Termokupl

Isıl çift, "termoelektrik termometre" veya termokupl isimli cihazın elektrik bağlantısı yapan iki farklı elektrik iletkeni vardır. Termokupl Seebeck etkisi sonucunda sıcaklığa bağlı olarak voltaj üretir ve bu voltaj sıcaklık ölçmek için kullanılır. Termokupllar sıcaklık sensörleri olarak kullanılır.^[1]

Ticari termokupllar ucuzdur,^[2] değiştirilebilir, standart konnektörü ile satılır ve çok çeşitli sıcaklıkları ölçebilirler. Diğer birçok sıcaklık ölçüm yönteminin aksine, termokupllar kendinden güç alır ve harici bir uyarma biçimi gerektirmez.

Termokupllarla ilgili ana sınırlama doğruluktur; bir dereceden Santigrat (°C) daha az sistem hatalarının elde edilmesi zor olabilir.^[3]

Termokupllar bilim ve sanayide çok kullanılır. Uygulamalar arasında fırınlar (örn.:tuğla veya kiremit yapımında kullanılan fırınlar), gaz türbini egzozu, Dizel motorları ve diğer endüstriyel işlemler (örn. plastik enjeksiyonu) için sıcaklık ölçümü vardır. Termokupllar ayrıca evlerde, ofislerde ve işyerlerinde termostatlarda sıcaklık sensörleri olarak ve ayrıca gazla çalışan cihazlarda güvenlik cihazlarında alev sensörleri olarak kullanılır.

Elektriği ileten iki malzemenin iki ucu birleştirilir (sıcak nokta) ve ısıtılırsa, diğer uçlarda (soğuk nokta) gerilim elde edilir. Bu gerilimin değeri kullanılan malzemenin cinsine ve birleşim noktasının ısınma miktarına bağlıdır. Sıcak nokta ile soğuk nokta sıcaklık dağılımı nasıl olursa olsun üretilen gerilim sıcak ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkıyla orantılıdır. Sıcak nokta ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkı termokupl üzerinde gerilim (EMF) yaratır. 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 edilir. Termokupllar -200°'den 2320 °C'ye kadar çeşitli sıcaklıklarda, ölçüm ve kontrol için yaygın olarak kullanılır. Ayrıca sıcaklık gradyanını elektriğe dönüştürürler.

Çalışma prensibi

1821'de Alman fizikçi Thomas Johann Seebeck, iki farklı metalden oluşan bir devrenin yakınında tutulan manyetik bir iğnenin, farklı metal bağlantı noktalarından biri ısıtıldığında saptığını keşfetti. O zamanlar Seebeck bu sonuçtan termo-manyetizma olarak bahsetmişti. Gözlemlediği manyetik alanın daha sonra termo-elektrik akımından kaynaklandığı ispatlandı. Pratik kullanımda, çok yüksek ve düşük sıcaklıklarda sıcaklığı ölçmek için kullanılabileceğinden, iki farklı tipte telin tek bir bağlantı noktasında üretilen voltaj ilgi çeker. Voltajın büyüklüğü kullanılan tel tipine bağlıdır. Genellikle voltaj mikrovolt aralığındadır. Çok az akım geçmesine rağmen, tek bir termokupl bağlantısı ile güç üretilebilir. Termopilde olduğu gibi çoklu termokupllar kullanılarak güç üretimi olağandır.

Termokupl kullanımının standart biçimi şekilde gösterilmiştir. Kısaca, istenen sıcaklık T_sense üç giriş kullanılarak elde edilir: termokuplun karakteristik fonksiyonu E(T), ölçülen voltaj V ve referans birleşme yerinin sıcaklığı T_ref.

E(T_sense) = V + E(T_ref) denkleminin çözümü T_sense 'i verir. Referans birleşim bloğu (T_ref termometre ile), voltmetre ve denklem çözücüsü tek bir üründe birleştirildiğinden, bu ayrıntılar genellikle kullanıcıdan gizlenir.

Seebeck etkisi

Herhangi bir iletken sıcaklık gradyanına maruz bırakılırsa, bir gerilim elde edilir. Bu olaya termoelektrik etki denir. Bu gerilimi ölçmek için, iletkenin "sıcak" ucuna başka bir iletken bağlanmalıdır. Sonradan bağlanan iletken de sıcaklık gradyanına maruz kalır. Etkinin büyüklüğü kullanılan metale bağlıdır. Devreyi tamamlamak için benzer olmayan metallerin kullanılması, problardaki (elektrotlardaki) gerilimlerde küçük farklılıklara neden olur. Bu fark sıcaklıkla artar ve fark standart metal alaşımlarında, 1 Celcius derecede 1 ile 70 mikrovolttur (µV/°C).

