تعريف درجة الحرارة
درجة الحرارة هي مقياس مدى سخونة الجسم أو برودته. وهناك اربعة أنواع من التداريج تعبر كل منها عن درجة الحرارة بمقياس مختلف عن الاخر وهي كالاتي:
- المقياس المنوي درجة المئوية (C°)
- مقياس الفهرنهايتي درجة الفهرنهايتية (F°)
- مقياس كلفن درجة كلفن (K°)
- مقیاس رانكن درجة رانكن (R°)
وترتبط الوحدات اعلاه بمعادلات رياضية يتيح تحويل درجة الحرارة من القياس بوحدة معينة الى انوع اخرى من الوحدات وكما يلي:
- التحويل من الى الدرجة الفهرنهايتية (F°) الى الدرجة المئوية (C°):
°C = (°F − °32) ÷ 1.8°
التحويل من الدرجة المئوية (C°) الى الدرجة الفهرنهايتية (F°):
°F = (1.8 × °C) + 32
- التحويل من الدرجة المئوية (C°) الى كلفن (K°):
°K = °C + 273
- التحويل من الدرجة المئوية (C°) الى رانكن (R°):
°R = (1.8 × °C) + 492
كمية الحرارة: هي كمية الحرارة المفقودة او المكتسبة للمادة بحيث يتحول من شكل الى اخر. وتقاس كمية الحرارة بوحدة (BRITISH TEMPRTUER UNIT BTU)
طرق قياس درجة الحرارة
توجد عدة طرق يتم من خلالها قياس درجة الحرارة للسوائل الثابتة أي السوائل الموجودة في مواقع التخزين أو النقل مثل الخزانات وناقلات النفط الخام ومنتوجاته والسوائل المتحركة من خلال الأنابيب والعدادات ومن هذه الطرق هي:
الطريقة الأوتوماتيكية Automatic method
تستخدم هذه الطريقة بشكل واسع في قياس درجة حرارة النفط الخام والمنتوجات النفطية الموجودة في مواقع التخزين (الخزانات وناقلات النفط الخام ومنتوجاته... الخ) وتسمى عادة بالمحارير الأوتوماتيكية لقياس درجة الحرارة في الخزانات (ATT) Automatic Tank Thermometers) حيث تتكون هذه المعدات من دوائر متكاملة لقياس درجة الحرارة ابتداءا من المجس الحراري (مقاومة حرارية RTD) ومزدوج حراري (T/C) ثم مرسلات الحرارة يتم من خلالها ارسال النتائج على شكل اشارات ثم أجهزة الأظهار حيث يتم فيها أظهار النتائج على شكل قراءات.
أن قياس درجة حرارة النفط الخام والسوائل الأخرى في الخزان بشكل دقيق يتم من خلال عدة مجسات حرارية وبأعماق مختلفة من الخزان ثم يأخذ معدل هذه القراءات.
الطريقة اليدوية Manual method
حيث يتم في هذه الطريقة أستخدام المحارير الزجاجية لتحديد درجة حرارة السائل الموجود في الخزان من خلال غمس المحارير في السائل بشكل جزئي أو البصلة فقط ثم يلاحظ ارتفاع الزئبق في هذا المحرار الذي هو دلالة على درجة حرارة.
معدات قياس درجة الحرارة
من المعدات المستعملة في العمليات الصناعية النفطية و الأنتاجية المختلفة هي:
- المزدوجات الحرارية (Thermocouples (T/C.
- كواشف المقاومة الحرارية Resistive Temp. - Detectors (RTD).
- الثرموستات Thermostats.
المزدوج الحراري
يتكون المزدوج الحراري بشكل عام من معدنين على شكل سلك حيث تجمع نهاية السلكين (A & B) باللف او اللحام كما هو واضح بالشكل رقم (1).
 |
| شكل (1) يوضح المزودج الحراري. |
أهم المعادن المستخدمة في تصنيع المزدوج الحراري هي الحديد والنحاس والنيكل.
