Termoeleman Enstrümanı

Tanım

Termokuple cihazı, sıcaklık, akım ve voltajı ölçmek için bir termokupleyi kullanan bir ölçüm cihazı olarak tanımlanır. Bu çok yönlü cihaz hem değişken akım (AC) hem de sabit akım (DC) devrelerinde ölçümler yapabildiği için geniş bir uygulama alanında değerli bir araçtır.

Termokupl Temelleri

Termokupl, iki farklı metalten yapılmış iki telin birleşmesinden oluşan bir elektrik cihazıdır. İşlevi temel bir prensiple dayalıdır: bu iki farklı metalin birleştiği noktada ısı enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu fenomen, Seebeck etkisi olarak bilinir ve termokuple cihazlarının işlemesinin temelini oluşturur. Bu sayede cihazlar, metallerin birleştiği noktalarda üretilen elektrik potansiyeli yararlanarak sıcaklık ve diğer elektrik parametreleri üzerinde hassas ölçümler yapabilirler.

İşleme Mekanizması

Bir elektrik akımının büyüklüğünü ölçmek için, ölçülen akım termokuplin birleşim noktasından geçirilir. Akım akarken ısı elemanında ısı üretir. Buna karşılık, termokupl çıkış uçlarında bir elektromanyetik kuvvet (emf) induksiyon eder. Bu indüklenmiş emf, kalıcı manyetik hareketli bobin (PMMC) cihazı kullanılarak ölçülür. Bu emf'nin büyüklüğü, termokupl birleşim noktasındaki sıcaklıkla ve ölçülen akımın ortalama karekök (RMS) değeriyle orantılıdır.

Ana Avantajlar

Termokuple cihazlarının en belirgin avantajlarından biri, yüksek frekanslı akım ve voltaj ölçümleri için uygun olmasıdır. Bu cihazlar 50Hz'den yüksek frekanslarda daha fazla doğruluk gösterdiği için, yüksek frekanslı elektrik parametrelerinin hassas bir şekilde belirlenmesi gereken uygulamalar için idealdirler.

Termoelektrik Cihazların Çalışma Prensibi

Termal emf, iki farklı metalden oluşan bir devrede oluşur. Bu metallerin birleştiği noktadaki sıcaklık, cihazın genel işleyişinde kritik bir rol oynar ve cihazın nasıl çalıştığını anlamak için önemli bir parametredir.

a ve b, termokuplde kullanılan metallerin özelliklerine bağlı olarak belirlenen sabitler olsun. Genellikle, a'nın değeri 40 ila 50 mikrovolt aralığında, b'nin değeri ise birkaç onda milyonda veya yüzlerce mikrovolt derece saniye kare başına (μV/C°2) olmaktadır.

Δθ'yi, termokuplin sıcak ve soğuk birleşim noktaları arasındaki sıcaklık farkı olarak ifade edelim. Buna göre, ilgili sıcaklıkla ilgili ifadeler aşağıdaki gibi türetilebilir.

Isıtıcı, ısı üretir ve üretilen ısı miktarı, akımın (I) ortalama karekök (RMS) değerinin karesi ile ısıtma elemanının direnci (R) çarpımına orantılıdır, I2R formülü ile ifade edilir. Sonuç olarak, sıcaklık artışı da ısıtma elemanı tarafından üretilen ısıya orantılıdır. Bu ilişki, ısıtıcının nasıl çalıştığını ve sistem içindeki sıcaklığa nasıl etki ettiğini anlamak için temel bir unsurudur, bu da elektrik girişi ile termal çıktısı arasındaki açık bir bağlantıyı sağlar.

Termokuple cihazında soğuk ve sıcak iki birleşme noktası vardır. Bu iki birleşme noktası arasındaki fark şu şekilde ifade edilir:

b'nin değeri, a'ya kıyasla çok küçük olduğu için ihmal edilir. Birleşim noktasındaki sıcaklık şu şekilde ifade edilir:

Kalıcı manyetik hareketli bobin (PMMC) cihazının sapması, uçlarındaki indüklenmiş elektromanyetik kuvvete (emf) orantılıdır. Bu ilişki, indüklenmiş emf arttığında veya azaldığında, cihazın hareketli bobinin sapmasının karşılık gelen şekilde değişmesi anlamına gelir. Matematiksel olarak, bu tür cihazların hareketli bobininin sapması, cihazın elektrik girdisine tepkisini yöneten fiziksel ilkeleri kapsayan aşağıdaki denklemle ifade edilebilir.

