Termokupl

 

Sıcaklık bir çok alanda enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Enerjinin özellikle de elektriğin üretilmesinde çok önemli bir yere sahiptir. Ayrıca sıcaklık çok önemli olmasının yanında bazen istenmeyen durum olarak karşımıza çıkmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda motor gibi birçok makinenin veriminin düşmesi gibi. İşte bu yüzden sıcaklık  sanayide ve çoğu sistemlerde kontrol altında tutulmak istenir. Bunun için de termokupl gibi  sıcaklık sensörlerine ihtiyaç duyulur.

Termokupl Nedir ?

      İki metal alaşımın birleşiminden oluşmuş ve uçlarındaki sıcaklık farkından dolayı  elektriksel potansiyel fark oluşturan elemana termokupl denir. Bu olaya termoelektrik etki denir. Termoelektrik etki Thomas John Seebeck  tarafından farkedilmiş ama tam olarak neden kaynaklandığını tanımlayamamıştır. Daha sonra Danimarkalı fizikçi Hans Christian Orsted tarafından termoelektrik etki olarak yeniden tanımlanmıştır. Aşağıda bu etkinin nasıl oluştuğu ifade edilmiştir.

Seebeck_effect_circuit_2.svg

V gerilimi şöyle ifade edilebilir:

V = \int_{T_1}^{T_2} \left( S_\mathrm{B}(T) - S_\mathrm{A}(T) \right) \, dT,

Burada Sa, Sb  A ve B metallerinin sıcaklık fonksiyonuna bağlı ısıl güçleri (Seebeck katsayıları)  T1 ve T2, iki birleşme noktasının sıcaklıklarıdır. Seebeck katsayıları sıcaklık fonksiyonu olarak doğrusal değildir ve iletkenlerin mutlak sıcaklıklarına, malzemelerine ve moleküler yapılarına bağlıdır. Eğer Seebeck katsayıları, ölçülen sıcaklık değeri için etkin olarak sabitse, yukarıdaki formül şöyle yakınsaklaştırılabilir:

V = (S_\mathrm{B} - S_\mathrm{A}) \cdot (T_2 - T_1).

      Seebeck etkisi bir sıcaklık farkını ölçmek için termokupllarda kullanılır. Mutlak sıcaklık, birinin ucunu bilinen bir sıcaklık değerine ayarlayarak bulunabilir. Bir metalin eğer bileşikleri bilinmiyor, fakat elektrotun bileşikleri biliniyorsa, elektrot sabit bir sıcaklığa maruz bırakılarak, metal termoelektrik etkisine göre sınıflandırılabilir.

tererere

Termokupllar da tamamen bu mantıkla çalışan çok dayanıklı elemanlardır -200 °C ile +2300 °C arasında yüksek  çalışma aralığına sahip oldukları için endüstride  en çok kullanılan sıcaklık sensörleridir. Endüstride kazanların, fırınların vb. yapıların ısı ölçümlerinde kullanılırlar.  Yukarıda resimde de görüldüğü üzere T1 ve T2 notaları arasındaki sıcaklık farkı mV mertebesinde bir gerilim okunmasını sağlar. Bu gerilim, sıcaklık farkıyla doğru orantılı olarak artar bu sayede referans degerine göre T1 noktasındaki sıcaklığın değeri ölçülmüş olur.  Aşağıda farklı alaşımlardan oluşmuş termokuplların eğrileri görülmektedir.Bu eğrilerden faydalanarak sıcaklık başına gerilim değişimi bulunabilir.

eğri

Örneğin yukarıda 3 numaralı olarak gösterilen ve K tipi olarak da bilinen termokuplun herhangi bir sıcaklıkta vermesi gereken gerilim değerini hesaplayalım. Daha önce düzenlenmiş termokupl tablolarına bakılarak da bu değer bulunabilir ama biz daha pratik bir yöntem olan hesaplama ile bu işlemi gerçekleştireceğiz.

Sıcaklık ölçüm aralığı : 0 °C-1300 °C

Çıkış gerilimi : 0 mV-53 mV

olarak tablodan okunur. Daha sonra derece başına düşecek mV değeri ;  53 mV/1300 °C  işlemiyle hesaplanır. Sonuç 0,0407 mV/°C ‘dir. Şimdi 80 °C’de okunacak gerilim değeri için bu sonucu 80 ile çarpalım. 0,0407×80=3,26 mV  elde edilir.

Bir diğer önemli nokta ise termokuplların kalibrasyonudur. Termokuplun bağlantı noktalarından kaynaklı oluşan termoetkilerin ölçüm hatasına yol açmasını engellemek için buz banyoları ile kalibrasyon yapılır.

sdfgh

Bağlantı kablosu bakırın, C metal alaşımına bağlandığı noktadaki termoetkinin çıkış gerilimini etkilememesi için buz banyosu kullanılır. Buzun sıcaklığı 0 ºC olduğu için bu birleşim noktasında bir gerilim oluşmayacaktır. Böylece sadece J1 noktasındaki yani ölçülecek değerin gerilimi çıkışa aktarılacaktır.

Entegre edilmiş ve programlanmış bir sistemle de kalibrasyon yapılabilir. Önemli olan sıcaklığa bağlı hatalı olarak oluşan termoetki gerilimlerinden gerçek termokupl değerini ayıklamaktır. Kalibrasyon ve termokupl tabloları için National Institute of Standarts and Technology (NIST) sitesinden gerekli bilgileri edinebilirsiniz.   Aşağıdaki resimde  çeşitli termokuplların kompakt hali gösterilmiştir.

263-313-thickbox

 

Kaynaklar:

nist.gov

netes.com.tr

elimko.com.tr

tr.wikipedia.org

Bu yazı hakkında ne düşünüyorsun ?
  • Müthiş 
  • Faydalı 
  • Gereksiz 
  • Normal 
Musa YILDIRIM

About Musa YILDIRIM

1993 yılında Adana’da doğdu. 2011 yılında Sivas Fen Lisesi’nden mezun oldu. Pamukkale Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisiği’nden mezun oldu. İlgi alanları otomasyon ve mikrodenetleyicilerdir. Arzunun varolduğu yerde çözümün de var olacağına inanmaktadır.

View all posts by Musa YILDIRIM →