أجهزة استشعار درجة الحرارة: الأنواع، وكيفية عملها، والتطبيقات الرئيسية

تعد درجة الحرارة واحدة من أهم العوامل الفيزيائية في الإنتاج الصناعي والهندسة المدنية ومراقبة البيئة وأنظمة الطاقة والزراعة والحياة اليومية. من أجهزة قياس الحرارة المنزلية والثلاجات إلى السدود الخرسانية والجسور وخزانات المياه وصوامع الحبوب ومحطات الطاقة، تساعد أجهزة استشعار درجة الحرارة الأشخاص على فهم ما إذا كانت المادة أو الهيكل أو الآلة أو البيئة تعمل ضمن نطاق آمن ومستقر.

مستشعر درجة الحرارة هو جهاز يستخدم للكشف عن الحرارة أو البرودة وتحويل تلك المعلومات إلى إشارة قابلة للقراءة. اعتمادًا على مبدأ الاستشعار، يمكن إنشاء هذه الإشارة من خلال تغيير المقاومة، أو تغيير الجهد، أو تغيير التردد، أو الإشعاع الحراري، أو الحركة الميكانيكية. بعد التحويل والمعالجة، يمكن عرض قيمة درجة الحرارة على المؤشر، أو إرسالها إلى مسجل البيانات، أو دمجها في منصة المراقبة.

في العديد من التطبيقات الهندسية، لا يتم استخدام قياس درجة الحرارة فقط للمراقبة البسيطة. كما أنها ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتقييم السلامة ومراقبة الصحة الهيكلية ومراقبة العمليات وفحص الجودة والصيانة طويلة المدى. على سبيل المثال، في الهياكل الخرسانية، يمكن لأجهزة استشعار درجة الحرارة أن تساعد في مراقبة حرارة الماء والإجهاد الحراري. وفي خزانات المياه والآبار، يمكنهم قياس التغيرات في درجة حرارة الماء. في أنظمة تخزين الحبوب، يمكن لأجهزة استشعار درجة الحرارة متعددة النقاط أن تساعد في اكتشاف التسخين غير الطبيعي داخل الحبوب المخزنة وتوفير إنذار مبكر قبل حدوث التلف.

ما هو جهاز استشعار درجة الحرارة؟

مستشعر درجة الحرارة هو أداة تقيس درجة سخونة أو برودة جسم أو مادة أو سطح أو سائل أو غاز أو بيئة. في معظم التطبيقات الصناعية والهندسية، لا يقوم المستشعر بإظهار درجة الحرارة بشكل مباشر مثل مقياس الحرارة الزجاجي التقليدي. وبدلاً من ذلك، فهو يحول التغيرات في درجات الحرارة إلى إشارة كهربائية أو قابلة للقياس يمكن قراءتها وتسجيلها ونقلها وتحليلها.

تشتمل مستشعرات درجة الحرارة الشائعة على المزدوجات الحرارية، وكاشفات درجة حرارة المقاومة، والثرمستورات، وأجهزة استشعار درجة حرارة أشباه الموصلات، وأجهزة تنظيم الحرارة، وأجهزة استشعار درجة حرارة الأسلاك الاهتزازية، وأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء غير المتصلة. كل نوع له مبدأ القياس الخاص به، ونطاق درجة الحرارة، ومستوى الدقة، وسرعة الاستجابة، وطريقة التثبيت، وبيئة التطبيق المناسبة.

يمكن اعتبار مقياس الحرارة أحد أبسط أشكال أدوات قياس درجة الحرارة. ومع ذلك، في أنظمة المراقبة الحديثة، عادةً ما يتم توصيل أجهزة استشعار درجة الحرارة بوحدات القراءة أو مسجلات البيانات أو أنظمة PLC أو أجهزة RTU أو شبكات اتصالات Modbus أو المنصات السحابية. وهذا يجعل المراقبة المستمرة لدرجة الحرارة ممكنة، خاصة في الهياكل الكبيرة أو المواقع الصناعية حيث يصعب القياس اليدوي.

في المراقبة الجيوتقنية والهيكلية، غالبًا ما تستخدم أجهزة استشعار درجة الحرارة في السدود الخرسانية والجسور والأنفاق والأساسات والتربة والصخور ومسارات السكك الحديدية والمسطحات المائية والهياكل المدنية الكبيرة. توفر هذه المستشعرات بيانات قيمة لتقييم تغير درجات الحرارة الموسمية، والتمدد الحراري، والانكماش، والتسرب، وحركة المياه الجوفية، والسلوك الهيكلي مع مرور الوقت.

في تخزين الحبوب والتطبيقات الزراعية، يتم تركيب أجهزة استشعار درجة الحرارة بشكل شائع داخل أكوام الحبوب والمستودعات المسطحة والصوامع الفولاذية والصوامع الخرسانية وصهاريج التخزين. من خلال ترتيب نقاط قياس درجة الحرارة المتعددة عموديًا أو في شبكة، يمكن للمشغلين مراقبة توزيع درجة الحرارة الداخلية وتحديد مناطق التدفئة المخفية مبكرًا.

ماذا يفعل جهاز استشعار درجة الحرارة؟

تتمثل الوظيفة الأساسية لمستشعر درجة الحرارة في اكتشاف درجة الحرارة وتحويلها إلى مخرجات قابلة للقياس. قد يكون هذا الإخراج عبارة عن مقاومة كهربائية أو جهد أو تيار أو بيانات رقمية أو تردد أو أي شكل آخر من أشكال الإشارة. بعد المعالجة، تصبح الإشارة قيمة درجة حرارة قابلة للقراءة، ويتم عرضها عادةً بالدرجة المئوية أو فهرنهايت أو كلفن.

