أسباب تسرب المياه من الثلاجة

محول الطاقة هو جهاز إلكتروني يحول القوة المادية إلى إشارة كهربائية بحيث يمكن التعامل معها ونقلها بسهولة للقياس ستتعرف في هذا المقال على محولات الطاقة بالتفصيل.

محولات الطاقة Transducers

تشكل محولات الطاقة عنصرا مهما في أنظمة التحكم اذ تعمل كمتحسسات تقوم بتحسس إشارات العملية الصناعية وتحويلها من شكل إلى آخر لتتناسب مع نوعية نظام التحكم وتختلف أنواع النواقل باختلاف عملية تحويل الطاقة فمنها ما يقوم بتحويل الطاقة الهيدروليكية والهوائية إلى طاقة ميكانيكية مثل المكبس والغشاء ومنها ما يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية الى طاقة كهربائية مثل المولد الكهربائي او ما يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية مثل المحرك الكهربائي وهذا بالإضافة إلى محولات الطاقة الحرارية والضوئية وغيرها.

بناء محولات الطاقة

يتكون محول الطاقة من جزئيين هما:

عنصر الاستشعار: إنه جزء من محول يستجيب للإحساس الجسدي. تعتمد استجابة عنصر الاستشعار على الظاهرة الفيزيائية.
عنصر التحويل: يحول عنصر التحويل للمحول إخراج عنصر الاستشعار إلى إشارة كهربائية و يسمى عنصر التحويل أيضًا بالمحول الثانوي.

أنواع محولات الطاقة

1. محولات الطاقة الحرارية
2. محولات الطاقة الضوئية
3. محولات طاقة الموضع والازاحة
4. محولات القوة
5. محولات الطاقة للسرعة
6. محولات الطاقة في المكبرات
7. محولات الطاقة للموجات فوق الصوتية

محولات الطاقة الحرارية Thermoelectric Transducers

محولات الطاقة الحرارية Thermoelectric Transducers

تعمل محولات الطاقة الحرارية على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية باستخدام متحسسات حرارية مثل الازدواج الحراري والثيرمستور والكواشف الحرارية (RDT) التي تستخدم للتحسس بدرجات الحرارة بشكل دقيق جدا فعلى سبيل المثال في ماكنة لصق الكارتون يتم ضبط حرارة المادة اللاصقة على180 درجة سلسيوس ويتم التحكم بهذه الدرجة بواسطة RDT.

محولات الطاقة الضوئية Photoelectric Transducers

تعمل محولات الطاقة الضوئية على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية باستخدام العناصر الضوئية مثل الخلايا الضوئية والثنائي الذي يتحسس بالضوء والترانزستور الذي يتحسس بالضوء والثايرستور الذي يتحسس بالضوء وغيرها والتأثير الكهروضوئي عبارة عن ظاهرة انبعاث الالكترونات من المواد (المعادن وغير المعادن والسوائل والغازات) نتيجة امتصاصها طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي لأطوال موجية قصيرة جدا مثل الضوء المرئي المكون من الفوتونات أو الأشعة فوق البنفسجية.

محولات طاقة الموضع والإزاحة Position and Displacement Transducers

تعمل محولات طاقة الموضع والإزاحة على تحويل الإشارة الميكانيكية إلى إشارة كهربائية تتناسب مع موضع العنصر المتحكم به وإزاحته ومنها:

1. المقاومة المتغيرة Potentiometer
2. السعة المتغيرة Variable Capacitance
3. المحول التفاضلي المتغير الخطي Linear Variable Differential Transformer

