Sıcaklık Sensörleri

👤Serkan Çakıroğlu, Satış ve Pazarlama Müdürü – Ordel
Rezistans termometreler (RTD) Rezistans termometreler -200°C ´den + 850°C´ye kadar çeşitli proseslerde (özellikle endüstride ve laboratuvar uygulamalarında) yaygın olarak kullanılır. Düşük sıcaklıklarda termokuplla göre daha doğru değer verirler. Rezistans termometreler iletken bir telin sıcaklığa bağlı olarak direnç değerinin değişmesi mantığında bir sıcaklık sensörüdür. Sarımlı direnç prosese daldırılarak sabit bir akım uygulanır. Sıcaklık değişimine bağlı olarak sarımlı direncin değeri değişir ve üzerinde geçen sabit akımla değişen bir gerilim elde edilir. Rezistans termometreler için dikkate alınması gereken kimi unsurlar vardır. Bunlardan ilki üzerine uygulanan akımın küçük de olsa bir sıcaklık değişimine neden olabilmesidir. Bir diğer önemli unsur da akım taşıyan tellerin kendi direncidir. Rezistans termometredeki sıcaklık değişimi ve değerleri aşağıdaki biçimle formüle edilir. a: Rezistans termometre sıcaklık değişim faktörü R0: 0°C´deki direnç değeri R100: 100°C´deki direnç değeri Rezistans termometrelerde sıcaklık-direnç değişim değerleri IEC 751 standartlarına uygundur. Pt-100 ve Ni-100, 0°C´de ±0,1 ohm tolerans ile 100 ohm’luk direnç gösterir. Sıcaklık-direnç değişim değerleri aşağıdaki formülle hesaplanabilir. Rt = Ro (1 + At + Bt) Rt = Herhangi bir T sıcaklığındaki direnç değeri. Ro = 0°C´deki direnç değeri t = Sıcaklık A = 0390784x10-2C-2(sabit) B = 0,578408x10-6 C-2(sabit) Şekil 1’de PT100 rezistans termometre direnç grafiği (IEC 751) ve Tablo1’de tolerans tablosu yer almaktadır: RTD’lerin dirençleri ne kadar yüksekse sistemdeki hata payı da o kadar düşük olacaktır. Demir, platin, nikel, 0.7 nikel-0.3 demir ve bakır gibi maddeler RTD imalatında en çok kullanılan maddelerdir. Bu malzemeler içerisinde en doğrusal sonuçları veren ve en ideal olanı platindir. Platin RTD´lerin direnç değerleri, tel sarımlı laboratuar RTD´lerinde 10 ohm´dan, ince plakalı RTD´lerde birkaç bin ohm´a kadar değişmektedir. En çok bilinen değer 0°C´de 100 ohm´dur (PT100). RTD´ler 0°C´deki direnç değerleri ve kullanılan elemente göre adlandırılmıştır. (PT100, PT1000...). RTD kendinden beslemeli bir aygıt değildir ve RTD üzerinden geçen akım da ısınmaya yol açacağından sistemde hatalara neden olabilir. Bu hataların en aza indirgenmesi ve doğru ölçümün yapılabilmesi için mümkün olan en küçük uyarma akımı kullanılmalıdır. Yanda PT-100 dirençlerin IEC sınıflandırmasına göre, tolerans tablosu yer almaktadır. Bağlantı kafalı RTD Rezistans termometre kafası ile cihaz arasında bakır iletkenli kablolar kullanılır. Bağlantı kablosu 10 metre´ye kadar olan rezistans termometreler ve kablosu iki telli, 10 metre´den 150 metre´ye kadar üç telli ve 150 metre´den sonra dört telli olarak bağlanır. En basit rezistans termometre kullanım biçimi iki kabloludur. Yalnızca yüksek hassasiyet gerektirmeyen, bağlantı kablolarının direncinin sinyaldeki hata payının içerisinde olduğu durumlarda kullanılır. Bu biçimle 10m’ye kadar kablo kullanılabilir. Bu durum hem dengeli hem de sabit köprüler için geçerlidir. Yük direnci ancak sensör çıkartılarak ölçülebilir bu nedenle ölçüm sırasında sürekli doğrulama yapılamaz. Yük direncini küçültmek