الفرق بين المزدوج الحراري، مستشعر المقاومة الحرارية و RTD

مفهوم درجة الحرارة

من الناحية الفيزيائية، الحرارة هي مقياس للطاقة الموجودة في الجسم نتيجة لحركة جزيئاته أو ذراته بشكل غير منتظم. تمامًا كما أن كرات التنس لديها طاقة أكبر مع زيادة السرعة، فإن الطاقة الداخلية للجسم أو الغاز تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. درجة الحرارة هي متغير يصف، إلى جانب معلمات أخرى مثل الكتلة والحرارة النوعية، محتوى الطاقة في الجسم.

الوحدة الأساسية لقياس درجة الحرارة هي كلفن. عند 0 ° K (إلفين)، تكون كل جزيئة في الجسم في حالة سكون ولا يوجد المزيد من الحرارة. لذلك، لا يوجد إمكانية لوجود درجة حرارة سالبة لأن لا يوجد حالة طاقة أقل.

في الاستخدام اليومي، العادة هي استخدام المئوية (سابقًا السنتغراد). نقطة الصفر الخاصة بها تقع عند نقطة تجمد الماء، والتي يمكن إعادة إنتاجها بسهولة في الممارسة العملية. الآن، 0 ° C ليست بالضرورة أدنى درجة حرارة، لأن الجميع يعرفون ذلك من الخبرة. عن طريق توسيع مقياس السنتغراد إلى أدنى درجة حرارة يتوقف فيها كل حركة جزيئية، نصل إلى – 273.15 درجة.

لدى الإنسان القدرة على قياس درجة الحرارة من خلال حواسه في نطاق محدود. ومع ذلك، لم يتمكن من إنتاج قياسات كمية بدقة. تم تطوير أول شكل لقياس درجة الحرارة الكمية في فلورنسا في أوائل القرن السابع عشر واعتمد على توسع الكحول. تعتمد المعايرة على أعلى درجات الحرارة في الصيف والشتاء. وبعد مئة عام، استبدل الفلكي السويدي سيلسيوس هذه الطريقة بنقاط ذوبان الغليان للماء. هذا يمنح الميزان الحراري الفرصة للتكبير والتصغير في أي وقت وإعادة إنتاج القراءات لاحقًا.

قياس درجة الحرارة الكهربائي

القياس الحراري مهم في العديد من التطبيقات مثل التحكم في المباني، معالجة الأغذية، وإنتاج الصلب والمنتجات البتروكيميائية. تتطلب هذه التطبيقات المختلفة أجهزة استشعار حرارية ذات هياكل فيزيائية مختلفة وغالبًا تقنيات مختلفة.

في التطبيقات الصناعية والتجارية، تكون نقاط القياس عادة بعيدة عن نقاط الإشارة أو التحكم. يتطلب معالجة إضافية للقياسات في المتحكمات، السجلات أو الحواسيب. هذه التطبيقات ليست مناسبة لإشارات الميزان الحراري المباشر كما نعرفها من الاستخدام اليومي، بل تحتاج إلى تحويل درجة الحرارة إلى شكل آخر من الجهاز، وهو الإشارة الكهربائية. لتقديم هذه الإشارة الكهربائية البعيدة، يتم استخدام RTD عادةً. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم مقاومات الحرارة وأزواج الحرارة.

يتبنى RTD خاصية تغير مقاومة المعدن مع درجة الحرارة. إنها أجهزة استشعار ذات معامل حراري موجب (PTC) حيث تزداد مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة. المعادن الرئيسية المستخدمة هي البلاتينيوم والنيكل. أكثر الأجهزة الاستشعارية شيوعًا هي مقاومات 100 أو 1000 أوم RTD أو ميزان حراري مقاوم من البلاتينيوم.

يعتبر جهاز RTD الأكثر دقة بين المستشعرات المستخدمة في التطبيقات الصناعية ويوفر أيضًا الاستقرار طويل المدى الأفضل. القيمة الممثلة لدقة مقاومة البلاتين هي + 0.5% من درجة الحرارة المقاسة. بعد سنة واحدة، قد يحدث تغير قدره + 0.05 ° C نتيجة التقدم في العمر. تتراوح مقاييس حرارة مقاومة البلاتين بين -200 إلى 800 ° C.