في العديد من أنواع أجهزة الاستشعار، يؤثر تغير درجة الحرارة بشكل مباشر على الخاصية الكهربائية. على سبيل المثال، في أجهزة الاستشعار القائمة على المقاومة، تتغير المقاومة مع تغير درجة الحرارة. في المزدوجات الحرارية، يتم توليد جهد كهربائي عندما يتعرض معدنان مختلفان لاختلاف في درجة الحرارة. في أجهزة استشعار أشباه الموصلات، يختلف الجهد والخصائص الحالية لوصلات أشباه الموصلات مع درجة الحرارة. في أجهزة استشعار درجة حرارة الأسلاك المهتزة، يؤدي تغير درجة الحرارة إلى تغيير شد السلك، مما يؤدي بعد ذلك إلى تغيير تردد اهتزازه الطبيعي.

تُستخدم أجهزة استشعار درجة الحرارة لتوفير البيانات في الوقت الفعلي، والكشف عن التغيرات غير الطبيعية في درجات الحرارة، ودعم التحكم الآلي، وحماية المعدات أو الهياكل من التلف. في الأنظمة الصناعية، قد يطلقون الإنذارات، أو يتحكمون في السخانات، أو ينشطون أنظمة التبريد، أو يرسلون البيانات إلى برامج المراقبة. وفي الهندسة الإنشائية، تساعد المهندسين على فهم كيفية تأثير درجة الحرارة على الإجهاد والتشوه والأداء على المدى الطويل.

على سبيل المثال، عند مراقبة سد خرساني، يمكن دمج أجهزة استشعار درجة الحرارة في أعماق ومواضع مختلفة لتتبع درجة الحرارة الداخلية لكتلة الخرسانة. هذه المعلومات مهمة لأن التغيرات في درجات الحرارة يمكن أن تخلق إجهادًا حراريًا، مما قد يؤدي إلى التشقق أو التشوه. وبالمثل، في صوامع الحبوب، تساعد أجهزة استشعار درجة الحرارة على اكتشاف النقاط الساخنة الناجمة عن الرطوبة، أو نشاط الحشرات، أو نمو العفن، أو سوء التهوية.

الوظائف الرئيسية لأجهزة استشعار درجة الحرارة

تؤدي أجهزة استشعار درجة الحرارة عدة وظائف مهمة اعتمادًا على التطبيق. الوظيفة الأساسية هي قياس درجة الحرارة، ولكن في الأنظمة الهندسية، غالبًا ما يكون دورها أوسع.

أولا، أنها توفر المراقبة المستمرة. وبدلاً من الاعتماد على القراءات اليدوية العرضية، يمكن لأجهزة الاستشعار جمع بيانات درجة الحرارة على فترات منتظمة. وهذا مهم بشكل خاص في الهياكل الكبيرة وأنظمة التخزين والبيئات الصناعية حيث قد تحدث تغيرات في درجات الحرارة ببطء ولكن لها عواقب وخيمة.

ثانياً، أنها تساعد في الإنذار المبكر. عندما تتجاوز درجة الحرارة عتبة محددة مسبقًا، يمكن للنظام إطلاق إنذار. في تخزين الحبوب، يمكن أن يحذر هذا المشغلين من احتمال تسخين الحبوب. في محطات الطاقة أو المعدات الصناعية، يمكن أن يمنع ارتفاع درجة الحرارة. في معالجة الخرسانة، يمكن أن يساعد في تجنب الاختلافات في درجات الحرارة التي قد تسبب الشقوق.

ثالثا، أجهزة استشعار درجة الحرارة تدعم تحليل البيانات. تسمح سجلات درجات الحرارة طويلة المدى للمهندسين بدراسة التغيرات الموسمية، وحرارة الماء، وحركة المياه الجوفية، والإجهاد الحراري، واتجاهات أداء المعدات.

رابعا، يمكن دمج أجهزة استشعار درجة الحرارة مع أنظمة التحكم. عند توصيلها بوحدات التحكم أو PLCs أو RTUs أو منصات البرامج، يمكنها المساعدة في تنظيم عمليات التدفئة أو التبريد أو التهوية أو التبريد أو التجفيف.

أجهزة استشعار درجة الحرارة الاتصال وعدم الاتصال

غالبًا ما يتم تقسيم أجهزة استشعار درجة الحرارة إلى فئتين رئيسيتين: أجهزة استشعار درجة الحرارة التلامسية وأجهزة استشعار درجة الحرارة غير التلامسية.

يجب أن تلمس أجهزة استشعار درجة حرارة التلامس الجسم أو السطح أو السائل أو الغاز أو المادة التي يتم قياسها. تنتمي المزدوجات الحرارية، والثرمستورات، وأجهزة RTDs، وأجهزة تنظيم الحرارة، والعديد من أجهزة الاستشعار من نوع المسبار إلى هذه الفئة. تُستخدم هذه المستشعرات على نطاق واسع لأنها توفر قياسًا مباشرًا ومستقرًا في العديد من البيئات. إنها مناسبة للمواد الصلبة والسوائل والغازات والخرسانة والتربة والمياه والأسطح الفولاذية والحبوب المخزنة والمعدات الصناعية.

لا تحتاج أجهزة استشعار درجة الحرارة غير المتصلة إلى لمس الهدف. وبدلا من ذلك، يقومون بقياس الإشعاع الحراري المنبعث من الجسم. أجهزة استشعار درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء هي مثال شائع. تكون أجهزة الاستشعار غير التلامسية مفيدة عندما يكون الجسم متحركًا، أو ساخنًا جدًا، أو خطيرًا كهربائيًا، أو يصعب الوصول إليه، أو موجودًا في بيئة خطرة. غالبًا ما يتم استخدامها في محطات الطاقة والعمليات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية والفحص الكهربائي ومراقبة السلامة.

