مزايا وعيوب استخدام المزدوجات الحرارية

المزدوجات الحرارية هي مستشعرات درجة حرارة بسيطة تُستخدم في جميع أنحاء العلم والصناعة. وهي تتكون من سلكين من معادن غير متشابهة متصلين ببعضهما عند نقطة أو تقاطع واحد ، وعادة ما يتم لحامهما من أجل الصلابة والموثوقية.

في نهايات الدائرة المفتوحة لهذه الأسلاك ، تولد المزدوجة الحرارية جهدًا استجابةً للتقاطع درجة الحرارة ، نتيجة لظاهرة تسمى تأثير سيبيك ، اكتشفها الفيزيائي الألماني توماس عام 1821 سيبيك.

أي سلكين من معادن مختلفة عند التلامس سينتج جهدًا عند التسخين ؛ ومع ذلك ، فإن مجموعات معينة من السبائك تكون قياسية بسبب مستوى إنتاجها واستقرارها وخصائصها الكيميائية.

الأكثر شيوعًا هي المزدوجات الحرارية "المعدنية الأساسية" ، المصنوعة من الحديد أو سبائك النيكل وعناصر أخرى ، وتُعرف باسم الأنواع J و K و T و E و N ، اعتمادًا على التركيب.

تُعرف المزدوجة الحرارية "المعدنية النبيلة" ، المصنوعة من أسلاك البلاتين والروديوم والبلاتين للاستخدام في درجات حرارة أعلى ، باسم الأنواع R و S و B. اعتمادًا على النوع ، يمكن للمزدوجات الحرارية قياس درجات الحرارة من حوالي -270 درجة مئوية إلى 1700 درجة مئوية أو أعلى (حوالي -454 درجة فهرنهايت إلى 3100 فهرنهايت أو أعلى).

تعتمد مزايا وعيوب المزدوجات الحرارية على الموقف ، ومن المهم أولاً فهم حدودها. يكون ناتج المزدوج الحراري صغيرًا جدًا ، وعادة ما يكون حوالي 0.001 فولت فقط عند درجة حرارة الغرفة ، ويزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. كل نوع له معادلته الخاصة لتحويل الجهد إلى درجة حرارة. العلاقة ليست خطاً مستقيماً ، لذا فإن هذه المعادلات معقدة إلى حد ما ، ولها العديد من المصطلحات. ومع ذلك ، فإن المزدوجات الحرارية تقتصر على دقة تبلغ حوالي 1 درجة مئوية ، أو حوالي 2 فهرنهايت ، في أحسن الأحوال.

للحصول على نتيجة معايرة ، يجب مقارنة جهد المزدوج الحراري بقيمة مرجعية ، والتي كانت ذات يوم مزدوجة حرارية أخرى مغمورة في حمام ماء مثلج. ينشئ هذا الجهاز "تقاطعًا باردًا" عند 0 درجة مئوية ، أو 32 درجة فهرنهايت ، ولكن من الواضح أنه محرج وغير مريح. لقد حلت الدوائر المرجعية الإلكترونية لنقطة الجليد الحديثة محل الماء المثلج عالميًا ومكنت من استخدام المزدوجات الحرارية في التطبيقات المحمولة.

نظرًا لأن المزدوجات الحرارية تتطلب تلامس معادن غير متشابهة ، فإنها عرضة للتآكل ، مما قد يؤثر على معايرتها ودقتها. في البيئات القاسية ، عادة ما يكون التقاطع محميًا بغلاف فولاذي ، مما يمنع الرطوبة أو المواد الكيميائية من إتلاف الأسلاك. ومع ذلك ، فإن العناية بالمزدوجات الحرارية وصيانتها ضرورية لأداء جيد على المدى الطويل.

المزدوجات الحرارية بسيطة ومتينة وسهلة التصنيع وغير مكلفة نسبيًا. يمكن صنعها بأسلاك دقيقة للغاية لقياس درجة حرارة الأجسام الصغيرة مثل الحشرات. تعد المزدوجات الحرارية مفيدة على نطاق واسع جدًا من درجات الحرارة ويمكن إدخالها في أماكن صعبة مثل تجاويف الجسم أو البيئات المسيئة مثل المفاعلات النووية.

لكل هذه المزايا ، يجب مراعاة عيوب المزدوجات الحرارية قبل تطبيقها. يتطلب خرج مستوى الميلي فولت تعقيدًا إضافيًا للإلكترونيات المصممة بعناية ، لكل من مرجع نقطة الجليد وتضخيم الإشارة الصغيرة.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن استجابة الجهد المنخفض تكون عرضة للضوضاء والتداخل من الأجهزة الكهربائية المحيطة. قد تحتاج المزدوجات الحرارية إلى تدريع مؤرض للحصول على نتائج جيدة. تقتصر الدقة على حوالي 1 درجة مئوية (حوالي 2 درجة فهرنهايت) ويمكن تقليلها بشكل أكبر بسبب تآكل الوصلة أو الأسلاك.

أدت مزايا المزدوجات الحرارية إلى دمجها في مجموعة واسعة من المواقف ، من التحكم في الأفران المنزلية إلى مراقبة درجة حرارة الطائرات والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية. تستخدم الأفران والأوتوكلاف المزدوجات الحرارية ، وكذلك المطابع والقوالب للتصنيع.

يمكن توصيل العديد من المزدوجات الحرارية معًا في سلسلة لإنشاء مبرد حراري ينتج جهدًا أكبر استجابة لدرجة الحرارة مقارنة بمزدوجة حرارية واحدة. تُستخدم القوالب الحرارية لصنع أجهزة حساسة للكشف عن الأشعة تحت الحمراء. يمكن للقوالب الحرارية أيضًا توليد الطاقة للمسبارات الفضائية من حرارة الاضمحلال الإشعاعي في مولد كهربائي حراري للنظائر المشعة.