يُستخدم كاشف حرارة الملفات لتحديد حرارة ملفات معدات مثل المحولات والمحركات والمولدات. ولا يرتبط المصطلح بجهاز ثابت واحد؛ فقد يشير، بحسب المعدّة، إلى مستشعر RTD أو مؤشر حرارة ملفات المحول (WTI) أو مسبار ألياف ضوئية مركب عند موضع مختار من الملفات.
وفق التطبيق، يمكن قياس حرارة الملفات مباشرةً عند نقطة مادية أو تقديرها بصورة غير مباشرة من مقادير حرارية وكهربائية أخرى. لذلك ينبغي تحديد ما إذا كانت القراءة حرارة نقطة مقاسة أم قيمة مقدرة.
ما كاشف حرارة الملفات؟
تولد الملفات حرارة بسبب الفواقد الكهربائية. فالتيار المار في الموصلات يسبب تسخينًا مقاومًا، ثم يزيل نظام تبريد المعدة هذه الحرارة. وتُستخدم مراقبة الحرارة لرصد الحالة الحرارية الناتجة للملف.
كاشف حرارة الملفات هو ترتيب الاستشعار أو المراقبة الذي يوفر هذه المعلومات. وقد يكون في التطبيق مستشعرًا مضمّنًا أو ترتيبًا لعرض الحرارة أو جهاز محاكاة حرارية أو مسبارًا بصريًا مباشرًا. ولا تعني كلمة «كاشف» العتاد نفسه في كل التطبيقات؛ لذا ينبغي قراءة المواصفة مع نوع المعدّة وهدف القياس.
كاشف حرارة الملفات مقابل المستشعر والمؤشر
تُستخدم المصطلحات الثلاثة أحياناً كما لو كانت مترادفة، لكنها تصف مستويات مختلفة من سلسلة القياس.
كاشف حرارة الملفات
هذا هو المصطلح الأوسع، ويشير إلى ترتيب استشعار أو مراقبة لاكتشاف حرارة الملفات أو الحصول عليها أو تحديدها. وقد يتكون الترتيب من عنصر استشعار وجهاز، أو جهاز يحسب القيمة من مدخلات أخرى.
حساس حرارة الملفات
يقصد بمستشعر حرارة الملفات عادةً عنصر الاستشعار نفسه، مثل RTD أو الثرمستور أو المزدوج الحراري أو مسبار الألياف الضوئية. وينتج المستشعر إشارة تعتمد على الحرارة عند موضعه.
مؤشر حرارة الملفات
يكون مؤشر حرارة الملفات عادةً جهازاً يعرض قيمة حرارية للملفات أو يحاكيها أو يحسبها أو يعالجها. وفي المحولات المغمورة بالزيت، يستخدم WTI غالباً حرارة الزيت العلوي مع أثر تسخين مرتبط بالحمل أو محاكاة حرارية لتمثيل حرارة الملفات. وليس صحيحاً افتراض أن مستشعر WTI مركب دائماً مباشرةً داخل الملف.
توفر بعض المؤشرات أيضًا مخارج إنذار أو تحكم، لذا لا يقتصر دور المؤشر على العرض. وتعتمد مخارج الإنذار والتحكم على المؤشر المختار.
لماذا تُراقب حرارة الملفات؟
تتأثر حرارة الملفات بالحمل الكهربائي والفواقد وأداء التبريد والظروف المحيطة والظروف الحرارية المحلية داخل المعدّة. وتوفر مراقبتها معلومات عن تفاعل هذه العوامل أثناء التشغيل.
تُستخدم المعلومات لرصد الإجهاد الحراري للعزل واكتشاف اتجاهات فرط التسخين والتحقق من أداء التبريد وفهم سلوك الحمل. ولا تكفي قراءة الحرارة وحدها للحكم؛ إذ تعتمد القيم المقبولة وإعدادات الإنذار على تصميم المعدة ونظام العزل والمواصفات المعمول بها، لذا ينبغي الرجوع إلى وثائق المعدة بدلًا من الأرقام العامة.
كواشف حرارة الملفات من نوع RTD
يشير RTD إلى كاشف درجة الحرارة بالمقاومة. وتشير تسميات شائعة مثل PT100 وPT1000 إلى المقاومة الاسمية للعنصر عند درجة حرارة مرجعية. ويقيس RTD الحرارة عبر تغير متوقع في المقاومة الكهربائية يحوله الجهاز المتصل إلى قيمة حرارية.
