Isıl Çiftler (Thermocouples)
HAZIRLAYAN:
REHA ŞEN Web: http://rehasen.wordpress.com Email: rehasen@yandex.com
2010
Isıl Çiftler (Thermocouples): Termoelektrik ısı enerjisinin elektriğe dönüştürülmesidir. İlk olarak 1821 yılında J.Seebeck tarafından keşfedilmiş, A. C. Becquerel tarafından da bir sıcaklık ölçme yöntemi olarak kullanılabileceği bulunmuştur. Günümüzde Seebeck-Becquerel eklemi ısıl-çift olarak bilinmektedir. Isıl çiftler, seramik, yarıiletken veya farklı iki metal alaşımının eklem yapılması ile elde edilirler. Isıl çiftlerin seri bağlanması ile edilen kombinasyona termofil denir. Paralel bağlanmaları ile de ölçülecek sıcaklığın aritmetik ortalaması bulunabilir.
Isıl Çiftler (Thermocouples): dV dT s ab =α Vs: Seebeck potansiyeli αab: sistemin Seebeck sabitleri T: sıcaklık Isıl-Çift kullanım yöntemleri Isıl çiftler ürettikleri potansiyelin ölçülmesi amacıyla problara bağlandıklarında, probların metali ile ısıl çifti oluşturan metallerin arasında da bir eklem oluşur. Bu eklemlerin de bulundukları ortam sıcaklığında ürettikleri bir potansiyel değeri vardır.
Şekilde a.) Termokupl ve ısı kaynağı b.) Termokupl devresinin ortalama Sıcaklığı c.) Çoklu Termokupl d.) Farklı Termokupl eğri karakteristikleri
Şekilde a.) Thermokupl kullanımıyla dengeleme b.)soguk banyo dengelemesi c.)soguk direnc dengelemesi
Şekilde a.) Ters yonde Yükselteç kullanımıyla termokupl b.) Ters olmayan yonde yukseltec kullanımıyla termokupl c.)AD-590 kullanımıyla dengeleme d.)Anolog cihazların kullanımıyla AD-595 termokupl işlemcisi
.
Termokupl Termokupl bir çift sıcaklık ölçmeye yarayan sensörlerdir. Bu sensörlerin K, E, J, N, B, R, S, T, C, M ve kromal altın/demir tipleri mevcuttur. Bu sensörler termal potansiyel farkını elektriksel potansiyel (Voltaj) ya da mV değerinde elektriksel potansiyelleri termal potansiyel olarak algılayabilirler. Termokupllar -200°'den 2320 °C'ye kadar çeşitli proseslerde yaygın olarak kullanılır. Termokupllar iki farklı metal alaşımın uçlarının kaynaklanması ile elde edilen bir sıcaklık ölçü elemanıdır. Kaynatılan nokta SICAK NOKTA, açık kalan iki uç SOĞUK NOKTA olarak adlandırılır. Termokupl sıcak nokta ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkından oluşur. Sıcaklık farkına orantılı olarak soğuk nokta uçlarında mV değerlerinde gerilim üretilir. Sıcak nokta ile soğuk nokta sıcaklık dağılımı nasıl olursa olsun üretilen gerilim sıcak ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkına orantılıdır. Sıcak nokta ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkı termokupl üzerinde gerilim (EMF) yaratır (Şekil-2). Sıcak nokta sıcaklığı aynı kalmak koşulu ile soğuk nokta sıcaklığı değiştiğinde farklı sıcaklıklar okunur. Bu nedenle mV tablolarındaki değerlerde standart sağlamak için ölçülen sıcaklık karşılığı mV değerleri soğuk noktanın 0 °C'de tutulması ile elde edilmiştir. Örneğin 200 °C'ye karşılık gelen mV değeri, termokupllun sıcak noktası 200 °C'de, soğuk nokta 0 °C'de iken uç noktada ölçülen mV değeridir. Termokupllar (Isıl çift) iki farklı metal veya alaşım tel olmasına rağmen endüstride genelde çıplak olarak kullanılmazlar. Prosesin şartları (mekanik darbeler, fiziksel ve kimyasal özellikler) göz önüne alınarak özel koruyucu kılıflar içinde kullanılır. Eleman telleri iki farklı kutuplarda olduğundan birbirlerinden seramik izolatörler ile izole edilirler. Termokupl yapısal olarak incelendiğinde; 1Bağlantı kafası 2- Bağlantı klemensi 3- Koruyucu tüp 4- Eleman teli 5- İzolatör 6- Primer (İç koruyucu) 7- Flanş veya rekor gibi malzemelerden oluşur. Rezistans termometre koruyucu kılıflarının tutturulduğu Alüminyüm döküm kafa içine inset iki vida ile yay sıkıştırmalı olarak tutturulur. Yay sıkıştırmalı olarak monte edilmesiyle titreşimden kaynaklanan problemler minimuma indirilmiş olur. Ayrıca genleşmeden dolayı olabilecek sıkıntılar giderilmiş olur ve daha iyi bir ısı iletimi sağlanmış olur. Genelde rezistans termometrelerde B tipi alüminyum döküm kafalar kullanılır. İstendiğinde C tipi kafada kullanılır.
