مزدوج حراري

مزدوج حراري متصل بمقياس متعدد يعرض درجة حرارة الغرفة بالدرجة المئوية بالسلسيوس (°C).

المزدوج الحراري (Thermocouple)، يُعرف أيضاً بالمقياس الكهربائي الحراري، هو جهاز كهربائي يتكون من موصلين كهربائيين مختلفين يشكلان وصلة كهربائية. يُنتج المزدوج الحراري جهداً كهربائياً يعتمد على درجة الحرارة نتيجة لتأثير زيبك، ويمكن تفسير هذا الجهد لقياس درجة الحرارة. تُستخدم المزدوجات الحرارية على نطاق واسع كمستشعرات لدرجة الحرارة.^[1]

تُعتبر المزدوجات الحرارية التجارية أجهزة غير مكلفة،^[2] وقابلة للتبديل، ومُزودة بوصلات قياسية، ويمكنها قياس نطاق واسع من درجات الحرارة. وعلى عكس معظم طرق قياس درجة الحرارة الأخرى، تعمل المزدوجات الحرارية ذاتياً ولا تتطلب أي نوع من الإثارة الخارجية. يتمثل القيد الرئيسي في دقة المزدوجات الحرارية؛ إذ قد يصعب تحقيق أخطاء في النظام تقل عن 1 درجة سلسيوس (°س).^[3]

تُستخدم المزدوجات الحرارية على نطاق واسع في العلوم والصناعة. تشمل التطبيقات قياس درجة حرارة الأفران، وعوادم العنفات الغازية، ومحركات الديزل، وغيرها من العمليات الصناعية. كما تُستخدم المزدوجات الحرارية في المنازل والمكاتب والشركات كمجسات لدرجة الحرارة في منظمات الحرارة، وكأجهزة استشعار للهب في أجهزة السلامة التي تعمل بالغاز.

تُعتبر المزدوجات الحرارية إحدى الطرق الغير نمطية لتوليد الطاقة الكهربائية. ومن المعروف فيزيائياً عند تعريض مزدوج حراري لمصدر حراري سيتكون جهد كهربائي على نهايتي طرفي المزدوج. تستخدم هذه الظاهرة الفيزيائية للمزدوجات الحرارية في الأجزاء المختلفة الداخلية للمكائن والمحركات. استخدمت هذه الظاهرة في توليد الطاقة الكهربائية بطاقات مقننة وصغيرة من خلال مولدات حرارية للطاقة الكهربائية وذلك بوضع مجموعات من المزدوجات الحرارية على شكل صفائح تربط نهايتها مع بعضها على التوالي للحصول على مزيد من الجهد وعند الرغبة بالحصول على طاقات أعلى يتم ربط هذه الصفائح على التوازي. تُعرض هذه الصفائح إلى مصدر حرارة مسيطر عليه ذو وقود نظيف مثل الغاز الطبيعي. تستخدم مثل هذه المنظومات في المناطق النائية التي لا يمكن استخدام الخلايا الضوئية فيها لسبب عدم توفر أشعة شمسية كافية او مصادر للطاقة التقليدية الأخرى، حيث يوفر الغاز الطبيعي لهذه الوحدات بخزانات مناسبة تملئ بالغاز على فترات.

مبدأ التشغيل

عام 1821، اكتشف الفيزيائي الألماني توماس يوهان زيبك أنه عند وضع إبرة مغناطيسية بالقرب من دائرة مؤلفة من فلزين مختلفين، فإن الإبرة تنحرف عند تسخين إحدى الوصلات بين هذين الفلزين. وقد أطلق زيبك على هذه الظاهرة في ذلك الوقت المغناطيسية الحرارية. غير أن الدراسات اللاحقة كشفت أن المجال المغناطيسي الملحوظ لم يكن سوى نتيجة لتيار كهربائي حراري نشأ بسبب فرق الحرارة. في التطبيقات العملية، يُعد الجهد الكهربائي المتولد عند نقطة التقاء سلكين مختلفين هو الجانب الأكثر أهمية، إذ يمكن استغلاله لقياس درجات الحرارة، سواء كانت مرتفعة للغاية أو منخفضة للغاية. ويتوقف مقدار هذا الجهد على نوع الفلزين المستخدمين في الوصلة، ويتراوح عادةً ضمن نطاق الميكروڤولت، مما يتطلب دقة وحذراً كبيرين للحصول على قراءات موثوقة.

