ترمومیٹر آلات
تعریف
این ساز وسیلهای است که برای اندازهگیری دما، جریان و ولتاژ با استفاده از ترمکوپل به کار میرود. این ساز چند منظوره قادر به انجام اندازهگیریها در مدارهای جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) است و به عنوان ابزاری با ارزش در طیف گستردهای از کاربردها شناخته میشود.
اصول پایهای ترمکوپل
ترمکوپل یک دستگاه الکتریکی است که از دو سیم متفاوت ساخته شده است. عملکرد آن بر اساس اصل اساسی قرار دارد: در محل اتصال این دو فلز متفاوت، انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. این پدیده که به نام اثر زیبک شناخته میشود، پایه عملکرد دستگاههای ترمکوپل را تشکیل میدهد و به آنها اجازه میدهد تا با استفاده از پتانسیل الکتریکی تولید شده در محل اتصال فلزها، دما و پارامترهای الکتریکی دیگر را به صورت دقیق اندازهگیری کنند.
مکانیسم عملکرد
برای اندازهگیری مقدار جریان الکتریکی، جریان مورد اندازهگیری از محل اتصال ترمکوپل عبور میکند. هنگامی که جریان عبور میکند، در المان گرمکن گرما تولید میشود. در پاسخ، ترمکوپل یک نیروی الکتروموتوری (emf) در انتهای خروجی خود القا میکند. این emf القا شده سپس با استفاده از یک دستگاه دائمی - مغناطیسی - متحرک - لولهای (PMMC) اندازهگیری میشود. مقدار این emf به طور مستقیم متناسب با دمای محل اتصال ترمکوپل و مقدار میانگین مربع (RMS) جریان اندازهگیری شده است.
مزایای کلیدی
یکی از مزایای برجسته دستگاههای ترمکوپل، مناسب بودن آنها برای اندازهگیری جریان و ولتاژ با فرکانس بالا است. این دستگاهها وقتی با فرکانسهای بالاتر از ۵۰Hz سروکار دارند، دقت بیشتری نشان میدهند و برای کاربردهایی که نیاز به تعیین دقیق پارامترهای الکتریکی با فرکانس بالا وجود دارد، مناسب هستند.
اصول عملکرد دستگاههای ترموالکتریک
تولید emf گرمایی در یک مدار تشکیل شده از دو فلز متفاوت رخ میدهد. دمای محل اتصال این دو فلز نقش مهمی در عملکرد کلی و یک پارامتر کلیدی در درک نحوه عملکرد دستگاه دارد.
فرض کنید a و b ثابتهایی هستند که مقادیر آنها توسط خصوصیات فلزهای استفاده شده در ترمکوپل تعیین میشود. معمولاً مقدار a بین ۴۰ تا ۵۰ میکروولت متغیر است، در حالی که b مقداری در محدوده چند دهم تا صدها میکروولت درجه سانتیگراد مربع μV/C°2 دارد.
Δθ را به عنوان تفاوت دمایی بین نقاط گرم و سرد ترمکوپل در نظر بگیرید. بر اساس این، عبارات مربوط به دما به شرح زیر بدست میآیند.
گرمکن گرما تولید میکند و مقدار گرما تولید شده به طور مستقیم متناسب با حاصلضرب مربع مقدار میانگین مربع (RMS) جریان (I) و مقاومت (R) المان گرمکن است، که با فرمول I2R بیان میشود. بنابراین، افزایش دما نیز به طور مستقیم متناسب با گرما تولید شده توسط المان گرمکن است. این رابطه اساسی برای درک نحوه عملکرد گرمکن و تأثیر آن بر دما در سیستم است و ارتباط واضحی بین ورودی الکتریکی و خروجی گرمایی برقرار میکند.