كلا النوعين لهما مزايا. عادةً ما توفر أجهزة استشعار التلامس دقة أفضل لقياس درجة الحرارة المدمجة أو الداخلية، في حين أن أجهزة الاستشعار غير التلامسية أكثر ملاءمة للقياس عن بعد أو السطح. يعتمد الاختيار الأفضل على هدف القياس، وبيئة التثبيت، والدقة المطلوبة، ونطاق درجة الحرارة، ووقت الاستجابة، وظروف الصيانة.

كيف يعمل جهاز استشعار درجة الحرارة؟

تعمل أجهزة استشعار درجة الحرارة المختلفة وفقًا لمبادئ فيزيائية مختلفة، لكن الفكرة العامة هي نفسها: تغير درجة الحرارة يسبب تغيرًا يمكن التنبؤ به في المستشعر، ويتم تحويل هذا التغيير إلى إشارة قابلة للقراءة.

في استشعار درجة الحرارة المعتمد على الصمام الثنائي أو أشباه الموصلات، تؤثر درجة الحرارة على الجهد عبر الوصلة. مع تغير درجة الحرارة، يتغير السلوك الكهربائي للدايود. يقوم النظام بقياس هذا التغيير وتحويله إلى قيمة درجة الحرارة.

في أجهزة الاستشعار القائمة على المقاومة مثل RTDs والثرمستورات، تؤثر درجة الحرارة على المقاومة الكهربائية. عادةً ما يزيد RTD المقاومة بطريقة مستقرة وخطية تقريبًا مع ارتفاع درجة الحرارة. قد يكون للثرمستور تغير في المقاومة أقوى بكثير، خاصة الثرمستور NTC الذي تنخفض مقاومته بسرعة عندما ترتفع درجة الحرارة.

في المزدوجات الحرارية، يتم ربط معدنين مختلفين معًا. عندما يتم تسخين أو تبريد وصلة القياس بالنسبة إلى الوصلة المرجعية، يتم توليد جهد صغير. يرتبط هذا الجهد بدرجة الحرارة ويمكن تحويله إلى قراءة لدرجة الحرارة.

في أجهزة استشعار درجة حرارة الأسلاك الاهتزازية، يعتمد مبدأ الاستشعار على الضغط والتردد. يحتوي المستشعر على سلك عالي الشد مثبت على مواد ذات معاملات تمدد حراري مختلفة. عندما تتغير درجة الحرارة، فإن فرق التمدد يغير التوتر في السلك. يؤدي هذا إلى تغيير التردد الطبيعي للاهتزاز، والذي يمكن قياسه بواسطة وحدة القراءة.

يمكن التعبير عن علاقة التردد على النحو التالي:

و=1/2 [σg/ρ] / 2l هرتز

أين:

σ=شد السلك
g=تسارع الجاذبية الأرضية
ρ=كثافة السلك
ل=طول السلك

نظرًا لأن إشارة التردد مستقرة ومناسبة للإرسال لمسافات طويلة، غالبًا ما تستخدم مستشعرات درجة حرارة السلك المهتز في الهندسة المدنية والمراقبة الجيوتقنية.

الأنواع الشائعة لأجهزة استشعار درجة الحرارة

تتوفر أجهزة استشعار درجة الحرارة في العديد من الأشكال والهياكل والمواد وأشكال الإخراج. فيما يلي بعض الأنواع الأكثر شيوعًا المستخدمة في التطبيقات الصناعية والتجارية والهندسية.

1. منظمات الحرارة

منظم الحرارة هو جهاز استشعار درجة الحرارة من نوع الاتصال. ويشيع استخدامه للتحكم في درجة الحرارة عن طريق فتح أو إغلاق الدائرة الكهربائية عند الوصول إلى درجة حرارة معينة.

يستخدم هيكل منظم الحرارة الشائع شريطًا ثنائي المعدن مصنوعًا من معدنين مختلفين، مثل الألومنيوم أو النحاس أو النيكل أو التنغستن. تتمدد هذه المعادن بمعدلات مختلفة عند تسخينها. وبسبب هذا الاختلاف في التمدد الخطي، ينحني الشريط عندما تتغير درجة الحرارة. يمكن استخدام حركة الانحناء هذه لإجراء أو قطع اتصال كهربائي.

تستخدم منظمات الحرارة على نطاق واسع في الأجهزة المنزلية وأنظمة التدفئة وأنظمة التبريد وسخانات المياه والأفران وأجهزة التحكم الصناعية البسيطة. وهي عادة ليست مصممة لقياس عالي الدقة، ولكنها عملية ومنخفضة التكلفة وموثوقة للتبديل والتحكم.

2. الثرمستورات

الثرمستور هو مقاوم حساس للحرارة. تتغير مقاومتها بشكل كبير عندما تتغير درجة الحرارة. تُصنع الثرمستورات عادةً من مواد خزفية، مثل أكاسيد النيكل أو المنغنيز أو الكوبالت، وغالبًا ما تكون مغلفة أو مغلفة للحماية.

الثرمستورات حساسة ويمكنها اكتشاف التغيرات الصغيرة في درجات الحرارة. وهذا يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب استجابة سريعة وحساسية عالية. ومع ذلك، فإن العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة عادة ما تكون غير خطية، لذلك غالبًا ما يكون التعويض أو الخطية مطلوبًا.

هناك نوعان رئيسيان من الثرمستورات: الثرمستورات NTC والثرمستورات PTC.

الثرمستور NTC له معامل درجة حرارة سلبي، مما يعني أن مقاومته تنخفض مع زيادة درجة الحرارة. تعتبر الثرمستورات NTC شائعة جدًا في قياس درجة الحرارة وتعويض درجة الحرارة وحزم البطاريات وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والأجهزة الطبية والمراقبة البيئية.

