الحساسات الحرارية الصناعية: 6 أنواع وكيفية اختيار المناسب

يبدأ اختيار مستشعر الحرارة الصناعي من نقطة القياس ودرجة التشغيل والبيئة الكهربائية والاستجابة المطلوبة وطريقة التركيب وواجهة نظام التحكم. ولا تلائم تقنية استشعار واحدة كل التطبيقات الصناعية؛ فمستشعرات RTD والمزدوجات الحرارية والثرمستورات ومستشعرات الأشعة تحت الحمراء وأشباه الموصلات والألياف الضوئية تعالج مشكلات قياس مختلفة.

تظل المستشعرات الكهربائية التقليدية عملية لأنابيب العمليات والآلات المتاحة ومعدات الجهد المنخفض والقياس العام في المصانع. وتزداد أهمية الاستشعار بالألياف الضوئية عندما تقع نقاط القياس قرب جهد عالٍ أو حقول كهرومغناطيسية قوية أو طاقة RF أو الموجات الدقيقة أو مجالات مغناطيسية قوية، أو عندما يتطلب الموضع عزلًا كهربائيًا أو قياسًا نقطيًا مضمّنًا.

ما الحساسات الحرارية الصناعية؟

تحوّل مستشعرات الحرارة الصناعية درجة الحرارة في موضع محدد إلى إشارة يمكن قياسها أو عرضها أو نقلها أو استخدامها في نظام تحكم. ويمكن تقسيم طرق القياس إلى استشعار بالتلامس ودون تلامس، بينما قد يكون مبدأ الخرج كهربائيًا أو بصريًا أو قائمًا على الإشعاع.

تتراوح أجهزة قياس الحرارة الصناعية من عناصر استشعار بسيطة إلى أجهزة متكاملة تقتني بيانات الحرارة أو تعرضها أو تنقلها أو تدمجها.

غالباً ما تختلط ثلاثة مصطلحات رغم أنها تصف أجزاء مختلفة من سلسلة القياس:

• مستشعر الحرارة: عنصر الاستشعار أو المسبار الموجود عند نقطة القياس.
• جهاز قياس الحرارة أو جهاز المراقبة: وحدة تقتني إشارة المستشعر أو تعالجها أو تعرضها أو تنقلها. ومن أمثلتها المرسلات ووحدات فك التضمين وأجهزة التحكم والمؤشرات.
• نظام مراقبة الحرارة: ترتيب كامل يضم الحساسات والكابلات أو الألياف الضوئية وأجهزة المراقبة والاتصالات والإنذارات والتكامل مع أنظمة التحكم.

لا يؤدي اختيار المستشعر الصحيح تلقائياً إلى نظام مراقبة مناسب. إذ يجب أيضاً مواءمة عدد القنوات وواجهات الاتصال ومتطلبات الإنذار ومسارات المستشعرات ومسافة المراقبة والتكامل مع PLC أو SCADA مع المشروع.

6 أنواع شائعة من مستشعرات الحرارة الصناعية

1. مستشعرات RTD / PT100

تقيس حساسات RTD الحرارة عبر تغير المقاومة الكهربائية لعنصر استشعار معدني. ويشيع استخدام حساسات PT100 للقياس التلامسي الصناعي حيث تهم الدقة المستقرة وقابلية التكرار، بما في ذلك معدات العمليات والخزانات والأنابيب ومبادلات الحرارة والآلات وأجهزة القياس العامة في المنشآت.

أبرز المزايا: دقة جيدة وقابلية تكرار جيدة وتقنية ناضجة وتوافق واسع مع الأجهزة وتوافر صناعي كبير.

القيود الرئيسية: تتطلب هذه الطرق موصلات كهربائية بين عنصر الاستشعار وجهاز المراقبة. لذلك قد تحتاج بيئات الجهد العالي أو التداخل الكهرومغناطيسي القوي إلى عناية إضافية بالعزل والتأريض ومسار الكابلات والتدريع وسلامة الإشارة.

يظل PT100 خياراً عملياً لكثير من التركيبات الصناعية التقليدية. ولا ينبغي استبداله بالاستشعار بالألياف الضوئية ما لم تفرض بيئة القياس قيداً كهربائياً أو كهرومغناطيسياً أو متعلقاً بالتركيب.

