Toplinski par Instrument

Definicija

Termostopinsko merilno napravo definiramo kot napravo, ki uporablja termostopino za določanje temperature, toka in napetosti. Ta prilagodljiva naprava je sposobna izvajati meritve v običajnih (AC) in enosmerenih (DC) tokokrogih, kar jo čini dragocenim orodjem na širokem spektru aplikacij.

Osnove o termostopinah

Termostopina je električna naprava, sestavljena iz dveh žic, narejenih iz različnih kovin. Njena funkcionalnost temelji na osnovnem načelu: na priključku, kjer se te dve različni kovini stikata, se energija toplote pretvori v električno energijo. Ta pojav, znan tudi kot Seebeckov učinek, tvori osnovo delovanja termostopinskih instrumentov, ki jim omogoča točno merjenje temperature in drugih električnih parametrov, izkoriščanjem električnega potenciala, ki ga generira priključek med kovinama.

Mehanizem delovanja

Za merjenje velikosti električnega toka se ta tok prevede skozi priključek termostopine. Ko tok teče, generira toplotno energijo znotraj grelnega elementa. V odgovor termostopina inducira elektromotorni navor (EMF) na svojih izhodnih kljukah. Ta inducirani EMF je nato izmerjen z Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) instrumentom. Velikost tega EMF-a je neposredno sorazmerna z temperaturo priključka termostopine in kvadratno povprečno (RMS) vrednostjo izmerjenega toka.

Ključne prednosti

Ena najbolj opaznih prednosti termostopinskih instrumentov je njihova primerenost za meritve visokofrekvenčnega toka in napetosti. Ti instrumenti kažejo povečano točnost pri obravnavi frekvenc nad 50Hz, kar jih čini idealnimi za aplikacije, kjer je potrebno točno določiti visokofrekvenčne električne parametre.

Načelo delovanja termoelektričnih instrumentov

Generiranje termoelektričnega EMF-ja se zgodi znotraj kroga, sestavljenega iz dveh različnih kovin. Temperatura na priključku, kjer se te kovini stikata, igra ključno vlogo v celotnem delovanju in je ključni parameter za razumevanje, kako instrument deluje.

Naj bosta a in b konstanti, katerih vrednosti so določene z lastnostmi kovin, uporabljenih v termostopini. Običajno se vrednost a giblje med 40 in 50 mikrovolti, medtem ko ima b vrednost v obsegu nekaj desetink do sto tikrovoltov na kvadrat stopinje Celzija (μV/C°2).

Oznaka Δθ označuje temperaturno razliko med toplim in hladnim priključkom termostopine. Na podlagi tega se lahko izpeljejo relevantne temperaturne izraze, kot sledi.

Grelec generira toploto, in količina toplote, ki se proizvede, je neposredno sorazmerna z produktom kvadrata kvadratnega povprečja (RMS) vrednosti toka (I) in odpornosti (R) grelega elementa, izraženo z formulo I2R. Torej je tudi povečanje temperature sorazmerno s toploto, ki jo generira grelec. Ta odnos je temeljnega pomena za razumevanje, kako grelec deluje in vpliva na temperaturo znotraj sistema, vzpostavljajoč jasno povezavo med električnim vhodom in toplinskimi izhodi.

Termostopinski instrument ima dva priključka, hladno in toplje. Razlika med tema dvema priključkoma je izražena kot

Vrednost b je zelo majhna v primerjavi z a in zato je zanemarjena. Temperatura na priključku je izražena kot

Odboj Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) instrumenta je neposredno sorazmeren z elektromotornim navorom (EMF), ki je induciran na njegovih kljukah. Ta odnos pomeni, da, ko se inducirani EMF poveča ali zmanjša, se odboj premikalnega črka instrumenta spremeni v ustrezni maneri. Matematično se odboj premikalnega črka znotraj takšnih instrumentov lahko izrazi z naslednjim enačbo, ki zajema fizikalne principi, ki urejajo odziv instrumenta na električni vhod.

Tukaj izraz K3 - aK1K2R) da konstantno vrednost. Ta karakteristika povzroči, da instrument kaže odziv po kvadratnem zakonu, kar pomeni, da se izhod instrumenta spreminja kot kvadrat vhodne količine (tako kot tok ali napetost).

Konstrukcija termoelektričnega instrumenta

Termoelektrični instrument je predvsem sestavljen iz dveh bistvenih komponent: termoelektričnega elementa in kazalnega instrumenta. Ti dva dela delujeta skupaj, da omogočita točno merjenje električnih in toplinskih količin.

Termoelektrični elementi

Štiri različne vrste termoelektričnih elementov so običajno uporabljene v termostopinskih instrumentih. Vsaka vrsta ima svoje unikatne značilnosti in operacijske principi, ki so podrobno opisani spodaj.

Kontaktna vrsta

Kontaktni termoelektrični element uporablja ločen grelec. Kot je prikazano na sliki spodaj, se priključek termostopine postavi v neposredni fizični stik z grelcom. Ta neposredni stik omogoča učinkovito prenos toplote od grelca do priključka termostopine, kar je ključno za točno pretvarjanje toplinske energije, ki jo generira grelec, v električni signal (elektromotorni navor ali EMF), ki ga lahko meri kazalni instrument.

Funkcije električnega grelega elementa

Električni grelec v termoelektričnem instrumentu opravlja naslednje ključne funkcije:

• Pretvorba energije: Deluje kot ključni komponenta v pretvorbi električne energije v toplinsko energijo. Ta pretvorba je prvotni korak v procesu, ki omogoča merjenje električnih količin z uporabo toplinskih učinkov.

