أجهزة استشعار الحرارة: أنواعها ووظائفها

فهرس المحتويات

1. ما هي أجهزة استشعار الحرارة؟
2. تصنيفات أجهزة استشعار الحرارة
3. آلية عمل أجهزة استشعار الحرارة
4. استخدامات أجهزة استشعار الحرارة
5. المراجع

ما هي أجهزة استشعار الحرارة؟

تُعرف أجهزة استشعار الحرارة (مستشعرات درجة الحرارة) بأنها أدوات تقيس درجة الحرارة وتحولها إلى إشارات كهربائية قابلة للقراءة والتحليل. وتتكون هذه الأجهزة من مكونات أساسية، منها: المزدوج الحراري (T/C) الذي يُكوّن من مادتين معدنيتين مختلفتين تولد جهدًا كهربائيًا يتناسب مع اختلاف درجات الحرارة بينهما، ومكشاف درجة الحرارة المقاومي (RTD) وهو مقاوم كهربائي تتغير مقاومته بتغير درجة الحرارة، وتُعرف هذه العلاقة بدقة عالية وقابلية للتكرار. [1] تلعب هذه الأجهزة دورًا حيويًا في العديد من التطبيقات، حيث تُستخدم لمعايرة قياسات أخرى مثل الضغط، والإجهاد، والتدفق. لضمان دقة القياس، يجب مراقبة درجة الحرارة عدة مرات. [2]

تصنيفات أجهزة استشعار الحرارة

تتنوع أجهزة استشعار الحرارة، إلا أن الأنواع الرئيسية منها تنقسم إلى فئتين: [3]

أجهزة استشعار الحرارة بالتلامس: تعتمد هذه الأجهزة على التلامس المباشر مع الوسط المُراد قياس حرارته، وتُستخدم على نطاق واسع لقياس درجات حرارة المواد الصلبة، والسوائل، والغازات، وعلى مدى واسع من درجات الحرارة.

أجهزة استشعار الحرارة بدون تلامس: تعتمد هذه الأجهزة على قياس الإشعاع الحراري أو الحمل الحراري لتحديد درجة الحرارة، وتُستخدم بشكل خاص لقياس درجة حرارة السوائل والغازات، وكذلك لقياس الطاقة المُشعّة كالأشعة تحت الحمراء.

وتشمل الأنواع الفرعية الأخرى ما يلي: [4]

• المزدوجات الحرارية: أجهزة تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية، وتُستخدم في تطبيقات متنوعة كآلات الحقن البلاستيكية، ومعدات الأغذية، والأجهزة الطبية. مميزاتها: فعالية عالية لدرجات الحرارة العالية، منخفضة التكلفة، استجابة سريعة. عيوبها: حساسية منخفضة للتغيرات البسيطة، حاجة لأسلاك توصيل خاصة، ممكن التقاط ضوضاء كهربائية.
• مكشافات درجة الحرارة المقاومية (RTDs): أجهزة تتكون من أسلاك ملتفة أو أغشية رقيقة، وتتميز بدقة عالية وقابلية تكرار القياسات. مميزاتها: قياسات دقيقة ومتكررة، مقاومة للتلوث. عيوبها: قابلة للتآكل، تكلفة مرتفعة، استجابة بطيئة، حساسية للاهتزازات.
• الثرمستورات: أشباه موصلات مصنوعة من أكاسيد معدنية، وتتميز بحساسية عالية للتغيرات البسيطة في درجات الحرارة. مميزاتها: حساسية عالية. عيوبها: قابلة للكسر، نطاق درجات حرارة محدود.
• مجسات الأشعة تحت الحمراء: تقيس الطاقة المنبعثة من الجسم على شكل أشعة تحت حمراء، وتُستخدم في الصناعات المختلفة وكذلك في مراقبة درجة حرارة جسم الإنسان. مميزاتها: لا تتطلب تلامسًا، استجابة سريعة، لا تتآكل. عيوبها: تكلفة عالية، دقة تتأثر بالغبار والدخان.

آلية عمل أجهزة استشعار الحرارة

قياس درجة الحرارة بدقة يتطلب أجهزة استشعار ترسل إشارات إلى أجهزة تنظيم الحرارة. تتغير درجة الحرارة بناءً على متوسط طاقة الحركة الجزيئية. إضافة الحرارة تزيد الحركة الجزيئية، وبالتالي ترتفع درجة الحرارة. تقيس أجهزة الاستشعار هذه التغيرات. وتُعير هذه الأجهزة باستخدام مقاييس حرارة تقليدية، مثل نقطة غليان الماء عند ضغط معين. [5]

في المزدوج الحراري، يتولد جهد كهربائي كنتيجة لاختلاف درجات الحرارة بين تقاطع القياس وتقاطع المرجع. يجب أن تكون أسلاك التوصيل من نفس المعدن لتجنب قراءات خاطئة. [1]

جميع المواد الموصلة تقاوم تدفق الكهرباء بمقدار مختلف، تتغير المقاومة بتغير درجة الحرارة، وهذا ما يقاس بواسطة (RTD). غالباً ما يستخدم البلاتين في (RTD) نظراً لنقائه واستقراره. [1]

استخدامات أجهزة استشعار الحرارة

تدخل أجهزة استشعار الحرارة في العديد من التطبيقات، منها: [6]

• الصناعات الغذائية: مراقبة درجات الحرارة للحفاظ على جودة الطعام.
• صناعة السيارات: مراقبة حرارة الاحتراق والعادم.
• حاضنات الأطفال: مراقبة درجة حرارة الحاضنة باستمرار.
• المنازل والصناعات: قياس درجات الحرارة للتحكم في الطاقة وكفاءتها، وتُستخدم في الأفران، الثلاجات، وغيرها من الأجهزة المنزلية والصناعية.

المراجع

1. What is a Temperature Sensor? cpinc. Retrieved 16/6/2021. Edited.
2. Dorsey, Maia. Temperature Sensors & Measurement. slideserve. Retrieved 16/6/2021. Edited.
3. Temperature Sensors. electronics-tutorials. Retrieved 16/6/2021. Edited.
4. Goodman, Barbra. Temperature Sensors. slideplayer. Retrieved 16/6/2021. Edited.
5. Temperature sensors. idc-online. Retrieved 16/6/2021. Edited.
6. Sanhaji, Abdou. Temperature Sensor. academia. Retrieved 16/6/2021. Edited.