เครื่องวัดคู่ความร้อน

บทนิยาม

เครื่องมือเทอร์โมคัปเปิลถูกกำหนดให้เป็นอุปกรณ์วัดที่ใช้เทอร์โมคัปเปิลในการกำหนดอุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า และแรงดันไฟฟ้า เครื่องมือที่สามารถปรับตัวได้นี้สามารถวัดได้ทั้งในวงจรกระแสสลับ (AC) และวงจรกระแสตรง (DC) ทำให้เป็นเครื่องมือที่มีค่าสำหรับการใช้งานหลากหลาย

พื้นฐานของเทอร์โมคัปเปิล

เทอร์โมคัปเปิลคืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่ประกอบด้วยสายไฟสองเส้นที่ทำจากโลหะที่แตกต่างกัน การทำงานของมันขึ้นอยู่กับหลักการพื้นฐาน: ที่จุดเชื่อมต่อระหว่างโลหะสองชนิดนี้ ความร้อนจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ซีเบ็ค เป็นพื้นฐานของการทำงานของเครื่องมือเทอร์โมคัปเปิล ทำให้มันสามารถวัดอุณหภูมิและพารามิเตอร์ไฟฟ้าอื่น ๆ ได้อย่างแม่นยำโดยใช้ศักยภาพไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อของโลหะ

กลไกการทำงาน

เพื่อวัดขนาดของกระแสไฟฟ้า กระแสที่ต้องการวัดจะผ่านจุดเชื่อมต่อของเทอร์โมคัปเปิล เมื่อกระแสไหล มันจะสร้างความร้อนภายในองค์ประกอบฮีทเตอร์ ตอบสนองต่อเทอร์โมคัปเปิลจะเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้า (emf) ที่ขั้วออก แรงดันไฟฟ้านี้จะถูกวัดโดยใช้เครื่องมือแบบ Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) ขนาดของ emf นี้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อของเทอร์โมคัปเปิลและค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง (RMS) ของกระแสที่วัดได้

ข้อดีหลัก

หนึ่งในข้อดีที่สำคัญของเครื่องมือเทอร์โมคัปเปิลคือความเหมาะสมในการวัดกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่มีความถี่สูง เครื่องมือเหล่านี้แสดงความแม่นยำมากขึ้นเมื่อต้องการทำความถี่ที่สูงกว่า 50Hz ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการวัดพารามิเตอร์ไฟฟ้าที่มีความถี่สูงอย่างแม่นยำ

หลักการการทำงานของเครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริก

การสร้าง emf ความร้อนเกิดขึ้นภายในวงจรที่ประกอบด้วยโลหะสองชนิดที่แตกต่างกัน อุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อที่โลหะเหล่านี้พบกันมีบทบาทสำคัญในการทำงานโดยรวมและเป็นพารามิเตอร์หลักในการเข้าใจว่าเครื่องมือนี้ทำงานอย่างไร

ให้ a และ b เป็นค่าคงที่ที่ถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของโลหะที่ใช้ในเทอร์โมคัปเปิล โดยทั่วไปค่าของ a จะอยู่ระหว่าง 40 ถึง 50 ไมโครโวลต์ ในขณะที่ b มีค่าอยู่ในช่วงไม่กี่ส่วนสิบถึงหลายร้อยไมโครโวลต์ต่อองศาเซลเซียสกำลังสอง μV/C°2

ให้ Δθ แทนความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อที่ร้อนและจุดเชื่อมต่อที่เย็นของเทอร์โมคัปเปิล ตามนี้ สามารถอนุมานสูตรที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิได้ดังนี้

ฮีทเตอร์สร้างความร้อน และปริมาณความร้อนที่สร้างขึ้นมีความสัมพันธ์โดยตรงกับผลคูณของค่ากำลังสองของค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง (RMS) ของกระแส (I) และความต้านทาน (R) ขององค์ประกอบฮีทเตอร์ แสดงโดยสูตร I2R ดังนั้น การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิยังมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความร้อนที่สร้างขึ้นโดยองค์ประกอบฮีทเตอร์ สิ่งนี้เป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจว่าฮีทเตอร์ทำงานอย่างไรและมีผลต่ออุณหภูมิภายในระบบ สร้างความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างการนำเข้าไฟฟ้าและการผลิตความร้อน

