أجهزة قياس درجات الحرارة:

قياس درجات الحرارة

   قبل أن نتعرف على أجهزة قياس درجات الحرارة ، دعنا نتعرف على هذه الكمية الطبيعية الهامة . تعرف درجة الحرارة لأي جسم بأنها الطاقة الداخلية المتاحة لجزيئات هذا الجسم، ووحدات قياسها هي الفهرنهايت (F˚) والدرجة المئوية (C˚) والكلفن (K) والاخيرة هي الوحدة المستخدمة في النظام العالمي .

تقاس درجة الحرارة بإستخدام أحد التأثيرات التي يحدثها تغير درجة الحرارة في المواد، والتأثيرات هي:

(i) تغير أبعاد المادة (التمدد والإنكماش).

(ii) تغير الحالة الطبيعية للمواد (الإنصهار، التجمد، الضغط، الحجم).

(iii) تغير الجهد أو المقاومة في بعض الدوائر الكهربية.

     يوجد عدد من مقاييس درجات الحرارة، غير أن أكثرها شيوعاً المقياس المئوي (cْ) والمقياس المطلق (k) ومقياس فهرنهايت (Fْ) ومقياس رومير (RM) ومقياس رانكن (RK). الجدول التالي يوضح المقاييس المختلفة لدرجة الحرارة موضحاً عليها درجة تجمد وغليان الماء:

       غليان الماء  تجمد الماء   الصفر المطلق

K    373  273  0

Cْ     100  0     273

RMْ  80    0     218

Fْ     212  32    460

RNْ  674  1     0

أجهزة قياس درجات الحرارة:

1. الثيرمومترات الزجاجية:Glass Thermometer

   يتكون الثيرمومتر الزجاجي من بصيلة زجاجية ذات رقيق متصلة ساق على شكل أنبوبة شعرية مغلقة من طرف، تملا البصيلة وجزء من الساق بسائل ويملا باقي الساق ببخار السائل نفسه أو بمزيج من بخار السائل وغاز خامل. ويوجد حول الساق تدريج وتكون قيمة درجة الحرارة هي قيمة التدريج المقابلة لنهاية السـائل. يغطي هذا النوع من الثيرمومترات درجات الحرارة في المدىC  ْ110 C - ْ1200.

  تعتمد الثيرمومترات الزجاجية في عملها على خاصية تمدد الأجسام بالحرارة وإنكماشها بالبرودة. ونسبة لأن معامل تمدد السائل أكبر كثيراً من معامل تمدد البصيلة، فإن أي زيادة في درجة حرارة بصيلة الثيرمومتر تؤدي إلى دفع بعض السائل في الأنبوبة الشعرية، مما يمكن من الإستدلال على درجة الحرارة.

هناك أنواع كثيرة من الثيرمومترات الزجاجية مثل:

1.1 الثيرمومترات المخبرية:

   هي النوع الذي يستخدم في المختبراتوفي الأغراض العامة. الثيرمومترات المخبرية يكون التدريج فيها محفوراً على سيقانها مباشرة وغالباً توضح خطوط التدرج وعلاماته بواسطة مادة ملونة تلتصق بالسطح المحفور.

 1.2 الثيرمومترات المسجلة:

      هي ثيرمومترات تستخدم في قياس درجة حرارة وسط ما بعد فترة أو بعد إخراجها من هذا الوسط ، وتضم:

(a) ثيرمومتر النهاية الصغرى:

    هو ثيرمومتر كحولي يستخدم لتسجيل أدنى درجة حرارة سجلت خلال اليوم .عندما تنخفض درجة الحرارة فإن الكحول ينكمش ويتحرك ليسحب معه دليل من الصلب، وعند إرتفاع درجة الحرارة فإن الكحول يتمدد ويتحرك تاركاً الدليل حيث هو. إستعداداً لقراءة جديدة فإن الدليل يسحب بواسطة مغنطيس.

