*حمزة*
مشرف عام
الازدواج الحراري هو جهاز كهربائي يتكون من اثنين من الموصلات الكهربائية غير المتماثلة التي تشكل تقاطع كهربائي، وتنتج المزدوجة الحرارية الجهد الذي يعتمد على درجة الحرارة نتيجة للتأثير الكهروضوئي، ويمكن استخدام هذا الجهد لقياس درجة الحرارة، والمزدوجات الحرارية هي نوع من أجهزة استشعار درجة الحرارة المستخدمة على نطاق واسع في مختلف التطبيقات .
مميزات المزدوجات الحرارية
المزدوجات الحرارية التجارية غير مكلفة، وهي قابلة للتبديل ويتم توفيرها مع الموصلات القياسية، ويمكنها قياس مجموعة واسعة من درجات الحرارة، وعلى عكس معظم الطرق الأخرى لقياس درجة الحرارة، فإن المزدوجات تعمل بالطاقة الذاتية ولا تتطلب أي شكل خارجي، والمزدوجات الحرارية تستخدم على نطاق واسع في العلوم والصناعة، وتشمل التطبيقات التي تستخدم فيها : قياس درجة الحرارة للأفران، وعادم التوربينات الغازية، ومحركات الديزل، والعمليات الصناعية الأخرى، وتستخدم المزدوجات الحرارية أيضا في المنازل والمكاتب والشركات كمستشعرات للحرارة في منظمات الحرارة، وأيضا كأجهزة استشعار للهب في أجهزة الأمان للأجهزة التي تعمل بالغاز .
كيف يعمل المزدوج الحراري
المزدوج الحراري هو جهاز استشعار يقيس درجة الحرارة، ويتكون من نوعين مختلفين من المعادن، يتم ضمهما معا في نهاية واحدة، عند تسخين أو تبريد تقاطع المعدنين يتم إنشاء جهد يمكن ربطه مرة أخرى بدرجة الحرارة، والمزدوجة الحرارية هي جهاز استشعار بسيط وقوي وفعال من حيث التكلفة، ويستخدم في مجموعة واسعة من عمليات قياس درجة الحرارة، ويتم تصنيع المزدوجات الحرارية في مجموعة متنوعة من الأساليب، مثل المزدوج الحراري ذو المجسات، المزدوج الحراري بالموصلات، المزدوج الحراري المشترك، المزدوج الحراري للأشعة تحت الحمراء، وغيرها .
وبالتالي عندما يتم ربط سلكين مكونين من معادن متباينة في كلا الطرفين ويتم تسخين أحد الطرفين يكون هناك تيار مستمر يتدفق في الدائرة الكهروحرارية، أي أنه عند تسخين أو تقاطع مفصلين يتم إنتاج جهد يمكن ربطه مرة أخرى بدرجة الحرارة .
ما هو تأثير سيبك SEEBECK
في عام 1821، اكتشف توماس سيبك التدفق المستمر في الدائرة الكهروضوئية عندما يتم ربط سلكين من المعادن المتباينة في كلا الطرفين ويتم تسخين أحد الطرفين، وهذا التأثير هو الذي يستخدم في المزدوجات الحرارية التي تستخدم بشكل شائع في مجموعة واسعة من التطبيقات، نظرا لنطاقها الواسع من النماذج والمواصفات الفنية، إلا أنه من المهم للغاية فهم بنيتها الأساسية ووظائفها ونطاقاتها من أجل تحديد نوع المزدوج الحراري الصحيح والمواد الحرارية الأفضل عند الاختيار [1] .
عناصر تصميم المزدوج الحراري
تتكون أجهزة الاستشعار الحرارية المزدوجة من الأسلاك التي تسمى غالبا العناصر الحرارية، والعزل، والغمد، وختم الطرف، ووسيلة التوصيل (أسلاك التمديد، والموصلات، وما إلى ذلك)، ويتم توصيل الأسلاك معا على طرف واحد لتشكيل التقاطع، ويجب توصيل المستشعر بجهاز القراءة الذي يعوض درجة الحرارة المرجعية، وتعد أنواع المزدوجات الحرارية : J و K و T و E و N والتي تسمى مزدوجات “المعادن الأساسية”، والأنواع R و S و B والتي يطلق عليها مزدوجات “المعادن النبيلة”، والنوعان C و D والتي تسمى المعادن الحرارية [2] .
