مبدأ عمل مستشعر درجة الحرارة

مبدأ تشغيل أجهزة استشعار درجة الحرارة:

مستشعر درجة الحرارة هو جهاز يكتشف درجة الحرارة ويحولها إلى إشارة قابلة للقياس. يعتمد مبدأ التشغيل على مجموعة متنوعة من التأثيرات الفيزيائية، بما في ذلك التأثيرات الحرارية، والمقاومة، والثرمستور، والمزدوجة الحرارية، والتمدد الحراري، وأشباه الموصلات، وتأثيرات امتصاص الأشعة تحت الحمراء. وفيما يلي شرح تفصيلي لهذه المبادئ:

1. التأثير الحراري

التأثير الحراري هو أساس أجهزة استشعار درجة الحرارة الحرارية. المزدوجة الحرارية بواسطة مادتين مختلفتين يتكون الموصل من حلقة مغلقة، عند وجود طرفي التدرج في درجة الحرارة، سيكون هناك تيار من خلال الحلقة، في هذا الوقت بين طرفي وجود الجهد الكهربائي - القوة الدافعة الكهربائية الحرارية.تُعرف ظاهرة الجهد الكهربائي الناتجة عن اختلاف درجة الحرارة باسم تأثير سيبيك. ومن خلال قياس هذه القوة الدافعة الكهربائية، يمكن قياس درجة الحرارة. تتمتع المزدوجات الحرارية بمزايا نطاق القياس الواسع والدقة العالية، وتستخدم على نطاق واسع في حالات قياس درجة الحرارة المختلفة.

- المزدوجة الحرارية عبارة عن مستشعر يتم تشكيله عن طريق لحام موصلين معدنيين مختلفين معًا.

- عندما تكون وصلات لحام المستشعر عند درجات حرارة مختلفة، يتشكل فرق في درجة الحرارة، مما يولد جهدًا كهربائيًا صغيرًا (إشارة الجهد).

- ويرتبط حجم هذه القوة الدافعة الكهربية بالفرق في درجات الحرارة، ويمكن قياس درجة الحرارة عن طريق منحنى الجهد ودرجة الحرارة المعاير.

2.تأثيرات المقاومة والثرمستور

تأثير المقاومة وتأثير الثرمستور هما مبادئ عمل أجهزة استشعار درجة حرارة الثرمستور. الثرمستور هو عنصر تتغير قيمة مقاومته مع درجة الحرارة. وفقا لقانون تغير قيمة المقاومة مع درجة الحرارة، يمكن تقسيم الثرمستور إلى نوعين: معامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) ومعامل درجة الحرارة السلبية (NTC). تزداد قيمة مقاومة المواد ذات معامل درجة الحرارة الموجبة مع زيادة درجة الحرارة، وتتناقص قيمة مقاومة المواد ذات معامل درجة الحرارة السالبة مع زيادة درجة الحرارة. يمكن قياس درجة الحرارة عن طريق قياس قيمة مقاومة الثرمستور. يمكن لأجهزة استشعار الثرمستور تحقيق دقة عالية في نطاق درجة حرارة محدود (على سبيل المثال -90 درجة مئوية إلى 130 درجة مئوية).

2.1 تأثير الثرمستور:

- الثرمستورات عبارة عن مقاومات تتغير مقاومتها بتغير درجة الحرارة. وتنقسم عادة إلى نوعين: معامل درجة الحرارة السلبية (NTC) ومعامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC).

- تتناقص قيمة مقاومة الثرمستورات NTC مع زيادة درجة الحرارة، بينما تزيد قيمة المقاومة PTC مع زيادة درجة الحرارة.

- من خلال قياس التغير في قيمة المقاومة يمكن استنتاج التغير في درجة الحرارة. عادة ما تكون هناك علاقة غير خطية محددة بين قيمة المقاومة ودرجة الحرارة التي تتطلب معايرة ودوائر محددة لتحويلها إلى قيمة درجة الحرارة.

2.2 تأثير المقاومة:

- RTD عبارة عن مستشعر يستخدم سلكًا أو طبقة معدنية نقية (عادةً من البلاتين) كعنصر استشعار.

- عند تغير درجة الحرارة تتغير قيمة مقاومة المقاوم المعدني، ويرتبط هذا التغير خطيا بدرجة الحرارة.

- من خلال قياس التغير في قيمة المقاومة يمكن حساب قيمة درجة الحرارة.

3. تأثير امتصاص الأشعة تحت الحمراء

تعتمد مستشعرات درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء على مبدأ مفاده أن الحركة الحرارية الداخلية لجسم ما تشع موجات كهرومغناطيسية (التي تحتوي على أشعة تحت حمراء بطول موجي يتراوح من 0.75 إلى 100 ميكرومتر) في جميع الاتجاهات. لا تتطلب هذه المستشعراتdoاتصالاً مباشرًا بالجسم المراد قياسه، وتقوم بقياس درجة الحرارة بشكل غير مباشر عن طريق قياس طاقة الأشعة تحت الحمراء التي يشعها الجسم.لذلك، فهو مناسب بشكل خاص لقياس درجة حرارة سطح الأجسام المتحركة والأهداف الصغيرة والأجسام ذات السعة الحرارية الصغيرة أو التغيرات السريعة في درجات الحرارة (العابرين).