الثرمستور PTC له معامل درجة حرارة موجب، مما يعني أن مقاومته تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. غالبًا ما تُستخدم الثرمستورات PTC للحماية من التيار الزائد، والسخانات ذاتية التنظيم، وتطبيقات تحديد درجة الحرارة.

3. معامل درجة الحرارة السلبي الثرمستور

يعد الثرمستور NTC أحد أكثر أجهزة استشعار درجة الحرارة حساسية. عند درجة حرارة منخفضة، فإنه يوفر مقاومة عالية. وعندما ترتفع درجة الحرارة، تنخفض مقاومتها بسرعة. ونظرًا لأن تغير المقاومة لكل درجة مئوية كبير، فيمكن اكتشاف حتى اختلاف بسيط في درجة الحرارة بوضوح.

تعمل الثرمستورات NTC عادةً في نطاق درجة حرارة يتراوح من -50 درجة إلى 250 درجة. استجابتها سريعة، وهي مفيدة في التطبيقات التي تتطلب قياس التغيرات الصغيرة في درجات الحرارة بدقة. ومع ذلك، نظرًا لأن منحنى الخرج الخاص بهم هو أسي وليس خطيًا، هناك حاجة إلى حساب إضافي أو تعويض الدائرة لتحويل قيمة المقاومة إلى قراءة دقيقة لدرجة الحرارة.

تُستخدم الثرمستورات NTC على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية، وحماية درجة حرارة البطارية، وأنظمة تكييف الهواء، ومسبارات درجة الحرارة، والأدوات المخبرية، وقياس درجة حرارة السطح.

4. كاشفات درجة الحرارة المقاومة

كاشف درجة الحرارة المقاومة، أو RTD، هو مستشعر درجة حرارة دقيق يعتمد على العلاقة بين درجة الحرارة والمقاومة الكهربائية. عادة ما تكون RTDs مصنوعة من معادن موصلة عالية النقاء مثل البلاتين أو النحاس أو النيكل. تعد RTDs البلاتينية شائعة بشكل خاص لأنها توفر ثباتًا وتكرارًا ودقة ممتازة.

مع ارتفاع درجة الحرارة، تتغير مقاومة RTD بطريقة يمكن التنبؤ بها. بالمقارنة مع الثرمستورات، عادةً ما تتمتع أجهزة RTDs بخطية أفضل واستقرار طويل المدى. بالمقارنة مع المزدوجات الحرارية، توفر RTDs عمومًا دقة أعلى، خاصة في نطاقات درجات الحرارة المعتدلة.

أحد أنواع RTD الشائعة هو Pt100، مما يعني أن المستشعر يتمتع بمقاومة تبلغ 100 أوم عند درجة 0. تُستخدم مستشعرات RTD على نطاق واسع في التحكم في العمليات، والقياس المعملي، والمعدات الصناعية، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، وأنظمة الطاقة، ومراقبة الهندسة المدنية.

غالبًا ما يتم تفضيل RTDs عندما تكون الدقة والتكرار والاستقرار أكثر أهمية من نطاق درجات الحرارة الواسع للغاية أو التكلفة المنخفضة جدًا.

5. المزدوجات الحرارية

تعد المزدوجة الحرارية أحد أكثر أجهزة استشعار درجة الحرارة استخدامًا على نطاق واسع لأنها بسيطة ومتينة وموثوقة وحساسة ومناسبة لنطاق واسع من درجات الحرارة. يتكون من موصلين معدنيين مختلفين متصلين معًا في طرف واحد. تسمى هذه النهاية المتصلة بوصلة القياس أو الوصلة الساخنة.

عندما يواجه الوصل الساخن درجة حرارة مختلفة عن الطرف المرجعي، والذي يسمى أيضًا الوصل البارد، يتم توليد جهد كهربائي صغير. يرتبط هذا الجهد باختلاف درجة الحرارة بين الوصلتين. تقوم القراءة أو جهاز الإرسال المزدوج الحراري بتحويل الجهد إلى قيمة درجة الحرارة.

يمكن تصنيع المزدوجات الحرارية من مجموعات معدنية مختلفة. على سبيل المثال، تستخدم المزدوجات الحرارية من النوع T النحاس والكونستانتان. تستخدم المزدوجات الحرارية على نطاق واسع في الأفران، والمحركات، ومراقبة الخرسانة، والأفران، والمصانع الكيماوية، وتجهيز الأغذية، ومعدات المختبرات، والعديد من التطبيقات الصناعية الأخرى.

إحدى المزايا المهمة للمزدوجات الحرارية هي أنها يمكن أن تعمل في البيئات القاسية والتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، فإنها تتطلب عادةً تعويض الوصلة الباردة وتكون بشكل عام أقل دقة من RTDs.

6. أجهزة استشعار درجة الحرارة القائمة على أشباه الموصلات

تستخدم أجهزة استشعار درجة الحرارة القائمة على أشباه الموصلات دوائر متكاملة لقياس درجة الحرارة. وهي تحتوي عادةً على وصلات أشباه الموصلات أو هياكل قائمة على الصمام الثنائي والتي يتغير جهدها وخصائصها الحالية مع درجة الحرارة.

يمكن أن توفر هذه المستشعرات مخرجات خطية نسبيًا ويسهل دمجها في الدوائر الإلكترونية. يتم استخدامها بشكل شائع في الإلكترونيات الاستهلاكية وأنظمة الكمبيوتر وإدارة البطاريات ومراقبة لوحات الدوائر والأجهزة الرقمية المدمجة.

ومع ذلك، فإن أجهزة استشعار درجة حرارة أشباه الموصلات عادة ما يكون لها نطاق عمل أضيق مقارنة بالمزدوجات الحرارية. النطاق النموذجي المذكور لهذا النوع هو -70 درجة إلى 150 درجة. تتراوح دقتها عادةً من درجة واحدة إلى 5 درجات، ويمكن أن يتراوح وقت الاستجابة من 5 ثوانٍ إلى 60 ثانية. وبسبب هذه القيود، فهي أكثر ملاءمة لتطبيقات الإلكترونيات والتحكم مقارنة بالبيئات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية للخدمة الشاقة.

