مستشعر درجة الحرارة ( المجلس الوطني الانتقالي / الحق في التنمية ) مفهوم, التنمية والتصنيف

أنا. المفاهيم الأساسية لأجهزة استشعار درجة الحرارة
1. درجة حرارة
درجة الحرارة هي كمية فيزيائية تشير إلى درجة سخونة أو برودة الجسم. مجهريا, إنها شدة الحركة الحرارية لجزيئات الجسم. كلما ارتفعت درجة الحرارة, كلما زادت كثافة الحركة الحرارية للجزيئات داخل الجسم.

لا يمكن قياس درجة الحرارة إلا بشكل غير مباشر من خلال خصائص معينة لجسم ما تتغير مع درجة الحرارة, والمقياس المستخدم لقياس قيمة درجة حرارة الجسم يسمى مقياس درجة الحرارة. ويحدد نقطة البداية (نقطة الصفر) قراءة درجة الحرارة والوحدة الأساسية لقياس درجة الحرارة. الوحدة الدولية هي المقياس الديناميكي الحراري (ك). مقاييس درجة الحرارة الأخرى المستخدمة حاليًا على المستوى الدولي هي مقياس فهرنهايت (° f), مقياس مئوية (درجة مئوية) ومقياس درجة الحرارة العملي الدولي.

من منظور نظرية الحركة الجزيئية, درجة الحرارة هي علامة على متوسط ​​الطاقة الحركية للحركة الجزيئية لجسم ما. درجة الحرارة هي التعبير الجماعي للحركة الحرارية لعدد كبير من الجزيئات ولها أهمية إحصائية.

مخطط المحاكاة: في مكان مغلق, تكون سرعة حركة جزيئات الغاز عند درجات الحرارة المرتفعة أسرع منها عند درجات الحرارة المنخفضة!

مستشعر درجة الحرارة NTC مع مجموعة مسبار أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ

مستشعر درجة الحرارة NTC مع سلك مسبار الإسكان ABS 105 درجة

مستشعر درجة الحرارة NTC مع الثرمستور SEMITEC

2. مستشعر درجة الحرارة
يشير مستشعر درجة الحرارة إلى جهاز استشعار يمكنه استشعار درجة الحرارة وتحويلها إلى إشارة خرج قابلة للاستخدام. إنه جهاز مهم لتحقيق الكشف عن درجة الحرارة والتحكم فيها. من بين مجموعة واسعة من أجهزة الاستشعار, تعد أجهزة استشعار درجة الحرارة واحدة من أجهزة الاستشعار الأكثر استخدامًا والأسرع نموًا. في عملية أتمتة الإنتاج الصناعي, تمثل نقاط قياس درجة الحرارة حوالي نصف جميع نقاط القياس.

3. تكوين أجهزة استشعار درجة الحرارة

الثاني. تطوير أجهزة استشعار درجة الحرارة
إن إدراك الحرارة والبرودة هو أساس التجربة الإنسانية, لكن العثور على طريقة لقياس درجة الحرارة قد حيّر العديد من الرجال العظماء. ليس من الواضح ما إذا كان اليونانيون القدماء أو الصينيون قد وجدوا لأول مرة طريقة لقياس درجة الحرارة, ولكن هناك سجلات تشير إلى أن تاريخ أجهزة استشعار درجة الحرارة بدأ في عصر النهضة.

نبدأ بالتحديات التي يواجهها قياس درجة الحرارة, ومن ثم تقديم تاريخ تطور أجهزة استشعار درجة الحرارة من جوانب مختلفة [مصدر: وثيقة بيضاء للقياس الصناعي من أوميغا]:

1. تحديات القياس
تستخدم الحرارة لقياس الطاقة الموجودة في الجسم أو الجسم. كلما زادت الطاقة, كلما ارتفعت درجة الحرارة. لكن, على عكس الخصائص الفيزيائية مثل الكتلة والطول, من الصعب قياس الحرارة بشكل مباشر, لذا فإن معظم طرق القياس غير مباشرة, ويتم الاستدلال على درجة الحرارة من خلال ملاحظة تأثير تسخين الجسم. لذلك, لقد كان معيار قياس الحرارة يمثل دائمًا تحديًا.

في 1664, اقترح روبرت هوك استخدام نقطة تجمد الماء كنقطة مرجعية لدرجة الحرارة. يعتقد أولي رايمر أنه يجب تحديد نقطتين ثابتتين, واختار نقطة تجمد هوك ونقطة غليان الماء. لكن, لقد كانت كيفية قياس درجة حرارة الأجسام الساخنة والباردة مشكلة دائمًا. في القرن التاسع عشر, علماء مثل جاي لوساك, الذي درس قانون الغاز, وجدت أنه عند تسخين الغاز تحت ضغط ثابت, ترتفع درجة الحرارة بنسبة 1 درجة مئوية ويزداد الحجم بمقدار 1/267 (تمت مراجعته لاحقًا إلى 1/273.15), ومفهوم 0 تم اشتقاق الدرجات -273.15 درجة مئوية.

