حساسات حرارة المحرّكات الكهربائية: خيارات RTD والثرمستور والألياف الضوئية

يكون حساس حرارة المحرك الكهربائي عادةً من نوع RTD أو ثرمستور أو مزدوج حراري أو ألياف ضوئية، ويلائم كل نوع هدف قياس مختلفًا. وغالبًا ما يكون قياس حرارة الملفات هو الأشيع، لكن قد يضم المحرك نفسه حساسات عند المحامل أو الغلاف أو مواضع داخلية أخرى.

يعتمد الحساس المناسب على موضع القياس ونطاق الحرارة والبيئة الكهربائية والدقة المطلوبة وسلوك الاستجابة ومساحة التركيب وواجهة المراقبة.

ما حساسات الحرارة المستخدمة في المحرّكات الكهربائية؟

تغطي أربعة أنواع من المستشعرات معظم قياسات حرارة المحركات. تستخدم مستشعرات RTD كواشف تغير المقاومة الكهربائية مع الحرارة. وتستخدم الثرمستورات تغير المقاومة أيضًا، لكن بمواد شبه موصلة ومنحنى استجابة مختلف. وتولد المزدوجات الحرارية جهدًا صغيرًا يتغير بحسب الحرارة. أما مستشعرات الألياف الضوئية فتستخدم إشارة ضوئية؛ وفي التصاميم القائمة على الفلورة تُستنتج الحرارة من سلوك الفلورة لمادة موجودة عند طرف الاستشعار.

قد تحتوي المحرّكات أيضًا على حساسات حرارة للمحامل وحساسات للسطح أو الغلاف. وتقيس حساسات المحامل والغلاف مقادير حرارية مختلفة عن حساسات الملفات والعضو الثابت.

حساسات RTD لقياس حرارة المحرك

مستشعر RTD هو كاشف لدرجة الحرارة بالمقاومة. تتغير مقاومته مع الحرارة على نحو مستقر وقابل للتكرار، ويحوّل جهاز المراقبة المقاومة المقاسة إلى قيمة حرارية. ومن التسميات الشائعة PT100 وPT1000، وتشيران إلى المقاومة الاسمية عند درجة مرجعية.

تُدمج حساسات RTD عادةً في ملفات العضو الثابت أو توضع عند المحامل. ويُركب RTD الملفات أثناء التصنيع في موضع مختار، غالبًا بين جانبي الملف أو في موضع آخر يحدده تصميم المحرك. وبفضل ثبات علاقة المقاومة بالحرارة، تلائم حساسات RTD المراقبة المستمرة، كما تقبل كثير من مرحّلات حماية المحركات ووحدات PLC وأنظمة المراقبة مدخلاتها مباشرةً.

تتطلب عملية الاختيار الانتباه إلى عدة نقاط. يحتاج مستشعر RTD إلى موصلات كهربائية، لذا يجب مراعاة أسلاك التوصيل والعزل، خصوصًا في الآلات ذات الجهد العالي. وقد يتطلب توجيه الإشارة عناية في البيئات ذات الظروف الكهربائية الصعبة. وتعتمد فئات الدقة والسماحات ونطاقات الحرارة المحددة على نوع RTD والشركة المصنّعة، وينبغي الرجوع إلى وثائق المنتج.

الثرمستورات في ملفات المحرّكات

الثرمستورات مقاومات حساسة للحرارة. تنخفض مقاومة أنواع NTC مع ارتفاع الحرارة، بينما ترتفع مقاومة أنواع PTC عادةً بحدة قرب درجة محددة.

تُستخدم الثرمستورات PTC غالبًا للحماية واكتشاف بلوغ العتبة. وتراقب دائرة التحكم المقاومة، ويشير التغير المفاجئ إلى وصول الملف إلى حالة محددة. أما الثرمستورات NTC فتقدم مقاومة تتغير مع الحرارة ويمكن قراءتها كقيمة حرارية عند استخدام دائرة مناسبة.

تفيد الثرمستورات عندما يكون الحجم الصغير أو وظيفة الحماية البسيطة أو التغير السريع في المقاومة مطلوبًا. ولا ينبغي اعتبارها جميعًا أجهزة دقيقة للقياس المستمر للحرارة؛ فسلوكها وغرض المراقبة يعتمدان على نوع الحساس ودائرة التحكم المتصلة به. ويجيب الثرمستور المستخدم للحماية عن سؤال مختلف عن حساس يوفر بيانات مستمرة لحرارة الملفات.