için üç kablolu biçim kullanılabilir. Bu metotta iki taşıma kablosu bitişik kollardadır. Köprünün her kolunda direnç oluşur. Böylece direnç ortadan kaldırılır. İki direnç değerinin de aynı olmasını sağlayabilmek için yüksek kalitede kablo kullanımını gerektirir. Bu şekilde 150m’ye kadar kablo kullanılabilir. Dört kablolu rezistans termometre biçimi ölçülen direncin daha doğruluğu ve güvenilir bir değere sahip olmasını sağlar. Yandaki ilk şekilde standart iki terminalli RTD yük direncini ortadan kaldıracak döngüyü oluşturacak şekilde başka bir çift kablo ile birlikte kullanılır. Wheatstone köprüsü metodu bir miktar daha fazla bakır kablo kullanır ancak en iyi çözüm değildir. Yandaki 2. şekilde tüm RTD’lerde kullanılabilecek daha iyi bir çözüm görülebilir. Bu yöntemle 15 W’a kadar kablo direnci ortadan kaldırılabilir. Rezistans termometrenin daldırılacağı prosesin akışkan hızı ölçüm hassasiyetini etkileyen bir faktördür. Rezistans termometreler genelde akış yönüne dik yerleştirilmelidir. Rezistans termometrenin doğru ölçüm yapabilmesi için rezistans termometre dış kılıf çapının minimum 10-15 katı boyunda prosese daldırılması gerekir. 500°C ´ye kadar standart üretimler, 500-850°C´ye kadar olan isteklerde özel tipler kullanılır. Rezistans termometreler genelde, makineler, tanklar, borular, gaz ve sıvı ortamlar ve yüzey ölçümleri gibi proseslerde kullanılır. Termokupllar (TC, THERMOCOUPLE) Thomas Seebeck tarafından 1821 yılında icat edilen termokupllar; iki farklı metalin ya da metal alaşımının her iki ucunun kaynakla birleştirilmesi sonucu oluşur. Sıcaklık farkı; Seebeck etkisi adı verilen sıcaklık farkıyla orantılı bir elektromotor kuvveti oluşturur ve soğuk nokta uçlarında milivolt seviyesinde bir gerilime yol açar. Bu olay termokuplların çalışma mantığıdır. En çok kullanılan termokupl tipleri Tablo 2’de verilmiştir. Termokupllarda oluşan gerilim değeri çok küçük olduğundan 50-60Hz’lik güç kaynakları gibi cihazların oluşturduğu çevresel gürültü (noise) ölçülen değerleri etkileyebilir. Bu durum göz önüne alınarak ölçümler değerlendirilmelidir. Geniş sıcaklık aralığını ölçebilmeleri, sağlamlıkları ve kolay kullanılabilirlikleri sayesinde endüstride geniş şekilde kullanılan termokuplların seçiminde aşağıdaki kriterler göz önüne alınmalıdır: • Sıcaklık aralığı, • Termokuplun ya da koruyucu kılıf malzemesinin kimyasal maddelere karşı dayanıklılığı, • Aşınmaya veya titreşimlere olan dirençleri, • Kurulum gereksinimleri (var olan bir cihazla uyumluluk gerekebilir, var olan mekanik yapı dalma boyunu, kılıf çapını vb. belirleyebilir). Termokuplların yapısal bileşenleri Termokupllar, içinde bulundukları fiziksel ortamın (proses) özellikleri göz önüne alınarak özel koruyucu kılıf içerisine yerleştirilir. Koruyucu kılıflar da yine fiziksel ortamın özelliklerine göre farklı maddelerden yapılmaktadır. Eleman telleri de iki farklı kutupta yer aldığından yalıtımları seramik izolatörlerle sağlanır. Bir termokupl şu bileşenlerden oluşur: 1- Eleman teli, 2- İzolatör, 3- Primer, 4- Koruyucu kılıf, 5- Bağlantı klemensi, 6- Bağlantı kafası, 7- Flanş veya rekor gibi malzemelerden oluşur.Bu yapısal bileşenlerden en önemli üç tanesini inceleyelim: 1) Eleman telleri DIN 43710 ve IEC-584 