حساسات الحرارة وأنواعها

تعريف حساسات الحرارة

مستشعر درجة الحرارة أو حساس الحرارة (بالإنجليزية: Temperature Sensor) هو جهاز يقيس درجة الحرارة من خلال الإشارات الكهربائية، ويتألّف من مزدوج حراري (T /C) يحتوي على معدَنين غير متماثلَين، والتي تُولّد جهداً كهربائياً متناسباً مع التغيّرات في درجات الحرارة، ويحتوي أيضاً على مِكشاف حرارة مقاومي (بالإنجليزية: Resistance Temperature Detector) واختصاره (RTD)، وهو مقاوم متحوّل يُغيّر مقاومته الكهربائية بما يتناسب مباشرةً مع التغييرات التي تحدث في درجات الحرارة، وتُعدّ هذه النسب دقيقة وقابلةً للتكرار، وتكمن أهميته في قياس درجات الحرارة التي تُعدّ من أكثر أنواع القياسات شيوعاً في تصحيح درجات الحرارة لأجهزة الاستشعار الأخرى المختلفة، مثل: الإجهاد، والضغط، والقوة، والتدفق، والمستوى، كما تتطلّب قياس درجات الحرارة مراقبتها عدة مرات لضمان الدقة في القراءة.

أنواع حساسات الحرارة

تتعدّد أنواع مستشعرات أو حساسات الحرارة، لكن يتكّون مستشعر الحرارة من نوعين رئيسين، وهما كالآتي:

• مستشعر درجة الحرارة بالتلامس: يُتابع هذا النوع التغيّرات في درجات الحرارة من خلال التلامس المادي والتوصيل مع الجسم المُراد قياس درجة حرارته، وغالباً ما يُستخدم للكشف عن المواد الصلبة، والسوائل، والغازات، وعلى نطاق واسع من درجات الحرارة.
• مستشعر درجة الحرارة دون تلامس: يُستخدم هذا النوع من الحساسات الحمل الحراري والإشعاع لمراقبة التغيّرات في درجة الحرارة، ويُستخدم للكشف عن السوائل والغازات التي تنبعث منها طاقة مُشعّة مع ارتفاع الحرارة واستقرار البرودة في الأسفل في تيارات الحمل الحراري، كما تُستخدم أيضاً للكشف عن الطاقة المُشعّة التي تنتقل من الجسم على شكل أشعة تحت الحمراء.

وفيما يأتي أبرز الأنواع الفرعية لمستشعرات الحرارة:

• المزدوجات الحرارية: وهي عبارة عن سلكَين من السبائك المعدنية التي تُحوّل الطاقة الحرارية إلى كهربائية، ومن أهمّ تطبيقاته: آلات الحقن البلاستيكية ، ومعدات تجهيز الأغذية، والمعدّات الطبية، والمعالجات الحرارية الصناعية، ومعدات التغليف، ومن أهمّ مزاياها أنها عملية لدرجات الحرارة العالية، ومنخفضة التكلفة، كما أنّها أسرع استجابةً للتغيّرات في درجات الحرارة، ومن سلبياتها أنّ حساسيتها منخفضة للتغيّرات البسيطة في درجات الحرارة، كما يجب أن يكون سلك التمديد من نفس نوع المزدوج الحراري، وقد يلتقط السلك ضوضاء كهربائية مُشعّة إن لم يكن محمياً.
• مكشاف حرارة مقاومي: وهي أجهزة مكونة من أسلاك ملتفة وأغشية رقيقة، ويُمكن أن تكون صغيرةً جداً بما يكفي للاستجابة في أجزاء من الثانية، ومن تطبيقاتها: تجهيز الخدمات الغذائية، والأبحاث الطبية، وإنتاج المنسوجات، ومن مزاياها: القدرة على قياس درجات الحرارة المتكررة بشكل جيد، بالإضافة إلى أنّها مقاومة للتلوث، أمّا سلبياتها فهي أنها قابلة للتآكل، وتكلفتها مرتفعة، واستجابتها أبطأ، إضافةً إلى أنّها حسّاسة للاهتزازات.  
• الثرمستورات: والتي تُعدّ من أشباه الموصلات التي تتألّف من أكاسيد معدنية مضغوطة على شكل رقاقة، وتُستخدم غالباً في المعدّات الطبية، وقياس سائل تبريد المُحرّك في السيارات، وتمتاز بأنّها حساسة للتغيّرات البسيطة في درجات الحرارة، ويُمكن استخدام أسلاك التمديد النحاسية أو النيكل فيها، ومن سلبياتها: قابليتها للكسر، بالإضافة إلى أن نطاق درجات الحرارة فيها محدود.
• مجسات الأشعة تحت الحمراء: تقيس هذه المجسّات طاقة الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن الجسم، ومن استخداماتها: تصنيع المعادن، والزجاج، والسيراميك، والورق، والطلاء، كما تُستخدم للتحكّم في الأتمتة، وتحسين السلامة في مكافحة الحرائق، ومراقبة درجات حرارة جسم الإنسان، ومن ميزاتها أنّها لا تحتاج للاتصال مع الجسم، كما أنّ استجابتها أسرع، ولا تتآكل أو تتأكسد، ومن سلبياتها: التكلفة العالية، بالإضافة إلى أنّ دقة القياس تتأثّر بالغبار والدخان والإشعاع.

