Deneyin Amacı Çeşitli sıcaklık ölçme aletlerinin tanıtılması, çalışma prensiplerinin açıklanması ve aralarındaki ilişkilerin ifade edilmesi.

Transkript

1 1 Deneyin Adı Sıcaklık ölçme deneyi Deneyin Amacı Çeşitli sıcaklık ölçme aletlerinin tanıtılması, çalışma prensiplerinin açıklanması ve aralarındaki ilişkilerin ifade edilmesi. Teorik Bilgi CUSSONS P4810 sıcaklık ölçüm düzeneği ile müşterek olarak bir çok sayıda sıcaklık ölçüm yöntemlerinin uygulaması yapılabilmektedir. Ayrıca bu cihaz ile farklı sıcaklık ölçüm yöntemlerinin hassasiyetlerinin karşılaştırılması ve kalibrasyonunu yapmak mümkündür. Sıcaklık ölçmeleri yeni teknolojilerle birlikte önemli bir konu haline gelmiştir. Sıcaklık tamamen fizik ile ilgili temel bir konudur. Çok çeşitli fiziksel özellikleri etkileyen bir parametre olması sebebiyle ölçülmesi gereken önemli bir değişkendir. Sıcaklık ölçümü için çok çeşitli yöntemler vardır. Bunlar aramda en çok kullanılan yöntemlerden bini termo eleman çiftleridir (termocouples). Şekil 1'de CUSSONS P4810 Tipi sıcaklık ölçme cihazı verilmiştir. Cihaz Üzerindeki Elemanlar 1. Termokupul. Sıcak Su Banyosu 3. Isıtıcı ve Karıştırıcı 4. Sıcaklık kontrol cihazı 5. Bimetalik Sıcaklık Göstergesi 6. Sabit Sıcaklık Banyosu 7. Fırın 8. Direnç Termometresi.Sıcaklık ölçme Düzeneğinin Üzerinde Bulunan Elemanlar: Sıcak Su Banyosu: Elektriksel ısıtıcı karıştırıcı düzenekli termos kaptan oluşmaktadır. Düşük su seviyesi 100 C ve 760 mm Hg barometrik basınçta suyun kaynamasını kesmektedir. Isıtıcı düzeneği bir termostatik sıcaklık kontrol düzeneğine ve üst sıcaklık sınır belirleyicisine sahiptir. Saf su kullanıldığında suyun kaynama noktası 100 C referans noktasına ayarlanmalıdır. (760 mm Hg).Banyoda bulunan su her yerde sabit kalacak şekilde karıştırıcı ile sirküle edilmektedir. Fırın:Pirinç gövdeden oluşan fırın dış ortama karşı tamamen izole edilmiştir. Gövde sıkıştırılmış hava içeren bir metal gövdeyle kapianmıştır. Bu şekilde ısı kaybı asgari düzeye indirgenmiş ve sıcaklığın stabil olması sağlanmıştır. Isıtıcı, elektriksel olarak pano üzerine monte edilmiş olup bir değişkenli dönüştürücü ile ısıtma oranı ayarlanarak sıcaklık maksimum 30 C' ye kadar çıkabilmektedir. Fırının kapağında ayrıca bir civalı termometrenin, direnç termometrenin ve bir termo elemanın yerleştirilmesini sağlayacak üç delik bulunmaktadır.

