MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 317 ÖLÇME TEKNİĞİ. Sıcaklık Ölçümü 8. Hafta

(1)

T.C.

ONDOKUZ MAYIS ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MAK 317 ÖLÇME TEKNİĞİ

Sıcaklık Ölçümü

8. Hafta

(2)

BÖLÜM 6 SICAKLIK ÖLÇÜMÜ

6.1 Giriş

Bilindiği gibi ısı bir enerji çeşididir. Birimi kalori veya Joule’dür. Sıcaklık ise ısının etkisi ve enerjinin etkileşimi olarak ortaya çıkar. Yani sıcaklık bir sonuçtur. Ölçme işlemi ise etkiden yola çıkılarak yapılır. Isının maddeler üzerinde yaptığı etkilerden faydalanılarak sıcaklık ölçümü gerçekleştirilir. Sıcaklık, moleküler aktivitenin (moleküler kinetik enerjinin) göstergesidir, fiziksel bir temel büyüklüktür. Bir referans sistemine göre sıcaklık ölçen cihazlara termometre veya sıcaklık ölçer denir.

Normal atmosfer basıncında (101325 Pa), suyun donma ve kaynama noktaları referans alınarak sıcaklık ölçekleri tanımlanmıştır. Şekil 6.1’de literatürde en çok kullanılan sıcaklık ölçekleri ve tanımlanmış oldukları suyun donma ve kaynama noktaları verilmiştir.

Santigrad derecesini 1742 yılında İsveçli fizikçi Celcius, suyun donma sıcaklığını 0 °C, kaynama sıcaklığını 100 °C kabul ederek ve 100 eşit parçaya bölerek elde etmiştir.

Kelvin ölçeğini ise Lord Kelvin geliştirmiştir. Kelvin, teorik olarak erişilebilecek en düşük sıcaklık olan –273 °C’yi mutlak 0 noktası kabul etmiştir. Kelvin suyun donma sıcaklığını 273 K, kaynama sıcaklığını 373 K kabul ederek ve 100 eşit parçaya bölerek elde etmiştir. Yapılan araştırmalarda hiçbir maddenin sıcaklığı -273 °C’nin altına düşürülememiştir.

Fahrenheit referans olarak yine aynı şartlar altında suyun donma ve kaynama noktalarını almış olup donma noktası 32 °F, kaynama noktası 212 °F alınarak 212 – 32=180 eşit parçaya bölünmüştür. Aşağıda sıcaklık ölçeklerinin dönüşümünde kullanılan eşitlikler verilmiştir.

T (°F ) = 1.8T (°C ) + 32 T(K) = T(°C) + 273.15

Şekil 6.1: Sıcaklık ölçeklerinin karşılaştırılması

Örnek 6.1: Muhammet sıcaklık ölçeğine göre suyun donma sıcaklığı 20 M kaynama sıcaklığı ise 220 M olarak tanımlanmıştır. Muhammet sıcaklık ölçeğine göre 100 M olan suyun sıcaklığı Kelvin sıcaklık ölçeğine göre kaç K’dir?

Çözüm:

[ ] ( )

( ) ( ) Suyun Donma

Noktası Suyun Kaynama

Noktası

(3)

6.2 İdeal Gaz Termometresi

İdeal gaz termometresi sabit bir hacimdeki gazın basıncının değişimini kullanarak sıcaklık ölçümü yapan bir alettir. Bu termometreler gazların P*v=R*T şeklinde tanımlanan ideal gaz kanuna dayanır. Burada P basınç, v özgül hacim, R üniversal gaz sabiti ve T ise mutlak sıcaklıktır.

Şekil 6.2’de görüldüğü gibi uygun bir gaz sabit kapalı bir hacim içine doldurulmuştur. Bu hacim içindeki gazın sıcaklığı değiştikçe basıncıda değişmektedir. Değişen basınç ölçülerek sıcaklık hesaplanır. Sabit hacim için ideal gaz kanunu belir bir referans sıcaklık göz önüne alındığında sıcaklık; T=Tref[P/Pref] eşitliğinden hesaplanabilir. Burada P ölçülen basınç, T hesaplanacak (ölçülmek istenen) sıcaklık, Tref referans sıcaklığı, Pref referans sıcaklığındaki basınç (referans basıncı) olarak ifade edilir.