المزدوجات الحرارية لقياس حرارة المحرك

يتكوّن المزدوج الحراري من معدنين مختلفين، ويولّد موضع الوصل بينهما جهدًا يتغير مع الحرارة. وقد تكون وصلة الاستشعار صغيرة، وتعتمد سرعة الاستجابة على البنية. وتُستخدم المزدوجات الحرارية في تطبيقات صناعية كثيرة، ومنها المحرّكات والمعدات التي تديرها.

تتمثل الاعتبارات الأساسية في الجوانب الكهربائية. فالإشارة جهد منخفض تحمله موصلات، ويتطلب القياس ترتيب وصلة مرجعية في الجهاز. وفي البيئات الكهربائية الصعبة قد يؤثر التأريض والتدريع وتوجيه الإشارة في النتيجة. ولا يمنع ذلك استخدام المزدوجات الحرارية في المحرّكات، لكنه يعني أن بعض البيئات تتطلب عناية أكبر بالأسلاك مقارنةً بالاستشعار الضوئي.

حساسات حرارة ليفية ضوئية لملفات المحرّكات

تعتمد تقنية INNO على الاستشعار الحراري النقطي بالألياف الضوئية الفلورية. يحتوي المجس على طرف استشعار، وتُقاس الحرارة عنده. وينقل الليف ضوء الإثارة إلى الطرف والإشارة العائدة إلى جهاز متوافق، الذي يحولها إلى قيمة حرارية.

يقيس كل مسبار موضعًا فعليًا محددًا. وتنقل الألياف بين طرف الاستشعار والجهاز الإشارة، لكنها لا تقيس الحرارة على امتدادها. هذا قياس عند نقطة محددة لا قياس موزّع، كما أن المسبار لا يكتشف تلقائيًا نقطة ساخنة غير معروفة. ينبغي تحديد موقع القياس مسبقًا.

بالنسبة إلى الملفات، يُركب مجس حرارة ملفات المحرك بالألياف الضوئية عند موضع مختار في الملف بحيث يكون طرف الاستشعار في المكان المطلوب. وتُعرض البنية العامة وأنواع المسابير على صفحة مستشعرات الحرارة بالألياف الضوئية.

تشمل الخصائص المهمة لتطبيقات المحركات:

• عزل كهربائي لمسار الاستشعار البصري
• مقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي
• ملاءمة لبيئات مختارة ذات جهد عالٍ أو مجالات كهرومغناطيسية قوية
• حجم صغير للمسبار، ما قد يساعد عند محدودية مساحة التركيب
• مراقبة نقاط متعددة باستخدام مسابير مستقلة متعددة

هذه خصائص لطريقة الاستشعار وليست ضمانًا لكل تركيب. وتعتمد ملاءمة مجس ألياف ضوئية لمحرك بعينه على موضع القياس وتصميم الملفات وإمكان توجيه الليف إلى خارج الآلة.

مقارنة حساس RTD والثرمستور والمزدوج الحراري والحساس الليفي الضوئي

يقارن الجدول التالي الأنواع الأربعة من حيث مبدأ العمل ومجالات الاستخدام المعتادة. وهذه مقارنة محايدة وليست ترتيبًا للأفضلية؛ فالخصائص العامة تختلف باختلاف المنتج المحدد.

أين تُركب مستشعرات الحرارة في المحرك الكهربائي؟

غالبًا ما يحدد موضع القياس خيارات المستشعر قبل النظر في أي عامل آخر، لأن لكل موقع هدفًا مختلفًا.

ملفات العضو الثابت

تُعد ملفات العضو الثابت موقعًا رئيسيًا لمراقبة حرارة المحرّك. وتُدمج الحساسات داخل الملفات أو توضع عند مواقع مختارة، عادةً أثناء التصنيع. ولا يقيس أي نوع من حساسات حرارة العضو الثابت إلا موضع تركيبه، لذا لا تقل أهمية موقعه بالنسبة إلى الملف عن نوع الحساس.

المحامل

يختلف هدف مراقبة حرارة المحامل عن مراقبة الملفات؛ إذ ترتبط المحامل بالتزييت والحالة الميكانيكية، وتُستخدم فيها مستشعرات RTD عادةً. ولا يتطلب قياس حرارة المحامل استخدام الألياف الضوئية بصفة عامة؛ فالاختيار يعتمد على العوامل نفسها في التطبيقات الأخرى: الموقع والبيئة ونظام المراقبة.