2 Soğuk Su (Buz) Banyosu: Termal izolasyonu çok yüksek olan bir termos kaptan oluşmaktadır. İçine saf sudan (destille edilmiş) oluşan ezilmiş ve erimekte dan buz konularak su sıcaklığının 0,01 C olması sağlanabilir. Termosun kapağında üç farklı daldırmalı sıcaklık ölçüm cihazlarının aynı anda Ölçüm yapmasına imkan sağlayan delikler bulunmaktadır. Dijital Direnç (Rezistans) Termometre/Termoeleman Ölçü Cihazı: Bu cihaz Ohms/ mv selektör swıtch ile donatılmıştır. Direnç (Rezistans) kullanıldığında "Ohms" değerine ve termoeleman kullanıldığında "mv" çıkış değerine ayarlanabilmektedir. Dijital Ni-Cr/ Ni-AL Termoeleman Ölçü Cihazı: Bu cihaz direkt olarak sıcaklığın C olarak okunmasını sağlayacak şekilde Ni-Ci/Ni-Al termoelemanlar için kalibre edilmiştir, iki farklı termoeleman çiftinin bağlanabilmesi için panoda yerleri mevcuttur. Üstte bulunan bağlantı yeri (Direkt Giriş) cihaza içten dahili olarak bağlantılıdır ve altta bulunan bağlantı giriş indrekt olarak cihaza basit bir şekilde bağlanmıştır. Çeşitli bağlantı şekillerinin direkt girişe olan etkisini görebilmek için, termoeleman dîrekt giriş uçlarına bağlanmalıdır..6.sıcaklık Ölçüm cihazları: Termoelemanlar :Çeşitli sıcaklık aralıklarında en çok kullanılan termoeleman teli çeşitleri olan J tipi (Demir-Constantant), K tipi (Chromel-Alumel) ve T tipi (Batar-Constantant) termoeleman teli çeşitleri mevcut olup Şekil 1'de gösterilen sıcaklık ölçüm düzeneği üzerinde bulunan farklı sıcaklık ölçüm noktalarında daldırılmak suretiyle kullanılabilir, Termoeleman tellerinin kabloları farklı renklerde kodlanmıştır. J tipi: Sarı ve Mavi K tipi: Kahverengi ve Mavi T tipi: Beyaz ve Mavi Civalı Cam Termometreler: Mevcut olan cıvalı cam termometreler farklı sıcaklık ölçüm noktalarına 100 mm daldırılabilecek şekilde tasarlanmıştır. 5 ve 105 C arasında ölçüm yapabilen bu termometre kesinlikle firma daldırılmamalıdır. Döndürmeli Hygrometre (Nem ölçer): Plastik gövdeli döndürmeli hygrometre 5 ile 50 C aralıklarda ölçüm yapabilen 85 mm uzunluğunda skaler göstergeli iki termometreden oluşmaktadır. Termometrelerin biri yaş termometre sıcaklığının diğeri ise kuru termometre sıcaklığını ölçmeye yarar. Gövde el ile tutularak gövdeyi döndürmeye yarayan bir kol ile irtibatlıdır. Platin Direnç (Rezistans) Termometresi: Çelik koruyucu kılıftan oluşan platin direnç termometresi Şekil 1 de gösterilen sıcaklık ölçüm düzeneğinin üzerinde bulunan Newport 04A tıpı direnç termometre/termoeleman ölçüm cihazı ile Ohm olarak okunabilir. Bimetalik Termometre: Bimetalik sıcaklık göstergesi O ile 400 C arasında sıcaklık ölçüm değerlerini okumaya imkan sağlayan gösterge ibresine sahip ve Şekil 1 de gösterilen sıcaklık ölçüm düzeneğinin üzerinde bulunan çeşitti sıcaklık kontrol noktalarında kullanılabilir. 3.Sıcaklık Ölçüm Cihazlarının Teorisi. 3.1 Termocouple: Termocouple iki farklı metal alaşımın uçlarının kaynaklanması (birleştirilmesi) ile oluşturulan basit bir sıcaklık ölçü elemanıdır. Kaynak noktası sıcak nokta, diğer açık iki uç ise soğuk nokta (referans nokta) olarak anılır Termocouple olayı sıcak nokta ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkından doğar. Bu sıcaklık farkıyla orantılı,soğuk nokta uçlarında mv mertebesinde gerilim üretilir. Termocouple sıcak noktası

