محول الحرارة

التعريف: هو جهاز كهربائي يقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى كميات فيزيائية مثل الإزاحة أو الضغط أو إشارة كهربائية. وظيفته الرئيسية هي تمكين قياس درجة الحرارة تلقائيًا. المبدأ الأساسي لجهاز تحويل درجة الحرارة هو اكتشاف الحرارة ثم تحويل هذه المعلومات إلى تنسيق قابل للقراءة للنقل.

خصائص جهاز تحويل درجة الحرارة

• الإدخال دائمًا كمية حرارية.

• عادة ما تقوم الأجهزة المحولة بتحويل الكمية الحرارية إلى كمية متناوبة.

• تستخدم لقياس درجة الحرارة وتدفق الحرارة داخل الأجهزة.

عنصر الاستشعار

يجب أن يتمتع عنصر الاستشعار المستخدم في جهاز تحويل درجة الحرارة بخاصية تغيير خصائصه استجابة للتغيرات في درجة الحرارة. على سبيل المثال، في مقاومة الترمومتر، يتم استخدام البلاديوم كعنصر استشعار. المتطلبات الأساسية لعنصر الاستشعار كالتالي:

• يقوم عنصر الاستشعار بتحويل درجة الحرارة إلى حرارة.

• يجب أن يكون هناك تغيير كبير في المقاومة بالنسبة لدرجة الحرارة.

• يجب أن يمتلك عنصر الاستشعار مقاومة عالية.

أنواع أجهزة تحويل درجة الحرارة

تُصنف أجهزة تحويل درجة الحرارة بشكل أساسي إلى نوعين رئيسيين:

أجهزة استشعار درجة الحرارة بالاتصال

في هذا النوع من الأجهزة المحولة، يتم توصيل عنصر الاستشعار مباشرة بمصدر الحرارة. يحدث نقل الحرارة عبر ظاهرة التوصيل، وهي العملية التي يتم فيها نقل الحرارة من مادة إلى أخرى دون حركة المواد نفسها.

أجهزة استشعار درجة الحرارة غير الاتصال

هنا، لا يأتي عنصر الاستشعار في اتصال مباشر مع مصدر الحرارة. بدلاً من ذلك، تعتمد على ظاهرة الحمل الحراري لنقل الحرارة. الحمل الحراري هو العملية التي يتم فيها نقل الحرارة بواسطة حركة المادة.

تُصنف مقاومات الترمومتر إلى نوعين رئيسيين:

• مقاومات الترمومتر ذات المعامل السالب لتغير درجة الحرارة (NTC): تُستخدم هذه بشكل أساسي لاستشعار درجة الحرارة. كما يوحي الاسم، فإن مقاومة الثرمستور NTC تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة. هذه الخاصية تجعلها فعالة للغاية في اكتشاف التغيرات في درجة الحرارة بدقة.

• مقاومات الترمومتر ذات المعامل الموجب لتغير درجة الحرارة (PTC): تُستخدم مقاومات PTC بشكل أساسي للتحكم في التيار. عندما ترتفع درجة الحرارة، تزيد مقاومة الثرمستور PTC أيضًا. تسمح هذه الخاصية بتنظيم تدفق التيار الكهربائي في العديد من التطبيقات.

• مبدأ عمل مقاومات الترمومتر: تظهر المعادن خاصية تغير مقاومتها مع درجة الحرارة. تستفيد مقاومات الترمومتر من هذا المبدأ لقياس درجة الحرارة. غالبًا ما يتم استخدام البلاديوم كعنصر استشعار في مقاومات الترمومتر عالية الدقة. بسبب علاقة مقاومة - درجة الحرارة المستقرة والقابلة للتنبؤ للبلاديوم، يمكن لهذه المقاييس قياس درجة الحرارة المحيطة بدقة. من خلال قياس مقاومة العنصر البلاديومي، يمكن تحديد درجة الحرارة المقابلة بدقة، مما يجعل مقاومات الترمومتر خيارًا موثوقًا به لمجموعة واسعة من تطبيقات مراقبة درجة الحرارة.

أزواج الحرارة: الزوج الحراري هو جهاز يقوم بتحويل درجة الحرارة إلى طاقة كهربائية عند نقطة الاتصال. يعمل على أساس مبدأ أن المعادن المختلفة تمتلك معاملات حرارية مختلفة. عندما يتم ربط معدنين مختلفين معًا لتشكيل نقطة تلامس، يحدث ظاهرة تعرف باسم تأثير سيبيك. مع تغير درجة الحرارة في نقطة التلامس، يتم إثارة فرق جهد عبر النقطة. بشكل مهم، فإن هذا الفرق الجهد المولد يتناسب طرديًا مع فرق درجة الحرارة بين نقطة التلامس ونقطة مرجعية. يتيح هذا العلاقة الخطية بين الفرق الجهد المولد ودرجة الحرارة للأزواج الحرارية أن تكون فعالة للغاية في قياس درجة الحرارة بدقة. تُستخدم بشكل واسع في العديد من التطبيقات الصناعية والعلمية والمنزلية حيث يكون مراقبة وتحكم درجة الحرارة بدقة أمرًا ضروريًا، مثل الأفران والأفران وأنظمة السيطرة على العمليات الصناعية.

جهاز تحويل درجة الحرارة المتكامل: يستخدم جهاز تحويل درجة الحرارة المتكامل دمجًا بين عنصر استشعار درجة الحرارة ودارة إلكترونية لقياس درجة الحرارة. يتميز هذا النوع من الأجهزة المحولة برد فعله الخطي، مما يسهل عملية تحويل درجة الحرارة المحسوسة إلى إخراج كهربائي يمكن فهمه بسهولة. ومع ذلك، واحدة من العيوب البارزة لجهاز تحويل درجة الحرارة المتكامل هو نطاق التشغيل الضيق نسبيًا. يعمل عادة ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح بين 0°C إلى 200°C. يحد هذا النطاق الضيق من قابليته للتطبيق في بعض البيئات ذات درجات الحرارة العالية أو المنخفضة حيث يتطلب تغطية درجة حرارة أوسع.

رغم هذا القصور، تُستخدم أجهزة تحويل درجة الحرارة المتكاملة بشكل واسع في العديد من التطبيقات مثل الإلكترونيات الاستهلاكية، حيث يفضل حجمها الصغير وخطييتها وواجهتها البسيطة لرصد درجة الحرارة ضمن النطاق المحدد. الأجهزة المحولة غير الاتصال يمكن تصنيفها بشكل أعمق، مع مثال واحد وهو الثرمستور. الثرمستور هو نوع من المقاومات التي تتغير مقاومتها مع درجة الحرارة. يتم قياس مقاومته عن طريق مرور تيار كهربائي مباشر صغير ومقيس، مما يؤدي إلى فرق جهد عبر المقاومة.