SICAKLIK ÖLÇÜLMESİ VE KONTROLU 1

Sıcaklık Ölçülmesi ve Kontrolü 1

UDK: 621.3.082.6

Hasan PEKŞEN Şeker Enstitüsü

ÖZET

Sıcaklık ölçmede kullanılan ençok bilinen elemanlar ve özellikleri anlatılmıştır. Karşılaştırma yolu ile de uygulama alanına göre seçim koşulları belirtilmiştir.

SUMMARY

The most commonly used temperature measuring elements are discussed with their characteristics. The choice of the element for a particular application is also indicated by a way of comparison.

1. GtRİŞ

Bugün materyal üretiminde etkin olan önemli fiziksel faktörler arasında sıcaklık gelmektedir. Bir ürünün kalitesi, kullanılan tekniklere göre, üretiminin çeşitli basamaklarında sıcaklık kontrolü ile sağlanmaktadır, örneğin şeker üretiminde şeker pancarının haşlanmasından kristal şekerin elde edilişine kadar bütün basamaklarda sıcaklık kontrolünün önemli yeri vardır (*). Dolayısıyle teknolojide yararlanabileceğimiz sıcaklık ölçücüleri tanımamız yararlı olacaktır.

Genel olarak duyarlı elemanların seçiminde şu koşullar gözönüne alınır:

a. Gerekli sıcaklık sının b. Sıcaklık ölçümünde gerekli duyarlık ve kararlılık c. Kullanılacağı çevre d. Elemandan beklenen çıkış e. Elemamn cevap verme süresi f. Fiatı

Tablo 1 de ençok kullanılan sıcaklık ölçücü elemanların karşılaştırılması ve değerlendirilmesi gösterilmiştir (1,2,3,4,5).

Bazı elemanlar, termistörler gibi, kontrol organında basit bir düzeni gerektirir.

(*) Şeker üretiminde sıcaklığın önemi için «Şeker Teknolojisi, TŞFAŞ yayını, 1971» e bakınız.

"lektrik Mühendisliği 204

Eğer elemamn çıkışı sıcaklıkla orantılı değilse, termistörlerde ve pirometrelerde, kontrol organının kararlılığı için doğrusallaştırma gereklidir, v.b.

Sıcaklık ölçücü elemanlardan istenen koşullar ise şöyle sıralanabilir:

1. Sıcaklık/çıkış karakteristiği, a. Zamana göre b. Elemamn çalışma sınırına göre c. Çevre sıcaklık değişimlerine göre kararlı olmalıdır.

2. Elemanın sıcaklık/çıkış ilgisi daha önceden tayin edilebilmelidir.

3. Geniş bir sıcaklık sınırında çalışmalıdır.

4. Çıkışı veya değişimi endüstriyel aygıtlarla ölçülebilmelidir.

5. Çıkış işareti büyük olmalıdır.

6. Çıkış işareti gerektiğinde duyarlığı bozulmadan iletilebilmelidir.

7. Endüstriyel koşullara dayanmalıdır.

8. Maliyeti az olmalıdır. Bu yazıda Tablo 1 de belirtilen sıcaklık ölçme elemanlarının özellikleri, yapılan ve karakteristikleri incelenerek kontrol sistemlerinde seçimi ve uygulaması yapılabilir bir halde sunulmuştur.

2. NTC TERMÎSTÖRLER Termistörler yüksek negatif katsayılı dirençlerdir. Oda sıcaklığında negatif sıcaklık katsayısı % 3-5/'C arasında değişir. Bu demektir ki sıcaklık katsayısı pozitif sıcaklık katsayılı bakınnkinden ve çoğu metallerden 5-14 kat fazladır. Bu yüzden termistörler çoğu özel hallerde kolaylıkla kullanılabilir. Çeşitli uygulamalar için ağırlıkları onda bir mg dan bir kaç grama kadar değişen termistörler yapılmaktadır.

ısınma olmaksızın elde edilen direnci, GTH sıcaklık ve dirençle ilgili bir katsayıyı göstermektedir. Dolayısıyle RrH, T sıcaklığına göre termistörün Rj.H = f (TTH) eğrisinden yararlanılarak bulunabilir (Şekil 2.1).

ıc?-A—

5-

O

BH

Termistörler yüksek sıcaklıkta fırınlanmış homojen oksitli maddeden ibaretir. Diğer seramik maddelerde olduğu gibi, fırınlama mekanik daralmaya yol açar, bu yüzden boyutları tutucu metal parçalardan daha büyüktür.

2.1. Sıcaklıkta direnç değişimi

Termistörün direncinin sıcaklıkla değişimi şu eşitlikle gösterilebilir:

RT = A exp (B/T)

veya,

RT

=

RTo exp B

(

T"

•)

MOL

1 5 fo1

m.

T\s.

$

-3J0%/ c

—V ^ - 3 . 5

J-İ8

V\

^6

-6-0

RT : T°K deki termistör direnci B : Termistörün sıcaklığa cevap vermesini tayin eden sabite (2000° - 5000°K arasmda) A : Bir sabite

•m. -20 0

150 200 C

Şekil 2.1. Rp/Ra, °C oranının sıcaklık katsayı parametreslyle sıcaklığa göre değişimi.