تغير المقاومة مع درجة الحرارة

يعتمد التوصيل الكهربائي للمعدن على حركة الإلكترونات الموصلة. إذا تم تطبيق فولتية على نهاية السلك، فإن الإلكترونات تتحرك نحو القطب الموجب. تشوهات الشبكة البلورية تعوق هذه الحركة. وتتضمن هذه التشوهات الذرات الخارجية أو المفقودة في الشبكة، والذرات الموجودة على حدود الحبيبات وبين مواقع الشبكة. بما أن مواقع العيوب هذه لا تعتمد على درجة الحرارة، فإنها تسبب مقاومة ثابتة. مع زيادة درجة الحرارة، تزداد اهتزازات الذرات في شبكية المعدن بالقرب من مراكزها الثابتة، مما يعيق حركة الإلكترونات الموصلة. وبما أن الاهتزاز يزداد بشكل خطي مع درجة الحرارة، فإن زيادة المقاومة الناتجة عن الاهتزاز تعتمد مباشرة على درجة الحرارة.

يُستخدم البلاتين بشكل واسع في القياس الصناعي. من ميزاته أنها تشمل الاستقرار الكيميائي، السهولة النسبية في التصنيع (وخاصة لتصنيع الأسلاك)، إمكانية الحصول عليه بدرجة نقاء عالية، وخواص كهربائية قابلة للتكرار. هذه الخصائص جعلت مستشعر مقاومة البلاتين هو الأكثر استخدامًا كمستشعر قابل للتبادل لقياس درجة الحرارة.

يتم تصنيع الثرمستورات من بعض أكسيدات المعادن وتتناقص مقاومتها مع زيادة درجة الحرارة. وبما أن خاصية المقاومة تنخفض مع زيادة درجة الحرارة، يُطلق عليها اسم مستشعر معامل درجة الحرارة السلبي (NTC).

بسبب طبيعة العملية الأساسية، يزداد عدد الإلكترونات الموصلة بشكل أسي مع درجة الحرارة؛ وبالتالي، تظهر السمة زيادة قوية. هذه اللاخطية الواضحة هي عيب للمقاومات NTC وتحد من نطاق درجة حرارتها الفعّال إلى حوالي 100 °C. يمكن بالطبع تخطيطها باستخدام الحواسيب الآلية. ومع ذلك، لا يمكن لدقتها وخطيتها أن تلبي متطلبات مجال القياس الكبير. كما أن انحرافها عند درجات الحرارة المتغيرة هو أكبر من ذلك الخاص بـ RTD. استخدامها محدود بمراقبة التطبيقات ومؤشرات حيث لا تتجاوز درجة الحرارة 200 °C. في هذا التطبيق البسيط، فهي في الواقع أفضل من المقايس الحرارية والـ RTDs الأكثر تكلفة، إذا ما اعتبرنا تكلفتها المنخفضة والدوائر الإلكترونية النسبية البسيطة المطلوبة.

أساس زوج الحرارة هو الاتصال بين معادنين مختلفين، مقاومة حرارية. تزداد الجهد الكهربائي الناتج عن زوج الحرارة وRTD مع ارتفاع درجة الحرارة. مقارنة بمقاييس الحرارة بالمقاومة، لديهم حد أعلى أعلى لدرجات الحرارة، مع ميزة كبيرة تصل إلى عدة آلاف من درجات مئوية. استقرارهم على المدى الطويل ضعيف قليلاً (بضع درجات بعد سنة)، ودقة القياس ضعيفة قليلاً (متوسط + 0.75% من نطاق القياس). يستخدمون غالباً في الأفران، المواقد، قياس غاز العادم وفي المجالات الأخرى حيث تكون درجات الحرارة أعلى من 250 ° C.