Endüstriyel uygulamalar için azot gazı bu tip termometrelerde çok kullanışlıdır. Bunlar ile -1000 C ile 5500 C değerleri arasındaki sıcaklılar kolaylıkla ölçülebilir.

Şekil 6.2: İdeal gaz termometresi

6.3 Mekanik Etkilerle Sıcaklık Ölçümü

6.3.1 Sıvı genleşmeli cam termometre

Sıcaklık ölçümünde en çok kullanılan cihazlar, sıvı genişlemeli cam termometrelerdir. Temel çalışma prensibi, hazne içindeki sıvı, sıcaklıkla genişleyerek kılcal boru içinde yükselmesidir. Civa en çok kullanılan sıvıdır. Basit, doğrudan okuma imkânı, taşınabilir ve ekonomik olmaları önemli avantajlarıdır.

Şekil 6.3: Sıvı genleşmeli cam termometre Sıcaklığa duyarlı

hazne Ölçek Kılcal tüp Emniyet

hacmi

İdeal gaz

Sıcaklığı ölçülen ortam

T

Basınç sensörü

(4)

Çözüm:

Termometrenin skalasındaki aralıklar eşittir. 20 ℃ sıcaklığına sıvının yükselebilmesi için gerekli olan hacim X olsun. Bu durumda sıvının toplam hacmi,

olur. Sıcaklıkla hacmin değişimi denklemi yazılırsa;

X k∀₀(T ( 4 )) (Genleşen akışkan hacmi)

X=60 birim denirse, k olması gerekenin iki katı olduğu için (sıvı farklı olduğundan), hacimde olması gerekenin iki katı olmuştur. Şayet sıvı olması gerektiği gibi cıva olsaydı genleşen sıvı hacmi X=30 birim olacaktı. 60 birim ΔT=60℃ ye denk geldiğine göre 30 birim ΔT=30℃ ‘ye denk gelecektir. Gerçek sıcaklık ise aşağıdaki gibi olacaktır.

T=-40 ℃ + 30℃ =-10 ℃

∀(T) ∀₀ X

∀₀ X ∀₀ k∀₀(T ( 4 ))

Örnek 6.2: Aşağıdaki şekilde görülen cıvalı termometrenin haznesinde -40 ℃ sıcaklıkta civanın yerine yanlışlıkla, sıcaklıkla genleşme katsayısı civanın iki katı olan sıvı doldurulmuştur. Bu durumda termometre ile 20 ℃ olarak okunan sıcaklık gerçekte kaç ℃’tır?

Sıcaklıkla sıvı hacminin değişimi aşağıdaki gibidir.

∀(T) ∀₀ k∀₀(T ( 4 )) Burada;

∀₀ : Akışkanın -40℃ sıcaklığındaki hacmi k : Akışkanın sıcaklıkla genleşme katsayısı T : Akışkanın sıcaklığı ℃

6.3.2 Gaz ve sıvı basınç termometreleri

Bu termometrelerin çalışma mantığı ideal gaz termometresinin çalışma mantığı ile aynıdır. Arasındaki temel fark bu tip termometrelerin ideal gazdan başka herhangi bir sıvı, gaz veya sıvı-buhar ile doldurulmuş olmasıdır. Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi, kapalı kabın içinde bulunan akışkanın sıcaklıkla ısıl genleşmesinin oluşturduğu basıncın ölçülmesi ile sıcaklık hesaplanır. Bu tip termometrelere akışkan genleşmeli termometreler de denir. Diğer sıcaklık ölçerlere göre ekonomik ve hassas olmalarından dolayı tercih edilirler. -150 °C ile +600 °C arasında ölçüm yapabilirler.