RTo : Termistörün To sıcaklığında direnci

23. Elektriksel devrede yüklenen termistörün

Eşitlik (1) den termistörün sıcaklık katsayısı,

davranışı

a = —100 B/T* % /'C

Elektriksel devrede termistörde meydana gelen

Şekil 2.1 de bir NTC termistörün RT/RTo nın sıcaklığa göre çeşitli sıcaklık katsayılarında değişimi gösterilmiştir [1].

ısı harcaması termistörün direncinin azalmasına ve gerilim akım eğrisinde doğrusal olmayan bölgeyi meydana getirir. Şekil 22 de bir NTC direncin V—I karakteristiği görülmektedir [2]. Grafikten de anlaşıldığı gibi doğrusal

12. Elektrik yükü altında davranışı

bölgede çalışmak için akımın 0,4 mA den faz-

Çevre sıcaklığının etkisi: Kontrol işleminde vela olmaması gerekir.

ya sıcaklık ölçmelerinde kullanırken kendi ken-

V—I karakteristiğinin maksimum noktasını çadine ısınmayı önlemek gerekir. Eğer AT sıcaklık fazlasına müsade edilirse.

lışma sıcaklığı ve soğuk haldeki direncinden başka, termistörün yüzey alanı da etkiler. Geniş yüzeyli termistörün büyük bir harcama kat-

GTH-AT

I- =

RTH

sayısı olup, küçük yüzeyliye göre aynı sıcaklık

artışında daha fazla enerji harcar. Böylece

maksimum gerilim ve akım değerleri artar.

(5) I m , Vm maksimum akım ve gerilim değerleri elde edilebilir [5]. Burada R™, kendi kendine

V—I karakteristikleri, durağan havada geçerlidir. Zorla hava veya sıvı ile soğutmada harcama katsayısı artar. Vakumda ise tersine bir azalma görülür.

Elektrik Mühendisliği 20'

Tablo 1. Sıcaklık duyarlı elemanların karşılaştırılması.

duyucu

tipi

sıcaklık sınırı (6C)

duyarlık (S* veya A**)

sıcaklık sanırında çıkışan değişimi

°C başına çıkışın değişimi

termal zaman sabitesi

hata kaynakları

dikkat edilecek noktalar

uygulaması

yarıiletken direnç termometreler

NTC termistör PTC termistör

—40, < + 300 0, + 150 veya daha aşağısı

S oda sıcaklığında 3'C den İO'C ye kadar ölçülen sıcaklık oda sıcaklığından ayrıldıkça artar

eksponensiyel direnç değişimi

oda sıcaklığında % —2, %—6/*C % + 60 /°C kadar yüksek olabilir

havada 2 sn den 80 a. kendi kendine ısınma

sn ye kadar

b. zamanla kayma

a. duyarlı elemandan geçen

akımın kısıtlanması

ucuz kontrol sistemlerinde,

..... . . . .

, teşbih tipleri yüzey sıcaklığıb. eskitilmiş tiplerinin kullanılması

mn ölçümünde

metal direnç ter- platin

mometreler

nikel

bakır

ısıl çiftler

Cu - Konst. Fe - Konst. Nicr - Ni Nicr - NiAL PtRh (%30) PtRh (°/o 6) PtRh - Pt

—250, + 850 —60, + 200 —200, + 100

S 0,3'C den 5X ye S 0,2X den 2,1 "C ye

yaklaşık doğrusal direnç değişimi

% + 0,39 /*C °/o + 0,62 /°C % + 0,39 /'C

hareketli suda 0,9 — 100 sn arası, hareketli havada 16— 620 sn arası

a. kendi kendine ısınma b. kablo direncinin sıcakl l k I a değişimi

a. duyarlı elemandan ge- Pt, yüksek duyarlık gereken

çen akımın kısıtlanması sistemlerde; Ni, düşük duyar-

, , ,, ,

.. ,

, lık fakat yüksek çıkış; Cu

b . kabloların mumkun olduğu kadar kısa tutulucuz fakat karar]ı

ması veya kompanzasyon kullanılması

—200, + 400

[600 (3) ]

—200, + 700

A % 0,75 fakat

[+ 900(3)] en az 3"C

0, + 1000

[ + 1300 (3) !

-200, + 1000

A % 2,2 < 350*C için

°/o 0,25 > 350'C için

0, + 1300

[+ 1600(3); A % 0,5 fakat

0, + 1500

en az 3'C

[ + 1800 (3)

termo emk.nin yaklaşık doğrusal değişimi

23 UV — 64 UV/'C (5)

34 UV — 65 uV/'C (6)

— 43

ortalama 41 u,V/'C

UV/'

C (9)

— 12 UV/'C

hareketli suda 0,4 sn den 175 sn ye kadar hareketli havada 30 sn den 500 sn ye kadar

a. soğuk uçlardaki sıcaklık değişimi b. ısıl çiftin direncinin sıcaklıkla değişmesi

a. soğuk uç kompanzasyonu kullanılması veya soğuk uç sıcaklığının kararlı hale getirilmesi b. DA kompansatör ile ısıl çiftin yüklenmemesi

ısıl çiftlerin uygulaması çok geniştir, yüzey sıcaklığı ve küçük bölgelerin sıcaklığı ölçülebilir PtRh — Pt ve PtRh — PtRh yüksek sıcaklıkları yüksek duyarlıkta kontrolda kullanılır

