Đồng hồ nhiệt điện

Định nghĩa

Thiết bị đo nhiệt điện là thiết bị đo lường sử dụng cặp nhiệt điện để xác định nhiệt độ, dòng điện và điện áp. Thiết bị đa năng này có khả năng đo lường trong cả mạch điện xoay chiều (AC) và một chiều (DC), làm cho nó trở thành công cụ quý giá trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Cơ bản về Cặp Nhiệt Điện

Cặp nhiệt điện là thiết bị điện bao gồm hai dây dẫn làm từ các kim loại khác nhau. Chức năng của nó dựa trên nguyên tắc cơ bản: tại điểm tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau, năng lượng nhiệt được chuyển đổi thành năng lượng điện. Hiện tượng này, được gọi là hiệu ứng Seebeck, là cơ sở hoạt động của các thiết bị cặp nhiệt điện, cho phép chúng đo chính xác nhiệt độ và các thông số điện khác bằng cách tận dụng điện thế sinh ra tại các điểm tiếp xúc kim loại.

Cơ chế Hoạt Động

Để đo cường độ dòng điện, dòng điện cần đo được truyền qua điểm tiếp xúc của cặp nhiệt điện. Khi dòng điện chảy, nó tạo ra nhiệt bên trong phần tử sưởi. Trả lời lại, cặp nhiệt điện tạo ra lực điện động (emf) tại các đầu ra. Lực điện động này sau đó được đo bằng thiết bị Dây Cuộn Di Động - Nam Châm Vĩnh Cửu (PMMC). Mức độ emf này tỷ lệ thuận với cả nhiệt độ tại điểm tiếp xúc của cặp nhiệt điện và giá trị trung bình căn bậc hai (RMS) của dòng điện được đo.

Lợi Ích Chính

Một trong những lợi ích đáng chú ý nhất của các thiết bị cặp nhiệt điện là sự phù hợp của chúng để đo dòng điện và điện áp tần số cao. Các thiết bị này thể hiện độ chính xác cao hơn khi xử lý tần số trên 50Hz, làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng cần xác định chính xác các tham số điện tần số cao.

Nguyên Lý Hoạt Động của Thiết Bị Nhiệt Điện

Sự tạo ra điện động nhiệt xảy ra trong mạch bao gồm hai kim loại khác nhau. Nhiệt độ tại điểm tiếp xúc giữa hai kim loại đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động chung và là tham số chính để hiểu cách hoạt động của thiết bị.

Gọi a và b là hằng số có giá trị được xác định bởi đặc tính của các kim loại sử dụng trong cặp nhiệt điện. Thường thì giá trị của a nằm trong khoảng từ 40 đến 50 microvolt, trong khi b có giá trị trong khoảng vài phần mười đến hàng trăm microvolt mỗi độ Celsius bình phương μV/C°2.

Ký hiệu Δθ là sự khác biệt về nhiệt độ giữa điểm nóng và lạnh của cặp nhiệt điện. Dựa trên điều này, các biểu thức liên quan đến nhiệt độ có thể được dẫn xuất như sau.

Phần tử sưởi tạo ra nhiệt, và lượng nhiệt sản sinh tỷ lệ thuận với tích của bình phương giá trị trung bình căn bậc hai (RMS) của dòng điện (I) và điện trở (R) của phần tử sưởi, được biểu diễn bởi công thức I2R. Do đó, sự tăng nhiệt độ cũng tỷ lệ thuận với lượng nhiệt do phần tử sưởi tạo ra. Mối quan hệ này là cơ bản để hiểu cách hoạt động của phần tử sưởi và ảnh hưởng đến nhiệt độ trong hệ thống, thiết lập mối liên kết rõ ràng giữa đầu vào điện và đầu ra nhiệt.

Thiết bị cặp nhiệt điện có hai điểm tiếp xúc lạnh và nóng. Sự khác biệt giữa hai điểm tiếp xúc này được biểu diễn như sau

Giá trị của b rất nhỏ so với a và do đó được bỏ qua. Nhiệt độ tại điểm tiếp xúc được biểu diễn như sau

Độ lệch của thiết bị Dây Cuộn Di Động - Nam Châm Vĩnh Cửu (PMMC) tỷ lệ thuận với lực điện động (emf) được tạo ra tại các đầu ra. Mối quan hệ này có nghĩa là khi lực điện động tăng hoặc giảm, độ lệch của cuộn dây di động của thiết bị thay đổi theo cách tương ứng. Về mặt toán học, độ lệch của cuộn dây di động trong các thiết bị như vậy có thể được biểu diễn bằng phương trình sau, bao gồm các nguyên lý vật lý chi phối phản ứng của thiết bị đối với đầu vào điện.

