ما هي أنواع أجهزة استشعار درجة الحرارة شائعة الاستخدام

تعد أجهزة استشعار درجة الحرارة أدوات مهمة في الهندسة الحديثة والبحث العلمي والحياة اليومية. إنها تتيح لك مراقبة الظروف الحرارية والتحكم فيها في مجموعة واسعة من الإعدادات. تعد المزدوجات الحرارية، وكاشفات درجة الحرارة المقاومة (RTDs)، والثرمستورات (إصدارات NTC و PTC)، وأجهزة استشعار درجة الحرارة ذات الدوائر المتكاملة (IC) هي الأنواع الأكثر شيوعًا. تعد المزدوجات الحرارية وأجهزة RTDs أكثر أنواع أجهزة الاستشعار شيوعًا المستخدمة في المصانع لأنها موثوقة ومرنة ويمكن أن تعمل في بيئات صعبة. يعمل كل نوع من أجهزة الاستشعار وفقًا لمبادئ مختلفة، مما يعني أن لها فوائد مختلفة من حيث نطاق درجة الحرارة والدقة ووقت الاستجابة والتكلفة والقدرة على التكيف مع البيئات المختلفة. يتيح ذلك للمهندسين اختيار الحل الأفضل لموقف معين، مثل التحكم في العمليات وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) والمعدات الطبية وتطبيقات السيارات وأجهزة إنترنت الأشياء.




المزدوجات الحرارية



تعمل المزدوجات الحرارية بسبب تأثير سيبيك (التأثير الكهروحراري)، والذي يحدث عندما يتم توصيل موصلين معدنيين مختلفين في أحد طرفيهما لعمل وصلة قياس. يتم إنشاء قوة دافعة كهربائية بسيطة (الجهد) عندما يكون هناك فرق في درجة الحرارة بين الوصلة الساخنة (القياسية) والوصلة الباردة (المرجعية). ويرتبط هذا الجهد مباشرة بالفرق. من الممكن العثور على درجة الحرارة الدقيقة عن طريق قياس هذا الجهد وإجراء التعديلات الصحيحة لدرجة حرارة الوصلة المرجعية.



يمكن للمزدوجات الحرارية قياس نطاق واسع جدًا من درجات الحرارة، بدءًا من -200 درجة مئوية إلى أكثر من 2000 درجة مئوية، اعتمادًا على المواد المستخدمة. وهذا يجعلها مثالية للأماكن شديدة الحرارة أو شديدة البرودة. تتميز بتصميم بسيط وقوي يجعلها متينة للغاية وقادرة على تحمل الصدمات والاهتزازات والمواقف القاسية. كما أن المزدوجات الحرارية رخيصة الثمن، ولا تحتاج إلى مصدر طاقة خارجي لتعمل، ولها أوقات استجابة حرارية سريعة، وهو أمر مهم في العمليات التي تتغير بسرعة. لكن إشارة الخرج الخاصة بهم قليلة نوعًا ما (عادةً في نطاق الميكروفولت)، لذلك يحتاجون إلى دوائر تضخيم، ويحتاجون إلى ضبط الوصلة الباردة ليظلوا دقيقين. بعض الفئات الشائعة هي:



النوع K (نيكل-كروم/نيكل-سيليكون): النوع الأكثر شيوعًا، ويعمل بشكل جيد من -200 درجة إلى +1260 درجة، كما أن سعره معقول ومقاوم للأكسدة.



النوع J (حديد/نحاس-نيكل): يعمل بشكل جيد في درجات حرارة منخفضة تصل إلى 750 درجة تقريبًا، ويستخدم على نطاق واسع في تقليل الأجواء.



النوع S (بلاتين-روديوم/بلاتين): هذا نوع من المعدن النبيل يستخدم في -الدقة العالية، وتطبيقات درجات الحرارة العالية- التي تصل إلى 1600 درجة أو أكثر. يتم استخدامه في الأفران والطائرات.



