SICAKLIK ALGILAYICI VE DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİ Tarih öncesi zamanlardan beri insanlar ısıdan haberdardı ve sıcaklığını ölçerek şiddetini değerlendirmeye çalışıyordu. Muhtemelen sıcaklığın algılanması için en basit ve kuşkusuz en yaygın kullanılan fenomen ısıl genleşmedir. Bu cam termometrelerdeki sıvının temelini oluşturur. Elektriksel dönüşüm için algılamanın farklı metotları kullanılır. Bunlar: rezistif, ısıl-elektrik, yarı-iletken, optik ve piezo-elektrik dedektörlerdir. Sıcaklığın alınması veya ölçülmesi temelde cismin ısıl enerjisinin küçük bir kısmının algılayıcıya iletimini gerektirir; algılayıcının fonksiyonu bu enerjiyi elektriksel sinyale dönüştürmektir. Temaslı bir algılayıcı cismin üzerine veya içine yerleştirildiğinde cisim ve prob arasındaki ara yüzey boyunca ısı iletimi yer alır. Prob ısınır veya soğur, örneğin cisim ile ısı değişimi yapar. Ne kadar küçük olursa olsun bir prob ölçme alanını bozucu yönde etkileyecektir. Bu algılamanın bütün metotları için geçerlidir: kondüktif, konvektif ve ışınım. Böylece uygun bir algılayıcı tasarımı ve doğru bir ölçüm tekniği ile hatanın en aza indirilmesi bir mühendislik ve tasarım problemi olmaktadır. Temaslı bir sıcaklık ölçümü kontak yüzeyi ve probun iç kısmı arasında ısıl gradyan olmadığı sürece tam olarak kabul edilmektedir. Bu işlem belli bir zaman alır çünkü prob yerleştirildikten sonra özellikle temas yüzeyi kuru ise cisim ve algılayıcı arasındaki ısıl dengeye ulaşma yavaş bir işlem olabilir. Sıcaklık hesaplamasının tahmini metodu kullanıldığında bir sıcaklık dengesi gerekmemektedir, burada denge noktası ısı transfer oranı ile belirlenir.
Temaslı algılamada transfer edilen ısı miktarı termometrenin algılama elemanının ani sıcaklığı, T ve cisim sıcaklığı, T1 arasındaki sıcaklık gradyanı ile orantılıdır: dq aa(t1 T )dt (1) Burada a algılayıcı-cisim arayüzeyinin ısıl iletkenliği ve A ısı veren yüzeydir. Şayet algılayıcı c özgül ısısı ve m kütlesine sahipse emilen ısı dq mcdt (2) Şayet bağlantı ve destek yapısı boyunca algılayıcıdan çevreye olan ısı kaybı ihmal edilirse (1) ve (2) eşitlikleri birinci derece bir diferansiyel eşitlik verir: aa(t1 T )dt mcdt (3) Isıl zaman sabiti, T T mc A (4) olarak gösterilir ve akabinde diferansiyel eşitlik dt dt T1 T T (5) T T1 Ke t / T (6) biçimini alır. Bu eşitlik
çözümüne sahiptir, burada K sabittir. Bu analizde T1 algılayıcının başlangıç sıcaklığından bağımsız olarak dikkate alınmıştır. Bu cismin ısıl kütlesinin algılayıcının ısıl kütlesinden çok kez daha büyük ve cismin ısıl iletkenliğinin yüksek olduğu duruma karşılık gelmektedir. Böyle bir cisim sonsuz ısı kaynağı (veya yutak, soğutucu) olarak adlandırılır. Yukarıdaki çözüme karşılık gelen T sıcaklığının zaman geçiciliği şekil 1a da görülmektedir. Bir zaman sabiti T sıcaklığının T ve T1 arasındaki başlangıç gradyanının % 63,2 sine ulaşması için gereken zamana eşittir. Zaman sabitinin küçük olması ile algılayıcının sıcaklıktaki bir değişime tepkisi daha hızlı olacaktır. (a) algılayıcı cisimle ideal kuplajlı (b) algılayıcı çevresine ısı kaybediyor Şekil 1 Bir ısıl algılayıcının sıcaklık değişimleri
Teorik olarak T1 ve T arasındaki mükemmel dengeye ulaşmak sonsuz zaman almaktadır. Bununla beraber ekseriyetle sadece sonlu doğruluk gerekli ve yeterli olduğundan en pratik durumlar için bir kısmi-denge durumu 5-10 zaman sabitlerinden sonra dikkate alınabilir. Şayet bir algılayıcı sadece sıcaklığı dönüştürülen cisimle temasta olmayıp belli bir ölçüde diğer cisimlerle de irtibatlı ise ek bir hata meydana gelir. Diğer cisimlere örnek bir bağlantı kablosu olabilir. Kablonun bir kısmı algılayıcıya bağlı iken diğer kısmı cisimden oldukça farklı olabilen çevre sıcaklığına maruzdur. Kablo hem elektrik sinyali ve hem de algılayıcıdaki ısının bir kısmını iletir. Şekil 1b bu durumda algılayıcının asla cismin gerçek T1 sıcaklığına ulaşamayacağını göstermektedir. Bu ilgili ısı kaybı sonucu bir T sıcaklık farkı kadar azalmış daha düşük T2 seviyesinde kalır.
Tipik bir temaslı sıcaklık algılayıcısı aşağıdaki bileşenlerden oluşur (şekil 2a): Bir algılayıcı eleman kendi sıcaklığındaki bir değişime tepki verebilen malzeme. İyi bir elemanın düşük özgül ısı, yüksek ısıl iletkenlik, güçlü ve tahmin edilebilir sıcaklık duyarlılığına sahip olması gerekir. Kontaklar iletken pad, tampon veya teller olup algılayıcı eleman ve harici elektronik devre arasındaki arabirim görevi görürler, kontakların olabilecek en düşük ısıl iletkenliğe ve elektriksel dirence sahip olması gerekir. Aynı zamanda bunlar ekseriyetle algılayıcıyı da taşımaktadır. Koruyucu bir zarf, kılıf veya dış kaplama algılayıcı elemanı çevreden fiziksel olarak ayırır. İyi bir kılıf düşük ısıl dirence ve yüksek elektriksel yalıtım özelliklerine sahip olmalıdır. Neme ve algılayıcı elemanı hatalı olarak etkileyebilecek diğer faktörlere karşı geçirgen olmaması gerekir. Temassız bir sıcaklık algılayıcısı (şekil 2b) bir ısıl ışınım algılayıcısı olup tasarımı 16. Bölüm de açıklanmıştır. Burada sıcaklığa tepki verebilen bir algılayıcı eleman içeren bir temaslı algılayıcıdan bahsedilmektedir. Bu algılayıcı ek olarak bir optik pencere ve beraberinde bir arabirim devresine sahip olabilir.
(a) temaslı (b) ısıl ışınım algılayıcı algılayıcısı Şekil 2 Sıcaklık algılayıcılarının genel yapısı
1 ISILDİRENÇ ALGILAYICILARI 1821 de Sir Humphry Davy farklı metallerin direncinin sıcaklığa bağımlı olduğuna dikkat etmişti. 1871 de Sir William Siemens ilk önce platin dirençli termometrenin kullanımını anahatları ile belirtmiştir. 1887 de Hugh Callendar bir makale yayınlayarak platin sıcaklık algılayıcılarının pratik olarak nasıl kullanıldığını açıklamıştır. Isıldirenç algılayıcıların avantajları arabirim devrelerinin basitliği, duyarlılığı ve uzun dönem kararlılığındadır. Böyle bütün algılayıcılar üç gruba ayrılabilir: RTD ler, pn-jonksiyonlu dedektörler ve termistörler.
