Termokupllar hakkında genel bilgi

[D. yerli]

Termokupl Bilgileri

Termokupllar (ısıl çift), geniş bir şekilde kullanılan sıcaklık ölçüm araçlarıdır. Ucuz ve değiştirilebilirdirler, standart bağlantı noktaları vardır. Çeşitli tipler ile -200 °C den +2300°C ye kadar geniş bir sıcaklık aralığında ölçüm yapabilirler. Temel sınırlamaları kesinliktir ki bunun sonucu olarak 1 °C den daha küçük ölçüm hatalarına erişmek zor olabilir. Termokupllar, farklı iki metal alaşımın uçlarının birbiri ile kaynaklanması sonucu elde edilir. Kaynatılan nokta SICAK NOKTA, açık kalan iki uç SOĞUK NOKTA veya referans nokta olarak adlandırılır. Bu iki nokta arasındaki sıcaklık farkına orantılı olarak oluşan ve termoelektrik voltaj ya da Seebeck voltajı da denen (1821de bu etkiyi keşfeden Estonyalı fizikçi Thomas Seebeckin ismine atfen) mV seviyelerindeki bir gerilimin varlığı termokuplların sıcaklık ölçümünde geniş bir şekilde kullanılmasını sağlamıştır. Bu gerilim günümüzde kullanılan metal alaşımların türlerine göre 1 °C başına 1 ile 70 μV (mikro volt) düzeylerinde olmaktadır. Termokupllarla ilgili bir önemli nokta da, termokuplların belli bir noktadaki kesin sıcaklığı değil, iki nokta arasındaki sıcaklık farkını ölçmeleridir. Şekil-1de sıcak nokta ile soğuk nokta sıcaklık dağılımı nasıl olursa olsun, oluşan gerilimin bu iki nokta arasındaki sıcaklık farkına bağlı olduğu görülmektedir.

