كيف تعمل مستشعرات الحرارة: شرح بسيط

فهم كيفية عمل أجهزة استشعار درجة الحرارة

نجد مستشعرات الحرارة منتشرة في كل مكان في حياتنا، سواء في منشآت صناعية كبيرة أو مجرد أجهزة منزلية عادية. فهي تتحكم في كل شيء بدءًا من تشغيل مكيف الهواء بشكل صحيح وصولًا إلى التأكد من أن الفرن يصل إلى درجة الحرارة المطلوبة، كما أنها تمنع أيضًا الآلات من التسخين المفرط الذي قد يؤدي إلى أضرار جسيمة. الشيء المثير للاهتمام هو أنه على الرغم من أن هذه الأجهزة الصغيرة لا تزيد عن حجم دبوس على الجدار، إلا أنها تعمل على أساس مبادئ علمية سليمة مجتمعة مع حيل هندسية ذكية. والنتيجة؟ قياسات حرارة دقيقة نسبيًا يأخذها معظم الناس كأمر مسلماً به كل يوم دون أن يفكروا فيها حقًا.

ما هو مستشعر درجة الحرارة؟

مستشعر درجة الحرارة هو جهاز يكتشف ويحول درجة الحرارة إلى إشارة كهربائية يمكن قياسها. يتم تفسير هذه المعلومات بواسطة وحدات التحكم أو العدادات أو أنظمة المراقبة. تستخدم أنواع مختلفة من مستشعرات الحرارة مواد وآليات مختلفة للكشف عن التغيرات الحرارية، ولكنها جميعًا تهدف إلى توفير بيانات دقيقة وفورية.

الأنواع الشائعة لمستشعرات درجة الحرارة ومبدأ عملها

أزواج حرارية

تعمل أزواج الحرارة بسبب شيء يُسمى تأثير سيبيك. في الأساس، إذا أخذنا نوعين مختلفين من المعدن وقمنا بربطهما معًا من أحد الطرفين، ثم عرضنا هذا الوصل لدرجات حرارة متفاوتة، فإنه يولد جهدًا كهربائيًا يكون مرتبطًا بشكل مباشر بمدى فرق درجات الحرارة الفعلي. ما يجعل أزواج الحرارة شائعة جدًا؟ حسنًا، أولًا وقبل كل شيء، إنها أجهزة صغيرة متينة إلى حد كبير. بالإضافة إلى ذلك، تُعتبر تكلفتها منخفضة نسبيًا مقارنة بخيارات أخرى موجودة في السوق. والأفضل من ذلك، يمكن لهذهجهزة قياس الحرارة التعامل مع كل شيء بدءًا من البيئات شديدة البرودة حتى الظروف الحارة للغاية. لا عجب أن تعتمد المصانع في مختلف الصناعات بشكل كبير على أزواج الحرارة يومًا بعد يوم لمراقبة العمليات التي تكون فيها السيطرة على درجة الحرارة مهمة للغاية.

مستشعرات درجة الحرارة المقاومة (RTDs)

تستند أجهزة قياس درجة الحرارة ذات المقاومة (RTDs) إلى المبدأ الذي بموجبه تزداد مقاومة المعدن، وعادةً ما يكون البلاتين، مع ارتفاع درجة الحرارة. وبقياس مقاومة عنصر الاستشعار، يمكن استنتاج درجة الحرارة. تتميز أجهزة RTDs بدقة عالية واستقرار بمرور الوقت، مما يجعلها مثالية للاستخدام في المختبرات والتطبيقات التي تتطلب دقة.

المقاومات الحرارية

المقاومات الحرارية (Thermistors) هي مقاومات حساسة لدرجة الحرارة. على عكس أجهزة RTDs، تُصنع المقاومات الحرارية من مواد سيراميكية وتُظهر تغيراً أكثر وضوحاً في المقاومة مع تغير درجة الحرارة. تُستخدم هذه المقاومات بشكل شائع في الإلكترونيات الاستهلاكية والأجهزة الطبية نظراً لانخفاض تكلفتها واستجابتها السريعة ضمن نطاقات ضيقة من درجات الحرارة.

أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء

تُحدد أجهزة استشعار درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء الإشعاع الحراري المنبعث من الأجسام. وهي أجهزة غير تلامسية، وهي مثالية لقياس درجة حرارة الأجزاء المتحركة أو الأسطح الخطرة. تُستخدم أجهزة الاستشعار تحت الحمراء في التطبيقات التي يكون فيها الاتصال المادي غير ممكن أو عملي.

العناصر الرئيسية لجهاز قياس درجة الحرارة

عنصر الاستشعار

هذا هو الجزء الأساسي في أي مستشعر حراري. سواء كان ذلك وصلة حرارية، أو لفافة من البلاتين، أو حبة سيراميكية، فإن العنصر الحساس يستجيب للتغيرات الحرارية ويبدأ عملية القياس.

دارة معالجة الإشارة

عادةً ما تكون الإشارات الأولية الصادرة من العنصر الحساس ضعيفة وغير خطية. تقوم دارات معالجة الإشارة بتعزيزها وترشيحها وتحويلها إلى شكل يمكن استخدامه، غالباً ما يكون على شكل جهد كهربائي أو تيار أو إخراج رقمي.

واجهة الإخراج

اعتماداً على التطبيق، قد يُخرج المستشعر البيانات على شكل إشارة تناظرية (جهد أو تيار) أو رقمية (I2C أو SPI أو UART). ويعتمد الاختيار على طريقة تكامل المستشعر مع الأنظمة الأخرى.

