يستخدم قياس الحرارة بالألياف الضوئية مسباراً ضوئياً متصلاً عبر ليف ضوئي بجهاز مراقبة للحصول على قيمة الحرارة عند موقع مادي محدد. ولا ينقل مستشعر الألياف الضوئية إشارة قياس كهربائية عند نقطة الاستشعار؛ لذلك يُختار هذا النهج كثيراً في بيئات الجهد العالي والتداخل الكهرومغناطيسي والمجالات المغناطيسية والترددات الراديوية والميكروويف.
- يستخدم قياس الحرارة بالألياف الضوئية مسبارًا بصريًا وليفًا لقياس الحرارة عند نقطة مادية مختارة.
- ينقل مسار الاستشعار إشارات ضوئية بدلاً من إشارة قياس كهربائية عند موضع المسبار.
- يقيس حساس الحرارة الليفي الضوئي النقطي الموضع الذي رُكّب فيه المجس فقط.
- يلزم استخدام مجسّات متعددة عند الحاجة إلى مراقبة عدة نقاط حرارية مستقلة.
- يفيد هذا الأسلوب خصوصًا في بيئات الجهد العالي والتداخل الكهرومغناطيسي القوي والمجالات المغناطيسية وRF والميكروويف حيث يكون العزل الكهربائي مهمًا.
- يحوّل جهاز المراقبة بيانات الحرارة، ويمكن إرسالها بعد ذلك إلى PLC أو SCADA أو DAQ أو منصات أخرى عند دعم ذلك.
دليل قياس الحرارة بالألياف الضوئية
- ما قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
- كيف يعمل قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
- ما الذي يقيسه حساس الحرارة الليفي الضوئي؟
- مكونات نظام قياس الحرارة بالألياف الضوئية
- مقارنة قياس الحرارة بالألياف الضوئية بالطرق التقليدية
- أين يُستخدم قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
- قياس الحرارة في بيئات الجهد العالي والتداخل الكهرومغناطيسي
- قياس الحرارة متعدد النقاط بالألياف الضوئية
- مراقبة الحرارة بالألياف الضوئية والربط مع الأنظمة
- متى تختار قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
- قائمة تحقق لاختيار نظام قياس الحرارة بالألياف الضوئية
- قياس الحرارة بالألياف الضوئية من INNO
- الأسئلة الشائعة عن قياس الحرارة بالألياف الضوئية
ما قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
قياس الحرارة بالألياف الضوئية هو طريقة تستخدم مسبارًا حراريًا بصريًا متصلًا بجهاز مراقبة عبر ليف ضوئي. ويستخدم القياس النقطي طرف استشعار مستقلًا في كل موضع محدد؛ ولا يقيس الحرارة باستمرار على طول الليف.
تعمل ثلاثة مكونات معاً في هذا النوع من القياس الضوئي للحرارة:
- المستشعر / المسبار — نقطة الاستشعار الحساسة للحرارة، المثبتة عند الموضع المادي المراد قياسه.
- الليف الضوئي - ينقل إشارات الإثارة الضوئية والعودة بين المسبار والجهاز.
- جهاز المراقبة - يستجوب المسبار ويحوّل استجابته البصرية إلى قيمة حرارية.
يوفر هذا الترتيب قياسًا نقطيًا من دون مسار إشارة قياس كهربائية عند طرف الاستشعار نفسه.
كيف يعمل قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
يمكن تلخيص سلسلة القياس كما يلي: مسبار ألياف ضوئية ← ليف ضوئي ← جهاز مراقبة ← بيانات حرارة ← PLC / SCADA / DAQ عند الحاجة.
- يرسل الجهاز إشارة ضوئية عبر الليف.
- يستجيب المجس الحساس للحرارة وفق درجة حرارته.
- تعود الاستجابة البصرية إلى جهاز المراقبة.
- يحوّل الجهاز الاستجابة إلى قيمة حرارية.
تستخدم مجسّات INNO الاستشعار النقطي الليفي الضوئي الفلوري لتوليد هذه الاستجابة الضوئية. ولشرح مبدأ الاستشعار بتفصيل أكبر، راجع تقنية قياس الحرارة بالألياف الضوئية القائمة على الفلورة.