1.1 REZİSTANS SICAKLIK DEDEKTÖRLERİ (RTD) Bu terim ekseriyetle iletken tel veya ince film şeklinde fabrikasyonu yapılmış metal algılayıcılar ile doğrudan ilişkilidir. Bütün metallerin ve çoğu alaşımların dirençlerinin sıcaklık bağımlılığı bunların sıcaklık algılanılmasında kullanılmasına bir fırsat verir (tablo 4.3). Gerçekte bütün metaller hemen hemen algılamada kullanılabilirken platin tahmin edilebilir tepkisi, uzun dönem kararlılığı ve dayanıklılığından dolayı eşi bulunmaz bir özelliğe sahiptir. Tungsten RTD ler ekseriyetle 600 C nin üzerindeki sıcaklıklar için uygulanır. Bütün RTD ler pozitif sıcaklık katsayılarına sahiptir. Bunların bazı çeşitleri farklı üreticilerde mevcuttur: İnce film RTD ler ekseriyetle mikromakina ile işlenmiş ince silikon zar gibi uygun yapı üzerine ince platin veya alaşımlarından fabrikasyonu yapılmıştır. RTD ler sıklıkla yeterli büyüklükte uzunluk/genişlik oranını elde etmek için serpantin şeklinde yapılır. Tel sarımlı RTD lerde platin sargı bir seramik tüp içinde yüksek sıcaklığa dayanıklı cam yapıştırıcı ile kısmi olarak tutturulur. Bu konstrüksiyon endüstriyel ve bilimsel uygulamalar için en kararlı dedektör tipi olmaktadır. Uluslararası Pratik Sıcaklık Skalası na (IPTS-68) göre hassas sıcaklık aygıtlarının bazı malzemelerin tekrarlanabilir denge durumlarında kalibrasyonunun yapılması gerekir. Bu skala kelvin sıcaklıklarını T68 ve Celsius skalasını t68 ile gösterir. (4.5.10) eşitliği platin için en uygun ikinci derece yaklaşımı verir. Endüstride soğuk ve sıcak olarak adlandırılan sıcaklıklar için farklı yaklaşımların kullanılması adet haline gelmiştir. Callendar-van Dusen yaklaşımları platinin transfer fonksiyonunu temsil etmektedir:
-200 C ile 0 C aralığı için Rt Ro [1 At Bt 2 Ct 3 (t 100 )] (7a) 0 C ile 630 C aralığı için bu (4.5.10) ile aynıdır Rt Ro [1 At Bt 2 ] (7b) A, B ve C sabitleri algılayıcının konstrüksiyonunda kullanılan platin in özellikleri tarafından belirlenir. Alternatif olarak Callendar-van Dusen yaklaşımı 3 t t t t Rt Ro 1 t 1 1 100 100 100 100 (8) olarak yazılabilir. Burada t C olarak sıcaklık ve A, B ve C katsayıları A 1 100, B 10 4, C 10 8 (9) nın değeri yüksek sıcaklıkta kalibrasyon ile elde edilir, örneğin çinkonun donma noktasında (419,58 C) ve negatif bir sıcaklıkta kalibrasyon ile elde edilir.
IPTS-68 ile uyuşması için Callendar-van Dusen yaklaşımının düzeltilmesi gerekir. Düzeltme oldukça karmaşık ve kullanıcının IPTS-68 in detaylarını incelemesi gerekir. Farklı ülkelerde bazı ulusal özellikler RTD lere uygulanır. Örneğin Avrupa da bunlar BS 1904; 1984; DIN 43760-1980; IEC 751; 1983. Japonya da JIS C1604-1981. USA da farklı şirketler değerleri için kendi standartlarını geliştirmişlerdir. Örneğin SAMA Standart RC21-4-1966 = 0,003923 C-1 i belirtirken Avrupa DIN standardı = 0,003850 C-1 ve İngiliz Hava Taşıt endüstrisi standartı = 0,003900 C-1 belirtmektedir. Ekseriyetle RTD lerin bir laboratuvarda yüksek doğrulukla tekrarlayabilen standart noktalarda kalibrasyonu yapılır (tablo 1). Bu noktalarda yapılan kalibrasyon ve yaklaşık sabit değerlerinin hassas belirlenmesine izin verir.
Tablo 1 Sıcaklık referans noktaları (Tripple noktası maddenin katı, sıvı ve buhar fazları arasındaki dengedir) Noktanın tanımı Hidrojenin tripple noktası Normal hidrojenin kaynama noktası Oksijenin tripple noktası Azotun kaynama noktası Argonun tripple noktası Oksijenin kaynama noktası Karbon dioksitin süblimleşme noktası Civanın donma noktası Suyun tripple noktası Suyun donma noktası (su-buz karışımı) Suyun kaynama noktası Benzoik asitin tripple noktası İndiyum un donma noktası C Noktanın tanımı -259,34 Kalay ın donma noktası -252,753 Bizmut un donma noktası -218,789 Kadmiyum un donma noktası -195,806 Kurşun un donma noktası -189,352 Çinko nun donma noktası -182,962 Antimon un donma noktası -78,476 Aluminyum un donma noktası -38,836 Gümüş ün donma noktası 0,01 Altın ın donma noktası 0,00 Bakır ın donma noktası 100,00 Nikel in donma noktası 122,37 Paladyum un donma noktası 156,634 Platin in donma noktası C 231,968 271,442 321,108 327,502 419,58 630,755 660,46 961,93 1064,43 1084,88 1455 1554 1769 Tel sarımlı RTD lerin tipik toleransları ±10 mω olup ±0,025 C ye karşılık gelmektedir. Yeterli doğruluğu sağlama ve aygıtın paketleme yalıtımının ciddi olarak dikkate alınması gerekir. Bu yalıtkanların direncinin bariz olarak düşebileceği yüksek sıcaklıklarda özellikle doğrudur. Örneğin 550 C de paralel 100 MΩ luk direnç -0,0075 C lik sıcaklık hatasına karşı gelen 3 mω luk rezistif hata ile sonuçlanacaktır.
1.2 SİLİKON REZİSTİF ALGILAYICILAR Yekpare silikonun iletken özellikleri PTC karakteristikli sıcaklık algılayıcılarının fabrikasyonunda başarı ile uygulanmıştır. Philips tarafından üretilen KTY sıcaklık dedektörleri iyi bir doğrusallığa (basit kompanzasyon devreleri ile geliştirilebilen) ve uzun dönem kararlılığına (yıl başına tipik olarak ±0,05 K) sahiptir. Pozitif sıcaklık katsayısı bu dedektörlerin ısıtma sistemlerinde çalışmasını doğal olarak güvenli hale getirmektedir - orta seviyede bir aşırı ısınma (200 C den aşağı) RTD nin direncini artırarak kendiliğinden koruma ile sonuçlanır. Saf silikon, polisilikon veya tek kristal silikon saf negatif direnç sıcaklık katsayısına sahiptir (şekil 5.8.2a). Bununla beraber silikon n tipi katkı ile dopinglendiğinde belli bir sıcaklık aralığında sıcaklık katsayısı pozitif olur (şekil 3). Bu daha düşük sıcaklıklarda yük taşıyıcı hareketliliğindeki düşmenin sonucudur. Daha yüksek sıcaklıklarda serbest yük taşıyıcılarının sayısı, n doğal olarak üretilen ni yük taşıyıcıların sayısından dolayı artar ve silikonun öz yarı-iletken özellikleri baskın hale gelir. Böylece 200 C den aşağı sıcaklıklarda direnci pozitif sıcaklık katsayısına sahip iken 200 C den yukarı sıcaklıklarda negatif olur. Temel KTY algılayıcısı bir tarafı metalize hale getirilmiş ve diğer tarafında kontak alanına sahip olarak 500 500 240 m yaklaşık boyutlarına sahip n tipi silikon hücreden oluşur. Bu üretim toleranslarında algılayıcının bağımlılığını bariz şekilde azaltarak kristal boyunca konik bir akım dağılımına neden olan yayılmış direnç etkisi üretir. Bir KTY algılayıcısı özellikle yüksek akımlarda ve yüksek sıcaklıklarda akım yönüne biraz duyarlı olabilir. Bu problemi azaltmak için ters seri tasarım kullanılarak iki algılayıcı çiftli algılayıcı oluşturmak için ters polaritelerde seri bağlanır.
Şekil 3 n-dopingli silikon için serbest yük taşıyıcılarının direnci ve sayısı Bir PTC silikon algılayıcısının tipik bir duyarlılığı % 0,7/ C seviyesinde yani direnci her santigrat derece için % 0,7 değişir. Diğer algılayıcılar gibi yumuşak bir doğrusalsızlık ile KTY algılayıcısının transfer fonksiyonu ikinci derece bir polinom ile yakınlaştırılabilir.
