Sıcaklık Sensörleri Nedir? Çeşitleri Nelerdir?

Günlük hayatımızda farkında olmasak da kullandığımız birçok malzemenin, ürünün, cihazın veya hizmetin üretim aşamasında sıcaklık faktörü işin içine giriyor. Üretim aşamasında sıcaklığı gerekli sınırlar içinde tutmak, fazla veya az olduğunda bunun farkına varabilmek ve gerekli müdahaleleri yapabilmek için sıcaklık sensörleri kullanılıyor. Peki, ne tür sıcaklık sensörleri mevcut ve kullanılmakta? Cevabı ve daha fazlası yazımızın devamında.

A- A+

02.02.2019 tarihli yazı 44621 kez okunmuştur.

Sıcaklık Ölçümünün Önemi ve Ölçüm Sensörleri

Sıcaklık ölçümleri günlük hayatın yanı sıra, üretim, sanayi ve endüstri alanlarında yapılması en gerekli ölçümlerden birisidir. Birçok sürecin en kritik yeri, sıcaklığının belirli bir seviyede olması ve sürekli kontrol edilme ihtiyacıdır. Örneğin; termik santrallerde ısıtıcı paketlerinden çıkıp, türbine verilecek buharın sıcaklığı çok önemlidir. Buhardaki 5º veya 10ºC sıcaklık artışı, türbine zarar verip, büyük ve maliyetli istenmeyen olaylar meydana getirebilir. Bunun gibi birçok alanda sıcaklığı ölçmek, belirlemek ve kontrol altında tutmak için sıcaklık sensörleri kullanılır.

Farklı ihtiyaç alanları için, farklı sıcaklık sensörleri kullanılır. Ölçüm yapılacak ortam, sıcaklık ölçümü değer aralıkları, ölçüm hassaslığı gibi sebeplerden dolayı kullanılacak sensörün tipi ve niteliği değişir.

O halde, zaman kaybetmeden sıcaklık sensörlerini incelemeye başlayalım.

1. Isıl Çift (Termokupl)

Isıl çiftler sık kullanılan sıcaklık ölçüm sensörleridir. Birbirinden farklı iki iletkenin basitçe bir araya getirilmesi ile oluşur. İki iletkenin birleşim noktasına sıcak uç, açık kalan uçları tarafına da soğuk uç veya referans uç denir. Sıcak uç, ısıtılan ya da kaynatılan uçtur; soğuk uç ise referans noktası olması için sabit bir sıcaklıkta tutulan uçtur. (Genellikle 0º derecede tutulur.)

►İlginizi Çekebilir: Pozisyon Sensörleri - 1. Bölüm

Sıcak uç ısıtıldığında “Seebeck Etkisi” gereğince hareketlenen elektronların soğuk uç tarafına hareket etmesi ile sıcak uç ile soğuk uç arasında mV mertebesinde gerilim farkı meydana gelir. Meydana gelen gerilim farkı sıcak uç sıcaklığına bağlı olarak değişir. 200ºC’de oluşan mV değeri, ısıl çiftin sıcak noktası 200ºC ve soğuk noktası 0ºC iken aldığı değerdir.

Isıl çiftlerde kullanılan iletkenlerin türüne göre ölçebileceği sıcaklık aralıkları değişir. Aşağıda en çok kullanılan iletken türlerine ait sıcaklık aralıkları gösterilmiştir.

►İlginizi Çekebilir: Piezoelektrik Sensörler ve Modellenmesi

Isıl çiftler -200ºC ile 2000ºC sıcaklık aralıklarında ölçüm yapabilir. Kullanıldıkları ölçüm ortamına göre; sensörün fiziksel etkilere ve zararlara maruz kalmaması için özel kaplamalar ve koruma kılıfları kullanılır. Genel olarak metal (1.4841 alaşımı) ve seramik (KER 530, KER 610, KER 799) kılıfları tercih edilir.

2. Termistör

Termistör yarı iletken malzemeden yapılan, sıcaklık değişimiyle direnç değerinin değiştiği pasif bir devre elemanıdır ve sensör olarak da kullanılır.

Sıcaklık değişimiyle yapısındaki malzemenin direnci artar veya azalır. İki çeşidi vardır: Pozitif sıcaklık katsayılı (PTC) termistör ve negatif sıcaklık katsayılı (NTC) termistör. PTC’de, sıcaklık artışlarında yarı iletken malzemenin direnci artarken; NTC’de sıcaklık artışlarında direnç değeri azalır.

►İlginizi Çekebilir: Biyosensörler ve Çeşitleri

Sensör olarak kullanımına gelecek olursak; sıcaklık ölçümü yapılacak ortama yerleştirilen NTC veya PTC’nin sıcaklık değerlerine göre direnç değerleri değişir. Ölçülen direnç değerine karşılık gelen sıcaklık değeri bulunur. Termistörlerden bir çıkış sinyali almak için üzerlerinden belirli bir akım geçirilir ve gerilim çıkışı elde edilir. Değişken direnç değerleri sayesinde uygun devrelerde gerilimi bölücü olarak da kullanılabilirler.