ما الذي يقيسه حساس الحرارة الليفي الضوئي فعليًا؟
يقيس حساس الحرارة الليفي الضوئي النقطي درجة الحرارة عند الموقع المادي لطرف الاستشعار. ولا يقيس حرارة المحوّل أو قضيب التوصيل أو المحرّك أو حجرة الميكروويف بأكملها، كما لا يحدد تلقائيًا أعلى نقطة حرارة في النظام. وعند الحاجة إلى قياس أكثر من موضع، يلزم أكثر من مجس.
| ترتيب القياس | ما الذي تمثله القراءة؟ |
|---|---|
| مسبار واحد | الحرارة عند نقطة استشعار واحدة مركبة |
| ثلاثة مجسات | ثلاث نقاط حرارة مادية مستقلة |
| ستة مجسّات | ست نقاط حرارة مستقلة |
| نظام متعدد القنوات | عدة مجسات مستقلة يقرأها جهاز مراقبة متوافق واحد |
يتبع عدد المجسات والقنوات عدد نقاط القياس المستقلة المطلوب مراقبتها، لا الحجم الإجمالي للمعدة.
ممّ يتكوّن نظام قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
يتكوّن نظام قياس الحرارة بالألياف الضوئية أو نظام مراقبتها عادةً من العناصر التالية:
- مسبار حرارة بالألياف الضوئية
- ليف ضوئي أو مجموعة تمديد
- جهاز مراقبة أو إرسال أو فك تضمين
- مصدر طاقة عند الحاجة
- شاشة محلية عند دعمها
- خرج اتصال عند الدعم
- وصلة PLC / SCADA / DAQ عند الحاجة
للمسبار وجهاز المراقبة وظيفتان مختلفتان: ينتج المسبار استجابة بصرية تتغير مع الحرارة، بينما يحولها الجهاز إلى بيانات قابلة للاستخدام، ويوفر مخارج اتصال عند دعمها. راجع ما مستشعر درجة الحرارة بالألياف الضوئية وكيف يعمل؟ لمزيد من التفاصيل حول المجس نفسه.
قياس الحرارة بالألياف الضوئية مقارنةً بالقياس التقليدي
| الطريقة | نوع القياس | مسار الإشارة | الميزة الأساسية | القيد / الاعتبار الرئيسي |
|---|---|---|---|---|
| ألياف ضوئية | قياس مباشر عند نقطة التركيب | ضوئي | عزل كهربائي ومقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي على طول المسار الضوئي | يتطلب جهاز مراقبة بصريًا متوافقًا |
| PT100 / كاشف مقاومة حرارية (RTD) | قياس مباشر عند نقطة التركيب | المقاومة الكهربائية | شائع وسهل الدمج في الأنظمة التقليدية | ينبغي مراعاة الأسلاك الكهربائية والعزل |
| مزدوج حراري | قياس مباشر عند نقطة التركيب | جهد كهروحراري | استخدام صناعي واسع وملاءمة لنطاقات حرارة عديدة | يجب مراعاة أسلاك الإشارة والبيئة الكهربائية |
| الأشعة تحت الحمراء | قياس حرارة السطح | قياس بصري دون تلامس | لا يوجد تلامس مع الهدف | يتطلب وصولًا بصريًا أو خط رؤية مباشرًا ويقيس الأسطح المتاحة |
لكل طريقة حالات تكون فيها عملية. راجع الفروق الرئيسية بين حساس الحرارة بالألياف الضوئية وPT100 لمقارنة أوثق بين هاتين الطريقتين بالتلامس المباشر.
