Skip to main content

Sıcaklık Sensörleri Nedir ? | Elektronik Giriş Çıkış Cihazları Serisi

SICAKLIK SENSÖRLERİ NEDİR ?

Sıcaklık sensörleri nedir ve nerelerde kullanılır ? Sıcaklık sensörlerinin çalışma prensipleri nedir ? Termostat , termokupl , termistör vb. nedir ? Bu ve benzeri sorulara yanıt aradığımız Sıcaklık Sensörleri Nedir adlı yazımızla karşınızdayız.

Başlayalım.

SICAKLIK SENSÖRLERİ

Sıcaklık sensörü tipleri,  sıcak su ısıtma sistemini kontrol eden basit On/Off termostatik cihazlardan karmaşık proses kontrol fırın tesislerini kontrol edebilen oldukça hassas yarı iletken tiplerine kadar çeşitlilik gösterir.

Fen derslerimizden moleküllerin ve atomların hareketinin ısı ürettiğini (kinetik enerji) ve hareket ne kadar büyükse, o kadar fazla ısı üretildiğini hatırlıyoruz.Sıcaklık Sensörleri, bir nesne veya sistem tarafından üretilen ısı enerjisi miktarını veya hatta soğukluğunu ölçerek, analog veya dijital çıkış üreten bu sıcaklıktaki herhangi bir fiziksel değişikliği “algılamamızı” veya algılamamızı sağlar.

Mevcut birçok farklı Sıcaklık Sensörü tipi vardır ve hepsi gerçek uygulamalarına bağlı olarak farklı özelliklere sahiptir.

Bir sıcaklık sensörü iki temel fiziksel tipten oluşur ;

Temaslı Sıcaklık Sensörü Tipleri – Bu sıcaklık sensörü tiplerinin algılanan nesneyle fiziksel olarak temas halinde olması ve sıcaklıktaki değişiklikleri izlemek için iletken kullanılması gerekir.Çok çeşitli sıcaklıklarda katı maddeleri, sıvıları veya gazları tespit etmek için kullanılabilirler.

Temassız Sıcaklık Sensörü Tipleri – Bu sıcaklık sensörü tipleri, sıcaklık değişimlerini izlemek için konveksiyon ve radyasyon kullanır.Isı yükseldikçe ve soğudukça, konveksiyon akımlarında dibe çöktüğünde, radyan enerji yayan sıvıları ve gazları ve kızılötesi radyasyon (güneş) biçimindeki bir nesneden iletilen radyan enerjiyi tespit etmek için kullanılabilir.

İki temel kontak tipi ve hatta temassız sıcaklık sensörü, aşağıdaki üç sensör grubuna (Elektromekanik, Rezistif ve Elektronik) ayrılabilir ve üç tür de aşağıda belirtilmektedir.

Termostat

Termostat, bir bi-metalik şerit oluşturmak üzere birbirine bağlanmış nikel, bakır, tungsten veya alüminyum vb. gibi iki farklı metalden oluşan bir kontak tipi elektro-mekanik sıcaklık sensörü veya anahtardır.

İki farklı metalin farklı doğrusal genleşme hızları, şerit ısıya maruz kaldığında mekanik bir bükülme hareketi üretir.

İki metalik şerit, elektrik anahtarı veya termostatik kontrollerde bir elektrik anahtarını çalıştırmanın mekanik bir yolu olarak kullanılabilir ve kazanlarda, fırınlarda, sıcak su depolama tanklarında ve araçta radyatör soğutma sistemleri ,sıcak su ısıtma elemanlarını kontrol etmek için yaygın olarak kullanılır.

Bi-metalik Termostat

Termostat, arka arkaya birbirine yapışmış iki farklı termal metalden oluşur.Soğuk olduğunda kontaklar kapanır ve akım termostattan geçer.

Sıcak olduğunda, bir metal diğerinden daha fazla genleşir ve bağlı iki metalik şerit, akımın akmasını önleyen kontakları açarak yukarı veya aşağı doğru bükülür.

Sıcaklık değişimlerine maruz kaldıklarında temel olarak hareketlerine dayanan iki ana bi-metalik şerit tipi vardır.Elektrik temas noktalarında belirlenmiş bir sıcaklık noktasında ani bir “Açma/Kapatma” veya “Kapalı/Açma” tipi bir hareket meydana getiren “anlık hareket” türleri ve konumlarını sıcaklık değiştikçe kademeli olarak daha yavaş “creep-action” değiştiren tipleri vardır.

Yaylı tip termostatlar, evlerimizde fırın, ütüler, daldırma sıcak su depolarının sıcaklık ayar noktasını kontrol etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır ve ayrıca evsel ısıtma sistemini kontrol etmek için duvarlarda da bulunabilirler.