ISILÇİFT Termoelektrik termometre veya thermocouple olarak da bilinir.İki ucundan da birbirine bağlı iki değişik metalden oluşan sıcaklık ölçüm aygıtıdır. Bağlantılardan biri sıcaklığı ölçülecek ortama yerleştirilir. Öteki uç ise sabit bir düşük sıcaklıkta tutulur. Devreye bir de ölçü aygıtı bağlanır. Sıcaklık farkı, devrede Seebeck etkisi denilen bir elektromotor kuvvetinin (emk) oluşmasına yol açar. Bu elektro motor kuvvat yaklaşık olarak iki bağlantı arasındaki sıcaklık farkıyla orantılıdır. Belirli bie emk’ya karşılık gelen sıcaklık değeri standart tablolardan öğrenilir ya da ölçüm aygıtı sıcaklığı doğrudan okuyabilecek şekilde düzenlenir. Herhangi iki değişik metal ya da metal alaşımı termoelektrik etkiye yol açar; ama bunlardan yalnızca birkaçı (örneğin antimon, bizmut, bakır ve demir ya da bakır ve konsantan) ısılçift olarak kullanılabilir. Yüksek sıcaklık ölçümlerinde kullanılan ısılçiftlerde genellikle platinyum ve radyum ya da radyum-platin alaşımından yararlanılır. Termopiller seri halde bağlanmış bir dizi ısılçiftten oluşur; bunlardan elde edilen sonuç birkaç sıcaklık okumasının ortalamasına eşdeğerdir. Seri bağlanmış bir devre de daha duyarlı sonuç verir.
Çalışma Prensibi Bütün iletkenler ısıtıldıklarında içlerinde bulunan elektronlarda bir hareketlenme meydana gelir. Ancak bu hareketlenme çeşitli iletkenler arasında farklılık göstermektedir. Bu maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir. Biz de iletkenlerin bu farklarından yararlanarak sıcaklık ölçümü yapabiliriz. İki farklı iletkenin birer uçları birbirine kaynak edilip ya da sıkıca birbirine bağlanıp boşta kalan uçlarına hassas bir voltmetre bağlandığında, eğer birleştirdiğimiz ucu ısıtırsak, sıcaklıkla orantılı olarak voltmetrede mV‘lar mertebesinde bir DA gerilim elde ederiz. Elde ettiğimiz gerilimin değeri kullandığımız metallerin sıcaklığa verdiği tepki ile orantılıdır.
Çevresel etkenlerden zarar görmemesi için genelde birleşim noktası bir kılıf içinde bulundurulur. Ayrıca termokupullar gerilim ürettikleri için aktif transdüserlerdir. PTC ve NTC ise pasif transdüserlerdir. Çıkış gerilimleri çok düşük olduğundan, daha çok çıkışına bir gerilim yükseltici bağlanarak kullanılır. Termokuplun yapımında genellikle bakır, demir, konstantan, platin, mangan, nikel gibi metaller kullanılır.
Kullanım Alanları Termokupllar -200 ºC ile +2300 ºC arasında çalışabildiklerinden endüstride en çok tercih edilen ısı kontrol elemanlarıdır. Genellikle endüstri tesislerindeki yüksek sıcaklıkta çalışan kazanların ısı kontrolünde kullanılır.
Sağlamlık Testi Avometre milivolt (örneğin;200mV.) kademesine alınır. Termokuplun uçlarına avometrenin prop uçları sabitlenir. Termokuplun ucu havya yada çakmakla ısıtılır. Avometrenin ekranında gerilim değişimi olup olmadığı gözlenir. Gerilim değişimi varsa termokupl sağlamdır.
Örnek Uygulama Devresi PTC uygulama devresi
Şekil de verilen devrede PTC uygulaması görülmektedir. PTC’lerin üzerinde yazılı olan direnç değeri oda sıcaklığında görülen direnç değeridir. Şekil 2.8’deki devrede ortam normal oda sıcaklığında(20 Cº) iken PTC’nin direnci düşük olacağından transistörün beyz ucu tetikleme gerilimi alamayacağından LED yanmaz. PTC’yi bir havya ile ısıttığımızda PTC’nin direnci artar, dolayısıyla PTC üzerine düşen gerilim artar. Böylece transistör için gerekli olan beyz gerilimi pozitif(+) beslemeye yaklaşır ve transistör iletime geçer, LED yanar. Devredeki potansiyometre ile devrenin sıcaklık algılama seviyesini(hangi sıcaklıkta iletime geçeceğini veya kalibrasyonunu) ayarlamak için kullanılır. Sonuç olarak, normal sıcaklıkta LED yanmaz iken PTC ısındığında LED yanar.
Şekildeki bir termokupl örneğidir.1 metreli j tipi fe-const termokupl olarak adlandırılmıştır.fiyatı yaklasık olarak 20 tl dir.