غلاف المحرّك

يسهل الوصول إلى حرارة الغلاف أو السطح، لكنها لا تساوي مباشرةً حرارة الملفات الداخلية. ويتوقف الفرق على تصميم المحرّك وحمله وتبريده. وقد تفيد قياسات الغلاف لأغراض أخرى، لكنها لا تعوّض حساسًا عند الملف.

مواضع داخلية أخرى

قد تهم مواضع داخلية أخرى بحسب تصميم المحرّك، مثل المجاري أو نهايات الملفات أو مواضع حرارية أخرى. ويتوقف إمكان الوصول إليها لتركيب الحساس على البنية، ولا توجد قاعدة عامة تنطبق على كل المحرّكات.

لماذا تهم حرارة الملفات؟

تعكس حرارة الملفات الأثر المجمع للتيار والفواقد والحمل والتبريد والظروف المحيطة وتدفق الهواء. وعند زيادة تيار الحمل، تزداد فواقد الملفات عادةً، وكذلك تولّد الحرارة. وإذا قُيّد التبريد أو تدفق الهواء، فقد ينتج الحمل نفسه حرارة أعلى في الملفات. ويلتقط الحساس المثبت عند الملف المحصلة الكاملة لهذه العوامل، بخلاف القياسات السطحية.

تعتمد درجات الحرارة المقبولة على تصميم المحرك ونظام العزل والمواصفات المنطبقة؛ لذلك ينبغي الرجوع إلى وثائق المحرك لا إلى أرقام عامة. وتُشرح طرق القياس نفسها، بما فيها مقاومة الملفات وطرق قياس السطح، في مقالنا عن كيفية قياس حرارة ملفات المحرّك.

مراقبة نقاط حرارة متعددة في المحرك

يعطي مستشعر النقطة قراءة حرارية واحدة في موقع واحد. وإذا كانت عدة مواقع مهمة، فيلزم مستشعر مستقل لكل منها. وفي القياس النقطي بالألياف الضوئية، تقابل كل نقطة محددة مسبقًا مسبارًا واحدًا وقناة فعالة متوافقة في جهاز القياس.

كمثال على التهيئة، يتطلب رصد ثلاثة مواضع مستقلة من الملفات عادةً ثلاثة مجسّات وثلاث قنوات نشطة متوافقة على الأقل. وهذا مجرد مثال؛ إذ يعتمد عدد نقاط القياس على تصميم المحرك وهدف المراقبة، ولا يحتاج كل محرك إلى ثلاث نقاط.

توفر المجسّات المتعددة قياسات نقطية مستقلة متعددة، لا ملفًا حراريًا موزعًا. وترد تفاصيل الأجهزة متعددة القنوات في صفحة أنظمة مراقبة الحرارة بالألياف الضوئية, وتُعرض تفاصيل التطبيق الأوسع ضمن مراقبة حرارة المحركات والمولدات.

كيفية اختيار مستشعر حرارة لمحرك كهربائي

راجع النقاط التالية بالترتيب؛ إذ تساعد كل نقطة على تضييق الخيارات.

• موضع القياس: الملف أو العضو الثابت أو المحمل أو الغلاف أو موضع داخلي آخر.
• نطاق الحرارة المتوقع: تحقق منه في وثائق الحساس.
• سلوك الاستجابة المطلوب: مدى سرعة استجابة القراءة للتغيرات.
• دقة القياس المطلوبة: كما هو محدد في المواصفات ومؤكد للحساس المختار.
• متطلبات العزل الكهربائي: ما إذا كان يُسمح بوجود أسلاك موصلة عند نقطة القياس.
• البيئة الكهرومغناطيسية: الجهد العالي أو المجالات القوية أو ظروف التردد العالي.
• المساحة المتاحة للتركيب: المساحة المتاحة عند نقطة القياس المقصودة.
• قطر الحساس وهندسته: مدى ملاءمة المجس للموضع.
• مسار الكابل أو الليف: كيفية خروج الوصلة من المحرّك ووصولها إلى الجهاز.
• عدد نقاط القياس: يحتاج كل موضع مستقل إلى حساس خاص به.
• قنوات المراقبة المطلوبة: عدد كافٍ من قنوات الإدخال المتوافقة لجميع الحساسات.
• واجهة التحكم أو PLC أو المراقبة: نوع الإشارة التي يقبلها النظام الموجود.