تعتبر المزدوجات الحرارية مهمة جدًا في الصناعات التي تعمل بدرجات حرارة عالية، مثل الصناعات المعدنية (صهر الفولاذ)، والمعالجة الكيميائية، وتوليد الطاقة (الغلايات والتوربينات)، وصناعة الزجاج.







ثانيا. كاشفات درجة الحرارة المقاومة (RTDs)



تعتمد RTDs على حقيقة أن المقاومة الكهربائية للمعادن النقية، مثل البلاتين، تتغير بطريقة يمكن التنبؤ بها عندما تتغير درجة الحرارة. ترتفع المقاومة في خط مستقيم مع ارتفاع درجة الحرارة، وفقًا لقواعد مثل معادلة Callendar-Van Dusen. يعد مستشعر Pt100 (100 أوم عند 0 درجة) وPt1000 النوعين الأكثر شيوعًا.



تعتبر RTDs رائعة لأنها دقيقة للغاية (عادة ±0.1 درجة أو أفضل)، ومستقرة مع مرور الوقت، ولها استجابة خطية عبر نطاق واسع من درجات الحرارة (عادةً -200 درجة إلى +660 درجة، ولكن يمكن أن تصل بعض التصميمات إلى أعلى من ذلك بكثير). ولهذا السبب، فهي أفضل للمهام التي تحتاج إلى قدر كبير من الدقة، مثل معايرة المختبرات، ومعالجة الطعام، وصنع الأدوية، والتحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC). وتتمثل مشاكلها الرئيسية في أنها تستغرق وقتًا أطول للاستجابة لأنها تتمتع بكتلة حرارية أكبر، وتكلفتها أكثر من المزدوجات الحرارية، وتحتاج إلى تيار إثارة خارجي (مصدر تيار ثابت) لقياس المقاومة دون ارتكاب أخطاء من التسخين الذاتي-. يعد استخدام إعدادات -ثلاثة أسلاك أو أربعة أسلاك ميزة كبيرة لأنها تعوض مقاومة أسلاك الرصاص وتحسن بشكل كبير الدقة الإجمالية للنظام، خاصة عبر المسافات الطويلة.







ثالثا. الثرمستورات



الثرمستورات عبارة عن مستشعرات مصنوعة من أشباه الموصلات والتي تغير مقاومتها كثيرًا مع تغير درجة الحرارة. وهي مقسمة إلى NTC (معامل درجة الحرارة السلبية، وهو ما يعني أن المقاومة تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة) وPTC (معامل درجة الحرارة الإيجابية، وهو ما يعني أن المقاومة ترتفع بسرعة فوق نقطة معينة).



تعتبر الثرمستورات NTC حساسة للغاية (أكثر بكثير من RTDs أو المزدوجات الحرارية)، وتستجيب بسرعة، وصغيرة الحجم، ورخيصة الثمن. تعمل بشكل جيد في نطاق -50 إلى +150 درجة مئوية (مع بعض الإصدارات الموسعة). يتم استخدامها كثيرًا في أنظمة إدارة البطاريات، والتحكم في مناخ السيارات، والأجهزة المنزلية (مثل الثلاجات والأفران)، والإلكترونيات الاستهلاكية. تكمن المشكلة الرئيسية في أن منحنى درجة الحرارة ومقاومتها- غير خطي تمامًا-، مما يعني أنك تحتاج إلى استخدام الرياضيات أو جداول البحث للحصول على قراءات دقيقة. كما أنهم يواجهون مشاكل في قابلية التبديل إذا لم تتم معايرتهم. ومن ناحية أخرى، تُستخدم الثرمستورات PTC في الغالب لمنع ارتفاع درجة الحرارة{10}، وتقييد تيار التدفق، وعناصر التسخين ذاتية التنظيم بدلاً من القياس المستمر الدقيق.