2. المزدوجات الحرارية

تولّد المزدوجات الحرارية جهدًا صغيرًا عند وصلة مكوّنة من معدنين مختلفين. وتتوفر أنواع متعددة لظروف العمليات ومتطلبات الحرارة المختلفة، ما يجعلها شائعة في التسخين الصناعي والأفران والآلات ومعدات الاختبار وأنظمة العمليات.

أبرز المزايا: بنية متينة وتوفر واسع وتركيب استشعار بسيط وملاءمة لعمليات صناعية كثيرة.

القيود الرئيسية: كل من المستشعر وأسلاك التمديد موصلان للكهرباء. ويلزم تنفيذ تعويض الوصلة المرجعية على نحو صحيح، كما قد تتأثر الإشارات منخفضة المستوى بالضوضاء الكهربائية في بعض التركيبات. وتزداد أهمية التأريض والتوجيه بالقرب من المعدات ذات التيار العالي أو الضوضاء الكهربائية.

3. الثرمستورات

تستخدم الثرمستورات تغير المقاومة المرتبط بالحرارة، وتوفر عادةً حساسية مرتفعة ضمن نطاق تشغيلها المقصود. ويجعلها حجمها الصغير شائعة في الإلكترونيات ومجموعات التحكم والآلات المدمجة وأنظمة البطاريات ومراقبة المعدات موضعيًا.

أبرز المزايا: عناصر استشعار صغيرة وحساسية عالية واستجابة سريعة في البُنى المناسبة وسهولة الدمج في المعدات المدمجة.

القيود الرئيسية: استجابتها غير خطية، ويعتمد نطاق التشغيل القابل للاستخدام بشدة على مادة الثرمستور وتصميمه. وغالبًا ما تُفضّل RTD أو المزدوجات الحرارية للقياس الصناعي الثقيل عندما تكون مرونة التطبيق على نطاق أوسع مطلوبة.

4. حساسات الحرارة بالأشعة تحت الحمراء

تحدد مستشعرات الأشعة تحت الحمراء درجة حرارة السطح من الإشعاع الحراري المنبعث من دون ملامسة الجسم. وتشمل الاستخدامات المعتادة المكونات المتحركة والأسطح التي يصعب الوصول إليها والأجسام الساخنة والمواضع التي يصعب فيها تثبيت مسبار تلامسي.

أبرز المزايا: قياس من دون تلامس، ولا حاجة إلى تثبيت المستشعر بالجسم، وقياس مريح للأسطح المتحركة أو صعبة الوصول.

القيود الرئيسية: يعتمد القياس على خط الرؤية وانبعاثية الهدف. ولا يُقاس إلا السطح المرئي؛ لذلك لا يستطيع الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء قياس ملف داخلي أو وصلة مدفونة أو نقطة حرارة مضمّنة محجوبة مباشرةً.

يتوفر شرح إضافي لهذا الفرق في القياس عند نقطة محددة مقابل القياس دون تلامس.

5. مستشعرات الحرارة بالألياف الضوئية

تستخدم INNO استشعارًا نقطيًا للحرارة بالألياف الضوئية يعتمد على التألق. تُثار مادة فلورية عند طرف المسبار بصريًا، وتُحسب الحرارة من تغير زمن اضمحلال التألق. وينتقل الضوء بين المسبار وجهاز المراقبة عبر ليف ضوئي بدلًا من أسلاك إشارة موصلة.

تتوفر معلومات إضافية عن مبدأ القياس في قياس درجة الحرارة بالألياف الضوئية القائم على الفلورة.

ينبغي تحديد سلوك القياس بدقة:

• يقيس المسبار الواحد نقطة استشعار مادية محددة واحدة.
• توفر المجسات المتعددة نقاط حرارة مستقلة متعددة.
• القياس النقطي القائم على الفلورة ليس قياساً موزعاً لدرجة الحرارة (DTS).
• لا تُقاس الحرارة باستمرار على طول الليف الضوئي بأكمله.
• لا تُحدد النقاط الساخنة غير المعروفة تلقائياً.

