Termoelementinstrument

Definition

En termoelementinstrument definieras som en mätapparat som använder ett termoelement för att bestämma temperatur, ström och spänning. Detta mångsidiga instrument kan utföra mätningar i både växelströms- (AC) och likströmskretsar (DC), vilket gör det till ett värdefullt verktyg inom ett brett spektrum av tillämpningar.

Grundläggande om Termoelement

Ett termoelement är ett elektriskt enhet som består av två trådar gjorda av olika metaller. Dess funktionalitet baseras på ett grundläggande princip: vid den punkt där dessa två olika metaller möts, konverteras värmeenergi till elektrisk energi. Detta fenomen, kallat Seebeck-effekten, ligger till grund för funktionen hos termoelementinstrument, vilket möjliggör exakt mätning av temperatur och andra elektriska parametrar genom att utnyttja den elektriska potentialen som genereras vid metalljunctionerna.

Funktionsmekanism

För att mäta magnituden av en elektrisk ström passerar den ström som ska mätas genom junctionen av termoelementet. När strömmen flödar genererar den värme inuti värmeelementet. I respons inducerar termoelementet en elektromotorisk kraft (emf) vid dess utgångsterminaler. Denna inducerade emf mäts sedan med hjälp av en Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC)-instrument. Magnituden av denna emf är direkt proportionell till både temperaturen vid termoelementjunctionen och rotmedelvärdet (RMS) av den mätta strömmen.

Viktiga Fördelar

En av de mest framstående fördelarna med termoelementinstrument är deras lämplighet för mätning av högfrekventa strömmar och spännningar. Dessa instrument visar ökad precision vid behandling av frekvenser över 50Hz, vilket gör dem idealiska för tillämpningar där högfrekventa elektriska parametrar behöver fastställas exakt.

Arbetsprincip för Termoelektriska Instrument

Genereringen av termisk emf inträffar inom en krets sammansatt av två olika metaller. Temperaturen vid junctionen där dessa metaller möts spelar en avgörande roll för den totala funktionen och är en nyckelparameter för att förstå hur instrumentet fungerar.

Låt a och b vara konstanter vars värden bestäms av egenskaperna hos de metaller som används i termoelementet. Vanligtvis ligger värdet av a mellan 40 och 50 mikrovolt, medan b har ett värde i området några tiondelar till hundratals mikrovolt per grad Celsius kvadrat μV/C°2.

Beteckna Δθ som temperaturdifferensen mellan den varma och kalla junctionen av termoelementet. Baserat på detta kan relevanta temperaturrelaterade uttryck härledas enligt följande.

Värmeelementet genererar värme, och mängden värme som produceras är direkt proportionell till produkten av kvadraten av rotmedelvärdet (RMS) av strömmen (I) och resistansen (R) av värmeelementet, uttryckt av formeln I2R. Därför är ökningen i temperatur också proportionell mot den värme som genereras av värmeelementet. Denna relation är fundamental för att förstå hur värmeelementet fungerar och påverkar temperaturen inom systemet, vilket etablerar en tydlig koppling mellan elektrisk inmatning och termisk utmatning.

Termoelementinstrumentet har två junctioner, kall och varm. Skillnaden mellan dessa två junctioner uttrycks som

Värdet av b är mycket litet jämfört med a och därför ignoreras det. Temperaturen vid junctionen uttrycks som

Avvikelsen av ett Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC)-instrument är direkt proportionell till den elektromotoriska kraften (emf) som induceras vid dess terminaler. Denna relation innebär att när den inducerade emf ökar eller minskar ändras avvikelsen av instrumentets rörliga spole på motsvarande sätt. Matematiskt kan avvikelsen av den rörliga spolet i sådana instrument uttryckas genom följande ekvation, vilken sammanfattar de fysiska principer som styr instrumentets respons på den elektriska inmatningen.

Här resulterar uttrycket K3 - aK1K2R i en konstant värde. Denna egenskap ger upphov till att instrumentet visar en kvadratisk respons, vilket betyder att instrumentets utdata varierar som kvadraten av indatakvantiteten (som ström eller spänning).

Konstruktion av Termoelektriska Instrument

Ett termoelektriskt instrument består huvudsakligen av två viktiga komponenter: termoelektriskt element och indikerande instrument. Dessa två delar arbetar tillsammans för att möjliggöra exakt mätning av elektriska och termiska kvantiteter.

Termoelektriska Element

Fyra distinkta typer av termoelektriska element används vanligtvis i termoelementinstrument. Varje typ har sina unika egenskaper och funktionsprinciper, vilka beskrivs nedan.

Kontakttyp

Kontakttypen termoelektriska element använder en separat värmare. Som illustrerat i figuren nedan, bringas junctionen av termoelementet i direkta fysisk kontakt med värmaren. Denna direkta kontakt underlättar effektiv värmeöverföring från värmaren till termoelementjunctionen, vilket är kritiskt för att exakt konvertera den termiska energi som genereras av värmaren till ett elektriskt signal (elektromotorisk kraft eller emf) som kan mätas av indikerande instrumentet.

Funktioner för Elektrisk Värmeelement

Det elektriska värmeelementet har följande kritiska syften inom ett termoelektriskt instrument:

• Energikonvertering: Det fungerar som en viktig komponent för att transformera elektrisk energi till termisk energi. Denna konvertering är den inledande steget i processen som möjliggör mätning av elektriska kvantiteter med hjälp av termiska effekter.

