Isıl işlem fırınları, ergitme ocakları, plastik enjeksiyon kalıpları ve kurutma tünelleri gibi yüksek sıcaklıkların ölçüldüğü yerlerde en sık kullanılan sensör termokupl‘dur (ısıl çift). Basit, sağlam ve ucuzdur; ancak doğru kablo, doğru tip seçimi ve doğru kompanzasyon olmadan kolayca birkaç derece, hatta onlarca derece hatalı ölçebilir. Bu yazıda termokuplun nasıl çalıştığını, tiplerini, soğuk uç kompanzasyonunu ve sahada en sık görülen hataları anlatıyoruz.
Bu yazıda (11 başlık)
Termokupl ne demek?
Termokupl, iki farklı metal telin bir ucundan birleştirilmesiyle oluşturulan sıcaklık sensörüdür. Birleşim noktasına sıcak uç (ölçüm ucu), tellerin ölçüm cihazına bağlandığı noktaya soğuk uç (referans ucu) denir. Sıcak uç ile soğuk uç arasındaki sıcaklık farkına bağlı olarak tellerin uçları arasında milivolt seviyesinde bir gerilim oluşur. Ölçüm cihazı bu gerilimi okuyup sıcaklığa çevirir.
Termokupl nasıl çalışır?
Çalışma prensibi Seebeck etkisidir: iki farklı iletken, boyları boyunca bir sıcaklık farkına maruz kaldığında devrede bir gerilim oluşur. Bu gerilim, kullanılan metal çiftine ve iki uç arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır.
Burada kritik nokta şudur: termokupl mutlak sıcaklığı değil, sıcak uç ile soğuk uç arasındaki farkı ölçer. Doğru bir sonuç için soğuk ucun sıcaklığının bilinmesi gerekir. Bu konuya aşağıda, soğuk uç kompanzasyonu başlığında değiniyoruz.
Gerilim ile sıcaklık arasındaki ilişki doğrusal değildir. Her tip için referans gerilim değerleri ve izin verilen toleranslar IEC 60584-1 standardında tanımlanmıştır. Toleranslar daha önce ayrı bir bölüm olan IEC 60584-2’de yer alıyordu; 2013 baskısında IEC 60584-1 içinde birleştirildi.
Termokupl tipleri ve sıcaklık aralıkları
Termokupl tipleri harflerle gösterilir. Aşağıdaki aralıklar, IEC 60584-1 tolerans sınıflarının kapsadığı yaklaşık aralıklardır; sensörün gerçekte kullanılabileceği aralık tel kalınlığına, kılıf malzemesine ve ortama göre üreticiden üreticiye değişir.
| Tip | Tel malzemesi (+ / −) | Yaklaşık kullanım aralığı | Tipik kullanım |
|---|---|---|---|
| J | Demir / bakır-nikel | −40 ile +750 °C | Genel amaçlı, orta sıcaklıklar |
| K | Nikel-krom / nikel-alüminyum | −40 ile +1200 °C | En yaygın genel amaçlı tip, fırınlar |
| T | Bakır / bakır-nikel | −200 ile +350 °C | Düşük ve eksi sıcaklıklar |
| E | Nikel-krom / bakır-nikel | −40 ile +900 °C | Standart tipler içinde en yüksek çıkış gerilimi |
| N | Nikel-krom-silisyum / nikel-silisyum | −40 ile +1200 °C | Yüksek sıcaklıkta K tipine alternatif |
| R | Platin-%13 rodyum / platin | 0 ile +1600 °C | Yüksek sıcaklıklar |
| S | Platin-%10 rodyum / platin | 0 ile +1600 °C | Yüksek sıcaklıklar |
| B | Platin-%30 rodyum / platin-%6 rodyum | +600 ile +1700 °C | Çok yüksek sıcaklıklar |
E, K ve N tipleri için sınıf 3 toleransı −200 °C’ye kadar tanımlıdır (T tipinin −200 °C alt sınırı da sınıf 3’ten gelir). R, S ve B tipleri değerli metal içerdiği için pahalıdır ve genellikle yüksek sıcaklıklarda kullanılır.