(b) ثيرمومتر النهاية العظمى:

    هو ثيرمومتر يستعمل لتسجيل أعلى درجة حرارة سجلت خلال اليوم. عندما ترتفع درجة الحرارة فإن الزئبق يتمدد ويدفع أمامه دليلاً معدنياً، وعندما تهبط درجة الحرارة ينكمش الزئبق ويترك الدليل في مكانه. يعاد الدليل بواسطة مغناطيس ليلامس الزئبق مرة أخرى إستعداداً للقراءة الجديدة.

قد يدمج النوعان (a) و (b) في ثيرمومتر واحد يسمى ثيرمومتر سايكس.

(c) الثيرمومتر الطبي:

     هو نوع من الثيرمومترات المسجلة يستعمل لقياس درجة حرارة جسم الإنسان. وهو مدرج   (110˚Fـ95˚F) أو (42˚C ـ 35˚C). يوجد بين المستودع والقناة الشعرية إختناق يمنع رجوع الزئبق إلى المستودع عندما يبعد الثيرمومتر من فم المريض. لإرجاع الزئبق للمستودع فإن الجهاز يهز عدة مرات. ويعقم هذا الثيرمومتر بمادة مطهرة مثل الكحول مثلاً.  

1.3 الثيرمومتر الصناعية:

     تستخدم في الأغراض الصناعية العامة . وعادة تكون البصيلة وجزء من الساق داخل أنبوبة معدنية ، ويكون التدريج منقوشاً على لوحة معدنية مثبته داخل غلاف معدني من فتحة زجاجية يمكن من خلالها رؤية التدريج وقراءته.

خصائص الثيرمومترات:

    تعتمد حساسية الثيرمومترات على مساحة مقطع الأنبوبة الشعرية وعلى النسبة بين هذه المساحة وحجم البصيلة، أما ضباطة القياسات المأخوذة بواسطة ثيرمومترات السائل فإنها تعتمد على تصميم الأجهزة والظروف التي تجري فيها القياسات والعنايات المبذولة في أخذ القراءات. أما دقة القياسات فإنها تعتمد على دقة معايرة الثيرمومتر بالإضافة إلى العوامل المؤثرة على الضباطة.

    هناك إعتبارات تراعى عند إستعمال الثيرمومترات الزجاجية، هذه الإعتبارات تتمثل في:

(i) أن يكون المكان الذي توضع فيه البصيلة يمثل المعلومات المطلوبة، ويترك الثيرمومتر فترة كافية.

(ii) يختار الثيرمومتر المناسب وفقاً للمدى، قسم التدريج، الحساسية والدقة.

(iii) يركب الثيرمومتر بطريقة مناسبة وتؤخذ القراءات بعناية شديدة من حيث زاوية النظر والإضاءة.

(iv) تجنب وجود مصادر للحرارة أو البرودة بالقرب من الثيرمومتر.

2. المزدوجات الحرارية:

    المزدوج الحراري هو نظام لقياس درجة الحرارة ويتكون من عنصر حساس لدرجة الحرارة يعطي قوة دافعة كهروحرارية ووسيلة لقياس هذه القوة الدافعة الضعيفة، بالإضافة إلى وجود تدريج لتحويل القوة الدافعة الكهروحرارية إلى ما يناظرها من درجات الحرارة.

   يعمل المزدوج الحراري على أساس وجود سلكين من مادتين مختلفتين يشكلان وصلتين، إحداهما ساخنة( توضع في المكان المراد قياس درجة حرارته) والأخرى باردة (توضع في درجة حرارة 0^oC).      تتولد قوة دافعة ضعيفة في حدودmV  (50-10) يتطلب قياسها أجهزة حساسة جداً، أنظر الشكل.

