المزدوجات الحرارية وهي أجهزة تستخدم على نطاق واسع في الصناعة لقياس درجة الحرارة. بفضل تعدد استخداماتها وتكلفتها المنخفضة ومتانتها، أصبحت المزدوجات الحرارية واحدة من أكثر الخيارات شيوعًا لمراقبة وقياس درجة الحرارة بدقة في مجموعة متنوعة من البيئات. يعتمد تصميمها وتشغيلها على مبادئ فيزيائية بسيطة، ولكن مع تطبيقات تتراوح من العمليات الصناعية إلى البحث العلمي.
عدة أنواع المزدوجات الحرارية، كل منها مصمم لنطاقات درجات الحرارة والظروف البيئية المختلفة. في هذه المقالة، سوف نستكشف بعمق الأنواع المختلفة للمزدوجات الحرارية وتطبيقاتها وميزاتها الرئيسية وكيفية اختيار أنسبها بناءً على البيئة واحتياجات القياس المحددة.
ما هي المزدوجة الحرارية؟
Un الحرارية إنه جهاز استشعار يقيس درجة الحرارة من خلال اتحاد موصلين معدنيين مختلفين. تولد هذه الموصلات جهدًا يختلف مع اختلاف درجة الحرارة بين طرفي المستشعر، مما يسمح بتحديد درجة الحرارة الدقيقة عند نقطة القياس. وتسمى هذه الظاهرة تأثير سيبيكوالتي تعتبر أساس عمل المزدوجات الحرارية.
مبدأ التشغيل
كما ذكرنا، تعتمد المزدوجة الحرارية على تأثير سيبيك. عندما يتم وضع معدنين على اتصال وتعريضهما لاختلاف في درجة الحرارة، فإنهما يولدان جهدًا كهربائيًا. يكون أحد طرفي المزدوجة الحرارية على اتصال بالجسم الذي يتم قياس درجة حرارته ( الترابط الساخن)، في حين يتم الاحتفاظ بالطرف الآخر في درجة حرارة معروفة، مثل درجة حرارة الغرفة ( الاتحاد البارد).
يتم تحويل هذا الجهد المتولد إلى قراءة مفيدة لدرجة الحرارة. من المهم أن نلاحظ أن إشارة الخرج من المزدوجات الحرارية صغيرة جدًا، عادةً بالميلي فولت، لذلك من الضروري وجود دائرة تضخيم لترجمة تلك الإشارة إلى رقم يمكن التحكم فيه.
أنواع المزدوجات الحرارية
هناك عدة أنواع من المزدوجات الحرارية اعتمادًا على المواد التي تتكون منها الموصلات، ولكل نوع خصائص فريدة من حيث نطاق درجة الحرارة والدقة. أدناه، نحن تصف الأكثر شيوعا.
نوع الحرارية K
المزدوجة الحرارية من النوع K وهو الأكثر شيوعا في الصناعة. وهي مكونة من مزيج من النيكل والكروم (Chromel®) كعنصر إيجابي و النيكل والألومنيوم (Alumel®) كعنصر سلبي. إنه مثالي لقياس درجات الحرارة في نطاق واسع من -200 درجة مئوية إلى 1250 درجة مئوية.
هذا النوع من المزدوجات الحرارية مفيد بشكل خاص في البيئات التي تحدث فيها أجواء مؤكسدة وارتفاع درجة الحرارة. تكلفته المنخفضة ومتانته تجعله خيارًا ممتازًا للتطبيقات الصناعية واسعة النطاق.
J نوع الحرارية
J نوع الحرارية ومن المعروف استخدامه في البيئات التي تتراوح فيها درجات الحرارة من -210 درجة مئوية إلى 760 درجة مئوية. وهي مكونة من حديد كموصل إيجابي و كونستانتان (سبائك النحاس والنيكل) كموصل سلبي.
وهي واحدة من المزدوجات الحرارية أرخص ومناسب للبيئات التي لا تتجاوز 760 درجة مئوية، حيث يتأكسد الحديد بسرعة عند درجات الحرارة المرتفعة. ولذلك، فهو مثالي للتطبيقات التي تتطلب مستشعرًا منخفض التكلفة ودرجات حرارة معتدلة.
نوع T الحرارية
El نوع T الحرارية إنه ممتاز لقياسات درجات الحرارة المنخفضة، مثل تلك التي تتراوح من -200 درجة مئوية إلى 350 درجة مئوية. تتكون برامج التشغيل الخاصة بها من نحاس على الجانب الإيجابي و كونستانتان على الجانب السلبي. إنها واحدة من الأفضل من حيث الاستقرار والدقة عند العمل في نطاقات غير شديدة البرودة أو الغلاف الجوي.
المزدوجات الحرارية للمعادن الثمينة: الأنواع R وS وB
هؤلاء أنواع المزدوجات الحرارية وهي مصنوعة بشكل أساسي من معادن ثمينة مثل البلاتين، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب قياس درجات حرارة عالية جدًا، تصل إلى 1700 درجة مئوية. فهي دقيقة للغاية ومستقرة، ولكنها باهظة الثمن أيضًا.