ما هو ثابت الوقت في المزدوجات الحرارية
تم تعريف ثابت الوقت على أنه الوقت الذي يتطلبه مستشعر درجة الحرارة للوصول إلى 63.2٪ من التغير في درجة الحرارة في ظل مجموعة محددة من الظروف، وهناك حاجة إلى ثوابت زمنية خمسة حتى يقترب المستشعر من 100٪ من قيمة التغيير، ويوفر التقاطع الحراري المكشوف أسرع استجابة، ومع ذلك عليك أن تدرك أنه في بعض الأحيان لا يستطيع غمد المجس أن يتحمل نطاق درجات الحرارة الكامل .
تأثير بلتيير
تأثير بلتيير هو عكس تأثير سيبك، ويوضح هذا التأثير أنه يمكن تشكيل فرق درجة الحرارة بين أي موصلين متباينين من خلال تطبيق التباين المحتمل بينهما .
تأثير تومسون
ينص هذا التأثير على أنه عندما يتم تثبيت معادن متباينة معا، وإذا كانا يشكلان مفاصل، فإن الجهد يحفز طول الموصل الكلي بسبب درجة حرارة التدرج، وهذا يوضح التغير في معدل واتجاه درجة الحرارة في الموضع المحدد [3] .
أنواع التقاطع في المزدوجات الحرارية
بناء المزدوج الحراري
يتألف المزدوج الحراري من سلكين مختلفين من المعادن متصلان معا عند طرف التقاطع، ويعتبر التقاطع نهاية القياس، ويتم تصنيف نهاية التقاطع إلى ثلاثة أنواع، وهم : تقاطع غير مؤرض ومثبت ومعروف .
تقاطع غير مؤرض
في هذا النوع من الوصلات، يتم فصل الموصلات تماما عن غطاء الحماية، وتتضمن تطبيقات هذا التقاطع بشكل أساسي أعمال التطبيق ذات الضغط العالي، والفائدة الرئيسية من استخدام هذه الوظيفة هي تقليل تأثير المجال المغناطيسي الشارد .
تقاطع مثبت
في هذا النوع من الوصلات، يتم توصيل الأسلاك المعدنية وكذلك غطاء الحماية معا، وتستخدم هذه الوظيفة لقياس درجة الحرارة في الجو الحمضي، وتوفر مقاومة للضوضاء .
تقاطع مكشوف
ينطبق التقاطع المكشوف في المناطق التي تتطلب استجابة سريعة، ويستخدم هذا النوع من الوصلات لقياس درجة حرارة الغاز .
يعتمد حجم القوة الكهرومغناطيسية المحرضة في الدائرة على أنواع المواد المستخدمة في صنع المزدوجات الحرارية، ويتم احتساب التدفق الكامل للتيار عبر الدائرة باستخدام أدوات القياس، وتحسب القوة الكهرومغناطيسية المستحثة في الدائرة بالمعادلة التالية : E = a (∆Ө) + b (∆Ө) 2، حيث ∆Ө هو الفرق في درجة الحرارة بين نهاية الوصلة الحرارية المزدوجة وكذلك نهاية الوصلة الحرارية المزدوجة المرجعية، a & b عبارة عن الثوابت .
مزايا وعيوب المزدوج الحراري
مزايا وعيوب المزدوج الحراري هي [4] :
المزايا :
مميزات المزدوجات الحرارية
المزدوجات الحرارية التجارية غير مكلفة، وهي قابلة للتبديل ويتم توفيرها مع الموصلات القياسية، ويمكنها قياس مجموعة واسعة من درجات الحرارة، وعلى عكس معظم الطرق الأخرى لقياس درجة الحرارة، فإن المزدوجات تعمل بالطاقة الذاتية ولا تتطلب أي شكل خارجي، والمزدوجات الحرارية تستخدم على نطاق واسع في العلوم والصناعة، وتشمل التطبيقات التي تستخدم فيها : قياس درجة الحرارة للأفران، وعادم التوربينات الغازية، ومحركات الديزل، والعمليات الصناعية الأخرى، وتستخدم المزدوجات الحرارية أيضا في المنازل والمكاتب والشركات كمستشعرات للحرارة في منظمات الحرارة، وأيضا كأجهزة استشعار للهب في أجهزة الأمان للأجهزة التي تعمل بالغاز .
