شرح الثرموستات
الثرموستات أو الثيرموستات
كثيراً ما
نلاحظ توقف الثلاجة فجأة عن العمل ولوقت قصير، ثم تعود للعمل بعدها لفترة معينة
قبل أن يتوقف محرك التبريد الخاص بها عن العمل. كما نلاحظ تلك الظاهرة في ابريق
الماء الكهربائي عندما يتوقف السخان الخاص به عن العمل كلياً أثناء وصول الماء
بداخله إلى درجة الغليان.
ولن يقتصر
هذا الحال على تلك الأجهزة فقط، فهنالك أيضاً المكيف الكهربائي، الفرن الكهربائي،
فقاسة البيض، التبريد الآلي وغيرها من التطبيقات الأخرى التي تتوقف وتعمل تلقائياً
اعتمادا على درجة الحرارة. إذ أن تنظيم عمل الجهاز الكهربائي بناء على درجة الحرارة
المحيطة به أو بداخله يتطلب جهاز استشعار خاص به يعمل على وصل وفصل التيار
الكهربائي عن الجهاز تلقائياً. يسمى مثل هذا النوع من أجهزة الاستشعار باسم
الثرموستات. والشكل التالي يوضح أشكال الثرموستات:
ما هو الثرموستات؟
الثرموستات
هو عبارة عن مفتاح كهربائي آلي (أي تلقائي)، يعمل على قطع التيار الكهربائي أو
وصله بناءً على استشعاره للحرارة المؤثرة عليه. إذ أن الثرموستات يملك طرف قابل
للتمدد أو التقلص ومرتبط مباشرة مع رأس مفتاح التشغيل.
رمز الثرموستات الكهربائي في الدارات الالكترونية
هنالك العديد من الرموز الكهربائية التي تشير الى
الثرموستات في الدارات الالكترونية والكهربائية. لكن أهم تلك الرموز هي التي تشير
الى كون ذلك الثرموستات يتفاعل مع الحرارة أو مع البرودة (أي الوضع الطبيعي) كما
في الشكل التالي:
كيف يعمل الثرموستات؟
يعتمد
الثرموستات أساساً في عمله على المبدأ الفيزيائي الحراري للمواد؛ أي أنه يتمدد
بالحرارة ويتقلص بالبرودة. عندما يتمدد طرف الثرموستات (القابل للتمدد أو
التقلص)، يقوم بالضغط على مفتاح التشغيل، مما يؤدي إلى توصيل التيار الكهربائي بين
طرفي المفتاح. أما إذا أردنا أن يعمل الثرموستات بالعكس، أي عند البرودة فيتم قلب
اتجاه الطرف المتمدد كما هو موضح في الرموز التي في الشكل أعلاه.
أنواع الثرموسات
هنالك
خمسة أنواع للثرموستات، وهي على النحو التالي:
1-
ثرموستات الفولتية الخطية Linear Voltage Thermostats.
2-
ثرموستات الفولتية المنخفضة Low-Voltage Thermostats.
3-
ثرموستات القبلة للبرمجة Programmable Thermostats.
4- الثرموستات الميكيانيكية Mechanical
Thermostat.
5- الثرموستات الالكترونية / الكهربائية Electronic
Thermostat.
حيث تعد الثرموستات الميكانيكية والالكترونية من أكثر
الثرموستات شيوعاً واستخداماً.
الثرموستات الميكانيكية والالكترونية من حيث الاستخدام والوظيفة
كما ذكرنا سابقاً؛ تنقسم الثرموستات من حيث الاستخدام في
الأساس إلى نوعين؛ حيث يطلق على النوع الأول اسم الثرموستات الميكانيكي Mechanical
Thermostat، والنوع الآخر باسم الثرموستات الالكتروني
أو الرقمي Digital Thermostat، وكل من
هذين الثرموستين يمتلك خصائص تميزه أو تعيبه عن الآخر. والشكل التالي يوضح شكل كل
من الثرموستين:
الثرموستات الميكانيكي
يعتمد
الثرموستات الميكانيكي على تمدد أو تقلص طرفه للقيام بعملية الوصل أو الفصل. كما
وأن برمجة مثل هذا النوع من الثرموستات تتم عن طريق إدارة مقبض الثرموستات باليد
إما إلى اليسار أو إلى اليمين، بحسب درجة الحرارة التي سيتفاعل معها ذلك
الثرموستات.
