المقاييس الحرارية: مستشعر درجة حرارة بسيط ومتنوع
ما هو الثرموكبل؟
الثرموكبل هو جهاز يقوم بتحويل الفروق الحرارية إلى جهد كهربائي، استنادًا إلى مبدأ التثريوم الكهربائي. وهو نوع من المستشعرات يمكنه قياس درجة الحرارة في نقطة أو موقع معين. يتم استخدام الثرموكابلات على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل الصناعة والمنزل والتجارة والتطبيقات العلمية بسبب بساطتها ومتانتها وتكلفتها المنخفضة ومدى درجات الحرارة الواسع.
ما هو التأثير الكهروحراري؟
التأثير الكهروحراري هو ظاهرة توليد جهد كهربائي نتيجة فرق درجة حرارة بين معدنين مختلفين أو سبائك معدنية. اكتشف هذا التأثير العالم الألماني توماس سيبيك في عام 1821، حيث لاحظ أن حقل مغناطيسي تم إنشاؤه حول حلقة مغلقة من معدنين مختلفين عندما تم تسخين أحد التقاطعات وأبرد الآخر.
يمكن شرح التأثير الكهروحراري بواسطة حركة الإلكترونات الحرة في المعدن. عند تسخين أحد التقاطعات، تحصل الإلكترونات على طاقة حركية وتتحرك بشكل أسرع نحو التقاطع الأبرد. هذا يخلق فرق جهد بين التقاطعين، والذي يمكن قياسه بواسطة فولتميتر أو أمبيرميتر. تعتمد قيمة الجهد على نوع المعدن المستخدم والفروق الحرارية بين التقاطعات.
كيف يعمل الثرموكبل؟
يتكون الثرموكبل من سلكين مصنوعين من معدنين مختلفين أو سبائك معدنية، متصلين معًا في كلا النهايتين لتشكيل تقاطعين. يتم وضع أحد التقاطعات المعروف بالتقاطع الساخن أو التقاطع القياسي، في المكان الذي سيتم فيه قياس درجة الحرارة. يتم الاحتفاظ بالتقاطع الآخر المعروف بالتقاطع البارد أو التقاطع المرجعي، عند درجة حرارة ثابتة ومعروفة، عادةً في درجة حرارة الغرفة أو في حمام من الثلج.
عند وجود فرق درجة حرارة بين التقاطعين، يتم توليد جهد كهربائي عبر دائرة الثرموكبل بسبب التأثير الكهروحراري. يمكن قياس هذا الجهد باستخدام فولتميتر أو أمبيرميتر متصل بدائرة الثرموكبل. باستخدام جدول معايرة أو صيغة تربط الجهد بدرجة الحرارة لنوع معين من الثرموكابلات، يمكن حساب درجة حرارة التقاطع الساخن.
يوضح الرسم التالي المبدأ الأساسي لعمل الثرموكبل:
يشرح الفيديو التالي كيف يعمل الثرموكبل بمزيد من التفصيل:
ما هي أنواع الثرموكابلات؟
هناك العديد من أنواع الثرموكابلات المتاحة، كل منها له خصائص وتطبيقات مختلفة. يتم تحديد نوع الثرموكبل بناءً على تركيب المعدن أو السبائك المعدنية المستخدمة للأسلاك. الأكثر شيوعًا من الثرموكابلات يتم تصويرها بالأحرف (مثل K، J، T، E، الخ) وفقًا للمعايير الدولية.
يوضح الجدول التالي بعض أنواع الثرموكابلات الرئيسية وخواصها:
| النوع | السلك الإيجابي | السلك السلبي | رمز الألوان | مدى درجات الحرارة | الحساسية | الدقة | التطبيقات |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K | نيكل-كروم (90% نيكل، 10% كروم) | نيكل-ألمنيوم (95% نيكل، 2% ألمنيوم، 2% منغنيز، 1% سيليكون) | أصفر (+)، أحمر (-)، أصفر (عام) | -200°C إلى +1260°C (-328°F إلى +2300°F) | 41 ميكرو فولت/درجة مئوية | ±2.2°C (0.75%) | للأغراض العامة، مدى واسع، تكلفة منخفضة |
| J | حديد (99.5% حديد) | كونستانتان (55% نحاس، 45% نيكل) | أبيض (+)، أحمر (-)، أسود (عام) | -210°C إلى +750°C (-346°F إلى +1400°F) | 50 ميكرو فولت/درجة مئوية | ±2.2°C (0.75%) | الأجواء المؤكسدة، مدى محدود |
| T | نحاس (99.9% نحاس) | كونستانتان (55% نحاس، 45% نيكل) | أزرق (+)، أحمر (-)، بني (عام) | -200°C إلى +350°C (-328°F إلى +662°F) | 43 ميكرو فولت/درجة مئوية | ±1°C (0.75%) | درجات الحرارة المنخفضة، الأجواء المؤكسدة |
| E | نيكل-كروم (90% نيكل، 10% كروم) | كونستانتان (55% نحاس، 45% نيكل) | بنفسجي (+)، أحمر (-)، بنفسجي (عام) |
| E | نيكل-كروم (90% نيكل، 10% كروم) | كونستانتان (55% نحاس، 45% نيكل) | بنفسجي (+)، أحمر (-)، بنفسجي (عام) | -200°C إلى +870°C (-328°F إلى +1598°F) | 68 ميكرو فولت/درجة مئوية | ±1.7°C (0.5%) | دقة عالية، مدى معتدل، تكلفة منخفضة | | N | نيكرسيل (84.1% نيكل، 14.4% كروم، 1.4% سيليكون، 0.1% مغنيسيوم) | نيسل (95.5% نيكل، 4.4% سيليكون، 0.1% مغنيسيوم) | برتقالي (+)، أحمر (-)، برتقالي (عام) | -200°C إلى +1300°C (-328°F إلى +2372°F) | 39 ميكرو فولت/درجة مئوية | ±2.2°C (0.75%) | للأغراض العامة، مدى واسع، مستقر | | S | البلاديوم-الروديوم (90% بلاديوم، 10% روديوم) | البلاديوم (100% بلاديوم) | أسود (+)، أحمر (-)، أخضر (عام) | 0°C إلى +1600°C (+32°F إلى +2912°F) | 10 ميكرو فولت/درجة مئوية | ±1.5°C (0.25%) | درجات الحرارة العالية، الدقة العالية، غالية الثمن | | R | البلاديوم-الروديوم (87% بلاديوم، 13% روديوم) | البلاديوم (100% بلاديوم) | أسود (+)، أحمر (-)، أخضر (عام) | 0°C إلى +1600°C (+32°F إلى +2912°F) | 10 ميكرو فولت/درجة مئوية | ±1.5°C (0.25%) | درجات الحرارة العالية، الدقة العالية، غالية الثمن | | B | البلاديوم-الروديوم (70% بلاديوم، 30% روديوم) | البلاديوم-الروديوم (94% بلاديوم، 6% روديوم) | رمادي (+)، أحمر (-)، رمادي (عام) | +600°C إلى +1700°C (+1112°F إلى +3092°F) | 9 ميكرو فولت/درجة مئوية | ±0.5% من القراءة فوق +600°C (+1112°F) | درجات الحرارة非常高，敏感度低 |
热电偶的优点和缺点是什么？