أبرز المزايا: العزل الكهربائي عند نقطة الاستشعار، والمقاومة العالية للتداخل الكهرومغناطيسي، والملاءمة بالقرب من معدات الجهد العالي، والتوافق مع بيئات التداخل القوي، والاستخدام العملي في تطبيقات الترددات الراديوية والميكروويف والمجالات المغناطيسية القوية وبعض القياسات المدمجة.

القيود الرئيسية: يجب تحديد موضع المسبار قبل القياس، لأن الحرارة تُقرأ عند موقع الاستشعار المركب فقط. وتتطلب التطبيقات المدمجة عادةً الوصول أثناء تصنيع المعدة أو مساراً مناسباً للتحديث اللاحق. كما يلزم جهاز مراقبة ضوئي مخصص؛ لذلك ينبغي تقييم بنية النظام وتكلفته وفق المتطلبات الكهربائية والبيئية لنقطة القياس.

تُعرض تهيئات المجسات والأنظمة المتاحة في مستشعرات الحرارة بالألياف الضوئية.

6. حساسات الحرارة لأشباه الموصلات أو الحساسات المدمجة

تستخدم مستشعرات أشباه الموصلات خصائص كهربائية تتغير مع الحرارة داخل أجهزة شبه موصلة. وغالبًا ما تُدمج في لوحات الدوائر والمجموعات الإلكترونية وإلكترونيات القدرة ومعدات التحكم والأنظمة المدمجة الصغيرة.

أبرز المزايا: حجم صغير ودمج إلكتروني مباشر وخيارات خرج تناظري أو رقمي ميسّرة بحسب تصميم الجهاز.

القيود الرئيسية: يجب أن تلائم درجة الحرارة المسموح بها والعزل الكهربائي وبنية الغلاف والبيئة الكهربائية المحيطة التطبيق. ولا تحل أجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في المجموعات الإلكترونية عمومًا محل المجسّات المخصصة لنقاط القياس المضمّنة ذات الجهد العالي.

مقارنة مستشعرات الحرارة الصناعية

كيفية اختيار حساس حرارة صناعي

تنبع معايير الاختيار المفيدة من المعدات وهدف القياس، لا من اسم الحساس وحده. ويكون موقع القياس عادةً أول عامل للفرز، يليه نطاق الحرارة والبيئة الكهربائية وقيود التركيب ومتطلبات الاستجابة والدقة وعدد النقاط وتكامل النظام.

موقع القياس

ابدأ بتحديد الموضع المطلوب قياس حرارته بدقة. فحرارة السطح وحرارة الملفات الداخلية ووصلات قضبان التوزيع وحجرات العمليات وأجسام الاختبار والمكونات المدمجة وأسطح الآلات المتاحة تتطلب ترتيبات استشعار مختلفة.

يمكن للأشعة تحت الحمراء قياس سطح مكشوف، لكنها لا تقيس مباشرةً الحرارة داخل الملف. ويمكن للمجسات المدمجة قياس النقاط الداخلية، لكن يجب إتاحة التركيب قبل تجميع المعدة أو أثناءه.

نطاق درجة الحرارة

ينبغي تحديد متطلبات الحرارة وفق ظروف التشغيل الفعلية، بما فيها التشغيل المعتاد والبدء والحمل الزائد والاختبار والظروف غير الطبيعية المتوقعة.

تتوفر مستشعرات RTD والمزدوجات الحرارية والثرمستورات وأشباه الموصلات ومجسات الألياف الضوئية ببنى وقدرات حرارية مختلفة. لذلك ينبغي الاختيار وفق الطراز المحدد بدلاً من افتراض أن نطاقاً واحداً ينطبق على التقنية بأكملها.

تغطي تهيئات مجسات الفلورة القياسية من INNO عادةً درجات حرارة تقارب ‎-40 إلى +260 °م، وفق تهيئة المسبار والنظام.

البيئة الكهربائية

قد يحدد الجهد العالي والتيار المرتفع وظروف التأريض والعزل الكهربائي والتداخل الكهرومغناطيسي تقنيات المستشعر العملية للتطبيق.

