جهاز زوج الحرارة
التعريف
يُعرف جهاز الاستشعار الحراري بأنه جهاز قياس يستخدم استشعارًا حراريًا لتحديد درجة الحرارة والتيار والجهد. هذا الجهاز المتنوع قادر على إجراء القياسات في الدوائر الكهربائية ذات التيار المستمر (DC) والتيار المتردد (AC)، مما يجعله أداة قيمة عبر مجموعة واسعة من التطبيقات.
أساسيات الاستشعار الحراري
الاستشعار الحراري هو جهاز كهربائي يتكون من سلكين مصنوعين من معادن مختلفة. يعتمد أداؤه على مبدأ أساسي: عند نقطة التقاء هذين المعادنين المختلفين، يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. هذا الظاهرة، المعروفة باسم تأثير سيبيك، تشكل أساس عمل أجهزة الاستشعار الحراري، مما يمكّنها من قياس درجة الحرارة والمعلمات الكهربائية الأخرى عن طريق الاستفادة من الجهد الكهربائي الذي ينشأ عند نقاط التقاء المعادن.
آلية العمل
لقياس حجم التيار الكهربائي، يتم تمرير التيار المراد قياسه عبر نقطة التقاء الاستشعار الحراري. أثناء مرور التيار، ينتج حرارة داخل العنصر الحراري. ردًا على ذلك، يولد الاستشعار الحراري قوة دافعة كهربائية (emf) عند طرفيه الخارجيين. ثم يتم قياس هذه القوة الدافعة الكهربائية باستخدام جهاز مغناطيسي ثابت بمحرك ملف دائري (PMMC). حجم هذه القوة الدافعة الكهربائية يتناسب بشكل مباشر مع كل من درجة الحرارة عند نقطة التقاء الاستشعار الحراري والقيمة الجذرية المتوسطة (RMS) للتيار المقاس.
المزايا الرئيسية
من بين أهم مزايا أجهزة الاستشعار الحراري هي ملاءمتها لقياس التيار والجهد ذو التردد العالي. تظهر هذه الأجهزة دقة محسنة عند التعامل مع الترددات أعلى من 50 هرتز، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تحتاج إلى تحديد المعلمات الكهربائية ذات التردد العالي بدقة.
مبدأ عمل الأجهزة الحرارية الكهربائية
يحدث توليد الجهد الحراري الكهربائي داخل دائرة تتكون من معادنين مختلفين. تلعب درجة الحرارة عند نقطة التقاء هذين المعادنين دورًا حاسمًا في العملية العامة وهي معلمة رئيسية لفهم كيفية عمل الجهاز.
لنفترض أن a و b هما ثوابت قيمتها تحدد بواسطة خصائص المعادن المستخدمة في الاستشعار الحراري. عادةً ما تكون قيمة a تتراوح بين 40 و 50 ميكرو فولت بينما تكون قيمة b في نطاق بضع عشرات إلى مئات الميكرو فولت لكل درجة مئوية مربعة μV/C°2.
نرمز لـ Δθ كفرق درجة الحرارة بين نقطتي التقاء الاستشعار الحراري الساخنة والباردة. بناءً على ذلك، يمكن اشتقاق المعادلات المتعلقة بالدرجة الحرارية كما يلي.
يقوم العنصر الحراري بإنتاج حرارة، وكمية الحرارة المنتجة تناسب مباشرة مع ناتج رفع قيمة الجذر المتوسطة (RMS) للتيار (I) ومقاومة (R) العنصر الحراري، ويتم التعبير عنها بالصيغة I2R. نتيجة لذلك، فإن الزيادة في درجة الحرارة تناسب أيضًا الحرارة المنتجة بواسطة العنصر الحراري. تعتبر هذه العلاقة أساسية لفهم كيفية عمل العنصر الحراري وتؤثر على درجة الحرارة داخل النظام، مما يربط بشكل واضح بين الإدخال الكهربائي والإخراج الحراري.
يحتوي جهاز الاستشعار الحراري على نقطتين للقاء الباردة والساخنة. الفرق بين هاتين النقطتين يعبر عنه كالتالي
قيمة b صغيرة جدًا مقارنة بـ a وبالتالي يتم تجاهلها. درجة الحرارة عند نقطة التقاء تُعبر عنها كالتالي
انحراف جهاز المغناطيس الثابت بمحرك ملف دائري (PMMC) يتناسب بشكل مباشر مع القوة الدافعة الكهربائية (emf) المتولدة عند طرفيه. تعني هذه العلاقة أن مع زيادة أو انخفاض القوة الدافعة الكهربائية، يتأثر انحراف ملف الجهاز المتحرك بشكل متناسب. رياضيًا، يمكن التعبير عن انحراف ملف الجهاز المتحرك في مثل هذه الأجهزة بالمعادلة التالية، والتي تلخص المبادئ الفيزيائية الحاكمة لرد فعل الجهاز على الإدخال الكهربائي.
