|
| ما هو الثرموكابل الازدواج الحراري Thermocouple |
ما هو الثرموكابل الازدواج الحراري
الثرموكابل الازدواج الحراري او المزدوجة الحرارية وبالإنجليزية (Thermocouple) وهو من أبسط أنواع المجسات المستخدمة في قياس درجات الحرارة وأكثرها انتشارا وخاصة في درجات الحرارة المرتفعة فالمزدوجة الحرارية هي جهاز لقياس درجة الحرارة.والثرموكابل يتكون من سلكين من نوعين مختلفين من السبائك ( المعادن ) موصولين في نهاية واحدة. وعند ارتفاع درجة الحرارة يتولد فرق جهد قليل بين طرفي الأسلاك. ويتناسب فرق الجهد مع فرق درجات الحرارة ويعتمد أيضا على المادة المصنوع منها .
من الناحية النظرية ، يمكن استخدام أي معدنين لعمل مزدوج حراري ولكن في الممارسة العملية ، هناك عدد ثابت من الأنواع التي يتم استخدامها بشكل شائع.
يمكن تصنيع المزدوجات الحرارية لتناسب أي تطبيق تقريبًا. يمكن صنعها لتكون قوية وسريعة الاستجابة ولقياس نطاق درجة حرارة واسع جدًا.
فائدة
تم تطوير المزدوجات الحرارية نتيجة لاكتشاف تأثير سيبيك(Seebeck effect) بواسطة الفيزيائي الألماني توماس يوهان سيبيكThomas Johann Seebeckفي عام 1821.
تركيب الازدواج الحراري
تتكون المزدوجات الحرارية من ساقين سلكيين مصنوعين من معادن مختلفة. يتم لحام أرجل السلك معًا في أحد طرفيه ، مما يؤدي إلى إنشاء تقاطع. هذا المفترق هو المكان الذي يتم فيه قياس درجة الحرارة. عندما يواجه التقاطع تغيرًا في درجة الحرارة ، يتم إنشاء جهد. يمكن بعد ذلك تفسير الجهد عن طريق حساب درجة الحرارة.ويتكون الثرموكابل من وصلتين وصلة القياس (الجس ،الحارة ، الساخن+ ) Hot Junction أو Junction، والوصلة المرجعية Reference Junction أو (الباردة، السالبة Cold Junction) لاحظ الشكل التالي:
|
| ما هو الثرموكابل الازدواج الحراري Thermocouple |
ما هو مبدأ عمل المزدوج الحراري؟
|
| ما هو مبدأ عمل المزدوج الحراري؟ |
يعتمد مبدأ عمل المجس على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية؛ فإذا سخنت نقطة اتصال المعدنين (النقطة الساخنة) في درجة حرارة مقدارها ( T1)، فإن درجة حرارة نهاية الطرفين الآخرين للسلكين تكون (T2) ولهذا فإن مقدار الفرق بين (T1) و(T2) يتناسب مع مقدار القوة الدافعة الكهربائية التي ستتولد من هذا المجس.
ولقياس القوة الدافعة الكهربائية يوصل جهاز قياس أو جهاز تسجيل بهذا المجس باستعمال سلكين معدنين، وعندما تكون النقطة الساخنة ملامسة لجسم ساخن تتو لد قوة دافعة كهربائية في الدارة، وينحرف مؤشر جهاز القياس أو التسجيل بمقدار يتناسب مع حرارة الوسط الذي وضع فيه الطرف الساخن.
هل هناك أنواع مختلفة من المزدوجات الحرارية ؟
هناك العديد من أنواع المزدوجات الحرارية ، ولكل منها خصائص مختلفة بناء على مادة السبائك المصنوع منها من حيث نطاق درجة الحرارة ، والمتانة ، ومقاومة الاهتزاز ، والمقاومة الكيميائية ، وتوافق التطبيقات.نوع J K ، T مزدوجات حرارية من النوع "Base Metal" ، وهي أكثر أنواع المزدوجات الحرارية شيوعًا.
المزدوجات الحرارية من النوع R و S عبارة عن مزدوجات حرارية من نوع "Rare Metal" ، والتي تستخدم في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
أنواع المزدوجات الحرارية (Types Of Thermocouples)
يتم تصنيع المزدوجات الحرارية المختلفة لأغراض مختلفة ، باستخدام مجموعة متنوعة من المعادن. تشمل الأنواع المختلفة من المزدوجات الحرارية الشائعة ما يلي:ثرموكابل K
هو النوع الأكثر شيوعًا من المزدوجات الحرارية ، فهو غير مكلف وموثوق ودقيق.يتركب من طرفين الطرف الموجب سبيكة الكروميل (Chromel) التي تتكون من نيكل 90% وكروم 10%، أما الطرف السالب يتكون من سبيكة الألوميل (Alumel) التي تتكون من نيكل 95% ومنغنيز2.5% وألمنيوم 2% وحديد0.5%،
مجال القياس من 200- ℃ إلى 1250 ℃، الفولتية المتولدة من 5.9 -mV إلى 50.6 mV ، الحساسية 38.8 ℃/μV.