RT Ro [1 A(T To ) B (T To ) 2 ] (10) Burada Ro ve To bir referans noktasındaki direnç (Ω) ve sıcaklık (K) tır. Örneğin -55 ile +150 C aralığında çalışan KTY-81 algılayıcıları için katsayılar: A = 0,007874 K-1 ve B = 1,874 10-5 K-2. Tipik bir algılayıcının transfer fonksiyonu şekil 4 de görülmektedir. Şekil 4 KTY silikon sıcaklık algılayıcısının transfer fonksiyonu
1.3 TERMİSTÖRLER Termistör terimi sıcaklık (temperature) ve direnç (resistor) kelimelerinin kısaltılmışıdır. Bu ad ekseriyetle damla, çubuk, silindir ve kalın film şeklinde fabrikasyonu yapılan metal-oksit algılayıcılar için kullanılır. Termistörler iki gruba ayrılır: NTC (negatif sıcaklık katsayısı) ve PTC (pozitif sıcaklık katsayısı). 1.3.1 NTC TERMİSTÖRLER Konvansiyonel metal oksit termistör negatif sıcaklık katsayısına (NTC) sahip yani direnci sıcaklığın artışı ile azalır. NTC termistör elemanın direnci diğer dirençler gibi fiziksel boyutları ve malzemesinin direnci ile belirlenir. Direnç ve sıcaklık arasındaki ilişkinin doğrusallığı iyi değildir (şekil 4.5.4). Pratikte bu bir polinom ile veya en popüler ılımlı doğruluk uygulamalarında olduğu gibi üstel fonksiyon ile yakınlaştırılabilir. Normalde üstel yaklaşım için bir termistör iki sayı ile belirlenir: bir referans sıcaklığında (To = 25 C) anma direnci, RTo ve duyarlılığı temsil eden değeri RT RTo 1 1 T T e o (11) Burada RT kelvin cinsinden ölçülen T sıcaklığındaki dirençtir. bir termistörün karakteristik sıcaklığı olarak adlandırılır. Değeri (kelvin derece olarak) iki farklı T1 ve T2 sıcaklıklarında R1 ve R2 direnç ölçümü ile belirlenir.
R1 ln 1 1 R2 T To 1 (12) Bu eşitlik dar bir sıcaklık aralığı uygulamasında yeterli doğrulukta olabilir. bir termistörü belirtmekle beraber doğrudan duyarlılığını tanımlamaz, termistörün duyarlılığı negatif sıcaklık katsayısıdır, (NTC). Bu (11) eşitliğinin diferansiyeli ile bulunabilir. 1 drt 2 RT RT T (13) NTC nin hem ve hem de sıcaklığa bağımlı olduğu görülmektedir. Bir termistör düşük sıcaklıklarda çok daha duyarlıdır ve duyarlılığı (NTC) sıcaklığın artışı ile hızlıca düşer. Gerçekte sabit değildir ve sıcaklığa tamamen bağımlıdır. Bu yüzden üstel ifade (11) sadece çok özen gerektirmeyen uygulamalar için yeteri kadar iyidir. Hassas ölçümler için Steinhart-Hart ilişkisi termistörün direncinden kelvin olarak sıcaklığının hesaplanmasında yaygın olarak endüstri uygulamasında kabul görmektedir. Eşitlik üçüncü derece deneysel bir polinomdur. 1 A B ln RT C ln 3 RT T (14) Burada A, B ve C deneysel olarak çıkartılmış katsayılardır. Bu katsayıları bulmak için üç eşitlik sisteminin üç farklı sıcaklık için çözülmesi gerekir. Steinhart-Hart direnç eşitliği
1/ 3 1/ 3 2 3 2 3 RT exp 2 4 27 2 4 27 (15) biçimini alır burada A C 1 T, B C (16) (15) eşitliği yaklaşık ±0,02 C lik doğrulukla sonuçlanır. Daha hassas ölçümler için yüksek dereceli polinomların kullanılması gerekir. NTC termistörlerde duyarlılık, -% 2/ C (skalanın ılık tarafı) den -% 8/ C (skalanın soğuk tarafı) sıcaklık aralığında değişir ve bu çok duyarlı bir aygıt olduğu anlamına gelmektedir, kabaca RTD ye göre daha sıcaklık duyarlı. Bu özellikle oldukça dar bir sıcaklık aralığında yüksek çıkış sinyali istenildiği uygulamalarda önemlidir.
Genel olarak termistörler fabrikasyon metoduna bağlı olarak üç ana grupta sınıflandırılabilir. Birinci grup boncuk tipi termistörlerden oluşur. Boncuklar çıplak, cam kaplanmış, epoksi veya bir metal ceket içine kutulanmış olabilir (şekil 5). Bütün bu boncuklar seramik gövde ile sinterlenmiş, platin alaşımı iletken uçlara sahiptir. Fabrikasyonu yapılırken uygun bir kapak ile metal oksit karışımının uygun bir kısmı hafifçe gerdirilmiş paralel iletken uçların üzerine yerleştirilir. Karışımın kurumasına veya kısmi olarak sinterlenmesine izin verildikten sonra boncuğun telleri destekleyici yapıdan ayrılır ve bir tüp fırına son sinterleme için yerleştirilir. Metal oksit bu fırınlama işlemi süresince iletken uçlar üzerinde büzülür ve özel bir elektriksel yapışkan biçimini alır. Daha sonra boncuklar telden ayrı ayrı kesilir ve uygun bir kaplama ile kaplanır. Şekil 5 Cam ve epoksi kaplı termistörler Diğer bir termistör tipi iletken uçlar yerine yüzey kontakları bulunan çip termistördür. Ekseriyetle çiplerin fabrikasyonu bir teyp döküm işlemi ile ve akabinde ekran baskı, boyama veya yüzey elektrotlarının vakum metalizasyonu ile yapılır. Çipler yaprak şeklinde veya istenilen geometride kesilir. Şayet istenilirse çipler istenilen toleransı karşılamak için topraklanabilir.
Termistörlerin üçüncü tipinin fabrikasyonu cam, alüminyum, silikon, vb. gibi uygun bir yapı üzerine yarı-iletken malzemenin biriktirilmesi ile yapılır. Bu termistörler entegre algılayıcılar ve ısıl kızıl-ötesi dedektörlerin özel bir sınıfında kullanılmak için tercih edilir. Metal yüzeyli temaslı termistörler arasında yaprak biçiminde ve kaplanmamış çipler en kararsız olanlardır. Uygun bir kararlılık epoxy kaplama ile elde edilebilir. Seramik gövde içine sinterlenmiş iletken uçlu boncuk tipi 550 C ye kadar yüksek sıcaklıklardaki çalışmaya izin verir. Metalize yüzeyli temaslı termistörler ekseriyetle 150 C ye kadar anma değerlerindedir. Hızlı bir tepki zamanı istenildiğinde boncuk termistörler tercih edilmekle beraber çip tipine göre daha pahalıdır. Bunların yanında boncuk termistörlerde istenilen anma değerini ayarlamak daha zordur. NTC termistörlerin kullanımında olabilecek hata kaynaklarına dikkat edilmelidir. Bunların biri eskime olup düşük kaliteli algılayıcılarda bu +% 1/yıl kadar büyük olabilir. Şekil 6 da sinterlenmiş cam kaplı cam termistörlere kıyasla epoxy kaplanmış çip termistörlerin direncindeki tipik yüzde değişim görülmektedir. İyi bir çevresel koruma ve önceden eskitme metodu algılayıcı karakteristiğinin kararlı hale getirilmesinde güçlü bir metottur. Önceden eskitme süresince termistör en azından 700 saat süresince +300 C de tutulur. Daha iyi bir koruma amacıyla algılayıcı paslanmaz çelik ceket içinde epoxy ile doldurularak kutulanır.
