarde van b is zeer klein vergeleken met a en wordt daarom genegeerd. De temperatuur op de kruising wordt uitgedrukt als

De afwijking van een Permanent Magnet Moving Coil (PMMC)-instrument is recht evenredig met de elektromotorische kracht (emf) die op de terminals wordt geïnduceerd. Deze relatie betekent dat wanneer de geïnduceerde emf toeneemt of afneemt, de afwijking van de bewegende spoel van het instrument overeenkomstig verandert. Wiskundig kan de afwijking van de bewegende spoel binnen dergelijke instrumenten worden uitgedrukt door de volgende vergelijking, die de fysische principes weergeeft die de respons van het instrument op de elektrische invoer beheersen.

Hier resulteert de expressie K3 - aK1K2R in een constante waarde. Deze karakteristiek leidt ertoe dat het instrument een vierkants-wet-respons vertoont, wat betekent dat de uitvoer van het instrument varieert als het kwadraat van de ingangsquantiteit (zoals stroom of spanning).

Constructie van Thermoelektrische Instrumenten

Een thermoelektrisch instrument bestaat voornamelijk uit twee essentiële componenten: het thermoelektrische element en het aanwijzingsinstrument. Deze twee delen werken samen om een nauwkeurige meting van elektrische en thermische grootheden mogelijk te maken.

Thermoelektrische Elementen

Vier verschillende soorten thermoelektrische elementen worden vaak gebruikt in thermokoppelapparaten. Elk type heeft zijn eigen unieke kenmerken en werkingsprincipes, die hieronder worden gedetailleerd.

Contacttype

Het contacttype thermoelektrisch element maakt gebruik van een aparte verwarmer. Zoals in de onderstaande figuur wordt getoond, wordt de kruising van het thermokoppel in direct fysiek contact gebracht met de verwarmer. Dit directe contact faciliteert een efficiënte warmtetransfer van de verwarmer naar de thermokoppelkruising, wat cruciaal is voor het nauwkeurig omzetten van de door de verwarmer geproduceerde warmte-energie in een elektrisch signaal (elektromotorische kracht of emf) dat kan worden gemeten door het aanwijzingsinstrument.

Functies van het Elektrische Verwarmingselement

Het elektrische verwarmingselement vervult de volgende cruciale doelen binnen een thermoelektrisch instrument:

• Energieconversie: Het fungeert als een sleutelcomponent in de omzetting van elektrische energie in thermische energie. Deze conversie is de eerste stap in het proces dat de meting van elektrische grootheden mogelijk maakt met behulp van thermische effecten.

• Thermoelektrische Conversie: Door gebruik te maken van het Seebeck-effect, wordt de door het verwarmingselement geproduceerde warmte-energie vervolgens omgezet in elektrische energie. Deze conversie vindt plaats op de kruising van het thermokoppel, waar het temperatuurverschil tussen de hete en koude kruisingen een elektromotorische kracht (emf) creëert.

• Instrumentbediening: De uitgangsterminals van het thermokoppel zijn verbonden met een Permanent Magnet Moving Coil (PMMC)-instrument. Een minimale hoeveelheid van de geproduceerde elektrische energie wordt gebruikt om de wijzer van het PMMC-instrument af te buigen. Deze energie wordt opgeslagen in de veer van het instrument, wat helpt bij het behouden van de positie van de wijzer en het aangeven van de gemeten waarde.

Soorten Thermoelektrische Elementen

Niet-contacttype Instrument

In niet-contacttype thermoelektrische instrumenten is er geen directe elektrische verbinding tussen het verwarmingselement en het thermokoppel. In plaats daarvan worden de twee componenten gescheiden door een elektrische isolatielaag. Terwijl deze isolatie elektrische isolatie biedt, heeft het ook een opvallende impact op de prestaties van het instrument. In vergelijking met contacttype instrumenten maakt de niet-contactdesign het systeem minder gevoelig voor veranderingen in de gemeten hoeveelheid en resulteert dit in langzamere responstijden. Dit komt doordat de warmtetransfer van het verwarmingselement naar het thermokoppel minder efficiënt is vanwege de aanwezigheid van de isolatiebarrière.

Vacuümthermoelement

In vacuümbuis-gebaseerde thermoelektrische instrumenten zijn zowel de verwarmer als het thermokoppel opgesloten in een geëvacueerde glazen buis. Deze vacuümomgeving verhoogt de efficiëntie van het instrument aanzienlijk. Door de aanwezigheid van lucht te elimineren, wordt warmteverlies door convektie en geleiding tot een minimum beperkt. Hierdoor kan de verwarmer zijn warmte voor een langere periode vasthouden, wat een stabielere en consistenter warmtebron voor het thermokoppel oplevert. Deze stabiliteit in warmtegeneratie leidt tot nauwkeuriger en betrouwbaardere metingen over tijd.

Brugtype

In brugtype thermoelektrische instrumenten stroomt de elektrische stroom direct door het thermokoppel. Terwijl de stroom stroomt, veroorzaakt deze een temperatuurstijging van het thermokoppel. De grootte van deze temperatuurstijging is recht evenredig met de wortel-van-het-gemiddelde-kwadraat (RMS)-waarde van de stroom. Deze directe relatie tussen de stroom, temperatuurverandering en het resulterende elektrische uitvoersignaal van het thermokoppel vormt de basis voor hoe deze instrumenten elektrische grootheden nauwkeurig kunnen meten, waardoor een betrouwbare en efficiënte methode wordt geboden voor diverse meettoepassingen.

Voordelen van Thermoelektrische Instrumenten

Thermoelektrische instrumenten bieden verschillende opmerkelijke voordelen, waardoor ze waardevolle hulpmiddelen zijn in elektrische meting en analyse:

• Directe RMS-aanduiding: Een van de belangrijkste voordelen is de mogelijkheid om de wortel-van-het-gemiddelde-kwadraat (RMS)-waarden van spanning en stroom direct op de golfvorm weer te geven. Dit vereenvoudigt het meetproces, waardoor gebruikers snel en nauwkeurig deze cruciale elektrische parameters kunnen bepalen zonder extra berekeningen of complexe conversiemethoden nodig te hebben.

• Immunitiet tegen Vervreemdende Magnetische Velden: Deze instrumenten zijn inherent bestand tegen de invloed van vervreemdende magnetische velden. Deze immuniteit zorgt voor nauwkeurigere en betrouwbaardere metingen, omdat externe magnetische storingen niet de werking van het instrument of de resultaten beïnvloeden. In omgevingen waar magnetische interferentie veelvoorkomend is, zoals in de buurt van elektrische machines of hoogspanningslijnen, wordt dit voordeel bijzonder significant.

• Breed Bereik van Stromemeting: De thermoelektrische elementen die in deze instrumenten worden gebruikt, maken een breed bereik van stroommetingen mogelijk. Of het nu gaat om laagstroom- of hoogstroomtoepassingen, thermoelektrische instrumenten kunnen de relevante waarden nauwkeurig vastleggen en weergeven, waardoor ze vers