Термопара

Визначення

Термопара - це вимірювальний прилад, який використовує термопару для визначення температури, струму та напруги. Цей універсальний прилад може проводити вимірювання як в альтернативних (AC), так і в прямолінійних (DC) колах, що робить його цінним інструментом у широкому спектрі застосувань.

Основи термопар

Термопара - це електричний прилад, складений з двох дротів, виготовлених з різних металів. Його функціональність базується на основному принципі: в точці з'єднання цих двох різних металів теплова енергія перетворюється на електричну. Цей явище, відоме як ефект Зебека, є основою роботи термопарних приладів, що дозволяє їм точно вимірювати температуру та інші електричні параметри, використовуючи електричний потенціал, генерований в точках з'єднання металів.

Механізм роботи

Для вимірювання величини електричного струму, струм, який потрібно виміряти, пропускається через з'єднання термопари. Під час протікання струму він генерує тепло в елементі нагріву. Відповідно, термопара індукує електродвижущу силу (ЕДС) на своїх вихідних кінцевиках. Ця індукована ЕДС потім вимірюється за допомогою приладу з постійним магнітом та рухомою катушкою (PMMC). Величина цієї ЕДС прямо пропорційна як температурі в точці з'єднання термопари, так і середньоквадратичному (RMS) значенню виміряного струму.

Ключові переваги

Однією з найбільш помітних переваг термопарних приладів є їх придатність для вимірювання струму та напруги високої частоти. Ці прилади демонструють підвищену точність при роботі з частотами вище 50 Гц, що робить їх ідеальними для застосувань, де потрібно точно визначати електричні параметри високої частоти.

Принцип роботи термоелектричних приладів

Генерація термічної ЕДС відбувається в контурі, складеному з двох різних металів. Температура в точці з'єднання цих металів грає ключову роль в загальній роботі і є важливим параметром для розуміння, як працює прилад.

Нехай a і b - це константи, значення яких визначаються властивостями металів, використаних в термопарі. Зазвичай, значення a знаходиться в діапазоні від 40 до 50 мікрольв, а b має значення в діапазоні кількох десятків до сотень мікровольт на градус Цельсія в квадраті μV/C°2.

Позначимо Δθ як різницю температур між гарячим і холодним з'єднаннями термопари. На основі цього, можна отримати відповідні температурні вирази, як наведено нижче.

Нагрівач генерує тепло, і кількість виробленого тепла прямо пропорційна добутку квадрата середньоквадратичного (RMS) значення струму (I) та опору (R) нагрівального елемента, вираженого формулою I2R. Відповідно, зростання температури також прямо пропорційне теплу, виробленому нагрівальним елементом. Цей зв'язок є фундаментальним для розуміння, як працює нагрівач, і впливає на температуру в системі, встановлюючи чіткий зв'язок між електричним входом та термічним виходом.

Термопарний прилад має два з'єднання - холодне та гаряче. Різниця між цими двома з'єднаннями виражається як

Значення b дуже мале порівняно з a, тому його зазвичай не враховують. Температура в точці з'єднання виражається як

Відхилення приладу з постійним магнітом та рухомою катушкою (PMMC) прямо пропорційне електродвижущій силі (ЕДС), індукованій на його кінцевиках. Цей зв'язок означає, що при збільшенні або зменшенні індукованої ЕДС, відхилення рухомої катушки приладу змінюється відповідно. Математично, відхилення рухомої катушки в таких приладах можна виразити наступним рівнянням, яке об'єднує фізичні принципи, що керують реакцією приладу на електричний вхід.

Тут, вираз K3 - aK1K2R) дає стале значення. Ця характеристика призводить до того, що прилад демонструє квадратичну відповідь, тобто вихід приладу змінюється як квадрат вхідної величини (такої як струм або напруга).

Конструкція термоелектричного приладу

Термоелектричний прилад головним чином складається з двох основних компонентів: термоелектричного елемента та показного приладу. Ці дві частини працюють разом, щоб забезпечити точне вимірювання електричних та термічних величин.

Термоелектричні елементи

Чотири різні типи термоелектричних елементів зазвичай використовуються в термопарних приладах. Кожен тип має свої власні унікальні особливості та принципи роботи, які детально описані нижче.

Контактний тип

Контактний термоелектричний елемент використовує окремий нагрівач. Як показано на рисунку нижче, з'єднання термопари приводиться в прямий фізичний контакт з нагрівачем. Цей пряний контакт сприяє ефективному перенесенню тепла від нагрівача до з'єднання термопари, що є ключовим для точного перетворення теплової енергії, виробленої нагрівачем, на електричний сигнал (ЕДС), який може бути виміряний показним приладом.