Şekil-1 Sıcak nokta ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkı nedeniyle oluşan gerilim ya da EMF (Şekil-2), sıcak noktanın sıcaklığı sabit kalmak üzere soğuk noktanın sıcaklığı değiştirildiğinde değişeceğinde farklı sıcaklık değerleri okunur. Bu nedenle mV tablolarındaki değerlerlerde standardı sağlamak için ölçülen sıcaklık karşılığı mV değerleri soğuk noktanın 0°C de sabitlenmesi ile elde edilmiştir. Örneğin 200°C ye karşılık gelen mV değerleri termokuplun sıcak noktası 200°C iken soğuk noktanın 0°C de sabit tutulması ile uç noktada ölçülen değerlerdir.
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. Termokupllarda oluşan gerilim değeri çok küçük olduğundan 50-60Hzlik güç kaynakları gibi cihazların oluşturduğu çevresel gürültü (noise) ölçülen değerleri etkileyebilir. Bu durum göz önüne alınarak ölçümler değerlendirilmelidir. Termokupllardan elde edilen ve sıcaklık ölçümünde kullanılan sinyaller lineer değildir. Bu nedenle analog yada sayısal ölçüm yapan cihazlarda kullanılacak sinyaller lineerize edilmelidir.	Şekil-2
Geniş sıcaklık aralığını ölçebilmeleri, sağlamlıkları ve kolay kullanılabilirlikleri sayesinde endüstride geniş şekilde kullanılan termokuplların seçiminde aşağıdaki kriterler göz önüne alınmalıdır: Sıcaklık aralığı Termokuplun yada 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) Termokupl yapısal olarak incelendiğinde; 1- Eleman teli 2- İzolatör 3- Primer 4- Koruyucu Kılıf 5- Bağlantı klemensi 6- Bağlantı kafası 7- Flanş veya rekor gibi malzemelerden oluşur.
İNSET
ORDEL termokuplları istendiğinde insetli olarak da imal edilebilir. İnset dış koruyucu kılıfın içine yerliştirilen ikinci bir koruyucudur. İnset katalogda OT05 ve OM05 kodları ile geçer. İsteğe bağlı olarak ayrıca sipariş de edilebilir.
TERMOKUPL STANDARDI
Bu katalogdaki termokuplların EMF (mV) karakteristikleri DIN 43710 ve IEC-584 standartlarına uygundur. İstenildiğinde diğer standart özelliklerinde termokupllarda ORDEL tarafından üretilir. EMF (mV) tabloları termokupl genel bilgiler bölümünde verilmiştir.
ELEMAN TELLERİ
DIN 43710 ve IEC-584 standartlarında endüstride en çok kullanılan eleman telleri şunlardır.
ELEMAN TELİ DIN 43710 DIN 43710 ve IEC 584 SICAKLIK ARALIĞI İÇERDİĞİ ELEMANLAR DUYARLILIK RENKLER IEC 584-3 DIN 43710 + - + - Cu-Const U T -200° C +300° C Bakır-Konstantan ~43 µV/°C Fe-Konst L J -200° C +800° C Demir-Konsantan ~52 µV/°C Cr-Al K -200° C +1200° C Kromel-Alümel 41 µV/°C NiCr-Ni K -200° C +1200° C NikelKrom-Nikel 41 µV/°C Cr-Const E -200° C +1200° C Kromel-Konstantan 68 µV/°C Nikrosil-Nisil N 0° C +1200° C NikelKrom-Silikon-Nikelsilikon Magnezyum 39 µV/°C X X Pt%10Rh-Pt S 0° C +1500° C Platin Rodyum-Platin (%10) 10 µV/°C Pt%13Rh-Pt R 0° C +1600° C Platin Rodyum-Platin (%13) 10 µV/°C Pt%18Rh-Pt B 0° C +1800° C Platin Rodyum-Platin (%13) Tn-Tn%26Re W 0° C +2000° C Tungten-Tungsten%26Renyum X X
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.
ELEMAN TELLERİNİN İZOLE EDİLMESİ
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 izoltörlerde kullanılır. Genel olarak PtRh-Pt eleman tellerinde tek parça izolatör, Fe-Konst, NiCr-Ni gibi eleman tellerinde parçalı izölatörler kullanılır.
ELEMAN TELLERİNİN ÇAPA GÖRE SICAKLIK LİMİTLERİ
Termokupl eleman tellerinin sürekli ve maksimum çalışabileceği sıcaklık limitleri eleman teli çapına göre değişir. Eleman tel çapı kalınlaştıkça maksimum çıkacağı sıcaklık limiti artar. Kalın Çaplı tel ince tele göre daha uzun ömürlü olur. Ancak seçilecek tel çapı sürekli ve maksimum sıcaklığa bağlı olarak algılama hassasiyeti ve dış koruyucu boru çapları göz önüne alınarak seçilmelidir.
ELEMAN ELEMAN TEL ÇAPI SÜREKLİ ÇALIŞMA SICAKLIĞI MAKSİMUM ÇALIŞMA SICAKLIĞI Cu-Konst 0.5 mm 300°C 600°C Cu-Konst 1 mm 300°C 600°C Fe-Konst 0.5 mm 400°C 600°C Fe-Konst 1 mm 600°C 800°C Fe-Konst 1.5 mm 600°C 800°C Fe-Konst 2 mm 700°C 900°C Fe-Konst 3 mm 700°C 900°C NiCr-Ni 0.5 mm 600°C 800°C NiCr-Ni 1 mm 800°C 1000°C NiCr-Ni 1.5 mm 900°C 1100°C NiCr-Ni 2 mm 1000°C 1200°C NiCr-Ni 3 mm 1000°C 1200°C PtRh-Pt 0.35 mm 1300°C 1600°C PtRh-Pt 0.5 mm 1300°C 1600°C
KORUYUCU KILIFLAR
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 KILIFLAR
Metal kılıflar kullanılacağı prosesin korozif şartlarına, mekanik aşınmalarına, kimyasal ve fiziksel aşındırıcı özelliklerine ve göre çeşitli alaşımlarda üretilmektedir. DIN standartlarındaki metal kılıfların bir çoğu 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 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 prosesdeki gazların sızması daha kolay olur. Bu nedenle KER-610 seramik tüp iç koruyucu (primer) olarak kullanılır. Önerimiz metal koruyucu kılıflarda dikişsiz borunun tercih edilmesidir.
Metal koruyucuların seçimi farklı endüstri alanlarındaki prosesler dikkate alınarak termokupl kodlama formlarında ve katalog bölümünde bulunabilir.	Metal koruyucu kılıfların DIN ve AISI standart kodları METAL KILIF CİNSİ DIN AISI 1.4301 X 5 CrNi 18 10 304 1.4571 X 6 CrNiTi 18 11 321 1.4571 X 6 CrNiMoTi 17 12 2 316 Ti 1.4749 X 18 CrN 28 446-1 1.4841 X 15 CrNiSi 25 20 314 Inconel-600 2.4816 B 166
METAL KORUYUCU KILIFLARIN DIN STANDARTLARINDA ÇALIŞMA SICAKLIKLARI VE BİLEŞİM ORANLARI METAL KILIF CİNSİ SÜREKLİ ÇAL. SIC. MAKSİMUM ÇAL. SIC. C% Si% Mn% P% S% Cr% Mo% Ni% Diğerleri% 1.4301 900°C 1000°C ≤0,07 1,0 2,00 0,045 0,030 17,0-20,0 - 8,5-10,5 Al 1,20-1,70 1.4541 900°C 1000°C ≤0,1 1,0 2,00 0,045 0,030 17,0-19,0 - 9,0-11,5 Ti≥5x%C 1.4571 900°C 1000°C ≤0,1 1,0 2,00 0,045 0,030 16,5-18,5 2,00-2,50 10,5-13,5 Ti≥5x%C 1.4749 1100°C 1200°C 0,15-0,20 ≤1,0 ≤1,0 0,045 0,030 26,0-29,0 - - N 0,15-0,25 1.4841 1000°C 1150°C 0,20 1,5-2,5 2,00 0,045 0,030 24,0-26,0 - 19,0-21,0 - Inconel-600 1180°C 1250°C 0,05 - - 0 - 15,5 - 75 Fe 8,0 C-2 950°C 1000°C 0,03 - 0,030 0,01 - - - - -
SERAMİK KILIFLAR
Termokuplların kullanılacağı proses sıcaklığı 1200°C ve üzeri ise dış koruyucu kılıf olarak genelde seramik tüpler kullanılır. 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 tüpdür. 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 : %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 BAĞLANTI ŞEKİLLERİ
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) AÇIK 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) TOPRAKSIZ MONTAJ: Kaynaklanmış ucu dış koruyucu kılıftan izole edilmiştir. Tepki süresi uzundur. Ölçüm devresinin elektriksel olarak izole edilmesi gereken durumlarda kullanılır. 3) TOPRAKLI MONTAJ: Tepki süresi kısadır bu nedenle hassas ölçüm gerektiren yerlerde kullanılabilir. Elektriksel gürültü (noise) oluşabilecek ortamlarda kullanılması uygun değildir.
BAĞLANTI KAFASI
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 kafa'da üretilir.

 

[by lent]

Kayıtlara geçmesi adına bir kaç katkı;
Thermocouple-Thermocouple Types- J, K, E, T, N, B, R, S
Thermocouple Types - Types of thermocouples - Comparison of Thermocouple Types
Thermocouple - A temperature sensor | zembedded