standartlarında endüstride en çok kullanılan eleman telleri şunlardır. Eleman tellerinin sıcaklık-mV eğrileri incelendiğinde lineer olmadığı görülür. Her eleman telinin diğerine göre lineer olarak daha uygun olduğu bölgeler vardır. Örneğin 800°C ölçebilen bir Fe-Const termokupl ile 1200°C ölçebilen NiCr-Ni eleman tellerinin mV eğrisi karşılaştırıldığında 300-500°C arasında Fe-Const, NiCr-Ni´e göre daha lineer´dir. Bu nedenle bu çalışma aralığında Fe-Const tercih edilir. PtRh-Pt eleman teli incelendiğinde 800°C´nin altında lineer değildir. 800-1600°C arası daha uygun çalışma alanıdır. Termokupl eleman telleri (+) ve (-) olmak üzere iki bacaklıdır. Bu nedenle cihaza bağlanırken (+) ve (-) uçları dikkate alınarak bağlanmalıdır. Uluslararası standartlarda (+) ve (-) uçları belli renk kodları ile işaretlenmiştir. 2) İzolatörler Tek delikli izolatör örneği: Termokupl eleman telleri ucu kaynatıldıktan sonra herhangi bir dış koruyucu içine yerleştirilsin veya yerleştirilmesin (+) ve (-) bacaklar bir birinden izole edilir. İzolasyon için genelde yaygın olarak KER-610 seramik izolatörler kullanılır. Ayrıca özel proseslerde (1500°C´nin üzerinde) KER-799 Saf Alümina izolatörlerde kullanılır. Genel olarak PtRh-Pt eleman tellerinde tek parça izolatör, Fe-Konst, NiCr-Ni gibi eleman tellerinde parçalı izölatörler kullanılır. İzolatör dizim şekilleri: Dış kılıfı ve bağlantı kafası henüz takılmamış, sadece izolatörleri ve bağlantı kelemensi takılı bir termokupl örneği: 3) Koruyucu Kılıflar Termokupl koruyucu kılıfları proses şartlarına uygun seçilmelidir. Gerek termokupl eleman telinin gerekse de koruyucu kılıfın proses içindeki kimyasal ve fiziksel aşınmalara ve mekanik darbelere karşı dayanıklı olması ve uzun ömürlü olması açısından ortam koşullarına göre dış koruyucu kılıf seçilir. Uçları kaynaklı ve izolatörlü eleman teli bu kılıflar içine yerleştirilir. Termokupl uygulamalarında genelde 1200°C´ye kadar metal,1200°C´nin üzerinde ise seramik kılıflar kullanılır. 1250°C´ye kadar özel alaşımlı metal koruyucu kılıflarda kullanılabilir. Metal kılıflar kullanılacağı prosesin korozif şartlarına, mekanik aşınmalarına, kimyasal ve fiziksel aşındırıcı özelliklerine göre çeşitli alaşımlarda üretilmektedir. DIN standartlarındaki metal kılıfların birçoğu ortak proseslerde kullanılabilir. Termokupl uygulamalarında en çok kullanılan metal kılıflardan bazıları şunlardır; 1.4301 DIN Paslanmaz (304 Kalite) 1.4541 DIN Paslanmaz (321 Kalite) 1.4571 DIN Paslanmaz (316 Kalite) 1.4749 DIN Paslanmaz (446 Kalite) 1.4841 DIN Paslanmaz (314 Kalite) 2.4816 DIN Paslanmaz (INCONEL-600) C-2 Saf demir Alloy-25 Paslanmaz çelik boru örnekleri: Metal koruyucu kılıflar proses şartlarına göre çok dikkatli şeçilmelidir. Çünkü bu seçim direk olarak termokupl ömrünü etkilemektedir. 