BİMETAL TERMOSTAT
3.3 BİMETAL TERMOSTAT
Dünyadaki en bilinen otomasyon aygıtı her yerde bulunabilen bimetal termostattır. Bu basit ve etkin aygıt oda sıcaklığını gösterirken, ısıtıcıları ve klimaları açıp kapatır.
Düşük maliyetli bir termometredir, fakat sakıncası göreceli olarak doğruluğunun az, yanıt süresinin kısa olması ve histerisize sahip olmasıdır. Normalde yalnızca AÇ-KAPA denetim uygulamalarında veya tam ya da yanıt verici denetim gerektirmeyen denetim sistemlerinde kullanılır.
Bu transdüser sıcaklıkla malzemenin boyutundaki değişmeyi veya ısıl genleşmeyi kullanır. Isıl genleşmeyi anlamak için, basit bir katı modelini ele alalım. Bu katıdaki atomlar düzenli
Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü
Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin
elektriksel kuvvetlerin yardımıyla bir arada tutulur. Mutlak sıfırın (-273.15
C) üstündeki bir
sıcaklıkta katı maddenin atomları titreşmektedir. Sıcaklık arttığında, titreşimlerin genliği ve atomlar arasındaki ortalama uzaklık artar. Sıcaklık arttıkça tüm cisim genleşir. Katı maddenin doğrusal boyutundaki bu değişmeye doğrusal genleşme denir. Bu boyutun uzunluğu, l ise, sıcaklıktaki değişimden, T, dolayı uzunluktaki değişme de l 'dir. Uzunluktaki değişim ( l) sıcaklıktaki değişim ( T) ve ilk uzunluk l ile orantılıdır. Böylece, aşağıdaki eşitlik yazılabilir:
l= l T
(3-3)
, doğrusal genleşme katsayısıdır. Bu katsayı farklı malzemeler için farklı değerlere sahiptir ve Tablo 2.1'de 0°C ile 100°C
arasındaki sıcaklık aralığında birkaç çok bilinen katı cismin ortalama doğrusal genleşme katsayısının deneysel olarak belirlenmiş değerleri listelenmektedir.
Tablo 2.1 Isıl genleşme katsayıları
Malzeme
Genleşme Katsayısı ( )
Alüminyum
25 10 -6 C
Bakır
16.6 10 -6 C
Çelik
6.7 10 -6 C
Berilyum bakır
9.3 10 -6 C
Bimetal termostatın çalışma ilkesi metallerin farklı hızlarda genleşmesine dayanmaktadır. Bimetal termostatın ana elemanı iki ayrı metal şeridin birbirine yapıştırılmasıyla oluşturulmuştur. Bimetal şerit ısıtıldığında iki metal şerit genleşmeye başlayacaktır. Metallerden biri diğerinden daha hızlı genleştiğinden, sıcaklık arttıkça bimetal şerit daha yüksek genleşme katsayısı olan metalden uzaklaşacak şekilde kıvrılacak veya bükülecek. Metal soğudukça bükülme etkisi ters dönecektir. Bu etki anahtar kontaklarını kapatmada veya bir AÇKAPA aygıtı seçilmiş bir set noktasındaki sıcaklık değişimlerinde harekete geçirmede kullanılır. Bimetal şerit kadranlı termometrelerde de kullanılır.
Şekil 3.2 Bimetal şerit Termostat, plastik kılıfı içindeki uzun bimetal bobinden oluşmaktadır. Bimetal şerit ne kadar
uzun olursa bükülme derecesi ve duyarlığı o kadar artar. Üretici, uzun şeridi spiral şeklinde kıvırarak denetim elemanının boyutlarını küçültmüştür. Spiralin merkezi termostatın plastik kılıfına tutturulmuştur ve dışarıdaki ucu da hareket edecek şekilde serbest bırakılmıştır. Bu bobinin hareket eden ucuna genellikle cıvalı anahtar veya mikro anahtar bağlanır.
Spiral, daha yüksek genleşme hızına sahip metal bobinin dışında kalacak şekilde düzenlenir. Sıcaklık arttıkça halka, bir SPDT cıvalı anahtarı bir yönde itecek şekilde sıkışır. Sıcaklık azaldıkça, halka açılarak cıvalı anahtarı diğer bir yönde iter.
Bimetal kullanılan diğer denetimlerde bimetalin kendisi anahtarın bir parçası olarak kullanılır. Bir anahtarlama düzeninde süpürücü veya hareketli kontak olabilir. Bimetal eleman değişik kontrol işlevleri için düz bir parça, bir spiral, helezon veya bir disk şeklinde olabilir.
Bölüm 3 Sıcaklık Ölçümü
Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin
(a) Düz
(b) Spiral ve helezon
(c) Disk
Şekil 3.3 Bimetal termostat örnekleri Şekil-2.3’te değişik tipteki bimetal sıcaklık sensörlerinin bazılarını gösterilmektedir.
Arabanızdaki termostat da önceden belirlenmiş sıcaklığa ulaşıldığında bir vanayı açıp soğutucuyu dolaştırmak için kullanılmaktadır. Bimetal sıcaklık sensörleri dayanıklı, ucuz ve güvenilir olmalarından dolayı geniş bir kullanım alanı bulmuştur, ancak bazı sakıncaları da vardır. Bunlardan bazıları şunlardır:
1. Bimetal termostat iki konumlu bir aygıttır. Bimetal elemanla denetlenen anahtar ya kapalı ya
da açıktır. Bu eleman aracılığıyla sıcaklığın önceden ayarlanmış değerin üzerinde mi yoksa altında mı olduğu anlaşılabilir, ancak denetim devresindeki sıcaklığın mutlak değeri ölçülemez.
2. Bimetalin kendisi devrenin bir elemanı olduğunda, üzerindeki gerilim düşümünden dolayı oluşan ısınmadan korunmak için akımın sınırlandırılması gerekmektedir. Isınmanın hesaba katılmadığı durumlarda, ısıtma kontrol elemanı süreç yeterli sıcaklığa ulaşmadan kapanacak ve soğutma kontrol elemanı süreç istenenden daha soğuk olana kadar kapanmayacaktır.
3. Bimetal, anahtarlama devresinin bir parçası olduğunda yavaş çalışan anahtar ark yaratarak anahtar kontaklarında bozulmaya neden olabilir.
Yüksek duyarlık ve yinelenebilirlik gerektiğinde bimetal eleman kullanılmamalıdır. Hatalarına rağmen bimetal yine de endüstride ve evlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.