Термопарный прибор

Определение

Термопарный прибор определяется как измерительное устройство, которое использует термопару для определения температуры, тока и напряжения. Этот многофункциональный прибор способен выполнять измерения в цепях как переменного (AC), так и постоянного (DC) тока, что делает его ценным инструментом в широком спектре применений.

Основы термопар

Термопара — это электрическое устройство, состоящее из двух проводов, изготовленных из различных металлов. Его функциональность основана на фундаментальном принципе: в месте соединения этих двух разных металлов тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию. Это явление, известное как эффект Зеебека, является основой работы термопарных приборов, позволяя им точно измерять температуру и другие электрические параметры, используя электрический потенциал, генерируемый в местах соединения металлов.

Механизм работы

Для измерения величины электрического тока, ток, который нужно измерить, пропускают через соединение термопары. По мере прохождения тока он генерирует тепло в нагревательном элементе. В ответ на это термопара индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) на своих выходных клеммах. Эта индуцированная ЭДС затем измеряется с помощью прибора с постоянным магнитом и подвижной катушкой (ПМПК). Величина этой ЭДС прямо пропорциональна как температуре в соединении термопары, так и среднеквадратическому (RMS) значению измеренного тока.

Ключевые преимущества

Одним из наиболее заметных преимуществ термопарных приборов является их пригодность для измерения высокочастотного тока и напряжения. Эти приборы демонстрируют повышенную точность при работе с частотами выше 50 Гц, что делает их идеальными для применения, где необходимо точно определить высокочастотные электрические параметры.

Принцип работы термоэлектрических приборов

Генерация термо-ЭДС происходит в цепи, состоящей из двух различных металлов. Температура в месте соединения этих металлов играет ключевую роль в общем процессе работы и является важным параметром для понимания функционирования прибора.

Пусть a и b — константы, значения которых определяются свойствами металлов, используемых в термопаре. Обычно значение a находится в диапазоне от 40 до 50 микровольт, а b имеет значение в диапазоне от нескольких десятых до сотен микровольт на градус Цельсия в квадрате μV/C°2.

Обозначим Δθ как разницу температур между горячим и холодным соединениями термопары. На основе этого можно вывести соответствующие выражения, связанные с температурой.

Нагреватель генерирует тепло, и количество выделяемого тепла прямо пропорционально произведению квадрата среднеквадратического (RMS) значения тока (I) и сопротивления (R) нагревательного элемента, выражаемого формулой I2R. Следовательно, увеличение температуры также пропорционально теплу, генерируемому нагревательным элементом. Это соотношение является фундаментальным для понимания того, как работает нагреватель и влияет на температуру в системе, устанавливая четкую связь между электрическим входом и тепловым выходом.

Термопарный прибор имеет два соединения: холодное и горячее. Разница между этими двумя соединениями выражается как

Значение b очень мало по сравнению с a, поэтому оно часто игнорируется. Температура в соединении выражается как

Отклонение прибора с постоянным магнитом и подвижной катушкой (ПМПК) прямо пропорционально электродвижущей силе (ЭДС), индуцированной на его клеммах. Это соотношение означает, что по мере увеличения или уменьшения индуцированной ЭДС, отклонение подвижной катушки прибора изменяется соответственно. Математически, отклонение подвижной катушки в таких приборах можно выразить следующим уравнением, которое охватывает физические принципы, определяющие реакцию прибора на электрический вход.

Здесь выражение K3 - aK1K2R) приводит к постоянному значению. Эта характеристика приводит к тому, что прибор демонстрирует квадратичную зависимость, то есть выход прибора изменяется как квадрат входного значения (например, тока или напряжения).

Конструкция термоэлектрического прибора

Термоэлектрический прибор состоит в основном из двух основных компонентов: термоэлектрического элемента и указывающего прибора. Эти две части работают совместно, обеспечивая точное измерение электрических и тепловых величин.

Термоэлектрические элементы

Четыре различных типа термоэлектрических элементов обычно используются в термопарных приборах. Каждый тип имеет свои уникальные особенности и принципы работы, которые подробно описаны ниже.

Контактный тип

Контактный термоэлектрический элемент использует отдельный нагреватель. Как показано на рисунке ниже, соединение термопары приводится в прямой физический контакт с нагревателем. Этот прямой контакт способствует эффективному передаче тепла от нагревателя к соединению термопары, что является crucial for accurately converting the thermal energy generated by the heater into an electrical signal (electromotive force or emf) that can be measured by the indicating instrument.

Функции электрического нагревательного элемента

Электрический нагревательный элемент выполняет следующие критически важные функции в термоэлектрическом приборе:

• Перевод энергии: Он действует как ключевой компонент в преобразовании электрической энергии в тепловую. Этот перевод является первым шагом в процессе, который позволяет измерять электрические величины с использованием тепловых эффектов.