1.4301 veya 1.4571 kullanılması gereken bir proseste 1.4749 veya 1.4841 kullanılır ise ekonomik olmayan pahalı bir seçim yapılmış demektir. Çünkü 1.4749, 1.4841 ve INCONEL-600 yüksek sıcaklık borularıdır. Ayrıca 1.4749 veya 1.4841 kullanılması gereken bir proseste INCONEL-600 kullanılır ise yine ekonomik olmayan pahalı bir seçim yapılmış demektir. Inconel-600, 1.4749 ve 1.4841´e nazaran daha pahalı bir borudur. Ancak INCONEL-600 kullanılması gereken bir proseste 1.4749 veya 1.4841 kullanılır ise bu seçimde yanlış ve ekonomik olmayan bir seçim olur. Çünkü INCONEL-600 çok daha uzun ömürlü olacağı proseste 1.4749 ve 1.4841 çok çabuk bozulabilir. Yüksek sıcaklık boruları dikişli ve dikişsiz olabilir. Dikişli boru dikişsiz boruya göre daha ucuz bir borudur. Dikişli borunun içine prosesteki gazların sızması daha kolay olur. Bu nedenle KER-610 seramik tüp iç koruyucu (primer) olarak kullanılır. Metal koruyucu kılıflarda dikişsiz boru tercih edilebilir. Termokuplların kullanılacağı proses sıcaklığı 1200°C ve üzeri ise dış koruyucu kılıf olarak genelde seramik tüpler kullanılır. Seramik kılıf örneği: Termokupl uygulamalarında en çok kullanılan seramik kılıflar şunlardır: KER-530: Gözenekli (poroz) yapıya sahiptir. Bu yapısından dolayı termal şoklara daha dayanıklıdır. Gazların yoğun proseslerde gaz sızma olasılığına karşı iç koyuculu (Primerli) olarak imal edilir. Termokupl uygulamasında standart üretimlerimizde KER-610 iç koruyucu seramikli olarak üretilir. KER-610 ve KER-799´a göre daha ucuzdur. Termal şok olan proseslerde yoğun olarak kullanılır. Maksimum çalışma sıcaklığı 1600°C´dir. KER-610: Özel yapıya sahip bir seramik tüptür. Gözeneksiz yapıya sahiptir. Bu nedenle gaz geçirmez bir özelliğine sahiptir. Termokupl uygulamalarında dış koruyucu olarak kullanıldığı gibi yoğun olarak iç koruyucu olarak´da kullanılır. Maksimum çalışma sıcaklığı 1500°C´dir. KER-799: Yüzde 99,97 oranında saf alümina içerdiğinden dolayı diğer seramiklerden çok kalitelidir. Seramik hücre yapısı çok sık olmasından dolayı mükemmel bir gaz geçirmez özelliğine sahiptir. Termal şoklara daha dayanıklıdır. Maksimum çalışma sıcaklığı 1800°C´dir. Termokupl bağlantı şekilleri Küçük çaplı kılıfların tepki zamanı daha küçüktür bu nedenle hızlı sıcaklık değişimlerinin algılanması için daha uygundurlar. Büyük çaplı kılıflar ise daha uzun ömürlüdürler. Yüksek sıcaklık değerlerinin ölçülmesinde tercih edilirler. 1) Açık uçlu montaj En hızlı tepki verebilen montaj şekli olduğundan hızlı sıcaklık değişimlerini ölçmek için idealdir. Temiz kaplama termokupl için nem kalkanı görevini yapar. Korozyon tehlikesi olan sıvı ve gazlar içerisinde kullanılması uygun değildir. Genellikle hassas ölçüm gerektiren yerlerde, kaynak ucu ortama açık bırakılarak kullanılır. 2) Topraksız montaj Kaynaklanmış ucu dış koruyucu kılıftan izole edilmiştir. Tepki süresi uzundur. Ölçüm devresinin elektriksel olarak izole edilmesi gereken durumlarda kullanılır. 3) Topraklı montaj Tepki süresi kısadır bu nedenle hassas ölçüm gerektiren yerlerde kullanılabilir. Elektriksel gürültü (noise) oluşabilecek ortamlarda kullanılması uygun değildir. Bağlantı kafası Eleman teli ile kompanzasyon kablosu bağlantı kafası içerisindeki seramik klemensle birleştirilir. Bağlantı kafasının temel amacı ek yerinin dış etkilerden (toz, nem, mekanik etkiler vb.) korunmasını sağlamaktır. Kafalar DIN 43729 standartlarına uygundur. Standartlarda A tipi büyük, B tipi küçük kafa kullanılır. Alüminyum döküm kafalar maksimum 200°C´ye kadar kullanılır. Kafa sıcaklığı 200°C´yi geçmemelidir. Kafaların koruma sınıfı IP67´dir. Standart kafa dışında istendiğinde EX-PROOF kafa (gaz sızdırmaz) veya özel kafada üretilir.