الازدواج الحراري هو جهاز كهربائي يتألف من موصلين كهربائيين غير متطابقين يشكلان تقاطعا كهربائيا. ينتج الازدواج الحراري جهدا يعتمد على درجة الحرارة نتيجة التأثير الكهروضوئي. يمكن استخدام هذا الجهد لقياس درجة الحرارة. تستخدم الازدواجات الحرارية على نطاق واسع كأجهزة استشعار للحرارة في مختلف التطبيقات .
مميزات المزدوجات الحرارية
المزدوجات الحرارية التجارية غير مكلفة، وهي متغيرة ومرفقة بالموصلات القياسية، وتستطيع قياس مجموعة واسعة من درجات الحرارة، وعلى عكس الأساليب الأخرى لقياس درجة الحرارة، فإن المزدوجات تعمل بالطاقة الذاتية ولا تحتاج إلى أجهزة خارجية، وتستخدم المزدوجات الحرارية على نطاق واسع في العلوم والصناعة، وتشمل التطبيقات مثل قياس درجة حرارة الأفران وعوادم التوربينات الغازية ومحركات الديزل وعمليات صناعية أخرى، وتستخدم أيضا المزدوجات الحرارية في المنازل والمكاتب والشركات كأجهزة استشعار للحرارة في أنظمة التدفئة وكأجهزة استشعار للهب في أجهزة السلامة للأجهزة التي تعمل بالغاز .
كيف يعمل المزدوج الحراري
المزدوج الحراري هو جهاز استشعار بسيط وقوي وفعال من حيث التكلفة يستخدم في مجموعة واسعة من عمليات قياس درجة الحرارة، ويتكون من نوعين مختلفين من المعادن يتم ضمهما معا في نهاية واحدة، عند تسخين أو تبريد المعادن يتم إنشاء جهد يمكن ربطه بدرجة الحرارة، ويتم تصنيع المزدوجات الحرارية باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب، مثل المزدوج الحراري ذو المجسات، المزدوج الحراري بالموصلات، المزدوج الحراري المشترك، المزدوج الحراري للأشعة تحت الحمراء، وغيره .
عند ربط سلكين مكونين من معادن مختلفة في كلا الطرفين وتسخين أحد الطرفين، يتدفق تيار كهربائي مستمر في الدائرة الحرارية، ويتم إنتاج جهد يمكن ربطه مرة أخرى عند تسخين أو تقاطع مفصلين بدرجة الحرارة .
ما هو تأثير سيبك SEEBECK
في عام 1821، اكتشف توماس سيبك تدفق الكهروضوئي المستمر عند ربط سلكين من المعادن المختلفة في كلا الطرفين وتسخين أحد الطرفين. يستخدم هذا التأثير في المزدوجات الحرارية المستخدمة على نطاق واسع في تطبيقات متنوعة. ومع ذلك، من الضروري فهم بنيتها ووظائفها ونطاقاتها بشكل جيد لتحديد المزدوج الحراري المناسب والمواد الحرارية الأفضل .
عناصر تصميم المزدوج الحراري
تتألف أجهزة الاستشعار الحرارية المزدوجة من عدة مكونات، بما في ذلك الأسلاك التي تسمى العناصر الحرارية، والعزل، والغمد، وختم الطرف، ووسيلة التوصيل مثل أسلاك التمديد والموصلات وغيرها. ويتم توصيل الأسلاك معا على طرف واحد لتشكيل التقاطع. ويجب توصيل المستشعر بجهاز القراءة الذي يعوض درجة الحرارة المرجعية. وتشتمل أنواع المزدوجات الحرارية على J و K و T و E و N والتي تسمى مزدوجات “المعادن الأساسية”، وأنواع R و S و B والتي تسمى مزدوجات “المعادن النبيلة”، بالإضافة إلى النوعين C و D والتي تسمى المعادن الحرارية .
ما هو ثابت الوقت في المزدوجات الحرارية
تم تعريف ثابت الوقت على أنه الوقت الذي يتطلبه مستشعر درجة الحرارة للوصول إلى 63.2٪ من التغير في درجة الحرارة في ظل مجموعة محددة من الظروف، وهناك حاجة إلى ثوابت زمنية خمسة حتى يقترب المستشعر من 100٪ من قيمة التغيير، ويوفر التقاطع الحراري المكشوف أسرع استجابة، ومع ذلك عليك أن تدرك أنه في بعض الأحيان لا يستطيع غمد المجس أن يتحمل نطاق درجات الحرارة الكامل .