2. مراقبة التوسع: السوائل وثنائية المعدن
وفقا للتقارير, ويُعتقد أن جاليليو قد صنع جهازًا يُظهر التغيرات في درجات الحرارة حوله 1592. يؤثر هذا الجهاز على عمود الماء عن طريق التحكم في تقلص الهواء الموجود في الحاوية, وارتفاع عمود الماء يدل على درجة التبريد. ولكن لأن هذا الجهاز يتأثر بسهولة بضغط الهواء, لا يمكن اعتبارها إلا لعبة جديدة.

مقياس الحرارة كما نعرفه اخترعه سانتوريو سانتوري في إيطاليا عام 1612. قام بختم السائل في أنبوب زجاجي ولاحظ حركته عندما تمدد.

إن وضع بعض المقاييس على الأنبوب جعل من السهل رؤية التغييرات, لكن النظام لا يزال يفتقر إلى الوحدات الدقيقة. العمل مع رايمر كان غابرييل فهرنهايت. بدأ في إنتاج موازين الحرارة باستخدام الكحول والزئبق كسوائل. كان عطارد مثاليًا لأنه كان لديه استجابة خطية للتغيرات في درجات الحرارة على نطاق واسع, لكنها كانت شديدة السمية, لذلك يتم استخدامه الآن بشكل أقل فأقل. وتجري الآن دراسة سوائل بديلة أخرى, لكنه لا يزال يستخدم على نطاق واسع.

تم اختراع مستشعر درجة الحرارة ثنائي المعدن في أواخر القرن التاسع عشر. إنه يستفيد من التمدد غير المتساوي للصفائح المعدنية عند ضمهما. يؤدي تغير درجة الحرارة إلى انحناء الصفائح المعدنية, والتي يمكن استخدامها لتنشيط منظم الحرارة أو العداد المماثل لتلك المستخدمة في شبكات الغاز. دقة هذا المستشعر ليست عالية, maybe plus or minus two degrees, but it is also widely used because of its low price.

3. Thermoelectric effect
In the early 1800s, electricity was an exciting field. Scientists discovered that different metals have different resistance and conductivity. في 1821, Thomas Johann Seebeck discovered the thermoelectric effect, which is that different metals can be connected together and placed at different temperatures to generate voltage. Davy demonstrated the correlation between metal resistivity and temperature. Becquerel proposed the use of platinum-platinum thermocouples for temperature measurement, and the actual device was created by Leopold in 1829. Platinum can also be used in resistance temperature detectors, invented by Myers in 1932. It is one of the most accurate sensors for measuring temperature.

إن RTDs السلكية هشة وبالتالي فهي غير مناسبة للتطبيقات الصناعية. شهدت السنوات الأخيرة تطور الأغشية الرقيقة RTDs, والتي ليست دقيقة مثل RTDs السلكية, ولكنها أكثر قوة. شهد القرن العشرين أيضًا اختراع أجهزة قياس درجة حرارة أشباه الموصلات. تستجيب أجهزة قياس درجة حرارة أشباه الموصلات للتغيرات في درجات الحرارة وتتمتع بدقة عالية, ولكن حتى وقت قريب, أنها تفتقر إلى الخطية.

4. الإشعاع الحراري
المعادن الساخنة جداً والمعادن المنصهرة تولد الحرارة, انبعاث الحرارة والضوء المرئي. في درجات حرارة أقل, كما أنها تشع الطاقة الحرارية, ولكن بأطوال موجية أطول. اكتشف عالم الفلك البريطاني ويليام هيرشل في 1800 أن هذا “غامض” الضوء أو ضوء الأشعة تحت الحمراء يولد الحرارة.

العمل مع مواطنه ميلوني, اكتشف روبيلي طريقة للكشف عن هذه الطاقة المشعة عن طريق توصيل المزدوجات الحرارية في سلسلة لإنشاء عمود حراري. وقد تبع ذلك في 1878 بواسطة البولومتر. اخترعها الأمريكي صامويل لانجلي, استخدم هذا شريحتين من البلاتين, واحد أسود في ترتيب جسر ذو ذراع واحدة. أدى التسخين بالأشعة تحت الحمراء إلى حدوث تغير ملموس في المقاومة. تعتبر أجهزة قياس البولومترات حساسة لمجموعة واسعة من الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء.

في المقابل, أجهزة من نوع كاشف الكم الإشعاعي, والتي تم تطويرها منذ الأربعينيات, يستجيب فقط للأشعة تحت الحمراء في نطاق محدود. اليوم, وتستخدم البيرومترات الرخيصة على نطاق واسع, وسيزداد الأمر سوءًا مع انخفاض أسعار كاميرات التصوير الحراري.

5. مقياس درجة الحرارة
عندما صنع فهرنهايت مقياس الحرارة, أدرك أنه بحاجة إلى مقياس درجة الحرارة. لقد وضع 30 درجات المياه المالحة كنقطة التجمد وأكثر 180 درجة الماء المالح كنقطة الغليان. 25 بعد سنوات, اقترح أندرس سيلسيوس استخدام مقياس 0-100, واليوم “مئوية” يدعى أيضا من بعده.