A % 1 den % 1,5

T4

toplam radyasyon + 3000 'C ye kadar a kadar

pirometreler

(2)

A l'C den 35'C

kısmi radyasyon

+ 5000 T ye kadar ye kadar

yaklaşık 1 sn den 60 sn ye kadar msn sınırında

çok yüksek sıcaklıkların ölçümü, kontrol sisteminde kullanmak için çıkışı doğrusallaştınlmalıdır

gaz genleşmeli termometreler

(10) -212, + 800

(1). Duyarlı eleman : Isıl-Çift veya termopil

(2). »

» : Fotosel veya benzer bir aygıt

(3). Sınırlı peryodlarda

(4). _100°C , + 400*C sıcaklık sınırında

(5). —100'C , + 700'C »

(6). 0'C , + 1000'C »

% 0,5

doğrusal gaz genleşmesi

ideal gazm genleşme kat sayısı dolayında

30 sn den 400 sn ye

kadar

(11)

a. gaz tüpünün sıcaklıkla genleşmesi b. kapiler tüp ve körükte sıcaklık değişimleri

a. konpanzasyon körüğü kullanılması

, , ., b. kapiler tup koruk ünitesinin sıcaklığının sabit tutulması

elektriksel aygıtların tehlike yaratabileceği atmosfer ve çevre koşullarında

(7). —200'C , + 1000'C sıcaklık sınırında

(8). 0'C , + 1500'C »

(9). Çıplak teşbih tipi : 2 sn

Cam kaplı » » : 14 sn

Disk tipi

: 60 sn — 80 sn

» » uygun bir soğuma

yüzeyinde

: 18 sn

(10). Tek bir tüp bu sıcaklık sınırının tamamında kullanılamaz. Tüpün boyutlarına ve gaza göre daha ufak sınırlara bölünür.

(11). Zaman gecikmesi kullanılan kapiler tüpün boya ve çevre koşullarıyla da ilgilidir.

(*) S Toleransdan dolayı ölçme sıcaklığındaki yayılma aralığı, (•*) A ölçülen sıcaklığın % si veya *C olarak duyarlık.

40°C nin üstünde terrnistörü doğrusal olarak kullanmak için termistöre uygun bir seri veya paralel direnç ilâve edilmelidir.

o.p/«, = (B - 2T,) / (2 B)

a i p : Termistör ve R,, kombinasyonunun T, deki sıcaklık katsayısı

a, : Termistörün yalnız başına sıcaklık katsayısı

Kondüktans doğrusallaştırması termistöre seri bir direnç ilâvesiyle sağlanır (Şekil 2.4a). Devre sabit bir gerilim kaynağından beslendiğinden T. etrafında doğrusal bir değişme elde edilir. Gerekli Gs,

Gs = Gü (B + 2 T İ ) / ( B - 2 T İ )

eşitliğinden bulunur [2].

'di 2

(mA)

Şekil 2.2. NTC termistörterin V—I karakteristiği.

Paralel bağlantı ile doğrusallaştırma Şekil 2.3a da görülmektedir. Yalnız, devre sabit bir akım kaynağından beslenmelidir. Toplam direncin °C başında değişimi dönüm noktası P de (T; sıcaklığında) yaklaşık olarak sabittir.

Sabit _ ' gerilim

Sabit akımı

Şekil 23.

Tt çevresinde doğrusallaştırma için gerekli Rp direnci:

Rp = Rr, (B - 2T4) / (B + 2T,)

(6)

eşitliğinden bulunabilir [2].

Sabit bir akım kaynağından beslendikçe T, etrafında doğrusal bir değişme beklenebilir (Şekil 2.3b). Duyurucu (Sensor) çıkışı bu eğrinin eğiminden hesaplanabilir. Bu eğimin T; deki değeri,

dR x dT

T=T.

R,,(B-2T,)2 4 B T:z

sıcaklık katsayısındaki azalma:

E l e k t r i k Mühendisliği 204

Ti

Şekil 2.4. Seri direnç ile doğrusallaştırma.

Gtı : Termistörün sıcaklığında kondüktansı

T, : Doğrusallaştırmamn gerekli olduğu sıcaklık

deki eğim,

dG

GJB-2T,)*

(10)

dT T=TI

4 B T,2

sıcaklık katsayısında azalma,

a,/o» = (B + 2 T,) / (2 B) ais : Gs ve termistör toplamının T, deki sıcaklık katsayısı at : Termistörün yalnız başına Tj deki sıcaklık katsayısı

Köprüde kullanılan termistör sıcaklık değişimlerinde en duyarlı sonucu verir (Şekil 2.5). Doğrusallaştırma için gk + gs, (9) nolu eşitlikteki Gs değerini tutmalıdır. (Rc + Rd nin l/gt dan büyük olduğu düşünülürse).

Karakteristiğinin her noktasında PTC direncin sıcaklık katsayısı,

*R (T) = - 4 - "dST " (i1*)

olarak tanımlanır.

Aniden direncin yükseldiği bölgede aR sabit sayılabilir. Böylece, aD = İn (R2/Rt)

olur.