Şekil 6.4: Gaz ve sıvı basınç termometreleri

6.3.3 Bimetal termometre

İlk çift metalli sıcaktan etkilenmiş olan termostat, 1726'da saatin çeşitli sıcaklık şartlarında çalışması sırasında hassasiyetini korumak için kullanılmıştır. Termostat kelimesiyse 1830'da, bimetal şeridin sıcaklıkta farklı uzamadan dolayı bükülüp ısıtma ve soğutma sistemlerini kontrol etmesinde ortaya atılmıştır. Değişik termostat türleri ortaya çıkmasına rağmen,

Sıvı

Buhar Kılcal boru

(5)

geliştirilmiş bimetal şeritli termostatlar günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi, iki farklı genleşme kat sayısına sahip bimetal malzeme sıcaklık etkisi altında genleşmek isteyecektir. Bu metal malzemeler birbirleri ile birleştirildiğinden (perçin, kaynak vs.) ve farklı genleşme kat sayılarına sahip olduklarından, yüksek genleşme özelliğine sahip olan diğerinin üzerine doğru eğim yaparak genleşecektir.

Bu yer değiştirmeler bir sistem kontrolünü sağlayabileceği gibi ölçüm amaçlı da kullanılabilir. Elektrikli ısıtıcı türlerinin bir çoğunda güvenli bir şekilde kullanılır. Bunlardan bazıları buzdolabı, elektrikli semaver, elektrikli su ısıtıcısı, elektrikli soba, kombi, endüstriyel ortamlarda ise çeşitli fırınların emniyet sistemlerinde boya hanelerinin ısıtma sistemlerinde, kaplama preslerinin ısıtma sistemlerinde, arabaların soğutma suyu sisteminde, klima sistemlerinde, sinyal sisteminde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. (Bimetal termometre ile gaz genleşmeli termometrenin çalışma yapısı ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-1)

Bimetal termometreler güce ihtiyaç duymazlar, sağlam, kullanımı kolay ucuz fakat çok hassas değil. -50 C ile +400 C arasında ölçme yaparlar. Hassasiyetleri ±%1-3 arasındadır.

Şekil 6.5: Bimetal termometrelerin çalışma yapısı

Şekil 6.7: Bimetal termometreler

6.4 Elektriksel Etkilerle Sıcaklık Ölçümü

6.4.1 Elektrik direnç termometreleri (RTD)

Bazı direnç elemanlarının (Platin, Nikel, Tungsten gibi malzemeler) elektrik dirençlerinin sıcaklık ile değişmesi prensibine dayanır. Elektrik direnç termometrelerinin direnç elamanının elektriksel direnci sıcaklık artıkça artmaktadır. Ölçülen sıcaklık dar aralıkta ise elektriksel direncin sıcaklıkla değişimi aşağıdaki gibi lineer kabul edilir. Ölçülen sıcaklık geniş aralıkta ise elektriksel direncin sıcaklıkla değişiminin aşağıdaki gibi ikinci dereceden bir polinom olduğu kabul edilir.

(Elektriksel sıcaklık ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-2)

[ (T T] ( T T )

Serbest uç

Sabit uç

Bimetal çubuk

Sapma Kablo

Kaide

Kaynak bağlantı

Kablo Temas

Serbest uç

Serbest uç Helisel bimetal

malzeme İbreyi döndüren

mil

Sabit uç

(6)

Eşirliklerde ;

T : Referans sıcaklığı [K]

: Direnç elemanının T sıcaklığındaki direnci

: Direnç elemanının direncinin sıcaklıkla değişimi katsayısı (Direnç elemanının malzemesine göre değişir) a, b : Denklem sabitleridir ve deneysel olarak bulunur (kalibrasyon).

Direnç termometrelerinin fiyatları, termoelemanlara göre daha pahalı olup, tepki zamanları da daha uzundur. Direnç termometreleri yavaş değişen sıcaklık ölçümlerinde kullanıldıklarında en iyi sonuçlar verirler. RTD’lerle ‐260 ôC / +850 ôC arasındaki sıcaklıklar ölçülebilir. Hassasiyeti ±0.01 ôC olabilir.