Şekil 6 Termistörlerin uzun dönem kararlılığı Termistörün performansında önemli diğer bir problem kendiliğinden ısınma etkisidir. Bir termistör modülasyonlu algılayıcı sınıfına girer yani çalışması için bir uyartım sinyaline ihtiyaç duyar. Sinyal ekseriyetle termistörden geçen bir DC veya AC dir. Akım bir Joule ısısına ve akabinde bir sıcaklık artışına neden olur. Çoğu uygulamalarda bu ölçülen cismin sıcaklığının yanlış belirlenmesi ile sonuçlanabilen bir hata kaynağıdır. Farklı diğer uygulamalarda kendiliğinden ısınma etkisi sıvı akışı, ısıl ışınım ve diğer uyarıcıların algılanmasında ise başarı ile kullanılır. Elektrik gücü uygulandığında termistördeki ısıl olayların analizi yapılabilir. Şekil 7a da akım sınırlayıcı R direncinden geçerek RT termistörüne bağlı E gerilim kaynağı görülmektedir.
(b) termistörün sıcaklığı ısıl zaman sabiti, T ile yükselir (PL : çevreye olan kayıp ısıl güç) Şekil 7 (a) Termistörden geçen akım kendisini ısıtır Devreye P elektrik gücü uygulandığında (şekil 7b deki iletim anı) termistöre sağlanan enerji oranı kaybolan HL enerji oranı ile termistörün gövdesi tarafından emilen Hs enerji oranının toplamına eşit olmalıdır. Emilen enerji termistörün ısıl kapasitesinde, C depo edilir. Güç denge eşitliği dh dh L dh s dt dt dt (17) Enerjinin korunumu kanununa göre termistöre verilen ısıl enerji oranı E gerilim kaynağı ile verilen elektrik gücüne eşittir. VT2 dh P VT i dt R Burada VT termistördeki gerilim düşümüdür. (18)
Termistörden çevresine kaybolan ısıl enerji oranı termistör ve çevre sıcaklığı Ta arasındaki ΔT sıcaklık gradyanı ile orantılıdır. dh L PL T (Ts Ta ) dt (19) Burada kayıp faktörü olup termistörden çevresine olan ısıl iletkenliğe eşittir. Bu kayıp gücün ve sıcaklık gradyanının (verilen bir çevre sıcaklığında) oranı olarak tanımlanır. Kayıp faktörü algılayıcının tasarımı, iletken uçların uzunluk ve kalınlığı, termistör malzemesi, destekleyici bileşenler, termistör yüzeyinden ısıl ışınım ve termistörün yerleştirildiği ortamın bağıl hareketine bağlıdır. Isı emme oranı algılayıcı takımının ısıl kapasitesi ile orantılıdır. dh s dt C s dt dt (20) Bu oran termistörün Ts sıcaklığını çevre sıcaklığının üzerine yükseltir. (19) ve (20) eşitlikleri (18) de yerine konularak dts dh P Ei d (Ts Ta ) C dt dt (21) elde edilir. Yukarıdaki eşitlik termistörün ısıl davranışını tanımlayan diferansiyel bir eşitliktir. Şimdi bu iki durum için çözülür. Birinci durum algılayıcıya verilen sabit elektrik gücüdür: P = sabit. Bu durumda (21) eşitliğinin çözümü
t P C T (Ts Ta ) 1 e (22) Burada e doğal logaritmanın tabanıdır. Yukarıdaki çözümde görülmektedir ki elektrik gücünün uygulanması üzerine algılayıcının sıcaklığı çevre sıcaklığının üzerine üstel olarak yükselecektir. Bu bir ısıl zaman sabiti, C / ile karakterize edilen geçici bir durumu belirtmektedir. Burada 1/ r nin değeri algılayıcı ve çevresindekiler arasındaki ısıl direnç anlamına sahiptir. Üstel geçicilik şekil 7b de görülmektedir. T T Kararlı durum seviyesine, Ts ulaşmak için yeteri kadar uzun beklemenin üzerine (21) eşitliğindeki değişim oranı sıfıra eşit olur ( dts / dt 0 ) ve daha sonra ısı kaybı oranı verilen güce eşit olur. d (Ts Ta ) T VT i (23) Şayet düşük besleme gerilimi ve yüksek direnç seçimi ile i akımı çok düşük yapılırsa sıcaklık yükselmesi ΔT ihmal edilebilecek kadar küçük olur ve kendiliğinden ısınma hemen hemen yokedilir. Bu durumda (21) eşitliğinden dts (Ts Ta ) dt C (24)
Bu diferansiyel eşitliğin çözümü bir üstel fonksiyonla (6) sonuçlanarak algılayıcının T zaman sabiti ile çevre sıcaklığının değişimine tepki verdiği anlamına gelmektedir. Zaman sabiti algılayıcının çevresine ile olan kuplajına bağlı olduğundan ekseriyetle belli şartlar için belirlenir, örneğin durgun havada T = 1 s @ 25 C veya karıştırılmış suda 0,1 s @ 25 C. Yukarıdaki analizin ısı akışının basitleştirilmiş bir modelini temsil ettiği akılda tutulmalıdır. Gerçekte bir termistörün tepkisi üstel değişimi iyi olmayan bir biçime sahiptir. Bütün termistör uygulamaları üç temel karakteristikten birinin kullanımını gerektirir: Direnç sıcaklık karakteristiği şekil 4.5.4 de görüldüğü gibi. Bu karakteristiğe dayalı çoğu uygulamalarda kendiliğinden ısınma etkisi istenilmez. Bundan dolayı termistörün RTo anma direnci yüksek seçilmeli ve cisimlere olan kuplajı maksimuma çıkarılmalıdır ( daki artış). Karakteristik öncelikle sıcaklık algılanması ve ölçümü için kullanılır. Tipik uygulamalar temaslı elektronik termometreler, termostatlar ve ısıl kesicilerdir. Akımla zaman değişimi (veya dirençle zaman değişimi) şekil 7b de görüldüğü gibi. Gerilimle akımın değişim karakteristiği (şekil 8) kendiliğinden ısınma etkisinin kullanıldığı veya ihmal edilemediği uygulamalar için önemlidir. Besleme gücü ve kayıp dengesi (23) eşitliği ile kontrol edilir. Şayet daki değişimler küçük (ekseriyetle böyledir) ve direncin sıcaklıkla değişim karakteristiği biliniyorsa bu durumda (23) eşitliği statik gerilim ile akımın değişim karakteristiği için çözülebilir. Bu karakteristik ekseriyetle log-log koordinatlarında çizilir, sabit dirençli çizgiler +1 eğimle ve sabit güçlü çizgiler -1 eğimine sahiptir (şekil 8).
Şekil 8 Durgun havada 25 C de bir NTC termistörün gerilim-akım karakteristiği Çok küçük akımlarda (şekil 8 in sol tarafı) termistörde kaybolan güç ihmal edilebilecek kadar küçük ve karakteristik belirli bir sıcaklıkta (şekil 8 de 25 C) termistörün sabit direnç çizgisine tanjant tır. Bundan dolayı termistör basit bir direnç gibi davranır. Yani VT gerilim düşümü i akımı ile orantılıdır.
Akım artarken kendiliğinden ısınma da artar. Bunun sonucu olarak termistörün direnci azalır. Termistörün direnci daha fazla sabit olamadığından karakteristik düz bir çizgiden ayrılmaya başlar. Karakteristiğin eğimi ( dv / di ) dirençtir ve akımdaki artışla düşer. Akım artışı dirençteki daha ileri bir düşmeye öncülük ederek akabinde akımı artırır. Sonuç olarak akım Vp maksimum geriliminde ip maksimum değerine ulaşacaktır. Bu noktada termistörün direncinin sıfır olduğuna dikkat edilmelidir. ip deki daha ileri artış eğimde sürekli bir azalma ile sonuçlanacaktır ki direncin negatif bir değere sahip olduğu (şekil 8 deki sağ taraf) anlamındadır. Hatta akımdaki daha ileri artış dirençte diğer bir azalma meydana getirecektir, burada algılayıcı terminal uçlarının iletken dirençleri bir katkı faktörü olmaktadır. Bir termistör asla böyle bir durumda çalıştırılmamalıdır. Bir termistör üreticisi ekseriyetle termistörler için maksimum anma gücünü belirtir. T (23) eşitliğine göre kendiliğinden ısınan termistörler, ΔT veya VT deki değişimlerin ölçümünde kullanılabilir: nın değiştiği yer uygulamaları vakum manometreleri, anemometreler, akış metreler, sıvı seviye algılayıcıları, vb. içerir. ΔT nin değiştiği yer uygulamaları mikrodalga güç ölçerler, AFIR dedektörleri, vb. içeren uyarıcılardır. VT nin değiştiği yer uygulamaları otomatik kazanç kontrolu, gerilim regülasyonu, gerilim sınırlama, vb. gibi bazı elektronik devrelerdir.