ورغم أن التيار المتولد يكون ضئيلاً للغاية، فإن الوصلة الحرارية الواحدة قادرة على توليد طاقة كهربائية. وتُستخدم هذه الظاهرة في توليد الطاقة من خلال توصيل عدد كبير من المزدوجات الحرارية، كما هو الحال في العمود الحراري، وهو أمر شائع في العديد من التطبيقات الحرارية والكهربائية.

مزودج حراري من النوع كي (كرومل–ألومل) في تكوين قياس المزدوج الحراري القياسي. يمكن استخدام الجهد المقاس

{\displaystyle{\displaystyle\scriptstyle V}}

لحساب درجة الحرارة

{\displaystyle{\displaystyle\scriptstyle T_{\mathrm{sense}}}}

، الذي يُعطي درجة حرارة

{\displaystyle{\displaystyle\scriptstyle T_{\mathrm{ref}}}}

.

يوضح الشكل التكوين النموذجي للمزدوج الحراري. حيث تتلاقى الوصلات الفلزية المختلفة عند نقطتين رئيسيتين: نقطة القياس (أو النقطة الساخنة) ونقطة المرجع (أو النقطة الباردة). عند نقطة القياس، تُرصد درجة الحرارة المراد قياسها، بينما تظل نقطة المرجع عند درجة حرارة معلومة أو مضبوطة. يتصل المزدوج الحراري بالنظام الكهربائي عند نقطة المرجع، حيث يُقاس الجهد المتولد نتيجة الفرق الحراري بين النقطتين. ويمثل الشكل التوضيحي نقطة القياس في الجهة اليسرى، ونقطة المرجع في الوسط، بينما يُعرض الجزء المتبقي من النظام الكهربائي على اليمين، متمثلاً في مقياس الجهد المستخدم لقراءة الإشارة الكهربائية الناتجة.

تُرصد درجة الحرارة T_sense عن طريق دالة مميزة E(T) لنوع المزدوج الحراري الذي يتطلب مدخلات: الجهد الحراري المُقاس V ودرجة حرارة الوصلة المرجعية T_ref. حل المعادلة E(T_sense) = V + E(T_ref) yields T_sense. في بعض الأحيان تكون هذه التفاصيل مخفية داخل جهاز يحزم كتلة الوصلة المرجعية (حيث تشير إلى T_ref مقياس الحرارة)، مقياس الجهد الكهربائي وحل المعادلات

اعتبارات عملية

من الناحية المثالية، ينبغي أن تكون المزدوجات الحرارية بسيطة في تصميمها وتشغيلها. فكل نوع من المزدوجات الحرارية يمتلك منحنى ${\displaystyle{\displaystyle\scriptstyle E(T)}}$ معايرة دقيق يربط بين الجهد المتولد ودرجة الحرارة، ما يسمح بتحويل الإشارة الكهربائية إلى قراءة حرارية موثوقة. وتُعد دقة هذا المنحنى من العوامل الأساسية التي تحدد مدى كفاءة الجهاز في تقديم قياسات دقيقة عبر نطاق واسع من درجات الحرارة.

الأنواع

أصبحت بعض تركيبات السبائك تُستخدم على نطاق واسع كمعايير صناعية للمزدوجات الحرارية، نظراً لخصائصها الملائمة لعدد من التطبيقات. ويعتمد اختيار نوع السبيكة على مجموعة من العوامل، من بينها التكلفة، والتوافر التجاري، وسهولة التصنيع والاستخدام، ونقطة الانصهار، والخصائص الكيميائية، والاستقرار على المدى الطويل، وإنتاجية الأداء في البيئات المختلفة. تُصمم الأنواع المختلفة من المزدوجات الحرارية لتناسب تطبيقات متنوعة، ويُحدد اختيار النوع عادةً بحسب نطاق درجة الحرارة المطلوب قياسه ومستوى الحساسية المرغوب فيه. فعلى سبيل المثال، تُستخدم المزدوجات الحرارية ذات الحساسية المنخفضة، مثل الأنواع B وR وS، في التطبيقات التي تتطلب تحمّل درجات حرارة عالية، إلا أنها توفر دقة أقل مقارنة بالأنواع الأخرى ذات الحساسية الأعلى. تشمل معايير اختيار المزدوجات الحرارية أيضاً خصائص إضافية مهمة، من أبرزها الخمول الكيميائي لمادة المزدوج الحراري، أي مدى مقاومتها للتفاعل مع البيئة المحيطة، خصوصاً في الظروف القاسية أو عند درجات الحرارة المرتفعة. كما يُؤخذ في الاعتبار ما إذا كانت المادة مغناطيسية أم لا، حيث يمكن أن تؤثر الخصائص المغناطيسية على دقة القياس أو تتداخل مع الأجهزة الأخرى في النظام. تُدرج أنواع المزدوجات الحرارية القياسية عادة وفقاً لتركيبة المواد، ويتم تحديدها اعتمادًا على القطب الموجب (بافتراض اتجاه قياس الجهد الحراري من نقطة المرجع إلى نقطة القياس). وتشمل هذه الأنواع تركيبات متنوعة مصممة لتلبية متطلبات محددة من حيث المدى الحراري، والدقة، والاستقرار الكيميائي. (بافتراض ${\displaystyle{\displaystyle T_{\text{sense}}>T_{\text{ref}}}}$ ) أولاً، يليه القطب السالب.

