ما هو المزدوج الحراري وحساس PT100؟ الأنواع واختيار الحساس المناسب

لماذا يُعد حساس الحرارة مهمًا؟

السخان ينتج الحرارة فقط؛ أما الحفاظ على درجة الحرارة المستهدفة فيعتمد على نظام التحكم الذي يشغّل القدرة ويفصلها وفق القيمة المقاسة. وإذا اختير الحساس خطأً أو رُكِّب في موضع خاطئ، تتجاوز درجة الحرارة الهدف أو تبقى دونه، وقد يسخن السخان بإفراط وتتدهور جودة المنتج.

لذلك يجب اختيار الحساس والسخان وجهاز التحكم في درجة الحرارة معًا. ويجب ضبط مدخل جهاز التحكم وفق نوع الحساس المستخدم.

ما هو المزدوج الحراري وكيف يعمل؟

يتكون المزدوج الحراري (الثرموكبل) من سلكين من معدنين مختلفين موصولين عند أحد طرفيهما. وعندما تسخن نقطة الوصل (طرف القياس) ينشأ بين السلكين جهد صغير يتناسب مع فرق درجة الحرارة. وتُسمى هذه الظاهرة تأثير زيبك (Seebeck)، والجهد الناتج من رتبة الميلي فولت.

لا يقيس المزدوج الحراري درجة الحرارة المطلقة، بل الفرق بين طرف القياس ونقطة المرجع التي يتصل عندها السلكان بالجهاز. ولهذا تقيس أجهزة التحكم درجة حرارة نقطة المرجع بشكل منفصل وتُجري التصحيح؛ ويُسمى ذلك تعويض الوصلة الباردة.

من نقاط قوة المزدوج الحراري نطاق درجات الحرارة الواسع، والبنية المتينة، وإمكانية تصنيعه بأقطار صغيرة، والاستجابة السريعة. أما نقطة ضعفه فهي دقة أقل مقارنةً بـ PT100 في الظروف نفسها، والميل إلى الانحراف (drift) مع الوقت.

أنواع المزدوج الحراري: J وK وغيرهما

تُسمى أنواع المزدوجات الحرارية بحروف حسب زوج المعادن المستخدم، وهي معرّفة في المعيار IEC 60584. وأكثرها شيوعًا في التسخين الصناعي:

• النوع J (حديد – نحاس-نيكل): نوع اقتصادي يُستخدم عمومًا حتى نحو 750 °C، وهو شائع في ماكينات معالجة البلاستيك. والسلك الحديدي عرضة للصدأ في الأوساط الرطبة.
• النوع K (نيكل-كروم – نيكل-ألومنيوم): نوع للأغراض العامة؛ يُستخدم في الأفران وتطبيقات الحرارة العالية حتى نحو 1100 °C. وهو مقاوم للأوساط المؤكسدة.
• النوع T (نحاس – نحاس-نيكل): يُفضَّل لدرجات الحرارة المنخفضة وما دون الصفر.
• النوع N: بديل أكثر استقرارًا في درجات الحرارة العالية ضمن نطاق قريب من النوع K.
• الأنواع R وS وB: أنواع مرتفعة التكلفة من سبائك البلاتين-روديوم تُستخدم لدرجات الحرارة العالية جدًا.

النطاقات المذكورة قيم عامة؛ ويتغير الحد الفعلي حسب قطر السلك ومادة الغلاف والوسط. ويجب أن يكون كابل التمديد أو التعويض بين المزدوج الحراري وجهاز التحكم من نوع المزدوج الحراري نفسه وأن تُوصَّل أقطابه بشكل صحيح؛ فالكابل من نوع مختلف يفسد القياس. ولأن رموز ألوان الكابلات تختلف باختلاف المعيار (مثل IEC وANSI)، يجب الاعتماد على حرف النوع لا على اللون.

ما هو حساس PT100 وكيف يعمل؟

حساس PT100 مقياس حرارة بالمقاومة (RTD). فالمقاومة الكهربائية لعنصر من البلاتين تزداد بانتظام مع ارتفاع درجة الحرارة: تبلغ مقاومة PT100 عند 0 °C قيمة 100 Ω، وترتفع عند 100 °C إلى نحو 138.5 Ω. ويحسب جهاز التحكم درجة الحرارة بقياس هذه المقاومة. أما PT1000 فهو الإصدار الذي يعمل بالمبدأ نفسه وتبلغ مقاومته 1000 Ω عند 0 °C.

فئات دقة عناصر PT100 معرّفة في المعيار IEC 60751 (مثل AA وA وB وC). وأكثرها استخدامًا في الصناعة الفئتان B وA.

تتمثل نقاط قوة PT100 في الدقة العالية وقابلية التكرار والاستقرار طويل الأمد. وفي المقابل فإن بنيته أكثر حساسية من المزدوج الحراري، وهو أكثر تأثرًا بالاهتزاز، ونطاق استخدامه أضيق. وتقع معظم التطبيقات الصناعية بين نحو −50 °C و400 °C؛ ونطاقات أوسع ممكنة حسب البنية.

التوصيل بسلكين وثلاثة وأربعة أسلاك في PT100

لأن PT100 يقيس المقاومة، فإن مقاومة كابلات التوصيل نفسها تُضاف إلى القياس. ولإدارة هذا التأثير تُستخدم ثلاث طرق توصيل:

• سلكان: أبسط توصيل؛ تتحول فيه مقاومة الكابل مباشرةً إلى خطأ في القياس. وهو للتطبيقات ذات الكابلات القصيرة والدقة المنخفضة.
• ثلاثة أسلاك: يعوّض مقاومة الكابل إلى حد كبير؛ وهو الحل الأكثر شيوعًا في التطبيقات الصناعية.
• أربعة أسلاك: يلغي تأثير مقاومة الكابل؛ ويُستخدم في المختبرات والقياسات التي تتطلب دقة عالية.

يجب التحقق من طريقة التوصيل التي يدعمها جهاز التحكم قبل طلب الحساس.

المزدوج الحراري أم PT100؟

الحساسان ليسا بديلين أحدهما عن الآخر، بل إجابتان عن احتياجات مختلفة. وكدليل عام:

• درجات الحرارة العالية (فوق نحو 400 °C)، وقياس الأفران والأسطوانات: المزدوج الحراري.
• المساحات الضيقة، والقطر الصغير، والاستجابة السريعة: مزدوج حراري رفيع القطر.
• التحكم الدقيق في العمليات، وخزانات الأغذية والكيماويات، ودرجات الحرارة المنخفضة: PT100.
• الأوساط المعرضة للاهتزاز والصدمات: مزدوج حراري معزول معدنيًا (mineral insulated).
• مسافات الكابلات الطويلة: PT100 بثلاثة أو أربعة أسلاك، أو محوّل إشارة (transmitter).

يتوقف الاختيار النهائي على نطاق القياس والدقة المطلوبة وموضع التركيب وجهاز التحكم.

بنية الحساس وتركيبه

لا تقل أهمية الموضع الذي يقيسه الحساس عن دقة قياسه. وأهم النقاط التي تجب مراعاتها في تطبيقات التسخين:

• الموضع: يجب تركيب الحساس بين السخان والمنطقة المراد التحكم فيها. فالحساس القريب جدًا من السخان يقيس السخان نفسه، والبعيد جدًا يقيس قيمة متأخرة.
• التلامس: يجب أن يستقر طرف الحساس في تجويفه استقرارًا تامًا؛ ففجوة الهواء تبطئ الاستجابة. وتساعد الأجسام النابضية والملولبة على الحفاظ على التلامس.
• نوع الجسم: تُختار حساسات القضيب، والملولبة (بوصلة)، وذات التثبيت الحِرابي (bayonet) النابضي، وحساسات السطح اللاصقة حسب التطبيق.
• طرف القياس: في المزدوج الحراري يستجيب الطرف المؤرَّض أسرع؛ أما الطرف غير المؤرَّض (المعزول) فهو أكثر أمانًا أمام الضوضاء الكهربائية وأخطاء القياس الناتجة عن تسربات الأرضي.
• الحساس المدمج: يمكن تركيب مزدوج حراري من النوع J أو K داخل بعض سخانات الخرطوشة؛ ويُستخدم هذا الحل لمراقبة درجة حرارة السخان نفسه.

لخيارات المنتجات راجع صفحة المزدوجات الحرارية وحساسات الحرارة ومقابسها، ويمكنك طلب مجموعة حساس وتحكم متوافقة مع السخان.

تتقادم الحساسات مع الوقت. وقد تنحرف قيمة المزدوجات الحرارية العاملة باستمرار في درجات حرارة عالية؛ لذلك يُوصى في العمليات الحرجة بإجراء مقارنة دورية والاحتفاظ بحساس احتياطي. وعند استبدال حساس، فإن تركيب حساس من النوع نفسه وبالقطر نفسه وطول الغمر نفسه يضمن عدم تغير نقطة القياس.

الأسئلة الشائعة