Termokupldaki iki metalin bağlantı noktalarında gerilim oluşturulmaz. Fakat benzer olmayan uzun metaller sıcaklık gradyanına neden olur. Çünkü benzer olmayan her iki uzun metal, aynı sıcaklık gradyanına sahiptir. Sonuçta termokupl bağlantı noktası ile referans noktası arasındaki sıcaklığın farklı ölçülmesine neden olur.

Seebeck etkisi, iki nokta arasında bir sıcaklık farkı olduğunda, elektriksel olarak iletken bir malzemenin iki noktası boyunca bir elektromotor kuvvet gelişimini ifade eder.

Dahili akım akışının olmadığı açık devre koşullarında, voltajın gradyan değeri (${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}V}$) (${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}T}$) sıcaklık gradyanıyla doğru orantılıdır:

${\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}V=-S(T){\boldsymbol {\nabla }}T,}$

${\displaystyle S(T)}$ Seebeck katsayısı denilen sıcaklığa bağlı malzemenin bir özelliğidir.

Şekilde gösterilen standart ölçüm biçimi, dört sıcaklık bölgesini ve dolayısıyla dört voltajın katkısını gösterir:

1. Alttaki bakır teldeki ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$'den ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$'e değişimi.
2. Alümel teldeki, ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$'den ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$'e değişimi.
3. Kromel teldeki, ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$'den ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$'e değişimi.
4. Üsteki bakır teldeki ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$'den ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$'e değişimi.

Birinci ve dördüncü katkılar birbirini götürür çünkü bu bölgeler aynı sıcaklık değişimini ve aynı malzemeyi içerir. Sonuçta, ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$ ölçülen voltajı etkilemez. İkinci ve üçüncü katkılar, farklı malzemeler içerdiğinden birbirini götürmez.

Ölçülen voltaj şu şekilde çıkar:

${\displaystyle V=\int _{T_{\mathrm {ref} }}^{T_{\mathrm {sense} }}\left(S_{+}(T)-S_{-}(T)\right)\,dT,}$

burada ${\displaystyle \scriptstyle S_{+}}$ ve ${\displaystyle \scriptstyle S_{-}}$ voltmetrenin pozitif ve negatif terminallerine bağlı sırasıyla (şekilde kromel ve alümel) iletkenlerin Seebeck katsayılarıdır.

Karakteristik fonksiyon

Termokuplun davranışı karakteristik fonksiyon ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$ tarafından yakalanır ve yalnızca iki bağımsız değişkende (ing: argument) başvurulması gerekir:

${\displaystyle V=E(T_{\mathrm {sense} })-E(T_{\mathrm {ref} }).}$

Seebeck katsayıları açısından, karakteristik fonksiyon şu şekilde tanımlanır:

${\displaystyle E(T)=\int ^{T}S_{+}(T')-S_{-}(T')dT'+\mathrm {const} }$

Bu belirsiz integral içindeki integral sabitinin bir önemi yoktur ancak geleneksel olarak ${\displaystyle \scriptstyle E(0\,{}^{\circ }{\rm {C}})=0}$ olacak şekilde seçilir.

Termokupl üreticileri ve NIST gibi metroloji standartları kuruluşları, belirli termokupl türleri için belli bir sıcaklık aralığında ölçülen ve enterpole edilen ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$ fonksiyon tabloları sağlar (bkz. Bu tablolara erişim için Dış bağlantılar bölümüne bakınız).

Referans birleşimi

İstenen ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$ ölçümünü bulmak için yalnızca ${\displaystyle \scriptstyle V}$'i ölçmek yeterli değildir. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$ birleşimlerindeki sıcaklık zaten biliniyor olmalıdır. Burada genellikle iki strateji kullanılır:

• "Buz banyosu" yöntemi: Referans bağlantı bloğu, atmosfer basıncındaki yarı donmuş damıtılmış su banyosuna daldırılır. Erime noktasının faz geçişi kesin sıcaklığı, doğal bir termostat görevi görerek ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$ to 0 °C'ye sabitler.
• Referans birleşim sensörü ("soğuk bağlantı telafisi" olarak bilinir): Referans bağlantı bloğunun sıcaklığının değişmesine izin verilir, ancak sıcaklık bu blokta ayrı bir sıcaklık sensörü kullanılarak ölçülür. Bu ikincil ölçüm, bağlantı bloğundaki sıcaklık değişimini telafi etmek için kullanılır. Termokupl birleşim noktası genellikle aşırı ortamlara maruz kalırken, referans bağlantı noktası genellikle cihazın bulunduğu yere yakın monte edilir. Yarı iletken termometre cihazları genellikle modern termokupl cihazlarında kullanılır.