يستعمل المزدوج الحراري لقياس درجات الحرارة بكثرة لكونه احد العناصر المهمة في نظم أجهزة قياس درجات الحرارة ويعود تاريخ اكتشافه إلى سنة (1812 م) حيث لاحظ (see beck) تولد قوة دافعة كهربائية عند ربط سلكيين من معدنين مختلفين في دائرة مغلقة وذلك عند تعريض النقطتين إلى درجات حرارة مختلفة. وان القوة الدافعة الكهربائية المتولدة تؤدي إلى استمرارية مرور التيار الكهربائي في الدائرة المغلقة بصورة مستمرة. وقد وظفت هذه الظاهرة لقياس درجات الحرارة نزولا إلى الصفر وصعودا إلى درجات حرارة عالية.
يعتمد المزدوج الحراري في مجمله على الظاهرة الكهروحرارية والتي تتلخص بأنه لو أخذنا سلكين من معدنين مختلفين وربطنا نهايتي السلكين ببعضهما بحيث تكون لدينا نقطتي توصيل وباعدنا السلكين عن بعضهما مبينين هاتين النقطتين فإننا نحصل على دائرة كهربائية وعند تسليط حرارة على أحدى النقطتين تتولد قوة دافعة كهربائية مسببة مرور تيار كهربائي في الدائرة وتكون هذه القوة دالة لدرجة الحرارة المسلطة أي تبعا لتغير الفرق بدرجة الحرارة بين نقطتي الاتصال.
يتكون المزدوج الحراري بصورة عامة من سلكين من معدنين مختلفين مثل الحديد والنحاس، النيكل حيث يربط السلكان جيدا من نهايتهما. وتسمى نقطة الربط بنقطة القياس، أما الطرفان الآخران للسلكين فيوصلان بجهاز القياس وتسمى نقاط الطرفين بنقطة المرجع كما في الشكل رقم (1). توضع نقطة القياس في الموضع المراد قياس درجة حرارته وتوصل نقطة المرجع بجهاز القياس ونتيجة للفرق بدرجة حرارة النقطتين تتولد قوة دافعة كهربائية حرارية ويعتمد مقدار هذه القوة الدافعة الحرارية على الفرق بدرجة الحرارة النقطتين حيث تزداد القوة الدافعة الكهربائية الحرارية المتولدة بازدياد الفرق بين درجة
حرارة النقطتين.
أنواع المزدوج الحراري
نوع Type T
يتكون هذا المزدوج من سلك من النحاس النقي الذي يحمل الشحنات الموجبة والسلك الأخر نحاس ۔ نيكل (كونستانتان) يمتاز هذا النوع بمقاومته للصدأ في حالة استعماله بالأجواء الرطبة ويمكن استعماله لقياس درجات الحرارة الواطئة جدا دون الصفر المئوي ويمتاز بالدقة المتناهية ضمن مدى القياس ويمكن استعماله في الأجواء المؤكسدة والمختزلة، وان مدى القياس يتراوح بين (375 C° الى -270 C°).
نوع Type J
يشكل الحديد السلك الحامل للشحنات الموجبة بينما السلك الحامل للشحنات السالبة يتكون من نحاس - نيكل (كونستانتان) ويمكن استعمال هذا النوع في الأجواء المؤكسدة والمختزلة لقياس درجات الحرارة فوق الصفر المئوي، وان مدى القياس يتراوح بين (76 C° الى -210 C°)
نوع Type k
يشكل النيكل - کروم (كروميل) السلك الحامل للشحنات الموجبة، إما السلك الحامل للشحنات السالبة فيتكون من نيكل - ألمنيوم (الوميل) ويجب استعمال هذا النوع في الأجواء المؤكسدة أو المتعادلة وفي حالة استعماله في الأجواء المختزلة يجب وقاية النقطة المعرضة للجو بواسطة أنبوب معدني، وان مدى القياس يتراوح بين (1260 C° الى -270 C°).