• Termoelektrična pretvorba: Z uporabo Seebeckovega učinka se toplinska energija, ki jo generira grelec, nato pretvori v električno energijo. Ta pretvorba poteka na priključku termostopine, kjer temperatura razlike med toplim in hladnim priključkom ustvari elektromotorni navor (EMF).

• Delovanje instrumenta: Izlazne kljuke termostopine so povezane z Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) instrumentom. Minimalna količina električne energije, ki je ustvarjena, se uporabi za odboj kazalka PMMC instrumenta. Ta energija je shranjena v vijački instrumenta, ki pomaga pri vzdrževanju položaja kazalka in kazanju izmerjene vrednosti.

Vrste termoelektričnih elementov

Ne-kontaktna vrsta instrumenta

V ne-kontaktnih termoelektričnih instrumentih ni neposredne električne povezave med grelcem in termostopino. Namesto tega sta ta dva komponenta ločena z električno izolacijskim slojem. Čeprav ta izolacija zagotavlja električno izolacijo, ima tudi opazno vpliv na delovanje instrumenta. V primerjavi z kontaktnimi instrumenti, ne-kontaktna konstrukcija naredi sistem manj občutljiv na spremembe merjene količine in povzroča počasnejše odzive. To je zaradi manj učinkovitega prenosa toplote od grelca do termostopine zaradi prisotnosti izolacijskega pregrada.

Vakuumski termoelement

V vakuumskih termoelektričnih instrumentih, zasnovanih na vakuumski cevi, sta grelec in termostopina zaprti znotraj izčrpavanega steklenega posoda. Ta vakuumski okolje znatno poveča učinkovitost instrumenta. Z odstranitvijo zraka se zmanjša toplinska izguba preko konvekcije in prevajanja. Tako lahko grelec zadrži toploto dlje časa, kar zagotavlja bolj stabilno in konstantno vir toplote za termostopino. Ta stabilnost pri generiranju toplote vodi do bolj točnih in zanesljivih meritev čez čas.

Mostovna vrsta

V mostovnih termoelektričnih instrumentih električni tok teče neposredno skozi termostopino. Ko tok teče, povzroči povečanje temperature termostopine. Velikost tega povečanja temperature je neposredno sorazmerna s kvadratno povprečno (RMS) vrednostjo toka. Ta neposredni odnos med tokom, spremembo temperature in rezultirajočim električnim izstopom iz termostopine tvori osnovo za to, kako ti instrumenti točno merijo električne količine, zagotavljajo zanesljivo in učinkovito metodo za različne merilne aplikacije.

Prednosti termoelektričnih instrumentov

Termoelektrični instrumenti ponujajo več opaznih prednosti, kar jih naredi dragocenimi orodji v električnem merjenju in analizi:

• Neposredna RMS kazalo: Ena ključnih prednosti je možnost neposrednega prikaza kvadratnega povprečja (RMS) vrednosti napetosti in toka na valovanju. Ta funkcija poenostavi postopek merjenja, omogoča uporabnikom hitro in točno določanje teh ključnih električnih parametrov brez dodatnih računov ali kompleksnih metod pretvorbe.

• Odpornost na stranske magnetne polja: Ti instrumenti so po naravi odporni na vpliv stranskih magnetnih polj. Ta odpornost zagotavlja bolj točna in zanesljiva merila, ker zunanja magnetna motnja ne vpliva na delovanje instrumenta ali krivi rezultate. V okoljih, kjer je magnetna motnja pogosta, kot je blizu električnih strojev ali napetostnih vodov, ta prednost postane zlasti pomembna.

• Širok obseg merjenja toka: Termoelektrični elementi, uporabljeni v teh instrumentih, omogočajo širok obseg merjenja toka. Sicer se ukvarjajo z nizkotokom ali visokotokom aplikacijami, termoelektrični instrumenti lahko točno zajamejo in prikazujejo relevantne vrednosti, kar jih naredi prilagodljive za različne električne sisteme in eksperimentalne nastavitve.

• Visoka občutljivost: Termoelektrični instrumenti kažejo visoko raven občutljivosti, ki omogoča detekcijo celo majhnih sprememb električnih količin. Ta občutljivost je ključna za točna merila v aplikacijah, kjer imajo minute spremembe napetosti ali toka velike posledice, kot so raziskovalni laboratoriji ali kalibracija drugih električnih naprav.

• Uporabnost za kalibracijo potenciometrov: So zelo uporabni za kalibracijo potenciometrov. Z izkoriščanjem točnosti standardne celice, termoelektrični instrumenti lahko pomagajo zagotoviti pravilno delovanje in točnost potenciometrov, ki so ključni komponenti v mnogih električnih krogih za regulacijo in merjenje napetosti.

• Delovanje, neodvisno od frekvence: Termoelektrični elementi so prosti od frekvenčnih napak, kar omogoča uporabo teh instrumentov v širokem obsegu frekvenc. Ta značilnost jih naredi primernimi za aplikacije, ki vključujejo nizkofrekvenčne napetostne sisteme do visokofrekvenčnih elektronskih krogov.

Nedostatki termoelektričnih instrumentov

Čeprav imajo termoelektrični instrumenti mnoge močnosti, imajo en opazen omejitev:

• Omejen kapacitet pretovrščenosti: V primerjavi z drugimi vrstami električnih merilnih elementov imajo termoelektrični instrumenti relativno nizko kapacitet pretovrščenosti. To pomeni, da so bolj ranljivi za poškodbe ali netočne branje, ko so izpostavljeni električnim tokom ali napetostim, ki presegajo njihove nominalne meje. Torej morajo biti upoštevane in vzpostavljene ustrezne zaščitne mere, kadar se uporabljajo v aplikacijah, kjer se lahko pojavijo pogoji pretovrščenosti, da se izogne morebitni neuspehu instrumenta ali kompromitiranemu točnosti merila.