دليل مستشعر درجة الحرارة: الأنواع ومبادئ العمل وعوامل الاختيار

تعتبر درجة الحرارة واحدة من أكثر المتغيرات التي يتم قياسها بشكل متكرر في الصناعة، ومع ذلك فإن درجة الحرارة هي واحدة من أكثر المتغيرات التي يتم قياسها بشكل متكرر في الصناعة مستشعر درجة الحرارة غالبًا ما يتم اختياره في وقت متأخر من المشروع. لقد رأينا هذا النمط عدة مرات: يتم اختيار المسبار بعد تصميم الأنبوب أو الفرن أو الخزان أو لوحة التحكم. وتكون النتيجة عادةً حل وسط في سرعة الاستجابة أو ملاءمة التثبيت أو عمر الخدمة. النهج الأكثر عملية هو فهم ما يجب أن يفعله المستشعر، ثم مطابقة عنصر الاستشعار والحماية والتركيب وإخراج الإشارة مع المهمة.

ما يقيسه مستشعر درجة الحرارة فعليًا

مستشعر درجة الحرارة هو جهاز يحول الحالة الحرارية إلى إشارة يمكن قراءتها أو نقلها أو التحكم فيها. قد تكون هذه الإشارة قيمة مقاومة، أو جهدًا صغيرًا، أو حلقة تيار، أو قراءة رقمية. عنصر الاستشعار ليس سوى جزء واحد من القصة. في الاستخدام الصناعي، يتضمن المستشعر عادةً غلافًا واقيًا وعزلًا ورأس توصيل ووصلة عملية وأحيانًا جهاز إرسال متكامل.

ولهذا السبب يمكن لجهازين استشعار لهما نفس الدقة أن يعملا بشكل مختلف تمامًا. زمن الاستجابة يعتمد على الاتصال الشامل والحراري. يعتمد الاستقرار على المواد ودرجة حرارة التشغيل. تعتمد مدة الخدمة على التآكل والاهتزاز والرطوبة وعمق التثبيت. في تجربتنا، يمكن أن يكون المستشعر الذي يبدو صحيحًا على الورق مخيبًا للآمال إذا لم يكن التجميع مطابقًا لظروف العملية الفعلية.

أنواع أجهزة استشعار درجة الحرارة الرئيسية

تقع معظم قياسات درجة الحرارة الصناعية ضمن عدة عائلات: المزدوجات الحرارية، وكاشفات درجة الحرارة المقاومة، والثرمستورات، وأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء. موازين الحرارة ثنائية المعدن شائعة أيضًا للمؤشر المحلي، في حين أن أجهزة الاستشعار الرقمية المدمجة تخدم المعدات والتطبيقات المخبرية. كل نوع لديه توازن مختلف من النطاق والدقة والسرعة والتكلفة.

غالبًا ما يتم اختيار المزدوجات الحرارية للأفران وخطوط العادم والعمليات ذات درجات الحرارة المرتفعة لأنها تتحمل الحرارة والاهتزاز الشديدين. يُفضل استخدام RTDs عندما يكون الاستقرار والدقة مهمًا، خاصة في التطبيقات الصناعية الغذائية والصيدلانية والتحليلية وذات درجات الحرارة المنخفضة. تعتبر الثرمستورات مفيدة في المعدات المدمجة حيث تكون الحساسية أكثر أهمية من النطاق الواسع. تساعد أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء عندما يكون الاتصال غير عملي، ولكنها تحتاج إلى تصويب دقيق ورؤية واقعية للانبعاثية السطحية.

بالنسبة للمشروعات التي تحتاج إلى مرجع مقاومة مستقر، تعد الفئة A 316 RTD PT100 التي يتم توجيهها من المصنع مباشرة نقطة انطلاق عملية للعديد من المهام ذات درجات الحرارة المتوسطة.

مسبار مستشعر درجة الحرارة من الفئة A 316 RTD PT100 مسبار Pt100 مباشر من المصنع يغطي -200 إلى 450 درجة مئوية، بدقة من الفئة A وهيكل من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 لمرجع ثابت لمقاومة درجات الحرارة المتوسطة. عرض المنتج →

كيف تعمل أجهزة استشعار درجة الحرارة في الممارسة العملية

تستخدم المزدوجات الحرارية تأثير Seebeck: حيث ينتج معدنان مختلفان جهدًا صغيرًا عندما تكون وصلاتهما عند درجات حرارة مختلفة. توجد وصلة القياس في العملية، بينما تكون الوصلة المرجعية عادةً عند الأطراف أو داخل جهاز الإرسال. هذا هو سبب أهمية تعويض الوصل البارد. بدونها، يمكن أن تتغير القراءة عندما يسخن رأس الاتصال أو يبرد.