เครื่องมือเทอร์โมคัปเปิลมีจุดเชื่อมต่อสองจุด คือ จุดเชื่อมต่อที่เย็นและจุดเชื่อมต่อที่ร้อน ความแตกต่างระหว่างจุดเชื่อมต่อทั้งสองนี้แสดงเป็น

ค่าของ b น้อยมากเมื่อเทียบกับ a จึงถูกละเว้น อุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อแสดงเป็น

การเบี่ยงเบนของเครื่องมือแบบ Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) มีความสัมพันธ์โดยตรงกับแรงดันไฟฟ้า (emf) ที่เหนี่ยวนำที่ขั้วของมัน ความสัมพันธ์นี้หมายความว่า เมื่อ emf ที่เหนี่ยวนำเพิ่มขึ้นหรือลดลง การเบี่ยงเบนของคอยล์เคลื่อนที่ของเครื่องมือจะเปลี่ยนแปลงตามลำดับ ทางคณิตศาสตร์ การเบี่ยงเบนของคอยล์เคลื่อนที่ภายในเครื่องมือเหล่านี้สามารถแสดงโดยสมการต่อไปนี้ ซึ่งครอบคลุมหลักการทางกายภาพที่ควบคุมการตอบสนองของเครื่องมือต่อการนำเข้าไฟฟ้า

ที่นี่ คำนิพจน์ K3 - aK1K2R) ให้ค่าคงที่ ลักษณะนี้ทำให้เครื่องมือแสดงการตอบสนองแบบกำลังสอง หมายความว่า เอาต์พุตของเครื่องมือเปลี่ยนแปลงเป็นกำลังสองของปริมาณนำเข้า (เช่น กระแสหรือแรงดัน)

การสร้างเครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริก

เครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกประกอบด้วยสองส่วนสำคัญ: เทอร์โมอิเล็กทริกเอลิเมนต์และเครื่องมือแสดงผล สองส่วนนี้ทำงานร่วมกันเพื่อให้วัดค่าไฟฟ้าและความร้อนได้อย่างแม่นยำ

เทอร์โมอิเล็กทริกเอลิเมนต์

มีเทอร์โมอิเล็กทริกเอลิเมนต์สี่ประเภทที่ใช้ในเครื่องมือเทอร์โมคัปเปิลอย่างแพร่หลาย แต่ละประเภทมีคุณสมบัติและหลักการดำเนินงานที่แตกต่างกัน รายละเอียดดังต่อไปนี้

ประเภทที่มีการสัมผัส

เทอร์โมอิเล็กทริกเอลิเมนต์แบบที่มีการสัมผัสใช้ฮีทเตอร์แยกต่างหาก ตามที่แสดงในภาพด้านล่าง จุดเชื่อมต่อของเทอร์โมคัปเปิลถูกนำมาสัมผัสโดยตรงกับฮีทเตอร์ การสัมผัสโดยตรงนี้ช่วยในการถ่ายเทความร้อนจากฮีทเตอร์ไปยังจุดเชื่อมต่อของเทอร์โมคัปเปิลอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการแปลงพลังงานความร้อนที่สร้างขึ้นโดยฮีทเตอร์เป็นสัญญาณไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้าหรือ emf) ที่สามารถวัดได้โดยเครื่องมือแสดงผล

ฟังก์ชันขององค์ประกอบฮีทเตอร์ไฟฟ้า

องค์ประกอบฮีทเตอร์ไฟฟ้ามีวัตถุประสงค์สำคัญดังต่อไปนี้ภายในเครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริก:

• การแปลงพลังงาน: ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบสำคัญในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อน การแปลงนี้เป็นขั้นตอนแรกในการวัดปริมาณไฟฟ้าโดยใช้ผลกระทบทางความร้อน

