شرح الحساس الحراري – أنواعه وكيف يعمل

يلعب الحساس الحراري دورًا حيويًا في القياس الدقيق لدرجة الحرارة في مختلف المجالات. يستخدم على نطاق واسع في الصناعة و الأجهزة الإلكترونية وأنظمة تكييف الهواء والتدفئة، وكذلك في العديد من المجالات الأخرى. تقوم هذه الحساسات الحرارية بتحويل التغيرات في درجات الحرارة إلى إشارات كهربائية يمكن تحليلها واستخدامها لاتخاذ الإجراء المناسب.

في هذا المقال، سوف نستكشف كيفية عمل المستشعرات الحرارية، وفائدتها في الكشف عن درجة الحرارة، وأنواع الحساسات المختلفة المتاحة. سنناقش أيضًا التطبيقات الشائعة لأجهزة الاستشعار الحرارية وأهميتها في مراقبة درجة الحرارة والتحكم فيها بشكل أفضل.

ما هو الحساس الحراري؟

حساس الحرارة أو المستشعر الحراري (باللغة الإنجليزية: Temperature Sensor) هو جهاز يقيس درجة الحرارة عن طريق تحويل التغيرات في درجات الحرارة إلى إشارات كهربائية. يتم استخدامه لمراقبة درجة الحرارة والتحكم فيها في مختلف التطبيقات. تكتشف هذه الحساسات تغيرات درجة الحرارة وتولد إشارات كهربائية تعبر عن درجة الحرارة التي تم قياسها. ثم تُستخدم هذه الإشارات لعرض درجة الحرارة، وتنظيم أنظمة التدفئة أو تكييف الهواء على سبيل المثال، أو لأداء مهام أخرى تتطلب قياسًا دقيقًا لدرجات الحرارة. تستخدم حساسات الحرارة هذه على نطاق واسع في مجالات مثل الصناعة والتشغيل الآلي للمنزل والطب للحفاظ على الظروف المثلى والحفاظ على تشغيل الأنظمة بسلاسة.

مكونات الحساس الحراري

تعمل مكونات حساس الحرارة معًا لقياس ونقل تغيرات درجات الحرارة بدقة للمراقبة أو التحكم أو التحليل. من المهم ملاحظة أن الحساسات الحرارية قد تحتوي على تكوينات ومكونات محددة اعتمادًا على تطبيقاتها الخاصة. يمكن أن تختلف المكونات الرئيسية للحساس الحراري حسب النوع المستخدم. ومع ذلك، فيما يلي بعض المكونات الرئيسية الموجودة في العديد من الحساسات الحرارية:

• عنصر استشعار درجة الحرارة: (Temperature Sensing Element) هو العنصر الذي يستشعر التغيرات في درجة الحرارة ويولد إشارة كهربائية استجابة لذلك. اعتمادًا على نوع الحساس، يمكن أن يكون مزدوج حراري أو مقاوم حراري (NTC أو PTC) أو كاشف درجة حرارة المقاومة (RTD) أو عنصر حساس آخر.

• دائرة تكييف الإشارة: تعالج هذه الدائرة الإشارة الكهربائية الناتجة عن العنصر الحساس لدرجة الحرارة لجعلها قابلة للاستخدام. يمكنه تضخيم الإشارة أو ترشيحها أو تحويلها إلى شكل أكثر ملاءمة لتطبيق المستشعر المحدد.

• الوصلة الباردة: هذا الجزء من الحساس يعتبر مرجع ثابت لدرجة الحرارة يستخدم في جهاز حساس حراري للحصول على قياسات دقيقة وتعويض التغيرات في درجة الحرارة المحيطة. 

• الموصلات: عادة ما تكون الحساس الحراري مجهز بموصلات للسماح بالاتصال السهل بالأجهزة أو الأنظمة الأخرى. 

• الإطار الخارجي: عبارة عن علبة تحتوي على المكونات الداخلية وتوفر الحماية الميكانيكية والبيئية. يمكن أن تكون مصنوعة من مواد مختلفة مثل البلاستيك أو المعدن أو السيراميك ، حسب متطلبات التطبيق.

• الأسلاك: تضمن الأسلاك الداخلية لجهاز الاستشعار الاتصال بين المكونات المختلفة وتسمح بنقل الإشارة الكهربائية إلى الأجهزة أو الأنظمة الأخرى.