المزدوج الحراري من النوع R يستخدم مزيج من البلاتين والروديوم كسائقين. إنها مناسبة لدرجات حرارة تصل إلى 1450 درجة مئوية وهي مستقرة جدًا، مما يجعلها مناسبة للمختبرات والبيئات عالية الدقة.
El الحرارية من النوع S إنه مشابه للنوع R، لكن نسبة البلاتين إلى الروديوم مختلفة قليلاً، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب مستوى عالٍ من الثبات والمتانة.
المزدوجات الحرارية من النوع B ويتميز بقدرته على قياس درجات الحرارة المرتفعة للغاية، والتي تصل إلى 1700 درجة مئوية، دون الحاجة إلى تعويض في الوصلة الباردة حتى 50 درجة مئوية. وهذا يجعلها مفيدة في التطبيقات الصناعية عالية المخاطر والبيئات المعادية.
نوع N الحرارية
El نوع N الحرارية تم تطويره كتطور من النوع K، ويتميز بمقاومته الأكبر للأكسدة وثباته عند درجات الحرارة المرتفعة. ويستخدم سبائك نيكروسيل y نيسيلمما يسمح لها بالعمل في نطاقات تصل إلى 1280 درجة مئوية.
يعد هذا النوع من المزدوجات الحرارية خيارًا مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للتدهور الحراري ومتانة طويلة الأمد.
نطاقات وحدود خطأ المزدوجات الحرارية
يحدد معيار IEC 60584-1 نطاقات درجات حرارة مختلفة وحدود خطأ لكل نوع من المزدوجات الحرارية. على الرغم من أنها تختلف تبعًا لقطر السلك والظروف البيئية، إلا أنه يمكن تحديد ما يلي بشكل عام:
- النوع ي: -210 درجة مئوية إلى 760 درجة مئوية، مع خطأ قدره ±2.2 درجة مئوية أو ±0.75%
- النوع ك: -200 درجة مئوية إلى 1250 درجة مئوية، مع خطأ قدره ±2.2 درجة مئوية أو ±0.75%
- نوع تي: -200 درجة مئوية إلى 350 درجة مئوية، مع خطأ قدره ±1.0 درجة مئوية أو ±0.75%
- النوع ن: -200 درجة مئوية إلى 1280 درجة مئوية، مع خطأ قدره ±2.2 درجة مئوية أو ±0.75%
كيفية اختيار المزدوجة الحرارية المناسبة؟
حدد ملف الحرارية المناسبة ويعتمد ذلك على عدة عوامل، مثل نطاق درجة الحرارة الذي تريد قياسه، والبيئة التي سيتم استخدام المستشعر فيها، والميزانية المتاحة. من المهم النظر في جوانب مثل:
- الحد الأقصى والحد الأدنى لدرجة الحرارة: كل نوع من المزدوجات الحرارية له نطاق تشغيل محدد.
- محيط التشغيل: قد تؤثر الأجواء المؤكسدة والاختزالية والمبردة وما إلى ذلك على متانة المستشعر.
- مقاومة كيميائية: بعض المواد أكثر عرضة للتآكل مما يؤثر على عمر المستشعر.
- الاحكام: كلما زادت الدقة، زادت التكلفة بشكل عام، لذلك يعد عاملاً لتحقيق التوازن مع الوظيفة.
التطبيقات الشائعة
الكثير المزدوجات الحرارية يتم استخدامها في ملايين التطبيقات في مجموعة متنوعة من الصناعات، نظرًا لتعدد استخداماتها وقوتها. بعض الأمثلة تشمل:
- محطات توليد الطاقة حيث يتم رصد درجات حرارة التوربينات والمكونات الهامة الأخرى.
- مختبرات البحوث حيث تكون هناك حاجة إلى دقة كبيرة في القياس في درجات الحرارة القصوى، سواء العالية أو المنخفضة.
- العمليات الصناعية مثل أتمتة المصانع، حيث تكون الحاجة إلى المراقبة الحرارية ثابتة.
مزايا وعيوب المزدوجات الحرارية
على الرغم من استخدامها على نطاق واسع، ليست كل البيئات مناسبة للمزدوجات الحرارية. دعونا نحلل نقاط القوة والضعف فيه.
ميزة
- المتانة والمتانة حتى في الظروف القاسية.
- منخفض الكلفة مقارنة بأجهزة الاستشعار الأخرى مثل RTDs.
- نطاقات درجة حرارة واسعة، من التطبيقات المبردة إلى عقود درجات الحرارة العالية.
عيوب
- دقة محدودة مقارنة بالتقنيات الأكثر تقدمًا مثل RTDs.
- الحساسية للضوضاء الكهربائيةوخاصة في تشغيل الكابلات الطويلة.
- بحاجة إلى التنفيذ تعويض الوصلة الباردة للحصول على قراءات دقيقة.
عند محاولة اختيار مزدوجة حرارية مناسبة لتطبيق معين، من الضروري أخذ كل هذه العوامل في الاعتبار، والموازنة بين المزايا التي توفرها، مثل التكلفة المنخفضة ونطاق التشغيل الواسع، مقابل القيود المفروضة على الدقة والحساسية للبيئة. . لا تزال المزدوجات الحرارية واحدة من أكثر الحلول كفاءة وتنوعًا لقياس درجة الحرارة في التطبيقات الصناعية شديدة الطلب.