اقرأ في هذا المقال
- ما هو ميزان الحرارة ثنائي المعدن؟
- أنواع موازين الحرارة ثنائية المعدن
- مزايا وعيوب ميزان الحرارة ثنائي المعدن
ما هو ميزان الحرارة ثنائي المعدن؟
كل معدن وسبائك له معامل التمدد (coefficient of expansion)، هذا يعني أنّها تتوسع في حجمها بشكل مختلف لزيادة درجة الحرارة نفسها، إذا قمنا بربط شريحتين مصنوعتين من معادن أو سبائك مختلفة، فبسبب الاختلاف في معامل التمدد، سيتم توسيعهما أو تقلصهما بشكل مختلف أثناء تغير درجة الحرارة، وبالتالي فإنّ مجموعة الشريط المعدني بالكامل سوف تنحني أو تتشوه.
نظرًا لأنّ هذا التشوه في شكل شريط الشريحتين المعدنيتين يرجع إلى ارتفاع درجة الحرارة أو انخفاضها، يمكن أيضًا قياس هذا التشوه في مقياس درجة الحرارة، من هذا المبدأ، جاء مفهوم “مقياس الحرارة الشريط ثنائي المعدن” (Bimetallic Strip Thermometer).
الشريط ثنائي المعدن يستخدم بشكل رئيسي في الصناعات في أجهزة التحكم في درجة الحرارة، يتم تجميعها مع نظام التحكم في درجة الحرارة، عندما تصل درجة الحرارة إلى قيمة محددة مسبقًا، يكون الشريط ثنائي المعدن مثنيًا لدرجة أنّه يغلق جهة اتصال (NO) التي تبدأ نظام التبريد لتقليل درجة حرارة النظام، يستخدم مقياس الحرارة الشريطي ثنائي المعدن أيضًا على نطاق واسع في الصناعات بسبب بساطته ومتانته.
البناء والتصميم:
يعمل مقياس الحرارة ثنائي المعدن باستخدام خاصيتين أساسيتين للمعادن:
- خاصية التمدد الحراري للمعدن.
- يختلف معامل التمدد الحراري للمعادن المختلفة عن نفس درجة الحرارة.
المكون الرئيسي لميزان الحرارة ثنائي المعدن هو الشريط ثنائي المعدن، يتكون من شريطين رفيعين من معادن مختلفة، ولكل منهما معاملات مختلفة للتمدد الحراري، التمدد الحراري هو خاصية للمعدن لتغيير شكله أو حجمه مع تغير درجة الحرارة، يتم توصيل الشرائط المعدنية بطولها عن طريق دمجها معًا أو التثبيت، تمّ إصلاح الشرائط في أحد طرفيها ويمكن تحريكها بحرية على الطرف الآخر.
المعدنان المستخدمان عادةً هما الفولاذ والنحاس، ولكن يمكن أيضًا استخدام الفولاذ والنحاس الأصفر، نظرًا لاختلاف تمددها الحراري، يتغير طول هذه المعادن بمعدلات مختلفة لنفس درجة الحرارة، بسبب هذه الخاصية عندما تتغير درجة الحرارة، يتمدد الشريط المعدني من جانب والآخر، ممّا يخلق تأثير الانحناء.
عندما ترتفع درجة الحرارة، سوف يتحول الشريط في اتجاه المعدن مع معامل درجة حرارة أقل، عندما تنخفض درجة الحرارة، ينحني الشريط في اتجاه المعدن ذي معامل درجة حرارة أعلى، يشير انحراف الشريط إلى اختلاف درجة الحرارة، ترتبط حركة الانحناء هذه بالقرص الموجود على مقياس الحرارة، ممّا يؤدي إلى إخراج درجة حرارة الوسائط، المعايرة خطوة مهمة لضمان القراءة الصحيحة لدرجة الحرارة.
معيار الاختيار:
يجب مراعاة معايير الاختيار التالية عند اختيار مقياس الحرارة ثنائي المعدن:
نطاق درجة الحرارة (Temperature range):
يجب أن يكون مقياس الحرارة ثنائي المعدن ضمن درجات الحرارة القصوى والدنيا، بسبب درجات الحرارة القصوى، قد تصل المعادن إلى حدود تمددها ولا ترتد ممّا يتسبب في تلف مقياس الحرارة بشكل دائم.
جذع مقياس الحرارة (Stem):
يجب تحديد طول وقطر ساق مقياس الحرارة الثنائي المعدني على النحو الذي يتطلبه التطبيق، قد يتطلب ذلك تحديد طول الغمر أو عمق الخزان حيث سيتم استخدام مقياس الحرارة.
