شرائط ثنائية المعدن للقياس الحراري: كيفية عملها وتطبيقاتها
ما هو مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي؟
مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي هو جهاز يستخدم مبدأ التمدد الحراري المختلفة للمواد الصلبة لقياس درجة الحرارة. يتكون من شريطين معدنيين (مثل الفولاذ والنحاس) لهما معاملات تمدد حراري مختلفة، يتم ربطهما بقوة طولياً. عند تسخين أو تبريد الشريط المعدني الثنائي، ينحني أو يلتوي بسبب التمدد أو الانكماش غير المتساوي للعددين. وكمية الانحناء أو الالتواء تكون متناسبة مع تغير درجة الحرارة ويمكن إظهارها بواسطة مؤشر على مقياس محدد.
يستخدم مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي على نطاق واسع في مختلف الصناعات والتطبيقات نظرًا لبساطتها ومتانتها وتوفيرها للتكلفة. يمكنها قياس درجات الحرارة من أقل من -100 °C إلى أكثر من 500 °C، اعتمادًا على المواد والتصميم الشريط المعدني الثنائي. وهي أيضًا أجهزة ميكانيكية بالكامل لا تتطلب أي مصدر طاقة أو دارة كهربائية.
كيف يعمل مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي؟
تظهر الهيكل الأساسي ومبدأ عمل مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي في الشكل أدناه. يتكون الشريط المعدني الثنائي من شريطين معدنيين لهما معاملات تمدد حراري مختلفة، مثل الفولاذ والنحاس. يحتوي شريط الفولاذ على معامل تمدد حراري أقل من شريط النحاس، مما يعني أنه يمتد أو ينكمش أقل من شريط النحاس لنفس تغير درجة الحرارة.
الشكل: الهيكل والمبدأ الأساسي لمقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي
عند تسخين الشريط المعدني الثنائي، يمتد شريط النحاس أكثر من شريط الفولاذ، مما يجعل الشريط المعدني الثنائي ينحني مع وجود جانب النحاس على الجانب الخارجي للمنحنى. بالعكس، عند تبريد الشريط المعدني الثنائي، ينكمش شريط النحاس أكثر من شريط الفولاذ، مما يجعل الشريط المعدني الثنائي ينحني مع وجود جانب النحاس على الجانب الداخلي للمنحنى.
يمكن استخدام انحناء أو التواء الشريط المعدني الثنائي لتحريك مؤشر مرتبط بطرف واحد من الشريط، والذي يشير إلى درجة الحرارة على مقياس محدد. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام انحناء أو التواء الشريط المعدني الثنائي لفتح أو إغلاق اتصال كهربائي، مما يمكن أن يثير نظام تحكم في درجة الحرارة أو جهاز الأمان.
أنواع مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي
هناك نوعان أساسيان من مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي متاحة في السوق: النوع الحلزوني والنوع الحلزوني الملتوي. يستخدم كلا النوعين شريطًا معدنيًا ثنائياً ملفوفًا لزيادة الحساسية وصغر حجم الجهاز.
مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي الحلزوني
يستخدم مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي الحلزوني شريطًا معدنيًا ثنائيًا ملفوفًا في حلزون مسطح. يتم تثبيت الطرف الداخلي للحلزون على الإطار، بينما يتم توصيل الطرف الخارجي للحلزون بمؤشر. كما هو موضح في الشكل أدناه، عندما ترتفع أو تنخفض درجة الحرارة، يلتوي الحلزون بشكل أكبر أو أقل، مما يجعل المؤشر يتحرك على طول مقياس دائري.
الشكل: مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي (النوع الحلزوني)
مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي الحلزوني بسيط وغير مكلف في التصنيع والتشغيل. ومع ذلك، فإنه يحتوي على بعض القيود، مثل:
المقابس والمستشعر غير منفصلين عن بعضهما البعض، مما يعني أن الجهاز بأكمله يجب أن يكون معرضًا للوسط الذي سيتم قياس درجة حرارته.
دقة ودقة الجهاز تعتمد على جودة وتجانس الشريط المعدني الثنائي وربطه.
قد يتأثر الجهاز بالصدمات أو الاهتزازات الميكانيكية التي يمكن أن تسبب أخطاء أو تلف.
مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي الحلزوني الملتوي
يستخدم مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي الحلزوني الملتوي شريطًا معدنيًا ثنائيًا ملفوفًا في حلزون مشابه للنابض. يتم تثبيت الطرف السفلي للحلزون على عمود، بينما يكون الطرف العلوي للحلزون حرًا في الحركة. كما هو موضح في الشكل أدناه، عندما ترتفع أو تنخفض درجة الحرارة، يمتد أو ينكمش الحلزون محوريًا، مما يجعل العمود يدور. يمكن نقل دوران العمود إلى مؤشر عبر نظام عجلة-رافعة، والذي يشير إلى درجة الحرارة على مقياس خطي.
الشكل: مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي (النوع الحلزوني الملتوي)
يتمتع مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي الحلزوني الملتوي بمزايا على النوع الحلزوني، مثل:
يمكن فصل المقابس والمستشعر عن بعضهما البعض باستخدام أنبوب كابيلي مرن، مما يسمح للجهاز بقياس درجة الحرارة في مواقع بعيدة أو صعبة الوصول إليها.
دقة ودقة الجهاز أعلى من النوع الحلزوني بسبب النقل الأكبر والرافعة للحلزون الملتوي.
يكون الجهاز أقل عرضة للصدمات أو الاهتزازات الميكانيكية التي يمكن أن تؤثر على النوع الحلزوني.
تطبيقات مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي
لدى مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي نطاق واسع من التطبيقات في مختلف المجالات والصناعات، مثل:
أجهزة التحكم في درجة الحرارة: يمكن استخدام مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي لتنشيط أو إيقاف نظام التبريد أو التدفئة عند وصول درجة الحرارة إلى قيمة محددة. على سبيل المثال، يمكن استخدام الشريط المعدني الثنائي لإطفاء غلاية كهربائية عند غليان الماء أو تشغيل مروحة عند ارتفاع درجة حرارة الغرفة بشكل كبير.
التكييف والتبريد: يمكن استخدام مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي لقياس وتنظيم درجة الحرارة في الأنابيب الهوائية والأفران والمبردات وغيرها من الأجهزة التبريدية أو التدفئة. على سبيل المثال، يمكن استخدام مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي الحلزوني في ثرموستات التكييف لتغيير تدفق الهواء وفقًا للدرجة المرغوبة.
العمليات الصناعية: يمكن استخدام مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي لمراقبة وتحكم درجة الحرارة في مختلف العمليات الصناعية، مثل تكرير النفط وتسخين الإطارات واللحام الساخن وتسخين الأسلاك الساخنة وغيرها. على سبيل المثال، يمكن استخدام مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي الحلزوني الملتوي في موقد النفط لتنظيم تزويد الوقود وفقًا لدرجة حرارة اللهب.
قياس درجة الحرارة وإظهارها: يمكن استخدام مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي لقياس وإظهار درجة حرارة مختلف الوسط، مثل السوائل والغازات والمواد الصلبة والسطح. على سبيل المثال، يمكن استخدام مقياس الحرارة ذو الشريط المعدني الثنائي لقياس درجة حرارة الماء في أنبوب التدفئة أو درجة حرارة سطح المحرك.
تعتبر مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي مناسبة لهذه التطبيقات لأنها:
بسيطة وغير مكلفة: تحتوي مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي على هيكل وبُنية بسيطة سهلة التصنيع والتشغيل. لا تتطلب أي مصدر طاقة أو دارة كهربائية، مما يقلل من تكلفة وصيانة الجهاز.
متينة ودائمة: تصنع مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي من مواد معدنية مقاومة للتآكل والارتداء والصدمات. يمكنها تحمل درجات الحرارة والضغط العالية دون فقدان دقتها أو وظائفها.
ميكانيكية وانalogية: تعتبر مقاييس الحرارة ذات الشريط المعدني الثنائي أجهزة ميكانيكية تنتج إخراجًا analogيًا يتناسب مباشرة مع تغير درجة الحرارة. لا تحتاج إلى أي تعيين أو تعديل، ولا تتأثر بالتشويش الكهرومغناطيسي أو الضوضاء.