المقاومة المتغيرة Potentiometer

المقاومة المتغيرة Potentiometer

وفيها يتحرك المنزلق مع حركة العنصر الى الإمام او الخلف مما يؤدي إلى تغير في قيمة المقاومة وبذلك تتغيرقيمة الفولتية فيودي الى الحصول على إشارة كهربائية تتناسب سعتها مع الإزاحة الخطية للعنصر المتحكم به والشكل السابق يبين كيفية استخدام المقاومة المتغيرة محولا للطاقة.
وتأخذ محولات الطاقة للموقع والإزاحة إشكالا مختلفة كما موضح في الشكل السابق وفي بعض التصاميم تكون التوصيلات التي تغير مقاومة الدائرة تتحقق بوساطة ضغط الماسحة (Wiper) او المنزلقة (Slide) إلى الأسفل باستخدام وسائل ميكانيكية لتدوير المقاومة المتغيرة لمحول الطاقة المكونة من مادة ذات غشاء رقيق.
تتصرف محولة الطاقة كمقاومة متغيرة لها ثلاثة أطراف اثنان منها تتصلان مع مجهز القدرة ويمكن ان يكون التيار المتناوب AC أو التيار المستمر DC وتكون المقاومة بينهما ثابتة بينما يوصل الطرف الثالث إلى المنزلقة (Slide) وبتحريكها تتغير الفولتية الخارجة ولهذه المحولة بالمقاومة المتغيرة الخطية عدة استخدامات في الصناعة والطب والنقل.

السعة المتغيرة Variable Capacitance

السعة المتغيرة Variable Capacitance

وفيها تتغير سعة المتسعة بما يتناسب مع الحركة الميكانيكية للعنصر ويبين الشكل السابقة متسعة تتكون من أنبوب خارجي (1) وأنبوب داخلي متحرك (2).
يتحرك الأنبوب الداخلي إلى داخل الأنبوب الخارجي ليغطي جزءا اكبر من سطح الأنبوب الخارجي فتزداد السعة وبالعكس تقل السعة عندما يتحرك الأنبوب الداخلي في الاتجاه المعاكس أي إن قيمة السعة للمتسعة تتناسب مع الحركة الميكانيكية للأنبوب الداخلي ولو تم وضع هذه المتسعة في قنطرة تغذى عن طريق إشارة التيار المتناوب وتؤخذ الإشارة الكهربائية من خرج القنطرة فانه يتم الحصول على إشارة تتناسب سعتها مع الإزاحة لاحظ.
تشحن المتسعة C1 بوساطة الفولتية المتناوبة AC خلال الأنصاف الموجبة بينما تشحن C2 خلال الأنصاف السالبة أثناء شحن أي متسعة منهما تفرغ الأخرى خلال شبكة المقاومات الثلاثة لاحظ الشكل تحتفظ المتسعة C2 بالفولتية المستمرة DC بالنسبة إلى الأرضي إذا أزيحت السعة لمحول الطاقة من الوسط تزداد السعة لإحدى المتسعتين وتقل في الأخرى فيتناسب الهبوط بالفولتية على مقاومة الحمل ىيىرR مع الفرق بين الفولتيتين التي تمثل قياسات الدائرة وللتخلص من التيار المتناوب يوضع مرشح إمرار منخفض وتستخدم في عمليات التحكم الصناعي المتعددة.

المحول التفاضلي المتغير الخطي Linear Variable Differential Transformer

المحول التفاضلي المتغير الخطي Linear Variable Differential Transformer

يعمل على تحويل إشارة الحركة الميكانيكية إلى إشارة كهربائية ويبين الشكل السابق تركيب هذا المحول اذ يتكون من ملف ابتدائي (أ) موصل الى فولتية متناوبة AC ثابتة وتحتوي الدائرة الثانوية للمحول على ملفين ثانويين (S2) (S1) متصلين ببعضهما بعكس الاتجاه بحيث تكون محصلة الفولتية على الخرج هي الفرق بين فوليتي الملفين الثانويين أي أن (V2- V1=ΔV) وتعتمد قيمة الفولتية المتغيرة AV على حركة القلب المغناطيسي اذ يتحرك هذا القلب حركة أمامية وخلفية تحت تأثير القوة الميكانيكية الخارجية.
يمكن الاعتماد على المحول التفاضلي الخطي المتغير (LVDT) لقياس المسافة الخطية بصورة دقيقة ويستعمل في المكائن الحديثة وفي الروبوت (Robot) والصناعات الالكترونية والتصنيع المبرمج الشكل السابق للـ (LVDT) هو متحسس (موضع - كهربائي) خرجه يتناسب مع موضع القلب المعدني المتحرك ويتحرك القلب بصورة خطية داخل المحولة المكونة من ملف ابتدائي في الوسط وملفين ثانويين ملفوفين على شكل اسطواني يحث الملف الابتدائي بفولتية المصدر للتيار المتناوب AC وبترددات مختلفة للحصول على فولتيات محتثه في الملفات الثانوية حيث تتغير مع الموضع للقلب المعدني وتركيب أجزاء التجميع ويوضع القلب عادة بطريقة يسهل فيها التماس مع القضيب غير المغناطيسي وبتدويره يتم التماس مع الشيء المراد قياس حركته او إزاحته.
عندما يكون القلب (Core) في المركز فان فولتيات الملفين الثانويين يكونان متعاكسين ومتساويين لبعضهما وتكون محصلة الفولتية الخارجة صفرا وعندما يتحرك القلب من المركز تزداد الفولتية في الملف الثانوي للطرف القريب لحركة القلب بينما تقل الفولتية في الملف المعاكس الآخر ويظهر الفرق بين الفولتيتين بسبب تغير موضع القلب خطيا.