1.3.2 PTC TERMİSTÖRLER Bütün metaller PTC malzemeleri olarak adlandırılabilmekle beraber dirençlerinin sıcaklık katsayıları (TCR) oldukça düşük (tablo 4.4) ve tüm sıcaklık aralığında çok az değişir. Aksine belli bir sıcaklık aralığında seramik PTC malzemeleri çok geniş bir sıcaklık bağımlılığında karakterize edilir. Bunların fabrikasyonu polikristal seramik maddelerden yapılır. Polikristal seramik maddelerin taban bileşikleri ekseriyetle baryum titanat veya baryumun katı çözeltileri ve strontiyum titanat (yüksek dirençli malzemeler) gibi doping katkılarının eklenmesiyle yarı iletken hale getirilir. Curie sıcaklığının üzerinde bir kompozit malzemenin ferro-elektrik özellikleri direncindeki bir yükselme ile birkaç katı seviyesinde hızlıca değişir. PTC termistörünün tipik bir transfer fonksiyonu eğrisi şekil 9 da NTC ve RTD tepkileri ile karşılaştırmalı olarak görülmektedir. Eğrinin biçimi kolay matematiksel yaklaşıma izin vermediğinden üreticiler ekseriyetle PTC termistörleri bir sayı seti ile belirtirler. Bu sayılar: Kendiliğinden ısınmanın ihmal edilebilecek kadar küçük olduğu 25 C deki sıfır güç direnci, R25; Minimum direnç, Rm termistörün TCR sinin pozitif değerden negatife değiştiği eğrideki değerdir (m noktası); Geçici sıcaklık, T direncin aniden değiştiği sıcaklıktır. Bu malzemenin Curie noktası ile yaklaşık olarak çakışır. Geçici sıcaklıkların tipik bir aralığı -30 ile +160 C dir (Keystone Carbon Co.); TCR standart formda 1 R R T (25)
olarak tanımlanır. Katsayılar çok bariz olarak değişir ve ekseriyetle x noktasında belirlenir yani en yüksek değerinde, 2/ C kadar büyük olabilir (dirençte C başına % 200 değişim anlamındadır); Maksimum gerilim, Emax termistörün her sıcaklıkta dayanabileceği en yüksek değerdir. Isıl karakteristikler ısıl kapasite, kayıp sabiti (çevreye olan kuplajın verilen şartları altında belirlenir) ve ısıl zaman sabiti (belirlenen şartlar altında hız tepkisini tanımlar) ile belirlenir. PTC termistörlerin iki faktörünün anahtar bir rol oynadığını anlamak önemlidir: çevresel sıcaklık ve kendiliğinden ısınma etkisi. Bu iki faktörden her biri termistörün çalışma noktasını kaydırır. PTC termistörün sıcaklık duyarlılığı şekil 10 daki gerilim-akım karakteristiğinde görülmektedir. Hemen hemen sıfır TCR ile normal bir direnç Ohm Kanunu na göre düzgün bir karakteristiğe sahiptir. Bir NTC termistör gerilim akım bağımlılığının pozitif eğriliğine sahiptir. Negatif TCR nin göstergesi şayet böyle bir termistör sabit gerilimli bir kaynağa bağlanırsa Joule ısı kaybından dolayı kendiliğinden ısınma sonucu direncinin azalmasıdır. Akabinde bu akımın daha fazla artışı ve daha çok ısınmaya öncülük edecektir. Şayet NTC termistöründen dışarı ısı akışı sınırlanırsa kendiliğinden ısınma aşırı ısınmaya ve sonunda elemanın bozulmasına neden olabilir.
Şekil 9 PTC ve NTC termistörlerin RTD ile karşılaştırmalı transfer fonksiyonları Şekil 10 Bir PTC termistörün gerilimakım karakteristiği Pozitif TCR ler olarak metaller sabit bir gerilim kaynağına bağlandıklarında aşırı ısınmaz ve kendiliğinden sınırlayıcı aygıtlar olarak davranırlar. Örneğin akkor flamanlı bir lambanın flamanı yanarak kopmaz çünkü sıcaklığındaki artış direncinin artışıyla sonuçlanarak akımını sınırlar. Bu kendiliğinden sınırlama etkisi (kendiliğinden regüle eden) PTC termistörlerinde büyük oranda gelişmiştir. Gerilim-akım karakteristiğinin biçimi oldukça dar sıcaklık aralığında PTC termistörün negatif bir dirence sahip olduğunu göstermektedir yani
Vx Rx i (26) Bu dahili bir negatif geri besleme ile sonuçlanarak aygıtı kendiliğinden regüleli termostat haline getirir. Negatif direnç bölgesinde termistör uçlarındaki gerilimin artışı sonucu ısı üretilerek akabinde direncini artırır ve ısı üretimini tekrar azaltır. Sonuç olarak PTC termistöründeki kendiliğinden ısınma etkisi aygıtın sıcaklığını sabit bir seviyede, To tutacak şekilde ısı kaybını dengeleyen yeterli ısı üretir (şekil 9). Bu sıcaklık eğrinin tanjantının en yüksek değere sahip olduğu x noktasına karşılık gelir. Bir PTC termistörün kendiliğinden ısınma etkisinin oldukça kullanışlı olduğu bazı uygulamalar vardır. Burada bunlara kısaca değinilecektir: 1. Devre koruması. Bir PTC termistör elektrik devrelerinde bozulması mümkün olmayan (yeniden kurulmaya gerek olmayan) sigorta gibi çalışabilir. Şekil 11a da yükü i akımı ile besleyen E gerilimli bir güç kaynağına seri bağlı termistör görülmektedir. Oda sıcaklığında termistörün direnci daha düşüktür (tipik olarak 10 140 Ω arasında). Yük uçlarında VL gerilimi ve termistör uçlarında Vx gerilimi meydana gelir. VL>>Vx olduğu varsayılmaktadır. Termistörde kaybolan güç, P = Vxi etrafa yayılarak kaybolur ve termistörün sıcaklığı çevre sıcaklığının üzerinde olmak üzere az miktarda yükselir. Çevre sıcaklığı çok sıcak veya yük akımı çok arttığında (örneğin yükteki dahili bir hata sonucu) termistördeki ısı kaybı direncin artmaya başladığı bir T bölgesine sıcaklığını yükseltir. Bu akımın daha fazla artmasını sınırlar. Kısa devreli yük şartları altında Vx = E ve i akımı en az seviyesine düşer. Bu durum yükün normal direncine yeniden kavuşmasına kadar sürdürülecektir bu işleme sigortanın kendisini yeniden kurması adı verilir. E < 0,9Emax ı sağlamak önemlidir yoksa termistör geri dönüşü olmayan bir bozulma ile karşılaşabilir.
