Termoelementni instrument

Definicija

Termoelektrički instrument definisan je kao merni uređaj koji koristi termopar za određivanje temperature, struje i napona. Ovaj versatile instrument može meriti u oba alternativna (AC) i direktna (DC) strujna kola, što ga čini vrednom alatom u širokom spektru primena.

Osnove o termoparu

Termopar je električni uređaj sastavljen od dva žica iz različitih metala. Njegova funkcionalnost zasniva se na fundamentalnom principu: na preseku gde se ova dva različita metala sastaju, toplinska energija se pretvara u električnu energiju. Ovo pojava, poznata kao Seebeck-ov efekat, predstavlja osnovu rada termoelektričkih instrumenata, omogućavajući im tačno merenje temperature i drugih električnih parametara iskoristeći električni potencijal generisan na presecima metala.

Mehanizam rada

Za merenje intenziteta električne struje, struja koja se meri prođe kroz presek termopara. Dok struja teče, generiše se toplina unutar elementa grejanja. U odgovoru, termopar indukuje elektromotornu snagu (emf) na svojim izlaznim terminalima. Ova indukovana emf zatim se meri pomoću Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) instrumenta. Intenzitet ove emf je direktno proporcionalan i temperaturi na preseku termopara i kvadratnoj srednjoj vrednosti (RMS) merene struje.

Ključne prednosti

Jedna od najznačajnijih prednosti termoelektričkih instrumenata jeste njihova prikladnost za merenje visokofrekventnih struja i napona. Ovi instrumenti pokazuju poboljšanu tačnost kada se bave frekvencijama iznad 50Hz, što ih čini idealnim za primene gde su potrebna precizna određivanja visokofrekventnih električnih parametara.

Princip rada termoelektričkih instrumenata

Generisanje termoelektrične emf dešava se unutar kruga sastavljenog od dva različita metala. Temperatura na preseku gde se ovi metali sastaju ima ključnu ulogu u ukupnom radu i predstavlja ključni parametar za razumevanje kako instrument funkcioniše.

Neka a i b budu konstante čije vrednosti su određene osobinama metala korišćenih u termoparu. Obično, vrednost a varira od 40 do 50 mikrovolti, dok b ima vrednost u opsegu nekoliko desetina do stotina mikrovolti po stepenu Celzijusa na kvadrat μV/C°2.

Obeležimo Δθ kao temperaturnu razliku između tople i hladne spojnica termopara. Na osnovu ovoga, relevantne izraze vezane za temperaturu mogu se izvesti na sledeći način.

Grejalac generiše toplinu, a količina topline proizvedene je direktno proporcionalna proizvodu kvadratne srednje vrednosti (RMS) struje (I) i otpora (R) elementa grejanja, izraženo formulom I2R. Kao rezultat, povećanje temperature je takođe proporcionalno toplini generisanoj elementom grejanja. Ova veza je fundamentalna za razumevanje kako grejalac funkcioniše i utiče na temperaturu unutar sistema, uspostavljajući jasan odnos između električnog ulaza i toplinskog izlaza.

Termoelektrički instrument ima dve spojnice, hladnu i toplu. Razlika između ove dve spojnice izražena je kao

Vrednost b je vrlo mala u poređenju sa a i stoga se zanemaruje. Temperatura na spojnicama izražena je kao

Odmet Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) instrumenta direktno je proporcionalan elektromotornoj snazi (emf) indukovanoj na njegovim terminalima. Ova veza znači da se dok se indukovana emf povećava ili smanjuje, odmet pokretnog čvora instrumenta menja se odgovarajuće. Matematički, odmet pokretnog čvora unutar takvih instrumenata može se izraziti sledećom jednačinom, koja kapsulira fizičke principe koje upravljaju odzivom instrumenta na električni ulaz.

Ovdje, izraz K3 - aK1K2R) rezultira konstantnom vrednošću. Ova karakteristika dovodi do toga da instrument ima kvadratni odziv, što znači da se izlaz instrumenta menja kao kvadrat ulazne količine (poput struje ili napona).

Konstrukcija termoelektričkog instrumenta

Termoelektrički instrument uglavnom se sastoji od dva ključna komponenta: termoelektričkog elementa i instrumenta za indikaciju. Ove dve komponente rade zajedno kako bi omogućile tačno merenje električnih i toplinskih količina.

Termoelektrički elementi

Četiri različite vrste termoelektričkih elemenata se često koriste u termoparnim instrumenatima. Svaki tip ima svoje jedinstvene karakteristike i operativne principe, koji su detaljno opisani ispod.

Kontaktni tip

Kontaktni termoelektrički element koristi poseban grejalac. Kao što je prikazano na slici ispod, spojnica termopara donosi se u direktni fizički kontakt sa grejačem. Ovaj direktni kontakt omogućava efikasnu prenos toplote od grejača ka spojnicama termopara, što je ključno za tačno pretvaranje toplinske energije generisane od strane grejača u električni signal (elektromotornu snagu ili emf) koji se može meriti instrumentom za indikaciju.

Funkcije električnog elementa za grejanje

Električni element za grejanje služi sledećim ključnim svrsama unutar termoelektričkog instrumenta:

• Pretvaranje energije: On djeluje kao ključna komponenta u transformaciji električne energije u toplinsku energiju. Ova transformacija predstavlja inicijalni korak u procesu koji omogućava merenje električnih količina korišćenjem toplinskih efekata.

• Termoelektrično pretvaranje: Koristeći Seebeck-ov efekat, toplinska energija generisana od strane elementa za grejanje zatim se pretvara u električnu energiju. Ova transformacija se dešava na spojnicama termopara, gde temperatura razlika između tople i hladne spojnica stvara elektromotornu snagu (emf).