Burada, K3 - aK1K2R ifadesi sabit bir değer sonucu verir. Bu özellik, cihazın kare kanunu tepkisini sağlar, yani cihazın çıkışı (örneğin akım veya voltaj gibi) girdi miktarının karesiyle değişir.

Termoelektrik Cihazın Yapısı

Bir termoelektrik cihaz, çoğunlukla iki temel bileşenden oluşur: termoelektrik eleman ve gösterge cihazı. Bu iki parçanın birlikte çalışması, elektrik ve termal miktarların hassas bir şekilde ölçülmesini sağlar.

Termoelektrik Elemanlar

Termokuple cihazlarında dört farklı tip termoelektrik eleman yaygın olarak kullanılır. Her bir tip, kendi benzersiz özellikleri ve çalışma ilkelerine sahiptir, bunlar aşağıda ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Temas Tipi

Temas tipi termoelektrik eleman, ayrı bir ısıtıcı kullanır. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, termokuplin birleşim noktası doğrudan ısıtıcıyla fiziksel temas halindedir. Bu doğrudan temas, ısıtıcıdan termokupl birleşim noktasına etkin bir ısı aktarımını sağlar, bu da ısıtıcı tarafından üretilen termal enerjinin elektrik sinyali (elektromanyetik kuvvet veya emf) olarak hassas bir şekilde dönüştürülmesi için kritiktir ve gösterge cihazı tarafından ölçülür.

Elektrik Isıtma Elemanın Fonksiyonları

Elektrik ısıtma elemanı, bir termoelektrik cihaz içinde aşağıdaki kritik görevleri yerine getirir:

• Enerji Dönüşümü: Elektrik enerjisini termal enerjiye dönüştürmede ana bileşen olarak görev alır. Bu dönüşüm, termal etkiler kullanılarak elektrik miktarlarının ölçülmesini olanaklı kılan ilk adımdır.

• Termoelektrik Dönüşüm: Seebeck etkisinden yararlanarak, ısıtma elemanı tarafından üretilen ısı enerjisi, daha sonra elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu dönüşüm, termokuplin birleşim noktasında gerçekleşir, burada sıcak ve soğuk birleşim noktaları arasındaki sıcaklık farkı bir elektromanyetik kuvvet (emf) oluşturur.

• Cihaz İşleyişi: Termokuplin çıkış uçları, kalıcı manyetik hareketli bobin (PMMC) cihazına bağlanır. Üretilen elektrik enerjisinin bir kısmı, PMMC cihazının işaretçisini saplamak için kullanılır. Bu enerji, cihazın yayında saklanır, bu da işaretçinin pozisyonunu korumaya ve ölçülen değeri göstermeye yardımcı olur.

Termoelektrik Eleman Türleri

Temas Yok Tipi Cihaz

Temas yok tipi termoelektrik cihazlarda, ısıtma elemanı ve termokupl arasında doğrudan elektrik bağlantısı yoktur. Bunun yerine, iki bileşen bir elektrik yalıtım tabakası ile ayrılır. Bu yalıtım, elektrik izolasyonu sağlarken, aynı zamanda cihazın performansına belirgin bir etkide bulunur. Temas tipi cihazlara kıyasla, temas yok tasarımı, sistemi ölçüm miktarındaki değişimlere daha az duyarlı hale getirir ve daha yavaş tepki süreleri sonuçlanır. Bu, ısıtma elemandan termokuple ısı transferinin yalıtım bariyeri nedeniyle daha az etkili olmasıdır.

Vakum Termoelement

Vakum tüpü temelli termoelektrik cihazlarda, hem ısıtıcı hem de termokupl boşaltılmış bir cam tüpün içinde yer alır. Bu vakum ortamı, cihazın verimliliğini önemli ölçüde artırır. Havayı ortadan kaldırarak, ısı kaybı konveksiyon ve iletim yoluyla minimize edilir. Sonuç olarak, ısıtıcı uzun bir süre boyunca ısıyı koruyabilir, bu da termokupl için daha istikrarlı ve tutarlı bir ısı kaynağı sağlar. Bu ısı üretimindeki istikrar, zaman içinde daha doğru ve güvenilir ölçümlere yol açar.

