كيفية قياس الحرارة في البيئات المعزولة كهربائيًا

يمكن قياس الحرارة في البيئات المعزولة كهربائيًا باستخدام طريقة استشعار تمنع نقطة القياس من إنشاء مسار كهربائي موصل غير مرغوب فيه إلى جهاز المراقبة. وتشمل الطرق الشائعة حساسات الحرارة بالألياف الضوئية والقياس غير التلامسي بالأشعة تحت الحمراء والحساسات الكهربائية التقليدية مع عزل مناسب أو معالجة للإشارة أو مرسلات معزولة.

عندما يجب أن تبقى نقطة الاستشعار نفسها معزولة كهربائيًا عن الجهاز، يوفر مجس الألياف الضوئية نهجًا مباشرًا بوجه خاص، لأن إشارة الحرارة تنتقل بصريًا لا عبر أسلاك قياس موصلة. الاستشعار النقطي للحرارة بالألياف الضوئية المعتمد على التألق تستخدم مجسّات يقيس كل منها نقطة حرارة محددة، ولا تنتقل عبر الليف إشارة قياس كهربائية موصلة.

لا يعني العزل الكهربائي غياب الجهد عن المعدة أو فصل التركيب كله كهربائيًا أو زوال جميع المخاطر الكهربائية. بل يعني تصميم مسار قياس الحرارة لتجنب التوصيل الكهربائي غير المرغوب فيه بين نقطة الاستشعار وإلكترونيات القياس.

ما معنى قياس الحرارة مع العزل الكهربائي؟

يعني العزل الكهربائي في قياس الحرارة منع اتصال كهربائي موصل غير مرغوب فيه بين نقطة القياس وإلكترونيات القياس أو نظام اقتناء البيانات. ويمكن تطبيق العزل في مواضع متعددة، منها المسار بين المستشعر والجهاز أو دخل أو خرج جهاز الإرسال أو قناة اقتناء أو مزود طاقة أو واجهة اتصال. ولا يؤدي عزل جهاز الإرسال أو واجهة الاتصال وحده إلى عزل نقطة الاستشعار.

يرتبط العزل الجلفاني بمسار الاستشعار الضوئي، لكنهما ليسا المفهوم نفسه. ويمكن أن يظل المستشعر الكهربائي التقليدي جزءاً من نظام معزول كهربائياً إذا استُخدمت إلكترونيات عزل مناسبة في مرحلة لاحقة من سلسلة الإشارة.

لماذا يلزم العزل الكهربائي في قياس الحرارة؟

يصبح العزل الكهربائي مهماً عند وجود فروق جهد كبيرة أو معدات مكهربة أو اختلافات في التأريض أو مخاوف من حلقات أرضية أو مجالات كهربائية قوية أو قيود على أسلاك المستشعرات الموصلة، أو عندما تعمل إلكترونيات القياس عند جهد مختلف عن نقطة الاستشعار.

لا يتطلب كل قياس للحرارة عزلًا كهربائيًا؛ ولا يصبح ذلك شرطًا إلا عندما تقتضيه بيئة القياس أو بنية النظام.

ما طرق قياس الحرارة التي توفر عزلًا كهربائيًا؟

قياس الحرارة بالألياف الضوئية للعزل الكهربائي

يزيل الاستشعار الحراري بالألياف الضوئية أسلاك القياس الكهربائية الموصلة من مسار إشارة المستشعر. يوضع طرف المسبار عند النقطة المختارة، وتغير الحرارة الاستجابة الضوئية لمادة الاستشعار، ثم تنتقل الإشارة عبر الليف ويحسب جهاز المراقبة درجة الحرارة.

هذا قياس نقطي مباشر؛ وليس قياسًا دون تلامس أو قياسًا لمساحة كاملة. إذ يعرض المسبار الحرارة عند موضع تركيبه المحدد.