كيف يعمل حساس درجة الحرارة؟

يعتمد مبدأ عمل الحساس الحراري (Sensor thermal) على نوع الحساس المستخدم أو الموديل. بشكل عام، إليك كيفية عمل مستشعر درجة الحرارة:

المزدوج الحراري 

المزدوجة الحرارية (Thermocouple) “الثيرموكبل” مصنوعة من سلكين معدنيين مختلفين ملحومين معًا في أحد طرفيه لتشكيل تقاطع. عندما تتغير درجة حرارة الوصلة، ينشأ فرق جهد ، يسمى القوة الدافعة الكهربائية (EMF)، بين الأسلاك. يتناسب هذا المجال الكهرومغناطيسي مع فرق درجة الحرارة بين تقاطع القياس والتقاطع المرجعي.

مقاومات المحولات (RTDs)

RTDs هي مقاومات تتغير في القيمة مع درجة الحرارة. أجهزة RTD الأكثر استخدامًا مصنوعة من البلاتين وتسمى PT100. عندما تزداد درجة الحرارة ، تزداد مقاومة PT100 خطيًا. يتم قياس هذا التغيير في المقاومة لتحديد درجة الحرارة.

الثيرمستور

الثرموستات عبارة مقاومات تتغير قيمتها مع درجة الحرارة. عادة ما تكون مصنوعة من مواد السيراميك أو البوليمر. تُظهر الثرمستورات NTC (معامل درجة الحرارة السالب) انخفاضًا في المقاومة مع زيادة درجة الحرارة ، بينما تُظهر الثرمستورات PTC (معامل درجة الحرارة الموجب) زيادة في المقاومة مع زيادة درجة الحرارة.

حساسات الأشعة تحت الحمراء

تقيس درجة الحرارة عن طريق الكشف عن الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الجسم. يستخدمون كاشفات حساسة للأشعة تحت الحمراء لتحويل الإشعاع الحراري إلى إشارة كهربائية ، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى قياس درجة الحرارة.

في جميع هذه الأنواع من أجهزة الاستشعار ، تتم معالجة الإشارة الكهربائية المتولدة استجابة لدرجة الحرارة بواسطة دائرة إلكترونية يمكنها تضخيمها وتحويلها إلى قيمة رقمية وعرضها على شاشة أو نقلها إلى الآخرين.

أنواع الحساسات الحرارية

• NTC sensors: مستشعر حراري يستخدم مقاومة حرارية سالبة (NTC) تختلف قيمتها الأومية وفقًا لدرجة الحرارة.
• حساس التدفق الحراري: مستشعر يقيس تدفق الحرارة عن طريق توليد إشارة كهربائية تتناسب مع معدل الحرارة المطبق على سطح الجهاز.

الحساس التقاربي

الحساس التقاربي هو جهاز إلكتروني مصمم لاكتشاف وجود الأشياء القريبة دون اتصال مادي مباشر. يستخدم تقنيات مختلفة مثل الحساسات بالموجات فوق الصوتية أو أجهزة الاستشعار السعوية  لاكتشاف اختلافات المجال أو المسافة أو الكائن. يستخدم هذا الحساس  في العديد من المجالات، مثل السيارات والإلكترونيات الاستهلاكية وأنظمة الأمان والتطبيقات الصناعية، لاكتشاف وجود الأشياء أو قياس المسافات أو تنشيط الأجهزة.الميزات القائمة على التقارب. إنها توفر استشعارًا دقيقًا وسريع الاستجابة وغير متصل، مما يجعلها متعددة الاستخدامات ومناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات.

الناقل الحراري

يسمى أيضًا معامل نقل الحرارة، هو مادة تستخدم لنقل الحرارة من مصدر إلى آخر. عادة ما يكون سائلًا أو غازًا يتدفق عبر نظام لامتصاص الحرارة من منطقة ما ونقلها إلى منطقة أخرى. تستخدم ناقلات الحرارة في العديد من المجالات ، مثل التدفئة وتكييف الهواء والتبريد وأنظمة نقل الحرارة العملية. إنها تساعد في الحفاظ على درجات حرارة ثابتة، وتحافظ على برودة المعدات، وتنقل الحرارة بكفاءة من مكان إلى آخر. بعض الأمثلة الشائعة على ناقلات الحرارة هي الماء والزيت الحراري والأمونيا وثاني أكسيد الكربون وما إلى ذلك.

