ما هي أنواع أجهزة استشعار درجة الحرارة الشائعة الاستخدام؟

تُعرَّف درجة الحرارة بأنها مستوى طاقة المادة، ويمكن قياسها من خلال تغيرات معينة تطرأ عليها. توجد أنواع عديدة من مجسات قياس درجة الحرارة، وتشترك جميعها في خاصية واحدة: قياس درجة الحرارة عن طريق استشعار تغير في خصائصها الفيزيائية.

الأنواع السبعة الأساسية لـ جهاز إرسال مستشعر درجة الحرارة تتناول هذه الدراسة المزدوجات الحرارية، وأجهزة قياس درجة الحرارة المقاومة (RTDs، الثرمستورات)، وباعثات الأشعة تحت الحمراء، والأجهزة ثنائية المعدن، وأجهزة تمدد السوائل، وتغيرات الحالة الجزيئية، وثنائيات السيليكون.

سواء كان مقياس حرارة أو مزدوج حراري، فإن أنواعًا مختلفة من أجهزة الاستشعار يمكنها قياس درجة الحرارة.

1. المزدوجات الحرارية

المزدوجات الحرارية هي أجهزة قياس الجهد الكهربائي، تُشير إلى قياسات درجة الحرارة بتغير الجهد. مع ارتفاع درجة الحرارة، يرتفع جهد خرج المزدوجة الحرارية، ولكن ليس بالضرورة بشكل خطي. عادةً ما تُوضع المزدوجات الحرارية داخل غلاف معدني أو خزفي لحمايتها من التعرض لمختلف الظروف البيئية. كما تتوفر المزدوجات الحرارية ذات الغلاف المعدني بأنواع عديدة من الطلاءات الخارجية، مثل التفلون، لضمان استخدامها الآمن في الأحماض والمحاليل القلوية القوية.

2. أجهزة قياس درجة الحرارة المقاومة

أجهزة قياس درجة الحرارة المقاومة هي أجهزة كهربائية بطبيعتها. فبدلاً من استخدام الجهد الكهربائي كما في المزدوجات الحرارية، تعتمد هذه الأجهزة على المقاومة، وهي خاصية أخرى للمادة تتغير بتغير درجة الحرارة. ويمكن تصنيف الأجهزة المقاومة المستخدمة إلى نوعين: أجهزة قياس درجة الحرارة المقاومة المعدنية (RTD) والمقاومات الحرارية. وبشكل عام، تتميز أجهزة RTD بخطية أكبر من المزدوجات الحرارية، حيث تزداد مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة. أما المقاومات الحرارية، فلها بنية مختلفة تماماً، فهي أجهزة شبه موصلة غير خطية للغاية، وتقل مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة.

3. أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء

أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء هي أجهزة استشعار لا تلامسية. على سبيل المثال، إذا قمت بتقريب جهاز استشعار بالأشعة تحت الحمراء من مقدمة طاولة دون تلامس، فإن مستشعر مستوى السائل بالأشعة تحت الحمراء سيخبرك الجهاز بدرجة حرارة الطاولة من خلال إشعاعها - حوالي 68 درجة فهرنهايت في درجة حرارة الغرفة العادية. في قياسات الماء المثلج بدون تلامس، وبسبب التبخر، يُقاس الماء المثلج بدرجة حرارة 0 مئوية تقريبًا، مما يقلل قليلاً من قراءة درجة الحرارة المتوقعة.

4. الأجهزة ثنائية المعدن

تستغل الأجهزة ثنائية المعدن تمدد المعادن أثناء التسخين. في هذه الأجهزة، يُدمج معدنان ويُوصلان ميكانيكيًا بمؤشر. عند التسخين، يتمدد أحد جانبي الشريط ثنائي المعدن أكثر من الآخر. وعندما يُحاذى بشكل صحيح مع المؤشر، يُظهر قراءة درجة الحرارة. من مزايا الأجهزة ثنائية المعدن سهولة حملها واستقلالها عن مصدر الطاقة. مع ذلك، فهي عادةً أقل دقة من الأجهزة الكهربائية، ولا يُمكن تسجيل قيم درجات الحرارة بسهولة باستخدام الأجهزة الكهربائية مثل المزدوجات الحرارية أو أجهزة قياس درجة الحرارة المقاومة (RTDs). لكن سهولة الحمل تُعد ميزةً أساسيةً في التطبيقات المناسبة.