(a) akım sınırlayıcı devre (b) mikro termostat Şekil 11 PTC termistör uygulamaları 2. Mikro-elektronik, biyomedikal, kimyasal ve diğer uygun uygulamalarda minyatür tip kendiliğinden ısınan bir termostat ın (şekil 11b) tasarımı PTC termistörden yapılabilir. Geçici sıcaklığının uygun olarak seçilmesi gerekir. Bir termostat çevreden ısıl olarak yalıtılmış tabak tipi yapıdan oluşur ve termistör ile ısıl olarak kuplajlanmıştır. Isıl gres kuru temasın giderilmesi için tavsiye edilir. Termistörün terminalleri değeri aşağıdaki formül ile tahmin edilebilen bir gerilim kaynağına bağlanmıştır. E 2 (T Ta ) R25 (27)
Burada çevreye olan ısıl kuplaja bağlı ısı kaybı sabiti ve Ta çevre sıcaklığıdır. Termostatın ayar noktası seramik malzemenin fiziksel özellikleri ve dahili ısıl geri besleme ile belirlenir, aygıt güç besleme geriliminin oldukça geniş bir aralığında ve çevre sıcaklıklarında güvenli olarak çalışır. Doğal olarak çevre sıcaklığının daima T den az olması gerekir. (a) devre diyagramı (b) sargıdan geçen akım Şekil 12 PTC termistör zayıflatıcı ile mıknatıslanma giderici bir aygıt 3. PTC termistörleri ile zaman geciktirmeli devreler yapılabilir, buradaki özellik elektrik gücünün uygulanarak ısınma ve bir düşük direnç noktası arasındaki uzun geçici zamandır. Şekil 12 de bir sargıdaki elektrik akımı ve PTC termistör ısınırken akımın meydana getirdiği manyetik alanı azaltan basit bir mıknatıslanma giderici aygıt görülmektedir. Osilatör kapatıldığında termistör soğuk ve direnci düşüktür. Osilatörün çalışması üzerine sargıdan geçen akım sıcaklıktaki dereceli bir artışla termistörü ısıtacaktır. Akabinde termistörün direnci artarak akım azalacaktır. 4. Isı kaybı prensibine dayalı çalışan akışmetre ve sıvı seviye dedektörleri PTC termistörleri ile çok basit olarak yapılabilir (kısım 13.3 e bakınız).
2 ISILELEKTRİK TEMAS ALGILAYICILARI Isılelektrik temas algılayıcıları ısılçift ler olarak adlandırılır çünkü bir algılayıcı yapmak için en azından farklı iki iletken gerekmektedir. Kısım 4.9 bunların çalışmasının daha iyi anlaşılması için fiziksel bilgiler verilmekte ve tablo 4.8 de bazı popüler ısılçift ler listelenmiştir. Farklı ısılçift lerin tanımı ve uygulamaları çoğu kitaplarda bulunabilir. Aşağıda bu algılayıcıların kullanımındaki en önemli bazı tavsiyeler yer almaktadır. T tipi: Bakır (+) ile Konstantan (-) nemli atmosferde korozyona karşı dirençli ve sıfırın altındaki sıcaklık ölçümleri için uygundur. Oksitleyici ortamda hava içinde kullanımı bakır ısıl elemanın oksitlenmesinden dolayı 370 C (700 F) ile sınırlanmıştır. Bunlar diğer bazı atmosferlerde yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir. J tipi: Demir (+) ile konstantan (-) 0-760 C (32-1400 F) sıcaklık aralığında, oksitleyici, indirgeyen (reducing) veya inert (diğer maddelerle kimyasal olarak birleşmeyen) atmosferde ve vakumda uygundur. Demir ısıl elemanda oksitlenme oranı 540 C (1000 F) den yukarı hızlıdır ve daha yüksek sıcaklıklarda uzun ömür istenildiğinde ise ağır geyçli veya daha kalın tellerin kullanımı tavsiye edilir. Bu ısılçift buz noktasından daha aşağı kullanımda tavsiye edilmez çünkü demir ısıl elemanın paslanma ve kırılganlığı T tipinin kullanımını J tipinden daha kullanışlı hale getirir. E tipi: % 10 Ni/Cr (+) ile konstantan (-) oksitleyici ve inert atmosferlerde 200 ile 900 C (-330 ile 1500 F) aralığındaki sıcaklıkta kullanımı tavsiye edilir. Bunlar indirgeyen atmosfer, alternatif olarak oksitleyici veya reducing atmosferler, marjinal oksitleyici atmosferler ve vakumda K tipi ile aynı sınırlamalara maruz kalmaktadır. Bu ısılçift ler yüksek nem içerikli atmosferlerde korozyona maruz kalmadığından sıfırın altında sıcaklık ölçümleri için uygundur. Yaygın olarak kullanılan bütün diğer tiplerden derece başına en yüksek emf yi verir ve ekseriyetle bu özelliğinden dolayı öncelikle kullanılır.
K tipi: % 10 Ni/Cr (+) ile % 5 Ni/Al/Si (-) -200 ile 1260 C (-330 ile 2300 F) sıcaklık aralığında oksitleyici ve tamamen inert atmosferde kullanılması tavsiye edilir. Oksitlenmeye karşı dirençlerinden dolayı ekseriyetle 540 C nin üzerindeki sıcaklıklarda kullanılır. Bununla beraber K tipinin indirgeyen atmosferde, sülfürlü atmosferlerde ve vakumda kullanılmaması gerekir. R ve S tipi: Pt/Rh (+) ile Pt (-) 0 ile 1480 C (32 ile 2700 F) sıcaklık aralığında oksitleyici ve inert atmosferlerde sürekli olarak kullanılması tavsiye edilir. B tipi: % 30 Pt/Rh (+) ile % 6 Pt/Rh (-) 870 ile 1700 C (1000 ile 3100 F) sıcaklık aralığında oksitleyici ve inert atmosferlerde sürekli olarak kullanımı tavsiye edilir. Bunlar aynı zamanda vakumda kısa süreli kullanım için de kullanışlıdır. Bunların indirgeyen atmosferler veya metalik veya metalik buhar içeren atmosferlerde kullanılması gerekir. Bunların bir metal koruyucu tüp veya kutuya doğrudan yerleştirilmemesi gerekir. Pratik amaçlar için bir uygulama mühendisinin ısılçiftlerin uygun bağlantısı için temel kuralları meydana getiren üç temel kuralı dikkate alması gerekir. Bununla beraber bir elektronik arabirim devresinin daima benzer iki iletken ile bağlanması gerektiğini vurgulamak gerekir. Bu iletkenler ısılçift in döngü kollarını biçimlendirmektedir. Devreye ölçme aygıtının bağlanması için bu kol kesilir. Kesilen kol şekil 13a da A malzemesi olarak gösterilmektedir.
(a) (c) Şekil 13 Isılçift kurallarının gösterimi (b)
Kural No.1 - Bir ısılelektrik akım homojen bir devrede ısı ile oluşturulamaz. Bu kural Seebeck potansiyelinin üretimi için homojen olmayan bir malzemenin gerektiğini belirtmektedir. Şayet bir iletken homojen ise boyu üzerindeki sıcaklık dağılımına bakılmaksızın sonuç gerilim sıfırdır. Benzer olmayan iki iletkenin birleşme noktası gerilimin üretilmesi için gereken şartı oluşturur. Kural No.2 - Şayet bütün jonksiyonlar düzgün bir sıcaklıkta ise benzer olmayan malzemelerden oluşan elemanların kombinasyonunda herhangi bir sayıdaki devrenin ısılelektrik kuvvetlerinin cebrik toplamı sıfırdır. Bu kural ek bir C malzemesinin ek birleşme noktaları aynı sıcaklıkta olmak koşuluyla (şekil 13a da T3) sonuç gerilimini, V1 etkilemeksizin ısılelektrik döngünün kollarından birine yerleştirilebileceğini öne sürmektedir. Konulan her malzemenin bulunduğu yerdeki kontaklar aynı sıcaklıkta olduğu sürece yerleştirilen iletkenlerin sayısında sınırlama yoktur. Bu bir arabirim devresinin her iki kontak için düzgün sıcaklığı sağlayacak bir davranışla eklenmesi gerektiği anlamındadır. Kuralın diğer bir sonucu ısılelektrik birleşme noktaları herhangi bir teknikle biçimlendirebilir, örneğin lehim gibi bir ara malzemesinin kullanıldığı durumda bile. Birleşme noktaları kaynak, lehimleme, bükme, füzyon, vb. ile Seebeck geriliminin doğruluğunu etkilemeksizin biçimlendirilebilir. Kural aynı zamanda ek malzeme kuralını da öne sürmektedir (şekil 13b): Şayet bir referans iletkenine göre (A) iki iletkenin (B ve C) ısılelektrik gerilimleri biliniyorsa bu iki iletkenin gerilimlerinin kombinasyonu referans gerilimine göre gerilimlerinin cebirsel toplamıdır. Kural No.3 - Şayet T1 vet2 sıcaklıklarındaki iki jonksiyon V2 Seebeck gerilimi ve T2 ve T3 sıcaklıkları V1 gerilimi üretirse bu durumda T1 ve T3 sıcaklıkları V3=V1+V2 üretecektir (şekil 13c).