Bu sıcaklık sınırında, R2 = R, - e"* (T2 - T,)

olarak yazılabilir. Uygulamalar için önemli olan, ani direnç artışının olduğu sıcaklık bölgesidir. Direnç, sıcaklığa bağımlılığı yanında, alan şiddeti ile de ilgilidir. Bu «varistör etkisi» eklem direncinin alan şiddetine bağımlılığı yol açar. Eklemlerin tamamen geliştiği yüksek direnç halinde meydana gelir. Maksimum direnç ve aR nin değeri varistör etkisiyle azalır. Belirli tiplerin direnç-sıcakhk eğrileri varistör etkisine ve kendi kendine ısınmaya yol açmayacak kadar küçük gerilimlerde (1,5 V gibi) geçerlidir. Temel yapısından dolayı kapasitif etki gösterdiğinden AA da frekansı ile direnci değişir. AA da empedans olan RE frekans artmasıyla azalır (Şekil 32).

OHz

3.1. Sıcaklık duyucusu olarak PTC dirençler

PTC dirençler yaklaşık olarak lV/mm alan şiddetinde çalışır. Böylece çevre sıcaklığına göre direnç değişimi karakteristiklerini tutar. Bu halde varistör ve kendi kendine ısınmanın etkisi ihmal edilebilir. Bu koşullar altında PTC direnç ölçme ve kontrol işlemleri için ani direnç artışı olan bölgede kullanılabilir.

3.2. Kendi kendine kontrollü termostat olarak PTC direnç

PTC direncine lOV/mm kadar bir alan şiddeti uygulanırsa, sıcaklığı anma sıcaklığının üstüne çıkar. Böylece çevre sıcaklığına bağlı olmayan dengeli bir sıcaklık çalışma noktası sağlanır.

Pozitif katsayısından dolayı sıcaklık azaldıkça PTC direnç güç harcaması artar. Bu termostat etkisi PTC dirençlerle çevrili bir odada sıcaklık kararlılığın çevre sıcaklığını, 5-10 arası bir faktörle (Tin/Tout) azaltarak sağlar. Ayrıca çalışma gerilimindeki değişmelere karşı kararlılık etkisi vardır. Çalışma gerilimi arttıkça PTC daha fazla güç harcar, sıcaklığım arttırır ve akımını azaltır. Düşünülen gerilim bölgesinde güç ve böylece sıcaklık geriliminin karesiyle orantılı değildir. Fakat 0,1 e yakın bir üstte artar (Poc V<U).

Diğer bir deyimle, güç harcaması geniş bir gerilim değişme sınırından bağımsızdır.

3.3. Akım zaman eğrisi

PTC de belirtilen olaylar anında meydana gelmez; termistörün akımla veya çevre sıcaklığıyla yeteri kadar ısınıp yeni bir çalışma noktasına geçmesi belirli bir süreyi gerektirir. Şekil 3.3 de bu gecikme ile termistörden geçen ilk akım arasmdaki bağıntı görülmektedir.

R= 150i 1 600 400 200

R =1785

|PTCJ V

Rı = o

I

Şekil 32. Elektrik Mühendisliği 204

Şekil 3.3. PTC direncin yüke göre akım/zaman eğrisi. 741

Termistörün ortam sıcaklığından anahtarlama sıcaklığına geçmesi elde bulunan güce bağlıdır, yani belirli bir gerilimde gecikme akımın fonksiyonudur [1].

Şekil 3.4 de anahtarlama gecikmesini gücün fonksiyonu olarak, sıcaklık parametresiyle belirtmektedir. Bu eğrilerin genel fonksiyonu, (P — Po) T = sabitdir. (P : ilk güç, Po : termistörü Ts anahtarlama sıcaklığına getirmesi için gerekli güçtür). Bu eğrinin asimtotlan T=0 ve Po dır. Uygulanan güç Poı aşmadıkça, termistör yüksek direnç bölgesine sürülemez ve dolayısıyle anahtarlama zamanı sonsuz olur.

i!

-ıs't

-2S°C

fes

—=

40 80 120 160 200 240 280

• t (sn)

Şekil 3.4. Sıcaktık parametresine göre güç/ge* cikme eğrisi.

Şekil 3.4 de de görüldüğü gibi ortam ve anahtarlama sıcaklığı arasındaki fark azaldıkça devreyi yüksek akım bölgesinden alçak akım bölgesine ulaştırmak için az güç gerekir (T nin ortam sıcaklığı arttıkça azalması [2] ).

Tablo 3.1. Baryum titanat termistörler için genel bilgi.

özgül ıSıSı

0,12 cal/g °C

Özgül direnci (soğuk)

20 — 50 fj cm

Özgül ağırlığı

5,6 g/cırf

Durgun havada güç harcaması 10 — 15 mW/°C

R mak/R min (yüksüz)

10» — 105

R mak/R min (yükte)

102 _ 103

Curic sıcaklığı, Tc Anahtarlama sıcaklığı, Ts Özgül kapasitesi

120 °C 110 °C yaklaşık lnF

Maksimum sıcaklık katsayısı yaklaşık %60/°C

Maksimum ani yükü (s 0,15

Sn)

yaklaşık lkW

Tablo 3.2. PTC ve NTC dirençlerin karşılaştırılması [3].

