الأداة المزدوجة الحرارية - Thermocouple Instrument

ما هي المزدوجة الحرارية؟

تُعرَّف المزدوجة الحرارية بأنّها تقاطع حراري يعمل بناءً على ظاهرة التأثير الكهروحراري، أي التحويل المباشر لاختلافات درجات الحرارة إلى جهد كهربائي، إنّه جهاز كهربائي أو جهاز استشعار يستخدم لقياس درجة الحرارة، يمكن للمزدوجة الحرارية قياس نطاق واسع من درجات الحرارة، إنّه يعتبر مستشعر درجة حرارة بسيط وقوي وفعّال من حيث التكلفة يستخدم في العديد من التطبيقات الصناعية والتطبيقات المنزلية والمكتبية والتجارية.

في عام (1821م)، اكتشف الفيزيائي الألماني “توماس يوهان سيبيك” أنّ مجالًا مغناطيسيًا ينتج عندما يرتبط معدنان مختلفان في أحد طرفيه ويحدث فرقًا في درجة الحرارة بين طرفين، ولاحظ أنّه بسبب المجال المغناطيسي، فإنّ الجهد ينتج عن التأثير الكهرو حراري، ومع ذلك، فإنّ هذا الجهد صغير جدًا، “يحسب بقيم mV”، ويعتمد على نوع المعدن المستخدم في المزدوجة الحرارية.

وفقًا للتطبيقات، تشتمل التكوينات المصممة المختلفة للمزدوجات الحرارية على مجسات مزدوجة حرارية، ومجسات مع موصلات، ومزدوجات حرارية تعمل بالأشعة تحت الحمراء، ومزدوجات حرارية بسلك أساسي، وسلك مزدوج حراري فقط.

تعريف الأداة المزدوجة الحرارية:

التعريف: تُعرف الأداة التي تستخدم المزدوجة الحرارية لقياس درجة الحرارة والتيار والجهد “بأداة المزدوجة الحرارية”، يتم استخدامه لقياس كل من التيار المتردد والتيار المستمر، المزدوجة الحرارية هي جهاز كهربائي يستخدم سلكين من معدن مختلف، إنّها تعمل على مبدأ تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية عند التقاطع وهي مصنوعة من معادن مختلفة.

يمر التيار الذي يستخدم لقياس حجمه عبر تقاطع المزدوج الحراري، ينتج التيار الحرارة في عنصر السخان، وتحفز المزدوجة الحرارية القوة الدافعة الكهربائية في أطراف الخرج، يتم قياس هذه القوة (emf) من خلال أداة (PMMC)، يتناسب حجم (emf) مع درجة الحرارة وقيمة (RMS) للتيار، الميزة الأكثر أهمية لأداة المزدوجة الحرارية هي أنّها تستخدم لقياس التردد العالي للتيار والجهد، الجهاز أكثر دقة للتردد فوق (50) هرتز.

مبدأ تشغيل الأداة المزدوجة الحرارية:

تتكون الدائرة التي تولد فيها القوة الدافعة الكهربائية (emf) من معدنين مختلفين، يتم كتابة درجة الحرارة عند تقاطعهما كـالتالي:

E = a(T₁ – T₂) + b(T₁ – T₂)²

حيث: (a و b) عبارة عن ثابتين، وتعتمد قيمتهما على خصائص المعدن المستخدم في المزدوج الحراري، القيمة التقريبية لـ (a) هي (40) إلى (50) ميكرو فولت، وقيمة (b) هي بضعة أعشار إلى (microvolt/C²)، لتكن (= Δθ) “فرق درجة الحرارة”، بين الوصلة الساخنة والباردة، وبالتالي يتم التعبير عن درجة حرارتها كـالتالي:

E = a(Δθ) + b(Δθ)²

ينتج السخان الحرارة التي تتناسب طرديا مع (I²R)، حيث (I) هي قيمة (RMS) للتيار و(R) هي مقاومة عنصر التسخين، يتناسب الارتفاع في درجة الحرارة مع الحرارة الناتجة عن عنصر التسخين:

Δθ α I²R

Δθ =k I²R

تحتوي الأداة المزدوجة الحرارية على تقاطعين بارد وساخن، يتم التعبير عن الفرق بين هذين التقاطعين كـالتالي:

E = a(Δθ) + b(Δθ)²

قيمة (b) صغيرة جدًا مقارنة بقيمة (a) وبالتالي يتم إهمالها، يتم التعبير عن درجة الحرارة عند التقاطع كـالتالي:

E ≈ a(Δθ)

إنّ انحراف أداة (PMMC)، يتناسب طرديًا مع حث (emf) عند الأطراف، يتم التعبير عن انحراف أدوات الملف المتحرك كـالتالي:

θ = k₂E = k₂a(Δθ)

k₂aI²R = k₃I²

حيث: قيمة (K₃ – aK₁K₂R = a constant) تعتبر ثابت، وبالتالي، تظهر الأداة المزدوجة الحرارية استجابة لقانون التربيع (square law response).

بنية الأداة المزدوجة الحرارية:

العنصر الكهروحراري وأداة الإشارة هما الجزآن الرئيسيان للأداة الحرارية الكهربائية.

العناصر الكهروحرارية – Thermoelectric elements:

يتم استخدام أربعة أنواع من العناصر الكهروحرارية في أداة المزدوجة الحرارية، يتم شرح أنواعها أدناه بالتفصيل:

الأداة من نوع الاتصال (Contact Type): يستخدم عنصر نوع الاتصال سخانًا منفصلاً، يتم ملامسة تقاطع المزدوج الحراري مع السخان، يستخدم عنصر التسخين الكهربائي للأغراض التالية:

• يقوم عنصر السخان بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية.

• يتم تحويل طاقة التسخين إلى طاقة حرارية بمساعدة “تأثير سيبيك” (Seebeck effect).

• يتم توصيل طرف الخرج للمزدوج الحراري بأداة (PMMC)، يتم استخدام أقل كمية من الطاقة الكهربائية في حرف مؤشر أداة (PMMC)، ويتم تخزين هذه الطاقة في زنبرك الجهاز.

الأداة من النوع غير المتصل (Non-contact type Instrument): في هذا الجهاز، لا يوجد اتصال كهربائي بين عنصر التسخين والمزدوج الحراري، يتم فصله عن طريق العزل الكهربائي، يجعل العزل النظام أقل حساسية وبطء مقارنة بأداة نوع الاتصال.

عنصر الأنبوب المفرغ (Vacuum Thermo-Element): في أداة الأنبوب المفرغ، يتم وضع السخان والمزدوجة الحرارية في الأنبوب الزجاجي المفرغ، يزيد هذا الأنبوب المفرغ من كفاءة الأدوات لأنّ السّخان يظل ساخنًا لفترة طويلة.

نوع الجسر (Bridge Type): في أداة نوع الجسر، يمر التيار مباشرة عبر المزدوج الحراري ويرفع درجة حرارتها، درجة حرارة المزدوجة الحرارية تتناسب طرديا مع قيمة (RMS) للتيار.

مزايا وعيوب الأداة المزدوجة الحرارية:

مزايا الأداة المزدوجة الحرارية:

• يشير مباشرة إلى قيمة (RMS) للجهد والتيار على شكل الموجة.

• هذا النوع من الأدوات خالٍ من المجال المغناطيسي المشتت.

• يستخدم العنصر الكهربائي الحراري في نطاق واسع من قياس التيار.

• الجهاز لديه حساسية عالية.

• إنّها مفيدة لمعايرة مقياس الجهد بمساعدة الخلية القياسية.

• العنصر الحراري خالٍ من خطأ التردد وبالتالي يستخدم لأوسع نطاق للتردد.

عيوب الأداة المزدوجة الحرارية:

العيب الوحيد للأداة المزدوجة الحرارية هو أنّ قدرتها على تحميل السعة الزائد أقل مقارنة بالعناصر الآخرى.