Sarmaşık tipleri genellikle sıcaklık değiştikçe yavaşça açılan veya kıvrılan bi-metalik bir bobin veya spiralden oluşur.Genel olarak, sarmaşık tipi çift metalik şeritler, şerit daha uzun ve daha ince olduklarından, sıcaklık göstergelerinde ve kadranlarında vb. kullanım için ideal hale getirdikleri için standart geçmeli Açma/Kapama tiplerine göre sıcaklık değişikliklerine karşı daha hassastır.

Çok ucuz olmasına ve geniş bir çalışma aralığında bulunmasına rağmen, sıcaklık sensörü olarak kullanıldığında standart ani hareket tipi termostatların bir ana dezavantajı, elektrik kontaklarının tekrar açılıncaya kadar geniş bir histerezis aralığına sahip olmalarıdır.

Örneğin, 20 oC’ye ayarlanmış olabilir ancak 22 oC ‘ye kadar açılmayabilir veya 18 oC ‘ye kadar tekrar kapanmayabilir.(histeresiz aralığından dolayı)

Böylece sıcaklık değişiminin menzili oldukça yüksek olabilir.Ev kullanımı için ticari olarak temin edilebilen iki metalik termostatlar, daha kesin bir istenen sıcaklık ayar noktası ve histerezis seviyesinin önceden ayarlanmasını sağlayan sıcaklık ayar vidalarına sahiptir.

Termistör

Termistör, ismi THERM-(ally) + (res)-ISTOR kelimelerinin bir kombinasyonu olan başka bir sıcaklık sensörü türüdür.Termistör, sıcaklıktaki değişikliklere maruz kaldığında fiziksel direncini değiştiren özel bir direnç türüdür.

Termistörler genellikle nikel, manganez veya camla kobalt kaplı oksitler gibi seramik malzemelerden yapılır ve bu da kolayca zarar görebilir.Yaylı tiplerine göre ana avantajları, sıcaklık, hassasiyet ve tekrarlanabilirlikteki değişikliklere cevap verme hızlarıdır.

Çoğu termistör tipinin Negatif Sıcaklık Direnç Katsayısı veya (NTC) vardır, yani direnç değerleri sıcaklıktaki bir artışla aşağı olur ve tabii ki bir Pozitif Sıcaklık Katsayısı (PTC) olan türleride vardır. Direnç değeri, PTC ise sıcaklıktaki bir artışla birlikte yukarı artar artar.

Termistörler, manganez, kobalt ve nikel, vb. gibi metal oksit teknolojisini kullanan seramik tipli bir yarı iletken malzemeden yapılmıştır.Yarı iletken malzeme genellikle, sıcaklıktaki herhangi bir değişikliğe nispeten hızlı bir yanıt vermek üzere hava geçirmez bir şekilde kapatılmış olan küçük preslenmiş diskler veya yuvarlak şekillerde oluşturulur .

Termistörler, oda sıcaklığında (genellikle 25 oC‘de) direnç değerleri, zaman sabitleri (sıcaklık değişimlerine tepki verme zamanları) ve bunların içinden geçen akıma göre güç değerleriyle derecelendirilirler.

Dirençler gibi, termistörler de 10 ’MΩ’den bir kaç Ohm’a kadar oda sıcaklığında direnç değerleri ile kullanılabilir, ancak algılama amaçları için genellikle kilo-ohm’da değerleri olan tipleri kullanılır.

Termistörler pasif dirençli cihazlardır, yani ölçülebilir bir voltaj çıkışı üretmek için içinden bir akım geçmemiz gerekir.Daha sonra, termistörler genel olarak potansiyel bir bölücü ağ örgüsü oluşturmak için uygun bir bias direnci ile seri olarak bağlanır ve direnç seçimi örneğin önceden belirlenmiş bir sıcaklık noktasında veya çıkış değerinde bir voltaj çıkışı verir.

Sıcaklık Sensör Örnek 1

Aşağıdaki(resimde görebilirsiniz) termistör, 25 oC’de 10KΩ direnç değerine ve 100 oC’de 100Ω direnç değerine sahiptir. Termistördeki voltaj düşüşünü ve dolayısıyla 12v güç kaynağında 1kΩ dirençle seri bağlandığında her iki sıcaklık için çıkış voltajını (Vout) hesaplayın.

