Sıcaklık Ölçme ve Kontrol Elemanları

1.11. Sıcaklık Ölçme ve Kontrol Elemanları

1.11.1. Temel Kavramlar

Tüm ölçüm sistemlerinde bir referans noktası vardır. Sıcaklık ölçümleri için de referans noktası olarak suyun donma sıcaklığı baz alınmış ve bu sıcaklık 00C olarak kabul edilmiştir. Bilinen en düşük sıcaklık ise bir maddenin moleküler hareketinin durduğu, herhangi bir ısı enerjisinin olmadığı “Mutlak 0” olarak ifade edilen değer, 0 Kelvin (0K) kabul edilmiştir. Sıcaklık ölçü birimleri arasındaki ilişkiler Şekil 1.71’de verilmiştir.

Şekil 1.71’de verilen birimlerin birbirine dönüşümü için şu eşitlik yazılabilir: C RF -32 K -273

== =

100 80 180 100

1.11.1.1. Termokupl Devreleri ve Bağlantıları

Isıtıldığında yapısına ve cinsine göre farklı değerlerde gerilim üreten birleştirilmiş metal çiftlerine termokupl denir. Termo = ısı; kupl = çift anlamındadır.

Termokupllar rondelalı, vidalı, iğne uçlu, nokta temaslı, yaylı vb. şekillerde imal edilir ve direkt ısıtmalı, nokta temaslı ya da endirekt ısıtmalı olarak kullanılır. Gerekli durumlarda plastik veya metal koruyucu içerisine konur. Kalınlıkları 0,5mm -3mm civarındaki ölçülerde birleştirilen iki ayrı cins metal, birleşme yüzeyinden ısıtıldığında birleşmeyen uçlarında potansiyel farkı oluşur. Her metalin üreteceği gerilim değeri yaklaşık olarak bellidir.

Termokuplu oluşturan çiftlerden her biri yalnız başına kullanılabileceği gibi bazı metallerin belli oranda birleşiminden oluşan şekilde de kullanılabilir. Farklı metallerin birleştirilmesiyle oluşturulan metale yeni bir isim verilir. Aşağıda bunlarla ilgili örnekler verilmiştir:

Alumel = %94Nikel + %2,5Manganez + %2Alüminyum + %1Silis + %0,5Demir

Konstantan = %55 Bakır + %45 Nikel

Kopel = %53 Bakır + %47 Nikel

Kromel = %89 Nikel + %10 Krom + %1 Demir

1.11.1.2. Termokupl Malzemeler ve Yapısı, Termokupl Ölçme Aletleri

Termokupl yapımında kullanılan bazı metallerin 100oC ısıda üreteceği yaklaşık gerilim değerleri Tablo 1.17’de verilmiştir.

Tablo 1.17: Termokupl yapımında kullanılan bazı metallerin 100C0 de ürettiği gerilim

Örnek: Demir ve platin kullanılarak yapılan bir termokuplun 100C0 de üretmiş olduğu gerilim değerini bulalım: Tablo 1.17’de görüldüğü gibi demir = 1,8mV gerilim üretmekte, platinin ürettiği gerilim değeri ise 0 olarak verilmektedir. Buna göre termokuplun ürettiği gerilim değeri 1,8V olur.

Örnek: Bakır ve nikel kullanılarak yapılan bir termokuplun 100C0 de üretmiş olduğu gerilim değerini bulalım: Tablo 1.17’de görüldüğü gibi bakır = 0,76mV, nikel = -1,94mV

1.11.1.3. Elektrik Karışma (Parazit)

İdeal olarak termokuplu okuma cihazına bağlayan kablo, termokupl ile aynı metalden yapılır. Bununla beraber bunun endüstriyel uygulamalarda iki dezavantajı vardır. İlk olarak birçok termokupl metalleri yüksek elektrik direncine sahiptir. Büyük fabrikalarda 1000 metre veya daha fazla ağır gösterge iletkenlerinin kullanılmasını gerektirir. Bu pahalı olmakla beraber aynı zamanda kablonun taşınmasını da zorlaştırır. İkinci olarak duyarlı termokupllarda (örneğin; B, R ve S tiplerinde) fiyat yüksek olabilir. Bu sorunları ortadan kaldırmak için denkleştirme kabloları kullanılır. Bu kablolar esas metalden yapılır ve dirençleri termokupl malzemesinden daha düşüktür. Sınırlandırılmış bir çevre sıcaklık aralığı üzerinden termoelektrik özellikleri termokupla uyan alaşımlar kullanılır. J ve T tipleri gibi temel metal termokuplları diğerlerine göre ucuz ve düşük dirençli metaller kullanır. Bu sebeple normal olarak termokupl ile aynı metalden kullanarak tesis edilir.