  القوانين الكهروحرارية:

لعمل المزدوجات الحرارية توجد ثلاثة قوانين تسمى بالقوانين الكهروحرارية وهي:

(i) قانون المعادن الوسيطة:

       وينص هذا القانون على [ لا تتولد قوة دافعة كهروحرارية في أي إزدواج حراري إذا كانت الدائرة تتكون من نفس المعدن ]، كما يوضح الشكل التالي:

(ii) قانون الدائرة المتجانسة:

       وفقاً لهذا القانون فإنه [ لا يسري تيار كهربي في دائرة إزدواج حراري إذا كانت درجة حرارة الوصلتين متجانسة ]، كما يوضح الشكل التالي:

(iii) قانون درجات الحرارة المتتالية:

       هذا القانون يعني أنه [ إذا غيرنا بين درجتي الحرارة النهائية والإبتدائية فإن القوة الدافعة الكهروحرارية تكون كما هي ]. الشكل التالي يشرح هذا القانون:

أي مزدوج حراري يجب أن يرفق معه بياني يسمى بياني المعايرة. هذا البياني يتم رسمه بعد أخذ قراءات درجات الحرارة (T) كمتغير مستقل، وقراءة الملي فولتمتر (mV) كمتغير تابع.

  إذا أريد قياس درجات حرارة معينة (T₁) فإننا نسجل عدد أقسام الملي فولتمتر المقابل (mV₁)، ونسقط خطاً عمودياً من المحور الصادي على الخط البياني ومن نقطة التلاقي نسقط عموداً على المحور السيني، نقطة تلاقي العمود مع المحور السيني تمثل درجة الحرارة المطلوبة، كما يوضح الشكل التالي.

أنواع المزدوجات الحرارية:

   يوجد نوعان من المزدوجات الحرارية إحدهما هو المزدوج المصنوع من المعادن النبيلة، و الثاني هو مزدوج المعادن غير النبيلة.

يستخدم النوع الأول في صناعات التحكم في الأفران لأشباه الموصلات وصناعات الصلب وغيرها. ويمكن إستخدام النوع الثاني في الأغراض العامة.

الجدول التالي يوضح بعض الأنواع الشائعة من المزدوجات الحرارية:

المزدوج الحراري   المدى ˚C    النوع

العنصر الموجب     العنصر السالب           

كروميل      كونستنتان   870 ــ 150 -  غير نبيل

حديد  كونستنتان   760 ــ 150 -  غير نبيل

كروميل      الوميل 1260 ــ 150 - غير نبيل

نحاس كونستنتان   340 ــ 150 -  غير نبيل

بلاتين 10% إيريديوم      بلاتين 1500 ــ 0       نبيل

بلاتين 13% إيريديوم      بلاتين 1500 ــ 0       نبيل

يجب حماية المزدوجات الحرارية بجميع أنواعها من المجالات الكهربية والمغنطيسية وذلك ضماناً للحصول على قراءات صحيحة الدلالات . ويتم ذلك بإستخدام أسلاك خاصة وكذلك بتوصيل حاجز يعزل المزدوج عن المجالات الخارجية ويوصل هذا الحاجز بالأرض.

مزايا المزدوج الحراري وعيوبه:

يمكن إجمال مزايا المزدوج الحراري فيما يلي:

(i) سهولة تصميمه وتشغيله.

(ii) صغر حجمه ومرونته إذ يمكن تركيه في أي حيز حتى لو كان الوصول إليه صعباً نسبياً.

(iii) قلة تكاليفه إذ أن المواد التي يصنع منها رخيصه الثمن.

(iv) يمكن بسهولة إستخدام أي من وحدات مجموعة القياسات منفردة بأخرى من ذات نوعها.

(v) صالح للعمل في مدى كبير من درجات الحرارة وبدقة عالية.

أما عيوب المزدوج الحراري فتتمثل في:

(i) الإشارة الخارجة منها تكون صغيرة مما يستلزم وجود أجهزة قياس حساسة.

(ii) ضرورة معرفة درجة حرارة الوصلة المرجعية (الباردة).

(iii) يحتاج لأجهزة عديدة حتى يمكن تشغيله.