Termistörün cinsi

PTC

NTC

Sıcaklık katsayısı

Sıcaklık sının Negatif dirençte I/V eğrisi

Dinamik modeli Zaman gecikmesi uygulamasında Sınırlayıcı ve stabilizasyon uygulamasında Yan iletkenin cinsi

Tercih edilen şekli tki veya daha fazlasının en uygun bağlantı şekli

büyük, pozitif dar N şekli (dynatron kar. benzer) kapasitans açma akım n — cinsi disk paralel

büyük, negatif geniş S seldi (ark boşalmasına benzer) indüktans kapama gerilim p — veya n — cinsi çubuk seri

4. METAL DİRENÇ TERMOMETRELER

Metal direnç termometrelerde, direnç ile sıcaklık arasındaki ilgi,

Rt = Ro

c P . ..)

kanununa uyar (Rt = T°C deki direnç, ^ = O°C deki direnç genellikle 100 fi). Belirli sıcaklık sınırları için, a > > b > > c dir, böylece direnç değişimi hemen hemen sıcaklıkla orantılıdır. Böylece a sıcaklık katsayısını belirtir (fi/ n'C).

Dirençli termometrelerde platin uluslararası bir standarddır. Çok saf platin için sıcaklık katsayısı 0,00392 çı/ fi'C ve 0* - 500°C arasında eğrisellik % 2 kadardır.

Belirli sıcaklık sınırında nikelin ortalama sıcaklık katsayısı 0,0062 fl/fl°C dır, dolayısiyle çıkışı platin termometrelerden fazladır. Fakat nikelin direnç sıcaklık eğrisi platinden daha eğriseldir. Nikel dirençli termometrelere parelel bir direnç ilave ederek Pt-tiplerinden daha kolay doğrusal hale getirilebilir.

Bakır ucuz ve belirli sıcaklık sınırında kararlıdır; yüksek sıcaklıklarda okside olur.

Metal dirençli termometreler Standard ısıl-çiftten daha pahalıdır, fakat daha duyarlı sonuç ve daha fazla çıkış verirler.

4.1. Neden platin Saf ve baskıdan uzak platin direnç sıcaklık (R/T) eğrisi özellikle kararlıdır ve tekrarlanabilir. Bu yüzden saf platin, 13,81°K den antimuvanın donma noktasına 630,74°C, kadar uluslararası standard olarak seçilmiştir (Tablo 4.1) [5].

Tablo 4.1. P, dirençli termometrelerin uluslararası standardlara göre kalibrasyonu.

n

D.

İ2.2T

T 20

cîı» . —i1 3 lara hata

— c ••

••

12 1.0

s'

Tt

* 3<

•a.

LU

-200 -100 o 100 '200 300 «10 500 600 700 SICAKLIK °C

Şekil 4.1. Pt dirençte sıcaklık değişimiyle beklenen hata.

—220

10,41

183,17

—200

18,53

190,46

—180

27,05

197,70

—160

35,48

204,88

—140

43,80

212,03

—120

52,04

219,13

—100

60,20

226,18

— 80

68,28

233,19

— 60

76,28

240,15

— 40

84,21

247,06

— 30

88,17

253,93

— 20

92,13

260,75

— 10

96,07

267,52

100,90

+ 10

103,90

107,79

287,57

111,67

294,70

115,54

300,70

119,40

307,20

123,24

313,65

130,89

320,05

138,50

326,41

146,06

332,72

153,57

345,21

161,04

360,55

168,47

175,84

Endüstriyel uygulamalarda, yetersiz destek ve titreşim yüzünden platin termometreler kullanılamaz. Bunun için endüstriyel tiplerde yaklaşık olarak 0,025 mm çapında platin tel spiral şeklinde bir seramik çubuğa sarılır. Şekil 4.2 deki yapı, titreşimin çok fazla olduğu yerlerde yararlıdır. Ayrıca yüzey sıcaklığını ölçmek için bir plaka üzerine sarılmış platin bobin kullanılır (Şekil 4.3).

Şekil 4.2. Platin duyarlı eleman, Şekil 4.4 deki gibi bir yapı içine yerleştirilir. Böylece zaman sabitesi 5 sn ile 1,5 sn arasına yükselmiş olur. 1000°C ye yakın sıcaklıklarda çalışması için kuartz koruyucu ile kaplanabilir.

Platin için R/T ilgisi Callender Van Düsen tarafından verilmiştir:

Platin

R~

0a,,0033,925S,

tipik 3=

0,1d1eğ(enrleegraitif[9s]ı,caaklı=klar0d,0a0)3,92(03

— =

sıfır pozitif sıcaklıklarda), 8 = 1,495 olan sabitelerdir (Şekil 4.1).

, Pt duyarlı bo bin Şekil 4.3. Yüzey sıcaklığını ölçmek için Pt direnç.

Yüksek sıcaklık

Cam yunu

Duyorlı [Gömlek [Fitil eleman

ilu bokır gumuş veya nikel tet

Şekil 4.4. Pt direncin sıcaklık ölçümünde korunması.

42. Direnç termometrelerle ölçme

Metal termometrelerle sıcaklık ölçümünde en önemli hata kaynağı direnç termometrenin kendi kendine ısınması ve sıcaklıkla bağlantı kablolarının direncinin değişmesidir: 100 £2 dirençli bir termometre için akımın Standard değeri 10 mA veya daha azdır.