7. أجهزة استشعار درجة الحرارة سلك تهتز

يتم استخدام مستشعر درجة حرارة السلك المهتز بشكل شائع في مراقبة الصحة الجيوتقنية والهيكلية. إنه يعمل على مبدأ أن تغير درجة الحرارة يؤدي إلى تغير الضغط في سلك مشدود. يتم تثبيت السلك على المواد ذات خصائص التمدد الحراري المختلفة. عندما تتغير درجة الحرارة، يتغير التوتر في السلك، وهذا يغير تردد اهتزازه الطبيعي.

يتم بعد ذلك إرسال التردد المقاس إلى وحدة القراءة أو مسجل البيانات. نظرًا لأن إشارات التردد مستقرة وأقل تأثرًا بمقاومة الكابلات عبر المسافات الطويلة، فإن مستشعرات درجة حرارة الأسلاك الاهتزازية مفيدة للمراقبة طويلة المدى للهياكل الخرسانية والسدود والأساسات والأنفاق والمشاريع الهندسية المتعلقة بالمياه.

يمكن استخدام مستشعر درجة حرارة السلك الاهتزازي النموذجي لقياس درجة الحرارة الداخلية للهياكل الخرسانية أو الماء. أحد الأمثلة الشائعة على المواصفات هو نطاق درجة الحرارة من -20 درجة إلى 80 درجة ودقة أفضل من 0.1 درجة. يمكن استخدام نوع مستشعر Pt100، بدقة قياسية تبلغ ±0.5% بمقياس كامل ودقة اختيارية تبلغ ±0.1% بمقياس كامل. مثال البعد النموذجي هو قطر 34 مم بطول 168 مم.

8. مجسات المقاومة الثرمستور

مسبار الثرمستور المقاوم هو مسبار درجة حرارة مقاوم للماء منخفض الكتلة مصمم للاستجابة السريعة. يمكن استخدامه لقياس درجة الحرارة في الخرسانة والأسطح الفولاذية والبيئات تحت الماء. بسبب كتلته الحرارية المنخفضة، فإنه يستجيب بسرعة للتغيرات في درجات الحرارة.

قد يستخدم مسبار الثرمستور المقاوم النموذجي منحنى RT المطابق لثرمستور NTC المكافئ لـ YSI 44005. يمكن أن يتراوح نطاق القياس من -20 درجة إلى 80 درجة، بدقة تبلغ 1 درجة. قد تكون مادة الجسم من النحاس المطلي بالقصدير، وقد يكون الكابل عبارة عن كبل مغلف بـ PVC رباعي النواة.

يمكن تغليف المسبار بالإيبوكسي في أنابيب نحاسية لتحسين الاستجابة الحرارية وحماية عنصر الاستشعار. يسمح الطرف المسطح بربط المسبار بأسطح معدنية أو خرسانية مسطحة بشكل معقول. يمكن تثبيته باستخدام لاصق إيبوكسي مكون من جزأين أو تثبيته على السطح عند الحاجة.

هذه المجسات مناسبة لقياس درجة حرارة السطح، ومراقبة الخرسانة المدمجة، وقياس درجة الحرارة المغمورة. تسمح المجسات القابلة للتبديل بالكامل لمؤشر واحد بالعمل مع مجسات متعددة دون إعادة معايرة فردية، مع عدم اختلاف القراءات بأكثر من درجة واحدة فوق نطاق درجة حرارة العمل المحدد.

9. مجسات درجة الحرارة RTD

يستخدم مسبار درجة الحرارة RTD عنصر مقاومة، عادةً Pt100، موجود داخل أنبوب واقي. قد يستخدم مسبار RTD النموذجي عنصر مقاومة سيراميك مع معايرة المنحنى الأوروبي DIN IEC 751. يتم تثبيت عنصر المقاومة داخل أنبوب مغلق من الفولاذ المقاوم للصدأ لحمايته من الرطوبة والأضرار الميكانيكية.

تعمل مجسات RTD على مبدأ أن مقاومة المستشعر هي دالة لدرجة الحرارة. توفر أجهزة RTDs البلاتينية دقة وخطية وثباتًا وقابلية تكرار ممتازة. وهذا يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب قياسًا دقيقًا وموثوقًا لدرجة الحرارة.

قد تتضمن المواصفات النموذجية لمسبار درجة الحرارة RTD ما يلي:

نوع المستشعر: PT100
النطاق: -20 درجة إلى 80 درجة
الدقة: ±(0.3 + 0.005 × t) درجة
المعايرة: DIN IEC 751
المنحنى الأوروبي: 0.00385 أوم/أوم/درجة
الأبعاد: قطر 8 مم × طول 135 مم
الكابل: كابل محمي ثلاثي النواة

تساعد الأسلاك ثلاثية النواة على تعويض مقاومة الرصاص وتغيرات درجة الحرارة في الكابل. يؤدي ذلك إلى تحسين دقة القياس، خاصة عندما يكون المستشعر بعيدًا عن جهاز القراءة.

10. أجهزة استشعار درجة الحرارة الحرارية من النوع T

تُستخدم المزدوجة الحرارية من النوع T، والمعروفة أيضًا باسم المزدوجة الحرارية النحاسية كونستانتان، لقياس درجة الحرارة الداخلية في الهياكل الخرسانية والتطبيقات الهندسية الأخرى. يتكون من معدنين غير متماثلين متصلين في طرف واحد. عندما يتم تسخين أو تبريد الوصلة، يتم إنتاج جهد كهربائي. يمكن ربط هذا الجهد مرة أخرى بدرجة الحرارة.