دستگاه ترمکوپل دو نقطه گرم و سرد دارد. تفاوت بین این دو نقطه به صورت زیر بیان میشود
مقدار b نسبت به a بسیار کوچک است و بنابراین نادیده گرفته میشود. دمای محل اتصال به صورت زیر بیان میشود
حرکت دستگاه دائمی - مغناطیسی - متحرک - لولهای (PMMC) به طور مستقیم متناسب با emf القا شده در انتهای آن است. این رابطه به این معنی است که هر زمان که emf القا شده افزایش یا کاهش یابد، حرکت لوله متحرک دستگاه به طور متناظر تغییر میکند. ریاضیاً، حرکت لوله متحرک در چنین دستگاههایی میتواند با معادله زیر بیان شود که اصول فیزیکی حاکم بر پاسخ دستگاه به ورودی الکتریکی را در بر میگیرد.
در اینجا، عبارت K3 - aK1K2R) نتیجه میدهد که مقدار ثابتی است. این ویژگی باعث میشود که دستگاه پاسخ مربعی نشان دهد، به این معنی که خروجی دستگاه به توان دوم مقدار ورودی (مانند جریان یا ولتاژ) متناسب است.
ساختار دستگاه ترموالکتریک
یک دستگاه ترموالکتریک عمدتاً از دو مؤلفه اساسی تشکیل شده است: المان ترموالکتریک و دستگاه نشاندهنده. این دو بخش به طور همزمان کار میکنند تا اندازهگیری دقیق کمیتهای الکتریکی و گرمایی را ممکن سازند.
المانهای ترموالکتریک
چهار نوع مختلف از المانهای ترموالکتریک معمولاً در دستگاههای ترمکوپل استفاده میشوند. هر نوع ویژگیها و اصول عملکردی خاص خود را دارد که در زیر توضیح داده شده است.
نوع تماسی
کنٹیکٹ - قسم کا تھرمو الیکٹرک عنصر ایک الگ ہیٹر استعمال کرتا ہے۔ نیچے دیئے گئے شکل میں ظاہر کیا گیا ہے کہ تھرمو کوپل کا جنکشن مستقیم طور پر ہیٹر سے فزیکل کنٹیکٹ میں لایا جاتا ہے۔ یہ مستقیم کنٹیکٹ ہیٹر سے تھرمو کوپل کے جنکشن تک کے ہیٹ ٹرانسفر کو موثر بناتا ہے، جو ہیٹر کے ذریعے تولید کردہ ہیٹ انرجی کو الیکٹرکل سگنل (الیکٹرو موتیو فورس یا ایم ایف) میں صحیح طور پر تبدیل کرنے کے لیے ضروری ہے جسے انڈیکیٹنگ آلات کے ذریعے میپ کیا جا سکتا ہے۔
الیکٹرک ہیٹنگ عنصر کے فنکشن
تھرمو الیکٹرک آلات کے اندر الیکٹرک ہیٹنگ عنصر کے درج ذیل کلیدی مقاصد ہیں:
انرجی کانورژن: یہ الیکٹرکل انرجی کو ہیٹ انرجی میں تبدیل کرنے کا کلیدی حصہ ہوتا ہے۔ یہ تبدیلی تھرمل ایفیکٹس کا استعمال کرتے ہوئے الیکٹرکل کمیٹیز کی میزاج کرنے کے عمل کا ابتدائی مرحلہ ہے۔
تھرمی الیکٹرک کانورژن: سی بیک ایفیکٹ کو استعمال کرتے ہوئے ہیٹنگ عنصر کے ذریعے تولید کردہ ہیٹ انرجی کو الیکٹرکل انرجی میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ یہ تبدیلی تھرمو کوپل کے جنکشن پر ہوتی ہے، جہاں گرم اور سرد جنکشن کے درمیان ٹیمپریچر کا فرق الیکٹرو موتیو فورس (ایم ایف) بناتا ہے۔