تعمل المستشعرات الكهربائية التقليدية جيدًا في البيئات الصناعية المعتادة. لكن نقاط القياس القريبة من معدات مشحونة بجهد عالٍ أو حقول كهرومغناطيسية قوية قد تتطلب عزلًا وتدريعًا وتأريضًا وتوجيهًا للكابلات بعناية أكبر.

يصبح الاستشعار بالألياف الضوئية ملائماً عندما يكون العزل الكهربائي أو المقاومة العالية للتداخل الكهرومغناطيسي متطلباً أساسياً. وتُعرض أمثلة شائعة في مراقبة درجة الحرارة في الجهد العالي.

زمن الاستجابة

قد تتطلب العمليات الحرارية سريعة التغير والاختبارات المخبرية ومعدات إلكترونيات القدرة وتغيرات الحمل القصيرة استجابة أسرع للمستشعر مقارنةً بمراقبة الحالة المستقرة للمعدات الكبيرة.

تعتمد الاستجابة على بنية عنصر الاستشعار وقطر المسبار وطريقة تثبيته والتلامس الحراري والمادة المحيطة وجهاز المراقبة. لذا ينبغي أن تستند المقارنة إلى بيانات تهيئة المستشعر وطريقة التركيب الفعليتين.

يمكن أن توفر تهيئات مجسات الفلورة القياسية من INNO أزمنة استجابة أقل من 1 ثانية، وفق بنية المسبار وتركيبه.

التركيب وإمكانية الوصول إلى المستشعر

تؤثر أبعاد المسبار وطريقة تثبيته وتوجيه المستشعر وانحناء الكابل أو الليف وإمكانية الصيانة وطريقة الاستبدال وتوقيت التركيب كلها في التصميم العملي.

غالبًا ما يلزم تحديد موضع المستشعرات المضمّنة أثناء تصنيع المعدّة. وقد تكون إمكانية الوصول في مشروعات التحديث محدودة أكثر، ما يجعل مسار الليف والحماية الميكانيكية مهمين بقدر مواصفات المستشعر.

الدقة وقابلية التكرار

ينبغي أن تنبع الدقة المطلوبة من الهدف الهندسي، لا من أعلى مواصفة متاحة. فقد تتطلب مراقبة العمليات والحماية والاختبار المخبري ومراقبة الاتجاهات مستويات مختلفة من الدقة.

تزيد المواصفات المفرطة تعقيد النظام وتكلفته، بينما قد تمنع الدقة غير الكافية التشخيص المفيد. وينبغي النظر إلى الحساس وجهاز المراقبة وطريقة التركيب والمعايرة كسلسلة قياس واحدة.

عدد نقاط القياس

تتطلب المشاريع أحادية النقطة ومتعددة النقاط بنيات نظام مختلفة. وتتطلب التركيبات متعددة النقاط تحديد عدد المستشعرات والقنوات المتاحة والاقتناء المتزامن والقنوات الاحتياطية وموقع المراقبة وبنية الاتصال.

في الاستشعار النقطي الليفي الضوئي الفلوري، يقابل كل مجس نقطة قياس محددة واحدة. ويتيح تركيب مجسّات عدة قياسات مستقلة متعددة. ويظل ذلك استشعارًا نقطيًا ولا ينبغي الخلط بينه وبين DTS.

تكامل النظام

قد يلزم إرسال قيم الحرارة إلى شاشات محلية أو إنذارات أو مسجلات بيانات أو وحدات PLC أو أنظمة SCADA أو منصات مراقبة أخرى.

تتوفر واجهات مثل RS485 وModbus-RTU في أجهزة مراقبة INNO المناسبة وفق التهيئة المختارة. لذا ينبغي تحديد متطلبات الاتصال قبل اختيار جهاز المراقبة، بدلاً من افتراضها من المستشعر نفسه.

متى تكون مستشعرات الحرارة بالألياف الضوئية مناسبة؟

يكون قياس الحرارة بالألياف الضوئية مفيداً بوجه خاص عندما يلزم الجمع بين قياس الحرارة والعزل الكهربائي أو الظروف الكهرومغناطيسية القوية أو طاقة الترددات الراديوية أو المجالات المغناطيسية أو الوصول إلى نقطة داخلية يصعب بلوغها بطرق القياس التقليدية.

