MAK 401 Konu 6 : Sıcaklık Ölçümleri (Burada verilenler sadece slaytlardır. Dersleri dinleyerek gerekli yerlerde notlar almanız ve kitap destekli çalışmanız sizin açınızdan çok daha uygun olacaktır.)

Giriş Sıcaklık cisimlerin sıcaklık veya soğukluklarının tanımlanmasını sağlayan termodinamik bir özelliktir. Isı ise sıcaklık farkından dolayı iki sistem arasında hareket eden enerji şekli olarak tanımlanır. Termodinamiğin sıfırıncı kanunu : İki cisim üçüncü bir cisim ile ayrı ayrı ısıl dengede ise bu iki cisim birbiri ile ayrı ayrı dengededir, yani eşit sıcaklıktadır.

Giriş Cisimler arasında bir ısı denge yoksa sıcaklıklarıda farklıdır. Sıcaklığın sayısal olarak ölçülebilmesi için bir referans sistem (termometre) kullanılır. Sağlıklı bir okumanın yapılabilmesi için seçilecek olan termometrenin ısıl kapasitesinin sistemin ısıl kapasitesinden çok daha küçük olması gerekir. Referans sisteminde (termometrede) sıcaklığı değerlendirmede kullanılan özelliğe termometrik özellik denir.

Sıcaklık Ölçekleri Deneysel Sıcaklık Ölçeği Bir sıcaklık ölçeğinin değerlendirilmesi için bir başlangıç noktasının ve bir ölçüm biriminin tanımlanması gerekmektedir. T sıcaklığında k termodinamik özelliğinde olan bir sistemde T = αk+β doğrusal bağıntısı kurulabilir. Bu şekilde deneysel veriler ile elde edilen sıcaklık ölçeğine deneysel sıcaklık ölçeği adı verilir.

Sıcaklık Ölçekleri Termodinamik Sıcaklık Ölçeği Sıcaklık ölçümünün ölçme aletine olan bağlılığını ortadan kaldırmak için Lord Kelvin, Carnot çevrimine dayanan Termodinamik Sıcaklık Ölçeğini tanımlamıştır. Ölçüm aletine bağlı olmayan bu sıcaklık ölçeğine aynı zamanda Kelvin Sıcaklık Ölçeği adı verilir. Uluslararası sıcaklık skalasında 1 atm deki buzun ergime sıcaklığı olan 273.15 K yerine suyun üçlü noktası olan 273.16 K kullanılır.

Sıcaklık Ölçekleri Uluslararası Sıcaklık Ölçeği Termodinamik sıcaklık ölçeğinin ve gaz termometrelerinin pratiklikten uzak olmasından dolayı uluslararası anlaşmalar ile hazırlanmış bir sıcaklık ölçeğidir. 1968 ile 1990 yıllarında Uluslararası Ağırlık ve Ölçme Komitesi tarafından Uluslararası Temel Pratik Sıcaklık Skalası kabul edilmiştir.

Sıcaklık Ölçekleri Diğer Sıcaklık Ölçekleri 1954 yılında Celcius ölçeği suyun üçlü noktasına göre (0,01 0 C) yeniden tanımlanmış ve mutlak sıcaklık (Kelvin) ile arasında 0 C = K 273.15 bağıntısı tanımlanmıştır. Anglo-Sakson ülkelerinde kullanılan Fahrenheit sıcaklık ölçeğinde buzun ergime ve suyun kaynama sıcaklıkları sırası ile 32 0 F ve 212 0 F olarak seçilmiş ve aradaki fark 180 eşit parçaya bölünerek; 0 C=(5/9)( 0 F-32) bağıntısı elde edilmiştir.

Mutlak Fahrenheit derecesi, Rankine ( 0 R) derecesi olarak adlandırılıp buradaki sıcaklıklar 491,69 ve 671,69 0 R seçilerek; tanımlanmıştır. 0 R=(5/9) K bağıntısı İdeal Gaz Termometresi İdeal gaz termometresi sabit bir hacimdeki gazın basıncının değişimini kullanarak sıcaklık ölçümü yapan bir alettir. Gaz termometreleri ile 1 K gibi düşük bir sıcaklığın ölçülmesi mümkündür.

Sıvı Genişlemeli Cam Termometreler -200 ile +750 0 C arasında kullanılırlar. Bir hazne, buna bağlı kılcal bir boru, en üstte genleşmenin problemlerini dengeleyen bir hacim, bir ölçek ve bu sistemin içinde genleşebilen bir akışkandan imal edilir. Akışkan olarak civa, toluen, etil alkol gibi akışkanlar kullanılır. En yaygın akışkan cıvadır.

Sıvı Genişlemeli Cam Termometreler Çeşitleri : Bu tip termometreler doğrudan doğruya sistemden sıcaklığı ölçecek şekilde kullanılabildiği gibi yüksek basınçtaki ortamlarda koruyucu bir kapsülün içerisinede yerleştirilebilir. Sıvı genişlemeli elektrik kontakt termometreleri ile sıcaklık kontrol devreleri kurularak sıcaklık kontrolü yapılabilir. Küçük sıcaklık seviyelerinin ölçümünde Beckmann Termometresi kullanılmaktadır.