Bu bazen ara sıcaklık kuralı olarak da bilinir. Bu kural ısılçift in bir sıcaklık aralığında kalibrasyonuna izin vererek daha sonra diğer bir sıcaklık aralığında kullanılmasına izin verir. Aynı zamanda aynı kombinasyondaki uzatma iletkenlerinin doğruluğu etkilemeksizin döngüye yerleştirilebileceğini öne sürmektedir. Yukarıdaki kural ısılçift lerin çok çeşitli kombinasyonlardaki farklı pratik devrelerde kullanılmasına izin verir. Bunlar iki cisim arasındaki sıcaklık farkının ölçülerek cismin ortalama sıcaklığının ölçülmesi ve ısılçift algılayıcıların referans jonksiyonları görevinden başka kullanımlar, vb. amacıyla düzenlenebilir. Isılelektrik gerilimin oldukça küçük ve özellikle uzun iletkenli algılayıcıların yayılan farklı parazitlere duyarlı olduğuna dikkat edilmesi gerekir. Gürültü azaltma ile genel bilgiler kısım 7. Bölümde bulunabilir. Şekil 14a bir ısılçift ve bir termopil in eşdeğer devresini göstermektedir. Bir gerilim kaynağı ve seri dirençten oluşur. Gerilim kaynağı genliği sıcaklığın bir fonksiyonu olan Seebeck gerilimini temsil eder. Devrenin terminallerinin aynı malzemeden yapılmış olduğu varsayılmıştır, bu örnekte bakır iletken kullanılmıştır.
(a) ısılçift eşdeğer devresi (b) yarı-iletken referans algılayıcısı ile termometrenin ön ucu Şekil 14 Bir ısılçift in kullanımı Geleneksel olarak ısılçift ler sıcaklığının 0 C de tutulması için bir referans buz banyosuna daldırılarak soğuk bir jonksiyonla kullanılmaktaydı. Bu çoğu pratik uygulamalar için ciddi bir sınırlama oluşturmaktadır. 2. ve 3. ısılelektrik kurallar basitleştirilmiş bir çözüme izin verir. Bir soğuk nokta sıcaklık hassas olarak bilindiği sürece çevre sıcaklığı dahil olmak üzere her hangi bir sıcaklıkta tutulabilir. Bu bakımdan bir soğuk jonksiyon referans kompanzasyonu gerektirmeyen ek bir sıcaklık algılayıcısı ile ısıl olarak kuplajlanır. Ekseriyetle böyle bir algılayıcı ısıldirenç veya yarı-iletken tip olmaktadır.
Şekil 14b bir ısılçift in elektronik devreye doğru olarak bağlantısını ve soğuk jonksiyon referans noktasını göstermektedir. Hem soğuk jonksiyon ve hem de referans algılayıcısının yakın veya iyi ısıl kuplaj ile pozisyonlandırılması gerekir. Ekseriyetle bunlar bir bakır kalıp içine gömülmüştür. Kuru teması engellemek için ısıl iletken gres veya epoxy nin daha iyi ısıl izleme amacıyla uygulanması gerekir. Bu örnekteki referans sıcaklık algılayıcısı bir yarı-iletken devredir, LM35DZ. Devrenin iki çıkışı vardır: Birisi Seebeck gerilimi Vp yi temsil eden sinyal ve diğeri referans sinyali Vr dir. Şemadan da görüldüğü gibi baskı devrenin giriş terminallerine bağlantı ve sonra evirmeyen yükselticinin girişine ve toprak barasına bağlantı aynı tip iletkenlerden (Cu) yapılır. Bununla beraber baskı devre giriş terminallerinin soğuk jonksiyon sıcaklığında olması gerekmez. Bu özellikle baskı devre sıcaklığının soğuk jonksiyon sıcaklığı, Tr den farklı olabildiği uzaktan ölçümler için önemlidir. Tam bir ısılçift algılama takımı genelde aşağıdakilerden biri veya birkaçından oluşur: algılama eleman takımı (jonksiyon), koruyucu tüp (seramik veya metal ceket), termokuyu (bazı kritik uygulamalar için bunlar yekpare çubuklar delinerek hassas toleranslı yapılır ve korozyonu engellemek için iyice parlatılır), terminaller (vidalı tip, açık tip, fiş ve jack birleşmeli, askeri standart tipi konnektörler, vb. olabilir). Bazı tipik ısılçift takımları şekil 15 de görülmektedir. İletken teller açık veya üzerine elektrik yalıtkanları konulabilir. Yüksek sıcaklık uygulamaları için yalıtıcılar yeterli esneklik sağlayabilecek balık sırtı veya top seramik tipi olabilir. Şayet ısılçift teller elektriksel olarak yalıtılmamışsa bir ölçme hatası oluşabilir. Yalıtım nem, aşınma, esneme, aşırı sıcaklıklar, kimyasal darbe ve nükleer ışınım ile ters oranda etkilenir. Yalıtıcı malzemelerin özel sınırlamalarının iyi bilinmesi doğru ve güvenilir bir ölçümün temelidir. Bazı yalıtkanlar doğal nem direncine sahiptir. Teflon, polivinil klorid (PVC) ve bazı polyamit biçimleri bu gruba örnektir. Fiber tipi yalıtkanlar ile nem koruması mum, reçine veya silikon bileşikler ile yapının emdirilmesinden kaynaklanır. Aşırı sıcaklığa sadece bir kere maruz kalınmasıyla emdirilmiş malzemenin buharlaşarak koruma kaybı ile sonuçlanacağına dikkat edilmelidir.
(a) çıplak ısılçift elemanı, bükülü ve kaynaklı (b) bir tüp taşıyıcıya yapıştırılmış ısılçift telleri (kullan at tipi) (c) yalıtılmış ısılçift, bükülü ve kaynaklı (d) ucu kaynaklı (butt) balık sırtı yalıtıcılı ısılçift Şekil 15 Bazı ısılçift takımları Nemin nüfuzu ısılçift in algılama ucu ile sınırlı kalmaz. Örneğin şayet ısılçift sıcak veya soğuk bölgeyi geçtiğinde yoğunlaşma yeterli nem koruma sağlanmadığı sürece ölçmede hatalara neden olacaktır. Yüksek sıcaklıklarda kullanmak için esnek yalıtkanların temel tipleri fiberglas, fiberli silika ve asbesttir (sağlığa zararlı olduğundan uygun bir tedbirle kullanılmalıdır). Ek olarak ısılçift lerin alaşımlar ile uygun olmayan atmosferlerden korunması gerekir. Koruyucu tüpler ısılçift i mekanik hasara karşı korumanın yanında teller ve çevre arasında koruyucu bir kalkan olarak çifte koruma amacı taşımaktadır. Koruyucu tüpler karbon çelikler (oksitleyici atmosferlerde 540 C ye kadar), paslanmaz çelik (870 C ye kadar), ferrik paslanmaz çelik (AISI 400 serisi), yüksek nikel alaşımları, nikrom, inkonel, vb. (oksitleyici atmosferlerde 1150 C ye kadar) den yapılabilir.