اختيار المستشعر بحسب ظروف التطبيق

يسرد الجدول أنواع الحساسات التي تُؤخذ عادةً في الحسبان للظروف الشائعة، مع السؤال الذي يحدد الاختيار بينها. ولا يستبعد خيارات أخرى.

قياس الحرارة في بيئات الجهد العالي والتداخل الكهرومغناطيسي القوي

تعتمد الحساسات الكهربائية على الأسلاك الموصلة والإشارات الكهربائية. وينجح ذلك جيدًا في محركات كثيرة، لكن الأسلاك تصبح جزءًا من تحدي التصميم في الآلات ذات الجهد العالي أو المجالات الكهرومغناطيسية القوية. إذ يلزم الانتباه إلى العزل والتأريض والتدريع وتوجيه الكابلات، كما يجب أن تظل الإشارة موثوقة بوجود المجال.

يستخدم القياس بالألياف الضوئية مسارًا ضوئيًا بين نقطة الاستشعار والجهاز. ولا يوجد مسار إشارة موصل عند نقطة القياس، ما قد يبسط العزل الكهربائي وتمرير الإشارة في بعض بيئات الجهد العالي والمجالات القوية والترددات الراديوية. وهذا وصف لطريقة القياس وليس ادعاءً بالحصانة التامة. تتمتع مسابير الألياف الضوئية بمقاومة عالية للتداخل الكهرومغناطيسي، وتظل النتيجة الفعلية مرتبطة بالتركيب.

مراقبة حرارة المحرك الجديد مقابل تحديث نظام قائم

في المحرك الجديد، يمكن التخطيط للمستشعرات المدمجة خلال مرحلتي التصميم والتصنيع. ويمكن الاتفاق على نقاط القياس وتركيب المستشعرات حين يكون الملف متاحًا، ودمج مسار الأسلاك أو الألياف في بنية المحرك.

يكون الوصول إلى الملفات الداخلية محدودًا عادةً في المحرّك القائم. وقد تشمل الخيارات حساسات RTD مدمجة سابقًا وحساسات المحامل والقياس السطحي أو نقاطًا داخلية أخرى يمكن الوصول إليها. ولا ينبغي افتراض إمكان إضافة مجس ليفي ضوئي دائمًا إلى ملف قائم؛ إذ تتطلب كل حالة مراجعة هندسية.

قيود تركيب قد تغير اختيار المستشعر

• اختيار الحساس قبل تحديد موضع القياس.
• اعتبار حرارة الهيكل الخارجي مساوية لحرارة الملفات.
• افتراض أن حساسًا واحدًا يمثل الملف بأكمله.
• تجاهل متطلبات العزل الكهربائي عند نقطة القياس.
• تأجيل تخطيط توجيه الكابل أو الليف إلى مراحل متأخرة من التصميم.
• استخدام ثرمستور للحماية عند الحاجة إلى بيانات حرارة مستمرة.
• افتراض أن المجسّات النقطية المتعددة توفّر استشعارًا موزّعًا.

الخلاصة

يمكن للمحرّكات الكهربائية استخدام حساسات RTD والثرمستورات والمزدوجات الحرارية والحساسات الليفية الضوئية، لكن لكل منها غرض مختلف للقياس والحماية. تدعم RTD المراقبة المستمرة المعتمدة على المقاومة الكهربائية. وتوفر الثرمستورات استشعارًا مدمجًا ووظائف حماية. وتغطي المزدوجات الحرارية نطاقًا واسعًا من القياسات الصناعية. أما الحساسات الليفية الضوئية فتقيس النقاط مباشرةً عبر مسار إشارة ضوئية معزول كهربائيًا.

يبدأ اختيار المستشعر من نقطة القياس والبيئة التشغيلية، لا من اسم المستشعر. وبعد تحديد الموقع ونطاق الحرارة والظروف الكهربائية وواجهة المراقبة، تتضح الخيارات المناسبة عادةً.

إذا تطلب مشروع المحرك قياس حرارة الملفات مباشرةً، يمكن لـ INNO مراجعة نقاط القياس وتهيئة المجس وتوجيه الليف ومتطلبات القنوات.

ناقش مشروع مراقبة حرارة المحرّك