Termometre sıcaklığının kablo direncine bağlı olmaması için, çeşitli kompanzasyon köprüleri kullanılmalıdır. En çok kullanılan üç kablolu ve çift Kelvin köprüsü daha ilerki bölümlerde anlatılacaktır.

5. ISIL ÇİFTLER îlke olarak iletkenlerde ısı değişimiyle meydana gelen Seeback etkisine dayanan ölçülerdir. Basit olarak Şekil 5.1 deki gibi farklı iki iletkenden yapılmıştır. Seeback etkisine göre farklı iki metalin bağlantı noktalarına farklı sıcaklıklar uygulanırsa (Şekil 5.1), devreden bir elektrik gerilimi elde edilir

Vab

Şekil 5.1. Bu açık devre gerilimi iletken çiftini yapan maddenin özelliğine ve bağlantı noktalarındaki sıcaklığa bağlıdır [6].

Vab = C, (Th-Tc) + -Ş- (Th-Tc)> + . . ..

ve Seeback katsayısı, *V - = C ı + C 2 (Th-Tc) + C3 (Th-Tc)2

Vab : Çiftin açık devre gerilimi C: : Sıcaklıkla ilgili bir dizi katsayı Th : Çiftin I noktasındaki sıcaklık Tc : Çiftin II noktasındaki sıcaklık

Elde edilen açık devre gerilimi, Vab, sıcaklık

farkı ile ilgili bir değer verir (Cx, C2

katsayıları ve Seeback katsayısı hakkındaki bilgiler

6 nolu kaynaktan sağlanabilir).

5.1. Isıl çiftlerin özellikleri ve uygulaması

Pratik olarak Seeback etkisinden yararlanarak sıcaklık ölçümlerinde aşağıdaki çiftler belirtilen sıcaklıklarda kullanılabilir:

Tablo 5.1.

Fe-Konst. Cu-Konst. NİCr-Nİ

0 — 250 0 — 400 0 — 600 0 — 800 0 — 900 300 — 600

0 — 300 0 — 400 0 — 600

0— 600 0— 900 0—1000 0—1200

0—1300 300— 600

600— 900 600—1000

PtRh-Pt °C

0—1200 0 — 1400 0—1600 600—1600

Genel olarak bütün ısıl çiftlerde ölçme ucu istenilen boyutta yapılabilir ve hızlı cevap elde etmek mümkündür. Boyutlarının küçültülebilmesi çok çeşitli yerlerde kolaylıkla uygulanmasını sağlar, yalnız uygulamada şu noktalara dikkat edilmelidir:

Seeback etkisinden yararlanabilmek için Şekil 5.2 deki gibi bir referans çifte ihtiyaç vardır ve bu referans çift sabit bir sıcaklıkta tutulmalı, diğer çift de sıcaklığı ölçülecek ortama yerleştirilmelidir.

Th

-termo emk—» Şekil 52.

Uzak mesafelerde sıcaklık sinyalinin iletiminde, sıcaklıkla sinyal kablosunun gerilim üretimi etkisini kaldırmak için, Seeback katsayısı ısıl çiftle aynı olan kablo kullanmalıdır. Çeşitli çevre koşullan basınç, nem vb. olayların ısıl çifti etkilememesi gerekir. Uygulama yerine

göre ısıl çiftler ısıyı iyi ileten seramiklerle kaplanıp oksidasyondan uzak tutulurlar. Ayrıca seramiğin dışına yapılabilecek diğer bir kaplama da, basınç ve nemin etkisini kaldırır (Şekil 5.3)

için 1,05 mV, NiCr-Ni için 0,8 mV ve PtRh-Pl içm 0,113 mV azaltılır. Parantez içindeki değerler, ısıl-çiftin Standard uygulama sının dışındaki sonuçlardır. Belirli bir sınır olmamasına rağmen küçük çaplı tellerle düşük sınırda çalışmalıdır Eğer tel çapı arttırılıp yiyici gazlardan uzak tutulursa, uygulama sınırı genişletilebilir.

Şekil 5.3.

Duyarlı uç

6. RADYASYON PİROMETRELERİ (PYROMETER)

Radyasyon pirometreler bir cismin yüzey sıcaklığını çıkarmış olduğu ısıl radyasyonla ölçen aygıtlardır. Yayılan ısı uygun bir duyucunun (fotosel veya termo-elektrik piller gibi), üzerinde toplanır ve kontrol ve ölçmede kullanılır. Pirometrelerle temassız ölçme yapılır ve böylece cisimdeki sıcaklık dağılımı bozulmaz (kontak termometrelerin tersine). Bu yüzden pirometreler temas yoluyla çalışan duyuculann kullanılamadığı yüksek sıcaklık ölçmelerinde yararlıdır.

Radyasyon yayan yüzeyler çoğu zaman, siyah cisim yutma (absorpsiyon) faktörünün yayma

Tablo 5.2. Termoelektrik gerilimler için kalibrasyon tablcsu ve beklenen hata [5].

Isıl

+—

çift

Cu-Konst.

Fe-Konst.