المزدوجات الحرارية النيكل-سبيكة

الوظائف المميزة للمزدوجات الحرارية التي تصل إلى درجات حرارة متوسطة، كما هو موضح في أنواع المزدوجات الحرارية المصنوعة من سبائك النيكل E وJ وK وM وN وT. كما يظهر أيضاً نوع سبيكة الفلز النبيل P ومجموعات الفلزات النبيلة النقية؛ الذهب-الپلاتين والپلاتين-الپلاديوم.

مقارنة الأنواع

يوضح الجدول أدناه خصائص أنواع مختلفة من المزدوجات الحرارية. ضمن أعمدة التفاوت، يُمثل "T" درجة حرارة الوصلة الساخنة، بالدرجات المئوية. على سبيل المثال، المزدوج الحراري ذو تفاوت ±0.0025×"T" يكون تفاوته ±2.5°س عند 1000°س.

كل خلية في أعمدة رموز الألوان تُصوّر نهاية كابل المزدوج الحراري، مع توضيح لون الغلاف الخارجي ولون كل سلك على حدة. يُمثّل لون الخلفية لون جسم الوصلة.

النوع	نطاق درجة الحرارة (°س)				فئة التحمل (°س)		رمز اللون
	الوصلة		قصير الأجل		1	2	IEC^[4]	BS	ANSI
	منخفض	مرتفع	منخفض	مرتفع	1	2	IEC^[4]	BS	ANSI
K	0	+1100	−180	+1370	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075×T
J	0	+750	−180	+800	−40 – 375: ±1.5 375 – 750: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 750: ±0.0075×T
N	0	+1100	−270	+1300	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075×T
R	0	+1600	−50	+1700	0 – 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025×T			غير محدد
S	0	+1600	−50	+1750	0 – 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025×T			غير محدد
B	+200	+1700	0	+1820	غير متوفر	600 – 1700: ±0.0025×T	غير قياسي	غير قياسي	غير محدد
T	−185	+300	−250	+400	−40 – 125: ±0.5 125 – 350: ±0.004×T	−40 – 133: ±1.0 133 – 350: ±0.0075×T
E	0	+800	−40	+900	−40 – 375: ±1.5 375 – 800: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 900: ±0.0075×T
Chromel/AuFe	−272	+300	N/A	N/A	إمكانية إعادة الإنتاج 0.2% من الجهد الكهربائي. يحتاج كل مستشعر إلى معايرة فردية.

عزل المزدوج الحراري

مزدوج حراري نموذجي منخفض التكلفة من النوع كي (مع وصلة كهربائية قياسية من النوع كي). مع أن الأسلاك قادرة على العمل بكفاءة في درجات حرارة عالية، إلا أن العازل البلاستيكي يبدأ بالتلف عند درجة حرارة 300°س.

عزل الأسلاك

يجب أن تكون الأسلاك المكونة للمزدوج الحراري معزولة عن بعضها البعض في كل مكان، باستثناء نقطة الاستشعار. أي اتصال كهربائي إضافي بين الأسلاك، أو اتصال سلك بأجسام موصلة أخرى، قد يُغير الجهد الكهربائي ويُعطي قراءة خاطئة لدرجة الحرارة.