الأوساط المناسبة للاستخدام هي الأوساط النظيفة المؤكسدة والخاملة، والاستخدام المحدود في الوسط الفراغي والوسط الاختزالي.
ثرموكابل J
الثرموكابل J شائع جدًا أيضًا ، لكن نطاق درجات الحرارة أصغر ولديه أيضًا عمر أقصر عند درجات حرارة أعلى من النوع K.يتركب من طرفين الطرف الموجب الحديد ، أما الطرف السالب يتكون من سبيكة الكونستاتنان (Constantan)التي تتكون من نحاس55% ونيكل 45%.
مجال القياس من 0 ℃ إلى 750 ℃ ، الفولتية المتولدة من 0 mV إلى 24.3 mV ، الحساسية 25.6 ℃/μV.
الأوساط المناسبة للاستخدام هي الأوساط الخاملة والاختزالية والفراغية، وعدم الاستخدام في الأوساط المرتفعة الحرارة والمنخفضة الحرارة وعدم الاستخدام في الوسط المؤكسد.
ثرموكابل T
هو مزدوج حراري ثابت ويستخدم لدرجات حرارة منخفضة.الطرف الموجب له يتكون من النحاس الروديوم والبلاتين، أما الطرف السالب يتكون من سبيكة الكونستاتنان (Constantan)التي تتكون من نحاس55% ونيكل 45%.
مجال القياس من 200- ℃ إلى 350 ℃ ، الفولتية المتولدة من 5.9- mV إلى 17.8 mV ، الحساسية 40.5 ℃/μV
الأوساط المناسبة للاستخدام هي الأوساط المعتدلة المؤكسدة والاختزالية والفراغية، مع إمكانية الاستخدام في الاوساط الرطبة.
ثرموكابل E
يتميز ثرموكابل E بأنه يحتوي على إشارة أقوى ودقة أعلى.يتركب من طرفين الطرف الموجب سبيكة الكروميل (Chromel) التي تتكون من نيكل 90% وكروم 10%، أما الطرف السالب يتكون من سبيكة الكونستاتنان (Constantan)التي تتكون من نحاس55% ونيكل 45%.
مجال القياس من 200- ℃ إلى 900 ℃ ، الفولتية المتولدة من 8-mV إلى 68 mV ، الحساسية 67.9 ℃/μV.
الأوساط المناسبة للاستخدام هي الوسط المؤكسد أو الخامل، والاستخدام المحدود في الوسط الفراغي او الاختزالي.
ثرموكابل N
هذا النوع من الثرموكابل يشترك في نفس الدقة والقيود مثل K ولكنه أغلى قليلاً.ثرموكابل S
هو ثرموكابل لدرجات الحرارة المرتفعة للغاية ويستخدم بشكل أساسي في صناعة الأدوية.الطرف الموجب يتكون من الروديوم 10% والبلاتين 90%، أما الطرف السالب يتكون من البلاتين.
مجال القياس من 0 ℃ إلى 1450 ℃ ، الفولتية المتولدة من 0 mV إلى 14.9 mV ، الحساسية 10.6 ℃/μV.
الأوساط المناسبة للاستخدام هي الأوساط المؤكسدة والاوساط الخاملة.
ثرموكابل R
هو ثرموكابل مشابه للنوع S من حيث الأداء وغالبًا ما يستخدم في درجات حرارة منخفضة بسبب دقته واستقراره.الطرف الموجب يتكون من الروديوم 13% والبلاتين 87%، أما الطرف السالب يتكون من البلاتين.
مجال القياس من 0 ℃ إلى 1450 ℃ ، الفولتية المتولدة من 0 mV إلى 16.7 mV ، الحساسية 12 ℃/μV.
الأوساط المناسبة للاستخدام هي الأوساط المؤكسدة والاوساط الخاملة.
ثرموكابل B
هذا النوع من الثرموكابل لديه أعلى نطاق لدرجة الحرارة من بين جميع المزدوجات الحرارية.يتركب من طرفين الطرف الموجب يتكون من الروديوم 30% والبلاتين 70%، أما الطرف السالب يتكون من الروديوم 6% والبلاتين 94%.
مجال القياس من 0 ℃ إلى 1700 ℃ ، الفولتية المتولدة من 0 mV إلى 12.4 mV ، الحساسية 7.6 ℃/μV.
الأوساط المناسبة للاستخدام هي الأوساط المؤكسدة والاوساط الخاملة.
جدول ثرموكابل
|
| جدول ثرموكابل |
الجدول السابق يوضح ميزات الأنواع المشهورة من الازدواج الحراري.