• Termoelektrisk Konvertering: Genom att utnyttja Seebeck-effekten konverteras den värmeenergi som genereras av värmeelementet sedan till elektrisk energi. Denna konvertering sker vid junctionen av termoelementet, där temperaturens skillnad mellan den varma och kalla junctionen skapar en elektromotorisk kraft (emf).

• Instrument Funktion: Utgångsterminalerna för termoelementet är anslutna till ett Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC)-instrument. En minimal mängd av den elektriska energin som produceras används för att avvika pekaren på PMMC-instrumentet. Denna energi lagras i instrumentets fjäder, vilket hjälper till att bibehålla positionen av pekaren och indikera det mätta värdet.

Typer av Termoelektriska Element

Ingen Kontakt Typ Instrument

I ingen kontakt typ termoelektriska instrument finns det ingen direkt elektrisk anslutning mellan värmeelementet och termoelementet. Istället är de två komponenterna separerade av en elektrisk isoleringslager. Medan denna isolering ger elektrisk isolering har den också en märkbar inverkan på instrumentets prestanda. Jämfört med kontakttypinstrument gör den icke-kontakt designen systemet mindre känsligt för förändringar i den mätta kvantiteten och resulterar i långsammare svars tid. Detta beror på att värmeöverföringen från värmeelementet till termoelementet är mindre effektiv på grund av isoleringsbarriären.

Vakuum Termoelement

I vakuumrör-baserade termoelektriska instrument är både värmeelementet och termoelementet inhysta inom ett evakuerat glasrör. Denna vakuummiljö förbättrar instrumentets effektivitet betydligt. Genom att eliminera luftens närvaro minimeras värmeavlidning genom konvektion och konduktion. Resultatet blir att värmeelementet kan behålla sin värme under en längre period, vilket säkerställer en mer stabil och konsekvent värme källa för termoelementet. Denna stabilitet i värme generation leder till mer exakta och tillförlitliga mätningar över tid.

Brotype

I brotypen termoelektriska instrument flödar elektriska strömmen direkt genom termoelementet. När strömmen passerar orsakar den en temperaturökning av termoelementet. Magnituden av denna temperaturökning är direkt proportionell till rotmedelvärdet (RMS) av strömmen. Denna direkta relation mellan strömmen, temperaturförändringen och den resulterande elektriska utmatningen från termoelementet utgör grunden för hur dessa instrument exakt mäter elektriska kvantiteter, vilket ger en tillförlitlig och effektiv metod för olika mätapplikationer.

Fördelar med Termoelektriska Instrument

Termoelektriska instrument erbjuder flera framstående fördelar, vilket gör dem till värdefulla verktyg för elektrisk mätning och analys:

• Direkt RMS Indikation: En av de viktigaste fördelarna är förmågan att direkt visa rotmedelvärdes (RMS) värden av spänning och ström på vågformen. Denna funktion förenklar mätprocessen, vilket möjliggör snabb och exakt bestämning av dessa viktiga elektriska parametrar utan behov av ytterligare beräkningar eller komplexa konverteringsmetoder.

• Immun mot Stray Magnetiska Fält: Dessa instrument är inbyggt motståndskraftiga mot inflytandet av stray magnetiska fält. Denna immunitet säkerställer mer exakta och tillförlitliga mätningar, eftersom externa magnetiska störningar inte påverkar instrumentets funktion eller snedvrider resultaten. I miljöer där magnetisk interferens är vanlig, såsom nära elektriska maskiner eller strömförseendeledningar, blir denna fördel särskilt betydelsefull.

• Bred Strömmätningsspannvidd: De termoelektriska element som används i dessa instrument möjliggör en bred spannvidd av strömmätningar. Oavsett om det gäller lågströms- eller högströmsapplikationer, kan termoelektriska instrument exakt fånga och visa de relevanta värdena, vilket gör dem mångsidiga för olika elektriska system och experimentella uppställningar.

• Hög Känslighet: Termoelektriska instrument visar en hög grad av känslighet, vilket möjliggör detektering av även små förändringar i elektriska kvantiteter. Denna känslighet är avgörande för exakta mätningar i applikationer där små variationer i spänning eller ström kan ha betydande konsekvenser, såsom i forskningslaboratorier eller vid kalibrering av andra elektriska enheter.

• Potentiometerkalibreringsanvändning: De är extremt användbara för kalibrering av potentiometer. Genom att utnyttja standardcellens noggrannhet kan termoelektriska instrument bidra till att säkerställa korrekt fungerande och noggrannhet hos potentiometer, vilka är viktiga komponenter i många elektriska kretsar för spänningsreglering och mätning.

• Frekvensoberoende Funktionalitet: Termoelektriska element är fria från frekvensfel, vilket möjliggör att dessa instrument används över ett brett spektrum av frekvenser. Denna egenskap gör dem lämpliga för applikationer som involverar växelströms (AC) signaler av varierande frekvens, från lågfrekventa strömförseendesystem till högfrekventa elektroniska kretsar.

Nackdelar med Termoelektriska Instrument

Trots sina många styrkor har termoelektriska instrument en noterbar begränsning:

• Begränsad Överbelastningskapacitet: Jämfört med andra typer av elektriska mätningselement har termoelektriska instrument en relativt låg överbelastningskapacitet. Detta betyder att de är mer sårbara för skada eller felaktiga läsningar när de utsätts för elektriska strömmar eller spänningar som överstiger deras nominella gränser. Därför måste man noga överväga och ta rätt skyddsåtgärder när man använder dessa instrument i applikationer där överbelastningsvillkor kan uppstå, för att undvika potentiell instrumentfel eller komprometterad mätningarnoggrannhet.