جدول مواد العزل

نوع العزل	أقصى درجة حرارة مستمرة	أقصى قراءة فردية	مقاومة التآكل	مقاومة الرطوبة	المقاومة الكيميائية
شريط الميكا-الزجاج	649 °س/1200 °ف	705 °س/1300 °ف	جيدة	متوسطة	جيدة
TFE tape, TFE–glass tape	649 °س/1200 °ف	705 °س/1300 °ف	جيدة	متوسطة	جيدة
جديلة الزجاج-السيليكا	871 °س/1600 °ف	1093 °س/2000 °ف	متوسطة	ضعيفة	ضعيفة
الجديلة الزجاجية المزدوجة	482 °س/900 °ف	538 °س/1000 °ف	جيدة	جيدة	جيدة
جديلة المينا-الزجاج	482 °س /900 °ف	538 °س/1000 °ف	متوسطة	جيدة	جيدة
لفافة الزجاج المزدوجة	482 °س/900 °ف	427 °س/800 °ف	متوسطة	جيدة	جيدة
جديلة زجاجية غير مشربة	482 °س/900 °ف	427 °س/800 °ف	ضعيفة	ضعيفة	متوسطة
Skive TFE tape, TFE–glass braid	482 °س/900 °ف	538 °س/1000 °ف	جيدة	ممتازة	ممتازة
جديلة القطن المزدوجة	88 °س/190 °ف	120 °س/248 °ف	جيدة	جيدة	ضعيفة
"زجاج S" مع رابط	704 °س/1300 °ف	871 °س/1600 °ف	متوسطة	متوسطة	جيدة
ألياف خزف نكستل	1204 °س/2200 °ف	1427 °س/2600 °ف	متوسطة	متوسطة	متوسطة
پولي‌ڤينيل/نايلون	105 °س/221 °ف	120 °س/248 °ف	ممتازة	ممتازة	جيدة
پولي‌ڤينيل	105 °س/221 °ف	105 °س/221 °ف	جيدة	ممتازة	جيدة
نايلون	150 °س/302 °ف	130 °س/266 °ف	ممتازة	جيدة	جيدة
پي ڤي سي	105 °س/221 °ف	105 °س/221 °ف	جيدة	ممتازة	جيدة
FEP	204 °س/400 °ف	260 °س/500 °ف	ممتازة	ممتازة	ممتازة
TFE ملفوف ومندمج	260 °س/500 °ف	316 °س/600 °ف	جيدة	ممتازة	ممتازة
كاپتون	316 °س/600 °ف	427 °س/800 °ف	ممتازة	ممتازة	ممتازة
تفزل	150 °س/302 °ف	200 °س/392 °ف	ممتازة	ممتازة	ممتازة
PFA	260 °س/500 °ف	290 °س/550 °ف	ممتازة	ممتازة	ممتازة
T300*	300 °س	–	جيدة	ممتازة	ممتازة

قد تختلف تصنيفات درجات الحرارة الخاصة بمواد العزل المستخدمة في كابلات المزدوجات الحرارية تبعاً للتركيب الكلي للكابل. فالعزل لا يُقيّم فقط بناءً على مادته الأساسية، بل أيضاً وفقاً لتفاعله مع باقي مكونات الكابل، مثل الأغلفة الواقية والوصلات المعدنية. وقد تؤثر هذه التراكيب مجتمعة على قدرة الكابل على تحمّل درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة، وكذلك على مقاومته للعوامل البيئية مثل الرطوبة أو المواد الكيميائية. ولذلك، تُحدَّد تصنيفات العزل الحراري بدقة وفقاً لتطبيق الكابل وظروف التشغيل الفعلية.

ملاحظة: T300 هي مادة جديدة عالية الحرارة اعتمدتها UL مؤخراً لدرجات حرارة تشغيل تبلغ 300°س.

التطبيقات

تُعد المزدوجات الحرارية أدوات مثالية لقياس درجات الحرارة عبر نطاق واسع للغاية، يمتد من نحو -270°س (قريب من الصفر المطلق) وحتى 3000°س، وذلك لفترات قصيرة وفي ظل ظروف مناسبة.^[5]