أين يُستخدم قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
| التطبيق | ما الذي يُقاس؟ | لماذا يُعد القياس الليفي الضوئي مناسبًا؟ |
|---|---|---|
| المحوّل | مواضع مختارة في الملفات أو النقاط الساخنة المحتملة | قياس نقطي مباشر داخل بيئة ملفات ذات جهد عالٍ |
| معدات التبديل الكهربائية | قضبان التوصيل والوصلات ونهايات الكابلات | العزل الكهربائي والمراقبة متعددة النقاط |
| المحركات | مواضع مختارة في ملفات العضو الثابت | قياس مباشر للملفات مع مقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي على مسار الاستشعار الضوئي |
| اختبارات الجهد العالي | الأجهزة أو المكونات أو أجسام الاختبار | العزل الكهربائي أثناء القياس في الجهد العالي |
| التصوير بالرنين المغناطيسي / المجالات المغناطيسية القوية | معدات أو نقاط اختبار مختارة | مسار استشعار بصري معزول كهربائيًا عند موضع المسبار |
| الميكروويف الصناعي / الترددات الراديوية | نقاط في المادة أو الحجرة أو المعدة | مناسب عندما قد تتداخل أسلاك الحساسات الموصلة مع بيئة القياس |
| إلكترونيات القدرة | مواضع مختارة في وحدات IGBT / SiC | قياس نقطي مباشر ومدمج للاختبار والتطوير |
لا يتطلب كل تطبيق قياسًا بالألياف الضوئية، لكنه مفيد خصوصًا عندما يكون العزل الكهربائي مهمًا. ولقياس حرارة ملفات المحرك تحديدًا، راجع كيف تُقاس حرارة ملفات المحرك؟، ولمراقبة القضبان والوصلات راجع كيفية مراقبة حرارة قضبان التوصيل والوصلات ونهايات الكابلات في معدات التوزيع.
لماذا يُستخدم قياس الحرارة بالألياف الضوئية في بيئات الجهد العالي والتداخل الكهرومغناطيسي؟
تجعل عدة خصائص قياس الحرارة بالألياف الضوئية مناسباً لقياس الحرارة في الجهد العالي والمجالات الكهرومغناطيسية القوية:
- مسار الاستشعار البصري معزول كهربائيًا.
- ينقل الليف الضوئي القياس بصرياً بدلاً من إشارة مستشعر كهربائية عند نقطة الاستشعار.
- مقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي على امتداد مسار الاستشعار الضوئي.
- يمكن وضع المسبار قرب مواقع مختارة تحت الجهد أو حساسة كهربائيًا إذا سمح تصميم المعدّة.
- يمكن إبقاء جهاز المراقبة بعيدًا عن نقطة الاستشعار.
يظل جهاز المراقبة وأسلاك الاتصال الخارجية مكوّنين إلكترونيين، لذلك ينبغي أن يراعي تصميم النظام الكامل الخلوصات ومتطلبات السلامة الخاصة بالمعدات. ويتوفر شرح إضافي لهذا الموضوع في لماذا تُستخدم مستشعرات الحرارة بالألياف الضوئية لقياس الحرارة في بيئات الجهد العالي؟
كيف يعمل قياس الحرارة الليفي الضوئي متعدد النقاط؟
يقابل المسبار النقطي الواحد عادةً قناة قياس فعالة واحدة. فعلى سبيل المثال، توفر ثلاثة مجسات ثلاث نقاط مستقلة، وتوفر ستة مجسات ست نقاط مستقلة، وتوفر اثنا عشر مسباراً اثنتي عشرة نقطة مستقلة، وفق جهاز المراقبة المستخدم.
قد تشمل تهيئات أنظمة مراقبة الحرارة بالألياف الضوئية المعتادة 1–4 قنوات للتهيئات المدمجة أو OEM عند انطباقها، و3 / 6 / 9 / 12 / 16 قناة لمراقبة المعدات وفق الجهاز، وتهيئات خاصة قد تصل إلى نحو 64 قناة بحسب بنية النظام. ولا يدعم كل طراز جميع أعداد القنوات. ولإرشادات اختيار عدد القنوات، راجع كم قناة تحتاج لمراقبة الحرارة بالألياف الضوئية؟
كيف يتصل نظام مراقبة الحرارة بالألياف الضوئية بـ PLC أو SCADA أو DAQ؟
لا يتصل المجس الليفي الضوئي عادةً مباشرةً بـ PLC أو SCADA. ويتبع الاتصال المسار التالي عمومًا: مجس ليفي ضوئي ← جهاز مراقبة ← واجهة صناعية ← PLC / SCADA / DAQ.