Her iki durumda da ${\displaystyle \scriptstyle V+E(T_{\mathrm {ref} })}$ değeri hesaplanır, ardından eşleşen bir değer için ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$ fonksiyonu araştırılır.

Bu eşleşmenin gerçekleştiği bağımsız değişken, ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$ değeridir:

${\displaystyle E(T_{\mathrm {sense} })=V+E(T_{\mathrm {ref} })}$.

Pratik kullanımı

Gerilim-sıcaklık ilişkisi

Polinom Katsayıları 0-500 °C

${\displaystyle n}$	${\displaystyle a_{n}}$ (K türü için)
1	25,08355
2	7,860106x10−2
3	−2,503131x10−1
4	8,315270x10−2
5	−1,228034x10−2
6	9,804036x10−4
7	−4,413030x10−5
8	1,057734x10−6
9	−1,052755x10−8

Termokupllarda kullanılan tipik metaller için çıkış gerilimi (ΔT) sıcaklık farkı ile doğrusal olarak artar. Tam ölçümler veya doğrusal sıcaklık değeri dışındaki ölçümler için, doğrusalsızlık düzeltilmelidir. Bir termokuplun (ΔT) sıcaklık farkı ile çıkış gerilimi (birkaç mV) arasındaki ilişkisi bir polinom tarafından şöyle yakınsaklaştırılabilir.

${\displaystyle \Delta T=\sum _{n=0}^{N}a_{n}v^{n}}$

a_n katsayıları, malzemeye bağlı olarak 0'dan 5 ile 13 arasındaki n için verilir. Bazı durumlarda daha iyi doğruluk, ek doğrusal olmayan terimlerle sağlanır.

Türleri

Termokupllar kullanım yerlerine göre çeşitli alaşımlardan yapılır. Bu alaşımlar genellikle sıcaklık değerleri ve algılamaya göre seçilir. Düşük algılamalı termokuplların (B, R ve S türleri) kararlılıkları da düşüktür. Aşağıdaki tabloda standart termokupl türlerinde ilk elektrot pozitif, diğeri de negatiftir.

K

K türü (kromal {%90 nikel ve %10 krom}—alümel {%95 nikel, %2 mangan, %2 alüminyum ve %1 silikon}), en genel amaçlı termokupldur. Algılaması yaklaşık olarak 41 µV/°C'dir. Maliyetleri düşüktür ve problar −200 °C ile +1250 °C arasında kullanılır.

E

E türü (kromal-konstantan {%55bakır ve %45 nikel}), algılaması 68 µV/°C'dir. Bu yüzden kriyojenikte kullanılır. Ayrıca manyetik değildir. −50 ile 740 °C arasında kullanılır. Kablo renk standardı, mor (+) ve kırmızı (-).

J

J türü (demir-konstantan), sıcaklık değer aralığı çok kısıtlıdır. Fakat algılaması yaklaşık 55 µV/°C'dir. Demirin üst sıcaklık sınırını belirleyen Curie sıcaklığı (770 °C), demirin karakteristiğinde ani değişime neden olur.

N

N türü (nikrosil {%14,4 krom, %1,4 silikon ve %0,1 magnezyum}-nisil {nikel ve %4,4 silikon}) termokupllar, −270 °C ile 1300 °C arasında kullanılır. Algılamaları 900 °C'de yaklaşık 39 µV/°C'dir.

B, R ve S platin türleri

B, R ve S türü termokupllarında her bir iletkende platin veya bir platin-rodyum alaşımı kullanılır. Diğer türlerden daha düşük algılamaya sahiptir ve yaklaşık 10 µV/°C'dir.

T

T türü (bakır –konstantan) termokupllar, −200 ile 350 °C arasında kullanılır. Algılaması yaklaşık 43 µV/°C'dir.

C

C türü (%5 volfram– tungsten %26 renyum) termokupllar, 0 °C ile 2320 °C arasında kullanılır. Bunlar, çok yüksek sıcaklıklardaki etüvler için uygundur. 260 °C sıcaklık üzerindeki oksijenli ortamlarda asla kullanılmamalıdır.

M

M türü termokupllarda her bir kabloda nikel alaşım kullanılır. Pozitif uçta (kabloda), %18 molibden bulunurken; negatif uçta %0,8 kobalt bulunur. Aynen C türünde olduğu gibi bunlar da etüvlerde kullanılır. Üst sıcaklık sınırı 1400 °C'dir. Diğer türlere nazaran daha az kullanılır.