يتم إغلاق طرف القياس، أو الوصلة الساخنة، ضد التآكل ويتم وضعه في موقع القياس المطلوب. يتصل الطرف الآخر بموصل مزدوج حراري ويشكل الوصلة الباردة. يمكن للقراءة الحرارية المناسبة أن تعرض درجة الحرارة مباشرة وتعوض تلقائيًا عن درجة حرارة الوصلة الباردة.

قد تتضمن المواصفات النموذجية للمزدوجة الحرارية من النوع T ما يلي:

نوع السلك: قسطنطين نحاسي نوع T
عزل الأسلاك: PFA تفلون
درجة حرارة الوصلة الساخنة: تصل إلى 260 درجة كحد أقصى
نوع الموصل: نايلون مصغر مملوء بالزجاج
درجة حرارة الخدمة: -20 درجة إلى 100 درجة
درجة حرارة الوصلة الباردة: المحيطة

غالبًا ما يتم استخدام المزدوجات الحرارية من النوع T عند الحاجة إلى مستشعر درجة حرارة بسيط ومتين وموثوق.

تطبيقات أجهزة استشعار درجة الحرارة

تستخدم أجهزة استشعار درجة الحرارة في مجموعة واسعة من الصناعات والبيئات. وتتنوع تطبيقاتها من عرض درجة الحرارة البسيط إلى أنظمة المراقبة والتحكم المعقدة.

في الهندسة المدنية، تُستخدم أجهزة استشعار درجة الحرارة للتحقق من افتراضات التصميم ودعم البناء الأكثر أمانًا واقتصادًا. يمكن للمهندسين مقارنة بيانات درجة حرارة الحقل الفعلية مع توقعات التصميم لتحسين أساليب البناء وتقييم السلامة على المدى الطويل.

في معالجة الخرسانة، تقوم أجهزة استشعار درجة الحرارة بقياس الحرارة المتولدة أثناء عملية الترطيب. تحتاج الخرسانة إلى بيئة درجة حرارة مناسبة حتى يتم ضبطها وعلاجها بشكل صحيح. إذا ارتفعت درجة الحرارة كثيرًا أو تغيرت بسرعة كبيرة، فقد يحدث إجهاد داخلي وتشقق. تساعد مراقبة درجة الحرارة المهندسين على التحكم في ظروف المعالجة وتقليل المخاطر.

في الهياكل الخرسانية الجماعية مثل السدود، تساعد أجهزة استشعار درجة الحرارة في مراقبة توزيع درجة الحرارة الداخلية. بما أن تغير درجة الحرارة هو أحد الأسباب الرئيسية للإجهاد في كتلة الخرسانة، فإن بيانات درجة الحرارة الدقيقة مهمة لتحليل الإجهاد الحراري والتحكم في التبريد الاصطناعي.

في عمليات تجميد الصخور والتربة والأرض، يمكن لأجهزة استشعار درجة الحرارة قياس درجة الحرارة بالقرب من صهاريج تخزين الغاز السائل أو مناطق التجميد. ويساعد ذلك في مراقبة سلوك الأرض والحفاظ على السلامة أثناء البناء أو التخزين.

وفي المشاريع المتعلقة بالمياه، تُستخدم أجهزة استشعار درجة الحرارة في الخزانات والآبار ورصد التسرب ودراسات المياه الجوفية. يمكن أن يوفر تباين درجات الحرارة معلومات مفيدة حول حركة المياه ومسارات التسرب والتغيرات البيئية الموسمية.

في السدود، يمكن لأجهزة استشعار درجة الحرارة أن تساعد في تفسير تغيرات الضغط والحجم الناجمة عن التمدد الحراري والانكماش. قد تؤثر التغيرات الموسمية واليومية في درجات الحرارة على جانب مجرى النهر من السد بشكل أكثر أهمية، لذلك غالبًا ما يتم تركيب أجهزة استشعار بالقرب من وجه مجرى النهر أو داخله.

في المنشآت الصناعية، تُستخدم أجهزة الاستشعار لحماية المعدات، والتحكم في العمليات، وأنظمة التدفئة، وأنظمة التبريد، ومراقبة السلامة. يمكن توصيل بيانات درجة الحرارة بأجهزة الإنذار وأجهزة التحكم وأنظمة التشغيل الآلي.

في تخزين الحبوب، تعتبر أجهزة استشعار درجة الحرارة ضرورية لمراقبة حالة الحبوب. قد تولد الحبوب المخزنة حرارة بسبب الرطوبة أو الحشرات أو العفن أو سوء التهوية أو النشاط البيولوجي. يمكن لكابلات درجة الحرارة متعددة النقاط المثبتة في أكوام الحبوب والمستودعات المسطحة والصوامع الفولاذية والصوامع الخرسانية مراقبة درجة الحرارة بشكل مستمر على أعماق ومواضع مختلفة. يساعد ذلك المشغلين على تحديد التسخين غير الطبيعي في وقت مبكر واتخاذ إجراءات التهوية أو الدوران أو التجفيف أو الفحص في الوقت المناسب.

أجهزة استشعار درجة الحرارة في مراقبة السدود الخرسانية

تتأثر السدود الخرسانية بشدة بتغير درجات الحرارة. أثناء البناء والتشغيل، يمكن أن تؤدي الاختلافات في درجات الحرارة إلى التمدد والانكماش والإجهاد الحراري. إذا لم يتم التحكم في هذه الضغوط، فإنها قد تساهم في حدوث تشققات أو مشاكل هيكلية.

أثناء بناء السدود، من المهم قياس درجة الحرارة في العديد من النقاط داخل الخرسانة، وفي الهواء المحيط، وفي الماء. توفر أجهزة الاستشعار المدمجة صورة واضحة لتوزيع درجة الحرارة في جميع أنحاء الهيكل.