محولات القوة Force Transducers

تعمل على تحويل مقدار القوة المؤثرة الى إشارة كهربائية يمكن استخدامها لقياس سرعة الأجسام المتحركة او
لقياس الوزن والضغط وكميات المواد وغيرها ومن أهم أنواع محولات القوة هي:

1. باستخدام المحول التفاضلي المتغير الخطي (LVDT)
2. باستخدام مقياس التوتر (الانفعال) Strain Gauge

باستخدام المحول التفاضلي المتغير الخطي (LVDT)

باستخدام المحول التفاضلي المتغير الخطي (LVDT)

يقوم بتحويل أثر القوة إلى إزاحة (ويقوم المحول التفاضلي المتغير الخطي) من خلال باستشعاره هذه الإزاحة ويبين الشكل السابق مثالا على ذلك فعندما تؤثر قوة (F) على الطاولة (١) تضغط هذه الطاولة على النابض (٢) الذي يحرك القلب المغناطيسي للمحول مما يؤدي إلى ظهور إشارة كهربائية تتناسب سعتها مع القوة المؤثرة على الطاولة .

كيفية تحويل حركة القلب المغناطيسي وتوليد الموجات الكهربائية

كيفية تحويل حركة القلب المغناطيسي وتوليد الموجات الكهربائية

عندما يكون القلب المغناطيسي في الوسط تكون الفولتيات على الملفين الثانويين لمحول الطاقة للإزاحة متساويين لأنهما موصلين بصورة متعاكسة ويصبح خرج المتحسس صفرا وبتحريك القلب المغناطيسي بعيدا عن المركز تزاد الفولتية في احد ملفي الثانوي وتقل في الملف الآخر وتكون النتيجة عبارة خرج لمقياس التحسس ومن خلال طور الإشارات يمكن معرفة في أي من الملفين يتحرك القلب المغناطيسي.
وباستخدام تقويم (قنطرة) على خرج كل من الملفين الثانويين يمكن الحصول على فولتية خرج متدرجة تتناسب مع حركة القلب المغناطيسي.

المحول التفاضلي المتغير الخطي الذي يعمل بالتيار المستمر (DC LVDT)

المحول التفاضلي المتغير الخطي الذي يعمل بالتيار المستمر (DC LVDT)

يتكون من الملف الابتدائي ويوضع عليه الملفين الثانويين المتشابهين وبتحريك القلب المغناطيسي من موضعه تتحدد الفولتية المحتثة من الملف الابتدائي إلى كل من الملفين الثانويين ويكون الجزء المتحرك مفصول عن الملفات بوساطة بكرة من معدن الحديد غير القابل للصدأ ويكون عازل جيد للسوائل والغيار وبدون احتكاك و هستره (Hysteresis) وهذا يعني إن هذا المحول يستجيب الى معظم الحركات الدقيقة للنفاذية (Permeability) العالية للقلب المغناطيسي.
المحول التفاضلي المتغير الخطي الذي يعمل بالتيار المستمر (DC LVDT) يولد خرج بالتيار المستمر ذو تدريج الى درجات (Precalibrated) ويكون ملائم للعمل مع دوائر PLC والمؤشرات الرقمية محولات A/D و الحواسيب والشكل السابق يوضح التوصيلات الكهربائية لأحد المحولات التفاضلية DC LVDT ولها إشكال مختلفة يعمل قسم منها على التيار المتناوب وآخر يعمل بالتيار المستمر وتتحسس هذه المحولات بالإزاحة.