Köprü Tipi

Köprü tipi termoelektrik cihazlarda, elektrik akımı doğrudan termokuplden geçer. Akım geçerken, termokuplin sıcaklığı yükselir. Bu sıcaklık artışının büyüklüğü, akımın ortalama karekök (RMS) değerine orantılıdır. Bu doğrudan ilişki, akım, sıcaklık değişimi ve termokuplden elde edilen sonuç elektrik çıkışının arasındaki ilişki, bu cihazların çeşitli ölçüm uygulamalarında elektrik miktarlarını hassas bir şekilde ölçmeleri için temel oluşturur.

Termoelektrik Cihazların Avantajları

Termoelektrik cihazlar, birçok belirgin avantaja sahiptir, bu da onları elektrik ölçümünde ve analizde değerli araçlar haline getirir:

• Doğrudan RMS Gösterimi: Ana avantajlardan biri, dalga formunda voltaj ve akımın kök ortalama kare (RMS) değerlerini doğrudan gösterme yeteneğidir. Bu özellik, ölçüm sürecini basitleştirir, kullanıcıların bu kritik elektrik parametrelerini hızlı ve hassas bir şekilde belirlemelerine olanak tanır, ek hesaplamalar veya karmaşık dönüştürme yöntemlerine ihtiyaç duymadan.

• Yanlı Şimşek Alanlarına Direnç: Bu cihazlar, yanıltıcı şimşek alanlarına karşı doğal bir direnç gösterir. Bu direnç, dış şimşek interferanslarının cihazın çalışmasını veya sonuçları eğrilendirmemesini sağlayarak daha doğru ve güvenilir ölçümlere olanak tanır. Elektrik makinaları veya güç hatları gibi şimşek interferansının yaygın olduğu ortamlarda, bu avantaj özellikle önemlidir.

• Geniş Akım Ölçüm Aralığı: Bu cihazlarda kullanılan termoelektrik elemanlar, geniş bir akım ölçüm aralığı sağlar. Düşük akım veya yüksek akım uygulamalarıyla ilgilenen, termoelektrik cihazlar, ilgili değerleri hassas bir şekilde yakalayarak ve gösterebilir, bu da onları çeşitli elektrik sistemleri ve deneysel kurulumlar için çok yönlü hale getirir.

• Yüksek Hassasiyet: Termoelektrik cihazlar, elektrik miktarlarındaki küçük değişiklikleri bile tespit edebilir. Bu hassasiyet, laboratuvar araştırmalarında veya diğer elektrik cihazlarının kalibrasyonunda, voltaj veya akımdaki küçük varyasyonların önemli sonuçları olduğunda hassas ölçümler için kritiktir.

• Potansiyometre Kalibrasyonu İçin Faydalı: Standart hücrenin doğruluğundan yararlanarak, termoelektrik cihazlar, potansiyometrelerin doğru çalışması ve doğruluğunu sağlamak için çok faydalıdır. Potansiyometreler, elektrik devrelerinde voltaj düzenlemesi ve ölçümü için temel bileşenlerdir.

• Frekans Bağımsız Çalışma: Termoelektrik elemanlar, frekans hatalarından arındırılmıştır, bu da bu cihazların geniş bir frekans aralığında kullanılmasını sağlar. Bu özellik, düşük frekanslı güç sistemlerinden yüksek frekanslı elektronik devrelere kadar değişen frekanslı değişken akım (AC) sinyalleri içeren uygulamalar için uygun hale getirir.

Termoelektrik Cihazların Dezavantajları

Güçlü yönlerine rağmen, termoelektrik cihazların bir belirgin sınırlaması vardır:

• Sınırlı Aşırı Yük Kapasitesi: Diğer tiplerdeki elektrik ölçüm elemanlarına kıyasla, termoelektrik cihazların aşırı yük kapasitesi oldukça düşüktür. Bu, aşırı yük koşullarına maruz kaldıklarında, belirlenen limitlerini aşan elektrik akımları veya voltajlar karşısında hasar veya yanlış okuma riski taşıyan cihazlardır. Bu nedenle, aşırı yük koşullarının meydana gelebileceği uygulamalarda bu cihazları kullanırken dikkatli düşünülmesi ve uygun koruma önlemleri alınması gerekir, böylece potansiyel cihaz başarısızlığını veya ölçüm doğruluğunun tehlikeye girmesini önlemek için önlem alınmalıdır.