كيف يعمل المزدوج الحراري
المزدوج الحراري هو جهاز استشعار يقيس درجة الحرارة، ويتكون من نوعين مختلفين من المعادن، يتم ضمهما معا في نهاية واحدة، عند تسخين أو تبريد تقاطع المعدنين يتم إنشاء جهد يمكن ربطه مرة أخرى بدرجة الحرارة، والمزدوجة الحرارية هي جهاز استشعار بسيط وقوي وفعال من حيث التكلفة، ويستخدم في مجموعة واسعة من عمليات قياس درجة الحرارة، ويتم تصنيع المزدوجات الحرارية في مجموعة متنوعة من الأساليب، مثل المزدوج الحراري ذو المجسات، المزدوج الحراري بالموصلات، المزدوج الحراري المشترك، المزدوج الحراري للأشعة تحت الحمراء، وغيرها .
وبالتالي عندما يتم ربط سلكين مكونين من معادن متباينة في كلا الطرفين ويتم تسخين أحد الطرفين يكون هناك تيار مستمر يتدفق في الدائرة الكهروحرارية، أي أنه عند تسخين أو تقاطع مفصلين يتم إنتاج جهد يمكن ربطه مرة أخرى بدرجة الحرارة .
ما هو تأثير سيبك SEEBECK
في عام 1821، اكتشف توماس سيبك التدفق المستمر في الدائرة الكهروضوئية عندما يتم ربط سلكين من المعادن المتباينة في كلا الطرفين ويتم تسخين أحد الطرفين، وهذا التأثير هو الذي يستخدم في المزدوجات الحرارية التي تستخدم بشكل شائع في مجموعة واسعة من التطبيقات، نظرا لنطاقها الواسع من النماذج والمواصفات الفنية، إلا أنه من المهم للغاية فهم بنيتها الأساسية ووظائفها ونطاقاتها من أجل تحديد نوع المزدوج الحراري الصحيح والمواد الحرارية الأفضل عند الاختيار [1] .
عناصر تصميم المزدوج الحراري
تتكون أجهزة الاستشعار الحرارية المزدوجة من الأسلاك التي تسمى غالبا العناصر الحرارية، والعزل، والغمد، وختم الطرف، ووسيلة التوصيل (أسلاك التمديد، والموصلات، وما إلى ذلك)، ويتم توصيل الأسلاك معا على طرف واحد لتشكيل التقاطع، ويجب توصيل المستشعر بجهاز القراءة الذي يعوض درجة الحرارة المرجعية، وتعد أنواع المزدوجات الحرارية : J و K و T و E و N والتي تسمى مزدوجات “المعادن الأساسية”، والأنواع R و S و B والتي يطلق عليها مزدوجات “المعادن النبيلة”، والنوعان C و D والتي تسمى المعادن الحرارية [2] .
ما هو ثابت الوقت في المزدوجات الحرارية
تم تعريف ثابت الوقت على أنه الوقت الذي يتطلبه مستشعر درجة الحرارة للوصول إلى 63.2٪ من التغير في درجة الحرارة في ظل مجموعة محددة من الظروف، وهناك حاجة إلى ثوابت زمنية خمسة حتى يقترب المستشعر من 100٪ من قيمة التغيير، ويوفر التقاطع الحراري المكشوف أسرع استجابة، ومع ذلك عليك أن تدرك أنه في بعض الأحيان لا يستطيع غمد المجس أن يتحمل نطاق درجات الحرارة الكامل .
تأثير بلتيير
تأثير بلتيير هو عكس تأثير سيبك، ويوضح هذا التأثير أنه يمكن تشكيل فرق درجة الحرارة بين أي موصلين متباينين من خلال تطبيق التباين المحتمل بينهما .
تأثير تومسون
ينص هذا التأثير على أنه عندما يتم تثبيت معادن متباينة معا، وإذا كانا يشكلان مفاصل، فإن الجهد يحفز طول الموصل الكلي بسبب درجة حرارة التدرج، وهذا يوضح التغير في معدل واتجاه درجة الحرارة في الموضع المحدد [3] .
أنواع التقاطع في المزدوجات الحرارية
بناء المزدوج الحراري
يتألف المزدوج الحراري من سلكين مختلفين من المعادن متصلان معا عند طرف التقاطع، ويعتبر التقاطع نهاية القياس، ويتم تصنيف نهاية التقاطع إلى ثلاثة أنواع، وهم : تقاطع غير مؤرض ومثبت ومعروف .