هنا، تنتج العبارة K3 - aK1K2R قيمة ثابتة. هذه الصفة تجعل الجهاز يظهر استجابة تربيعية، مما يعني أن الإخراج للجهاز يختلف كمربع الكمية الداخلة (مثل التيار أو الجهد).
بناء الجهاز الحراري الكهربائي
يتكون الجهاز الحراري الكهربائي بشكل أساسي من مكونين رئيسيين: العنصر الحراري الكهربائي وجهاز العرض. تعمل هذان الجزآن معًا لتمكين القياس الدقيق للمقاييس الكهربائية والحرارية.
عناصر حرارية كهربائية
تستخدم أجهزة الاستشعار الحراري أربعة أنواع مختلفة من العناصر الحرارية الكهربائية. لكل نوع خصائصه ومبادئه التشغيلية الخاصة، والتي تفصل أدناه.
نوع الاتصال
يستخدم العنصر الحراري الكهربائي من نوع الاتصال مسخنًا منفصلًا. كما هو موضح في الشكل أدناه، يتم إحضار نقطة التقاء الاستشعار الحراري إلى الاتصال المباشر بالمسخن. يسهل هذا الاتصال المباشر نقل الحرارة بكفاءة من المسخن إلى نقطة التقاء الاستشعار الحراري، وهو أمر حاسم لتحويل الطاقة الحرارية المولدة بواسطة المسخن إلى إشارة كهربائية (قوة دافعة كهربائية أو emf) يمكن قياسها بواسطة جهاز العرض.
وظائف العنصر الحراري الكهربائي
يقوم العنصر الحراري الكهربائي بالوظائف الأساسية التالية داخل الجهاز الحراري الكهربائي:
تحويل الطاقة: يعمل كمكون رئيسي في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. يعتبر هذا التحويل الخطوة الأولى في العملية التي تمكن من قياس الكميات الكهربائية باستخدام الآثار الحرارية.
التحويل الحراري الكهربائي: يستفيد من تأثير سيبيك، يتم تحويل الطاقة الحرارية المولدة بواسطة العنصر الحراري إلى طاقة كهربائية. يحدث هذا التحويل عند نقطة التقاء الاستشعار الحراري، حيث يخلق فرق درجة الحرارة بين نقطتي التقاء الساخنة والباردة قوة دافعة كهربائية (emf).
عمل الجهاز: يتم توصيل طرفي الاستشعار الحراري بموجه مغناطيسي ثابت بمحرك ملف دائري (PMMC). يتم استخدام كمية صغيرة من الطاقة الكهربائية المنتجة لتحريك مؤشر جهاز PMMC. يتم تخزين هذه الطاقة في ربيع الجهاز، مما يساعد في الحفاظ على وضع المؤشر وإظهار القيمة المقاسة.
أنواع العناصر الحرارية الكهربائية
جهاز غير متصلا
في الأجهزة الحرارية الكهربائية غير المتصلة، لا يوجد اتصال كهربائي مباشر بين العنصر الحراري والاستشعار الحراري. بدلاً من ذلك، يتم فصل المكونين بطبقة عازلة كهربائيًا. بينما توفر هذه العازلة العزل الكهربائي، فإن لها أيضًا تأثيرًا ملحوظًا على أداء الجهاز. مقارنة بالأجهزة المتصلة، يجعل التصميم غير المتصلا النظام أقل حساسية للتغيرات في الكمية المقاسة ويؤدي إلى أوقات استجابة أبطأ. هذا لأن نقل الحرارة من العنصر الحراري إلى الاستشعار الحراري أقل كفاءة بسبب وجود الحاجز العازل.
عنصر حراري كهربائي في فراغ
في الأجهزة الحرارية الكهربائية القائمة على أنابيب الفراغ، يتم إغلاق كل من العنصر الحراري والاستشعار الحراري داخل أنبوب زجاجي مفرغ. يعزز هذا البيئة الفراغية كفاءة الجهاز بشكل كبير. من خلال إزالة وجود الهواء، يتم تقليل فقدان الحرارة عن طريق الحمل الحراري والتوصيل. نتيجة لذلك، يمكن للعنصر الحراري الاحتفاظ بحرارته لفترة طويلة، مما يضمن مصدر حرارة مستقر ومتسق للاستشعار الحراري. يؤدي هذا الاستقرار في إنتاج الحرارة إلى قياسات أكثر دقة وموثوقية مع مرور الوقت.