3 3 ve soğuk noktası arasındaki sıcaklık dağılımı nasıl olursa olsun üretilen gerilim,sıcak ile soğuk nokta arasıdaki sıcaklık farkıyla orantılıdır. Dolayısıyla soğuk noktanın sıcaklığı önemlidir. Sıcak nokta aynı kalmak kaydı ile soğuk nokta sıcaklığı değiştiği taktirde farklı sıcaklıklar okunacaktır. Bu sebeple termocouple mv tablolarındaki değerlerde standardizasyon sağlamak için ölçülen sıcaklık karşılığı mv değerleri soğuk noktanın 0 o C'de tutulması ile elde edilmiştir. Soğuk nokta yani referans ucun 0 C de tutulması ile üretilen gerilim ile sıcaklık arasında aşağıdaki ilişki geçerlidir. Log E = ALogt + B Burada E=Emk ( mikrovolt) T=Sıcaklık ( O C) A,B= Kullanılan termocouple tel malzemesinin biçimine bağlı katsayılar Soğuk nokta sıcaklığı 0 o C'den farklı ise teorik olarak ispatlanabilen aşağıdaki bağıntı geçerlidir. LogE A(t 1 -t ) + B(t 1 t ) Burada t 1 = Sıcak uç sıcaklığı ( 0 C) t =Soğuk (Referans) uç sıcaklığı ( 0 C) Sabit değerler iki farklı bilinen sıcaklık aralıkları için üretilen gerilim değerlerinin ölçülmesi ile elde edilecek iki bilinmeyenli iki denklemin çözümü ile bulunabilir. Mesela A ve B değerleri bakır-constantant çifti için A=1.14, B=1.36'dır. Yukarıda açıklandığı gibi ölçü ucunu sıcaklığı ölçülecek ortama koyarak ve referans ucunu bilinen bir sabit sıcaklıkta tutarak ölçülebilecek bir gerilim üretilebilir. Buradaki problem referans ucu sıcaklığını sabit tutmaktır. Laboratuar ölçmelerinde ergimekte olan buz kullanılır. Endüstride ise T sıcaklığı bir kere seçilir ve bu sıcaklıktaki değişmeler termoeleman devresine elektriksel ilaveler yapılarak giderilir. Termocouple lardan beklenen özellikler 1. Mümkün olduğu kadar büyük emk değerine sahip olmalıdır.. Kalibrasyonunun kolay olması ve kalibrasyon eğrisinin zamanla değişmemesi gerekir. 3. Korozyona ve oksidasyona dayanıklı olması gerekir. 4. Termoelektrik kuvvetinin sıcaklıkla mümkünse lineer değişmesi. 3. Elektriksel Direnç Termometresi: Sıcaklı ölçümlerinde tercouplardan sonra bulunmuş ve kullanılmaya başlanmış olan direnç termometreler endüstride laboratuarlarda çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle hassas ölçüm alınmak istenen düşük sıcaklılarda tercih edilirler. Direnç termometresinde esas olarak sıcaklıkla elektriksel direncin değişiminden yararlanılır. Teller uzun miktarlarda bir ölçüm ucuna bobin şeklinde sarılırlar. Sarımlı direnç sıcaklığı ölçülmek istenen ortama daldırılır, üzerinden sabit akım geçirilir. Sıcaklığın değişmesi ile sarımlı direncin direnç değeri değişir ve üzerinden geçen sabit akımla değişen bir gerilim elde edilir. Termocouple kadar hassas olmasa bile çok dayanıklıdırlar, çok hızlı zamana bağlı ölçmeler için ince film şeklinde oluşturulmuş direnç elemanları kullanılabilir. Şekil 1 de gösterilen sıcaklık ölçüm düzeneğinin üzerinde platin direnç termometresinin sıcaklık elektriksel direnç değerinin değişimi Ohm olarak direkt okuma imkanı sağlayan bir dijital göstergeli ölçü cihazı mevcuttur. Direnç termometrenin sıcaklık değişim faktörü standart olarak seçilen 100 C deki direnç değeri ile 0 C deki direnç değerinin farkının