IEC renk kodu
IEC 60584-3 standardına göre termokupl ve dengeleme kablolarında negatif tel beyaz, pozitif tel ve dış kılıf ise tipe özgü renktedir:
- K: yeşil
- J: siyah
- T: kahverengi
- N: pembe
- R ve S: turuncu
Eski ulusal renk kodları (eski DIN, BS, ANSI) ise farklıdır. Özellikle eski tesislerde ve ithal makinelerde farklı renk kodlu kablolarla karşılaşılabilir; kablonun tipi renge değil, üzerindeki baskıya ve dokümana göre doğrulanmalıdır.
Soğuk uç kompanzasyonu
Termokupl telleri ölçüm cihazının bakır klemenslerine bağlandığında yeni bir birleşim noktası oluşur: bu nokta soğuk uçtur. Termokupl yalnızca sıcak uç ile bu nokta arasındaki farkı ölçtüğü için, soğuk ucun sıcaklığı bilinmeden doğru sonuç alınamaz.
Soğuk uç kompanzasyonu (CJC), ölçüm cihazının klemens bölgesinin sıcaklığını ayrı bir sensörle ölçüp bu değeri hesaba katmasıdır. PLC termokupl kartları, sıcaklık kontrol cihazları ve kafa tipi termokupl transmitterleri bu kompanzasyonu genellikle kendi içinde yapar. Bazı kartlarda dahili, harici veya sabit referans sıcaklığı seçenekleri vardır; ayarın kablolamaya uygun olması gerekir.
Dengeleme ve uzatma kablosu
Termokupl ile ölçüm cihazı arasında sıradan bakır kablo kullanılamaz. Bakır kablo kullanılırsa soğuk uç, termokuplun bağlantı kafasına taşınır. Kafanın sıcaklığı ise cihaz tarafından bilinmediği için ölçüm hatalı olur.
- Uzatma kablosu: Termokuplun kendisiyle aynı alaşımdan yapılır.
- Dengeleme (kompanzasyon) kablosu: Daha ucuz farklı alaşımlardan yapılır ve sınırlı bir sıcaklık aralığında termokuplun gerilimini taklit eder. Özellikle pahalı R, S ve B tiplerinde kullanılır.
Her iki durumda da kablonun termokupl tipine uygun olması ve polaritenin uç uca korunması gerekir. Ara klemenslerin ve konnektörlerin de termokupl malzemesinden veya tipine uygun olması tercih edilir.
PLC’ye bağlantı
Termokupl iki yolla PLC’ye okutulur:
- Termokupl giriş kartı: Kartta termokupl tipi ve soğuk uç kompanzasyon yöntemi seçilir. Örneğin Siemens S7-1200’de SM 1231 TC modülü bu iş için kullanılır.
- Termokupl transmitteri: Bağlantı kafasına veya panoya takılan transmitter, sinyali soğuk uç kompanzasyonuyla birlikte 4-20 mA’e çevirir. Uzun mesafelerde ve gürültülü ortamlarda milivolt sinyalini doğrudan taşımaktan daha güvenilirdir. Ayrıntılar: 4-20 mA nedir.
Fırın sıcaklığının kontrolü için ölçüm genellikle bir PID döngüsüne girer: PID kontrol nedir.
Termokupl ile PT100 karşılaştırması
| Termokupl | PT100 | |
|---|---|---|
| Ölçüm prensibi | Isıl gerilim (Seebeck etkisi) | Platin direnç değişimi |
| Sıcaklık aralığı | Tipine göre çok yüksek sıcaklıklara kadar | Orta sıcaklıklar |
| Doğruluk ve kararlılık | Daha düşük, yaşlanmayla kayabilir | Daha yüksek |
| Tepki süresi | İnce uçlu tiplerde hızlı | Genellikle daha yavaş |
| Kablo | Tipine uygun dengeleme/uzatma kablosu | Bakır kablo, 3 veya 4 telli |
| Soğuk uç kompanzasyonu | Gerekir | Gerekmez |
| Maliyet | Baz metal tiplerde düşük | Orta |
Kısaca: çok yüksek sıcaklıklarda ve hızlı tepki gereken yerlerde termokupl, orta sıcaklıklarda hassas ve kararlı ölçümde PT100 öne çıkar. PT100 hakkında ayrıntılar: PT100 nedir.
Sık görülen termokupl arızaları
- Yanlış kablo tipi: Termokupl ile cihaz arasında bakır kablo veya farklı tipte dengeleme kablosu kullanılmış. Ölçüm, bağlantı kafasının ve pano ortamının sıcaklığına göre kayar.