المحول الحراري (Thermowells):
المحول الحراري عبارة عن أنبوب أسطواني يحمي مستشعرات درجة الحرارة المثبتة في التطبيقات الصناعية، يعمل كحاجز لحماية مقياس الحرارة الباهظ الثمن من أي ضرر محتمل من سائل العملية، يجب استخدام المحول الحراري حيث قد يتعرض الجذع لدرجة حرارة شديدة أو ضغط أو سرعة عالية أو سائل ذو طبيعة متآكلة، مع وجود وحدة حرارية مثبتة، يمكن إزالة موازين الحرارة بسهولة واستبدالها دون إيقاف العملية، نظرًا لأنّ المحول الحراري يحمي مقياس الحرارة، فإنّه يدوم لفترة أطول ممّا يقلل من تكاليف الصيانة والاستبدال.
نوع مقياس الحرارة (Type of thermometer):
يمكن أن يحتوي مقياس الحرارة ثنائي المعدن على شريط حلزوني أو شريط لولبي، يُفضل استخدام مقياس الحرارة الشريطي الحلزوني في التطبيقات الصناعية مثل المصافي وحارق الزيت وما إلى ذلك، يتم لف الشرائط ثنائية المعدن بشكل حلزوني داخل الجذع ويمكن دعمها بواسطة الآبار الحرارية لتعمل مع درجات الحرارة والضغط الشديدين، تستخدم موازين الحرارة ذات الشريط اللولبي في منظمات الحرارة لحساسيتها لتغيرات درجات الحرارة المنخفضة.
أنواع موازين الحرارة ثنائية المعدن:
هناك نوعان من موازين الحرارة ثنائية المعدن، مقياس الحرارة ثنائي المعدن ذو الشريط اللولبي وميزان الحرارة ثنائي المعدن ذو القطاع الكابولي، يتم استخدام الشرائط الحلزونية واللولبية للحفاظ على حجم مقياس الحرارة ضمن حد يمكن التحكم فيه.
ميزان حرارة ثنائي المعدن بشريط لولبي – Spiral Strip Bimetallic Thermometer:
هنا الشريط المعدني المستخدم في شكل لولبي، عندما ترتفع درجة الحرارة، بسبب خاصية ثنائية المعدن، فإنّ الزنبرك يلف أكثر، بسبب هذا التشوه الميكانيكي للزنبرك، يتحرك مؤشر متصل بالقرص ويشير إلى درجة الحرارة، حيث تتم معايرة قرص ميزان الحرارة هذا الشريط ثنائي المعدن في مقياس درجة الحرارة.
يتم استخدام الشريط اللولبي الشكل لقياس درجة الحرارة في مقياس حرارة الشريط الحلزوني ثنائي المعدن، مع ارتفاع درجة الحرارة، يتمدد الشريطان المعدنيان بشكل مختلف، هذا يخلق تأثير الانحناء والملفات الشريطية بطريقة تجعل المعدن ذو المعامل الحراري الأعلى يشكل الجانب الخارجي للقوس، مع انخفاض درجة الحرارة، يشكل المعدن ذو المعامل الحراري المنخفض الطبقة الداخلية للقوس، يقرأ المؤشر والقرص المرفقان باللولب هذا التشوه الذي يشير إلى درجة حرارة الوسط.
ميزان حرارة قطاع الكابولي ثنائي المعدن – Cantilever Strip Bimetallic Thermometer:
هنا يتم إرفاق شريط مستقيم ثنائي المعدن كعنصر ناتئ، عندما ترتفع درجة الحرارة أو تنخفض، ينحني الشريط على كلا الجانبين ويتم نقل حركة الطرف الأمامي للشريط إلى نظام قرص المؤشر عبر نظام ذراع التروس، لأخذ قراءة درجة الحرارة.
مزايا وعيوب ميزان الحرارة ثنائي المعدن:
مزايا ميزان الحرارة ثنائي المعدن:
هناك ثلاث مزايا رئيسية لهذه الأداة، أحدهما قوي وهما اثنان بسيطان وثلاثة أجهزة ميكانيكية بالكامل لا تحتاج إلى مصدر طاقة، تشمل مزايا ميزان الحرارة ثنائي المعدن ما يلي:
- تصميم بسيط وقوي.
- أقل تكلفة من موازين الحرارة الأخرى.
- إنّها ميكانيكية بالكامل ولا تتطلب تشغيل أي مصدر طاقة.
- سهولة التركيب والصيانة.
- استجابة خطية تقريبًا لتغير درجة الحرارة.
- مناسبة لنطاقات درجات الحرارة الواسعة.
عيوب ميزان الحرارة ثنائي المعدن:
العيوب الرئيسية هي أنّها ليست دقيقة للغاية وليست مناسبة لقياس درجة الحرارة المنخفضة حيث تظهر المعادن والسبائك المعدنية تقريبًا نفس التمدد أو الانكماش في نطاق درجة الحرارة الأقل. بعض عيوب موازين الحرارة ثنائية المعدن هي:
- لا ينصح باستخدامها لدرجات حرارة عالية جدًا.
- قد تتطلب معايرة متكررة.
- قد لا يعطي قراءة دقيقة لدرجة الحرارة المنخفضة.
- تختل المعايرة إذا تمّ التعامل معها بشدة.