الثرموسات الالكتروني أو الرقمي
هذا النوع من الثرموستات يتم برمجته عن طريق شاشة
الكترونية مع أزرار للضبط. لذلك يطلق عليه اسم ثرموستات الديجيتال. إن ما يميز
هذا النوع من الثرموستات الرقمية أنها تشمل على مؤقت الكتروني يتم ضبطه لتحديد
الوقت الفاصل بين فترة عمل الجهاز الموصول مع الثرموستات بعد رجوع الثرموستات
إلى الوضع الطبيعي. إن ما يعيب هذا النوع من الثرموستات هو أنها تعمل بوجود مصدر
للجهد الكهربائي؛ أي أنها تتعطل فور انقطاع الكهرباء.
أنواع الثرموسات من حيث التوصيل
هنالك نوعان من الثرموستات والتي تصنف بحسب التوصيل.
النوع الأول يطلق عله الاسم NO Thermostat أي مفتوح
(غير موصل) عند درجة الحرارة الطبيعية. ويعمل على إغلاق مفتاحه الداخلي عندما
يستشعر درجة حرارة أعلى.
أما النوع الثاني، فيطلق على الاسم NC Thermostat أي المغلق (موصل للتيار) عند درجة الحرارة الطبيعية لديه. ويعمل
على فتح الدارة ومنع توصيل التيار عبر مفتاحه الداخلي عند الوصول الى درجة حرارة
أعلى. والشكل التالي يوضح مبدأ عمل كلا الثرموستين التاليين بحسب توصيلهما للتيار
الكهربائي عند درجات الحرارة الأعلى، والتي تصل اليها:
طريقة عمل دارة الثرموستات الالكتروني الرقمية
الدارة التي في الأسفل، دارة كهربائية، تمثل وتحاكي عمل الثرموستات
الديجيتال. حيث تم استخدام الدارة المتكاملة IC LM356. هذا الـ IC ذات الطراز LM356 هو بسيط للغاية، ذات طاقة استهلاك منخفضة، يحتوي على خرج مزدوج إضافة
الى ثرموستات دقيق الاستشعار بداخله. كما ويحتوي الـ IC LM56 على مجموعة متنوعة من الميزات الأخرى والتي بالمكان الاعتماد عليها مثل
مستشعر درجة الحرارة الداخلية، مقارنين للجهد الداخلي، مرجع للجهد الداخلي internal
Voltage Reference، والعديد من الميزات الأخرى القيمة.
هنا، الرمزان VT1 و VT2 هما طرفان ثابتتان
لاستشعار درجة الحرارة بشكل منفصل كليا عن الآخر. فالطرف VT1 يتفاعل يستشعر الحرارة التي فوق المقدار T1، وكذلك الحال بالنسبة للطرف T2. هناك مخرجان اثنان للدارة المتكاملة IC LM356 هما المخرج A والمخرج B. وكلما ارتفعت درجة الحرارة فوق المقدار T1، يصبح مقدار المخرج A منخفضاً أي
0. وبالمثل، عندما تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من المقدار T1 يصبح مقدار المخرج A مرتفعاً أي
1. بنفس الطريقة، يصبح الإخراج B مرتفعاً أي 1، عندما تنخفض
درجة الحرارة عن المقدار T2 ويصبح مقدار الخرج B مساوياً للصفر عندما ترتفع درجة الحرارة فوق المقدار T2. عليه، ومن خلال توصيل الأحمال مثل السخان والتبريد كل مع المرحل
الخاص به أي L1 و L2، يمكننا بناء دائرة ثرموستات إلكترونية بسيطة قابلة للعمل بكفاءة
عالية دون تكلفة كبيرة.
يتم استخدام ثلاثة مقاومات كهربائية خارجية مثل R1 و R2 و R3 للجهد المرجعي الداخلي بمقدار 1.250 فولت. يمكن حساب قيم المقاومات
الثلاث R1 و R2 و R3 الخاصة بنقاط الاستشعار VT1 و VT2 باستخدام المعادلات التالية:
حيث أن
تركيب الثرموستات الحراري
قد تتسائل في بعض الوقت؛ مما يتكون الثرموستات من
الداخل؟ إن تركيب الثرموستات من الداخل يعتمد على عدة تقنيات. لكن هنالك ثلاث
تقنيات يعتمد عليها الثرموستات في تركيبه الداخلي.