4 4 1OO.Ro'a bölünmesi ile elde edilir. R100= 100 o C deki direnç değeri Standartlarda en çok kullanılan Pt-100 ve Nî-100 gibi rezistans termometrelerin 0 o C'deki direnç değeri standart 100 Ohm' dur. 3.3.Bi-Metal Termometre: Genleşme katsayıları birbirinde:, farklı iki metal band üst üste tespit edilirse, başlangıçta düzlemsel vaziyette bulunan bu sistem (atıldığı zaman yani sıcaklığın artmasıyla düzlemsel halinden ayrılır. Bi-metal band adı verilen bu sistemin düzlemsel durumdan ayrılması ocaklıkla orantılıdır. Bi-Metal bandı teşkil eden metallerin genleşme katsayıları birbirinden ne kadar farklı ise ayrılma derecesi o kadar fazla olur. Genleşme katsayısı küçük olan metal, içeriye gelecek şekilde helisel olarak sarılmış ve bir ucundan sabit bir noktaya tespit edilmiş bulunan bi-metal band ısındığı zaman serbest ucu helisin ekseni etrafında hareket eder. Bu uca bağlanmış bir göstergenin konumu sıcaklık için bir ölçek olarak kullanılır. 3.4.Sıvı Genleşmeli Termometre : En basit ve en çok kullanılan termometrelerden biriside camlı-civalı termometredir. Termometre, içi civa veya başka bir sıvı ile doldurulmuş bulunan bir hazne ve bu hazneyle irtibatlandırılmı bulunan bir kapiller borudan ibarettir. Kapiller borunun üst ucu kapatılmış ve içerisi civanın buharlaşmasına mani olmak için basınç allında azot gazı ile doldurulmuştur. Hazne, sıcaklığı ölçülecek ortama daldırılır. Sıcaklığın tesiriyle haznedeki civa genişler ve kapiller boruda yükselir. Civanın kapiller borudaki yükselme miktarı sıcaklık için bir ölçektir. Bütün sistem donma ve kaynama noktalan arasında doldurulabilecek maksimum sıvı ile doldurulmuştur. Sıvıda aranılan özelik büyük bir hacimsel genleşme katsayısına sahip olmasıdır. Buhar basıncı etkilerinden kurtulmak için yüksek basınçlarda sıvı ile doldurulur. En çok kullanılan sıvı civa ve alkoldür. Sıvıların hacimsel genleşmesi basit olarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir. Burada V =sıvının T sıcaklığındaki hacmi V 1 =sıvının T 1 sıcaklığındaki hacmi a=sıvının hacimsel genleşme katsayısı V 1 =V (1+ a(t +T 1 ) ) 3.5 Döndürmeli Hygrometre (Nem Ölçüm Cihazı) : Döndürmeli hygrometre de sıcaklık ölçümü atmosferik nem miktarının yaş ve kuru termometre sıcaklığı ile belirlenmesinde kullanılmaktadır. Yaş termometre sıcaklığı etrafı pamuk ile sarılmış olan basit bir termometre ile ölçülür. Pamuğun alt ucu bir hazne içerisinde bulunan suyun içerisine daldırılır ve kılcal etki ile suyun bütün pamuk kütlesini ve bu arada termometrenin haznesini ıslatılması sağlanır. Nem miktarı ölçülecek havanın termometrenin haznesinden üflenerek geçmesi sağlanır Hava doymamış halde ise pamuk lifleri arasında bulunan su buharlaşır ve sıcaklığı düşer. Meydana gelen sıcaklık farkı bir taraftan termometreden,diğer taraftan çevreden suya doğru ısı geçişine sebep olur. Sıcaklık belli bir değere düştüğü zaman buharlaşma yolu ile kaybedilen enerjinin miktarı ısı geçişi yoluyla kazanılan enerjinin miktarına eşit olur ve denge oluşur. Denge halinde termometrede okunan sıcaklığa yaş termometre sıcaklığı adı verilir Bu aynı zamanda pamuk liflen arasında doymuş halde bulunan havanın sıcaklığıdır. Yaş termometre sıcaklığı buhar-gaz karışımının bir özelliği olmayıp termometre haznesinin y apışma, akış hızına ve diğer etkenlere bağlı dır. Taamım yoluyla gerçeklesen ısı geçişi yanında ışınımla gerçekleşen ısı geçişinin ihmal edilebilmesi için akış hızının 3 m/s'den daha büyük olması gerekir. Hygrometrenin dakikada 00'den daha fazla dönme