رابعا. مستشعرات درجة الحرارة للدوائر المتكاملة (ICs) تجمع مستشعرات IC بين عنصر الاستشعار وتكييف الإشارة وأحيانًا التحويل التناظري - إلى - الرقمي في شريحة سيليكون واحدة. يمكنهم إرسال إما جهد تناظري (مثل 10 مللي فولت/درجة) أو إشارات رقمية عبر بروتوكولات مثل I²C أو SPI أو 1- سلك. بعض العلامات التجارية المعروفة هي أجهزة سلسلة LM35، DS18B20، وTMP.



تتميز بمعدل خطأ منخفض (±0.5 درجة عادية)، وتستجيب بسرعة، وتحتاج إلى عدد قليل من الأجزاء الخارجية، كما أنها سهلة الاتصال بوحدات التحكم الدقيقة. وهذا يجعلها مثالية للأنظمة المدمجة والإلكترونيات الاستهلاكية وعقد إنترنت الأشياء وأجهزة الكمبيوتر الشخصية والأجهزة المحمولة. نطاق درجة الحرارة من -55 إلى +150 درجة مئوية يحد من استخدامها في الأماكن شديدة الحرارة أو شديدة البرودة، إلا أن سهولة استخدامها وقدرتها على العمل مع الأجهزة الأخرى تعوض ذلك في العديد من التطبيقات الحالية.







V. أنواع أخرى من المكملات الغذائية بالإضافة إلى أجهزة استشعار الاتصال الرئيسية، هناك عدد من الاختيارات المتخصصة التي تلبي أغراضًا محددة.



يمكن لأجهزة استشعار درجة الحرارة التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء (بدون-التلامس) قياس درجة الحرارة دون لمس الجسم حيث يمكنها رؤية الإشعاع الحراري المنبعث منه. إنها رائعة لمراقبة درجات الحرارة المرتفعة (مثل المعادن المنصهرة)، أو الأهداف المتحركة، أو الأماكن الخطرة. يمكنك العثور عليها في مقاييس حرارة الأذن الطبية، ومقاييس البيرومتر الصناعية، وفحوصات سلامة الأغذية.



تستخدم موازين الحرارة ثنائية المعدن التمدد الحراري المختلف لمعدنين مرتبطين لتحريك المؤشر. وهذا يعطي قراءة بسيطة ويمكن الاعتماد عليها دون الحاجة إلى الطاقة. إنها تعمل بشكل جيد مع منظمات الحرارة المنزلية البسيطة والأفران وأجهزة القياس الصناعية التي ليست دقيقة جدًا.



تتميز مستشعرات درجة حرارة الألياف الضوئية بأنها محصنة ضد التداخل الكهرومغناطيسي، ومقاومة للتآكل، وقادرة على الاستشعار عبر مسافات كبيرة لأنها تستخدم ميزات بصرية مثل اضمحلال الفلورسنت أو قياس التداخل. وهي مهمة جدًا في أماكن مثل-المحطات الفرعية ذات الجهد العالي والمحولات وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي والأماكن التي توجد بها متفجرات أو مواد نووية.



باختصار، أثناء اختيار مستشعر درجة الحرارة، عليك أن تفكر في أشياء مثل مدى الدقة التي يجب أن يكون عليها، ومدى اتساع نطاق درجة الحرارة، ومدى السرعة التي يحتاجها للاستجابة، ومدى تكلفته، ومدى قسوته في البيئة، ومدى سهولة تركيبه. تعد المزدوجات الحرارية هي الخيار الأفضل للعمليات الصناعية ذات درجات الحرارة المرتفعة جدًا-، وتعد RTDs هي الأكثر دقة في البيئات الخاضعة للرقابة، كما أن الثرمستورات هي الخيار الأفضل للنطاقات المتوسطة بتكلفة منخفضة، وتسهل مستشعرات IC توصيل الأجهزة الإلكترونية رقميًا. الأشعة تحت الحمراء والألياف الضوئية هما مثالان على الأنواع الأخرى التي تجعل من الممكن تغطية جميع الصناعات، حتى تلك التي لا يمكن الوصول إليها عبر اللمس المباشر أو EMI.