آلات کا آپریشن: تھرمو کوپل کے آؤٹ پٹ ٹرمینلز کو پرمننٹ - میگنٹ موونگ - کوائل (PMMC) آلات سے منسلک کیا جاتا ہے۔ تیار کردہ الیکٹرکل انرجی کی کم مقدار PMMC آلات کے پوائنٹر کو ڈیفلیکٹ کرنے کے لیے استعمال کی جاتی ہے۔ یہ انرجی آلات کے سپرنگ میں زیر نگہ رکھی جاتی ہے، جو پوائنٹر کی پوزیشن کو برقرار رکھنے اور میپ کردہ قدر کو ظاہر کرنے میں مدد کرتی ہے۔
تھرمی الیکٹرک عناصر کی قسمیں
نن - کنٹیکٹ قسم کا آلات
نن - کنٹیکٹ قسم کے تھرمی الیکٹرک آلات میں ہیٹنگ عنصر اور تھرمو کوپل کے درمیان کوئی مستقیم الیکٹرکل کنیکشن نہیں ہوتا ہے۔ بلکہ دونوں کمپوننٹس الیکٹرکل انسلیشن لیئر سے جدا ہوتے ہیں۔ یہ انسلیشن الیکٹرکل آئیسولیشن فراہم کرتا ہے، لیکن یہ آلات کی پرفارمنس پر نمایاں اثر ڈالتا ہے۔ کنٹیکٹ قسم کے آلات کے مقابلے میں، نن - کنٹیکٹ ڈیزائن آلات کو میپ کردہ مقدار کے تبدیلیوں کے لیے کم حساس بناتا ہے اور کم ریسپانس ٹائم کا باعث بنتا ہے۔ یہ اس لیے ہوتا ہے کہ ہیٹنگ عنصر سے تھرمو کوپل تک کا ہیٹ ٹرانسفر انسلیشن بیریئر کی موجودگی کے باعث کم موثر ہوتا ہے۔
ویکیو تھرمی - عنصر
ویکیو ٹیوب بیسڈ تھرمی الیکٹرک آلات میں ہیٹر اور تھرمو کوپل دونوں ایک ایوانی گلاس ٹیوب کے اندر بند ہوتے ہیں۔ یہ ویکیو ماحول آلات کی کارکردگی کو مظبوط بناتا ہے۔ ہوا کی موجودگی کو ختم کرتے ہوئے کانوکشن اور کنڈکشن کے ذریعے ہیٹ لوسس کو کم کر دیا جاتا ہے۔ نتیجے کے طور پر ہیٹر اپنے ہیٹ کو لمبے عرصے تک برقرار رکھ سکتا ہے، جس سے تھرمو کوپل کے لیے ایک مزید محفوظ اور مستقل ہیٹ سرس فراہم کیا جاتا ہے۔ یہ ہیٹ جنریشن کی استحکامیت وقت کے ساتھ مزید صحیح اور موثوق قیاسات کو یقینی بناتی ہے۔
بریج قسم
بریج قسم کے تھرمی الیکٹرک آلات میں الیکٹرک کرنٹ تھرمو کوپل کے ذریعے مستقیم سے گذرتا ہے۔ جب کرنٹ گزرتا ہے تو یہ تھرمو کوپل کی ٹیمپریچر کو بڑھاتا ہے۔ یہ ٹیمپریچر کا اضافہ کرنٹ کی روٹ - مین - اسکوائر (RMS) قدر کے ساتھ مستقیم تناسب میں ہوتا ہے۔ یہ کرنٹ، ٹیمپریچر کی تبدیلی، اور تھرمو کوپل سے نتیجہ کے الیکٹرکل آؤٹ پٹ کے درمیان مستقیم رشتہ یہ آلات کو الیکٹرکل کمیٹیز کی میزاج کرنے کی بنیاد بنا دیتا ہے، مختلف میزاج کے اطلاقیات کے لیے موثوق اور موثر طریقہ فراہم کرتا ہے۔
تھرمی الیکٹرک آلات کے فوائد
تھرمی الیکٹرک آلات کئی نمایاں فوائد فراہم کرتے ہیں، جس سے وہ الیکٹرکل میزاج اور تجزیہ کے لیے قیمتی اوزار بن جاتے ہیں:
مستقیم RMS انڈیکیشن: کلیدی فوائد میں سے ایک یہ ہے کہ وہ ویو فارم پر ولٹیج اور کرنٹ کی روٹ - مین - اسکوائر (RMS) قدر کو مستقیم ظاہر کرنے کی صلاحیت ہے۔ یہ خصوصیت میزاج کے عمل کو آسان بناتی ہے، صارفین کو اضافی کیلکولیشن یا پیچیدہ کنورژن طریقوں کی ضرورت کے بغیر یہ ضروری الیکٹرکل پیرامیٹرز کو تیزی سے اور صحیح طور پر معلوم کرنے کی اجازت دیتی ہے۔