بالنسبة للسد الخرساني الكبير، قد يضع التصميم النموذجي مسبارًا لدرجة الحرارة كل 15 إلى 20 مترًا على طول المقطع العرضي وكل 10 أمتار على طول الارتفاع. بالنسبة للسدود الصغيرة، قد يتم تقليل المسافات حسب متطلبات المشروع.

يمكن أن يساعد مسبار درجة الحرارة الموضوع على وجه السد في تقييم درجة حرارة الخزان على مدار العام. تعد هذه الطريقة أكثر ملاءمة من خفض مقياس الحرارة يدويًا في الخزان بشكل متكرر.

أثناء تشغيل السد، قد تؤدي التغيرات اليومية والموسمية في درجات الحرارة البيئية إلى تقلبات حرارية كبيرة. غالبًا ما يتأثر الجانب السفلي من النهر بالتغيرات السريعة في درجات الحرارة اليومية والأسبوعية. ولذلك، يتم وضع أجهزة الاستشعار عادة بالقرب من وداخل وجه المصب لرصد هذه الاختلافات.

مستشعر درجة الحرارة مقابل جهاز إرسال درجة الحرارة

يرتبط مستشعر درجة الحرارة وجهاز إرسال درجة الحرارة، لكنهما ليسا نفس الجهاز.

مستشعر درجة الحرارة يكتشف درجة الحرارة. قد يكون مزدوجًا حراريًا أو RTD أو الثرمستور أو مستشعر أشباه الموصلات أو أي عنصر استشعار آخر. وتتمثل مهمتها في الاستجابة لتغير درجة الحرارة وإنتاج إشارة.

يستقبل جهاز إرسال درجة الحرارة الإشارة من المستشعر ويحولها إلى مخرج قياسي للمراقبة أو التحكم عن بعد. على سبيل المثال، قد يقوم جهاز الإرسال بتحويل إشارة مزدوجة حرارية أو إشارة RTD إلى إشارة 4-20 مللي أمبير، أو إشارة RS485، أو بيانات Modbus، أو تنسيق اتصال صناعي آخر.

في العديد من أنظمة المراقبة، يتم تثبيت المستشعر عند نقطة القياس، بينما يرسل جهاز الإرسال أو مسجل البيانات أو جهاز الاستلام البيانات إلى غرفة التحكم أو PLC أو الكمبيوتر أو النظام الأساسي السحابي. يتيح هذا المزيج المراقبة عن بعد والتحكم الآلي وتسجيل البيانات على المدى الطويل.

ما هو مستشعر درجة الحرارة الأكثر دقة؟

من بين أجهزة استشعار درجة الحرارة الشائعة، تعتبر أجهزة RTDs بشكل عام واحدة من أكثر الخيارات دقة. توفر أجهزة RTDs البلاتينية دقة وخطية وثباتًا وقابلية تكرار ممتازة. غالبًا ما يتم تفضيلها عند الحاجة إلى قياس موثوق ودقيق في نطاق درجة حرارة معتدلة.

المزدوجات الحرارية قوية ومناسبة لنطاقات درجات الحرارة الواسعة، لكنها عادة ما تكون أقل دقة من المزدوجات الحرارية. تعتبر الثرمستورات حساسة وسريعة للغاية، لكن ناتجها غير الخطي يتطلب التعويض. تعد أجهزة استشعار أشباه الموصلات مناسبة للدوائر الإلكترونية، ولكن دقتها ونطاق درجة حرارتها عادة ما تكون محدودة.

لذلك، فإن المستشعر الأفضل ليس دائمًا هو المستشعر الأكثر دقة. الاختيار الصحيح يعتمد على التطبيق. بالنسبة للعمليات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية، قد تكون المزدوجة الحرارية أفضل. لقياس الدقة، قد يكون RTD أفضل. بالنسبة للأجهزة الإلكترونية المدمجة، قد يكون مستشعر أشباه الموصلات مناسبًا. لقياس سريع وحساس، قد يكون من المفضل الثرمستور NTC. بالنسبة للمراقبة الهيكلية على المدى الطويل، قد تكون أجهزة الاستشعار السلكية الاهتزازية خيارًا جيدًا.

مزايا أجهزة استشعار درجة الحرارة الصناعية

توفر أجهزة استشعار درجة الحرارة الصناعية العديد من المزايا عند اختيارها وتركيبها بشكل صحيح.

إنها توفر قياسًا دقيقًا وموثوقًا لدرجة الحرارة في البيئات التي يكون فيها القياس اليدوي صعبًا أو غير آمن. يمكن استخدامها لكل من التطبيقات المثبتة على السطح والمدمجة. يمكن أن توفر تصميمات الكتلة الحرارية المنخفضة وقت استجابة أسرع. تسمح الهياكل المقاومة للماء والمقاومة للعوامل الجوية باستخدامها في الخرسانة والمياه والتربة والبيئات الخارجية.

بعض تصميمات أجهزة الاستشعار مناسبة للقراءة عن بعد، والمسح التلقائي، وتسجيل البيانات. وهذا مفيد بشكل خاص في المشاريع الهندسية الكبيرة وأنظمة تخزين الحبوب والأنفاق والسدود والخزانات والمنشآت الصناعية.

توفر مستشعرات درجة حرارة الأسلاك الاهتزازية استقرارًا طويل الأمد وهي مناسبة للتطبيقات التي تتطلب مراقبة دائمة على مدى فترات طويلة. يمكن لأجهزة الاستشعار المغلقة بإحكام والأجسام المقاومة للعوامل الجوية تحسين عمر الخدمة في البيئات القاسية. تعتبر الهياكل الحاصلة على تصنيف IP68 مفيدة بشكل خاص في حالة توقع الرطوبة أو الغمر في الماء أو التثبيت تحت الأرض.