هل يمكن استخدام مستشعرات PT100 لقياس الحرارة مع عزل كهربائي؟

نعم. فحساسات PT100/RTD حساسات مقاومة كهربائية، ويمكن تحقيق عزل على مستوى النظام باستخدام مرسل معزول أو وحدة مدخلات معزولة أو عزل مناسب أو أسلاك ملائمة أو تدريع وتأريض عند الحاجة.

تظل PT100 عملية في أنظمة كثيرة تقليدية. وعندما ينبغي ألا ينشئ سلك المستشعر نفسه مسارًا موصلًا إلى نقطة القياس، قد يكون الاستشعار بالألياف الضوئية أنسب.

هل يمكن عزل المزدوجات الحرارية كهربائيًا؟

نعم، بحسب تصميم التركيب ومعالجة الإشارة. يستخدم المزدوج الحراري إشارة جهد كهربائي صغيرة، ويمكن تنفيذ العزل باستخدام وصلة معزولة أو مضخم معزول أو مرسل معزول أو قناة اكتساب معزولة.

تظل الأسلاك الموصلة قائمة بين نقطة الاستشعار والإلكترونيات. لذلك يختلف العزل البصري على مستوى المستشعر عن العزل الكهربائي على مستوى النظام، رغم وصف كليهما بأنهما قياس «معزول».

مقارنة الألياف الضوئية وPT100 والمزدوج الحراري والأشعة تحت الحمراء

العزل على مستوى الحساس مقارنةً بالعزل على مستوى الجهاز

يعني العزل على مستوى المستشعر عدم وجود أسلاك قياس موصلة من نقطة الاستشعار؛ ومسبار الحرارة بالألياف الضوئية مثال نموذجي. أما العزل على مستوى الجهاز فيعني وجود أسلاك مستشعر كهربائية عند نقطة القياس، مع فصل إلكترونيات معزولة لهذا الدخل عن النظام اللاحق، كما في مرسل RTD معزول أو وحدة مزدوج حراري معزولة.

يعالج النهجان متطلبات مختلفة للعزل الكهربائي، ويتوقف الاختيار الصحيح على الموضع الذي يلزم فيه العزل ضمن سلسلة القياس.

قياس حرارة المحولات مع عزل كهربائي

قد تتطلب المحوّلات قياسًا مباشرًا لحرارة الملفات عند نقطة داخلية ذات جهد كهربائي مرتفع. ويمكن دمج مجس ألياف ضوئية في موضع مختار من الملف أثناء التصنيع، ما يوفر مسار استشعار معزولًا كهربائيًا من تلك النقطة. ويتناول مقال مرتبط عن كيفية قياس حرارة ملفات المحوّل بالتفصيل منطق تحديد المواضع لهذا التطبيق.

العزل الكهربائي في قياس حرارة معدات الجهد العالي

في خلايا التوزيع وقضبان التوصيل ونهايات الكابلات والموصلات المكهربة ومعدات الاختبار الكهربائي، قد تعمل نقطة القياس عند جهد مختلف عن جهاز المراقبة. ويتجنب الاستشعار البصري إنشاء مسار موصل لإشارة الحرارة بين الموضعين. وهذا أحد الأسباب الرئيسية لاستخدام الاستشعار بالألياف الضوئية في قياس الحرارة عند الجهد العالي.

قياس حرارة إلكترونيات القدرة ووحدات IGBT وSiC

قد تشمل اختبارات إلكترونيات القدرة جهود تبديل عالية وعابرات سريعة وتداخلًا كهرومغناطيسيًا قويًا وجهودًا كهربائية عائمة. ويمكن تطبيق قياس الحرارة المعزول عند سطح وحدة أو غلاف جهاز أو نقطة حرارية مختارة أو منصة اختبار.

ينبغي وصف القياس بأنه حرارة الموقع المادي لطرف المسبار، لا حرارة وصلة الجهاز مباشرةً، إلا إذا كان تركيب المستشعر يطابق نقطة القياس هذه تحديداً.