25 oC’de

Vout = (R2/R1+R2) x V = (1000/10000+1000) x 12V = 1.09V

100 oC’de

Vout = (R2/R1+R2) x V = (1000/100+1000)x 12V = 10.9v

R2 sabit direnç değerinin (bizim örneğimizde 1kΩ) bir potansiyometreyle veya ön ayarlı olarak değiştirilmesiyle, önceden belirlenmiş bir sıcaklık ayar noktasında bir voltaj çıkışı elde edilebilir, örneğin 60 oC’de 5v çıkış ve potansiyometrenin belirli bir çıkış voltaj seviyesi değiştirilerek daha geniş bir sıcaklık aralığında elde edilebilir.

Bununla birlikte, termistörün lineer olmayan cihazlar olduğu ve oda sıcaklığındaki standart direnç değerlerinin farklı termistörlerin arasında farklı olduğu, özellikle de yarı iletken malzemelerden kaynaklandığı belirtilmelidir.

Termistör, sıcaklıkla üssel bir değişime sahiptir ve bu nedenle herhangi bir sıcaklık noktası için direncini hesaplamak için kullanılabilecek bir Beta sıcaklık sabitine (β) sahiptir.

Bununla birlikte, bir voltaj bölücü köprüsü ya da Wheatstone Köprüsü tipi düzenlemede olduğu gibi bir seri dirençle kullanıldığında, bölücü/köprü ağına uygulanan bir gerilime yanıt olarak elde edilen akım, sıcaklık ile doğrusaldır.Ardından, direnç boyunca çıkan çıkış voltajı sıcaklıkla doğrusallaşır.

sıcaklık sensörleri nedir ?

Dirençli Sıcaklık Dedektörleri (RTD)

Başka bir elektriksel direnç sıcaklık sensörü tipi, Direnç Sıcaklık Dedektörü veya RTD’dir.RTD’ler, bir bobine sarılmış platin, bakır veya nikel gibi yüksek saflıkta iletken metallerden yapılmış ve elektrik direnci, termistörünkine benzer bir sıcaklık işlevi olarak değişen hassas sıcaklık sensörleridir.

Ayrıca ince filmli RTD’leri de mevcuttur.Bu cihazlar, beyaz bir seramik substrat üzerine biriktirilmiş ince bir platin macunu filmine sahiptir.

Dirençli sıcaklık dedektörleri pozitif sıcaklık katsayılarına (PTC) sahiptir, ancak termistörden farklı olarak çıkışları çok doğrusaldır ve çok hassas sıcaklık ölçümleri üretir.

Bununla birlikte, çok düşük termal duyarlılığa sahiptirler, yani sıcaklıktaki bir değişiklik, örneğin 1Ω/ oC gibi çok küçük bir çıkış değişikliği üretir.

Daha yaygın olan RTD’ler platinden yapılır ve en yaygın olarak bulunan ve 0 oC’de 100Ω standart direnç değerine sahip Pt100 sensörü olan Platin Dirençli Termometre veya PRT’ler olarak adlandırılır. Dezavantajı, Platinum’un pahalı olmasıdır.

Termistör gibi, RTD’ler de pasif dirençli cihazlardır ve sıcaklık sensöründen sabit bir akım geçirerek sıcaklıkla doğrusal olarak artan bir çıkış voltajı elde etmek mümkündür.Tipik bir RTD, 0 oC’de yaklaşık 100 ohm’luk bir baz direncine sahiptir ve  -200 ila + 600 oC arasında bir çalışma sıcaklığı aralığında 100oC’de yaklaşık 140Ω’a yükselmektedir.

RTD dirençli bir cihaz olduğu için, içinden bir akım geçirmemiz ve ortaya çıkan voltajı izlememiz gerekir.Bununla birlikte, direnç tellerinin akım içinden geçerken kendiliğinden ısınması nedeniyle dirençteki herhangi bir değişiklik, I2R (Ohm Yasası), okumalarda hataya neden olur.

Bundan kaçınmak için, RTD genellikle kurşun/veya sabit bir akım kaynağına bağlantı için ek bağlantı tellerine sahip bir Wheatstone Köprüsü ağına bağlanır.

Termokupl

Termokupl, tüm sıcaklık sensörü tiplerinin en yaygın kullanılan şeklidir.Termokupllar basitliği, kullanım kolaylığı ve küçük boyutlarından dolayı sıcaklık değişikliklerine cevap verme hızları nedeniyle popülerdir.

Termokupllar ayrıca -200 oC’nin altındaki ve 2000 oC’nin üzerindeki tüm sıcaklık sensörlerinin en geniş sıcaklık aralığına sahiptir.

Termokupllar, temelde birbirine kaynaklanmış veya kıvrılmış bakır ve bakır-nikel gibi birbirine benzemeyen metallerin iki birleşiminden oluşan termoelektrik sensörlerdir.Bir birleşim bölgesinde, bir tanesi referans (soğuk) bölgesi adı verilen sabit bir sıcaklıkta, diğeri ise ölçüm (Sıcak) bölgesi olarak bilinen iki bölgeden oluşur.