عند دمج RTD أو تركيبه في موضع من الملف، فإنه يقيس الحرارة قرب ذلك الموضع. وتشيع حساسات RTD لحرارة الملفات في العضو الثابت للمحركات والمولدات، كما تستخدم في المعدات الكهربائية الجافة وبعض ترتيبات المحوّلات. لكنها لا تستخدم في كل ملفات المحوّلات، ولا ينبغي افتراض وجودها في محوّل بعينه.
المزايا واعتبارات الاختيار
توفر مستشعرات RTD مزايا عملية متعددة:
- قياس مباشر في موضع التركيب
- تقنية صناعية راسخة
- ملاءمة للمراقبة المستمرة
- تكامل سهل مع كثير من الأجهزة التقليدية
تنبع اعتبارات الاختيار من كون المستشعر كهربائياً. إذ يحتاج RTD إلى أسلاك موصلة، لذلك يجب مراعاة العزل الكهربائي ومسار الأسلاك ومساحة التركيب والبيئة الكهرومغناطيسية. وفي تطبيقات الجهد العالي، يجب التعامل بعناية مع متطلبات العزل والأسلاك. وهذا لا يستبعد RTD، إذ تستخدمه آلات عالية الجهد كثيرة بنجاح.
مؤشر حرارة ملفات المحول (WTI)
في ترتيبات WTI التقليدية أو الشائعة للمحولات المغمورة بالزيت، لا يوضع المستشعر عموماً داخل موصل الملف. بل يقيس الجهاز حرارة الزيت العلوي ويضيف محاكاة حرارية تعتمد على الحمل، غالباً مشتقة من تيار الحمل، لتمثيل حرارة الملفات أو سلوك النقطة الساخنة فيها.
لا تتطابق جميع أجهزة WTI، وتختلف التفاصيل بين المصنّعين وتصاميم المحوّلات. لكن المبدأ العام هو أن القيمة المعروضة تمثيل محسوب أو محاكى يستند إلى مدخلات مقاسة وافتراضات النموذج. وهذا نهج مشروع وشائع الاستخدام وملائم للعرض والإنذار والتحكم بالتبريد في المحوّلات التي لا تحتوي على حساسات داخلية للملفات.
هل يقيس WTI حرارة ملفات المحول مباشرةً؟
ليس بالضرورة. توفر ترتيبات WTI التقليدية للمحول عادةً حرارة ملفات غير مباشرة أو محاكاة تستند إلى حرارة الزيت العلوي وحمل المحول. وتمثل النتيجة مؤشراً حرارياً مفيداً، لكنها ليست قراءة مستشعر عند موصل الملف.
تتوفر مقارنة كاملة بين النهجين في مقالنا عن مقارنة WTI المحول بمستشعر حرارة بالألياف الضوئية، لذلك لن نكررها هنا.
كواشف حرارة الملفات بالألياف الضوئية
تعتمد تقنية INNO على الاستشعار النقطي بالألياف الضوئية القائم على التألق. يُركّب المسبار بحيث يقع طرفه عند موضع مختار من الملفات، وتقاس الحرارة عند ذلك الطرف. وينقل الليف إشارات الإثارة والعودة البصرية بين نقطة الاستشعار وجهاز متوافق يحول الإشارة إلى قيمة حرارية.
للمحولات المغمورة بالزيت، يمكن استخدام حساس حرارة الملفات بالألياف الضوئية يتيح القياس المباشر للحرارة في مواضع مختارة من الملفات عندما يُدمج المجس في المحوّل أثناء التصنيع.
حدود القياس النقطي
يضع مبدأ القياس حدوداً واضحة ينبغي فهمها عند إعداد المواصفات:
- يقابل كل مسبار نقطة قياس مادية محددة واحدة.
- توفر المجسات المتعددة نقاط حرارة مستقلة متعددة للملفات.
- ينقل الليف الإشارة لكنه لا يقيس الحرارة على امتداد طوله. فهذا قياس نقطي لا قياس موزع للحرارة.
- لا يراقب مسبار واحد الملف بأكمله.
- لا يحدد النظام النقاط الساخنة المجهولة تلقائيًا. وعند الاهتمام بها، توضع المجسّات في مواضع مختارة أو محددة مسبقًا بوصفها مواقع حرجة حراريًا في الملفات.