2-telli ölçüm bağlantı kablolarının olmadığı uygulamalar için uygundur. 3-telli ölçüm bağlantı kablo dirençlerinin etkisini dikkate alarak yeterli doğruluk sağlar. Bununla birlikte, en iyi doğruluk 4-telli RTD ile sağlanır. 4-telli RTD ile ölçüm tekniğinde bağlantı kablolarının ikisi sabit akım kaynağına bağlanır ve diğer iki bağlantı kablosu ise direnç üzerindeki gerilim düşümünün ölçülmesinde kullanılır.

Şekil 6.8: 2-telli, 3-telli ve 4-telli ölçüm bağlantı elektrik direnç termometreleri [3]

RTD’ler aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi cam ya da seramik bir çubuk üzerine çok ince tellerin (platin, nikel) sarılması ile elde edilir. Tellerin mekanik zorlamalardan ve korozyondan korunması sağlamak için sensör kısmı koruyucu kılıf içine konur. RDT termometrelerde elektrik direnci, pratikte Wheastone köprüsü devresi kullanılarak ölçülür.

Şekil 6.9: Elektrik direnç termometrelerinin yapısı

Sıcaklık ile direnç değişimleri incelendiğinde, birçok metal ve alaşım içinde en iyi neticeyi platin ve nikel tel verdiği için bu alanda bu iki telden sarılmış dirençler kullanılır. Özellikle Platin RTD (PT100)’nin kullanımı çok yaygındır.

Platin RTD (PT100)

Direnç termometre elemanı, platin veya nikel telden sarılan direncin cam, mika veya seramik içine gömülmesi ile oluşur.

Ayrıca sert kâğıt üzerine sarılan tipleri de vardır. Platin RTD’ler -250°C’den 850°C’ye kadar kullanılabilmektedir. Ancak daha sabit sıcaklık verdiğinden, değer değişimi doğrusala daha yakın ve kullanımları daha yaygın olduğundan, kolay bulunabildiğinden dolayı, Ni100 kullanımı uygun olan aralıklarda bile Pt100’ler seçilir. Çift elemanlı Pt100’lerde her iki eleman da ayrı toleranslarda ve özelliktedir.

Direnç elemanı

İnce tel

Koruyucu kılıf

Seramik bobin

(7)

Şekil 6.10: Pt100 sıcaklık ölçer

Nikel RTD (Ni100)

Nikel telden yapılmış olan RTD’ler -60°C ile +150°C arasındaki sıcaklıklarda kullanılır. Kullanım alanları genellikle iklimlendirme cihazlarıdır. PT100’lerden farkı direnç değişim değerleri ve çalışma aralıklarıdır. Fiziki yapıları Pt100’ler ile aynıdır.

Örnek 6.3: Sıcaklıkla direncinin değişimi lineer olan bir direnç termometresinde 10℃ sıcaklıkta, elektriksel direnç 20 mΩ, 50℃ sıcaklıkta, elektriksel direnç 40 mΩ olarak ölçülerek kalibrasyon yapılmıştır. Kalibrasyonun ardından sıcaklık ölçümü yapıldığında, elektriksel direncin 32mΩ olarak ölçülmüştür. Ölçülen sıcaklık kaç ℃’dir?

Çözüm:

[ (T T )]

T sıcaklığı, 10℃ ve direnci 20 mΩ olarak alınırsa, T, 50℃ sıcaklık değeri için direnç R, 40 mΩ olmaktadır. Bu durumda kalibrasyon sonucu katsayısı aşağıdaki gibi elde edilir.