Kromel-altın/demir

Kromel-altın/demir termokupllarda pozitif kablo kromel ve negatif kablo çok küçük bölümü (atom yüzdesi 0,03-0,15) demir olan altından yapılır. Kriyojenik uygulamalarında kullanılır. Her iki kablonun algılaması ve sıcaklığı kullanılan demirin yoğunluğuna bağlıdır. Normalde düşük sıcaklıkta algılaması yaklaşık 15 µV/K'dir ve en düşük kullanım sıcaklıkları

Termokuplların karşılaştırılması

Aşağıdaki tabloda birkaç farklı tür termokuplun özellikleri açıklanmıştır. Hata payı sütunundaki T, sıcak bağlantının ısısını Celsius olarak ifade eder. Örneğin, ±0,0025×T hata payına sahip bir termokupl 1000 °C'de ±2,5 °C'dir

Tür	Sıcaklık değeri °C (sürekli)	Sıcaklık değeri °C (ani)	Hata payı sınıfı bir (°C)	Hata payı sınıfı iki (°C)	IEC Renk kodu	BS Renk kodu	ANSI Renk kodu
K	0 ile +1100	−180 ile +1300	−40 °C ile 375 °C arasında ±1,5 375 °C ile 1000 °C arasında ±0,004×T	−40 °C ile 333 °C arasında ±2,5 333 °C ile 1200 °C arasında ±0,0075×T
J	0 ile +750	−180 ile +800	−40 °C ile 375 °C arasında ±1,5 375 °C ile 750 °C arasında ±0,004×T	−40 °C ile 333 °C arasında ±2,5 333 °C ile 750 °C arasında ±0,0075×T
N	0 ile +1100	−270 ile +1300	−40 °C ile 375 °C arasında ±1,5 375 °C ile 1000 °C arasında ±0,004×T	−40 °C ile 333 °C arasında ±2,5 333 °C ile 1200 °C arasında ±0,0075×T
R	0 ile +1600	−50 ile +1700	0 °C ile 1100 °C arasında ±1,0 1100 °C ile 1600 °C arasında ±[1 + 0,003×(T − 1100)]	0 °C ile 600 °C arasında ±1,5 600 °C ile 1600 °C arasında ±0,0025×T			Tanımlı değil.
S	0 ile 1600	−50 ile +1750	0 °C ile 1100 °C arasında ±1,0 1100 °C ile 1600 °C arasında ±[1 + 0,003×(T − 1100)]	0 °C ile 600 °C arasında ±1,5 600 °C ile 1600 °C arasında ±0,0025×T			Tanımlı değil.
B	+200 ile +1700	0 ile +1820	Kullanılamaz	600 °C ile 1700 °C arasında ±0,0025×T	Bakır kablonun standart kullanımı yok	Bakır kablonun standart kullanımı yok	Tanımlı değil.
T	−185 ile +300	−250 ile +400	−40 °C ile 125 °C arasında ±0,5 125 °C ile 350 °C arasında ±0,004×T	−40 °C ile 133 °C arasında ±1,0 133 °C ile 350 °C arasında ±0,0075×T
E	0 ile +800	−40 ile +900	−40 °C ile 375 °C arasında ±1,5 375 °C ile 800 °C arasında ±0,004×T	−40 °C ile 333 °C arasında ±2,5 333 °C ile 900 °C arasında ±0,0075×T
Kromel-Au/Fe	−272 ile +300	Uygulanabilir değil	Gerilimin %0,2 arttırılabilmesi için her sensörde özel ayar gerekir.

Termokuplların eskimesi

Termokupllar, yüksek sıcaklıklarda ve fırınlarda sıkça kullanılır. Bu nedenle ömürleri kısıtlıdır. Ölçüm için kullanılan bir termokupldaki kabloların termoelektrik katsayıları çok yüksek sıcaklıklarda zamanla değişir ve bu yüzden ölçüm gerilimi düşer. Noktanın sıcaklı farkı ile ölçüm gerilimi arasındaki ilişki, yalnızca kablolar homojen ise doğrudur. Kimyasal ve metalurjik değişimlerden dolayı termokupl homojenliğini kaybeder.

Dış bağlantılar

• Thermocouple Operating Principle – University Of Cambridge 24 Şubat 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Thermocouple Drift – University Of Cambridge 10 Haziran 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Two Ways to Measure Temperature Using Thermocouples

Termokupl veri tabloları:

• Metin tabloları: NIST ITS-90 Thermocouple Database 15 Temmuz 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. (B,E,J,K,N,R,S, T)
• PDF tabloları: J K T 21 Aralık 2022 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. E 21 Aralık 2022 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. N 21 Aralık 2022 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. R 21 Aralık 2022 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. S 21 Aralık 2022 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. B
• Python paketi thermocouples_reference birçok termokupl tipinin karakteristik eğrilerini içerir.
• R paketi [1] Termokupllar, RTD ve IC Sensörleri ile Sıcaklık Ölçümü.
• Veri tablosu: Thermocouple wire sizes

Kaynakça