Isılçift Geriliminin Ölçülmesi

3.4.2 Isılçift Geriliminin Ölçülmesi

  Belirli bir emk‘ya karşılık gelen sıcaklık değeri standart tablolardan öğrenildiği gibi, ölçüm cihazı ile de ölçülebilir. Ancak, Seebeck gerilimini ölçmek için öncelikle ısılçifte bir voltmetre bağlamalıyız. Bu durumda voltmetre uçlarının kendileri yeni bir termoelektrik devre oluştururlar.

  Bakır-konstantan (T tipi) bir ısılçiftin uçları arasına bir dijital voltmetre (DVM) bağlayalım ve Şekil 2.7'de gösterildiği gibi çıkış gerilimine bakalım.

  Şekil 3.7 DVM ile ısılçift geriliminin ölçülmesi

  Voltmetrenin yalnızca V 1 değerini okumasını bekleriz, fakat J 1 ekleminin çıkışını ölçmek için voltmetreyi bağlayarak J 2 ve J 3 gibi iki metal eklem daha oluşturduk. J 3 bakır-bakır eklemi olduğundan, ısıl gerilim oluşmaz (V 3 =0); fakat J 2 V 1 'e zıt bir ısıl gerilim (V 2 ) ekleyen bir bakır-

  konstantan eklemidir. J 1 'deki sıcaklığı J 2 'nin sıcaklığını bulmadan bulamayız.

  J 2 'nin sıcaklığını belirlemek için yollardan biri eklemi bir buz banyosu içine koymaktır. Böylece

  eklem sıcaklığının 0°C'ta olması sağlanır ve J 2 Şekil 2.8'de görüldüğü gibi, "referans eklemi"

  olarak belirlenir. Her iki voltmetre uç eklemi de bakır-bakır olduğundan, ısıl gerilim

  oluşturmazlar ve voltmetrede J 1 ve J 2 arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı "V" değeri okunur.

  Şimdi voltmetreden okunan değer:

  V=(V 1 -V 2 )=  (T J1 -T J2 )'dir.

  Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  (a) Buz banyosu devresi

  (b) Eşdeğer devre Şekil 3.8 Harici referans eklemi

  Eğer T J1 'i derece Celcius olarak tanımlarsak:

  T J1 (°C) + 273.15 = T J1 (kelvin)

  V=V 1 -V 2

  V=  (T J1 + 273.15) - (T J2 + 273.15) V=  (T J1 -T J2 ) V=  (T J1 - 0) V=  T J1 olur.

  Bu hesaplamaları yapmamızın nedeni buz banyosundaki eklemin çıkışı olan V 2 'nin sıfır volt

  değil, mutlak sıcaklığın bir işlevi olduğunu vurgulamaktır. Buz noktası referans ekleminin gerilimini ekleyerek, ısılçift gerilimini (V) okumak için referans olarak aldık. Bu yöntemin doğruluğu çok yüksektir çünkü buz noktası sıcaklığı hassas olarak denetlenebilir. Buz noktası "National Bureau of Standards" (NBS) tarafından ısılçift tabloları için referans noktası olarak kullanılmaktadır ve ısılçift tablolarına bakarak V gerilimini doğrudan sıcaklığa çevirebiliriz.

  Şekil 2.8'deki T tipi ısılçift nadir bir örnektir çünkü bakır tel voltmetrenin uçlarıyla aynı metaldendir. T tipi ısılçift yerine demir-konstantan ısılçifti kullanıldığında (Şekil 2.9), devredeki farklı metal eklemlerinin sayısı artmakta ve her iki voltmetre terminali de Cu-Fe ısılçift eklemleri olmaktadır.

  Şekil 3.9 Demir-konstantan ısılçifti

  Bu devre voltmetrenin (+) ve (-) uçları (J 3 ve J 4 ) aynı sıcaklıkta olduğu sürece az çok doğru

  ölçümler sağlayacaktır, çünkü J 3 ve J 4 'ün termoelektrik etkileri zıt yönlerdedir:

  eğer

  V 3 =V 4

  yani, eğer

  T J3 =T J4

  Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  V 1 =V

  olur.

  Her iki ön panel uçları aynı sıcaklıkta değilse, bir hata oluşacaktır. Daha doğru bir ölçüm için, bakır-demir eklemleri bir izotermal (eşsıcaklıklı) blok üzerinde olacak şekilde voltmetrenin bakır uçlarının uzatılması gerekir (Şekil 2.10).