سٹرے میگنٹک فیلڈز کے لیے مماثن: یہ آلات سٹرے میگنٹک فیلڈز کے اثر کے خلاف ذاتی طور پر مماثن ہوتے ہیں۔ یہ مماثنیت میزاج کو مزید صحیح اور موثوق بناتی ہے، کیونکہ بیرونی میگنٹک اضطرابات آلات کے آپریشن یا نتائج کو مائل نہیں کرتے ہیں۔ میگنٹک انٹرفیئرنس عام ہونے والے ماحولوں میں، جیسے الیکٹرکل مشینری یا پاور لائنز کے قریب، یہ فائدہ خاص طور پر معنی دار بن جاتا ہے۔
وسیع کرنٹ میزاج رنج: یہ آلات میں استعمال کیے جانے والے تھرمی الیکٹرک عناصر وسیع رنج کے کرنٹ میزاج کی اجازت دیتے ہیں۔ چاہے کم کرنٹ یا زیادہ کرنٹ کے اطلاقیات کے ساتھ، تھرمی الیکٹرک آلات متعلقہ قیمتیں صحیح طور پر کیپچر کر سکتے ہیں اور ظاہر کر سکتے ہیں، جس سے وہ مختلف الیکٹرکل سسٹمز اور تجرباتی سیٹ اپ کے لیے متنوع بن جاتے ہیں۔
زیادہ حساسیت: تھرمی الیکٹرک آلات میں زیادہ درجہ کی حساسیت ہوتی ہے، جس سے وہ الیکٹرکل کمیٹیز میں چھوٹی تبدیلیوں کو بھی پکڑ سکتے ہیں۔ یہ حساسیت لیبارٹریز یا دیگر الیکٹرکل ڈیوائسز کی کیلیبریشن میں صحیح میزاج کے لیے ضروری ہوتی ہے جہاں ولٹیج یا کرنٹ میں چھوٹی تبدیلیوں کو بھی اہمیت دی جاتی ہے۔
پوٹینشیومیٹر کیلیبریشن یوٹیلٹی: یہ پوٹینشیومیٹر کی کیلیبریشن کے لیے بہت مفید ہوتے ہیں۔ ایک سٹینڈارڈ سیل کی صحت کا استعمال کرتے ہوئے، تھرمی الیکٹرک آلات پوٹینشیومیٹر کی صحیح کارکردگی اور صحت کو یقینی بنانے میں مدد کرتے ہیں، جو کہ بہت سے الیکٹرکل سرکٹس میں ولٹیج ریگولیشن اور میزاج کے لیے اہم کمپوننٹس ہوتے ہیں۔
تعدد الترددات - التشغيل المستقل عن التردد: عناصر الترموديناميكية خالية من أخطاء التردد، مما يمكّن هذه الأجهزة من الاستخدام في نطاق واسع من الترددات. هذه الخاصية تجعلها مناسبة للاستخدامات التي تتضمن إشارات التيار المتردد (AC) ذات الترددات المتغيرة، بدءًا من أنظمة الطاقة ذات التردد المنخفض وحتى الدوائر الإلكترونية ذات التردد العالي.
عيوب أجهزة الترموديناميكية
بالرغم من مزاياها الكثيرة، فإن أجهزة الترموديناميكية لها قيد بارز:
القدرة على تحمل الحمل الزائد محدودة: بالمقارنة مع أنواع أخرى من عناصر القياس الكهربائية، فإن أجهزة الترموديناميكية لديها قدرة أقل نسبيًا على تحمل الحمل الزائد. هذا يعني أنها أكثر عرضة للتلف أو القراءات غير الدقيقة عند تعرضها لتيارات أو جهود كهربائية تتجاوز حدودها المحددة. لذلك، يجب مراعاة ذلك والأخذ بإجراءات حماية مناسبة عند استخدام هذه الأجهزة في التطبيقات التي قد تحدث فيها حالات الحمل الزائد لتجنب فشل الجهاز المحتمل أو تدهور دقة القياس.