استخدامات (تطبيقات) المزدوج الحراري
أين تستخدم المزدوجات الحرارية؟
تستخدم المزدوجات الحرارية في العديد من التطبيقات الصناعية والعلمية. يمكن العثور عليها في جميع الأسواق الصناعية تقريبًا: توليد الطاقة ، والتعدين ، والنفط / الغاز ، والأدوية ، والتكنولوجيا الحيوية ، والأسمنت ، والورق ، والزجاج ، وغيرها الكثير. تُستخدم المزدوجات الحرارية أيضًا في الأجهزة اليومية مثل المواقد والأفران والأفران وأفران البيتزا.دائرة مكبر العمليات غير العاكس والازدواج الحراري
 |
| دائرة مكبر العمليات غير العاكس والازدواج الحراري |
يستخدم مكبر العمليات كمكبر غير عاكس حيث يسلط خرج الازدواج الحراري مع فولتية المصدر الموجبة إلى الطرف غير العاكس خلال R1, R2, R3 وضعت C1 لحماية إشارة الطرف غير العاكس من الضوضاء وتنظم فولتية المصدر السالبة بوساطة R6, R7, R8, R9 والمقاومة المتغيرة P1 وتسلط على الطرف العاكس لمكبر العمليات ولتحديد فولتية المرجع ReferenceVoItage للنقطة 3 من مكبر العمليات يتم ذلك بتغيير المقاومة المتغيرة P1 وهذا يقابل درجة حرارة معينة والتغذية العكسية من خرج مكبر العمليات الى الطرف العاكس تتم خلال C2, R5, R4 والمقاومة المتغيرة P2 التي تعمل على تحديد قيمة التغذية العكسية أي مقدار ربح مكبر العمليات فعلى سبيل المثال بتغير P2 يزداد الخرج 10mVمقابل زيادة في درجة حرارة 10درجة سيلسيوس وتستخدم في الحساسات الحرارية في الثلاجات الكهربائية وأجهزة التبريد وغيرها.
دائرة تكبير الازدواج الحراري
 |
| دائرة تكبير الازدواج الحراري |
وهي دائرة تكبير الازدواج الحراري المستخدمة في أجهزة القياس باستخدام مكبر العمليات حيث يعمل على تكبير الإشارة المتولدة الداخلة إلى الطرف 3 من مكبر العمليات وتجهز المقاومات R1, R2, R3 أعلى تأشيرة في الخرج عندما يكون المزدوج الحراري في حالة فتح (Open) وبسبب استقراريه الدائرة العالية فأنها تستخدم في الأجهزة الدقيقة جدا مثل الأجهزة الطبية في المختبرات وأجهزة الثيرموميتر الرقمية وغيرها.
لماذا تستخدم المزدوجه الحرارية في كثير من التطبيقات؟
عادة ما يتم اختيار المزدوجات الحرارية بسبب تكلفتها المنخفضة ، وحدود درجات الحرارة المرتفعة ، ونطاقات درجات الحرارة الواسعة ، ومتانتها.وفيما يلي توضيح لميزات الثرموكابل
مميزات الثرموكابل المزدوج الحراري
- يقاوم الصدمات والاهتزاز والتاكل .
- سهل التصنيع
- لا يستهلك طاقة حرارية ( لا يضيع طاقة حرارية)
- طول العمر التشغيلي
- مدى درجات حرارة واسع.
- لا يحتاج إلى طاقة .
- صغير الحجم.
طريقة اختيار الازدواج الحراري
يستخدم الازدواج الحراري في التحكم الصناعي بشكل كبير لإمكانيته الواسعة لقياس درجات الحرارة وتحمله ظروف تشغيلية صعبة. ويختار الازدواج الحراري بناء على :- الظروف الكيميائية المحيطة .
- المواءمة مع الدوائر الإلكترونية .
- المدى الحراري .
- مقاومة الاهتزاز والتآكل .
أسئلة شائعة عن الثرموكابل المزدوج الحراري Thermocouple
عيوب المزدوج الحراري
ويعاب علي الثرموكابل انه القوة الدافعة الكهربائية المتولدة في دارة الازدواج الحراري قليلة ويعطي فرق جهد قليل وغير خطي.
ما هي المعادن والسبائك المستخدمة في صناعة المزدوج الحراري؟
السبائك المستخدمة في صناعة المزدوج الحراري هي:
- سبيكة الكونستاتنان (Constantan)التي تتكون من نحاس ونيكل.
- سبيكة الكروميل (Chromel) التي تتكون من نيكل وكروم.
- سبيكة الألوميل (Alumel) التي تتكون من نيكل ومنغنيز وألمنيوم وحديد.
- وسبيكة البلاتين التي تتكون من بلاتين وروديوم.
- وسبيكة البلاتينيوم والراديوم.
أما أهم المعادن المستخدمة فهي:
مصادر
كتاب الالكترونيات الصناعية المنهاج الفلسطيني ص156.
كتاب الاتصالات والالكترونيات المنهج الأردني
كتاب العلوم الصناعية الكترونيك - المناهج العراقية
What is a Thermocouple
thermocoupleinfo