محول الطاقة للضغط باستخدام (LVDT)

محول الطاقة للضغط باستخدام (LVDT)

الشكل السابق يوضح محول الطاقة للضغط باستخدام (LVDT) وذلك بتسليط ضغط على الأنبوب يتغير موقع القلب فيتغير المجال المغناطيسي لمحول الطاقة (LVDT) مما يؤدي إلى ظهور إشارة كهربائية تتناسب مع الضغط المسلط يعمل محول الضغط على تحويل الضغط إلى إشارة كهربائية تماثلية وتوجد أنواع مختلفة من هذه المحولات وأكثر هذه الأنواع شيوعا هو محول قياس التوتر Strain Gauge وتستخدم في الروبوت ومكائن التشغيل الالي وفحص الاهتزاز والتشويش الصوتي وغيرها.

باستخدام مقياس التوتر (الانفعال) Strain Gauge

باستخدام مقياس التوتر (الانفعال) Strain Gauge

يعمل محول الضغط على تحويل الضغط إلى إشارة كهربائية تماثلية بتغيير الحاجز (الحجاب) (Diaphragm) لمقياس التوتر ومقياس التوتر او الانفعال هو مقاومة متغيرة تتكون من سلك معدني ذي مقاومة متغيرة بتغير القوة المؤثرة فيه فكما هو معروف ان مقاومة السلك تتناسب طرديا مع طوله وعكسيا مع مساحة مقطعه فاذا تعرض السلك لقوة شد فان طوله يزداد وتقل مساحة مقطعه مما يؤدي الى زيادة مقاومته وبالعكس اذا تعرض السلك لقوة ضغط قليلة فان طوله ينقص وتزداد مساحة مقطعه مما يؤدي الى نقصان مقاومته (كما تعلمت ذلك في المرحلة الأولى) وإذا استخدم مقياس التوتر هذا في قنطرة فانه يمكن الحصول على إشارة في الخرج تتناسب مع التغير في قيمة مقاومة مقياس التوتر.

محولات الطاقة للسرعة Velocity Transducers

محولات الطاقة للسرعة Velocity Transducers

محولات الطاقة للسرعة إحدى أنواع محولات الاهتزاز (Vibration) تحتوي على ملف يتحرك داخل المجال المغناطيسي او تحريك مغناطيس دائم داخل الملف، تحتوي هذه المحولة على أجزاء متحركة وتعتمد استجابة المحولة على درجة الحرارة والتوجيه (Orientation) ويمتد تردد الاستجابة من (-15) HZ 1500 وتستخدم محولات السرعة لتحويل إشارة السرعة (إشارة ميكانيكية) إلى إشارة كهربائية ويعتمد تصميم وتصنيع محولات الطاقة للسرعة الخطية على التقنية الحثية (lnductive) فعند تحريك مغناطيس داخل ملف سوف يتولد جهد في الملف حسب قانوني فراداي ولينز يتناسب هذا الجهد مع السرعة النسبية للمغناطيس فعند استخدام ملف واحد تكون الفولتية الخارجة صفرا لان الفولتية المتولدة بوساطة احد قطبي المغناطيس سوف تلغي الفولتية المتولدة بوساطة القطب الآخر ولهذا السبب يقسم الملف الى قسمين.
تكون الفولتية الخارجة تساوي مجموع الفولتيتين على كل من الملفين وتظهر بالنقطتين الأحمر والأسود تتناسب مع سرعة المغناطيس ويمكن توصيل الملفين على التوازي كي تعطي ممانعة خرج قليلة تكون ملائمة لتوصيلها مع الدوائر الالكترونية ذات ممانعة دخولواطئة لتحقيق الموائمة (Compatibility).