التاثير الحراري الكهربائي

عندما يتم توصيل معدنين معًا، يُنتج جهد حراري بسبب الفرق في طاقة الارتباط بين الإلكترونات واليونات المعدنية. يعتمد الجهد على المعدن نفسه وعلى درجة الحرارة. وللتمكن من إنتاج تيار بواسطة هذا الجهد الحراري، يجب بالطبع توصيل المعدنين معًا في النهاية الأخرى لتكوين دائرة مغلقة. بهذه الطريقة، يتم توليد جهد حراري عند نقطة التصاق ثانية. تم اكتشاف التأثير الحراري الكهربائي بواسطة سيبيك في عام 1822. وفي عام 1828، اقترح بيكريل استخدام زوج حراري من البلاتينيوم والبالاديوم لقياس درجة الحرارة.

إذا كانت درجة الحرارة نفسها عند كلا النقطتين، لن يكون هناك تدفق تيار لأن الضغوط الجزئية التي تنشأ عند النقطتين تعادل بعضها البعض. عندما تكون درجة الحرارة مختلفة عند النقطة، فإن الجهد الناتج يكون مختلفًا ويتدفق التيار. لذلك، يمكن للزوج الحراري قياس الفرق فقط في درجة الحرارة.

نقطة القياس هي نقطة تشابك معرضة لدرجة الحرارة المقاسة. أما نقطة التشابك المرجعية فهي نقطة تشابك عند درجة حرارة معروفة. وبما أن درجة الحرارة المعروفة تكون عادة أقل من درجة الحرارة المقاسة، فإن نقطة التشابك المرجعية تُسمى عادةً النهاية الباردة. ولحساب درجة الحرارة الفعلية لنقطة القياس، يجب معرفة درجة حرارة النهاية الباردة.

تستخدم الأجهزة القديمة صناديق تحكم بنقاط التشابك بالحرارة للحفاظ على درجة حرارة النهاية الباردة عند قيم معروفة مثل 50 درجة مئوية. أما الأجهزة الحديثة فتستخدم مقاومة حرارية رقيقة (RTD) في النهاية الباردة لتحديد درجة حرارتها وحساب درجة حرارة نقطة القياس.

الجهد الناتج عن التأثير الحراري الكهربائي يكون ضئيلًا جدًا وهو بضع مايكروفولت لكل درجة مئوية. لذلك، لا يتم استخدام الأزواج الحرارية عادةً في النطاق بين -30 إلى +50 درجة مئوية، لأن الفرق بين درجة حرارة نقطة التشابك المرجعية والنهاية الباردة يكون صغيرًا جدًا لإنتاج إشارة غير متشابكة.

توصيلات RTD

في مقياس درجة الحرارة بالمقاومة، تتغير المقاومة مع درجة الحرارة. لتحليل الإشارة الخرجية، يمر تيار ثابت عبرها ويقاس الفرق الجهد عليها. بالنسبة لهذا الفرق الجهد، يتم اتباع قانون أوم، v = IR.

يجب أن يكون التيار القياسي صغيرًا قدر الإمكان لتجنب تسخين المستشعر. يمكن اعتبار أن تيار القياس البالغ 1mA لن يدخل أي خطأ واضح. ينتج هذا التيار فرق جهد قدره 0.1V في PT 100 عند 0 ℃. يجب الآن نقل هذا الجهد الإشاري عبر الكابل المتصل إلى نقطة المؤشر أو نقطة التقييم مع تعديل بسيط. هناك أربع أنواع مختلفة من دوائر الاتصال:

دائرة سلكين

يتم استخدام كابل ثنائي النواة لربط الميزان الحراري بإلكترونيات التقييم. مثل أي موصل كهربائي آخر، الكابل لديه مقاومة متسلسلة مع مقياس الحرارة المقاوم. وبالتالي، يتم جمع المقاومتين معًا والإلكترونيات تفسر ذلك على أنه ارتفاع في درجة الحرارة. بالنسبة للمسافات الطويلة، يمكن أن تصل مقاومة الخط إلى عدة أوم وتنتج انحرافًا كبيرًا في قيمة القياس.