معدات الجهد العالي

قد تقع ملفات المحوّلات وأجسام اختبارات الجهد العالي والمختبرات الكهربائية وبعض المعدات المختارة عند جهد كهربائي مرتفع. وقد تعقّد عناصر الاستشعار المعدنية والأسلاك الموصلة تصميم العزل في هذه المواقع.

يوفر الاستشعار النقطي الضوئي عزلًا كهربائيًا عند نقطة القياس وينقل الحرارة ضوئيًا إلى جهاز موضوع بعيدًا عن المنطقة المكهربة.

ومن التطبيقات المعتادة مراقبة حرارة المحوّلات، حيث يمكن تزويد مواضع مختارة من الملفات بمجسّات أثناء تصنيع المحول.

المجالات الكهرومغناطيسية القوية

قد تنشئ المحرّكات والمولّدات ولوحات المفاتيح والمحوّلات وموصلات التيار العالي ومعدات الاختبار الكهربائية بيئات كهرومغناطيسية تصعّب توجيه الإشارات الكهربائية التقليدية.

تتمتع المجسّات الليفية الضوئية بمقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي لأن معلومات الحرارة تنتقل ضوئيًا. ويمكن للحساسات التقليدية أن تعمل جيدًا عند تصميم التأريض والتدريع والتوجيه وشدة المجال على نحو مناسب.

ومن الأمثلة ذات الصلة مراقبة معدات التبديل الكهربائية و مراقبة حرارة المحركات والمولدات.

معدات الترددات الراديوية والميكروويف

قد تتفاعل المجسّات الموصلة وأسلاك المستشعر مع حقول الترددات الراديوية أو الموجات الدقيقة وفق موضعها وهندستها وطريقة تركيبها. وتوفر المجسّات البصرية مسارًا غير موصل للقياس النقطي المباشر داخل عمليات مناسبة تعمل بهذه الترددات.

تتوفر تفاصيل التطبيق في مراقبة الحرارة الصناعية بالموجات الدقيقة.

المجالات المغناطيسية القوية

قد تفرض أنظمة الأبحاث ومعدات الاختبار والبيئات المرتبطة بالرنين المغناطيسي قيودًا على عناصر الاستشعار المعدنية أو الأسلاك الموصلة قرب نقطة القياس. وتوفر المجسّات الضوئية خيارًا آخر عندما تؤثر المجالات المغناطيسية القوية في اختيار الحساس.

نقاط قياس داخلية مدمجة

قد تتطلب مواضع مختارة داخل ملفات المحوّلات أو المحرّكات أو المولّدات ومعدات الأبحاث وتجميعات أخرى قياس الحرارة مباشرةً عند نقاط يصعب الوصول إليها بعد التصنيع.

يمكن تركيب المجسّات الليفية الضوئية في مواضع محددة مسبقًا عندما تتيح بنية المعدات أو تصميم التحديث ذلك. ويقيس كل مجس الحرارة في موضع تركيبه ولا يبحث عن أعلى نقطة حرارة مجهولة.

متى تكون الحساسات التقليدية خيارًا أفضل؟

لا يلزم الاستشعار بالألياف الضوئية لكل مشروع قياس حرارة صناعي. وتظل RTD ومستشعرات PT100 والمزدوجات الحرارية والثرمستورات ومستشعرات الأشعة تحت الحمراء مناسبة لجزء كبير من التطبيقات الصناعية.

تشمل الأمثلة الشائعة:

• أنابيب العمليات المعتادة
• أسطح الآلات التي يمكن الوصول إليها
• معدات الجهد المنخفض
• التحكم التقليدي في العمليات
• القياس العام للتدفئة والتهوية وتكييف الهواء والمصانع
• التطبيقات التي لا تتطلب عزلاً كهربائياً خاصاً
• مواضع لا تفرض قيودًا كبيرة للتداخل الكهرومغناطيسي أو RF أو المجالات المغناطيسية

غالباً ما تكون المستشعرات التقليدية أبسط في التركيب وأسهل في الاستبدال ومدعومة بالفعل بأجهزة القياس الحالية في المصنع.

لذلك ينبغي اختيار مستشعرات الحرارة بالألياف الضوئية لأن بيئة القياس تتطلب خصائصها الكهربائية أو الضوئية، لا لمجرد توافر الاستشعار الضوئي.