خصائص مجسات الألياف الضوئية
- قياس نقطي مباشر عند طرف الاستشعار
- عزل كهربائي لمسار الاستشعار البصري
- مقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي
- هندسة مسبار استشعار صغيرة
- مراقبة متعددة النقاط بعدة مجسّات مستقلة
هذه خصائص لطريقة الاستشعار. وتعتمد ملاءمة مجس لملف محدد على التصميم ومواضع القياس المتاحة وإمكان توجيه الليف إلى خارج المعدة.
مقارنة كشف حرارة الملفات باستخدام RTD وWTI والألياف الضوئية
يقارن الجدول الطرق الثلاث من حيث كيفية عملها ومواضع استخدامها الشائعة. وهي مقارنة محايدة، وتعكس كل خانة خصائص عامة تختلف بحسب المنتج والتركيب المحددين.
| الطريقة | مبدأ القياس | مباشر أم غير مباشر | التطبيق المعتاد | الإشارة الكهربائية عند نقطة القياس | الاعتبار الأساسي للاختيار |
|---|---|---|---|---|---|
| RTD | تتغير المقاومة الكهربائية مع درجة الحرارة | مباشر، عند موضع التركيب | ملفات العضو الثابت للمحركات والمولدات، والمعدات الجافة، وبعض ترتيبات المحوّلات | نعم، تمتد أسلاك موصلة إلى عنصر الاستشعار | الأسلاك والعزل والتوجيه في البيئة الكهربائية |
| WTI المحول | حرارة الزيت العلوي مع محاكاة حرارية مرتبطة بالحمل | غير مباشر ومحسوب أو محاكى | ترتيبات عرض وإنذار وتحكم للمحولات الزيتية | غير منطبق، إذ لا يوضع حساس على موصل الملف في الترتيبات التقليدية | هل يكفي مؤشر محسوب أم يلزم قياس بيانات عند الملفات؟ |
| مستشعر ألياف ضوئية نقطي | إشارة بصرية من طرف الاستشعار، مثل سلوك التألق | مباشر، عند موقع طرف الاستشعار | ملفات المحولات والمحركات والمولدات، بما فيها ظروف الجهد العالي أو الحقول القوية | لا، مسار الإشارة عند نقطة القياس ضوئي | موضع المسبار ومسار الليف وقنوات الجهاز المتوافقة |
كشف حرارة الملفات المباشر وغير المباشر
في القياس المباشر، يقيس المستشعر فعلياً الحرارة في موقع مختار. ومن أمثلته RTD المركب في نقطة محددة ومسبار الألياف الضوئية المركب في نقطة محددة؛ فالقراءة تصف تلك النقطة.
في التحديد غير المباشر، تُشتق حرارة الملفات من كميات أخرى مثل حرارة الزيت العلوية وتيار الحمل ونموذج حراري أو محاكاة حرارية. ويُعد WTI التقليدي للمحول مثالًا معروفًا. وتصف القراءة حالة الملفات المحسوبة استنادًا إلى النموذج.
لا يعني القياس المباشر تلقائيًا أنه الأنسب لكل تطبيق. فالطرق غير المباشرة بسيطة وراسخة ولا تتطلب الوصول إلى داخل الملف، بينما توفر الطرق المباشرة بيانات مقاسة عند مواضع مختارة. ولكل منها غرض هندسي مختلف، ويتوقف الاختيار على المعلومات التي يحتاجها المشروع. ويمكن أيضًا تقييم حرارة الملف كقيمة مطلقة أو كارتفاع عن مرجع مناسب، كما يوضح مقالنا عن ارتفاع حرارة المحوّل.
كواشف حرارة الملفات في المحولات
يصعب الوصول إلى الملفات الداخلية في المحوّلات المغمورة بالزيت بعد التصنيع. لذلك ينبغي عادةً التخطيط للمجسّات الداخلية المباشرة أثناء التصميم والتصنيع. وتشيع ترتيبات WTI وقياس الزيت العلوي للمراقبة الخارجية لأنها لا تتطلب الوصول إلى الملفات.
عند دمج مجسّات الألياف الضوئية في المحوّل، يمكنها قياس الحرارة مباشرةً في مواضع مختارة من الملفات. وتسهم حرارة الملفات والنقاط الساخنة المستمرة في إجهاد العزل الحراري؛ ويتناول مقالنا عن ذلك تقادم المحول.