4 [ ( )]

[ (T )]

T

6.4.2 Termistörler

Termistörlerde sıcaklık, dirençteki değişmenin sıcaklıkla değişmesi ile ölçülür. Küçük sıcaklık değişimini algılayabilir ve hızlıdırlar. Yarı iletken seramiklerden (metal oksitkerden) yapılırlar. Çalışma aralığı -40 °C ile 300 °C arasındadır ve 0.01 °C hassasiyete kadar sıcaklık ölçümünü yaparlar (RTD’lerden daha hassas). Sıcaklıkla elektriksel direnç değişimi doğrusal değildir ve sıcaklığın artmasıyla direnci azalır.

[ (

T T )]

Eşirliklerde ;

T : Referans sıcaklığı [K]

: Direnç elemanının T sıcaklığındaki direnci

: Deneysel sabit (Direnç elemanının malzemesine göre değişir)

(8)

Şekil 6.11: Farklı yapıdaki termistörler

Örnek 6.4: Sıcaklıkla direncinin değişimi lineer olan bir termistörde 10℃ sıcaklıkta, elektriksel direnç 20 mΩ, 50℃

sıcaklıkta, elektriksel direnç 40 mΩ olarak ölçülerek kalibrasyon yapılmıştır. Kalibrasyonun ardından sıcaklık ölçümü yapıldığında, elektriksel direncin 32mΩ olarak ölçülmüştür. Ölçülen sıcaklık kaç ℃’dir?

Çözüm:

Termistörlerde direncin sıcaklıkla değişimi aşağıdaki eşitlikteki gibidir.

[ (

T T )]

T sıcaklığı, 10℃ ve direnci 20 mΩ olarak alınırsa, 50℃ sıcaklık değeri için direnci veren eşitlik aşağıdaki hali alır.

4 [ (

)]

[ (

)]

( ) ( ) 4 T

T₀ ( ₀) 4 ( ) T

4 (

)

6.4.3 Isıl çiftler (Termokupl)

Elektriksel çıkış sinyali ile sıcaklığın ölçülmesinde en sık kullanılan yöntemdir. Termokupl iki farklı alaşımın ucunun kaynaklanması ile oluşturan basit bir sıcaklık ölçü elemanıdır. Kaynak noktası sıcak nokta, diğer açık iki uç soğuk nokta (veya referans noktası) olarak anılır. Termokupl olayı sıcak nokta ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkından doğar. Bu sıcaklık farkına orantılı, soğuk nokta uçlarında mV mertebesinde gerilim üretilir. Termokupllun sıcak noktası ve soğuk noktası arasındaki sıcaklık dağılımı nasıl olursa olsun üretilen gerilim, sıcak ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkına oranlıdır. Ucuz, küçük boyutlu, dayanıklı ve özellikleri anlaşılarak kullanıldığında dikkat çekecek derecede doğrudur. (Isıl çift uçlarının birleştirilmesi bkz. Ek-3. Isıl çift ile sıcaklık ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-4-7.

Tel uçlarının Şekil 6.13’teki gibi bükülerek veya lehimlenerek meydana getirildiğini kabul edelim; bu tellerin birisi bakır, diğeri demir olsun. Bir ucu, oda sıcaklığında tutulurken diğeri daha yüksek bir sıcaklıkta ısıtılırsa sıcak uçta bakırdan demire, soğuk uçta ise demirden bakıra bir akım üretilir. Bunun nedeni sıcak kaynaktan soğuk kaynağa doğru hareket eden elektronların doğurduğu elektromotor kuvvetidir (EMK). Oluşan voltaj sıcaklığa ve metal tiplerine bağlıdır. Düşük sıcaklık farklarında, değişim lineer, büyük sıcaklık farklarında değişim polinomdur.

(9)

Şekil 6.12: Isıl çiftin (termokupl, termo eleman) çalışma yapısı

Termokupllar (ısıl çift) endüstride sıcaklık ölçümlerinde çok geniş uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Termokupl aslında iki farklı metal veya alaşım tel olmasına rağmen genelde prosese çıplak olarak daldırılmazlar. Çeşitli mekanik darbeler, fiziksel ve kimyasal aşındırıcı özellikler göz önüne alınarak belli özel koruyucu kılıflar içinde kullanılırlar (Şekil 6.13).