• Термоэлектрический перевод: Используя эффект Зеебека, тепловая энергия, генерируемая нагревательным элементом, затем преобразуется в электрическую энергию. Это преобразование происходит в соединении термопары, где разница температур между горячим и холодным соединениями создает электродвижущую силу (ЭДС).

• Работа прибора: Выходные клеммы термопары подключены к прибору с постоянным магнитом и подвижной катушкой (ПМПК). Минимальное количество производимой электрической энергии используется для отклонения стрелки ПМПК. Эта энергия накапливается в пружине прибора, что помогает поддерживать положение стрелки и указывать измеренное значение.

Типы термоэлектрических элементов

Прибор без контакта

В термоэлектрических приборах без контакта нет прямого электрического соединения между нагревательным элементом и термопарой. Вместо этого два компонента разделены электроизоляционным слоем. Хотя эта изоляция обеспечивает электрическую изоляцию, она также оказывает значительное влияние на производительность прибора. По сравнению с контактными приборами, конструкция без контакта делает систему менее чувствительной к изменениям измеряемой величины и приводит к более медленным временам отклика. Это связано с тем, что передача тепла от нагревательного элемента к термопаре менее эффективна из-за наличия изоляционного барьера.

Вакуумный термоэлемент

В термоэлектрических приборах на основе вакуумных трубок как нагреватель, так и термопара заключены в эвакуированную стеклянную трубку. Эта вакуумная среда значительно повышает эффективность прибора. Устранение воздуха минимизирует потерю тепла за счет конвекции и теплопроводности. В результате нагреватель может сохранять свое тепло на протяжении длительного времени, обеспечивая более стабильный и постоянный источник тепла для термопары. Эта стабильность в генерации тепла приводит к более точным и надежным измерениям со временем.

Мостовой тип

В мостовых термоэлектрических приборах электрический ток проходит напрямую через термопару. По мере прохождения тока температура термопары повышается. Величина этого повышения температуры прямо пропорциональна среднеквадратическому (RMS) значению тока. Эта прямая связь между током, изменением температуры и возникающим электрическим выходом термопары является основой того, как эти приборы точно измеряют электрические величины, предоставляя надежный и эффективный метод для различных измерительных применений.

Преимущества термоэлектрических приборов

Термоэлектрические приборы предлагают несколько значительных преимуществ, что делает их ценными инструментами в измерении и анализе электрических величин:

• Прямое отображение RMS: Одним из ключевых преимуществ является возможность прямого отображения среднеквадратических (RMS) значений напряжения и тока на форме сигнала. Эта функция упрощает процесс измерения, позволяя пользователям быстро и точно определить эти важные электрические параметры без необходимости дополнительных расчетов или сложных методов преобразования.

• Иммунитет к внешним магнитным полям: Эти приборы естественным образом устойчивы к влиянию внешних магнитных полей. Этот иммунитет обеспечивает более точные и надежные измерения, поскольку внешние магнитные помехи не влияют на работу прибора или искажают результаты. В условиях, где магнитные помехи распространены, такие как вблизи электрического оборудования или линий электропередач, это преимущество становится особенно значительным.

• Широкий диапазон измерения тока: Термоэлектрические элементы, используемые в этих приборах, позволяют выполнять широкий диапазон измерений тока. Будь то низко- или высокоамперные применения, термоэлектрические приборы могут точно захватывать и отображать соответствующие значения, делая их универсальными для различных электрических систем и экспериментальных установок.

• Высокая чувствительность: Термоэлектрические приборы обладают высокой степенью чувствительности, что позволяет им обнаруживать даже небольшие изменения в электрических величинах. Эта чувствительность критически важна для точных измерений в приложениях, где малые вариации напряжения или тока могут иметь значительные последствия, такие как в исследовательских лабораториях или при калибровке других электрических устройств.

• Утилитарность для калибровки потенциометров: Они крайне полезны для калибровки потенциометров. Используя точность стандартной ячейки, термоэлектрические приборы могут помочь обеспечить правильную работу и точность потенциометров, которые являются важными компонентами во многих электрических цепях для регулировки и измерения напряжения.

• Независимость от частоты: Термоэлектрические элементы свободны от ошибок, связанных с частотой, что позволяет этим приборам использоваться в широком диапазоне частот. Эта характеристика делает их подходящими для применения, включающих переменные токи (AC) с различными частотами, от низкочастотных систем питания до высокочастотных электронных цепей.

Недостатки термоэлектрических приборов

Несмотря на множество преимуществ, термоэлектрические приборы имеют одно значительное ограничение:

• Ограниченная перегрузочная способность: По сравнению с другими типами элементов для измерения электрических величин, термоэлектрические приборы имеют относительно низкую перегрузочную способность. Это означает, что они более уязвимы к повреждению или неточным показаниям при воздействии электрических токов или напряжений, превышающих их номинальные пределы. В результате, при использовании этих приборов в приложениях, где возможны условия перегрузки, необходимо тщательно рассмотреть и принять соответствующие меры защиты, чтобы избежать потенциального отказа прибора или снижения точности измерений.