للتعرف إلى طرق قياس الحرارة المتاحة للمحوّلات، راجع صفحتنا عن مراقبة حرارة المحوّلات. وتُقارن الطرق المختلفة، بما فيها تطبيقاتها، في المقالة حول كيفية قياس حرارة ملفات المحوّل.
كواشف حرارة الملفات في المحركات والمولدات
ترصد المحركات والمولدات عادةً حرارة ملفات العضو الثابت عند مواضع مدمجة مختارة. وتُراقب حرارة المحامل بصورة منفصلة ولغرض مختلف؛ فلا ينبغي الخلط بينهما، إذ لا تصف حرارة المحامل حالة الملفات.
تستخدم حساسات RTD على نطاق واسع لمراقبة ملفات العضو الثابت في المحركات والمولدات. ويمكن النظر في حساسات الألياف الضوئية عندما يجعل العزل الكهربائي أو المجال الكهرومغناطيسي القوي أو الجهد العالي أو ظروف الاختبار الخاصة الاستشعار البصري مفيدًا. وفي هذه الحالة، مجس حرارة ملفات المحرك بالألياف الضوئية يُركب بحيث يكون طرف الاستشعار عند الموضع المختار من الملف.
يصف هذا القسم تطبيق قياس حرارة الملفات في المحركات والمولدات. ولا يقارن بالتفصيل جميع أنواع حساسات المحركات، فهذا موضوع منفصل. وللاطلاع على سياق التطبيق الأوسع، راجع مراقبة حرارة المحركات والمولدات.
مقارنة مؤشر حرارة الملفات بكاشف حرارة الملفات
يشير مصطلح كاشف إلى مفهوم أوسع، وقد يعني طريقة الاستشعار أو الكشف الفعلية، سواء أكانت مستشعراً في موقع مادي أم حساباً من مقادير أخرى. أما مؤشر الحرارة فيركز عادةً على عرض قيمة حرارة الملفات أو الإشارة إليها أو معالجتها أو محاكاتها.
لـ WTI سياق صناعي محدد في المحولات، ويشير عادةً إلى الترتيب المعتمد على الزيت والحمل الموصوف أعلاه. ولا يقتصر كل مؤشر لحرارة الملفات على العرض؛ فبعضها يوفر وظائف إنذار أو تحكم. وتعتمد المخارج المحددة على المنتج، ولا يتناولها هذا القسم.
أين يُركب كاشف حرارة الملفات؟
ملفات المحولات
تتطلب المجسات المباشرة مواضع مادية مختارة داخل الملف. ويُتفق على هذه المواقع أثناء التصميم والتصنيع حين يكون الملف متاحاً. ويعطي المسبار حرارة موضعه فقط، لا أي موضع آخر.
ملفات العضو الثابت للمحركات والمولدات
يمكن وضع المستشعرات المضمّنة أثناء تصنيع الملفات. وتعتمد المواقع على تصميم الآلة وهدف المراقبة.
ترتيبات خارجية أو غير مباشرة
قد لا يتضمن ترتيب WTI أو قياس الزيت العلوي أي مستشعر مدمج في الملفات. إذ يُجرى القياس في الزيت وتُشتق منه قيمة الملفات. ولا تحدد قاعدة عامة مواضع التركيب الدقيقة أو أرقام الطبقات أو المسافات؛ بل ينبغي أن تستند إلى تصميم المعدة والبيانات الهندسية.
مراقبة عدة نقاط حرارة في الملفات
إذا لزم رصد عدة مواضع مادية مستقلة، فيلزم توفير عدة نقاط استشعار. وفي الاستشعار النقطي بالألياف الضوئية المعتمد على التألق، تقابل كل نقطة مسبارًا واحدًا وقناة فعالة متوافقة في الجهاز.
على سبيل المثال، تتطلب ثلاث نقاط مستقلة عادةً ثلاثة مجسات وثلاث قنوات فعالة متوافقة على الأقل. وهذا مثال توضيحي وليس قاعدة تصميم عامة. ويتوقف عدد النقاط على المعدة وهدف المراقبة. وتوفر المجسات المتعددة قياسات نقطية مستقلة، ولا تنشئ ملفاً حرارياً موزعاً.
كيفية اختيار كاشف حرارة الملفات
يساعد اتباع النقاط التالية بالترتيب في تضييق الخيارات:
- نوع المعدّة: محوّل أو محرك أو مولد.
- هدف القياس: الغرض من استخدام بيانات الحرارة.