Pratik olarak bütün taban-metal ısılçift telleri üretici tarafından tavlanarak kırılganlığı giderilerek yumuşatılır yani kararlı hale getirici ısıl işlem yapılır. Böyle bir bakım genelde yeterli görülür ve kullanmadan veya test edilmeden önce telin daha ileri tavlama suretiyle ısıl işlemi nadiren tavsiye edilmektedir. Yeni bir platin ve platin-radyum ısılçift tel satıldığı gibi üretici tarafından çoktan ısıl işlemden geçirilmesine rağmen doğru bir kalibrasyona teşebbüs etmeden önce yeni veya önceden kullanılmış olsun olmasın bütün R, S ve B tipi ısılçift lerin çoğu laboratuvarlarda yeniden ısıl işlemden geçirilmesi pratik adet olmuştur. Bu ekseriyetle ısılçift in hava içinde elektriksel ısıtılmasıyla yapılır. Isılçift in tamamı birbirine yakın iki sıkıştırıcı çubuk arasına konulur, böylece tellerin gerginliği ve uzaması sıcak iken minimumda tutulur. Telin sıcaklığı uygun bir şekilde bir optik pirometre ile belirlenir. Mekanik gerginliğin çoğu 1400-1500 C sıcaklığının ilk birkaç dakikası süresinde giderilmiş olur. İnce film ısılçift ler folyo maddelerin yapışkan jonksiyonları ile biçimlendirilir. Bunlar ince lamine malzeme içine gömülü bir algılayıcı ile matris tipinde ve serbest taşınabilir flaman stilinde mevcuttur. 5 μm kalınlığına sahip folyo oldukça düşük kütle ve ısıl kapasite verir. İnce düz jonksiyonlar ölçülen yüzey ile yakın bir ısıl kuplaj sağlar. Folyo ısılçift ler çok hızlıdır (tipik bir ısıl zaman sabiti 10 ms dir) ve standart arabirim elektronik aparatları ile kullanılabilir. Küçük kütleye sahip algılayıcılar ile sıcaklık ölçülürken bağlantı iletkenleri boyunca ısıl iletimin dikkate alınması gerekir. Uzunluk ve kalınlık oranı çok büyük (1000 civarında) film ısılçift lerde iletkenlerdeki ısı kaybı ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Bir film ısılçift i bir cisme tutturmak için genelde bazı metotlar kullanılır. Bunlar çeşitli özel çimentolar ve alev veya plazma sprey seramik kaplamalardır. İşleme kolaylığı için algılayıcılar sıklıkla sert, esnek ve boyutsal kararlı geçici bir polyamit film içinde taşınır. Bunun ısıya dayanıklı ve inert olması olağan dışıdır. Montaj süresince taşıyıcı kolaylıkla sıyrılabilir veya ısının uygulanmasıyla serbest kalır. Serbest folyo algılayıcılar topraksız bir jonksiyon elde etmek için ince bir katmana kolaylıkla fırçalanabilir.
Çimento seçiminde korosiv bileşiklerden kaçınılmalıdır. Örneğin fosforik asit içeren çimentolar bir kolunda bakıra sahip ısılçift ler ile kullanılırken tavsiye edilmez.
3 YARI-İLETKEN PN JONKSİYON ALGILAYICILARI Bir diyot ve bipolar transistördeki yarı-iletken pn-jonksiyon oldukça güçlü bir ısıl bağımlılık taşır. Şayet jonksiyon sabit akım yani DC kaynağına bağlanırsa sonuç gerilim jonksiyon sıcaklığının bir ölçüsü olur (şekil 17a). Böyle bir algılayıcının cazip bir özelliği yüksek doğrusallık derecesidir (şekil 16). Bu bir eğimi (duyarlılık) ve bir kesişimi tanımlayan sadece iki nokta kullanan basit bir kalibrasyon metoduna izin verir. Şekil 17 da ileri polarlanmış pn-jonksiyon sıcaklık algılayıcıları görülmektedir. Şekil 16 Sabit akımda ileri polarlanmış yarı-iletken jonksiyonun gerilim-sıcaklık bağımlılığı Bir pn-jonksiyonlu diyotun akım-gerilim, V eşitliği I I o exp(qv / 2kT ) (28)
olarak ifade edilebilir. Burada Io doyum akımı olup sıcaklığın güçlü bir fonksiyonudur. Jonksiyondaki sıcaklığa bağımlı gerilimin V Eg q 2kT (ln K ln I ) q (29) olarak ifade edilebildiği gösterilebilir, burada Eg 0 K da silikon için enerji bant aralığı (mutlak sıfır), q bir elektronun yükü ve K sıcaklığa bağımlı olmayan bir sabittir. Yukarıdaki eşitlikten jonksiyon sabit akım şartında çalıştığı zaman gerilim sıcaklıkla doğrusal olarak ilişkilidir ve eğim aşağıdaki gibi olur. b dv 2k (ln K ln I ) dt q (a) diyot (b) diyot olarak bağlanmış bir transistör Şekil 17 İleri polarlanmış pn-jonksiyon sıcaklık algılayıcıları (30)
Tipik olarak 10 μa de çalışan bir silikon jonksiyon için eğim (duyarlılık) yaklaşık olarak 2,3 mv/ C iken 1 ma akım için yaklaşık 2,0 mv/ C ye düşmektedir. Bir sıcaklık algılayıcısı olarak her hangi bir diyot veya transistör kullanılabilirken özel amaçlara uygun özel aygıtlar vardır. Bir örnek olarak Motorola MTS102 algılayıcısı verilebilir. Bir sıcaklık algılayıcısı olarak kullanılan transistörün pratik bir devresi Şekil 17b de görülmektedir. Bir E gerilim kaynağı ve kararlı bir R direnci akım kaynağı yerine kullanılır. Transistörden geçen akım aşağıdaki gibi belirlenir. I E V R (31) Akımın, I = 100 μa seviyesinde kullanılması tavsiye edilir böylece E = 5 V ve V = 0,6 V için direnç, R = (E V)/I = 44 kω dur. Sıcaklık arttığında V gerilimi düşerek I akımında küçük bir artma olur. (30) eşitliğine göre bu duyarlılıkta bir azalmaya neden olarak akabinde doğrusalsızlık olarak gözükür. Bununla beraber doğrusallık özel bir uygulama için ya küçük olabilir ya da sinyal işleme süresince çaresine bakılabilir. Bu basitliği ve ucuzluğundan dolayı bir transistörü (veya diyot) sıcaklık algılayıcısı olarak çoğu uygulamalarda çok cazip hale getirmektedir. Şekil 18 100 μa de çalışan PN100 transistörü ile yapılan sıcaklık algılayıcılarının hata eğrisini göstermektedir. Hatanın oldukça küçük ve çoğu pratik uygulamalar için bir doğrusallık düzeltiminin gerekmediği görülmektedir.
Bir diyot algılayıcı sıcaklık kompanzasyonuna ihtiyaç duyan çoğu monolitik algılayıcılarda silikon yapı içinde biçimlendirilebilir. Örneğin piezo-rezistif elemanların sıcaklık bağımlılığının kompanzasyonu için bir silikon basınç algılayıcısının mikromakina ile işlenmiş zarının içine difüzyonlama suretiyle konulabilir. Ucuz hem de hassas yarı-iletken sıcaklık algılayıcısı mutlak sıcaklıkla (K) orantılı gerilim üreten transistörlerin temel özelliklerinin kullanılmasıyla yapılabilir. Bu gerilim doğrudan kullanılabilir veya akıma dönüştürülebilir. Bir bipolar transistörün beyz-emiter gerilimi (Vbe) ve kollektör akımı arasındaki ilişki doğrusal yarı-iletken sıcaklık algılayıcısı üretmek için anahtar özelliktir. Şekil 19a basitleştirilmiş bir devreyi göstermektedir, Q3 ve Q4 akım aynasını biçimlendirir. Bu iki eşit akımın, IC1=I ve IC2=I Q1 ve Q2 transistörlerinden geçmesini zorlar. Kollektör akımları R direnciyle belirlenir. Bir monolitik devrede Q2 transistörü birbirine paralel bağlı birkaç benzer transistörden yapılabilir, örneğin 8 adet paralel bağlı transistör. Bu yüzden Q1 deki akım yoğunluğu Q2 transistörlerinin her birindekinden 8 kat büyüktür. Q1 ve Q2 nin beyz-emiter gerilimleri arasındaki fark Vbe Vbe1 Vbe 2 kt k kt I kt ln ln ln r q I ceo q I ceo q (32)
Şekil 18 Sıcaklık algılayıcısı olarak silikon transistörün (PN100) hata eğrisi Burada r akım oranı (bu örnekte 8), k Boltzman sabiti, q bir elektronun yükü ve T kelvin olarak sıcaklıktır. Iceo akımları her iki transistör için aynıdır. Sonuç olarak R direncinin uçlarındaki akım VT = 179 μv T gerilimi üretir ki kollektör akımlarından bağımsızdır. Bu yüzden algılayıcıdan geçen toplam akım k IT 2 ln r T qr (33) olarak r = 8 akım oranı, R = 358 Ω direnci ile doğrusal bir transfer fonksiyonu, IT/T = 1 μa/ K üretir.