1.11.2. Termal Sistem Çeşitleri

1.11.2.1. Bourdon Elemanı, Sıcaklık Karşılığı

Metal termometreler cam termometrelere benzer prensiple çalışır. Sıvı haznesi metal olup genelde paslanmaz çelikten yapılır. İçerisinde sıvı olarak cıva veya alkol kullanılır. Hazneye bağlı olan kılcal boru ile diğer ucu basınç altında genleşme yapan bourdon gösterge diye tanımlanan basınç ölçere bağlıdır; ancak bu gösterge basınç ölçmez, skalası sıcaklık ölçümüne göre kalibre edilmiştir. Sıcaklığın etkisinde kalan hazne içerisindeki sıvının genleşmesi ile oluşan basınç etkisi göstergede sıcaklık olarak okunacaktır. Haznenin metal olması ölçü aletini dayanıklı kılmakta ve endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır.

1.11.2.2. Direnç Sıcaklık Dedektörleri

Çoğu metal ısıtıldığında elektriksel direnci artar. Sıcaklıkla elektriksel direnç lineer bir değişim gösterir. Malzemenin bu özelliği kullanılarak sıcaklık ölçülebilir. Bunun için iletken malzeme, bir köprü devresindeki dirençlerden birinin yerine bağlanır. Malzemenin direnci sıcaklıkla değiştiğinde köprünün de dengesi değişir. Bu değişim elektronik bir devre ile sıcaklık göstergesine iletilir.

Sıcaklıkla değişen direnç değeri şu formülle bulunur:

Rt = R0 (1 + ? t)

Rt = Malzemenin t sıcaklığındaki direnç değeri (?) R0 = Malzemenin oC sıcaklığındaki direnç değeri (?) t = Sıcaklık değeri (oC) ? = Malzemenin direnç sıcaklık sabiti

Tablo 1.18: Bazı metallerin ? değerleri

Örnek: Nikel bir malzeme 0oC’de 100? direnç göstermektedir. Sıcaklık 20oC’ye çıkarıldığında dirençteki değişim miktarını bulalım:

Rt = R0 (1 + ? t) = 100 (1 + 6,5.10-3 . 20) = 113?

Direnç değişim miktarı: ?t = Rt– R0 = 113 – 100 = 13?

1.11.2.3. Işınımla Yüksek Sıcaklık Ölçümü (Pirometri)

960 °C’nin üstündeki sıcaklıklarda ölçüm işlemi, ITS-90 Sıcaklık Ölçeği Planck Işınım Kanunu’na göre oluşturulur. Bu yöntem; uzaktan (ölçülen nesneye dokunmadan) ve oldukça hızlı sıcaklık ölçümlerine olanak sağladığı için demir-çelik, tekstil, lastik, cam, kâğıt, çimento, gıda vb. sektörlerde kullanılır.

Özellikle ölçüm cihazının malzemeye zarar verebileceği veya cismin uzak ve ulaşılamayacak bir konumda olduğu durumlarda, askeri ve sivil amaçlı termal kamera ile gece görüş dürbünleri gibi sistemlerde tercih edilir.

1.11.2.4. Radyasyon Pirometri Çeşitleri

Radyasyon pirometri; sıcaklığı ölçmek amacıyla kullanılan bir cihaz türüdür. Karşısına tutulan sıcak metal ya da herhangi benzer bir materyalden yayılan ısının dalga boyunu ölçerek bağlı bulunduğu bir çevirici yardımı ile sayısal bir değer olarak gösterir. Pirometre, hareket hâlindeki bir cismin sıcaklığını, o cisme temas etmeden ölçülmeyi mümkün kılar.

1.11.2.5. Sıcaklık Kontrol Metotları

Sıcaklık ölçme cihazı olan termometre vb. cihazlar sıcaklığı okumak amacıyla kullanılırken, belki de endüstriyel uygulamalarda sıcaklık ölçümünün büyük bir kısmı kontrol amacıyla yapılır. Bu sebeple sıcaklık kontrol edicilerin pek çok çeşidi vardır. Bunlardan bazılarışunlardır:

• Termostat: Kontrol ilişkisi genellikle elektrik teması olan bir aygıttır. Ancak valf gibi bazı kontrol fonksiyonu doğrudan ölçme hareketi tarafından kontrol edilir. Bu tür bir cihazda, elektrik temasının açılıp kapanmasını sağlayan, katıların genleşme prensibidir. Bunlardan başka genleşme teknikleri de kullanmak mümkündür (motorlu taşıtlarda kullanılan termostatlar gibi).
• Temaslı kadranlı termometre: Termostattaki ilk gelişme, temaslı kadran termometrelerinin kullanılmasıdır. Bu cihazın kadranı ikinci bir ibre taşır. Bu ibrenin konumu kullanıcı tarafından ayarlanır. Gösterge ibresi ayar noktası ibresi üzerine geldiğinde birbirleriyle elektrik teması yapar. İbrelerden geçen akım, yükü kontrol eden elektrik rölesini çalıştırır.
• Elektronik devreli sıcaklık kontrolü: Elektronik cihazlara giriş ya termokupl ya da direnç termometreleriyle yapılır. Çoğu elektronik kontrol edicilerde mikroişlemciler kullanılmaktadır. Bazı cihazlar birden fazla sıcaklık kontrol devresi içerebilir. Doğal olarak devrede mikroişlemci kullanmak, bilgisayara doğrudan uygunluğun sağlanmasını basit bir iş haline getirir.