- قياس مباشر أم مؤشر حراري: هل تلزم بيانات مقاسة في الملفات أم يكفي مؤشر محسوب؟
- نطاق الحرارة المتوقع: يُتحقق منه في وثائق المستشعر أو الجهاز.
- بيئة الجهد الكهربائي: متطلبات العزل عند نقطة القياس.
- البيئة الكهرومغناطيسية: تأثير المجالات القوية في الأسلاك والإشارات.
- عدد نقاط القياس: يحتاج كل موضع مستقل إلى حساس خاص به.
- إمكانية الوصول للتركيب: إمكانية الوصول إلى الملف أثناء التصنيع أو الصيانة.
- المساحة المتاحة: المساحة المتاحة للحساس عند النقطة المقصودة.
- الأسلاك أو توجيه الألياف: طريقة خروج الوصلة من المعدة.
- قنوات المراقبة المطلوبة: عدد كافٍ من القنوات المتوافقة لجميع النقاط.
- متطلبات التكامل: واجهة نظام المراقبة أو التحكم الحالي.
- معدات جديدة أم تحديث قائم: أي الخيارين ينطبق.
المعدات الجديدة مقارنةً بتركيب التحديث اللاحق
في المحوّل أو المحرك أو المولد الجديد، يمكن التخطيط للحساسات المدمجة أثناء التصنيع. ويمكن الاتفاق مع المصمم على نقاط القياس وتركيب الحساسات حين يكون الملف متاحًا ودمج توجيه الأسلاك أو الألياف في البنية.
قد يكون الوصول إلى الملفات الداخلية محدوداً في المعدات القائمة. ولا يمكن افتراض إمكانية إضافة مستشعرات ألياف ضوئية داخلية مباشرةً في جميع الحالات. وتعتمد الجدوى على الوصول المادي وتصميم المعدة ونطاق الصيانة، وينبغي تقييم كل حالة هندسياً.
حدود قراءة حرارة الملفات
«يقيس WTI الملفات مباشرةً دائماً.»
ليس بالضرورة. تستنتج ترتيبات WTI التقليدية للمحولات قيمة الملفات عادةً من حرارة الزيت العلوية والحمل؛ لذلك تكون النتيجة محسوبة أو محاكاة، لا قراءة من مستشعر عند الموصل.
«يقيس كاشف واحد الملف كله».
تقيس الحساسات النقطية المواضع المركبة فيها فقط. وتتطلب تغطية الملف عددًا كافيًا من الحساسات في مواضع مناسبة.
«حرارة الزيت العلوي هي حرارة الملفات.»
إنهما كميتا قياس مختلفتان. تكون الملفات عمومًا أسخن من الزيت المحيط تحت الحمل، ويتغير الفرق باختلاف الحمل والتبريد.
«المجسّات المتعددة بالألياف الضوئية هي DTS».
لا. توفر المجسات المتعددة قياسات نقطية مستقلة متعددة، ولا تنتج ملفاً متصلاً على طول الليف.
«يناسب ترتيب الكاشف نفسه كل محوّل ومحرك.»
يختلف تصميم المعدة وهدف القياس بين التطبيقات، لذا يجب اختيار الترتيب لكل حالة على حدة.
الخلاصة
كاشف حرارة الملفات ليس تقنية مستشعر واحدة. فبحسب المعدة، يمكن قياس حرارة الملفات مباشرةً باستخدام RTD أو مجسات ألياف ضوئية، أو تمثيلها بصورة غير مباشرة بأجهزة مثل WTI المحول.
تُعد مستشعرات RTD شكلاً معتمداً للاستشعار الكهربائي المباشر في مواقع التركيب. أما WTI فهو نهج للمؤشر والمحاكاة الحرارية مخصص للمحولات. وتوفر مستشعرات الألياف الضوئية قياساً نقطياً مباشراً عبر مسار استشعار معزول ضوئياً. ولا يكون أي من الخيارات الثلاثة الأفضل في كل حالة.
تعتمد الطريقة المناسبة على المعدة ونقطة القياس والبيئة الكهربائية وما إذا كان المشروع يتطلب بيانات حرارة مباشرة أم مؤشراً حرارياً غير مباشر.
إذا كان مشروعك يتطلب قياسًا مباشرًا لحرارة الملفات، يمكن لفريق INNO مراجعة مواضع الاستشعار وتهيئة المجسّات ومسار الليف ومتطلبات القنوات.