  Şekil 3.10 Eşsıcaklıklı blokların kullanımı Bu eşsıcaklıklı blok yalnızca iyi bir elektriksel yalıtkan değil aynı zamanda iyi bir ısı iletkenidir

  ve bu da J 3 ve J 4 eklemlerini aynı sıcaklıkta tutmayı sağlar. Bloğun mutlak sıcaklığı önemli

  değildir çünkü iki Cu-Fe ekleminin etkileri zıt yöndedir. Aşağıdaki eşitlik halen geçerlidir:

  V=  (T 1 -T ref )

  Şekil 2.10'daki devre, değerlerin doğru okunmasını sağlayacaktır, ancak buz banyosunu devreden çıkararak yerine bir başka eşsıcaklıklı blok koymak daha iyi olacaktır. (Şekil 2.11).

  Bu yeni bloğun sıcaklığı da T ref 'tir ve J 3 ve J 4 halen aynı sıcaklıkta olduğundan yeniden

  V=  (T J1 -T ref )

  olduğunu gösterebiliriz.

  Bu devre halen karmaşık bir devredir, çünkü iki ısılçift bağlamamız gerekmektedir. Cu-Fe

  eklemini (J 4 ) ve Fe-C eklemini (J ref ) birleştirerek (-) uçtaki fazlalık Fe teli çıkaralım.

  Şekil 3.11 Eşsıcaklıklı blok kullanarak buz banyosunun çıkarılması Bunu iki eşsıcaklıklı bloğu birleştirerek yapabiliriz (Şekil 2.12).

  Şekil 3.12 Eşsıcaklıklı blokların birleştirilmesi Çıkış gerilimini değiştirmediğimizden halen

  V=  (T J1 -T ref )

  eşitliği geçerlidir.

  Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  Fazlalık olan eklemi çıkarmak için aradaki metallerle ilgili yasayı hatırlayalım. Bu ampirik "yasa", bir ısılçift ekleminin iki farklı metali arasına yerleştirilen üçüncü bir metalin (bu durumda, demir), eklenen metal tarafından oluşturulmuş iki eklem aynı sıcaklıklarda olduğu sürece, çıkış gerilimi üzerinde hiçbir etkisinin olmayacağını belirtir (Şekil 2.13'e bkz).

  Negatif uçtaki demir (Fe) tele gereksinimi tamamen ortadan kaldırdığından dolayı bu kullanışlı bir sonuçtur (Şekil 2.14). Burada yine V=  (T J1 -T ref )'tır ve  bir Fe-C ısılçiftinin Seebeck katsayısıdır.

  J 3 ve J 4 eklemleri buz banyosunun yerini almıştır. Bu iki eklem artık "referans eklem”idir.

  Şekil 3.13 Aradaki metaller yasası

  Şekil 3.14 Eşdeğer devre Şimdi bir sonraki aşamaya geçebiliriz: eşsıcaklıklı bloğun sıcaklığını doğrudan ölçmek ve

  bilinmeyen T J1 sıcaklığını hesaplamak için bu bilgiyi kullanmak. R t direnci sıcaklığın bir işlevi olan bir termistör referans ekleminin mutlak sıcaklığını ölçmeyi

  sağlayan yollardan biridir (Şekil 2.15). J 3 ve J 4 eklemleri ve termistörün eşsıcaklıklı bloğun

  tasarımından dolayı aynı sıcaklıkta oldukları varsayılır. Bilgisayar denetimli bir dijital voltmetre kullanarak:

  1. T ref 'ı bulmak için R t 'yi ölçer ve T ref 'ı eşdeğer referans eklem gerilimi, V ref 'a

  dönüştürürüz.

  2. V'yi ölçer, V 1 'i bulmak için V ref 'ı çıkarır ve V 1 'i T J1 sıcaklığına dönüştürürüz.

  Şekil 3.15 Harici referans eklemi-buz banyosu yok Bu işlemler "yazılım kompanzasyonu" olarak bilinir çünkü referans ekleminin etkisini gidermek

  için bilgisayar yazılımına dayanmaktadır. Eşsıcaklıklı blok sıcaklığını ölçen sensör bir RTD, termistör veya bir tümdevre sensör olabilir.