5. موازين الحرارة

تُعدّ موازين الحرارة أجهزة شائعة الاستخدام لقياس درجة الحرارة، وتعتمد على تمدد السوائل. وهي تُصنّف عمومًا إلى فئتين رئيسيتين: موازين الزئبق وموازين السوائل العضوية (عادةً ما تكون حمراء). والفرق بينهما واضح، إذ تُفرض قيود على نقل موازين الزئبق وشحنها بأمان. على سبيل المثال، يُعتبر الزئبق ملوثًا بيئيًا، لذا فإنّ انكساره قد يُشكّل خطرًا. لذا، يُرجى التأكد من مراجعة القيود الحالية على النقل الجوي لمنتجات الزئبق قبل شحنها.

6. مستشعرات تغيير الحالة

يقيس مستشعر تغير الحالة تغير حالة المادة الناتج عن تغير درجة الحرارة، مثل تحولها من جليد إلى ماء ثم إلى بخار. وتتوفر هذه الأجهزة تجارياً على شكل ملصقات أو حبيبات أو أقلام تلوين أو طلاء.

على سبيل المثال، يمكن استخدام الملصقات على مصائد البخار. عندما تحتاج المصيدة إلى تعديل، ترتفع درجة حرارتها؛ فتشير النقطة البيضاء على الملصق إلى ارتفاع درجة الحرارة بتحولها إلى اللون الأسود. وتبقى النقطة البيضاء سوداء حتى بعد عودة درجة الحرارة إلى وضعها الطبيعي.

يشير ملصق تغيير الحالة إلى قياس درجة الحرارة بالفهرنهايت والمئوية. في هذا النوع من الأجهزة، تتحول النقطة البيضاء إلى اللون الأسود عند تجاوز درجة الحرارة المعروضة؛ وهو مستشعر غير قابل للعكس، إذ يبقى لونه أسود بمجرد تغيره. تُعد ملصقات درجة الحرارة مفيدة عند الحاجة إلى التأكد من عدم تجاوز درجة الحرارة مستوىً معينًا، ربما أثناء النقل لأسباب هندسية أو قانونية. ونظرًا لأن أجهزة تغيير الحالة غير كهربائية، مثل الشرائط ثنائية المعدن، فإنها تُعدّ مفيدة في بعض التطبيقات. بعض أنواع هذه العائلة من أجهزة استشعار مستوى السائل لا يتغير لون (الورنيش، أقلام التلوين)؛ فالعلامات التي تتركها تختفي ببساطة. أما الأشكال الحبيبية، من ناحية أخرى، فتتشوه بصرياً أو تذوب تماماً.

تشمل عيوبها بطء الاستجابة نسبيًا. لذا، في حال حدوث ارتفاع مفاجئ في درجة الحرارة ثم انخفاض سريع، قد لا يكون هناك استجابة ملحوظة. كما أن دقتها ليست عالية كدقة معظم الأجهزة الأخرى الشائعة الاستخدام في الصناعة. مع ذلك، فهي عملية جدًا في التطبيقات التي تتطلب مؤشرات غير قابلة للعكس ولا تحتاج إلى مصدر طاقة.

تعتمد الملصقات القابلة للعكس الأخرى على مبدأ مختلف تمامًا عن استخدام شاشة LCD. فبحسب درجة الحرارة التي تصل إليها، يتغير لون الشاشة من الأسود إلى البني أو الأزرق أو الأخضر.

على سبيل المثال، يكون الملصق النموذجي أسود بالكامل عند درجات حرارة أقل من الدرجة المقاسة. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يظهر لونٌ ما، مثلاً عند 33 درجة فهرنهايت - أولاً أزرق، ثم أخضر، وأخيراً بني - عند تجاوزها درجة الحرارة المحددة. في أي جهاز LCD، سترى عادةً نقطتين ملونتين متجاورتين - النقطة الزرقاء أسفل مؤشر درجة الحرارة قليلاً، والنقطة البنية أعلاه قليلاً. وهذا يُتيح لك تقدير درجة الحرارة، على سبيل المثال، بين 85 و90 درجة فهرنهايت.

على الرغم من أنها ليست دقيقة تمامًا، إلا أنها تتميز بكونها مؤشرًا صغيرًا ومتينًا وغير إلكتروني يقوم بتحديث قياس درجة الحرارة باستمرار.

7. ثنائي السيليكون

أجهزة استشعار ثنائي السيليكون هي أجهزة مصممة خصيصًا للعمل في نطاق درجات الحرارة المنخفضة. وهي في الأساس أجهزة خطية حيث تزداد موصلية الثنائي بشكل خطي في منطقة درجات الحرارة المنخفضة.

مهما كان نوع المستشعر الذي تختاره، فلن يعمل بمفرده. ولأن معظم أنواع المستشعرات تتشابه في نطاق درجة الحرارة والدقة، فإن اختيار المستشعر سيعتمد على كيفية دمجه في النظام.