تأثير بلتيير
يعكس تأثير بلتيير تأثير سيبك، ويشير هذا التأثير إلى إمكانية تشكيل فرق في درجة الحرارة بين أي موصلين مختلفين من خلال تطبيق تباين الجهد المحتمل بينهما .
تأثير تومسون
يشير هذا التأثير إلى أنه عندما يتم تثبيت معادن متباينة معا، وإذا كانت تشكل مفاصل، فإن الجهد يحفز طول الموصل الكلي بسبب درجة حرارة التدرج، وهذا يوضح التغير في معدل واتجاه درجة الحرارة في الموضع المحدد .
أنواع التقاطع في المزدوجات الحرارية
بناء المزدوج الحراري
يتكون المزدوج الحراري من سلكين مختلفين من المعادن متصلان معًا عند نهاية التقاطع، ويتم تصنيف نهاية التقاطع إلى ثلاثة أنواع: غير مؤرضة، ومثبتة، ومعروفة .
تقاطع غير مؤرض
في هذا النوع من الاتصالات، يتم فصل الموصلات تماما عن غطاء الحماية، وهذا النوع يستخدم بشكل أساسي في تطبيقات ذات الضغط العالي، والفائدة الرئيسية من استخدام هذه الوظيفة هي تقليل تأثير المجال المغناطيسي الشارد .
تقاطع مثبت
في هذا النوع من الوصلات، يتم توصيل الأسلاك المعدنية وغطاء الحماية معا، وتستخدم هذه الوظيفة لقياس درجة الحرارة في الجو الحمضي، وتوفر مقاومة للضوضاء .
تقاطع مكشوف
يُستخدَمُ التقاطع المكشوف في المناطق التي تتطلب استجابة سريعة، ويُستخدم هذا النوع من الوصلات لقياس درجة حرارة الغاز .
يعتمد حجم القوة الكهرومغناطيسية المحرضة في الدائرة على أنواع المواد المستخدمة في صنع المزدوجات الحرارية، ويتم احتساب التدفق الكامل للتيار عبر الدائرة باستخدام أدوات القياس، وتحسب القوة الكهرومغناطيسية المستحثة في الدائرة بالمعادلة التالية: E = a (∆Ө) + b (∆Ө) 2، حيث ∆Ө هو الفرق في درجة الحرارة بين نهاية الوصلة الحرارية المزدوجة ونهاية الوصلة الحرارية المزدوجة المرجعية، و a و b هما ثابتان .
مزايا وعيوب المزدوج الحراري
مزايا وعيوب المزدوج الحراري هي :
المزايا :
- يمكن استخدامها لقياس درجات الحرارة مباشرة حتى 2600درجة مئوية
- يمكن لمفصل المزدوج التقاطع والتلامس المباشر مع المادة المقاسة
- منخفضة التكلفة
- الدقة العالية
- هذه المادة قوية ويمكن استخدامها في بيئات مع اهتزازات عالية
- التفاعل الحراري سريع
- نطاق التشغيل لدرجة الحرارة واسع
العيوب :
1- يشمل قياس درجة الحرارة باستخدام المزدوج الحراري قياس درجتي حرارة، الوصلة الساخنة، والوصلة الباردة، ولتجنب الخطأ يتم تعويض درجة حرارة الوصلة الباردة بشكل عام في الأجهزة الإلكترونية عن طريق قياس درجة الحرارة في الكتلة الطرفية باستخدام أشباه الموصلات، الثرمستور، أو RTD .
تُعَتَبِرُ الأنشطة الحرارية ذات المصادر المحتملة للخطأ معقدة نسبيًا، وتتضمن المواد التي تنتج عنها الكابلات الحرارية عادةً موادًا غير خاملة، ويمكن للتآكل أن يؤثر على الجهد الكهربي الحراري الناتج على طول سلك الأسلاك الحرارية المزدوجة .
يجب تنظيف المرايا والزجاج في المنزل بشكل جيد، وتطهيرها بما يتناسب مع الضرورة، ويجب أيضًا تنظيف مقابض الأبواب ومفاتيح الإضاءة وتعقيمها جيدًا، خاصة في فصلي الأنفلونزا والبرد حيث تحتوي على الجراثيم بشكل كبير .