التقنيات المستخدمة في صناعة الثرموستات
1- الشرائط ثنائية المعدن Bimetallic Strips
تقوم تلك
التقنية على مبدأ أن الأجسام أو المواد تتمدد بالحرارة وتتقلص بالبرودة. لكن
المواد وخاصة الفلزات المعدنية تختلف في معامل التمدد والتقلص الحراري الخاص بها.
فبعض المواد تتمدد بسرعة أكبر من غيرها. لذلك يتم استخدام شريطين مختلفين من
المعادن الفلزية ذات معامل تمدد حراري مختلف لكل منهما، مثل الحديد أو النحاس أو
الفولاذ أو حتى الالومنيوم وذلك كي نحصل على شكل انحناء أو قوس يقوم بتشغيل أو فتح
مفتاح الدارة الكهربائية التي يعمل ضمنها. والشكل التالي يوضح مبدأ عمل الشرائط
ثنائية المعدن داخل الثرموستات
2- منفاخ الغاز Gas-Filled Bellows Thermostats
كما نعلم من
الخصائص الفيزيائية لطبيعة المواد، فالغازات تتمدد بشكل أسرع بكثير من المواد
الصلبة. لذلك، فهي تشتشعر الحرارة بشكل سريع ودقيق وفعال دون تأخير، أي على عكس
تقنية الشرائط ثنائية المعدن. فعندما يتمدد الغاز بفعل الحرارة، يقوم بالضغط وتحريك
قطع الحديد الموصولة بالطرف القابل للتحرك من طرف المنفاخ. الأمر الذي يؤدي إلى
الضغط على القابس الكهربائي أو فصله للتيار الكهربائي. والشكل التالي يوضح مبدأ
عمل منفاخ الغاز داخل داخل الثرموستات
3- ثرموستات الشمع Wax Thermostats
إن ما يميز
الشمع هو تحمله لدرجات الحرارة العالية جداً. لذلك قد تجد مثل هذه الثرموستات
داخل التطبيقات الحرارية العالية جداً والتي تتطلب عدم حدوث أي فشل حراري في
أنظمتها، مثل السيارات، المصانع والآلات الضخمة، الثلاجات والمكيفات المركزية،
المفاعلات النوية وغيرها. فالشمع بعد أن يتعرض للحرارة، ينتقل من الحالة الصلبة إلى
الحالة السائلة، ومع استمرار الحرارة، يتمدد الشمع ليقوم بدفع عصا مفتاح التشغيل إلى
الأعلى ليقوم بفصل التيار الكهربائي. وبعد أن يبرد ذلك الشمع يتقلص لتعود عصا
التشغيل مكانها من جديد ويغلق المفتاح ليسمح للتيار بالمرور من خلاله وهكذا. الشكل
التالي يوضح مبدأ عمل وتركيب ثرموستات الشمع
طريقة زيادة كفاءة عمل الثرموستات
يتم تركيب
مشع خارجي مرتبط مع الجزء المستشعر للحرارة في الثرموستات وذلك لزيادة ورفع كفاءة
ودقة استشعار الحرارة وخاصة عند نقطة معينة. ويوجد مثل هذا النوع من الثرموستات
في صمامات أنظمة التدفئة Central Heating System Valves
ويطلق على اسم تلك الثرموستات الاسم TRV
أي اختصاراً للكلمات Thermostatic
radiator valves.
ميزات وخصائص الثرموستات
هنالك العديد
من المميزات والحسنات التي تجعل استخدام الثرموستات كأفضل الحلول للمشكلات
الحرارية، أهمها:
1- لا يستهلك طاقة كهربائية كما هو الحال في
الثرمستور.
2- دقة الاستشعار عند درجات حرارة معينة عالية
نسبياً.
3-
فصل التيار الكهربائي فصلاً تاماً وبدون تدرج (أي لا
يفصل التيار الكهربائي تدريجياً) عند الوصول إلى درجة الحرارة المرجوة.
4-
قليل التكلفة وصغير الحجم نسبيا، فهو متواجد بعدة أحجام
وأشكال لتلائم الأداء الوظيفي للجهاز المتصلة به.