- Ters polarite: Artı ve eksi tel ters bağlanmışsa sıcaklık arttıkça okunan değer düşer ya da anlamsız bir değer görünür. Dengeleme kablosunun bir ara klemenste ters bağlanması da aynı türden hata yaratır ve bulunması daha zordur.
- Kartta yanlış tip seçimi: K tipi bir sensörün J olarak okutulması gibi hatalar, sıcaklık arttıkça büyüyen sapmalara yol açar.
- Soğuk uç kompanzasyonu hataları: CJC kapalı, yanlış ayarlı veya klemens bölgesi ısı kaynağına yakın. Belirtisi, ölçümün pano sıcaklığıyla birlikte değişmesidir.
- Kayma ve yaşlanma: Termokupllar yüksek sıcaklıkta zamanla kalibrasyondan kayar. K tipi, bazı atmosferlerde (oksijeni az, indirgen ortamlarda) bilinen bir bozulmaya uğrayarak düşük okuyabilir; bu tür ortamlarda N tipi veya uygun koruyucu kılıf değerlendirilir. Kritik ölçümlerde periyodik kalibrasyon veya değişim planlanmalıdır.
- Gürültü: Milivolt seviyesindeki sinyal, motor ve sürücü kablolarından kolayca etkilenir. Ekranlı kablo kullanılmalı, güç kablolarından ayrı kanal tercih edilmeli, topraklı uçlu termokupllarda toprak döngüsüne dikkat edilmelidir.
- Kopuk termokupl: Kartların çoğu tel kopukluğunu algılayıp hata verir. Kopukluk sonrası kontrolün ısıtıcıyı tam açık bırakmaması için programda arıza durumu mutlaka ele alınmalıdır.
Sıkça Sorulan Sorular
Termokupl ne işe yarar?
Termokupl, iki farklı metal telin birleşim noktasındaki sıcaklığı, oluşan milivolt seviyesindeki gerilimden ölçen bir sensördür. Özellikle fırın, ocak ve kalıp gibi yüksek sıcaklıklarda kullanılır. Sinyali PLC termokupl kartına veya transmitter üzerinden 4-20 mA girişine okutulur.
En çok kullanılan termokupl tipi hangisidir?
Genel amaçlı uygulamalarda en yaygın tip K tipidir. Düşük ve eksi sıcaklıklarda T tipi, çok yüksek sıcaklıklarda R, S veya B tipleri tercih edilir. Değişim yaparken sensör, kablo ve kart ayarının aynı tipe göre seçilmesi gerekir.
Termokuplda soğuk uç kompanzasyonu neden gerekir?
Termokupl, sıcak uç ile tellerin cihaza bağlandığı soğuk uç arasındaki sıcaklık farkını ölçer. Cihaz, soğuk ucun sıcaklığını ayrı bir sensörle ölçüp hesaba katmazsa sonuç yaklaşık soğuk uç (klemens) sıcaklığı kadar hatalı olur. Modern kartlar ve transmitterler bu kompanzasyonu kendi içinde yapar.
Termokupl kablosu yerine normal kablo kullanılır mı?
Hayır. Bakır kablo kullanılırsa soğuk uç bağlantı kafasına taşınır ve ölçüm kafanın sıcaklığına göre kayar. Termokupl tipine uygun uzatma veya dengeleme kablosu kullanılmalı ve polarite korunmalıdır.
Termokupl ile PT100 arasındaki fark nedir?
Termokupl gerilim üretir ve çok yüksek sıcaklıklara kadar ölçebilir, ancak doğruluğu ve uzun süreli kararlılığı daha düşüktür. PT100 direnç değişimiyle ölçer, orta sıcaklıklarda daha hassas ve kararlıdır. Seçim, sıcaklık aralığına ve istenen doğruluğa göre yapılır.
Eskişehir’de termokupl ve sıcaklık ölçüm desteği
AveA Otomasyon olarak Eskişehir ve çevre illerdeki tesislerde termokupl tipi ve kablo seçimi, PLC termokupl kartı ve transmitter bağlantıları, fırın sıcaklık kontrolünün ayarı ve hatalı ölçüm arızalarının tespitini yapıyoruz. Ayrıntılar: ısıl işlem ve endüstriyel fırın otomasyonu, PLC programlama hizmeti ve makine ve otomasyon arıza servisi. Bize 0533 454 52 32 numarasından ulaşabilirsiniz; mesai dışında da arayabilirsiniz.