Örnek 6.5: Sıcaklıkla direncinin değişimi lineer olan bir direnç termometresinde 10℃ sıcaklıkta, elektriksel direnç 20 mΩ, 50℃ sıcaklıkta, elektriksel direnç 40 mΩ olarak ölçülerek kalibrasyon yapılmıştır. Kalibrasyonun ardından sıcaklık ölçümü yapıldığında, elektriksel direncin 32mΩ olarak ölçülmüştür. Ölçülen sıcaklık kaç ℃’dir? K tipi ısıl çiftin kalibrasyonu sonucu elde edilen kalibrasyon eğrisi y= 20x+25 olduğuna göre, ısıl çiftle yapılan ölçümler sonucu elde edilen gerilimler aşağıdaki tabloda verilmiştir. Ölçülen sıcaklıklar kaç ℃’dir?

Çözüm:

Denlem sıcaklık fonksiyonu olarak ifade edilirse, denklem aşağıdaki hali alır T mV T (^oC)

0.3 31

0.6 37

0.9 43

1.2 49

Şekil 6.13: Isıl çiftin (termokupl, termo eleman) örnekleri ve bileşenleri

(10)

Şekil 6.14: Isıl çiftte referans sıcaklığı oluşturmak için geleneksel yöntemler.[3]

Kulalanılan telin türüne göre farklı türlerde ısıl çiftler vardır. Tablo 6.1’de en çok kullanılan ısıl çift türleri ve özellikleri verilmiştir.

Tablo 6.1: En çok kullanılan ısıl çift türleri ve bazı özellikleri

Tür Eleman Teli Eleman Teli Ölçme Aralığı [°C]

T Cu-Const (CuNi) Bakır-Konstantan -200 ila 400

J Fe-Const (CuNi) Demir-Konstantan -150 ila 800

K Cr-Al Kromel-Alümel -200 ila 1200

K NiCr-Ni Nikelkrom-Nikel -200 ila 1200

E Cr-Const Kromel- Konstantan -200 ila 1200

N Nikrosil-Nisil Nikelkrom Silikon-Nikelsilisyum magnezyum

0 ila 1200 S Pt%10Rh-Pt Platin Rodyum-Platin (%10) 0 ila 1500 R Pt%13Rh-Pt Platin Rodyum-Platin (%13) 0 ila 1600 B Pt%18Rh-Pt Platin Rodyum-Platin (%18) 0 ila 1800 W Tn-Tn%26 Re Tungsten-Tungsten %26 Renyum 0 ila 2000 Ençok kullanılan ısıl çiftler için farklı sıcaklıklarda oluşan gerilim Tablo 6.2’de verilmiştir.

Tablo 6.2: En çok kullanılan ısıl çift türlerinin gerilimlerinin sıcaklıkla değişimi [3]

T [℃]

Gerilim [mV]

T E J K S

N

Demir Konstant

Demir

Bakır

Demir

Konstant Konstant Bakır

Su-Buz karışımı

T T

Voltaj ölçme cıhazı

Su-Buz karışımı

Voltaj ölçme cıhazı

(11)

Şekil 6.15: Sıcaklık ölçeklerinin karşılaştırılması

Şekil 6.16: Elektriksel etkilerle sıcaklık ölçerlerin sıcaklık duyarlılıklarının karşılaştırılması

6.5 Isıl Işınım ile Sıcaklık Ölçümü (Pirometre)

Pratikte pirometre olarak adlandırılan bu temassız tip sıcaklık ölçerler, cisimlerden yayılan ısıl ışınımın tespitine dayanır.

Toplam ışınım pirometresi ve optik pirometre olmak üzere iki çeşidi vardır. Pirometrelerle 400 °C ile 3500°C arası sıcaklıklar ölçülebilir. Metalurjide çok kullanılır.