يمكن أن تعمل مجسات درجة الحرارة ذات الخطية الجيدة والتباطؤ المنخفض والإخراج المستقر على تحسين موثوقية القياس. كما تعمل المجسات القابلة للتبديل بالكامل على تقليل صعوبة الصيانة لأنه يمكن استخدام مؤشر واحد مع أجهزة استشعار مختلفة من نفس النوع.

كيفية اختبار جهاز استشعار درجة الحرارة

يمكن اختبار أجهزة استشعار درجة الحرارة من خلال مقارنة قراءاتها مع درجة حرارة مرجعية معروفة. غالبًا ما يستخدم المصنعون المحترفون غرف اختبار درجة الحرارة مع درجات حرارة يتم التحكم فيها والتحقق منها. يتم وضع المستشعر داخل الحجرة، ويتم مقارنة مخرجاته بالقيمة المرجعية القياسية.

بالنسبة للاختبار الميداني، يمكن للمستخدمين مقارنة القراءات بمقياس حرارة معاير أو مسبار قياسي. بالنسبة لأجهزة الاستشعار من نوع المقاومة، يمكن استخدام مقياس متعدد للتحقق مما إذا كانت المقاومة تتغير بشكل صحيح مع درجة الحرارة. بالنسبة للمزدوجات الحرارية، يجب فحص جهد الخرج وتعويض الوصلة الباردة. بالنسبة لأجهزة الاستشعار الرقمية، يجب أيضًا التحقق من استقرار الاتصال وتكوين العنوان والأسلاك وإمدادات الطاقة.

عند اختبار مستشعر درجة الحرارة، من المهم التحقق ليس فقط من عنصر الاستشعار ولكن أيضًا من الكابل والموصل ومسجل البيانات وجهاز الاقتناء وخط الاتصال وشاشة البرنامج. تحدث العديد من أخطاء قياس درجة الحرارة بسبب سوء الأسلاك أو دخول الماء أو أطراف التوصيل السائبة أو التداخل الكهرومغناطيسي أو القياس غير الصحيح أو إعدادات نوع المستشعر الخاطئة أو مشاكل مقاومة الكابل.

كيفية اختيار جهاز استشعار درجة الحرارة المناسب

يتطلب اختيار مستشعر درجة الحرارة المناسب مراعاة عدة عوامل.

العامل الأول هو نطاق درجة الحرارة. يجب أن يغطي المستشعر الحد الأدنى والحد الأقصى لدرجة حرارة التطبيق بأمان.

العامل الثاني هو الدقة. قد تتطلب التطبيقات الدقيقة أجهزة RTDs، بينما قد تستخدم المراقبة العامة الثرمستورات أو المزدوجات الحرارية أو أجهزة الاستشعار الرقمية.

العامل الثالث هو بيئة التثبيت. يجب أن تتمتع أجهزة الاستشعار المستخدمة في الماء أو الخرسانة أو التربة أو الحبوب أو الظروف الخارجية بحماية مناسبة وختم وقوة ميكانيكية.

العامل الرابع هو زمن الاستجابة. تستجيب المجسات والثرمستورات منخفضة الكتلة بشكل أسرع، بينما قد تستجيب أجهزة الاستشعار المحمية للخدمة الشاقة بشكل أبطأ.

العامل الخامس هو نقل الإشارات. للمراقبة لمسافات طويلة، قد تكون هناك حاجة إلى إشارات إخراج مستقرة أو كابلات محمية أو اتصالات RS485 أو بروتوكول Modbus أو أنظمة تسجيل البيانات.

العامل السادس هو الصيانة. في البيئات القاسية، يمكن أن تؤدي المجسات القابلة للاستبدال، والمساكن المتينة، والهياكل المقاومة للماء، والأسلاك السهلة إلى تقليل تكاليف الصيانة على المدى الطويل.

لمراقبة تخزين الحبوب، يجب أيضًا اختيار المستشعر وفقًا لنوع الصومعة، وعمق الحبوب، وطول الكابل، وعدد نقاط القياس، وقوة السحب، وطريقة الاتصال، ومتطلبات عرض البرنامج. عادةً ما تكون كابلات درجة الحرارة متعددة النقاط أكثر ملاءمة من أجهزة الاستشعار ذات النقطة الواحدة لأنها يمكنها إظهار توزيع درجة الحرارة داخل كومة الحبوب.

خاتمة

تعد أجهزة استشعار درجة الحرارة أدوات أساسية لقياس درجة الحرارة ومراقبتها والتحكم فيها في الأنظمة الهندسية والصناعية الحديثة. يتم استخدامها في الهياكل الخرسانية والسدود والجسور والأنفاق والتربة والمياه والخزانات والآبار ومحطات الطاقة والآلات والأجهزة الإلكترونية وأنظمة تخزين الحبوب.

أنواع أجهزة الاستشعار المختلفة لها مزايا مختلفة. المزدوجات الحرارية متينة ومناسبة لنطاقات درجات الحرارة الواسعة. توفر RTDs دقة عالية واستقرارًا. توفر الثرمستورات حساسية عالية واستجابة سريعة. أجهزة استشعار أشباه الموصلات مدمجة وسهلة التكامل. تعتبر أجهزة الاستشعار السلكية الاهتزازية مناسبة للمراقبة الجيوتقنية والهيكلية على المدى الطويل. تعد أجهزة الاستشعار غير المتصلة مفيدة للأهداف الخطرة أو المتحركة أو التي يتعذر الوصول إليها.

من خلال اختيار مستشعر درجة الحرارة الصحيح وفقًا للنطاق والدقة والبيئة ووقت الاستجابة وإخراج الإشارة واحتياجات الصيانة، يمكن للمستخدمين إنشاء أنظمة موثوقة لمراقبة درجة الحرارة للسلامة ومراقبة الجودة وتحسين العمليات وحماية الأصول على المدى الطويل.