Ở đây, biểu thức K3 - aK1K2R) tạo ra một giá trị hằng số. Đặc điểm này khiến thiết bị có phản ứng theo luật bình phương, nghĩa là đầu ra của thiết bị biến đổi theo bình phương của đầu vào (như dòng điện hoặc điện áp).

Cấu Tạo của Thiết Bị Nhiệt Điện

Thiết bị nhiệt điện chủ yếu bao gồm hai thành phần thiết yếu: phần tử nhiệt điện và thiết bị chỉ báo. Hai phần này hoạt động cùng nhau để cho phép đo chính xác các đại lượng điện và nhiệt.

Phần Tử Nhiệt Điện

Bốn loại phần tử nhiệt điện khác nhau thường được sử dụng trong các thiết bị cặp nhiệt điện. Mỗi loại có các đặc điểm và nguyên lý hoạt động riêng, được mô tả dưới đây.

Loại Tiếp Xúc

Phần tử nhiệt điện loại tiếp xúc sử dụng bộ phận sưởi riêng. Như được minh họa trong hình dưới đây, điểm tiếp xúc của cặp nhiệt điện được đưa vào tiếp xúc trực tiếp với bộ phận sưởi. Việc tiếp xúc trực tiếp này giúp truyền nhiệt hiệu quả từ bộ phận sưởi đến điểm tiếp xúc của cặp nhiệt điện, điều này rất quan trọng để chuyển đổi chính xác năng lượng nhiệt do bộ phận sưởi tạo ra thành tín hiệu điện (lực điện động hoặc emf) có thể được đo bởi thiết bị chỉ báo.

Chức Năng của Phần Tử Sưởi Điện

Phần tử sưởi điện phục vụ các mục đích quan trọng sau trong thiết bị nhiệt điện:

• Chuyển Đổi Năng Lượng: Nó hoạt động như một thành phần chính trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt. Việc chuyển đổi này là bước đầu tiên trong quá trình cho phép đo các đại lượng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng nhiệt.

• Chuyển Đổi Nhiệt Điện: Sử dụng hiệu ứng Seebeck, năng lượng nhiệt do phần tử sưởi tạo ra sau đó được chuyển đổi thành năng lượng điện. Việc chuyển đổi này xảy ra tại điểm tiếp xúc của cặp nhiệt điện, nơi sự khác biệt về nhiệt độ giữa điểm nóng và lạnh tạo ra lực điện động (emf).

• Hoạt Động của Thiết Bị: Các đầu ra của cặp nhiệt điện được kết nối với thiết bị Dây Cuộn Di Động - Nam Châm Vĩnh Cửu (PMMC). Một lượng nhỏ năng lượng điện được tạo ra được sử dụng để lệch con trỏ của thiết bị PMMC. Năng lượng này được lưu trữ trong lò xo của thiết bị, giúp duy trì vị trí của con trỏ và chỉ báo giá trị được đo.

Các Loại Phần Tử Nhiệt Điện

Thiết Bị Không Tiếp Xúc

Trong các thiết bị nhiệt điện không tiếp xúc, không có kết nối điện trực tiếp giữa phần tử sưởi và cặp nhiệt điện. Thay vào đó, hai thành phần này được tách rời bởi một lớp cách điện. Mặc dù lớp cách điện cung cấp cách ly điện, nó cũng có tác động đáng kể đến hiệu suất của thiết bị. So với các thiết bị loại tiếp xúc, thiết kế không tiếp xúc làm cho hệ thống ít nhạy cảm hơn với sự thay đổi của đại lượng được đo và kết quả là thời gian phản hồi chậm hơn. Điều này là do việc truyền nhiệt từ phần tử sưởi đến cặp nhiệt điện kém hiệu quả hơn do sự tồn tại của rào cản cách điện.

Phần Tử Nhiệt Điện Trong Hộp Kính

Trong các thiết bị nhiệt điện dựa trên ống chân không, cả phần tử sưởi và cặp nhiệt điện đều được bao bọc trong một ống kính đã được hút chân không. Môi trường chân không này nâng cao đáng kể hiệu quả của thiết bị. Bằng cách loại bỏ sự có mặt của không khí, mất nhiệt thông qua đối lưu và dẫn nhiệt được giảm thiểu. Do đó, phần tử sưởi có thể giữ nhiệt trong thời gian dài hơn, đảm bảo nguồn nhiệt ổn định và nhất quán cho cặp nhiệt điện. Sự ổn định này trong việc tạo nhiệt dẫn đến các phép đo chính xác và tin cậy hơn theo thời gian.