Функції електричного нагрівального елемента

Електричний нагрівальний елемент виконує наступні ключові функції в термоелектричному приладі:

• Перетворення енергії: Він виступає ключовим компонентом в перетворенні електричної енергії на теплову. Це перетворення є початковим кроком в процесі, що дозволяє вимірювати електричні величини за допомогою теплових ефектів.

• Термоелектричне перетворення: Використовуючи ефект Зебека, теплова енергія, вироблена нагрівальним елементом, потім перетворюється на електричну. Це перетворення відбувається в точці з'єднання термопари, де різниця температур між гарячим і холодним з'єднаннями створює електродвижущу силу (ЕДС).

• Робота приладу: Вихідні кінцевики термопари підключаються до приладу з постійним магнітом та рухомою катушкою (PMMC). Незначна кількість виробленої електричної енергії використовується для відхилення стрілки приладу PMMC. Ця енергія зберігається в пружині приладу, що допомагає утримувати положення стрілки та показувати виміряне значення.

Типи термоелектричних елементів

Неконтактний тип приладу

У неконтактних термоелектричних приладах немає безпосереднього електричного з'єднання між нагрівальним елементом та термопарою. Замість цього, дві компоненти розділені електричним ізоляційним шаром. Хоча ця ізоляція забезпечує електричну ізоляцію, вона також має значний вплив на продуктивність приладу. Порівняно з контактними приладами, неконтактний дизайн робить систему менш чутливою до змін вимірюваної величини і призводить до повільніших відгуків. Це тому, що передача тепла від нагрівального елемента до термопари менш ефективна через наявність ізоляційного бар'єру.

Вакуумний термоелемент

У термоелектричних приладах, заснованих на вакуумних трубках, як нагрівач, так і термопара розташовані всередині евакуованої скляної трубки. Це вакуумне середовище значно підвищує ефективність приладу. Усунення повітря призводить до мінімізації тепловтрат через конвекцію та провідність. В результаті нагрівач може утримувати тепло на довший період, забезпечуючи більш стабільний і послідовний джерело тепла для термопари. Ця стабільність в генерації тепла призводить до більш точних і надійних вимірювань з часом.

Містковий тип

У місткових термоелектричних приладах електричний струм проходить безпосередньо через термопару. Коли струм проходить, він спричиняє зростання температури термопари. Величина цього зростання температури прямо пропорційна кореневому середньоквадратичному (RMS) значенню струму. Цей безпосередній зв'язок між струмом, зміною температури та результуючим електричним виходом з термопари становить основу того, як ці прилади точно вимірюють електричні величини, забезпечуючи надійний та ефективний метод для різних вимірювальних застосувань.

Переваги термоелектричних приладів

Термоелектричні прилади мають кілька відмінних переваг, що робить їх цінними інструментами в електричних вимірюваннях та аналізі:

• Безпосереднє відображення RMS: Одна з ключових переваг - здатність безпосередньо відображати кореневі середньоквадратичні (RMS) значення напруги та струму на формі хвилі. Ця функція спрощує процес вимірювання, дозволяючи користувачам швидко та точно визначати ці важливі електричні параметри без потреби додаткових обчислень або складних методів перетворення.

• Імунітет до сторонніх магнітних полів: Ці прилади від природи стійкі до впливу сторонніх магнітних полів. Ця стійкість забезпечує більш точні та надійні вимірювання, оскільки зовнішні магнітні завади не втручатимуться в роботу приладу або не спотворять результати. У середовищах, де магнітна завада є поширеною, наприклад, поблизу електричних машин або ліній електропередач, ця перевага набуває особливої значимості.

• Широкий діапазон вимірювання струму: Термоелектричні елементи, використовувані в цих приладах, дозволяють вести широкий діапазон вимірювань струму. Будь-це низькі або високі струми, термоелектричні прилади можуть точно визначати та відображати відповідні значення, що робить їх универсальними для різних електричних систем та експериментальних установок.

• Висока чутливість: Термоелектричні прилади мають високу ступінь чутливості, що дозволяє їм виявляти навіть невеликі зміни електричних величин. Ця чутливість є важливою для точних вимірювань у застосуваннях, де мінімальні зміни напруги або струму можуть мати значні наслідки, наприклад, в наукових лабораторіях або при калібруванні інших електричних приладів.

• Корисність для калібрування потенціометрів: Вони надзвичайно корисні для калібрування потенціометрів. Використовуючи точність стандартної батареї, термоелектричні прилади можуть допомогти забезпечити правильну роботу та точність потенціометрів, які є важливими компонентами у багатьох електричних схемах для регулювання та вимірювання напруги.

• Незалежність від частоти: Термоелектричні елементи віль