• Rad instrumenta: Izlazni terminali termopara su povezani sa Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) instrumentom. Minimalna količina električne energije proizvedene koristi se za odmet pokazivača PMMC instrumenta. Ova energija se skladišti u pruzi instrumenta, što pomaga u održavanju pozicije pokazivača i indikaciji merene vrednosti.

Vrste termoelektričkih elemenata

Nekontaktni tip instrumenta

U nekontaktnim termoelektričkim instrumentima ne postoji direktna električna veza između elementa za grejanje i termopara. Umjesto toga, ove dvije komponente su odvojene slojem električne izolacije. Dok ova izolacija pruža električnu izolaciju, ona takođe ima značajan uticaj na performanse instrumenta. U usporedbi s kontaktnim instrumentima, nekontaktni dizajn čini sistem manje osetljivim na promene merene količine i rezultira sporijim vremenom odziva. To je zato što je prenos toplote od elementa za grejanje do termopara manje efikasan zbog prisustva barijere izolacije.

Vakuumski termoelement

U vakuumskim termoelektričkim instrumentima, i grejalac i termopar su ugrađeni unutar evakuirane staklene cevi. Ova vakuum okruženje značajno poboljšava efikasnost instrumenta. Eliminacijom prisustva vazduha, gubitci toplote putem konvekcije i provodnosti su minimizirani. Kao rezultat, grejalac može zadržati svoju toplinu duže period, obezbeđujući stabilniji i konzistentniji izvor toplote za termopar. Ova stabilnost u generisanju toplote dovodi do tačnijih i pouzdanijih merenja tokom vremena.

Mostasti tip

U mostastim termoelektričkim instrumentima, električna struja direktno protiče kroz termopar. Dok struja prođe, ona uzrokuje povećanje temperature termopara. Magnituda ovog povećanja temperature direktno je proporcionalna kvadratnoj srednjoj vrednosti (RMS) struje. Ovaj direktni odnos između struje, promene temperature i rezultirajućeg električnog izlaza iz termopara predstavlja osnovu toga kako ovi instrumenti tačno merenje električnih količina, pružajući pouzdani i efikasan metod za razne merne primene.

Prednosti termoelektričkih instrumenata

Termoelektrički instrumenti nude nekoliko značajnih prednosti, što ih čini vrednim alatima u električnim merenjima i analizama:

• Direktna indikacija RMS: Jedna od ključnih prednosti je sposobnost direktnog prikaza kvadratne srednje vrednosti (RMS) napona i struje na valovoj formi. Ova funkcija pojednostavljuje postupak merenja, omogućavajući korisnicima da brzo i tačno odrede ove ključne električne parametre bez potrebe za dodatnim izračunavanjima ili kompleksnim metodama pretvaranja.

• Imunitet na strane magnetna polja: Ovi instrumenti su po prirodi otporni na uticaj stranih magnetnih polja. Ovaj imunitet osigurava tačnija i pouzdanija merenja, jer vanjski magnetni smetnje ne utiču na rad instrumenta ili nisu skrivene rezultate. U okruženjima gde je magnetna interferencija uobičajena, poput blizu električnih mašina ili linija snage, ova prednost postaje posebno značajna.

• Širok raspon merenja struje: Termoelektrički elementi korišćeni u ovim instrumentima omogućavaju širok raspon merenja struje. Bez obzira da li se radi o niskoj ili visokoj strujnoj aplikaciji, termoelektrički instrumenti mogu tačno uhvatiti i prikazati relevantne vrednosti, što ih čini versatile za različite električne sisteme i eksperimentalne postavke.

• Visoka osetljivost: Termoelektrički instrumenti pokazuju visoku razinu osetljivosti, omogućavajući im da detektuju čak i male promene u električnim količinama. Ova osetljivost je ključna za tačna merenja u primenama gde minute varijacije napona ili struje mogu imati značajne implikacije, poput istraživačkih laboratorija ili kalibracije drugih električnih uređaja.

• Koristan za kalibraciju potenciometara: Oni su izuzetno korisni za kalibraciju potenciometara. Iskoristeći tačnost standardne celije, termoelektrički instrumenti mogu pomoći da se osigura pravilno funkcionisanje i tačnost potenciometara, koji su ključne komponente u mnogim električnim kružnicama za regulaciju i merenje napona.

• Operacija nezavisna od frekvencije: Termoelektrički elementi su slobodni od grešaka frekvencije, omogućavajući ove instrumente da se koriste u širokom rasponu frekvencija. Ova karakteristika čini ih prikladnim za primene koje uključuju alterativne strujne (AC) signale različitih frekvencija, od niskofrekventnih sistema snage do visokofrekventnih elektronskih kružnica.

Mane termoelektričkih instrumenata

Unatoč svojim mnogim prednostima, termoelektrički instrumenti imaju jednu značajnu ograničenje:

• Ograničena kapacitet preopterećenja: U usporedbi sa drugim vrstama elemenata za merenje električnih količina, termoelektrički instrumenti imaju relativno nisku kapacitet preopterećenja. To znači da su više podložni oštećenju ili netočnim čitanjima kada su izloženi električnim strujama ili naponima koji prelaze njihove nominalne granice. Stoga, mora se biti pažljiv i uzeti prave zaštite kada se ovi instrumenti koriste u primenama gde se mogu dogoditi stanja preopterećenja kako bi se spriječilo potencijalno oštećenje instrumenta ili kompromitiranje tačnosti merenja.