+— NiCr-Ni

+— PtRh-Pt

Termoelektrik gerilim (mV), Beklenen hata °C ( ± ) veya ölçülen sıcaklığın °/o si

Sıcaklık

-+-

- 200 - 100

0 100

200 300 400

500 600

700 800

900 1000

1100 1200 1300 1400 1500 1600

—5,70 —3,40

0 4,25 9,20 14,90 21,00 (27,41)

(34,31)

—8,15

—4,75

0 5,37

10,95 16,56 22,16

27,85 33,67 39,72 (46,22)

(53,14)

3* 3° 3°

0 4,10 8,13 12,21

16,40 20,65 24,91 29,14

3330 3736

4131 (45,16) <48,89) (52,46)

—

3° 3° 3°

0,75 % 0,75 % 0,75 % 0,75 %

0 0,643 1,436

2316 3,251

4,221 5,224 6,260

7329 8,432

9,570 10,741 11,935 13,138 (14,337) (15330) (16,716)

3° 3° 3° 3° 3° 3* 0,5 % 0,5 % 0,5 %

03 %

0,5 % 0,5 %

03% 0,5 %

Referans sıcaklık 0°C. Referans 20°C olduğunda bu değerler Cu-Konst. için 0,8 mV, Fe-Konst.

faktörüne eşit olduğu cisim değildir ve siyah cisim ile kalibre edilmiş pirometrelerde daha

dar, .veya, geniş .spektral sınırda hatalara yol açar [14]. S,erbe,st,bir şekilde radyasyon yayan yüzeyin siyah pisim ..sıcaklığa, gerçek, sıcaklığından daima az olur. Beklenen hataların hesaplanabilmesi için , cisimlerin , radyasyon özellikleri yanında kullanılan pirometrelerin özellikleri de bilinmelidir.

Yüzeylerin yayma faktörü yalnız maddeye ve yüzey kaliteline,b.ağh değil, çoğu maddeler için dalga boyu ve sıcaklıkla da değişir. Toplam yayma faktörü çıplak ve az oksitlenmiş metaller için çok azdır. Bu tip metallerde artan dalga boyu ile spektral yayma faktörü azalır [2]. Metal levhalarda ve ingotlarda oksit tabakası kalınlaştıkça, yayma faktörü artar. Bazı pirometrelerle metal levhaların ye ingotlann yüzey sıcaklığı saptanabilir. > Bazı mecaller kırmızı ötesi bölgede pratik olarak siyah cisim gibi hareket ederler.

6.1. Ölçme sınırı

Kullanılan tekniklere ve termopillere göre —40°C den +5000°C ye kadar sıcakların ölçülmesi mümkündür.

+3000°C ye kadar ısıl çiftler veya termopil kullanılabilir. +3000°C +'5Ö0Ö°C ''arasında duyarlı elemanın fotosel veya fotovoltaik hücre olması gerekir.

Radyasyon pirometrelerde üzerinde durulması gereken bir nokta da, çok küçük hedeflerdeki sıcaklıkların ölçümüdür.

Elde edilebilecek enerjinin azlığı, pirometrenin hizalanması ve merceklerdeki hatalar yüzünden odak ayarlama zorluğu, sorunlara yol açar. Bu gibi durumlarda özel tekniklerin kullanılması gerekir [8].

7, GAZ GENLEŞMELİ SICAKLIK ÖLÇÜCÜLE-

Rî

Temel olarak bir gazın hacminin sıcaklığa göre değişmesinden yararlanan ölçücülerdir. Sıcaklıkla genleşmesi beklenen gaz, uygun bir tüpün içine yerleştirilmiş olup, genleşme köriik gibi bir elemanla mekanik harekete çevrilebilir.

Endüstride ozellikl'e,. elektriksel aygıtların tehlike yaratabileceği yerlerde, —petrol ve kimya endüstrisi gibi— emniyetle kullanılması yönünden üzerinde durulması gerekir.

Gaz genleşmesiyle yapılan sıcaklık ölçmelerinde (Şekil 7.1) hatalar, kullanılan gazın ideal gaz teorisine, uymaması, gaz tüpünün sıcaklıkla genleşmesi, sıcaklıkla ilgisi olmayan kapiler borunun bulunmasıdır. Bu noktalar daha çok eğriselliğe yol açar.

o - V,, P,, Ti b - v2, P2, T2

Vs, Pı, T3 V3, P Î , T3

Şekil 7.1. Bir kapiler tüp İle körüğe bağlanan ölçme elemanı.

T: : Tüpün çalışma- sıcaklığının en küçük değeri "K T2 : Tüpün çalışma sıcaklığının en büyük değeri "K T3 : Körük — kapiler tüpün sıcaklığı *K V( : Tüpün Tt deki hacmi V2 : Tüpün T2 deki hacmi V3 : Körük — kapiler tüpün hacmi P, : ölçme ünitesinin T, deki mutlak basıncı P2 : Ölçme ünitesinin T2 deki mutlak basıncı

V,

Kv =•

Kaymadaki hatalara ise körük-kapiler tüpün, ölçülen sıcaklığa ve atmosfer basıncına bağlı olmayan, sıcaklık değişmeleri sebep olur. Farklı etkilerin yol açtığı eğriselliğin cebirsel bir toplama ile birleştirilebileceğini basit fiziksel kanunlar göstermektedir [4].

7.1. Gerçek gazın davranışı

Belirli bir gaz kütlesi için PV/T niceliği basınç ve sıcaklıkla değişir, bu yüzden basınç ile sıcaklık arasındaki ilgi sabit hacimde eğriseldir.

