مقدمة
تُستخدم أجهزة قياس الحرارة لتقييم التأثير الحراري (المعروف أيضًا باسم “شغل الحرارة”) على المواد أثناء حرقها داخل الفرن. “شغل الحرارة” هو مصطلح يعبر عن التأثير المشترك لكل من الوقت ودرجة الحرارة على المادة. ببساطة، لا يكفي معرفة درجة حرارة الفرن فقط؛ بل يجب معرفة المدة التي تعرضت فيها المادة لتلك الحرارة. هذا الأمر بالغ الأهمية في صناعات مثل صناعة السيراميك والطوب والزجاج، حيث تحدد العمليات الحرارية خصائص المنتج النهائي.
تعتبر أجهزة قياس الحرارة أدوات ضرورية لمراقبة هذه العمليات وضمان جودة المنتجات. فهي توفر وسيلة لتقدير “شغل الحرارة” الفعلي الذي تعرضت له المواد، مما يسمح للمشغلين بتعديل إعدادات الفرن لتحقيق النتائج المرجوة. على عكس أجهزة قياس درجة الحرارة التقليدية (مثل المزدوجات الحرارية)، لا تقيس أجهزة قياس الحرارة درجة الحرارة بشكل مباشر، بل تتفاعل فيزيائيًا أو كيميائيًا مع الحرارة بمرور الوقت، مما يوفر مؤشرًا تراكميًا للحرارة.
أنواع أجهزة قياس الحرارة
هناك أنواع مختلفة من أجهزة قياس الحرارة، ولكل منها آلية عمل ومجال استخدام خاص:
- مخاريط سيجر (Seger Cones): هي الأكثر شيوعًا والأقدم. تتكون من خليط دقيق من المواد الخزفية التي تصمم لتلين وتنحني عند درجة حرارة معينة. يتم وضع سلسلة من المخاريط ذات نقاط انصهار مختلفة داخل الفرن. من خلال مراقبة المخاريط التي انحنت، يمكن تقدير نطاق درجة الحرارة التي وصل إليها الفرن والوقت الذي استغرقه للوصول إلى تلك الدرجة.
- حلقات واتكينز (Watkins Rings): عبارة عن حلقات مصنوعة من مادة تنكمش بشكل متناسب مع كمية الحرارة التي تتعرض لها. يتم قياس قطر الحلقة قبل وبعد عملية الحرق، ويستخدم الفرق في القطر لتقدير “شغل الحرارة”.
- قضبان قياس الحرارة (Pyrometric Bars): تشبه مخاريط سيجر في طريقة عملها، ولكنها تأتي على شكل قضبان. تستخدم بشكل شائع في صناعة الطوب والسيراميك على نطاق واسع.
- أجهزة قياس الحرارة الإلكترونية (Electronic Pyrometers): تستخدم مستشعرات لقياس التغيرات في الخصائص الكهربائية أو الضوئية للمادة نتيجة للحرارة. توفر قراءات أكثر دقة ويمكن دمجها في أنظمة التحكم الآلي.
آلية عمل مخاريط سيجر
تعتبر مخاريط سيجر مثالًا ممتازًا على كيفية عمل أجهزة قياس الحرارة. تتكون هذه المخاريط من خليط محدد من المواد الخزفية، بما في ذلك الطين والفلسبار والسليكا. يتم اختيار هذه المواد وتخلط بنسب دقيقة لإنتاج مخاريط ذات نقاط انصهار مختلفة. يتم ترقيم المخاريط بشكل تسلسلي، حيث يمثل كل رقم درجة حرارة معينة.
أثناء عملية الحرق، تمتص المخاريط الحرارة. عندما تصل درجة الحرارة إلى نقطة انصهار المخروط، يبدأ في التلين والانحناء. يتم تصميم المخاريط بحيث ينحني طرفها إلى الأسفل عندما تصل إلى درجة حرارة معينة. يتم تحديد نقطة النهاية من خلال النقطة التي يلامس فيها طرف المخروط القاعدة التي يوضع عليها. من خلال مراقبة المخاريط التي انحنت، يمكن للمشغلين تقدير نطاق درجة الحرارة التي وصل إليها الفرن وتقدير “شغل الحرارة” الكلي.
تعتبر مخاريط سيجر مفيدة بشكل خاص لأنها تأخذ في الاعتبار كلاً من درجة الحرارة والوقت. على سبيل المثال، إذا ارتفعت درجة حرارة الفرن بسرعة، فقد تنحني المخاريط بشكل أسرع مما لو ارتفعت درجة الحرارة ببطء. وهذا يسمح للمشغلين بإجراء تعديلات على إعدادات الفرن لتحقيق النتائج المرجوة.
استخدامات أجهزة قياس الحرارة
تستخدم أجهزة قياس الحرارة في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية، بما في ذلك:
- صناعة السيراميك: تستخدم لمراقبة عملية الحرق وضمان وصول المنتجات إلى درجة النضج المناسبة. يؤثر “شغل الحرارة” على قوة ومتانة ومظهر المنتجات الخزفية.