مبدأ عمل حساسات الحرارة

يستشعر الناس بشكل عام درجة الحرارة إمّا ساخنة أو باردة أو فاترة، ممّا يعني ضرورة الحصول على قياسات دقيقة لدرجات الحرارة للتحكّم الدقيق فيها، حيث يتمّ ذلك من خلال استخدام مستشعرات درجة الحرارة التي تُرسل الإشارات لمنظّمات درجات الحرارة وتُعالجها، كما أنّ درجات الحرارة تتغيّر لتُعبّر عن متوسط طاقة الحركة الجزيئية، وعند إضافة الحرارة إلى النظام تزداد الحركة الجزيئية ممّا يجعل النظام يتلقّى درجات حرارة أكبر، وعندها يقيس مستشعر درجة الحرارة التغيّرات التي تستجيب لها درجات الحرارة، وبعد ذلك تتمّ معايرة هذه الأجهزة مع مقاييس الحرارة التقليدية، مثل: درجة غليان الماء عند ضغط مُحدّد.

يتكوّن المزدوج الحراري من سلكَين معدنيين مختلفين، تتصل هذه الأسلاك معاً من إحدى الأطراف لتُشكّل تقاطع قياس ساخن، وأمّا الطرف الآخر المعروف بالتقاطع المرجعي البارد فيتصل عبر جهاز قياس إلكتروني، وتكون الإشارة الظاهرة استجابةً للاختلاف في درجات الحرارة بين تقاطع القياس والتقاطع المرجعي، إذ لا تكون استجابةً لدرجة الحرارة الفعلية، ويكون مستشعر درجة الحرارة مُدمجاً مع جهاز القياس الإلكتروني قريباً من النقطة التي يوصل بها التقاطع المرجعي، ثمّ تُضاف درجة الحرارة المحيطة إلى فارق درجة الحرارة باستخدام جهاز القياس، ويجدر بالذكر أنّه يلزم سلكَين فقط لتوصيل المزدوج الحراري، حيث يجب أن تكون أسلاك التوصيل مصنوعةً من نفس المعدن مما يُجنّب حدوث تقاطعات قياس جديدة تُؤدي إلى قراءات خاطئة لدرجات الحرارة.

ويُشار إلى أنّ جميع المواد الموصلة للكهرباء تُقاوم تدفّق الكهرباء بمقدار مختلف، حيث إنّه عندما يمرّ الجهد الكهربائي عبر موصل ما تختلف المقاومة اعتماداً على درجة حرارة الموصل، كما تُقاس هذه المقاومة عبر نظام كاشف درجة حرارة المقاومة (RTD)، ويُستخدم عادةً عنصر البلاتين في هذا الكاشف نظراً لأنّه نقي، ويحافظ على استقراره مع تغيّر درجات الحرارة على مدى واسع.

تطبيقات استخدام حساسات الحرارة

من أهمّ التطبيقات التي تدخل بها حساسات درجات الحرارة ما يأتي:

• الصناعات الغذائية: تكمن وظيفتها في مراقبة الدورات الزمنية لدرجات الحرارة لضمان الحفاظ على جودة الغذاء.
• صناعة السيارات: تُستخدم لمراقبة درجة حرارة الاحتراق والعادم.
• حاضنة الأطفال في المستشفى: تكمن وظيفتها في مراقبة الحرارة الدائم لضمان بقاء الحرارة في النطاق المناسب للأطفال في الحاضنات.
• في المنزل والصناعات: تُستخدم لقياس درجات الحرارة للتأكّد من كفاءة الطاقة في الصناعات وفي المنازل، كما تدخل في صناعة الكثير من الأجهزة شائعة الاستخدام، مثل: الأفران المنزلية، والثلاجات، ومنظّمات الحرارة، إذ تعتمد على الحفاظ على درجة الحرارة والتحكّم فيها لضمان العمل الصحيح.