5 5 yapması durumunda,fitil ve hava arasında 3 ila 5 m/s arasında bir bağıl hız elde edilmiş olur. Yaş ve kuru termometre sıcaklıklarından yararlanarak psikometrik diyagram veya tablo yardımıyla bağıl nem bulunur. Psikrometrik diyagram yardımıyla ayrıca havanın özgül nem,özgül entalpi ve özgül hacim değerlerini okuyabiliriz. Piskrometrik Diyagramı: Uygulamada büyük önemi bulunan nemli hava ile ilgili problemlerin çözümünde süreçleri daha kolay izleyebilmek için nemli havanın çeşitli özelliklerini içeren ve psikrometrik diyagram adı verilen diyagramlar kullanılır. Doyma Eğrisi Bağıl (İzafi) Nem: 1m 3 hava içerisinde bulunan su buharı kütlesinin,havanın aynı sıcaklıkta ve toplam basınçta içerebileceği maksimum su buharı kütlesi oranına bağıl nem adı verilir. Ф= V bd /V b =P b /P d Burada V bd : Buharın doymuş haldeki özgül hacmi V b : Buharın özgül hacmi Pb : Buharın kısmi basıncı P d : Doyma basıncı Özgül Nem: Nemli havanın içerdiği toplam nemin kütlesinin kuru havanın kütlesine oranına özgül nem adı verilir ve w=m su /m h eşitliği ile gösterilir. Nemli Havanın Özgül Entalpisi: Özgül ısılar için ortalama değerler kullanmak suretiyle nemli havanın entalpisi aşağıda verilen eşitlik yardımıyla belirlenebilir. Doymamış halde bulunan nemli havanın entalpisi H =m h m b + m b h b eşitliği ile verilir, (m b, : Havanın kütlesi, h b :havanın entalpisi, m b : buharın kütlesi, h b : buharın entalpisi ) Deneysel Yöntemler 4. 1 Ön Hazırlık : Soğuk su banyosu ergimekte olan ezilmiş buz ile doldurulmalı ve kapağı kapatılmalıdır. Buzu meydana getiren suyun saf olması gerekir,ancak o zaman erime noktasının 0.01 C olması sağlanır. Kızgın su banyosu ise temiz su ile ısıtıcı ve karıştırıcı düzeneğinin içine dalacak şekilde kapağa 60 mm mesafeye kadar doldurulmalıdır. Su seviyesi yeterli olmadığı zaman termostatik sıcaklık ölçü çubuğu suya dalamayacağı için ve şamandıra devre dışı kalacağı için ısıtıcı şalteri açık konumunda olduğu halde bile ısıtıcı çalışmayacaktır. Isıtıcı/karıştırıcı düzeneği ve ana elektriksel besleme panosu üzerinde bulunan sağ alt köşedeki power şalteri ile devreye alınır. 4. Su Banyosunu : Banyosu şalterini açtığımızda karıştırıcı motoru çalışmaya başlar ve ısıtıcı çalışır hale gelir. Sıcaklık termostatik olarak kontrol edilmektedir ve ısıtıcı karıştırıcı kabininin üzerinde bulunan termostat ayar düğmesine basılarak çalıştırılır. Suyu kaynatmak için termostat ayan tamamen açılmalıdır. Isıtıcı bu esnada devre dışı kaldığı zaman, çalışma düğmesi kapatılmalı ve su seviyesi kontrol edilmelidir. Termostat su sıcaklığı 100 C dolayında olacak şekilde ayarlanırsa, sıcaklığın stabil olmayacağı göz önünde bulundurulmalıdır. Çünkü hızlı bir şekilde yükselecek ve yavaş bir şekilde termostata ayar duyarlılığına kadar düşecektir. Bu tür sıcaklık ölçümlerinde yavaş yavaş düşen sıcaklık dikkate alınmalıdır. 4.3 Fırın :Fırın sıcaklık kontrol anahtarını tamamen saat ibresinin ters yönünde çevirdikten sonra fırın çalıştırılmalıdır. Uygun olan sıcaklık ölçü cihazı içine yerleştirilmelidir. Fırın sıcaklığını ayarlamak için fırın sıcaklık kontrol ibresi saat yönünde istenilen sıcaklığa ulaşıncaya kadar çevrilmelidir. Arzulanan sıcaklığa ulaşılmış ise kontrol ibresi düşürülmeli ve sıcaklığın sabit olması beklenilmelidir. Bu durum ölçüm noktalan arasındaki sıcaklık farkının en aza indirecektir.