أماكن استخدام مستشعرات الحرارة

التطبيقات الصناعية

مستشعرات درجة الحرارة تُعدّ هذه المستشعرات ضرورية في التحكم بالعمليات والتصنيع وإدارة الطاقة. في المصانع الكيميائية، تضمن حدوث التفاعلات تحت ظروف حرارية آمنة. وفي محطات توليد الطاقة، تراقب المعدات لمنع ارتفاع درجة الحرارة والخسارة في الطاقة.

الإلكترونيات الاستهلاكية

تستخدم الأجهزة المنزلية مثل الأفران والثلاجات وال(stats) مستشعرات الحرارة للحفاظ على الراحة والكفاءة. حتى الهواتف الذكية تحتوي على مستشعرات حرارية لمنع ارتفاع درجة الحرارة أثناء المهام المكثفة.

صناعة السيارات

تستخدم المركات الحديثة عدة مستشعرات حرارية لمراقبة درجة حرارة المحرك وغازات العادم والمناخ داخل المقصورة وحزم البطاريات. تساهم هذه المستشعرات في السلامة والأداء والتحكم في الانبعاثات.

الرعاية الصحية والأجهزة الطبية

تعتمد أجهزة قياس الحرارة الرقمية والأجهزة الخاصة بالحضانة وأجهزة التشخيص على قياس دقيق للحرارة لضمان سلامة المرضى والعلاج الفعال.

كيف تُقاس الحرارة وتُفسر

مستشعرات التناظرية

توفر المستشعرات التناظرية إشارة جهد أو تيار مستمرة تتغير مع درجة الحرارة. تتطلب هذه الإشارات معايرة وغالبًا ما تحتاج إلى معالجة إشارات لضمان دقة القراءات. تصنف أزواج الحرارة (Thermocouples) وأجهزة مقاومة البلاتين (RTDs) عادةً ضمن هذه الفئة.

مستشعرات رقمية

تشمل أجهزة استشعار درجة الحرارة الرقمية إلكترونيات مدمجة تعالج الإشارة داخليًا وترسل قياسات درجة الحرارة على شكل إشارة رقمية. وهي أسهل في الاتصال مع وحدات التحكم الدقيقة، وأقل عرضة للضوضاء وتدهور الإشارة.

الدقة وال-Calibration

تختلف الدقة حسب نوع المستشعر ونوعيته ومعايرته. إن المعايرة المنتظمة ضرورية في التطبيقات عالية الدقة مثل المختبرات أو بيئات ضمان الجودة. قد تحدث انحرابات في قراءات المستشعر مع مرور الوقت، خاصةً إذا كان معرضًا لبيئات قاسية.

الفوائد من استخدام أجهزة استشعار درجة الحرارة

المراقبة في الوقت الحقيقي

توفر أجهزة استشعار درجة الحرارة ملاحظات فورية، مما يسمح للأنظمة بالاستجابة بسرعة للتغيرات في درجة الحرارة. وهذا أمر ضروري لتحقيق الكفاءة في العمليات وتجنب الأعطال.

التحكم الآلي والتحكم

في الأنظمة الذكية، تُفعّل أجهزة استشعار درجة الحرارة استجابات تلقائية. على سبيل المثال، إذا ارتفعت درجة حرارة المحرك بشكل مفرط، يمكن لجهاز الاستشعار أن يوقف تشغيله أو يقلل من حمله لمنع التلف.

السلامة والموثوقية

الحفاظ على درجات الحرارة المناسبة يضمن تشغيل المعدات بشكل آمن ويقلل من خطر الحرائق أو الانفجارات أو تدهور المواد.

اختيار المستشعر المناسب لتطبيقك

يعتمد اختيار مستشعر درجة الحرارة على عدة عوامل: مدى درجة الحرارة، الدقة المطلوبة، البيئة (على سبيل المثال، مُعَدِّية أو اهتزازات عالية)، وقت الاستجابة والتوافق مع أنظمة التحكم. على سبيل المثال، قد يكون زوج حراري مناسبًا لفرن، بينما قد يكون مقاوم حراري مناسبًا لمنظم حرارة منزلي.

الأسئلة الشائعة

ما هو النوع الأكثر دقة من أجهزة استشعار درجة الحرارة؟

يُعرف مقاوم الحرارة (RTDs)، وخاصةً المصنوع منها من البلاتين، بدقة وثبات عاليين، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية.

هل يمكن لمستشعرات درجة الحرارة قياس الظروف الساخنة والباردة؟

نعم، يعتمد ذلك على نوع المستشعر. يمكن لكل من الأزواج الحرارية ومقاومات الحرارة (RTDs) والمقاومات الحرارية قياس نطاق واسع من درجات الحرارة من دون الصفر إلى الحرارة الشديدة.

هل تحتاج مستشعرات درجة الحرارة إلى المعايرة؟

نعم. للحصول على قراءات متسقة ودقيقة، يُوصى بالمعايرة الدورية وفق معيار حرارة معروف، خاصة في البيئات الصناعية أو العلمية.

هل مستشعرات الحرارة غير المتصلة موثوقة؟

مستشعرات الأشعة تحت الحمراء موثوقة عند استخدامها بشكل صحيح. وتحتاج إلى معايرة مناسبة والانتباه إلى انبعاثات السطح للحصول على قياس دقيق.