• การแปลงเทอร์โมอิเล็กทริก: ใช้เอฟเฟกต์ซีเบ็ค ความร้อนที่สร้างขึ้นโดยองค์ประกอบฮีทเตอร์จะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า การแปลงนี้เกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อของเทอร์โมคัปเปิล ที่ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อที่ร้อนและจุดเชื่อมต่อที่เย็นสร้างแรงดันไฟฟ้า (emf)

• การทำงานของเครื่องมือ: ขั้วออกของเทอร์โมคัปเปิลเชื่อมต่อกับเครื่องมือแบบ Permanent - Magnet Moving - Coil (PMMC) พลังงานไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยที่สร้างขึ้นถูกใช้ในการเบี่ยงเบนเข็มของเครื่องมือ PMMC พลังงานนี้ถูกเก็บไว้ในสปริงของเครื่องมือ ซึ่งช่วยในการรักษาตำแหน่งของเข็มและแสดงค่าที่วัดได้

ประเภทของเทอร์โมอิเล็กทริกเอลิเมนต์

เครื่องมือแบบไม่มีการสัมผัส

ในเครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกแบบไม่มีการสัมผัส ไม่มีการเชื่อมต่อไฟฟ้าโดยตรงระหว่างองค์ประกอบฮีทเตอร์และเทอร์โมคัปเปิล แทนที่จะเชื่อมต่อโดยตรง สองส่วนนี้ถูกแยกออกจากกันด้วยชั้นฉนวนไฟฟ้า แม้ว่าฉนวนนี้จะให้การแยกไฟฟ้า แต่ยังมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของเครื่องมือ เมื่อเทียบกับเครื่องมือแบบที่มีการสัมผัส การออกแบบแบบไม่มีการสัมผัสนี้ทำให้ระบบมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของปริมาณที่วัดได้น้อยลงและมีเวลาตอบสนองช้าลง เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนจากองค์ประกอบฮีทเตอร์ไปยังเทอร์โมคัปเปิลไม่มีประสิทธิภาพเนื่องจากมีฉนวนกั้น

เทอร์โม - เอลิเมนต์ในสุญญากาศ

ในเครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกที่ใช้หลอดสุญญากาศ ทั้งฮีทเตอร์และเทอร์โมคัปเปิลถูกบรรจุอยู่ภายในหลอดแก้วที่ถูกสุญญากาศ สภาพแวดล้อมที่สุญญากาศนี้ทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องมือสูงขึ้น โดยการกำจัดอากาศ ความสูญเสียความร้อนผ่านการพาความร้อนและการนำความร้อนถูกลดลง ดังนั้น ฮีทเตอร์สามารถรักษาความร้อนได้นานขึ้น ทำให้แหล่งความร้อนที่มั่นคงและสม่ำเสมอสำหรับเทอร์โมคัปเปิล ความมั่นคงในการสร้างความร้อนนี้นำไปสู่การวัดที่แม่นยำและเชื่อถือได้มากขึ้นในระยะยาว

ประเภทสะพาน

ในเครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกแบบสะพาน กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเทอร์โมคัปเปิลโดยตรง เมื่อกระแสไหล มันทำให้อุณหภูมิของเทอร์โมคัปเปิลเพิ่มขึ้น ขนาดของอุณหภูมิที่เพิ่มนี้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง (RMS) ของกระแส ความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างกระแส การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และผลผลิตไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากเทอร์โมคัปเปิลเป็นพื้นฐานของการวัดปริมาณไฟฟ้าอย่างแม่นยำโดยเครื่องมือเหล่านี้ ทำให้เป็นวิธีที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพสำหรับการวัดในแอปพลิเคชันต่าง ๆ

ข้อดีของเครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริก

เครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกมีข้อดีหลายประการ ทำให้เป็นเครื่องมือที่มีค่าในการวัดและวิเคราะห์ไฟฟ้า:

• การแสดงค่า RMS ได้โดยตรง: ข้อดีที่สำคัญคือความสามารถในการแสดงค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง (RMS) ของแรงดันและกระแสบนรูปคลื่น คุณสมบัตินี้ทำให้กระบวนการวัดง่ายขึ้น ช่วยให้ผู้ใช้สามารถวัดพารามิเตอร์ไฟฟ้าที่สำคัญเหล่านี้ได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำโดยไม่ต้องคำนวณหรือใช้วิธีการแปลงที่ซับซ้อน