6.5.1 Toplam ışınım pirometreleri

Sıcaklığı ölçülecek cisimden yayılan ışınım enerjisinin tamamının, ölçme cihazı içindeki sıcaklığı ölçülecek cismin sıcaklığından daha düşük bir yüzey üzerine düşürülür ve cihaz üzerindeki bu yüzeyin sıcaklığının değişimi ölçülür.

(Toplam ışınım (Lazer) pirometresiyle sıcaklık ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-8)

Şekil 6.17: Toplam ışınım pirometresinin çalışma yapısı Gerilim [mV]

Sıcaklık [℃]

(12)

Şekil 6.18: Toplam ışınım pirometresi örnekleri

6.5.2 Optik Pirometreler

Sıcaklığı ölçülecek cisimlerden yayılan ışınımın görünür dalga boyunun değişimi ölçülür. Sıcaklığı ölçülecek cisimlerin aydığı ışınımla, elektrikle ısıtılmış lamba filemaninin karşılaştırılması prensibine dayanır. Filemane verilen akımın şiddeti değiştirilerek sıcaklığı ölçülecek cisimle filemanin aynı renge getirilmesi sağlanır. Filemanden geçen akım, sıcaklığa göre kalibre edilip, cihaz üzerindeki ampermetrenin ölçeği sıcaklık olarak ölçeklendirilmiştir. (Optik pirometreyle sıcaklık ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-9)

Şekil 6.19: Optik pirometrenin çalışma yapısı [3]

Lens Mercek

Kırmızı filtre

Batarya Lamba

Absorbsiyon filtresi

Lens

Reosta Ampermetre

(13)

Şekil 6.20: Optik pirometre örnekleri

6.6 Termal Kameralar

Doğada bulunan her cisim bir enerji yayar. Görünür ışık en iyi bilinen elektromanyetik enerji biçimidir. Cisimlere bakıldığında, kırmızıdan mora değişen renk tayfı görülür. Bu renkler arasındaki temel fark dalga boyudur. Doğada bulunan tüm varlıklar sahip oldukları sıcaklığa bağlı olarak farklı dalga boylarında yoğunluk değişimi gösteren termal radyasyon olarak da adlandırılan elektromanyetik enerji yayarlar. Kırmızı rengin hemen üzerinde başlayan kızılötesi band içinde termal görüntüleme yapılan iki dalga boyu aralığı mevcuttur. Bunlar sırası ile "Orta Kızılötesi" ve "Uzak Kızılötesi"

bantlarıdır.

Tüm nesnelerin termal radyasyon yayma özelliği dışında başka kaynaklardan gelen enerjiyi soğurma özelliğinin de olduğu bilinmektedir. Gündüz güneş tarafından ısıtılan nesnelerin sahip oldukları termal enerjiyi gece boyunca çevrelerine yaymaları buna örnek olarak verilebilir. Yayılan enerjinin hangi dalga boyunda yoğunlaştığı ve yayılan toplam enerji miktarı nesnenin sıcaklığına bağlıdır. İnsan vücudu ve çevremizde karşılaştığımız bir çok nesne 30ºC civarında bir sıcaklığa sahiptir. Bu nesnelerden yayılan enerjinin önemli kısmı uzak kızılötesi bandında yer almaktadır.

Görüntüleme yöntemi olarak gözle görülmeyen infrared ışın enerjisini (ısıyı) esas alan ve görüntünün genel yapısını infrared ışın enerjisine göre oluşmuş renkler ve şekillerin belirlendiği görüntüleme sistemidir.

Genelde güvenlik amaçlı da kullanılabilir ama çok çeşitli sektörlerin de kullanımına açıktır. Özellikle ısıya güdümlü füze, gece görüş sistemleri ve benzeri askeri tekniklerin gelişmesi ile önemi artmıştır. Elektrik sektöründe ise, elektriksel problemlerin tespitinde kullanılır. Enerji sektöründe tesisat ve binalarda sıcaklık analizi için kullanılır. Mimari alanda ise çelik yapılarda metal yorgunluğunun tespiti için, sıva altında oluşan küf nem veya çatlakların tespiti içinde kullanılır.

