Czujnik termoparowy

Definicja

Przyrząd termoelektryczny to urządzenie pomiarowe wykorzystujące termoparę do określania temperatury, prądu i napięcia. Ten uniwersalny przyrząd jest w stanie dokonywać pomiarów zarówno w obwodach przemiennych (AC), jak i stałych (DC), co czyni go cennym narzędziem w szerokim zakresie zastosowań.

Podstawy termopary

Termopara to urządzenie elektryczne składające się z dwóch drutów wykonanych z różnych metali. Funkcjonalność opiera się na podstawowym zasadzie: w miejscu połączenia tych dwóch różnych metali energia ciepła jest przekształcana w energię elektryczną. To zjawisko, znane jako efekt Seebecka, stanowi podstawę działania przyrządów termoelektrycznych, umożliwiając im precyzyjne pomiary temperatury i innych parametrów elektrycznych poprzez wykorzystanie potencjału elektrycznego generowanego w miejscach połączeń metalowych.

Mechanizm działania

Aby zmierzyć wartość natężenia prądu, prąd do pomiaru przepuszcza się przez złącze termopary. Gdy prąd płynie, generuje on ciepło w elemencie grzejnym. W odpowiedzi termopara indukuje siłę elektromotoryczną (napięcie) na swoich końcówkach wyjściowych. To indukowane napięcie jest następnie mierzone za pomocą przyrządu typu Stały Magnes - Ruchoma Cewka (PMMC). Wartość tego napięcia jest proporcjonalna zarówno do temperatury w złączeniu termopary, jak i do wartości skutecznej (RMS) mierzonego prądu.

Główne zalety

Jedną z najbardziej znaczących korzyści przyrządów termoelektrycznych jest ich przydatność do pomiarów prądu i napięcia o wysokiej częstotliwości. Te przyrządy cechują się większą dokładnością przy częstotliwościach powyżej 50 Hz, co sprawia, że są idealne dla zastosowań, w których trzeba dokładnie określić parametry elektryczne o wysokiej częstotliwości.

Zasada działania instrumentów termoelektrycznych

Generowanie termicznej siły elektromotorycznej zachodzi w obwodzie złożonym z dwóch różnych metali. Temperatura w złączeniu, gdzie te metale się stykają, odgrywa kluczową rolę w całym działaniu i jest kluczowym parametrem w zrozumieniu, jak działa instrument.

Niech a i b będą stałe, których wartości są określane przez właściwości metali użytych w termoparze. Zazwyczaj wartość a mieści się w zakresie od 40 do 50 mikrowoltów, podczas gdy b ma wartość w zakresie od kilku dziesiątych do setek mikrowoltów na stopień Celsjusza kwadrat μV/C°2.

Oznaczmy Δθ jako różnicę temperatur między gorącym i zimnym złączem termopary. Na tej podstawie można wyprowadzić odpowiednie wyrażenia związane z temperaturą.

Grzałka generuje ciepło, a ilość wytworzonego ciepła jest proporcjonalna do iloczynu kwadratu wartości skutecznej (RMS) prądu (I) i oporu (R) elementu grzewczego, wyrażonego wzorem I2R. W konsekwencji, wzrost temperatury jest również proporcjonalny do wytworzonego ciepła. Ta relacja jest fundamentalna dla zrozumienia, jak działa grzałka i wpływa na temperaturę w systemie, ustanawiając jasne połączenie między wejściem elektrycznym a wyjściem termicznym.

Przyrząd termoelektryczny ma dwa złącza: zimne i gorące. Różnica między tymi dwoma złączami jest wyrażona jako

Wartość b jest bardzo mała w porównaniu do a, dlatego jest pomijana. Temperatura w złączeniu jest wyrażona jako

Odchylenie przyrządu typu Stały Magnes - Ruchoma Cewka (PMMC) jest proporcjonalne do siły elektromotorycznej (napięcia) indukowanej na jego końcówkach. Ta relacja oznacza, że wraz ze wzrostem lub spadkiem indukowanego napięcia, odchylenie cewki ruchomej instrumentu zmienia się odpowiednio. Matematycznie, odchylenie cewki ruchomej w takich instrumentach może być wyrażone następującym równaniem, które zawiera fizyczne zasady rządzące reakcją instrumentu na sygnał elektryczny.

Tutaj, wyrażenie K3 - aK1K2R wynosi stałą wartość. Ta charakterystyka powoduje, że instrument wykazuje odpowiedź kwadratową, co oznacza, że wyjście instrumentu zmienia się jako kwadrat wejściowej wielkości (takiej jak prąd lub napięcie).

Konstrukcja instrumentu termoelektrycznego

Instrument termoelektryczny składa się głównie z dwóch kluczowych komponentów: elementu termoelektrycznego i instrumentu wskazującego. Te dwie części współpracują, aby umożliwić dokładne pomiary ilości elektrycznych i termicznych.