Sıvı Genişlemeli Cam Termometreler

Sıvı Genişlemeli Cam Termometreler Bir ortamın en yüksek ve en düşük sıcaklıklarının tespiti için maksimum-minimum termometresi geliştirilmiştir. Ölçme Düzeltmesi : Sıvı genişlemeli termometreler ile üç şekilde ölçme yapmak mümkündür. Kısmi daldırma (Termometrenin sıcaklığı ölçülecek ortama sadece haznesinin sokulması durumu ) Toplam daldırma Tamamen daldırma

Sıvı Genişlemeli Cam Termometreler

Sıvı Genişlemeli Cam Termometreler Kısmi olarak daldırılmış bir termometrede ölçme düzeltmesi; θ = β g N(t 1 -t 2 ) ile ifade edilir. Burada; t 1 : Ortam içerisine sokulmuş termometre sıcaklığı t 2 : Termometre haznesi dışarısındaki ortam sıcaklığı N : Sıcaklığı ölçülen ortam dışında kalan kısmın gösterdiği değer β g : Termometre sıvısının görünür hacimsel genleşme katsayısı θ : Ölçmeye ait sıcaklık düzeltmesi

Basınç Termometreleri Yapı olarak ideal gaz termometrelerine benzer ancak hazneye ideal gaz yerine başka akışkanlar konur. Üç çeşittir; Gaz doldurulmuş basınç termometreleri Sıvı-buhar doldurulmuş basınç termometreleri Sıvı doldurulmuş basınç termometreleri Bu tip termometrelere pratikte akışkan genleşmeli termometrelerde denir.

Basınç Termometreleri

Bimetal Termometreler Cisimlerin sıcaklık ile uzaması prensibine dayanır. Farklı malzemelerden üretilmiş iki parça birbirine lehim, perçin gibi bir yöntem ile birbirlerine bağlanır. Belli bir sıcaklık farkında her malzeme farklı bir uzama gösterir. Endüstride kullanılan bimetal termometreler helisel bir sarım yapılarak elde edilir. -50 0 C ile +400 0 C arasında ölçme yapar. Hassasiyetleri ±%1-3 arasındadır.

Bimetal Termometreler

Elektrik Direnç Termometreleri Bazı elemanların elektrik dirençlerinin sıcaklıkla değişimi prensibine dayanır. -260 0 C ile 750 0 C arasındaki sıcaklıklarda ±0,01 0 C hassasiyetle kullanılabilir. Termometredeki direncin değişimi için Wheatstone köprüsü gibi devreler kullanılabilir.

Termistörler Elektrik direnci sıcaklıkla azalan yarı iletken metal malzemelerdir. Direncin değeri; R = R 0 1 exp β T 1 T R(Ω) : Τ(Κ) sıcaklığındaki direnç R 0 (Ω) : Τ 0 (Κ) referans sıcaklığındaki direnç β(k) : Deneysel sabit (3500-4600 K) Bir elektrik devresinde sıcaklık ile birlikte artan direnci dengelemek amacı ile negatif direnç karakteristiğine sahip termistörler kullanılır. 300 0 C ın üzerindeki sıcaklıklarda kullanımı sakıncalıdır. 0

Termistörler

Termoelemanlar Elektriksel sıcaklık ölçme yöntemlerinin en çok kullanılanıdır. Pratikte -185 0 C ile +1820 0 C arasındaki sıcaklıklarda kullanılabilir. Çalışma sistemi iki farklı metalden yapılmış tellerin birleşim noktalarına etki eden farklı sıcaklıkların bir elektromotor kuvveti (emk) oluşturmasına dayananır. Bu etkiye Seebeck etkisi adı verilir. Bir termoeleman devresinde en az iki uç bulunmaktadır. Termoelemanlarda referans olarak kullanılan uçlardan bir tanesi 0 0 C daki demineralize suya batırılır.

Termoelemanlar

Termoelemanlar Oluşan emk bir galvanometre, milivoltmetre veya potansiyometre ile ölçülür. Termoelemanların hassasiyetini artırmak için bu elemanlar elektriksel olarak seri veya paralel olarak bağlanabilir. Seri bağlanan termoelemanlara Termopil adı verilir. Seri bağlanan n adet termoeleman oluşturduğu emk yı n kat artırır. Paralel bağlama ile belli sayıdaki noktanın ortalama sıcaklığı bulunabilir.