- تقوم أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء بقياس درجة حرارة سطح الجسم عن طريق استقبال الأشعة تحت الحمراء المنبعثة منه.

- يتناسب الإشعاع الحراري لجسم ما مع درجة حرارة سطحه، ويستطيع المستشعر تحديد درجة حرارة الجسم عن طريق قياس شدة الإشعاع المستقبلة.

4. تأثير التمدد الحراري:

مستشعر التمدد الحراري هو استخدام مواد معينة ذات تغيرات في درجة الحرارة وخصائص تمدد الحجم لقياس درجة الحرارة. عندما تتغير درجة الحرارة، سيتغير طول المادة الموجودة في المستشعر، ويمكن الحصول على معلومات درجة الحرارة عن طريق قياس التغير في الطول.

5. تأثير أشباه الموصلات:

تتمتع المواد شبه الموصلة بمعدل تغير في المقاومة مع درجة الحرارة أعلى من المعادن، لذلك يمكن تحويلها إلى أجهزة استشعار لدرجة الحرارة. عندما ترتفع درجة الحرارة، فإن مقاومة أشباه الموصلات ستنخفض بسرعة، ويمكن قياس درجة الحرارة بدقة باستخدام هذه الخاصية.

في التطبيقات العملية، يجب اختيار مستشعر درجة الحرارة المناسب وفقًا لنطاق القياس المحدد ومتطلبات الدقة والظروف البيئية وعوامل أخرى.

1. المزدوجات الحرارية: عادةً ما تتمتع المزدوجات الحرارية بنطاق قياس عالٍ ودقة جيدة، لكن خطيتها وثباتها قد يتأثران بدرجة الحرارة ونوع المادة. في درجات الحرارة القصوى، قد يتدهور أداء المزدوجات الحرارية، مما يؤثر على الدقة.

2.معامل أجهزة استشعار التمدد الحراري (أجهزة قياس التمدد): أجهزة قياس التمدد أقل دقة وتستخدم عادةً لقياسات درجة الحرارة الخام نسبيًا. إنها مناسبة لقياس التغيرات في درجات الحرارة بدلاً من قياس درجات الحرارة الدقيقة.

3. كاشفات درجة الحرارة المقاومة (RTDs): توفر أجهزة كشف درجة الحرارة المقاومة (RTDs) دقة واستقرارًا جيدًا، خاصة في درجات الحرارة الثابتة. لديهم نطاق قياس واسع، ولكن وقت الاستجابة بطيء وغير مناسب لمراقبة درجة الحرارة المتغيرة بسرعة.

4. الثرمستورات (أجهزة استشعار درجة حرارة أشباه الموصلات): الثرمستورات حساسة للغاية ويمكن أن تستجيب بسرعة كبيرة للتغيرات في درجات الحرارة. ومع ذلك، فإن استقرارها على المدى الطويل قد لا يكون جيدًا مثل RTDs، وقد يحدث تدهور الأداء في درجات الحرارة القصوى.

لتلخيص

تعمل أجهزة استشعار درجة الحرارة على مجموعة متنوعة من المبادئ، بناءً على تأثيرات فيزيائية مختلفة لتحقيق قياس درجة الحرارة. تستخدم المستشعرات الحرارية التأثير الكهروحراري؛ تستخدم أجهزة استشعار الثرمستور تأثيرات المقاومة والثرمستور. وتستخدم أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء تأثير امتصاص الأشعة تحت الحمراء. تتمتع هذه المستشعرات بمزاياها وعيوبها، وهي مناسبة لمناسبات واحتياجات القياس المختلفة. على سبيل المثال، في متطلبات المناسبات ذات الدقة العالية، المزدوجات الحرارية شائعة الاستخدام أو RTDs؛ في متطلبات مناسبات وقت الاستجابة السريعة، التأثير الحراري الحراري أو أجهزة استشعار تأثير أشباه الموصلات شائعة الاستخدام؛ في متطلبات المناسبات منخفضة التكلفة، وأجهزة الاستشعار شائعة الاستخدام لتأثير التمدد الحراري.

بشكل عام، لا يوجد مستشعر درجة حرارة واحد هو الأكثر دقة في جميع الظروف. يعتمد اختيار المستشعر على متطلبات التطبيق المحددة، بما في ذلك نطاق القياس المطلوب والدقة ووقت الاستجابة والتكلفة والظروف البيئية. عند اختيار جهاز استشعار درجة الحرارة، عادة ما تكون هناك مقايضات يجب القيام بها بناءً على هذه العوامل.