(iv) دقة القياس عرضه للتغير إذا استخدم لفترة طويلة.

3. ثيرمومترات المقاومة الكهربية:

   هو ثيرمومتر يتكون من عنصر حساس على شكل سلك معدني تتغير مقاومته بتغير درجة حرارته. ويتكون هذا الثيرمومتر من عنصر حساس لدرجة الحرارة (مقاوم) وجهاز لقياس المقاومة ووصلات كهربية تصل بينها.

   تنبنى فكرة عمل ثيرمومتر المقاومة على أن المقاومة الكهربية للعنصر الحساس تتغير بتغير درجة الحرارة. ولهذا يمكن قياس درجة الحرارة بقياس مقاومة عنصر حساس معاير معرض لدرجة الحرارة المطلوب قياسها . مقدار التغير في المقاومة المناظر لتغير في درجة الحرارة مقداره درجة مئوية واحدة ، يسمى معامل تغير المقاومة للحرارة . يفضل دائماً إستخدام المواد التي تكون فيها العلاقة بين درجة الحرارة والمقاومة خطية.

أنواع ثيرمومترات المقاومة:

(i) ثيرمومتر المقاومة البلاتيني:

     يفضل إستخدام البلاتين في صناعة الثيرمومترات ذات الدقة العالية نظراً لما يتميز به من مزايا عديدة، أهمها خطية العلاقة بين درجة حرارته ومقاومته ، وكذلك كبر مقاومته النوعية ومعقولية معامل تغير مقاومته الحراري ، كذلك فإن البلاتين مستقر جداً من الناحية الطبيعية ومقاوم للتآكل.

    يوجد نوعان من ثيرمومترات البلاتين إحداهما بالغ الضباطة ويستخدم في تعريف المقياس الدولي العملي لدرجات الحرارة في المدى بين 182.96˚C (نقطة غليان الاكسجين)، 630.74˚C (درجة إنصهار الأنتمون). أما النوع الثاني فهو الثيرمومتر البلاتيني الصناعي، الذي يستخدم في القياسات الصناعية .

   يصنع ثيرمومتر البلاتين بالغ الضباطة نقي جداً على شكل سلك يلف لفاً لولبياً على قطعتي مايكا متعامدتين على بعضهما توجد بها حزوز يوضح بها السلك البلاتيني، ثم يلحم بكل طرف توصيل من الذهب. يوضح ملف البلاتين وأسلاك التوصيل داخل أنبوبة من زجاج البايركس قطرها حوالي (7 mm) مفرغة من الهواء حتى ضغط يعادل نصف الضغط الجوي ويصلح هذا الثيرمومتر للإستخدام في المدى         (190˚C - 500˚C).

 (ii) ثيرمومتر المقاومة النيكلي:

      هو ثيرمومتر أقل إستقراراً من الثيرمومتر البلاتيني ويصلح للإستخدام المدى (-75˚C - 150˚C) وخطأ القراءة فيه كبير نسبياً ويكون في حدود (C 0.3˚) ويتميز هذا الثيرمومتر برخص ثمنه.

(iii) ثيرمومتر المقاومة النحاسي:

    يعتر النحاس مادة ممتازة للإستخدام في ثيرمومترات المقاومة إذ أن معامل درجة الحرارة للمقاومة فيه أكبر من معامل البلاتين كما يمكن الحصول عليه نقياً  ويمكن تمثيل العلاقة بين مقاومة النحاس ودرجة الحرارة بالمعادلة التالية:

R_t = R_o (1 +α t)

حيث إن:

R_t   هي مقاومة النحاس عند درجة حرارة t˚ C

R_o   هي مقاومة النحاس عند درجة حرارة 0˚ C

α     هي معامل تغير المقاومة لدرجة الحرارة

ولكن من عيوب النحاس الكبيرة ميله للتأكسد في درجات الحرارة العالية، وكذلك صغر مقاومته النوعية مقارنة بالبلاتين والنيكل.