  "Eğer sıcaklığı ölçen bir sensöre sahipsek, neden referans eklemi kompanzasyonuna gereksinim duyan bir ısılçiftle uğraşıyoruz?" gibi mantıklı bir soru sorulabilir. Bu sorunun tek ve en önemli yanıtı termistör, RTD ve tümdevre transdüserlerin yalnızca sınırlı bir sıcaklık aralığında kullanılabilir olmasıdır. Diğer tarafta, ısılçiftler çoğunlukla metal işlem donanımına kaynakla

  Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  birleştirilir veya bir vida ile kenetlenir. Üretimleri lehimleyerek ya da kaynakla kolaylıkla yapılır. Kısaca, ısılçiftler mevcut çok yönlü sıcaklık sensörleridir. Dahası, bilgisayarla sıcaklığın gözlendiği sistem, referans kompanzasyonu ve yazılımla yapılan gerilim-sıcaklık dönüşümünün tamamını gerçekleştirir, böylece işlem denetimde bir ısılçift kullanılması bir çift telin bağlanması kadar kolaylaşır. Tek sakıncası bilgisayarın referans eklem sıcaklığını hesaplaması için kısa bir zamana gereksinim duymasıdır ve bu da denetim döngüsünde "ölü zaman"a neden olur.

  (a) Yazılım kompanzasyonu

  (b) "Elektronik buz noktası" donanım kompanzasyonu Şekil 3.16 Isılçift kompanzasyonu

  Şekil 2.16b donanım kompanzasyonunu göstermektedir. Devrede eşsıcaklıklı blok üzerine monte edilmiş sıcaklık sensörü tümdevresi vardır. LM135A sıcaklık sensörü, 10 mVK'lik doğrusal çıkışa sahiptir. Bu çıkış, opamp ile uygun bir miktarla çarpılarak ısılçift eklemindeki Seebeck gerilimiyle seri olarak toplanır. Bu devreye elektronik-buz noktası referansı denir.

  Her iki teknik de eşit oranda iyi çalışmaktadır. Yazılım kompanzasyonunun bilgisayar zamanına gereksinim duyması gibi bir sakıncası olmasına rağmen farklı ısılçift çeşitleri için kullanılabilmektedir. Elektronik-buz devresi hemen hemen anında yanıt vermesine rağmen tek bir ısılçift için tasarımlanmıştır. Ancak her çeşit ısılçift için kazanç direncini değiştirecek anahtarlama düzenlemesi yapıldıktan sonra diğer ısılçiftlere de hizmet verebilir.

  Üretici firmalar bu kompanzasyonu J ve K tipi ısılçiftler için yapan tümdevreler üretmişlerdir. Analog Devices firmasının AD594 ve AD595, Linear Technology firmasının LT1025 ve yükselteç ile tümleşik LTK001, Maxim firmasının dijital çıkışlı MAX6674 ve MAX6675 tümdevreleri soğuk eklem kompanzasyonu (cold junction compansation) yapmaktadır.

  Modern endüstride en çok tercih edilen sıcaklık ölçerler ısılçiftlerdir. Çok yüksek sıcaklığa ve istenmeyen atmosfer koşullarına karşı dayanıklılıkları nedeniyle, sıcaklıkla eriyen veya dumanla, buharla hemen korozyona uğrayan diğer sıcaklık sensörlerine göre daha çok kullanılırlar. Isılçift kılıfları ısılçiftlerin sızma tehlikesine uğramadan sıvı tanklarının dibine kadar sokulabilmesine olanak sağlar. Eşsıcaklıklı blok kullanımı ve yazılım yada donanım kompanzasyonu doğruluk, kullanım kolaylığı, kalibrasyon ve onarım kolaylığı sağlamaktadır. Sonuç olarak, pek çok endüstriyel ve laboratuar çalışmalarının sensör seçimi ısılçifttir.

  Isılçiftin özel bir uygulaması ise seri olarak bağlanmış bir grup ısılçiftten oluşmuş "termopil" dir. Isılçift çıkış gerilimleri (veya akımları) çıkış gerilimini arttırıcı yöndedir. Bunlardan elde edilen

  Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü

  Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin

  sıcaklık birkaç sıcaklık okumasının ortalamasıdır. Seri bağlanmış bir devre daha duyarlıdır. Termopiller çoğunlukla kızılötesi enerjisini ısılçift eklemine odaklayan ve kullanıcıya işlem sıcaklığını doğrudan okuma kolaylığı sağlayan optik sıcaklık ölçerlerde kullanılmaktadır.