دائرة ثلاث أسلاك

من أجل تقليل تأثير مقاومة الخط وتمايلها مع درجة الحرارة، يتم عادةً استخدام دارة ثلاثية الأسلاك. وتتضمن تشغيل أسلاك إضافية على أحد الاتصالات الخاصة بجهاز RTD. يؤدي ذلك إلى وجود دارات قياس مزدوجة، واحدة منها تُستخدم كمرجع. يمكن للدارة ثلاثية الأسلاك تعويض مقاومة الخط من حيث العدد والتغيرات الناتجة عن درجة الحرارة. ومع ذلك، يجب أن تكون جميع الموصلات الثلاثة ذات خصائص متطابقة وأن تتعرض لنفس درجة الحرارة. يتم تطبيق هذا عادةً بشكل كافٍ لجعل الدوائر ثلاثية الأسلاك أكثر الطرق شيوعًا اليوم. لا يتطلب توازن الخطوط.

دائرة أربعة أسلاك

أفضل شكل اتصال للمقاومة الحرارية هو الدائرة ذات الأربعة أسلاك. لا تعتمد القياسات على مقاومة الخطوط أو التغيرات الناتجة عن درجة الحرارة. لا حاجة لتوازن الخطوط. توفر المقاومة الحرارية تيار القياس من خلال اتصال الطاقة. يتم التقاط انخفاض الجهد في خط القياس بواسطة خط القياس. إذا كانت مقاومة الإدخال لجهاز إلكتروني أكبر بكثير من مقاومة الخط، يمكن تجاهل الأخيرة. يتم تحديد انخفاض الجهد بهذه الطريقة بشكل مستقل عن خصائص سلك الاتصال. عادةً ما تُستخدم هذه التقنية فقط للأجهزة العلمية التي تتطلب دقة قياس بمئة جزء.

مرسال ذو سلكين

باستخدام جهاز إرسال يعمل بأسلاك ثنائية بدلاً من كابل متعدد الأسلاك، يمكن تجنب مشكلة الدائرة ذات السلكين كما وصف أعلاه. يقوم جهاز الإرسال بتحويل إشارة المستشعر إلى إشارة تيار كهربائي مُعَدَّلة تتراوح بين 4-20mA، وهي متناسبة مع درجة الحرارة. يتم تشغيل مصدر الطاقة لجهاز الإرسال عبر نفس الاتصالين باستخدام تيار أساسي قدره 4 mA. يوفر جهاز الإرسال ذو السلكين ميزة إضافية، وهي أن التضخيم الإشاري يقلل بشكل كبير من تأثير التداخل الخارجي. هناك طريقتان لترتيب وضع جهاز الإرسال. بما أن المسافة بين الإشارات غير المضخمة يجب أن تكون قصيرة قدر الإمكان، يمكن تركيب المضخم مباشرة على الميزان الحراري في رأسه النهائي. هذه هي الحل الأفضل، لكنها ليست ممكنة أحيانًا بسبب الأسباب الهيكلية أو اعتبارات صعوبة الوصول إلى جهاز الإرسال في حالة حدوث عطل. في هذه الحالة، يتم تركيب جهاز الإرسال المثبت على السكة داخل الخزانة التحكمية. الميزة المتعلقة بالوصول الأفضل تأتي على حساب زيادة المسافة التي يجب أن تسافرها الإشارة غير المضخمة.

توصيل المقاومة الحرارية

عادةً ما تكون مقاومة المقاومة الحرارية أكبر بمقدار عدة مرات من مقاومة أسلاك الاتصال. لذلك، فإن تأثير مقاومة الأسلاك على قراءات درجة الحرارة يُعتبر تافهاً، بينما يتم تقريبًا دائمًا توصيل المقاومات الحرارية في تكوين ثنائي السلك.

توصيل زوج الحرارة

على عكس أجهزة الاستشعار RTD والمقاومات الحرارية، فإن أزواج الحرارة تحتوي على ساقين إيجابي وسلبي، لذا يجب مراعاة القطب الكهربائي. يمكن توصيلها مباشرة إلى جهاز الإرسال ثنائي السلك المحلي ويمكن استخدام الأسلاك النحاسية لإعادتها إلى الجهاز المستقبل. إذا كان بإمكان الجهاز المستقبل قبول إدخال زوج الحرارة مباشرة، فيجب استخدام نفس أسلاك زوج الحرارة أو أسلاك تمديد زوج الحرارة حتى الجهاز المستقبل.