نوع الجسر
في الأجهزة الحرارية الكهربائية من نوع الجسر، يتدفق التيار الكهربائي مباشرة عبر الاستشعار الحراري. أثناء مرور التيار، يسبب ارتفاع درجة حرارة الاستشعار الحراري. يتناسب حجم هذا الارتفاع في درجة الحرارة بشكل مباشر مع قيمة الجذر المتوسطة (RMS) للتيار. هذه العلاقة المباشرة بين التيار والتغير في درجة الحرارة والإخراج الكهربائي الناتج من الاستشعار الحراري تشكل أساس كيفية قياس هذه الأجهزة للمقاييس الكهربائية بدقة، مما يوفر طريقة موثوقة وفعالة لتطبيقات القياس المختلفة.
مزايا الأجهزة الحرارية الكهربائية
تقدم الأجهزة الحرارية الكهربائية العديد من المزايا البارزة، مما يجعلها أدوات قيمة في القياس والتحليل الكهربائي:
إشارة RMS مباشرة: واحدة من المزايا الرئيسية هي القدرة على عرض قيم الجذر المتوسطة (RMS) للجهد والتيار على الموجة مباشرة. تسهل هذه الميزة عملية القياس، مما يسمح للمستخدمين بتحديد هذه المعلمات الكهربائية الهامة بسرعة ودقة دون الحاجة إلى حسابات إضافية أو طرق تحويل معقدة.
المناعة ضد المجالات المغناطيسية الضالة: هذه الأجهزة مقاومة بطبيعتها لتداخل المجالات المغناطيسية الضالة. تضمن هذه المناعة قياسات أكثر دقة وموثوقية، حيث لا تؤثر الاضطرابات المغناطيسية الخارجية على تشغيل الجهاز أو تشوه النتائج. وفي البيئات التي يكون فيها التداخل المغناطيسي شائعًا، مثل بالقرب من الآلات الكهربائية أو خطوط النقل الكهربائي، تصبح هذه الميزة خاصة مهمة.
نطاق قياس التيار الواسع: تمكن العناصر الحرارية الكهربائية المستخدمة في هذه الأجهزة من قياس نطاق واسع من التيار. سواء كان الأمر يتعلق بتطبيقات التيار المنخفض أو العالي، يمكن للأجهزة الحرارية الكهربائية قياس وعرض القيم ذات الصلة بدقة، مما يجعلها متنوعة لعدد من الأنظمة الكهربائية والتركيبات التجريبية.
الحساسية العالية: تتميز الأجهزة الحرارية الكهربائية بدرجة عالية من الحساسية، مما يسمح لها باكتشاف حتى التغيرات الصغيرة في الكميات الكهربائية. تعتبر هذه الحساسية ضرورية للقياسات الدقيقة في التطبيقات حيث يمكن أن يكون له تغيرات دقيقة في الجهد أو التيار آثار كبيرة، مثل في مختبرات البحث أو في معايرة الأجهزة الكهربائية الأخرى.
فائدة معايرة المقاومات: هي مفيدة للغاية لمعايرة المقاومات. من خلال الاستفادة من دقة الخلية القياسية، يمكن للأجهزة الحرارية الكهربائية المساعدة في التأكد من عمل ودقة المقاومات، وهي مكونات أساسية في العديد من الدوائر الكهربائية لتنظيم وقياس الجهد.
عمل مستقل عن التردد: تتميز العناصر الحرارية الكهربائية بأنها خالية من أخطاء التردد، مما يجعل هذه الأجهزة قابلة للاستخدام عبر نطاق واسع من الترددات. هذه الخاصية تجعلها مناسبة لتطبيقات تتضمن إشارات التيار المتردد (AC) ذات الترددات المختلفة، من أنظمة الطاقة ذات التردد المنخفض إلى الدوائر الإلكترونية ذات التردد العالي.
عيوب الأجهزة الحرارية الكهربائية
على الرغم من مزاياها الكثيرة، إلا أن للأجهزة الحرارية الكهربائية قيدًا ملحوظًا واحدًا:
القدرة على التحميل الزائد المحدودة: مقارنة بأنواع أخرى من عناصر القياس الكهربائي، تتمتع الأجهزة الحرارية الكهربائية بقدرة على التحميل الزائد محدودة نسبيًا. هذا يعني أنها أكثر عرضة للتلف أو القراءات غير الدقيقة عند تعرضها لتيارات أو جهود كهربائية تتجاوز حدودها المحددة. وبالتالي، يجب الأخذ في الاعتبار واتخاذ تدابير حماية مناسبة عند استخدام هذه الأجهزة في التطبيقات التي قد تحدث فيها ظروف التحميل الزائد لتجنب فشل الجهاز المحتمل أو المساس بدقة القياس.