Elementy termoelektryczne

Cztery różne rodzaje elementów termoelektrycznych są powszechnie stosowane w przyrządach termoelektrycznych. Każdy typ ma własne unikalne cechy i zasady działania, które są szczegółowo opisane poniżej.

Typ kontaktowy

Element termoelektryczny typu kontaktowego wykorzystuje osobną grzałkę. Jak pokazano na poniższym rysunku, złącze termopary jest przystawiane w bezpośredni kontakt fizyczny z grzałką. Ten bezpośredni kontakt sprzyja efektywnemu przekazywaniu ciepła z grzałki do złącza termopary, co jest kluczowe do dokładnego przekształcania generowanej przez grzałkę energii termicznej w sygnał elektryczny (siłę elektromotoryczną lub napięcie), który może być zmierzony przez instrument wskazujący.

Funkcje elementu grzewczego elektrycznego

Element grzewczy elektryczny pełni następujące kluczowe role w instrumentach termoelektrycznych:

• Konwersja energii: Działa jako kluczowy komponent w transformacji energii elektrycznej w energię termiczną. Ta konwersja jest pierwszym krokiem w procesie, który umożliwia pomiar ilości elektrycznych za pomocą efektów termicznych.

• Konwersja termoelektryczna: Wykorzystując efekt Seebecka, energia ciepła generowana przez element grzewczy jest następnie przekształcana w energię elektryczną. Ta konwersja zachodzi w złączeniu termopary, gdzie różnica temperatur między gorącym i zimnym złączem tworzy siłę elektromotoryczną (napięcie).

• Działanie instrumentu: Końcówki wyjściowe termopary są połączone z instrumentem typu Stały Magnes - Ruchoma Cewka (PMMC). Minimalna ilość wygenerowanej energii elektrycznej jest wykorzystywana do odchylenia wskazówki instrumentu PMMC. Ta energia jest przechowywana w sprężynie instrumentu, która pomaga utrzymać pozycję wskazówki i wskazywać mierzoną wartość.

Rodzaje elementów termoelektrycznych

Instrument typu bezkontaktowy

W instrumentach termoelektrycznych typu bezkontaktowego nie ma bezpośredniego połączenia elektrycznego między elementem grzewczym a termoparą. Zamiast tego, oba komponenty są oddzielone warstwą izolacji elektrycznej. Podczas gdy ta izolacja zapewnia izolację elektryczną, ma również znaczący wpływ na działanie instrumentu. W porównaniu do instrumentów typu kontaktowego, konstrukcja bezkontaktowa sprawia, że system jest mniej wrażliwy na zmiany mierzonej wielkości i ma wolniejsze czasy reakcji. Wynika to z mniej efektywnej przesyłki ciepła z elementu grzewczego do termopary z powodu obecności bariery izolacyjnej.

Element termoelektryczny w próżni

W instrumentach termoelektrycznych opartych na lampach próżniowych, zarówno grzałka, jak i termopara są zamknięte w ewakuowanej szklanej rurce. Ta próżnia znacząco zwiększa efektywność instrumentu. Poprzez eliminację obecności powietrza, straty ciepła przez konwekcję i przewodzenie są minimalizowane. W rezultacie, grzałka może utrzymywać swoje ciepło przez dłuższy czas, zapewniając bardziej stabilne i jednolite źródło ciepła dla termopary. Ta stabilność w generowaniu ciepła prowadzi do bardziej dokładnych i wiarygodnych pomiarów w czasie.

Typ mostkowy

W instrumentach termoelektrycznych typu mostkowego, prąd elektryczny płynie bezpośrednio przez termoparę. Gdy prąd przepływa, powoduje wzrost temperatury termopary. Wielkość tego wzrostu temperatury jest proporcjonalna do wartości skutecznej (RMS) prądu. Ta bezpośrednia zależność między prądem, zmianą temperatury i wynikającym z tego sygnałem elektrycznym z termopary stanowi podstawę, jak te instrumenty precyzyjnie mierzą ilości elektryczne, dostarczając niezawodną i efektywną metodę dla różnych zastosowań pomiarowych.

Zalety instrumentów termoelektrycznych

Instrumenty termoelektryczne oferują kilka istotnych zalet, co czyni je cennymi narzędziami w pomiarach i analizie elektrycznej:

• Bezpośrednie wskazanie RMS: Jedną z kluczowych zalet jest możliwość bezpośredniego wyświetlania wartości skutecznej (RMS) napięcia i prądu na falach. Ta funkcja upraszcza proces pomiaru, umożliwiając użytkownikom szybkie i dokładne określenie tych kluczowych parametrów elektrycznych bez potrzeby dodatkowych obliczeń lub skomplikowanych metod konwersji.

• Odporność na zewnętrzne pola magnetyczne: Te instrumenty są naturalnie odporne na wpływ zewnętrznych pól magnetycznych. Ta odporność zapewnia bardziej dokładne i wiarygodne pomiary, ponieważ zewnętrzne zaburzenia magnetyczne nie interf