قياس الحرارة في RF والميكروويف

قد تتفاعل مستشعرات الحرارة الموصلة مع بيئات RF أو الموجات الدقيقة وفق التهيئة. ويوفر المسبار بالألياف الضوئية مسار استشعار غير موصل يمكن استخدامه في التسخين بالموجات الدقيقة وأنظمة اختبار RF والتسخين العازل ومعدات الموجات الدقيقة الصناعية.

قياس الحرارة في المجالات المغناطيسية القوية وأنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي

قد تتطلب ترتيبات الاستشعار الكهربائية والمعدنية عناية خاصة في المجالات المغناطيسية القوية. ويوفر الاستشعار بالألياف الضوئية مسار إشارة بصريًا معزولًا كهربائيًا قد يناسب نقاط قياس حرارية مختارة في هذه البيئات.

ينبغي التحقق من التوافق مع نظام MRI أو المجال المغناطيسي المحدد وفق مواد المسبار وموضع الجهاز ومتطلبات مصنّع المعدات، لا استنتاجه من قيمة عامة لشدة المجال.

قياس الحرارة مع عزل كهربائي في مختبرات اختبار الجهد العالي

في مختبر الاختبار، قد ينفصل جسم الاختبار ماديًا عن جهاز المراقبة، ويسمح طول الليف بوضع الجهاز بعيدًا. وينطبق ذلك على اختبارات العزل والمواد العازلة ومنصات اختبار المعدات الكهربائية وأبحاث الجهد العالي، حيث ينبغي أن تتبع مسافات الأمان الفعلية وإجراءات جهد الاختبار معايير المنشأة المعمول بها.

متى يكون القياس غير التلامسي بالأشعة تحت الحمراء أنسب؟

يلائم القياس بالأشعة تحت الحمراء الأسطح المتاحة والأهداف المرئية والفحص المؤقت والحالات التي يتعذر فيها عملياً تركيب مسبار. أما الاستشعار بالألياف الضوئية فيُدرس عادةً للقياس عند نقاط داخلية أو مدمجة، والقياس التلامسي المستمر، والمواضع المغلقة التي يمكن الوصول فيها إلى المسبار.

ما علاقة التداخل الكهرومغناطيسي بالعزل الكهربائي؟

يرتبط العزل الكهربائي ومقاومة التداخل الكهرومغناطيسي في بعض التطبيقات، لكنهما ليسا المفهوم نفسه. يمنع العزل الكهربائي الاتصال الكهربائي الموصل غير المرغوب، بينما تصف مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي مدى مقاومة مسار القياس له. ويمكن للاستشعار بالألياف الضوئية توفير الميزتين على مسار الاستشعار الضوئي، لكن لا ينبغي دمجهما في مفهوم واحد.

هل يمكن مراقبة عدة نقاط حرارة معزولة كهربائياً؟

نعم. يستخدم المسبار النقطي الواحد عادةً قناة قياس واحدة، ويمكن لنظام متعدد القنوات مراقبة نقاط متعددة في ملفات المحولات أو وصلات المفاتيح الكهربائية أو أجسام الاختبار أو مواقع إلكترونيات القدرة أو معدات المختبر.

يمكن تهيئة نحو 1-64 قناة في مشروعات خاصة، بحسب جهاز المراقبة ومتطلبات المشروع، مع أن هذا النطاق الكامل لا يتوفر في كل المنتجات. ويتناول مقال مرتبط كيفية تحديد عدد القنوات اللازمة لمراقبة الحرارة بالألياف الضوئية.

ما المسافة الممكنة بين الحساس وجهاز المراقبة؟

طول الليف معلمة للتوجيه، وليس لنطاق درجة الحرارة. وتدعم تهيئات مجسات INNO النقطية المعتادة نحو 0–20 متراً وفق بنية المسبار ومتطلبات المشروع، بينما يمثل 3–5 أمتار مرجعاً أولياً عملياً لكثير من تطبيقات المعدات. وينبغي أن يتبع الطول الفعلي مسار التوجيه وموقع الجهاز وموضع فتحة العبور وهامش التركيب، كما يوضح دليل مخصص لاختيار طول الليف لمستشعر الحرارة بالألياف الضوئية.