- الكروميل يتكون من(90% نيكل و 10% كروم)
- الوميل يتكون من (95% نيكل و2% منغنيز و2% المنيوم و1% سيلكون)
نوع Type E
يتكون هذا النوع من المزدوج من سلكين احدهما (كروميل) الذي يحمل الشحنات الموجبة والسلك الأخر يتكون من النحاس - نيكل (كونستانتان) الذي يحمل الشحنات السالبة ويمتاز هذا النوع من المزدوج الحراري بتولد قوة دافعة كهربائية حرارية كبيرة نسبيا لكل درجة حرارية وهو ملائم للاستعمال في المواقع الحرارية المؤكسدة حيث لا يتأكسد ولا يتأكل في درجات الحرارة الواطئة. ويتراوح مدى القياس بين (870 C° الى -270 C°).
نوع Type R,S
إن هذين النوعين من المزدوج الحراري يتكونان من البلاتين نوع (R) يولد قوه دافعة كهربائية حرارية أكثر بقليل مما
يولده نوع (S) لنفس التغير بدرجة الحرارة، يغطي هذان النوعان من المزدوج الحراري بالخزف الهوائي وذلك لضمان عمل المزدوج إلى درجة (C° 1450) ويجب استعمالها في الأجواء المؤكسدة لأن الأجواء المختزلة تؤدي إلى التأكل السريع في المزدوج الحراري. يتراوح مدى القياس بين (C° 1700 الى -50 °C).
- R بلاتينيوم % 13 + رودیوم
- S بلاتينيوم % 70 + روديوم
كواشف المقاومة الحرارية
ان التغير في قيمة المقاومة الكهربائية لبعض المواد مع تغير درجة حرارتها يمثل أحدى الطرق المستخدمة القياس درجة الحرارة حيث وجد أن مقاومة الموصلات النقية تزداد بزيادة درجة الحرارة.
المعادن المستخدمة عمليا هي (البلاتين والنيكل والنحاس) حيث لا بد من صناعتها بدرجة عالية من النقاوة. تتكون بصلة المحرار من ملف تعزل لفاته عن بعضها البعض وعن الأرض في جميع درجات الحرارة.
التصميم المستخدم يتمثل باستخدام أطار تشكيل الملف من السيراميك طوله (inch 12.5) وقطره (inch 8/3)، سطحه الخارجي يكون محدد بشكل أنبوبي ثم يلف سلك موصل داخل الاخدود ويتم عزل لفاته عن بعضها بواسطة مادة عازلة عند الدرجات الحرارة العالية. تؤخذ نهايتي السلك الى راس العازل ثم تقطع النهایتین ویلم بهما سلك من الفضة لانه يملك قابلية توصيل عالية على نقطتي التوصيل.
يحفظ الملف عادة داخل حافظة من السيراميك ثم تحفظ المجموعة ككل داخل غلاف معدني كما موضح في الشكل رقم (2). وفي هذه الحالة تكون العلاقة عكسية بين كمية الحرارة المسلطة وقيمة المقاومة.
 |
| شكل (2) a, b, c التركيب الداخلي للمقاومة الكهربائية. |
محاسن المقاومة الكهربائية
- اكثر دقة من باقي العناصر الحساسة ، وان دقة القياس بواسطة المقاومة الكهربائية احسن باربع مرات من المزدوج الحراري.
- تغير المقاومة لكل درجة حرارية أكبر بكثير من التغير في القوة الدافعة الكهربائية الحرارية للمزدوج الحراري أي انها اكثر حساسية.
- لا تحتاج الى معدات تعويض كما هو الحال بالنسبة للمزدوج الحراري.
- لاتحتاج الى اسلاك خاصة للتوصيل كما هو الحال في المزدوج الحراري.
- تقاوم فترة اطول.
- سهلة الفحص.
مساوئ المقاومة الحرارية
- غالية الثمن بالمقارنة مع المزدوج الحراري.
- ذات مدى قياسي محدود يصلC° ( 200- إلى 650+).