Termistörlerde sıcaklık değişimleri hızlı bir şekilde direnç değişimine yansır ve hassas ölçümler alınır. Ancak çalışma sıcaklıkları düşüktür. NTC tip termistörler daha yaygın olarak kullanılır.

►İlginizi Çekebilir: Termoelektrik Etki Nedir?

Termistörler; elektronik termometrelerde, araba radyatörlerinde, ısı ayarlı havyalarda, elektrik motorunun ısı koruması gibi fazla ısınmaya engel olacak devrelerde akım ve gerilim limitleyici olarak kullanılırlar.

3. Dirençsel Termometreler (RTD)

Dirençsel termometreler (RTD) iletken malzemelerin bir sargıya sarılması veya film halinde kullanılması ile yapılan, pozitif sıcaklık katsayılı (PTC) bir sensördür. Sıcaklık ile değişen direnç değerine göre çıkış verir. Pozitif sıcaklık katsayılı olduğu için sıcaklık artışı iletken malzemenin direncinin artmasına neden olur.

►İlginizi Çekebilir: Biyosensör Hastalık Tanısını Kolaylaştıracak

PT100, PT1000 RTD’ler arasında en çok kullanılan sensör tipidir. PT100, 0ºC’de 100Ω’luk direnç değerine sahipken, 100ºC’de 138Ω direnç değerine sahiptir. Belirli bir direnç-sıcaklık tablosu da mevcuttur. PT100’ün çalışma sıcaklığı aralığı -200ºC ile +850ºC’dir. Ölçümün alınacağı mesafe, ölçüm doğruluğu ve hassaslığı ölçütlerine göre 2,3 ve 4 telli çeşitleri bulunur.

►İlginizi Çekebilir: Sıcaklık Ölçüm Enstrümanı Termodirenç PT100 ve Endüstride Kullanımı

2 telli PT100’de kablo direnci hesaba katıldığı için ölçümler istenilen doğrulukta olmaz. Kısa mesafelerde ve hassas ölçüm gerektirmeyen yerlerde kullanılır.

3 telli PT100, üçüncü tel kablo direncinin ölçümden çıkarılmasını sağlar. Daha doğru ölçüm alınması sağlanır.

4 telli PT100’de ölçümler daha hassas olur ve uzun mesafelerden ölçümler alınabilir.

RTD’ler termistörlere göre daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilirken, termokupllara göre daha düşük sıcaklık aralığında kullanılırlar. Yüksek doğrulukla ölçüm yaparlar ve ölçüm sonuçları oldukça doğrusaldır.

RTD’lerin dirençsel değişimleri tek başlarına bir şey ifade etmez. Üzerlerinden akım geçmesi durumunda meydana gelen gerilim sayesinde ölçümler anlamlandırılır.

RTD’ler klima sistemlerinde, tekstil alanında, mikro elektronikte, egzos gazı sıcaklık ölçümlerinde ve birçok uygulama alanında tercih edilip, kullanılırlar.

4. Yarı İletken Sıcaklık Sensörleri

Yarı iletken sıcaklık sensörleri, yarı iletken silikon malzemeden yapılan elektronik sensörlerdir. Oldukça küçük boyutlara sahiptir ve bu özelliği sayesinde birçok entegre devrede kullanılır. Çalışma sıcaklığı aralığı -50ºC ile +150ºC arasındadır ve doğrusal çıkış değerlerine sahiptir.

Yapısı gereği yüksek sıcaklıklarda ölçüm yapamayan yarı iletken sıcaklık sensörleri bulundukları devrede uygun olarak termal korumaya alınırlarsa, oldukça iyi ölçüm performansı sergilerler.

►İlginizi Çekebilir: Jiroskop Sensörü Nasıl Çalışır?

Çalışma prensipleri; transistörlerin akım karakteristiği üzerine kurulmuştur. Farklı kolektör akımlarına sahip iki transistörün sıcaklık değişimine bağlı olarak ‘base-emitter’ gerilimlerinin farkları da değişir ve bu fark, akım veya tek bir gerilime çevirilerek ölçüm alınmış olur.

►Analog Akım ve Gerilim Sıcaklık Sensörleri:

Ortam sıcaklığına göre, çıkış olarak akım veya gerilim değeri veren sensörlerdir. Genellikle, ikaz ile çalışması gerektiğinden güç kaynağına ihtiyacı vardır.

►Dijital Sıcaklık Sensörleri:

Analog sensörlerin tersine, dijital sinyal çıkışı verirler (1 ve 0 şeklinde). Yapısında bulunan sıcaklık sensörü, analog ölçüm sonucunu analog/dijital çeviriciye (ADC) gönderir. ADC’den çıkan dijital sinyaller seri haberleşme arayüzleri ile mikro işlemcilere ulaşır. Mikro işlemci ise sinyalleri değerlendirerek gerekli işlemleri gerçekleştirir.

Kaynak:

►sensortips.com
►electronics-tutorials.ws