Prop Tipi Sıcaklı Ölçerlerin Montajı Katı cisimlerin yüzeyinde ve içerisindeki sıcaklık ölçümü için kullanılabilecek en uygun sıcaklık ölçerler termistörler ve termoelemanlardır. Bu tip ölçmelerde ölçüm elemanlarının yüzey veya iç kısma yerleştirilmesi sırasında iyi bir ısıl iletkenlik sağlanmalıdır. Prop tipi cihazlar ile akışkan sıcaklığı ölçümünde yüksek basınçlı, asidik ve bazik akışkanlar için koruma kılıfı içerisine yerleştirilmiş sıcaklık ölçerler kullanılır.

Prop Tipi Sıcaklı Ölçerlerin Montajı Akışkanın prop ile karşılaştığı noktada hız sıfıra düştüğünden ölçülen hız akışkanın gerçek sıcaklık değerinden daha yüksek olacaktır. Durma noktasında kinetik enerjinin ısıl enerjiye dönüşümünü kullanırsak; V 2 /2 = c p (T 0 -T ) T 0 : durma noktasındaki sıcaklık ( 0 C) T : serbest akış sıcaklığı (statik sıcaklık) ( 0 C) V : akışkan hızı (m/s) c p : gazın sabit basınçtaki özgül ısısı (J/kg 0 C)

Prop Tipi Sıcaklı Ölçerlerin Montajı Bu formülden statik sıcaklık; T = T r r(v 2 /2c p ) olarak bulunabilir. T r : probun gösterdiği sıcaklık r : iyileştirme katsayısı (recovery factor) r = (T r - T )/(T 0 -T )

Sıcaklık Ölçümlerinde Isı Geçişinin Etkileri Proplarla içine yerleştirildikleri ortam arasında birbirleri arasında gerçekleşen ısı geçişinden dolayı sabit ölçme hataları meydana gelir.

Isıl Işınım ile Sıcaklık Ölçümü Isıl ışınımın tespitinde Pirometre adı verilen cihazlar kullanılır. İki çeşit pirometre vardır; Toplam ışınım pirometresi Optik pirometre Her iki pirometrede ölçümleri cisimlerle herhangi bir temas gerçekleştirmeden ölçer.

Isıl Işınım ile Sıcaklık Ölçümü Her cisim ışınım yolu ile ısı alışverişi yaparlar. Üzerine düşen tüm ışınım enerjisini yutan cisimler siyah cisimler olarak adlandırılırlar. Bir siyah cismin yaydığı ışınım enerjisi; E b = σt 4 E b : siyah cisimden yayılan ışınım gücü (W/m 2 ) σ : Stefan-Boltzman sabiti 5,66*10-8 W/m 2 K 4 T : Cismin sıcaklığı (K)

Isıl Işınım ile Sıcaklık Ölçümü Gerçek bir cismin E ışınım gücünün siyah cismin E b ışınım gücüne oranı ε yayma katsayısı olarak adlandırılır. ε = E / E b Bütün dalgaboylarında yayma katsayısının sabit olduğu cisimler gri cisimler olarak adlandırılır. Wien kanununa göre siyah cisimlerin ışınım gücünün en yüksek seviyedeki dalgaboyunun cismin sıcaklığı ile çarpımı sabit bir değer vermektedir. Buradan; λ max T = 2897,6 µm*k

Isıl Işınım ile Sıcaklık Ölçümü Toplam Işınım Pirometreleri Sıcak yüzeyden gelen ışınım, toplayıcı bir mercek veya ayna ile sıcaklığı algılayabilen bir yüzey üzerine (termoeleman, fotoelektrik eleman veya direnç termometresi) düşürülür. Bu tip cihazlarla 400 0 C ile 3500 0 C arası sıcaklıklar okunabilir. Optik Pirometreler Sıcaklığı ölçülecek cisimin yaydığı ışınımla, elektrikle ısıtılmış bir lamba filamanının karşılaştırılması prensibine dayanır.

Kaynaklar Thermodynamics, An Engineering Approach, ÇENGEL, Y., MOLES, Michael A., McGraw Hill Ölçme Tekniği (Boyut, Basınç, Akış ve Sıcaklık Ölçmeleri), GENCELİ, O., Birsen Yayınevi, 2005 http://www.rtg.wa.edu.au/repairs/general/repair1b.jpg http://www.physics.uc.edu/~sitko/collegephysicsiii/10- ThermalPhysics/ThermalPhysics.htm http://www.bulutmuhendislik.com.tr/tr/hafun/resim/1203091900.jpg http://www.lakewoodconferences.com/direct/dbimage/50202277/pressure_thermom eter.jpg http://www.rsc.org/chemistryworld/issues/2007/december/classickitbeckmanntherm ometer.asp http://en.wikipedia.org/wiki/beckmann_thermometer http://jrm.in/products.html http://www.bilim-teknoloji.net/images/termometre.jpg http://www.sinarinstruments.com/cam_termometreler.htm http://www.lanzo.se/applications/thermocouple.html http://www.amiinstru.com/thermo-sensors.htm http://users.utu.fi/jarsalon/sensor.html http://www.silisyum.net/htm/pasif_devre_elemanlari/termistor.htm