Termokupl

Termokupl veya ısıl çift, bir tür sıcaklık sensörüdür. Farklı iki iletken malzemeden oluşur. Bu malzemelerin 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.

Termokupllar bilim ve endüstride de sıkça kullanılır. Özellikle tuğla veya kiremit yapımında kullanılan fırınlarda, gaz türbin egzoslarında (çıkışlarında), dizel motorlarda, vb. gibi yerlerde kullanılır.

Çalışma prensibi

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.

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 standartı, 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.