İki birleşim bölgesi farklı sıcaklıklarda olduğunda, sıcaklık sensörünü resimde de  gösterildiği gibi ölçmek için kullanılan bir birleşim noktası oluşur.

Termokupl Yapısı

Bir termokuplun çalışma prensibi çok basittir ve temeldir.Bir araya geldiklerinde bakır ve bakır-nikel gibi birbirinden farklı iki metalin birleştiği nokta, aralarında sadece birkaç mili volt (mV) sabit bir potansiyel farkı veren bir “termo-elektrik” efekti üretir.

İki birleşim noktası arasındaki voltaj farkına “Seebeck etkisi” denir, çünkü bir sıcaklık gradyanı, bir emf üreten ,iletken teller boyunca üretilir.

Daha sonra bir termokupldan çıkan voltaj, sıcaklık değişimlerinin bir fonksiyonu olur.

Eğer her iki birleşim noktası aynı sıcaklıktaysa, iki birleşim noktası arasındaki potansiyel fark sıfırdır, başka bir deyişle V1 = V2 gibi, gerilim çıkışı yoktur.

Bununla birlikte, bağlantılar bir devrenin içine bağlandığında ve her ikisi de farklı sıcaklıklarda olduğunda, iki bağlantı, V1 – V2 arasındaki sıcaklık farkına göre bir voltaj çıkışı algılanacaktır. Gerilimdeki bu fark, birleşme noktaları tepe voltaj seviyesine ulaşılana kadar sıcaklıkla artacaktır ve bu fark, kullanılan iki farklı metalin özellikleri tarafından belirlenmektedir.

Termokupllar, -200 oC ile + 2000 oC arasında ki sıcaklıkların ölçülmesini sağlayan çeşitli malzemelerden yapılabilir.

Bu kadar geniş bir malzeme ve sıcaklık yelpazesi seçeneği ile, kullanıcının belirli bir uygulama için doğru termokupl sensörünü seçmesini sağlamak için termokupl renk kodları ile birlikte uluslararası kabul görmüş standartlar geliştirilmiştir.

Standart termokupllar için İngiliz standartları renk kodları aşağıda verilmiştir.

Termokupl Renk Kodları

Kod Tipiİletkenler(+/-)Hassaslık
ENikel Krom/Bakır Nikel-200  <->900 oC
JDemir/Bakır Nikel0  <->750 oC
KNikel Krom/Nikel Alimünyum-200  <->1250 oC
NNikrosil/Nisil0  <->1250 oC
TBakır/Bakır Nikel-200  <->350 oC
UBakır/Bakır Nikel0  <->1450 oC

Yukarıda genel sıcaklık ölçümü için kullanılan en yaygın üç termokupl malzeme ;

Demir-Bakır Nikel (Tip J), Bakır-Bakır Nikel (Tip T) ve Nikel-Krom (Tip K) ‘dir.

Bir termokupldan gelen çıkış voltajı çok küçüktür, sıcaklık farkındaki 10 oC ‘lik bir değişiklik için sadece birkaç mili volt (mV) ve bu küçük voltaj çıkışı nedeniyle genellikle bir çeşit yükseltme gerekir.

Termokupl Amplifikasyon

Ayrık veya bir İşlemsel Yükselteç(Op-Amp) şeklinde yükseltici tipinin dikkatli bir şekilde seçilmesi gerekir, çünkü ısıl çiftin sık aralıklarla yeniden kalibre edilmesini önlemek için iyi bir değişim kararlılığı gerekir.

Bu, çoğu sıcaklık algılama uygulaması için chopper ve instrumentation tipi yükselticiyi tercih eder.

Burada belirtilmeyen diğer Sıcaklık Sensörü Tipleri, Yarı İletken Bağlantı Sensörleri, Kızılötesi ve Termal Radyasyon Sensörleri, Tıbbi Tip Termometreler, Göstergeler ve Renk Değişen Mürekkep veya Boyaları içerir.

SICAKLIK SENSÖRLERİ NEDİR SONUÇ :

Bugün Sıcaklık Sensörleri Nedir hakkındaki bu  yazımızda, sıcaklık değişimlerini ölçmek için kullanılabilecek birkaç sensör örneğine baktık.Bir sonraki derste, Fotodiyot, Fototransistör, Fotovoltaik Hücre ve Işığa Duyarlı Direnç gibi ışık miktarını ölçmek için kullanılan sensörlere bakacağız.Umuyorum faydalı bir yazı olmuştur.

İyi Çalışmalar

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.