تشمل تطبيقات المزدوجات الحرارية مجالات متعددة، من أبرزها قياس درجات حرارة الأفران الصناعية، وعوادم العنفات الغازية، ومحركات الديزل، بالإضافة إلى مجموعة واسعة من العمليات الصناعية وآلات توليد الضباب. وتُفضَّل المزدوجات الحرارية في هذه الحالات نظراً لقدرتها على تحمّل درجات حرارة مرتفعة واستجابتها السريعة للتغيرات الحرارية. ومع ذلك، فإنها أقل ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب قياس فروق دقيقة في درجات الحرارة، خصوصًا ضمن النطاق 0-100°س بدقة 0.1°س أو أعلى. ففي مثل هذه الحالات، يُفضل استخدام أدوات أكثر دقة واستقراراً، مثل المقاومات الحرارية، ومستشعرات درجة الحرارة ذات فجوة نطاق السليكون، ومقاييس الحرارة المقاومة، والتي توفر استجابة خطية واستقراراً أعلى عند درجات الحرارة المنخفضة.

صناعة الصلب

تُستخدم المزدوجات الحرارية من الأنواع B وS وR وK على نطاق واسع في صناعات الحديد والصلب، حيث تُعد أداة أساسية لمراقبة درجات الحرارة والتركيب الكيميائي في مختلف مراحل عملية تصنيع الصلب. وتكمن أهمية هذه الأنواع في قدرتها على تحمّل درجات حرارة عالية ودقتها في البيئات الصناعية القاسية. على وجه الخصوص، تُستخدم المزدوجات الحرارية من النوع S، التي تكون عادة أحادية الاستخدام وقابلة للغمر، بشكل منتظم في عمليات فرن القوس الكهربائي لقياس درجة حرارة الصلب المنصهر بدقة قبل عملية الصب. كما يمكن سحب عينة صغيرة من الصلب وتحليل منحنى التبريد الخاص بها، مما يسمح بتقدير محتوى الكربون في الصلب المنصهر.

سلامة أجهزة الغاز

مزدوج حراري (الأنبوب الموجود في أقصى اليمين) داخل مجموعة الموقد في سخان ماء.

وصلة مزدوج حراري في أجهزة الغاز. الطرف الكروي (نقطة التلامس) على اليسار معزول عن الوصلة بواسطة حلقة عازلة. يتكون خط المزدوج الحراري من سلك نحاسي، وعازل، وغلاف معدني خارجي (عادةً نحاسي) يُستخدم أيضاً كمؤرض.^[6]

انظر أيضاً

المراجع

^ "Thermocouple temperature sensors". Temperatures.com. Archived from the original on 2008-02-16. Retrieved 2007-11-04.
^ Ramsden, Ed (September 1, 2000). "Temperature measurement". Sensors. Archived from the original on 2010-03-22. Retrieved 2010-02-19.
^ "Technical Notes: Thermocouple Accuracy". IEC 584-2(1982)+A1(1989). Retrieved 2010-04-28.
^ IEC 60584-3:2007
^ Pollock, Daniel D. (1991). Thermocouples: Theory and Properties. CRC Press. pp. 249–. ISBN 978-0-8493-4243-1.
^ Flammable Vapor Ignition Resistant Water Heaters: Service Manual (238-44943-00D) (PDF). Bradford White. pp. 11–16. Retrieved 11 June 2014.

وصلات خارجية

جداول بيانات المزدوجات الحرارية

جداول نصية: NIST ITS-90 Thermocouple Database (B, E, J, K, N, R, S, T)
جداول PDF:‏ J K T E N R S B
Python باقة thermocouples_reference تضم منحنيات مميزة للعديد من أنواع المزدوجات الحرارية.
R باقة [1] لقياس درجة الحرارة باستخدام مزدوجات حرارية، RTD و IC Sensors.
جدول بيانات: Thermocouple wire sizes

?

[tcs_html-1] "Thermocouple temperature sensors". Temperatures.com. Archived from the original on 2008-02-16. Retrieved 2007-11-04.

[Ramsden2000-2] Ramsden, Ed (September 1, 2000). "Temperature measurement". Sensors. Archived from the original on 2010-03-22. Retrieved 2010-02-19.

[tctable.html-3] "Technical Notes: Thermocouple Accuracy". IEC 584-2(1982)+A1(1989). Retrieved 2010-04-28.

[4] IEC 60584-3:2007

[Pollock1991-5] Pollock, Daniel D. (1991). Thermocouples: Theory and Properties. CRC Press. pp. 249–. ISBN 978-0-8493-4243-1.

[6] Flammable Vapor Ignition Resistant Water Heaters: Service Manual (238-44943-00D) (PDF). Bradford White. pp. 11–16. Retrieved 11 June 2014.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]