- صناعة الطوب: تستخدم للتحكم في عملية الحرق وضمان الحصول على طوب ذي قوة وصلابة موحدة.
- صناعة الزجاج: تستخدم لمراقبة عملية التلدين (annealing) والتبريد لتقليل الإجهاد الداخلي في الزجاج ومنع التشقق.
- المعالجة الحرارية للمعادن: تستخدم لمراقبة عمليات التصليد والتلطيف والتطبيع لضمان حصول المعادن على الخصائص الميكانيكية المطلوبة.
- صناعة الأسمنت: تستخدم لمراقبة عملية الحرق في أفران الأسمنت لضمان إنتاج الكلنكر (clinker) بجودة عالية.
- حرق النفايات: تستخدم لمراقبة درجة حرارة الاحتراق لضمان التخلص الكامل من النفايات وتقليل الانبعاثات الضارة.
مزايا وعيوب أجهزة قياس الحرارة
لكل نوع من أجهزة قياس الحرارة مزايا وعيوب معينة:
مزايا مخاريط سيجر:
- رخيصة الثمن وسهلة الاستخدام.
- لا تتطلب معدات خاصة للقراءة.
- توفر مؤشرًا مرئيًا لـ “شغل الحرارة”.
عيوب مخاريط سيجر:
- دقتها محدودة.
- تتأثر بتركيبة الغلاف الجوي داخل الفرن.
- تتطلب مراقبة بصرية مستمرة.
مزايا حلقات واتكينز:
- أكثر دقة من مخاريط سيجر.
- أقل تأثراً بتركيبة الغلاف الجوي.
- توفر قراءة رقمية.
عيوب حلقات واتكينز:
- أكثر تكلفة من مخاريط سيجر.
- تتطلب معدات قياس خاصة.
مزايا أجهزة قياس الحرارة الإلكترونية:
- دقة عالية جدًا.
- إمكانية دمجها في أنظمة التحكم الآلي.
- توفر قراءات مستمرة في الوقت الحقيقي.
عيوب أجهزة قياس الحرارة الإلكترونية:
- أكثر تكلفة من الأنواع الأخرى.
- تتطلب صيانة ومعايرة دورية.
- قد تتأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي.
العوامل المؤثرة على دقة القياس
تتأثر دقة أجهزة قياس الحرارة بعدة عوامل، بما في ذلك:
- الموقع: يجب وضع أجهزة قياس الحرارة في مكان يمثل درجة الحرارة الفعلية داخل الفرن. يجب تجنب وضعها بالقرب من مصادر الحرارة المباشرة أو في المناطق التي قد تكون فيها تيارات هوائية.
- التركيب: يجب تركيب أجهزة قياس الحرارة بشكل صحيح لضمان قراءة دقيقة. على سبيل المثال، يجب وضع مخاريط سيجر على سطح مستوٍ ومراقبتها من زاوية صحيحة.
- المعايرة: يجب معايرة أجهزة قياس الحرارة الإلكترونية بانتظام لضمان دقتها.
- الغلاف الجوي: يمكن أن يؤثر الغلاف الجوي داخل الفرن على دقة بعض أنواع أجهزة قياس الحرارة، مثل مخاريط سيجر. يجب على المشغلين أن يكونوا على دراية بهذا التأثير وأن يقوموا بتعديل قراءاتهم وفقًا لذلك.
- الخبرة: تتطلب قراءة وتفسير نتائج أجهزة قياس الحرارة خبرة. يجب أن يكون المشغلون مدربين تدريباً جيداً على استخدام هذه الأدوات وتفسير نتائجها.
نصائح لتحسين استخدام أجهزة قياس الحرارة
لتحسين استخدام أجهزة قياس الحرارة وضمان الحصول على قراءات دقيقة، يمكن اتباع النصائح التالية:
- اختيار النوع المناسب من جهاز قياس الحرارة للتطبيق المحدد.
- تركيب أجهزة قياس الحرارة بشكل صحيح في الموقع المناسب.
- معايرة أجهزة قياس الحرارة الإلكترونية بانتظام.
- مراقبة أجهزة قياس الحرارة بانتظام وتسجيل القراءات.
- تفسير القراءات بعناية مع الأخذ في الاعتبار العوامل المؤثرة على الدقة.
- تدريب المشغلين بشكل جيد على استخدام أجهزة قياس الحرارة وتفسير نتائجها.
خاتمة
تعتبر أجهزة قياس الحرارة أدوات أساسية لمراقبة وتقييم “شغل الحرارة” في العمليات الصناعية التي تتضمن حرق أو تسخين المواد. من خلال فهم الأنواع المختلفة من أجهزة قياس الحرارة وآلية عملها وعوامل الدقة، يمكن للمشغلين تحسين عملياتهم وضمان جودة المنتجات. سواء تم استخدام مخاريط سيجر التقليدية أو أجهزة قياس الحرارة الإلكترونية الحديثة، فإن هذه الأدوات توفر رؤى قيمة حول التأثير الحراري على المواد وتساعد على تحقيق النتائج المرجوة.