2 atm. ve 300°K de doldurulan ve — 100°C ve +200°C arasmda çalışan hidrojen gazlı tüplerde, spanm uçlarından geçen doğruya göre basınçtaki ayrılmalar negatiftir (*) ve basınç değişme sınırının % 0,01 i kadardır. Aynı koşullardaki azot için —100'C ve +200° C arasındaki ayrılmalar halâ negatif ve % 0,01 kadardır, fakat + 200°C —400°C arasmda bu değerler pozitif (*•) ölüp %0,le ulaşır [4].

Tüp hacmindeki değişiklikleri etkisi, hacim şu eşitliğe göre değişir:

lVe2şm=e Vk,at[s1ayı+sı)a (T2 — T,)] (a : hacimce gen-

Spanm iki ucunda yapılan kalibrasyon için ortalama bir noktada maksimum hata,

(•) ı 'Gerçek basınç teorik basınçtan daha az.

(•*) »

,

fazla.

Hata, span ve genleşme katsayısıyla orantılı olduğundan, geniş spanlarda ya genleşme katsayısı küçük bir gaz veya daha fazla genleşme katsayılı bir madde ile kompanzasyonlu tüp kullanılmalıdır.

AISI 300 paslanmaz çelik için (a = 0,54 x KM) 500°C spanda hata, % 0,7 yi bulmak hatadır.

12. Kapiler tüp ve körüğün etkisi

Kapiler tüpde ve körükde bulunan gaz, tüpdeki sıcaklık değişimine uğramaz, fakat basınç değişimini azaltan bir kapasite olarak gözükür. Tüpdeki gazı ideal (sabit kütlede), kapiler tüp ve körükdeki sıcaklığı sabit kabul edersek:

^2

T,

Eğer kalibrasyon spanın uçlarında yapılmışsa, doğrusallık hatası ortalama noktada en büyüktür [4] :

2T,

e% = 1—

+1

Hatayı azaltmak için tüpün hacmi büyültülmelidir. örneğin —150°C, +550°C arasmda hatayı % 0,4 den indirmek için, 200° C ye kadar K^, = 45; 200° —300°C de K^ = 60; 300°—500°C spanda Ky = 100°C olması gerekir.

7.3. Barometrik basıncın etkisi

Barometrik ğan hata,

basınç,

Pbr,

değişiminden,

APbr>

do-

% e -= -2. A P b r . 100 dür.

rbr

Barometrik basınç değişimlerinin etkisini kaldırmak için körüğe zıt olarak etki alanı eşit bir kompanzasyon körüğü kullanılmalıdır (Şekil 7.2).

Şekil 12. Hataların kompanzasyon körüğü ile kaldırılması.

7.4. Körük ve kapiler tüpdeki sıcaklık değişimlerinin etkisi

Körük ve kapiler tüpdeki sıcaklık değişimleri asıl değerden kaymalara yol açar.

Şekil 7.2 deki gibi bir kompanzasyon körük ve tüpü ilâvesiyle bu hata da kaldırılabilir. Fakat bu yol pahalı olduğundan ancak fazla duyarlık gereken yerlerde uygulanır.

Körük-kapiler hatasını azaltmak için K^, arttırılır. Fakat ölçücü tüpün hacminin belirli bir dereceden büyük olması gerekli yüzey-hacim ilgisini bozacağından, K^, artmasının da bir sınırı vardır. Aynı şekilde bağlantı zorluğundan dolayı kapiler tüpün kısaltılması bazı yerlerde mümkün olmayabilir.

Körüğün alanının küçültülmesi ilerki basamaklarda küçük bir sinyale, boyunun küçültülmesi ise daha sert bir körüğe dolayısiyle eğriselliğe ve kaymaya yol açar.

KAYNAKLAR

1. Philips, Components and Materials, Part 2, Holland, S. G5-G66, G67-G94, Oct. 1966.

2. Philips, Al 336, Holland, s. 15-36, Sep. 70. 3. Siemens, Electronic Components, Germany, s. 63-65, 83-85, 1972. 4. Bettoli, R., Bergamini, G.: «Gas Expansion

Temperature Measuring Element», Quaderni Pignone, Italy, s. 50-54, 1967. 5. Siemens, Process Instruments, Germany, s. 140, 1972. 6. Cambion, Thermoelectric Handbook, USA, s. 9-15, 1972. 7. Philips, «PTC Resistors», Electronic Applications, Holland, s. 123-130, 1965. 8. Burley, B. W.: «Radiation Pyrometers to Measure Temparature of Small Objects», Instrument Engineer, London, s. 33-38, 1965. 9. Fallon, W.: «Resistance Thermometry», Instrument Practice, London, s. 400-403, 1971.

10. Motorola, «Circuit Applications of Triacs», USA, s. 10-15, 1971.

11. Niksarlı, Rasim: «Sıcaklık ölçülmesi», Şeker Enstitüsü (yayınlanmamış notlar), 1966.

12. Philips, Al 450, Holland, s. 1-10, 1969. 13. Schneider, Şekerin Teknolojisi, Ankara,

1971. 14 Siemens, Process Instruments, Germany, s.

50-53, 1972.

Not : Yazıda kullanılan kaynakların dışında daha geniş bilgi için başvurulabilecek kaynaklar da belirtilmiştir.