يعمل RTD بشكل مختلف. وترتفع مقاومتها بطريقة يمكن التنبؤ بها مع ارتفاع درجة الحرارة. على سبيل المثال، تبلغ مقاومة PT100 100 أوم عند درجة حرارة 0 درجة مئوية. نظرًا لأن تغيير المقاومة صغير، فقد تؤثر مقاومة الرصاص على الدقة. تساعد التوصيلات ثلاثية الأسلاك والأربعة أسلاك في التعويض عن مقاومة الكابلات. يغير الثرمستور أيضًا المقاومة مع درجة الحرارة، ولكن عادةً بطريقة أكثر انحدارًا وغير خطية على نطاق أضيق.

تقوم أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء بقراءة الإشعاع الحراري المنبعث من السطح. ولا يقومون بقياس درجة حرارة الهواء مباشرة، ولا يمكنهم الرؤية من خلال العوائق. تؤثر الابتعاثية وحجم الهدف والمسافة وانعكاس الخلفية على النتيجة. بالنسبة لجميع أنواع المستشعرات، تعد أسلاك الإشارة الجيدة والحماية والتأريض جزءًا من نظام القياس، وليست إضافات اختيارية.

• يستجيب عنصر الاستشعار لدرجة الحرارة.
• الغلاف يحمي العنصر ويوصل الحرارة.
• يحمي رأس التوصيل المحطات الطرفية والأسلاك.
• يقوم جهاز الإرسال أو جهاز التحكم بتحويل الإشارة إلى مخرج قابل للاستخدام.

عوامل الاختيار الأكثر أهمية من ورقة البيانات

توفر ورقة البيانات نقطة بداية مفيدة، ولكنها لا تصف عملية التثبيت بأكملها. قبل اختيار جهاز استشعار درجة الحرارة، تأكد مما يلي:

• نطاق درجة الحرارة: السماح بمساحة رأسية لبدء التشغيل أو التنظيف أو الاضطراب.
• الدقة والتكرار: قرر ما إذا كنت بحاجة إلى الدقة المطلقة أو بيانات الاتجاه المتسقة.
• وقت الاستجابة: يستجيب المسبار الرفيع بشكل أسرع، ولكنه قد يكون أقل خشونة.
• بيئة العملية: تحقق من التآكل والضغط والاهتزاز والرطوبة والغسل.
• عمق الغمر: يجب أن تصل منطقة الاستشعار إلى درجة حرارة العملية التمثيلية.
• تصاعد: تناسب تركيبات الخيوط أو الشفة أو المشبك أو المغناطيسية أو المضغوطة واجبات مختلفة.
• إخراج الإشارة: قم بمطابقة المستشعر مع وحدة التحكم أو PLC أو إدخال جهاز الإرسال.
• الوصول إلى الصيانة: خطة للفحص والاستبدال والمعايرة.

كما أنه يساعد على التفكير في تكلفة الاختيار الخاطئ. إن جهاز الاستشعار منخفض التكلفة الذي يتعطل مبكرًا يمكن أن يكلف أكثر بكثير من مجرد تجميع أفضل، خاصة عندما يتسبب في توقف العمل أو رفض دفعة.

مطابقة المستشعر للعملية

تطلب الصناعات المختلفة أشياء مختلفة عن مستشعر درجة الحرارة. في خدمة البتروكيماويات والغاز الطبيعي، قد تحتاج المجسات إلى أغلفة قوية وختم وحماية من الطقس أو الأجواء المسببة للتآكل. في الإنتاج الكيميائي والكيميائي اليومي، يعد التوافق مع الوعاء والأنابيب وروتين التنظيف أمرًا مهمًا. تتطلب الآلات الغذائية مجسات صحية وأسطحًا ناعمة ومواد تناسب الغسيل وملامسة المنتج. غالبًا ما تحتاج الأدوات التحليلية إلى أجهزة استشعار مدمجة وثابتة يمكن وضعها داخل حاوية صغيرة.

لدينا صفحات تطبيق الصناعة قم بتجميع هذه المتطلبات بحيث يبدأ الاختيار من العملية وليس من رقم الكتالوج. بالنسبة للأفران والأفران والمعدات ذات درجة الحرارة العالية، يعد مسبار الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع K المقدر بـ 1200 درجة مئوية خيارًا شائعًا عندما يكون الغلاف الجوي ومواد الغلاف مناسبة.

مستشعر مزدوج حراري من النوع K 1200 درجة مئوية للأفران الصناعية مسبار حراري من الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع K لاستشعار الأفران الصناعية ذات درجة الحرارة العالية، مع فئات التسامح المدرجة ونطاقات القياس للاختيار. عرض المنتج →

بالنسبة للعمل الغذائي والمختبري ذي درجة الحرارة المنخفضة، قد يكون المسبار PT100 أو PT1000 المزود بغمد من الفولاذ المقاوم للصدأ المخصص للطعام أكثر ملاءمة. لقياس السطح على الأنابيب أو اللفات، يمكن لأجهزة الاستشعار ذاتية اللصق أو المغناطيسية تبسيط عملية التثبيت. المفتاح هو مطابقة شكل المسبار مع السطح، وليس فرض مسبار قياسي على مكان حرج.