هل يؤثر العزل الكهربائي في دقة قياس الحرارة؟

لا يجعل العزل الكهربائي حساس الحرارة أدق تلقائيًا. وتعتمد الدقة على تقنية الحساس وتصميم المجس وعنصر الاستشعار وجهاز المراقبة والتلامس الحراري وتهيئة النظام وظروف التطبيق.

ترتبط فائدة العزل في مستشعرات الألياف الضوئية أساساً بالبيئة الكهربائية للقياس، ولا تمثل ضماناً لدقة أعلى.

كيفية اختيار طريقة قياس حرارة معزولة كهربائياً

إذا لزم قياس تلامسي مباشر من دون مسار قياس موصل، فاستشعار الحرارة بالألياف الضوئية خيار مناسب. وإذا كان الاستشعار الكهربائي التقليدي مقبولًا مع الحاجة إلى عزل لاحق، فيمكن استخدام PT100/RTD مع مرسل معزول. وللتوافق مع نطاق واسع من العمليات الصناعية، يشيع استخدام مزدوج حراري مع مدخل معزول. أما إذا كانت حرارة السطح المتاح وحدها مطلوبة، فيناسب القياس بالأشعة تحت الحمراء. ويمكن استخدام نظام ألياف ضوئية متعدد القنوات أو نظام اكتساب معزول مناسب لعدة نقاط معزولة.

دليل اختيار قياس الحرارة مع العزل الكهربائي

يعتمد الاختيار النهائي على تصميم المعدة ومستوى العزل الكهربائي المطلوب.

ما المعلومات المطلوبة قبل اختيار حساس حرارة معزول؟

• نوع المعدة
• نقطة القياس
• الجهد الكهربائي عند موضع الاستشعار
• نوع العزل الكهربائي المطلوب
• قياس بالتلامس أم دون تلامس
• حرارة داخلية أم سطحية
• نطاق درجات الحرارة المطلوب
• درجة حرارة التشغيل المتوقعة
• أبعاد المجس
• طول الليف أو الكابل
• عدد نقاط القياس
• عدد القنوات
• موضع جهاز المراقبة
• بيئة EMI أو RF أو المجالات المغناطيسية
• واجهة الاتصال المطلوبة
• متطلبات خرج الإنذار
• متطلبات PLC / SCADA
• مساحة التركيب

مفاهيم خاطئة شائعة عن قياس الحرارة المعزول كهربائيًا

العزل الكهربائي يعني عدم وجود جهد. هذا غير صحيح. يشير العزل إلى الفصل في مسار القياس، لا إلى غياب الجهد.

لا يمكن استخدام سوى مستشعرات الألياف الضوئية في الأنظمة المعزولة. هذا غير صحيح. إذ يمكن استخدام مرسلات أو وحدات اكتساب معزولة مع أنظمة PT100 والمزدوجات الحرارية.

يجعل جهاز الإرسال المعزول أسلاك المستشعر غير موصلة. هذا غير صحيح. تظل أسلاك المستشعر موصلة؛ ويحدث العزل في الإلكترونيات.

حساسات الألياف الضوئية ليست دائمًا أدق. هذا غير صحيح. تتمثل مزاياه الرئيسية في العزل الضوئي ومقاومة التداخل الكهرومغناطيسي، لا في دقة أعلى تلقائياً.

تؤدي مستشعرات الأشعة تحت الحمراء والألياف الضوئية القياس نفسه. هذا غير صحيح. فالقياس بالأشعة تحت الحمراء قياس سطحي دون تلامس عادةً، بينما توفر مجسّات الألياف الضوئية استشعارًا نقطيًا مباشرًا عند موضع المسبار.