IR(kızıl ötesi) algılayıcılarıyla cisimlerin ısılarını algılarlar. Siyah beyaz veya renkli (kırmızı sıcak, siyah soğuk) gibi renklerden siyah - kırmızı arasında oluşan bir görüntü verir. Kızıl ötesi sıcaklık ölçen cihazlar, birisi ısıl ışınımı tarayan bir kamera, diğeri ısıl görüntüyü gösteren ekran kısmından oluşur. Termal kameralar -30 ^oC ile +2000^oC arasında ölçüm yapabilirler. (Termal kamerayla sıcaklık ölçümü ile ilgili video bağlantısı bkz. Ek-10)

(14)

Şekil 6.21: Termal kamerayla sıcaklık ölçümü

6.7 Sıvı Kristal Sıcaklık Ölçer

Tabiattaki bazı organik maddeler, katı, sıvı ve gaz fazından başka katı ve sıvı özelliklerine aynı anda sahip olduğu bir başka fa durumuna sahiptirler. Bu faz durumu sıvı kristal faz durumudur. Endüstride kullanılan birçok ticari yağlar ve hayvan vücudundaki protein ve yağlar sıvı kristal durumundadır. Sıvı kristallerin renkleri, kırmızıdan mora kadar değişmektedir.

Sıcaklıkla Renk değişimi tersinir bir işlemdir. Sıvı kristaller kullanılarak, sıcaklık ölçülmesi ve görüntü elde edilmesinde kullanılmaktadır. Sıvı kristal sıcaklığı ölçülecek cisim üzerine sürülerek gözlenmesi ve fotoğrafı alınabilir. Teknikte sıvı kiristal cisim üzerine sürülür ve cisim üzerindeki sıcaklık dağılımı görünür hale gelir. Dış etkilerden korumak için sıvı kristalin üzeri polivinil alkol ile kaplanır. Sıvı kristalli ikinci tip sıcaklık ölçerlerde cisimlerden yayılan kızıl ötesi ışınlar, sıvı kristal ile temasta olan ve kızıl ötesi ışınları absorbe eden bir levha üzerine düşürülür. Sıvı kristal kısmının gözlenmesi ile sıcaklık bölgeleri rahatça izlenebilir.

Şekil 6.1: Sıvı kristal kullanımı örneği

6.8 Kuvarz Kristal Termometresi

Sıcaklık değişimi ile kuvarz kristalin rezonans frekansındaki değişimin ölçülmesi prensibine dayanır, çok hassas (0.001 ^oC) termometrelerdir.

Ekler

Ek-1 https://www.youtube.com/watch?v=Vjse8sS800w (Bimetal ve gaz genleşmeli termometre) Ek-2 https://www.youtube.com/watch?v=yQvRqtozC6g (Elektriksel direnç ile sıcaklık ölçümü) Ek-3 https://www.youtube.com/watch?v=-8cBCjJJcB4 (Isıl çift uçlarının birleştirilmesi) Ek-4 https://www.youtube.com/watch?v=mY1XPHWrKQM (Isıl çift ile sıcaklık ölçümü) Ek-5 https://www.youtube.com/watch?v=ETsyJR_p49M (Isıl çiftin çalışma prensibi)

Ek-6 https://www.youtube.com/watch?v=AubXDi6AD2M (Isıl çiftin çalışma prensibinin buz banyosuyla testi) Ek-7 https://www.youtube.com/watch?v=19aGHGMOx1w (Isıl çiftin veri toplama cihazına bağlanması) Ek-8 https://www.youtube.com/watch?v=csJCvDpnIB0 (Lazer pirometre kullanımı)

Ek-9 https://www.youtube.com/watch?v=SbfzAw8wUTo (Optik pirometre kullanımı)

Ek-10 https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=zXLFHDr7XVc (Termal kamera ile sıcaklık ölçümü)