ربط المقاومة الحرارية في الدوائر الكهربائية
هناك ثلاث طرق تربط بها المقاومة الحرارية الكهربائية في الدوائر الكهربائية.
طريقة السلكين
حيث توصل المقاومة الحرارية بواسطة سلكين الى ما يسمى بدائرة القياس التي في الغالب تتكون من قنطرة وتستون التي تتكون من اربع مقاومات، ثلاث مقاومات ثابتة والمقاومة الحرارية تشكل المقاومة الرابعة وتعتبر المقاومة المتغيرة كما في الشكل رقم (3).
 |
| شكل (3) طريقة السلكين لربط المقاومة الحرارية |
طريقه الاسلاك الثلاث
توصل المقاومة الى دائرة القياس بواسطة ثلاث أسلاك حيث يوصل احد اسلاك المقاومة الحرارية الى احد أضلاع القنطرة والسلك الثاني إلى الضلع المقابل بينما يربط السلك الثالث بالكلفانومتر وكما في الشكل رقم (4) والغاية من استعمال طريقة الأسلاك الثلاث هي الغاء او تقليل من تأثير التغير في درجة حرارة الجو بمقاومة اسلاك التوصيل من المقاومة الحرارية للجهاز.
 |
| الشكل (4) يوضح طريقة ثلاثة اسلاك لربط المقاومة الحرارية. |
طريقة الأسلاك الرباعية
في هذه الطريقة يؤخذ زوج من الأسلاك من الضلع والمقابل يوصل إلى المقاومة الحرارة والسلكيين الآخرين يربطان على طرفي المقاومة الحرارية وبهذه الطريقة تلغي كليا تاثیر التغير في درجة حرارة الجو على مقاومة الاسلاك. كما في الشكل رقم (5).
 |
| شكل (5) طريقة الاسلاك الرباعية لربط المقاومة الحرارية. |
الثرموستات
هي عبارة عن عدة تستخدم لقياس درجة الحرارة أو تنظيمها وتختلف الثرموستات عن المزدوج الحراري والمقاومة الحرارية بما يلي:
- تقوم الثرموستات بتنظيم درجة الحرارة للنظام بشكل مباشر بأبقاء درجة الحرارة ثابتة أو تغييرها ضمن حدود معينة على مدى ثابت.
- يستخدم المزدوج الحراري والمقاومة الحرارية كعناصر متحسسة للثرموستات.
- يعتبر جهاز الثرموستات من الأجهزة العاملة بشكل مباشر.
أنواع للثرموستات
أسطوانة الضغط Pressure cylinder
وهو النوع المشهور من الثرموستات والذي يعتمد على تمدد السائل الموجود في أسطوانة مثل الزئبق كما في الشكل (6).
 |
| شكل (6) يبين الثرموستات الزئبقية. |
ومن خلال الشكل أعلاه نجد أن مكبس الأسطوانة مربوط الى الدائرة التشغيلية حيث يقوم بفتح أو غلق الدائرة وتستخدم هذه العدة في دوائر صمام السيطرة والمضخات.
شريط ثنائي المعدن Bimetallic strip
تتكون هذه العدة من معدنين مختلفين في معامل التمدد الحراري (Thermal Expansion Coefficient)
وكما موضح بالشكل (7).
 |
| شكل (7) يبين ثرموستات ثنائية المعدن. |
مبدأ عمل الشريط ثنائي المدی
- عند تسليط درجة على أحدى نهاية هذا الشريط يتمدد المدى ذو المعامل الحراري الأعلى أكثر من ذو المعامل الحراري الأوطأ.
- نتيجة لهذا التمدد ينحرف الشريط بأتجاه المعدن ذو المعامل الحراري الأوطأ.
يستخدم الشريط المعدني في قياس وتنظيم درجات حرارة أجهزة كثيرة مثل دوائر صمام السيطرة والمضخات والأجهزة المنزلية.
المصادر
- زينه عامر ادريس الشريفي. (د.ت). القياسات ونقل الملكية. تم الاسترجاع 2022-2-10.