تقاطع غير مؤرض
في هذا النوع من الوصلات، يتم فصل الموصلات تماما عن غطاء الحماية، وتتضمن تطبيقات هذا التقاطع بشكل أساسي أعمال التطبيق ذات الضغط العالي، والفائدة الرئيسية من استخدام هذه الوظيفة هي تقليل تأثير المجال المغناطيسي الشارد .
تقاطع مثبت
في هذا النوع من الوصلات، يتم توصيل الأسلاك المعدنية وكذلك غطاء الحماية معا، وتستخدم هذه الوظيفة لقياس درجة الحرارة في الجو الحمضي، وتوفر مقاومة للضوضاء .
تقاطع مكشوف
ينطبق التقاطع المكشوف في المناطق التي تتطلب استجابة سريعة، ويستخدم هذا النوع من الوصلات لقياس درجة حرارة الغاز .
يعتمد حجم القوة الكهرومغناطيسية المحرضة في الدائرة على أنواع المواد المستخدمة في صنع المزدوجات الحرارية، ويتم احتساب التدفق الكامل للتيار عبر الدائرة باستخدام أدوات القياس، وتحسب القوة الكهرومغناطيسية المستحثة في الدائرة بالمعادلة التالية : E = a (∆Ө) + b (∆Ө) 2، حيث ∆Ө هو الفرق في درجة الحرارة بين نهاية الوصلة الحرارية المزدوجة وكذلك نهاية الوصلة الحرارية المزدوجة المرجعية، a & b عبارة عن الثوابت .
مزايا وعيوب المزدوج الحراري
مزايا وعيوب المزدوج الحراري هي [4] :
المزايا :
- يمكن استخدامها لقياس درجات الحرارة مباشرة حتى 2600 درجة مئوية
- يمكن تقاطع مفصل المزدوج وتلامسه مباشرة مع المادة المقاسة
- منخفضة التكلفة
- الدقة العالية
- قوية ويمكن استخدامها في بيئات مثل الاهتزاز العالي
- التفاعل الحراري سريع
- نطاق التشغيل لدرجة الحرارة واسع
العيوب :
1- يشمل قياس درجة الحرارة باستخدام المزدوج الحراري قياس درجتي حرارة، الوصلة الساخنة، والوصلة الباردة، ولتجنب الخطأ يتم تعويض درجة حرارة الوصلة الباردة بشكل عام في الأجهزة الإلكترونية عن طريق قياس درجة الحرارة في الكتلة الطرفية باستخدام أشباه الموصلات، الثرمستور، أو RTD .
2- تعتبر الأنشطة الحرارية ذات المصادر المحتملة للخطأ معقدة نسبيا، والمواد التي تنتج منها الكابلات الحرارية غير خاملة ويمكن للتآكل أن يؤثر على الجهد الكهربي الحراري الناتج على طول سلك الأسلاك الحرارية المزدوجة .
3- يجب إجراء معايرة المزدوجات الحرارية أثناء الاستخدام، وإذا تمت إزالة المزدوج الحراري ووضعه في حمام المعايرة، فإنه لا يعيد إنتاج نفس الناتج بالضبط، وتعد هذه أيضا مشكلة من مشكلات المزدوجات الحرارية
1- يشمل قياس درجة الحرارة باستخدام المزدوج الحراري قياس درجتي حرارة، الوصلة الساخنة، والوصلة الباردة، ولتجنب الخطأ يتم تعويض درجة حرارة الوصلة الباردة بشكل عام في الأجهزة الإلكترونية عن طريق قياس درجة الحرارة في الكتلة الطرفية باستخدام أشباه الموصلات، الثرمستور، أو RTD .
2- تعتبر الأنشطة الحرارية ذات المصادر المحتملة للخطأ معقدة نسبيا، والمواد التي تنتج منها الكابلات الحرارية غير خاملة ويمكن للتآكل أن يؤثر على الجهد الكهربي الحراري الناتج على طول سلك الأسلاك الحرارية المزدوجة .
3- يجب إجراء معايرة المزدوجات الحرارية أثناء الاستخدام، وإذا تمت إزالة المزدوج الحراري ووضعه في حمام المعايرة، فإنه لا يعيد إنتاج نفس الناتج بالضبط، وتعد هذه أيضا مشكلة من مشكلات المزدوجات الحرارية