محولات الطاقة في المكبرات Transducers In AmpIifiers

محولات الطاقة في المكبرات Transducers In AmpIifiers

كما ذكرنا ان العناصر (Elements) المحولة للطاقة من نظام إلى آخر وتغيير المعلومات أو البيانات (Data) بشكل يلائم النظام الآخر تدعى محولات الطاقة (Transducers) وتعني بشكل عام إنها خليط (Combinations) من التحسس والتحويل والمعالجة وأول عملية هو التحسس بالطاقة وتحويلها الى طاقة كهربائية والعناصر التي تنفذ هذا تدعى بالمتحسسات فعلى سبيل المثال في نظام الصوت (Voice) يمكن اعتبار الميكرفون هو المتحسس وهو ميكرفون سعوي، عبارة عن دائرة تتحكم بتشغيل ثنائي الانبعاث الضوئي (D3) بوساطة التغيرات الصوتية ويعمل الميكرفون السعوي كمتحسس للصوت فيحول التغيرات في الصوت إلى إشارات كهربائية تسلط على المكبر الذي يعمل على تكبير سعة الإشارة الخارجة من الميكرفون وتستخدم المقاومة المتغيرة (P) وهي مجزئ جهد لتحديد الربح (الكسب) للمكبر وتحديد حساسية المكبر، وبعبارة أخرى إذا كانت النقطة الوسطية للمقاومة (P) موضوعة في أقصى اليمين فان المكبر سوف يتحسس بأقل الأصوات بينما لا يتحسس المكبر بالأصوات عالية القدرة عندما توضع النقطة الوسطية (P)بأقصى اليسار. تحول الإشارات الخارجة من المكبر إلى تيار مستمر (DC) بوساطة (D2 , D1) وتسلط على قاعدة ترانزستور الخرج (T) يتوهج حمل الترانزستور (D3) ثنائي الانبعاث الضوئي (LED) عندما تكون القاعدة إلى الباعث بالانحياز الأمامي فيسري تيار الجامع خلال الثنائي (D3) أي عند وجود صوت ولا يتوهج في حالة عدم وجود صوت.

محولات الطاقة للموجات فوق الصوتية Ultrasonic Transducers

بلورة الكوارتز

تمتاز البلورات الكهرو - اجهادية ( Crystal) بأنها تهتز بنفس تردد الجهد المتناوب المسلط عليها وبالعكس ولو أجبرت على الاهتزاز الميكانيكي فأنها ستولد جهدا متناوبا من أفضل البلورات الكهرو- اجهادية بلورة الكوارتز وأملاح روشيل و أملاح روشيل والتورمالين وأكثرها استعمالا هي بلورات الكوارتز للصفات التالية:

مميزات بلورة الكوارتز

• متوفرة في الطبيعة .
• رخيصة الثمن .
• تجمع بين صفات أملاح روشيل الكهرو - اجهادية وبلورات التورمالين .

 ظاهرة الكهروبيزو

ظاهرة الكهروبيزو

بتسليط المجال الكهربائي على المادة سوف تنظم الجزيئات نفسها مع المجال الكهربائي وتنظيم الجزئيات هذا سوف يغير أبعاد المادة ومن هذه المواد الكوارتز وSIO او تيتانيت الباريوم (Batio3) (Titanate Barium) التي تولد المجال الكهربائي عند تسليط الضغط على طرفيها وتسمى هذه الظاهرة الكهروبيزو (Piezoelectric).
تحويل النبضات الكهربائية الى اهتزازات ميكانيكية وبالعكس وتحويل الاهتزازات الميكانيكية الى طاقة كهربائية هو أساس عمل محولات الطاقة للموجات فوق الصوتية (Sonic Ultra) ويصنع هذا النوع من المحولات بأشكال متنوعة ومختلفة والأحجام لاستخدامها في الحصول على صور لأجزاء مختلفة من الجسم بعد تمرير المحول على سطح الجسم.
اثبتت متحسسات الكهروبيزو استخدامها في عدة مجالات مختلفة وعدد من التطبيقات منها في مجال الطب والفضاء والآلات الموسيقية وفي الهواتف النقالة كمتحسس بالضغط اثناء اللمس وفي صناعة السيارات حيث تستخدم كأداة مراقبة الاحتراق الداخلي للمكائن وتثبت داخل فجوة إضافية في راس المكبس او مع مقبس شمعة القدح وبوساطة الكهروبيزو يمكن قياس كميات فيزيائية متعددة ومن هذه القياسات الشائعة هي القياسات الشائعة مثل قياس الضغط والتعجيل ففي متحسسات الضغط تستخدم غشاء نسيجي (Membrane) وقاعدة كبيرة (Massive Base) مما يضمن تسليط ضغط محدد كحمل لعنصر البلورة ويقوم الغشاء النسيجي بنقل القوة الى عنصر البلورة وفي استخدام الكهروبيزو كمقياس السرعة تربط كتلة الى عنصر البلورة وحسب قانوننيوتن الثاني للحركةF=a .m .

المصادر
كتاب العلوم الصناعية الكترونيك - المناهج العراقية
Transducer