تطبيقات الحساس الحراري

يستخدم حساس الحرارة على نطاق واسع في العديد من التطبيقات لقياس درجة الحرارة والتحكم فيها. فيما يلي بعض الأمثلة الشائعة لتطبيقات أجهزة الاستشعار الحرارية:

• التحكم في درجة الحرارة في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء.
• مراقبة درجة الحرارة في صناعة الأغذية لضمان سلامة الأغذية وجودتها.
• التحكم في درجة الحرارة في أنظمة تبريد المحرك والمركبة.
• استخدامها في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية لإنتاج الطاقة المتجددة.
• قياس درجة حرارة الجسم في موازين الحرارة الطبية.
• يستخدم في البحث العلمي لدراسة العمليات الحرارية وتوصيف المواد.
• مراقبة التفاعلات الكيميائية في المختبرات.
• تستخدم في أجهزة المطبخ لطهي الطعام بدقة.
• التحكم في درجة الحرارة في أنظمة التبريد والتجميد.
• مراقبة درجة الحرارة في البيئات الحساسة مثل المختبرات والمستودعات.

علاقة القاطع الكهربائي بالحساس الحراري

القاطع الحراري الحساس هو جهاز وقائي يراقب تدفق التيار الكهربائي في الدائرة. عندما يكتشف تيارًا مرتفعًا بشكل غير طبيعي، فإنه يقوم تلقائيًا بتشغيل وقطع تدفق الكهرباء لمنع تلف المعدات الكهربائية أو خطر نشوب الحريق أو حدوث مشاكل متعلقة بالتطبيق.

من ناحية أخرى ، تم تصميم الحساس الحراري لاكتشاف التغيرات في درجات الحرارة. يمكن دمجها في قاطع الدائرة لمراقبة درجة حرارة التشغيل للدائرة الكهربائية. عندما تتجاوز درجة الحرارة قيمة محددة مسبقًا، يرسل المستشعر الحراري إشارة إلى قاطع الدائرة للقيام بآلية الحماية الخاصة به.

وبالتالي، فإن العلاقة بين القاطع الكهربائي وحساس الحرارة هي علاقة حماية. يراقب المستشعر الحراري درجة حرارة الدائرة الكهربائية، بينما يتفاعل قاطع الدائرة إذا تم تجاوز درجة الحرارة القصوى المسموح بها، عن طريق قطع التيار الكهربائي لتجنب خطر ارتفاع درجة الحراره والتلف.

حساس الحرارة في الثلاجة

من المأكد أنه يوجد حساس الحرارة داخل كل الثلاجة، وذلك لقياس درجة الحرارة المحيطة. يمكن أن يكون حساسا حراريًا لأشباه الموصلات، مثل الثرمستور أو الزوج الحراري، والذي يحول تغيرات درجة الحرارة إلى إشارات كهربائية.

بمجرد أن يكتشف الحساس الحراري (Heat detector) درجة حرارة عالية، فإنه يرسل هذه المعلومات إلى جهاز التحكم الحراري، مثل منظم الحرارة. ثم يقارن منظم للحرارة درجة الحرارة المقاسة بدرجة الحرارة المحددة مسبقًا والمطلوبة ويتحكم في تشغيل ومراقبة نظام التبريد وفقًا لذلك، حتى يتسنى للناس ضمان الحفاظ على الطعام وتخزينه.

خاتمة

يلعب الحساس الحراري دورًا حيويًا في قياس درجة الحرارة والتحكم فيها في التطبيقات المختلفة. إنها تسمح بتحويل التغيرات في درجات الحرارة إلى إشارات كهربائية ، مما يسمح بمراقبة دقيقة لدرجة الحرارة وعرضها والتحكم فيها. ينتشر استخدامها على نطاق واسع في العديد من المجالات مثل الصناعة والأتمتة المنزلية والطب والأجهزة الإلكترونية. بفضل خصائصها وموثوقيتها، تساعد الحساسات الحرارية في الحفاظ على الظروف المثلى، وضمان سلامة النظام وتحسين كفاءة الطاقة.