• ความทนทานต่อสนามแม่เหล็กที่กระจาย: เครื่องมือเหล่านี้มีความทนทานต่ออิทธิพลของสนามแม่เหล็กที่กระจายโดยธรรมชาติ ความทนทานนี้ทำให้การวัดแม่นยำและเชื่อถือได้มากขึ้น เนื่องจากสนามแม่เหล็กภายนอกไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของเครื่องมือหรือทำให้ผลลัพธ์ผิดเพี้ยน ในสภาพแวดล้อมที่มีการแทรกแซงของสนามแม่เหล็ก เช่น ใกล้เครื่องจักรไฟฟ้าหรือสายไฟฟ้า ข้อดีนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษ

• ช่วงการวัดกระแสที่กว้าง: เทอร์โมอิเล็กทริกเอลิเมนต์ที่ใช้ในเครื่องมือเหล่านี้ช่วยให้วัดกระแสได้ในช่วงที่กว้าง ไม่ว่าจะเป็นการวัดกระแสต่ำหรือกระแสสูง เครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถวัดและแสดงค่าที่เกี่ยวข้องได้อย่างแม่นยำ ทำให้เป็นเครื่องมือที่ยืดหยุ่นสำหรับระบบไฟฟ้าและตั้งการทดลองต่าง ๆ

• ความไวสูง: เครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกมีความไวสูง ทำให้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ของปริมาณไฟฟ้าได้ ความไวนี้มีความสำคัญในการวัดที่แม่นยำในแอปพลิเคชันที่การเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ของแรงดันหรือกระแสอาจมีความหมายสำคัญ เช่น ในห้องปฏิบัติการวิจัยหรือในการสอบเทียบเครื่องมือไฟฟ้าอื่น ๆ

• ประโยชน์ในการสอบเทียบโพเทนชิโอมิเตอร์: เครื่องมือเหล่านี้มีประโยชน์อย่างมากในการสอบเทียบโพเทนชิโอมิเตอร์ โดยใช้ความแม่นยำของเซลล์มาตรฐาน เครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถช่วยให้แน่ใจว่าโพเทนชิโอมิเตอร์ทำงานและมีความแม่นยำอย่างถูกต้อง ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในวงจรไฟฟ้าหลาย ๆ วงจรสำหรับการควบคุมและวัดแรงดัน

• การทำงานที่ไม่ขึ้นกับความถี่: เทอร์โมอิเล็กทริกเอลิเมนต์ไม่มีข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับความถี่ ทำให้เครื่องมือเหล่านี้สามารถใช้งานได้ในช่วงความถี่ที่กว้าง คุณสมบัตินี้ทำให้เครื่องมือเหล่านี้เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่มีสัญญาณไฟฟ้าสลับ (AC) ที่มีความถี่ต่าง ๆ จากระบบไฟฟ้าที่มีความถี่ต่ำไปจนถึงวงจรไฟฟ้าที่มีความถี่สูง

ข้อเสียของเครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริก

แม้ว่าเครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกจะมีข้อดีมากมาย แต่ก็มีข้อจำกัดที่สำคัญดังต่อไปนี้:

• ความจุการโหลดเกินต่ำ: เมื่อเทียบกับองค์ประกอบการวัดไฟฟ้าประเภทอื่น ๆ เครื่องมือเทอร์โมอิเล็กทริกมีความจุการโหลดเกินต่ำ หมายความว่า เครื่องมือเหล่านี้มีความไวต่อความเสียหายหรือการวัดที่ไม่แม่นยำเมื่อถูกสัมผัสกับกระแสหรือแรงดันไฟฟ้าที่เกินขีดจำกัดที่กำหนด ดังนั้น ต้องระมัดระวังและใช้มาตรการป้องกันที่เหมาะสมเมื่อใช้เครื่องมือเหล่านี้ในแอปพลิเคชันที่อาจเกิดภาวะโหลดเกิน เพื่อป้องกันการเสียหายของเครื่องมือหรือการวัดที่ไม่แม่นยำ