لاحقاً, اكتشف ويليام طومسون فوائد تحديد نقطة ثابتة عند أحد طرفي المقياس, ثم اقترح كلفن لتعيين 0 درجة كنقطة انطلاق لنظام مئوية. وشكل هذا مقياس درجة حرارة كلفن المستخدم في العلوم اليوم.

ثالثا. تصنيف أجهزة استشعار درجة الحرارة
هناك العديد من أنواع أجهزة استشعار درجة الحرارة, ولها أسماء مختلفة وفقا لمعايير التصنيف المختلفة.

1. التصنيف حسب طريقة القياس
وفقا لطريقة القياس, يمكن تقسيمها إلى فئتين: الاتصال وعدم الاتصال.

(1) الاتصال بجهاز استشعار درجة الحرارة:

يتصل المستشعر مباشرة بالجسم المراد قياسه لقياس درجة الحرارة. حيث يتم نقل حرارة الجسم المراد قياسه إلى المستشعر, تنخفض درجة حرارة الجسم المراد قياسه. بخاصة, عندما تكون السعة الحرارية للجسم المراد قياسه صغيرة, دقة القياس منخفضة. لذلك, الشرط الأساسي لقياس درجة الحرارة الحقيقية لجسم ما بهذه الطريقة هو أن تكون السعة الحرارية للجسم الذي يتم قياسه كبيرة بما فيه الكفاية.

(2) مستشعر درجة الحرارة غير المتصل:
يستخدم بشكل أساسي الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الإشعاع الحراري للجسم الذي يتم قياسه لقياس درجة حرارة الجسم, ويمكن قياسها عن بعد. تكلفة تصنيعها مرتفعة, لكن دقة القياس منخفضة. المزايا هي أنها لا تمتص الحرارة من الجسم الذي يتم قياسه; لا يتداخل مع مجال درجة حرارة الجسم الذي يتم قياسه; القياس المستمر لا يولد الاستهلاك; لديها استجابة سريعة, إلخ.

2. التصنيف حسب الظواهر الفيزيائية المختلفة
فضلاً عن ذلك, هناك أجهزة استشعار لدرجة حرارة الميكروويف, أجهزة استشعار درجة حرارة الضوضاء, خريطة درجة الحرارة مجسات درجة الحرارة, أجهزة قياس التدفق الحراري, موازين الحرارة النفاثة, موازين الحرارة بالرنين المغناطيسي النووي, موازين الحرارة تأثير موسباور, موازين الحرارة بتأثير جوزيفسون, موازين الحرارة التحويلية فائقة التوصيل لدرجة الحرارة المنخفضة, أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية, إلخ. تم تطبيق بعض أجهزة استشعار درجة الحرارة هذه, وبعضها لا يزال قيد التطوير.

ضد للماء, مستشعر درجة الحرارة RTD PT100 المضاد للتآكل

جهاز استشعار درجة الحرارة RTD PT100 مع 1-2 NPT اتصال الخيوط الخارجية

مستشعر درجة الحرارة PT100 مسبار RTD مع 6 طول المسبار بوصة

100 أوم فئة أ عنصر البلاتين (PT100)
معامل درجة الحرارة, أ = 0.00385.
304 غمد الفولاذ المقاوم للصدأ
تقاطع انتقالي قوي مع تخفيف الضغط
طول المسبار – 6 بوصة (152 مم) أو 12 بوصة (305مم)
قطر المسبار 1/8 بوصة (3 مم)
ثلاثة أسلاك 72 بوصة (1.8م) إنهاء سلك الرصاص في العروات بأسمائها الحقيقية
تصنيف درجة الحرارة : 660° f (350درجة مئوية)

سلسلة PT100 عبارة عن مجسات RTD ذات غلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ و 100 أوم عنصر البلاتين RTD. PT100-11 متوفرة مع 6 أو 12 طول المسبار بوصة. تتميز هذه المجسات بغمد قطره 3 مم مصنوع من 304 الفولاذ المقاوم للصدأ, وصلة انتقالية للخدمة الشاقة تربط المسبار بأسلاك الرصاص و 72 بوصة من سلك الرصاص تنتهي بعروات الأشياء بأسمائها الحقيقية المرمزة بالألوان. يتم استخدام عنصر استشعار من الفئة "أ" لتوفير قياسات عالية الدقة.

يعتبر المسبار PT100 مناسبًا تمامًا للبيئات الصناعية. أجهزة RTDs عبارة عن مستشعرات تعتمد على المقاومة، لذا فإن الضوضاء الكهربائية لها تأثير ضئيل على جودة الإشارة. يعوض تصميم سلك الرصاص الثلاثة مقاومة سلك الرصاص مما يسمح بتشغيل سلك أطول دون تأثير كبير على الدقة. إن المفصل الانتقالي القوي مع تخفيف إجهاد السلك الزنبركي يجعل الاتصال سليمًا ميكانيكيًا للغاية بين السلك والمسبار.