ملاحظات التثبيت والصيانة

تبدأ العديد من مشاكل قياس درجة الحرارة عند التثبيت. إن المسبار القصير جدًا، أو المفكوك جدًا، أو المغلق بشكل سيء لن يقوم بالإبلاغ عن درجة حرارة العملية بشكل موثوق. خذ بعين الاعتبار هذه النقاط العملية:

1. اغمر المسبار بعمق كافٍ للوصول إلى درجة حرارة العملية، مع الحفاظ على رأس التوصيل ضمن حدود درجة الحرارة الخاصة به.
2. استخدم مادة مانعة للتسرب أو حشية مناسبة، وتجنب الإفراط في ربط الخيوط المدببة.
3. قم بتوجيه كابلات الإشارة بعيدًا عن كابلات الطاقة واستخدم الحماية في الأماكن التي توجد بها ضوضاء كهربائية.
4. دعم المجسات الطويلة في الخدمة ذات الاهتزازات العالية، والتحقق من التعب عند اللحام أو الخيط.
5. عزل الأجزاء المكشوفة عندما تؤثر الظروف المحيطة على القراءة.
6. سجل قراءة خط الأساس وتحقق من المعايرة على فترات زمنية معقولة.

لا يلزم أن يكون المستشعر معقدًا ليكون موثوقًا به، ولكن يجب تركيبه بنفس العناية التي يتمتع بها الجهاز الذي يحميه.

إخراج الإشارة والتحكم فيها والمراقبة عن بعد

نادرًا ما يعمل مستشعر درجة الحرارة بمفرده. في حلقة التحكم الحديثة، يقوم المستشعر بتغذية جهاز الإرسال أو جهاز التحكم أو PLC أو نظام المراقبة عن بعد. يمكن لجهاز الإرسال المحلي المثبت في رأس الاتصال تقليل التقاط الضوضاء وتبسيط عملية توصيل الأسلاك. لا يزال الإخراج من 4 إلى 20 مللي أمبير مستخدمًا على نطاق واسع لأنه قوي على مدى تشغيل الكابلات الطويلة وسهل التكامل. تعد المخرجات الرقمية ووحدات التحكم في العرض مفيدة عندما تكون هناك حاجة إلى القراءة والتكوين المحلي.

يجب اختيار جهاز الإرسال وفقًا لنوع المستشعر ونطاقه وبيئته. يمكن لجهاز إرسال درجة الحرارة المتكامل والمعزول تمامًا أن يساعد في فصل دائرة القياس عن الحلقات الأرضية والتداخل الكهربائي، وهو أمر ذو قيمة في مشاريع التعديل التحديثي والمحطات المزعجة كهربائيًا.

جهاز إرسال درجة الحرارة المتكامل المعزول بالكامل جهاز إرسال بسلكين معزول تمامًا لمدخلات RTD والمزدوجة الحرارية والمقاومة والجهد، مما يوفر خرجًا يتراوح من 4 إلى 20 مللي أمبير للتركيبات الصاخبة أو التحديثية. عرض المنتج →

من ناحية التحكم، تلعب كل من وحدات التحكم PID، والمؤشرات التناظرية، ومقاييس الحرارة ثنائية المعدن دورًا مختلفًا. يجب أن تتطابق وحدة التحكم مع مدخلات المستشعر ونطاق درجة الحرارة والمخرجات المطلوبة. بالنسبة للمراقبة عن بعد، قم بتخطيط مسار الإشارة وإمدادات الطاقة مبكرًا، لأن المستشعر الجيد لا يمكنه تعويض الحلقة سيئة التصميم.

قائمة مرجعية عملية قبل الطلب

قبل تقديم الطلب، قم بتدوين نطاق درجة حرارة العملية، والدقة المطلوبة، وواجهة التثبيت، والظروف المحيطة، وطول الكابل، والإخراج المطلوب. أضف رسمًا تخطيطيًا لنقطة التثبيت إذا كان ذلك متاحًا. تعد هذه المعلومات أكثر فائدة بكثير من رقم طراز واحد، خاصة عندما يحتاج المستشعر القياسي إلى تعديل بسيط ليتناسب بشكل صحيح.

• ما هي درجة الحرارة الطبيعية والحد الأقصى؟
• هل العملية سائلة أم غازية أم سطحية أم شبه صلبة؟
• ما هو الخيط أو الحافة أو المشبك المتاح؟
• ما هو طول الإدراج الممكن؟
• هل المنطقة رطبة أم مغبرة أم متآكلة أم متفجرة؟
• ما هي المدخلات التي تتوقعها وحدة التحكم أو PLC؟
• كيف سيتم اختبار المستشعر أو استبداله؟

إذا كانت أي من هذه النقاط غير مؤكدة، أرسل لنا شروط العملية ورسم بسيط. غالبًا ما تمنع المحادثة الفنية القصيرة في البداية إجراء تصحيح طويل لاحقًا، وتساعد على التأكد من أن مستشعر درجة الحرارة الذي تتلقاه مناسب حقًا للعمل الذي يتعين عليه القيام به.