Loại Cầu

Trong các thiết bị nhiệt điện loại cầu, dòng điện chạy trực tiếp qua cặp nhiệt điện. Khi dòng điện đi qua, nó làm tăng nhiệt độ của cặp nhiệt điện. Mức độ tăng nhiệt độ này tỷ lệ thuận với giá trị trung bình căn bậc hai (RMS) của dòng điện. Mối quan hệ trực tiếp giữa dòng điện, sự thay đổi nhiệt độ và đầu ra điện từ cặp nhiệt điện là cơ sở cho cách các thiết bị này đo chính xác các đại lượng điện, cung cấp phương pháp đáng tin cậy và hiệu quả cho các ứng dụng đo lường khác nhau.

Lợi Ích của Thiết Bị Nhiệt Điện

Thiết bị nhiệt điện mang lại nhiều lợi ích đáng chú ý, làm cho chúng trở thành công cụ quý giá trong đo lường và phân tích điện:

• Hiển Thị RMS Trực Tiếp: Một trong những lợi ích chính là khả năng hiển thị trực tiếp giá trị trung bình căn bậc hai (RMS) của điện áp và dòng điện trên dạng sóng. Tính năng này đơn giản hóa quy trình đo lường, cho phép người dùng nhanh chóng và chính xác xác định các tham số điện quan trọng mà không cần thực hiện thêm các phép tính hoặc phương pháp chuyển đổi phức tạp.

• Miễn Dịch với Trường Từ Ngẫu Nhiên: Các thiết bị này tự nhiên kháng lại ảnh hưởng của trường từ ngẫu nhiên. Đặc điểm này đảm bảo các phép đo chính xác và đáng tin cậy hơn, vì các nhiễu từ ngoại vi không can thiệp vào hoạt động của thiết bị hoặc làm sai lệch kết quả. Trong môi trường có nhiễu từ phổ biến, chẳng hạn như gần máy móc điện hoặc đường dây điện, ưu điểm này trở nên đặc biệt quan trọng.

• Phạm Vi Đo Dòng Điện Rộng: Các phần tử nhiệt điện được sử dụng trong các thiết bị này cho phép đo lường trong phạm vi dòng điện rộng. Dù đang xử lý các ứng dụng dòng điện thấp hay cao, các thiết bị nhiệt điện có thể chính xác nắm bắt và hiển thị các giá trị liên quan, làm cho chúng linh hoạt cho nhiều hệ thống điện và cấu hình thí nghiệm khác nhau.

• Độ Nhạy Cao: Các thiết bị nhiệt điện có độ nhạy cao, cho phép chúng phát hiện thậm chí cả những thay đổi nhỏ trong các đại lượng điện. Độ nhạy này rất quan trọng cho các phép đo chính xác trong các ứng dụng mà sự thay đổi nhỏ trong điện áp hoặc dòng điện có thể có ý nghĩa lớn, như trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu hoặc trong việc hiệu chỉnh các thiết bị điện khác.

• Tiện Ích Hiệu Chỉnh Potentiometer: Chúng cực kỳ hữu ích để hiệu chỉnh potentiometer. Bằng cách tận dụng độ chính xác của tế bào chuẩn, các thiết bị nhiệt điện có thể giúp đảm bảo chức năng và độ chính xác đúng đắn của potentiometer, là thành phần quan trọng trong nhiều mạch điện để điều chỉnh và đo lường điện áp.

• Hoạt Động Không Phụ Thuộc vào Tần Số: Các phần tử nhiệt điện không bị lỗi tần số, cho phép các thiết bị này được sử dụng trong phạm vi tần số rộng. Đặc điểm này làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tín hiệu dòng điện xoay chiều (AC) với tần số khác nhau, từ các hệ thống điện tần số thấp đến các mạch điện tử tần số cao.

Nhược Điểm của Thiết Bị Nhiệt Điện

Dù có nhiều ưu điểm, các thiết bị nhiệt điện vẫn có một nhược điểm đáng chú ý:

• Khả Năng Quá Tải Giới Hạn: So với các loại phần tử đo điện khác, các thiết bị nhiệt điện có khả năng quá tải tương đối thấp. Điều này có nghĩa là chúng dễ bị hỏng hoặc đọc sai khi tiếp xúc với dòng điện hoặc điện áp vượt quá giới hạn định mức. Do đó, cần phải cân nhắc kỹ và áp dụng các biện pháp bảo vệ thích hợp khi sử dụng các thiết bị này trong các ứng dụng có thể xảy ra tình trạng quá tải để tránh hỏng hóc tiềm tàng hoặc giảm độ chính xác của phép đo.