تشمل الواجهات المعتادة، وفق جهاز المراقبة:
- RS485 باستخدام بروتوكول مدعوم مثل Modbus RTU
- خرج تناظري 4-20 mA
- مرحل إنذار
- CAN عند توفر الدعم
- Ethernet / TCP/IP عند الدعم
لا يتضمن كل طراز جميع الواجهات. ولمزيد من التفاصيل حول توصيل نظام مراقبة الحرارة بالألياف الضوئية بمنصات خارجية، راجع كيف تتصل أنظمة مراقبة الحرارة بالألياف الضوئية بـPLC وSCADA والمنصات الخارجية؟
متى تختار قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
| متطلبات القياس | متى يكون القياس بالألياف الضوئية مناسبًا؟ |
|---|---|
| نقطة استشعار ذات جهد عالٍ | مناسب خصوصًا عند الحاجة إلى عزل كهربائي |
| بيئة شديدة التداخل الكهرومغناطيسي | مناسب خصوصًا لأن مسار الاستشعار البصري يتمتع بمقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي. |
| مجال مغناطيسي قوي | مناسب عند الحاجة إلى استشعار بصري معزول كهربائيًا. |
| قياس نقطي داخلي مباشر | ملائم عندما يمكن تركيب مسبار نقطي في الموقع المطلوب |
| نقاط مستقلة متعددة | مناسب مع جهاز مراقبة متعدد القنوات |
| قياس عمليات تقليدي بجهد منخفض | قد يكون PT100 أو المزدوج الحراري عمليًا أيضًا |
| السطح المتاح فقط | قد يكون القياس بالأشعة تحت الحمراء عمليًا |
| معدات قائمة يتعذر الوصول إلى داخلها | يتوقف الاختيار على إمكانات التثبيت وموقع القياس |
ما الذي ينبغي تحديده قبل اختيار نظام قياس الحرارة بالألياف الضوئية؟
- ما المعدة المراد قياس حرارتها؟
- ما النقاط المادية الدقيقة التي تتطلب قياس الحرارة؟
- كم نقطة مستقلة مطلوبة؟
- ما نطاق الحرارة المتوقع؟
- ما قطر المسبار أو مساحة التركيب المتاحة؟
- ما طول الليف المطلوب؟
- أين سيُركّب جهاز المراقبة؟
- هل يلزم عرض محلي؟
- هل يلزم التكامل مع PLC / SCADA / DAQ؟
- ما واجهة الاتصال المطلوبة؟
- هل المشروع تهيئة قياسية أم تكامل OEM / ODM؟
للاطلاع على نطاق الحرارة وطول الليف تحديداً، راجع ما نطاق الحرارة الذي يستطيع حساس الحرارة الليفي الضوئي قياسه؟ و كيفية اختيار طول الليف المناسب لحساس الحرارة بالألياف الضوئية. وللاطلاع على دليل اختيار أوسع، راجع كيفية اختيار حساس حرارة بالألياف الضوئية.
أنظمة قياس الحرارة بالألياف الضوئية من INNO
توفر INNO مجسّات نقطية لقياس الحرارة بالألياف الضوئية المعتمدة على التألق، وأجهزة مراقبة وأنظمة قياس قابلة للتهيئة متعددة القنوات للتطبيقات الكهربائية والصناعية والطبية والاختبارية.
- قياس مباشر لدرجة الحرارة عند نقطة محددة
- مسار استشعار ضوئي معزول كهربائياً
- مقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي على مسار الاستشعار البصري
- خيارات مسبار مدمجة
- طول ليف مخصص
- قياس متعدد القنوات
- أجهزة مراقبة لمتطلبات قنوات مختلفة
- الربط مع PLC أو SCADA أو DAQ عبر واجهات متوافقة
- خيارات OEM / ODM لمصنّعي المعدات ومتكاملي الأنظمة
قد تشمل القيم المرجعية المعتادة لمجسات INNO النقطية نطاق حرارة يقارب -40 إلى 260 °م، ودقة تقارب ±0.5 إلى ±1 °م، واستجابة أقل من 1 ثانية، وقطر مسبار يقارب 2–3 مم، وطول ليف يقارب 0–20 متراً. وتعتمد تهيئات القنوات على جهاز المراقبة ومتطلبات المشروع، كما تتوقف المواصفات الدقيقة على تهيئة المسبار والجهاز والمشروع.