تتوفر مقارنات أكثر تفصيلاً في مقارنة مستشعر الحرارة بالألياف الضوئية بمستشعر PT100 و مقارنة مستشعر الحرارة بالألياف الضوئية بالمزدوج الحراري.

مستشعرات الحرارة الصناعية حسب التطبيق

يُختار حساس الحرارة للتطبيق الصناعي وفق موقع القياس والبيئة الكهربائية المحيطة وإمكانية الوصول للتركيب والتكامل المطلوب للنظام.

من مستشعر الحرارة إلى نظام المراقبة

تعتمد مراقبة الحرارة المفيدة على سلسلة القياس كاملةً:

نقطة القياس ← مستشعر / مسبار ← كابل / ليف ضوئي ← جهاز مراقبة ← إنذار / اتصال ← PLC / SCADA

اختيار المستشعر جزء واحد فقط من سلسلة القياس. كما يؤثر في التصميم النهائي عدد القنوات واقتناء الإشارة ومنطق الإنذار وواجهة الاتصال وتسجيل البيانات والربط مع نظام التحكم والصيانة واستبدال المستشعر.

قد تضم الأنظمة المعتمدة على التألق مسبار حرارة بالألياف الضوئية وليفًا أو ليف تمديد وجهاز إرسال حراريًا أو وحدة فك تضمين أو جهاز مراقبة. ويمكن اختيار تهيئة أحادية القناة أو متعددة القنوات وفق عدد نقاط القياس.

تتوفر خيارات النظام ضمن أنظمة مراقبة الحرارة بالألياف الضوئية، بينما يُشرح نهج القياس العام ضمن قياس الحرارة بالألياف الضوئية.

معلومات ينبغي تحديدها قبل طلب نظام مراقبة الحرارة

تجعل معلومات المشروع الواضحة اختيار المستشعر ونظام المراقبة أدق. وتشمل المعلومات المفيدة عادةً في طلب عرض السعر:

• المعدة الخاضعة للمراقبة
• مواضع القياس الدقيقة
• عدد نقاط الحرارة
• نطاق حرارة التشغيل المتوقعة
• بيئة الجهد الكهربائي
• ظروف التداخل الكهرومغناطيسي أو RF أو المجال المغناطيسي
• مساحة تركيب المسبار المتاحة
• مسار الكابل أو الليف الضوئي المطلوب
• المسافة بين المستشعرات وجهاز المراقبة
• عدد قنوات المراقبة المطلوبة
• واجهة الاتصال المطلوبة
• متطلبات الربط مع PLC أو SCADA
• متطلبات الإنذار أو خرج المرحّل
• ما إذا كان المشروع معدة جديدة أم تحديثاً لمعدة قائمة

اختيار الحساس المناسب لبيئة القياس

يعتمد اختيار حساس الحرارة الصناعي على موضع القياس والظروف المحيطة به. وينبغي تقييم نطاق الحرارة والبيئة الكهربائية وإمكانية الوصول للتركيب والاستجابة والدقة وعدد القنوات والصيانة وتكامل النظام معًا.

تظل RTD والمزدوجات الحرارية والثرمستورات ومستشعرات الأشعة تحت الحمراء وأشباه الموصلات خيارات عملية لكثير من القياسات الصناعية التقليدية. ويخدم الاستشعار بالألياف الضوئية مجموعة أضيق لكنها مهمة من التطبيقات التي يحد فيها الجهد العالي أو التداخل الكهرومغناطيسي أو الترددات الراديوية أو المجالات المغناطيسية القوية أو مواضع القياس المضمّنة أو الحاجة إلى العزل الكهربائي من استخدام المستشعرات الكهربائية التقليدية.

للمشروعات التي تشمل هذه الظروف، تواصل مع فريق INNO الهندسي مع ذكر نوع المعدات ومواقع القياس وعدد النقاط ونطاق الحرارة والبيئة الكهربائية وواجهة المراقبة المطلوبة. ويمكن بعد ذلك تقييم تهيئة مناسبة للاستشعار النقطي الفلوري وفق التطبيق الفعلي.