6 6 Deneyin Yapılışı İlk ölçümde kullanılan termocouple tellerden biri soğuk su banyosuna diğeri de sıcak su banyosuna daldırıldı. Böylece iki banyo arasındaki sıcaklık farkı tespit edilecekti. Bunun sonucunda, sıcaklık ölçme cihazında direnç 107, Ω çıktı. Bu değere tabloda baktığımızda iki banyo arasındaki sıcaklık farkının 18 C ile 0 C arasında olduğu görülmüş olur. Sıcaklığının 36 C olduğunu bildiğimiz sıcak su banyosuna termocouple tellerden biri daldırılır, bu sayede sıcak su banyosunun sıcaklığı tespit edilecektir. Yine cihazın gösterdiği 113,3 Ω değeri tabloda yerine koyulduğunda sıvı sıcaklığının gerçekten de 36 C olduğu görülür. İçinde buz bulunması gereken soğuk su banyosunda ise sıcaklığı değişmeyen 16 C sıcaklığında su bulunmaktadır. Termocouple tellerden diğerini de soğuk su banyosuna daldırdığımızda tabloya göre 16 C sıcaklık için cihazın direnç değeri olarak yaklaşık 105, Ω göstermesi gerekmektedir. Ve bu değerin cihaz üzerinden 105 Ω okunması bunun doğruluğunu göstermektedir. Burada A ve B katsayılarını bulmak için iki ölçüm yapıldı. Termocouple tellerden biri 16 C sıcaklığındaki soğuk su ( referans ) banyosuna, diğeri de 36 C sıcaklığındaki sıcak su banyosuna daldırıldı. Cihaz değer olarak 0,77 milivolt u gösterdi. Bu değer 770 mikrovolt a eşit olduğuna göre, E=770 olmaktadır. Aynı işlemi ikinci sıcaklık değerimiz olan 41 C için yaptığımızda E=1000 sonucunu elde ettik. Bu değerleri aşağıdaki denklemde yerlerine yazdığımızda, iki bilinmeyenli iki denklem elde edilmiş olur. log E = A (t 1 t ) + B(t 1 t ) log 770 = A ( ) + B( ) log 1000 = A ( ) + B( ) Denklem gerekli işlemler yapılıp çözüldüğünde A=0,39799 B=-4, olarak bulunur. O halde denklemin son hali log 3 E = 0, (t 16 ) 4, (t ) olarak bulunur. Bu denklemde t 1 için 10 C den 100 C ye kadar değerler koyulup, verilen sıcaklıklara ait log E değerleri bulunursa ; Şekil 1 deki grafik ortaya çıkacaktır. Bu grafik verilerine göre log E değerleri hesaplanırsa ve 16 C ye ait 637 milivolt değeri de eklenirse sıcaklık Emk grafiği Şekil deki gibi olacaktır. Şekil 3 te ise teorik olarak denklemlerle hesaplanmış gerçek sıcaklık-emk grafiği görülmektedir. Şekillerden de anlaşılacağı gibi sadece hesaplanan aralık olan 36 C-41 C aralığında grafik uyuşmakta, bizim hesapladığımız diğer değerlere göre grafik uyuşmamaktadır.

7 7 Sıcaklık ( C ) , ,5-5 -,5 0, Log E Şekil 1- Sıcaklık Log E Grafiği Sıcaklık ( C) Sıcaklık ( C) E (mikrovolt) E (mikrovolt) Şekil - Hesaplanan Sıcaklık Emk Grafiği Şekil 3 - Teorik Sıcaklık-Emk Grafiği

8 8 Hygrometre ile Ortamın Neminin Belirlenmesi Bu deneyde ortamın nemini ölçen hygrometre cihazı ile nem ölçümü yapılmıştır. Cihazın özellikleri önceki bölümlerde detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Cihaz üzerinde nemli pamuk sarılı yaş termometre sıcaklığını ölçen bölme ile kuru termometre sıcaklığını ölçen bölme bulunmaktadır. Hygrometrenin belli bir hızla çevrilmesi sonucu vakit geçirilmeden okunan değer yaş değeri biraz beklendikten sonra okunan değer de kuru değeri verecektir. Nem oranını bulmak için hazırlanmış tablodan da bu iki değerin kesiştirilmesi ile nem oranı bulunmuş olur. Deney sonu elde edilen veriler şunlardır. Yaş termometre sıcaklığı =17 C Kuru termometre sıcaklığını =3 C Nem Oranı =%55