مبدأ عمل مستشعر درجة الحرارة واعتبارات الاختيار

كيف تعمل أجهزة استشعار الحرارة

عندما يكون هناك موصلان وشبه موصلين مختلفان A و B لتشكيل حلقة، والطرفان متصلان ببعضهما البعض، طالما أن درجات الحرارة عند الوصلتين مختلفة، فإن درجة حرارة أحد الطرفين هي T، والتي تسمى الطرف العامل أو الطرف الساخن، ودرجة حرارة الطرف الآخر هي TO، والتي تسمى الطرف الحر أو الطرف البارد، يوجد تيار في الحلقة، أي أن القوة الدافعة الكهربائية الموجودة في الحلقة تسمى القوة الدافعة الكهربائية الحرارية. تسمى ظاهرة توليد القوة الدافعة الكهربائية بسبب الاختلافات في درجات الحرارة بتأثير سيبيك. هناك تأثيران مرتبطان بسيبيك: أولاً، عندما يتدفق تيار عبر تقاطع موصلين مختلفين، يتم امتصاص الحرارة أو إطلاقها هنا (حسب اتجاه التيار)، وهو ما يسمى بتأثير بلتييه؛ ثانيًا، عندما يتدفق تيار عبر موصل بتدرج درجة الحرارة، يمتص الموصل أو يطلق الحرارة (حسب اتجاه التيار بالنسبة لتدرج درجة الحرارة)، والمعروف باسم تأثير طومسون. يُطلق على الجمع بين موصلين أو أشباه موصلات مختلفة اسم "الثرموكبل".

كيف تعمل أجهزة الاستشعار المقاومة

تتغير قيمة مقاومة الموصل مع درجة الحرارة، وتُحسب درجة حرارة الجسم المراد قياسه بقياس قيمة المقاومة. المستشعر المُصمم وفقًا لهذا المبدأ هو مستشعر درجة حرارة المقاومة، ويُستخدم بشكل رئيسي لقياس درجة الحرارة في نطاق -200-500 درجة مئوية. يُعد المعدن النقي المادة الرئيسية المُصنعة للمقاومة الحرارية، ويجب أن تتميز مادة المقاومة الحرارية بالخصائص التالية:

(1) يجب أن يكون معامل درجة الحرارة للمقاومة كبيرًا ومستقرًا، ويجب أن تكون هناك علاقة خطية جيدة بين قيمة المقاومة ودرجة الحرارة.

(2) مقاومة عالية، وسعة حرارية صغيرة، وسرعة رد فعل سريعة.

(3) تتميز المادة بإمكانية إعادة إنتاجها وصنعتها الجيدة، كما أن سعرها منخفض.

(4) الخصائص الكيميائية والفيزيائية مستقرة ضمن نطاق قياس درجة الحرارة.

في الوقت الحاضر، يعد البلاتين والنحاس الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الصناعة، وقد تم تحويلهما إلى مقاومة حرارية قياسية لقياس درجة الحرارة.

اعتبارات عند اختيار مستشعر درجة الحرارة

1. ما إذا كانت الظروف البيئية للجسم المقاس تسبب أي ضرر لعنصر قياس درجة الحرارة.

2. ما إذا كانت درجة حرارة الجسم المقاسة بحاجة إلى تسجيلها وإصدار إنذار بشأنها والتحكم فيها تلقائيًا، وما إذا كانت بحاجة إلى قياسها وإرسالها عن بُعد. 3800 100

3. في حالة تغير درجة حرارة الجسم المقاس مع مرور الوقت، ما إذا كان تأخر عنصر قياس درجة الحرارة يمكن أن يلبي متطلبات قياس درجة الحرارة.

4. حجم ودقة نطاق قياس درجة الحرارة.

5. ما إذا كان حجم عنصر قياس درجة الحرارة مناسبًا.

6. السعر مضمون وما إذا كان مناسبًا للاستخدام.

كيفية تجنب الأخطاء

عند تركيب واستخدام مستشعر درجة الحرارة، يجب تجنب الأخطاء التالية لضمان أفضل تأثير للقياس.

1. الأخطاء الناجمة عن التثبيت غير الصحيح

على سبيل المثال، لا يعكس موضع تركيب الترموكبل وعمق إدخاله درجة الحرارة الفعلية للفرن. بمعنى آخر، يجب عدم تركيب الترموكبل قريبًا جدًا من الباب ووحدة التسخين، ويجب ألا يقل عمق إدخاله عن 8 إلى 10 أضعاف قطر أنبوب الحماية.

2. خطأ المقاومة الحرارية

عند ارتفاع درجة الحرارة، وفي حال وجود طبقة من رماد الفحم على الأنبوب الواقي وتراكم الغبار عليه، تزداد المقاومة الحرارية وتعيق توصيل الحرارة. في هذه الحالة، تكون قيمة مؤشر درجة الحرارة أقل من القيمة الحقيقية لدرجة الحرارة المقاسة. لذلك، يجب الحفاظ على نظافة الجزء الخارجي من أنبوب حماية المزدوج الحراري لتقليل الأخطاء.

3. الأخطاء الناجمة عن العزل السيئ

إذا كان الثرموكبل معزولاً، فإن تراكم الأوساخ أو خبث الملح الزائد على أنبوب الحماية ولوحة الأسلاك سيؤدي إلى ضعف العزل بين الثرموكبل وجدار الفرن، وهو أمرٌ أشد خطورةً في درجات الحرارة العالية، مما لا يؤدي فقط إلى فقدان الجهد الكهروحراري، بل يُسبب أيضًا تداخلًا. قد يصل الخطأ الناتج عن هذا أحيانًا إلى بايدو.

4. الأخطاء الناتجة عن القصور الذاتي الحراري

يتجلى هذا التأثير بشكل خاص عند إجراء قياسات سريعة، لأن القصور الذاتي الحراري للثرموكبل يُسبب تأخرًا في قيمة العداد المُشار إليها عن تغير درجة الحرارة المُقاسة. لذلك، يُنصح باستخدام ترموكبل ذي قطب حراري أرق وأنبوب حماية أصغر قطرًا قدر الإمكان. ويمكن إزالة الأنبوب الواقي عندما تسمح بيئة قياس درجة الحرارة بذلك. نظرًا لتأخر القياس، تكون سعة تقلبات درجة الحرارة التي يكتشفها الترموكبل أصغر من سعة تقلبات درجة حرارة الفرن. كلما زاد تأخر القياس، قلّت سعة تقلبات الترموكبل وزاد الفرق عن درجة حرارة الفرن الفعلية.