عيوب وسيئات الثرموستات
1- قد تفشل الثرموستات في العمل وذلك عند تعرضه
مباشرة لمصدر حرارة مرتفع، إذ أن جزء من الثرموستات هو الذي يقوم باستشعار
الحرارة قبل أن يبدي رد فعل تجاهها.
2- هنالك حد معين لاستشعار الثرموستات للحرارة،
فهنالك ثرموستات تستشعر غليان الماء عند 100 درجة سليوسية، لكنها تفشل في استشعار
الهواء الساخن داخل الغرفة. إذ يتطلب كل جهاز كهربائي ثرموستات ذات خصائص مختلفة
عن الآخر تلبي الحاجة الأساسية لديه.
3- لا تستشعر الثرموستات درجات الحرارة
المتدنية. فهي تتمدد وتتفاعل فقط مع الارتفاع في درجة الحرارة. ففي الوضع الطبيعي؛
تكون الثرموستات في وضع التقلص.
4- لا يوجد فترات حرارية في الثرموستات كما هو
الحال في الثرمستور. فهو يقطع التيار الكهربائي كلياً عند الوصول إلى حد معين من
درجات الحرارة. ولا يتحكم في كمية التيار المارة من خلاله.
ما
الهدف من وجود الثرموستات (فوائدته)
1- مكافحة ظاهرة الاحتباس الحراري.
2- قطع ووصل التيار الكهربائي بناء على الحاجة
الحرارية المرجوة من الجهاز.
3- تشغيل مضخات المياه تلقائياً على المزروعات،
الأجسام الحرارية وغيرها عند درجة حرارة معينة.
أماكن تواجد الثرموستات
1- خزانات
المياه الساخنة أو البويلر.
2- المكيفات
وخاصة مكيفات التدفئة المركزية.
3- ابريق
الماء الكهربائي.
4- عدة العمل
الكهربائية والتي تشمل على محرك كهربائي داخلي، مثل المنشار الكهربائي، القادح
وغيرها.
5- الكشافات
الحرارية، فهنالك كشافات وخاصة تلك التي تعمل على الغاز؛ فهي ترتفع درجة حرارتها
مع مدة الانارة، الأمر الذي يتطلب وجود قابس حراري مثل الثرموستات ليحول دون احتراق
ذلك الكشاف بفعل الحرارة الزائدة.
6- ثلاجات
المنازل؛ فجميعها تستشعر الحرارة الزائدة في داخله إلى حد يجعل الثرموستات الذي
بداخلها لإعطاء أمر كهربائي (إشارة كهربائية) للمحرك (الضاغط) للعمل وضغط غاز
الفريون للحصول على البرودة المطلوبة.
أسئلة شائعة عن الثرموستات
سؤال: من أين جائت تسمية الثرموستات؟
جواب:
تتألف كلمة الثرموستات من كلمتين هما Thermo أي حراري وStat أي ثابت Static. لذلك إذا قمت بجمع الكلمتين وتوحيدهما في كلمة واحدة تصبح الكلمة
Thermostat وتعني المحافظ
على بقاء درجة الحرارة ثابتة.
سؤال: ما الفرق بين الثرموستات والثرمستور؟
جواب: الثرموستات يعمل على قطع التيار الكهربائي
كلياً عند الوصول الى درجة حرارة معينة، ولا يعيق التيار بالتدرج، بل يمنع وصوله
أو يسمح بمروره بالكامل. أما الثرمستور، فهو عبارة عن مقاومة حرارية تعيق التيار
الكهربائي بنسب متفاوتة بناء على الارتفاع أو الانخفاض في درجة حرارته، وصولا الى أقرب
ما يكون من حالة القطع.
سؤال: كيف يعمل الثرموستات داخل الثلاجة؟
جواب:
إن كيفية عمل الثرموستات
في الثلاجة مبنية على وجود مؤقت أو تايمر يقوم بتحديد فترة ومدة فصل التيار الكهربائي عن
الضاغط في الثلاجة وعن مضاد التجمد بعد أن يستشعر الثرموستات درجة الحرارة لكل
منها. علماً أن التايمر هو الذي يحدد فترة تشغيل وتعطيل كل من هذين الثرموستين،
ويمنع تشغيل كلاهما معاً، كما في المخطط التالي:
