Bu makalede, sıcaklık ölçüm teknolojisinin önemi ve gelişimi hakkında bilgi edineceksiniz. Konuyu yeterince derinlemesine ele alacağız ve şunları yapacaksınız:
- Sıcaklığın ne olduğunu ve neden bu kadar önemli olduğunu.
- Sıcaklık sensörlerinin geçmişini.
- Sıcaklık sensörlerinin test ve ölçüm uygulamalarında ne kadar önemli olduğunu.
Dünyanın En Çok Ölçülen Fiziksel Büyüklüğü
Sıcaklık sağlığımız ve çevremiz için kritik öneme sahiptir: yaşadığımız ve çalıştığımız binalar, yollarımız ve altyapımız ve dünyadaki her makine. Anormal insan vücudu sıcaklığı, hasta olduğumuzun ilk belirtilerinden biridir. Aşırı sıcaklıklar makineleri ve yapıları bozabilir veya yok edebilir. Sıcaklığı ölçmek her zaman hayati öneme sahip olmuştur, ancak her zaman doğru bir şekilde ölçmek mümkün olmamıştır.
Sıcaklık Nedir?
Suyun donma ve kaynama noktaları hem Celcius hem de Fahrenheit sıcaklık ölçüm ölçeklerinde pratik bir referanstır.
Sıcaklık, maddenin veya radyasyonun sıcaklığının veya soğukluğunun fiziksel bir ölçüsüdür. Ayrıca, daha sıcak cisimlerden daha soğuk olanlara doğru enerji akışını da ifade eder.
K (Kelvin), (SI) uluslararası sıcaklık birim sistemidir. En soğuk sıcaklık, neredeyse hiç moleküler aktivitenin olmadığı bir durum olan “mutlak sıfır”dır. Bu nokta 0 °K olarak referans alınır.
Eğer merak ediyorsanız, mutlak sıfır -273.15 °C’dir (-459.67 °F). Bu soğuk!
Celsius ölçeğinde 0 derece suyun donma noktası, 100 ise kaynama noktasıdır. Fahrenheit da bu iki referans noktasını kullanır, ancak bunlar 32 ve 212 °F olarak ayarlanmıştır.
Bir zamanlar dünya standardı olan Fahrenheit, 20. yüzyılda Santigrat ölçeğiyle değiştirildi. Günümüzde Fahrenheit yalnızca ABD’de ve birkaç başka ülkede kullanılıyor. Santigrat, 1742’de geliştiren İsveçli bilim insanı Anders Celsius’un onuruna 1948’de “Celcius” olarak yeniden adlandırıldı. 0 derecenin suyun kaynama noktası, 100 derecenin ise donma noktası olması gerektiğini önerdi. Bu ölçek daha sonra daha sezgisel hale getirmek için tersine çevrildi.
Celcius ve Fahrenheit ölçekleri -40°’da kesişir.
Atmosferik basınç (diğer adıyla barometrik veya hava basıncı) suyun davranışını etkiler. Suyun donma ve kaynama noktaları hem Celcius hem de Fahrenheit ölçeklerinde referans olarak kullanıldığından, ölçümlerin deniz seviyesinde 1 atmosferde yapılması gerektiği belirtilmiştir.
Sıcaklık değerlerini şu formatta yazıyoruz:
- 25 °C
- 107 °F
- 23.45 °K
Sıcaklık değerinin ardından bir boşluk gelir ve derece sembolü (°) birim kısaltması (C, F veya K) ile takip edilir. Değerler, uygulamanın çözünürlük gereksinimine bağlı olarak 32 veya 32.938 gibi tam sayı veya kayan nokta olabilir.
Erken Bağıl Ölçümler
- yüzyıla kadar sıcaklık ölçümü en iyi ihtimalle ilkeldi. Hiçbir alet gerçek bir sıcaklık değerini ölçemezdi; sadece göreli ölçümler yapabilirlerdi.
MÖ 250 civarında, Bizanslı Yunan mühendis Philo Mechanicus içi boş bir kurşun küreyi hava ve suyla doldurdu ve onu bir tüple açık hava sürahisine bağladı. Kürenin içindeki hava sıcaklığı arttıkça küre genişledi ve suyu tüpe itti. Sıcaklık düştüğünde su geri çekildi.
İskenderiyeli Hero, MS 50 civarında ilkel bir termoskop geliştirdi. Ayrıca, bir küre içindeki su veya havanın ısıtıldığında genişleyeceği ve soğutulduğunda büzüleceği fikrine dayanıyordu. Bu, artan veya düşen sıcaklığı belirtmek için suyu bağlı bir boru boyunca hareket ettirebilirdi.
Yüz yıl sonra, Yunan doğumlu Romalı hekim Galen benzer bir termoskop yarattı. Ancak ne sıcak ne de soğuk olan sıcak, soğuk ve nötr sıcaklığı gösteren bir ölçek ekledi. Sıcaklığı ölçmede önemli bir ilerleme kaydedilmesi 1500’lerin sonu ve 1600’lere kadar olmayacaktı.
Termoskop
Ünlü İtalyan astronom Galileo Galilei (1564-1642), Santorio Santorio, Robert Fludd ve Cornelius Drebbel ile birlikte termoskopun icadının arkasındaki bilim insanlarından biridir. Uzun bir tüpe bağlı bir ampul, renkli su dolu bir kavanoza yerleştirildi. Ampuldeki hava daha yüksek sıcaklıklarda genişleyerek tüpteki sıvının seviyesini yükseltti.
Galileo ve çağdaşları o zamanlar bunu fark etmemişti, ancak barometrik basınçtaki bu ölçümleri etkileyen değişiklikler vardı. Termoskop, bağıl sıcaklık değişikliklerinin gözlemlenmesini doğrulamaya yardımcı oldu ancak doğru okumalar sağlamadı.
Kalibrasyonun Ortaya Çıkışı
1700’lerin başlarında, Danimarkalı gökbilimci Ole Christensen Rømer, suyun donma ve kaynama noktalarına dayalı, 7,5 ila 60 derece arasında bir sıcaklık ölçeği tasarladı. Bu, ilk kalibre edilmiş sıcaklık ölçeğiydi ve tamamen yeniydi. Daha önceki tüm sıcaklık ölçümleri göreceliydi.
Tesadüfen, İngiliz fizikçi Isaac Newton neredeyse tam olarak aynı zamanda kalibre edilmiş bir sıcaklık ölçeği önerdi. Newton suyun donma noktasını sıfır derece olarak belirledi. Ancak, İngiliz Darphanesi’nin müdürü olduğu için kalay, kurşun ve diğer metallerin erime noktası gibi ikincil referans noktaları kullandı.
İlk Pratik Termometre
Barometrik basıncın okuma üzerindeki etkilerini ortadan kaldırmak için bilim insanları, kapalı bir cam kap içinde bir sıvı kullanmayı denediler. Toskana Büyük Dükü Ferdinando II de’ Medici, 1654 gibi erken bir tarihte alkol kullanarak böyle bir termometre yaptı.
1709’da Polonya doğumlu Daniel Gabriel Fahrenheit, kapalı bir tüpü kısmen renkli cıva ile doldurarak ilk pratik cam termometreyi yarattı. Fahrenheit, 1708’de Rømer’i ziyaret ettikten sonra ölçeği için fikri buldu. Tüpü, suyun donma noktasında 32’den suyun kaynama noktasında 212’ye kadar bir ölçekle işaretledi. Bu nedenle, Fahrenheit’ın icadı güvenilir ölçümler yaptı ve tıpta ve diğer uygulamalarda pratik olarak kullanıldı.
Pirometre
18. yüzyılın ortalarında İngiliz çömlekçi Josiah Wedgewood, fırınlarının içindeki sıcaklığı ölçmek amacıyla mekanik bir pirometre icat etti.
Diğer pirometreler, aşağıda gösterilen pirometre gibi, yapı olarak daha karmaşıktı. Fırın tarafından ısıtıldığında bir metal çubuğun (a) genleşmesine dayanarak, genişleyen çubuk bir iğneyi işaretli bir ölçek boyunca itti. Sıcaklık düştüğünde, bir yay çubuğu ve iğneyi orijinal konumlarına geri itti.
Seebeck’in Termokupl’u
1821’de Baltık doktoru ve fizikçisi Thomas Seebeck, ısı ve manyetizma arasındaki ilişkiye hayran kaldı. İki farklı iletken metali iki noktadan birbirine bağlayıp daha sonra bağlantılardan birini bir ısı kaynağına maruz bırakmanın tel boyunca bir manyetik alan (ve dolayısıyla küçük bir voltaj) ürettiğini keşfetti.
İyon henüz keşfedilmemişti, bu yüzden farkında değildi, ancak daha sonra onun şerefine Seebeck Etkisi olarak adlandırılan bir elektromotor kuvveti gözlemliyordu . Seebeck ayrıca bu akımın ortam sıcaklığına bağlı olarak arttığını veya azaldığını gözlemledi. Çalışmaları doğrudan termoçiftin icadına yol açtı.
RTD
1871’deki Bakerian Konferansı’nda Sir Carl Wilhelm Siemens, elektrik iletkenlerinin artan sıcaklıklarla birlikte elektrik dirençlerini artırma eğilimi hakkında bir makale sundu. Belirli metaller arasında ölçülebilen direncin sıcaklıkla değiştiğini gözlemledi.
1885 yılında İngiliz fizikçi Hugh Longbourne Callendar’ın daha güvenilir ve ticari açıdan başarılı hale getirdiği platin bazlı bir RTD (direnç sıcaklık dedektörü) icat etti.
Termokuplların aksine, RTD’nin çıkışları doğrusaldır. Ancak, sensör gücünün sağlanması gerekir. Sonuç olarak, bunların kablolanması termokupllardan daha karmaşıktır.
Termistör
Bir termistör, metal oksitlerin küçük bir boncuk, disk, gofret veya başka bir şekle preslenmesi ve yüksek sıcaklıklarda sinterlenmesiyle oluşan bir yarı iletkendir. Genellikle epoksi veya camla kaplanır.
Bir termistörden akım geçirildiğinde, termistör boyunca voltajı okuyabilir ve sıcaklığını belirleyebilirsiniz. Tipik bir termistörün 25ºC’de 2000 Ω direnci vardır. %3,9 sıcaklık katsayısı.
Temassız Kızılötesi Sıcaklık Ölçümü
Kızılötesi Pirometre
İngiliz bilim insanı William Herschel, kızılötesi radyasyonun varlığını 1800’lerin başında keşfetti. Ancak Alman fizikçi Max Planck’ın elektromanyetik radyasyonla ilgili matematiksel denklemlerini geliştirmesi 100 yıldan fazla sürdü. Spektral ışımayı tanımlamak için kuantum teorisini ve fiziği birleştirdi.
İlk IR termometresi 1931’de tanıtıldı, ancak teknoloji 1940’lardaki İkinci Dünya Savaşı nedeniyle hızla ilerledi. İlk IR sensörleri, Alman Doktor Theodore Benzinger’in tıbbi uygulamalar için ucuz bir el tipi pirometre geliştirdiği 1960’lara kadar günlük kullanım için pahalı ve pratik değildi.
En yaygın kullanılan IR termometresi pirometre veya “nokta” kızılötesi pirometredir. Zararsız bir kırmızı lazer noktası, kullanıcının pirometreyi hedeflemesine yardımcı olur ve bu, neredeyse her sektördeki denetim uygulamalarında bulunur.
Termal Görüntüleme Kameraları
Bir nokta kızılötesi pirometresi, bir seferde yalnızca belirli bir konumdaki sıcaklığı ölçebilir. Peki ya çalışan bir motora bakıp içindeki sıcaklıkları görmek istersek? Ya da tüm bir insan vücudunu? Neyse ki, bunun için termal görüntüleme adı verilen bir çözüm var.
Macar fizikçi Kálmán Tihanyi, 1920’lerin başında televizyonun icadıyla ilgili çok sayıda çığır açıcı teknolojiyi patentledi. 1929’da Londra’ya taşındı ve İngiliz Hava Bakanlığı ile birlikte uçaksavar savunmalarının karanlıkta etkili bir şekilde görebilmesi için IR teknolojisini kullanan bir kamera yaratmak için çalıştı. Böylece aynı yıl ilk IR kamerayı icat etti ve patentini aldı.
II. Dünya Savaşı’nın sonuna doğru, Alman bilim insanları Tihanyi’nin “gece görüş” teknolojisini askeri hedefleme uygulamaları için sürdürdüler. 1970’lere gelindiğinde, IR teknolojisi ilerlemişti, ancak sensörlerin hala sıvı nitrojenle soğutulması gerekiyordu ve oldukça büyük ve pahalıydı.
ABD’nin 1980’lerdeki ABD Stratejik Savunma Girişimi’nin dallarından biri “akıllı sensörler”in icadıydı. Bu, bir sensörü işleme, filtreleme ve diğer gelişmiş hesaplamalarla tek bir pakette birleştirdi. Akıllı sensörlerdeki ve işleme gücündeki gelişmeler teknolojiyi daha da ileriye taşıdı.
Günümüzde termal görüntüleme kameraları makine muayenesi, tıp, yangın ve kurtarma operasyonları gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır.
Sıcaklık Sensörü Sinyal Koşullandırması
Tüm veri kaydediciler ve DAQ sistemleri, termokupllar ve RTD sensörleri için sinyal koşullandırması sağlar. Termometreleri doğrudan DAQ sistemleriyle arayüzlemek mümkün olsa da, bu nadirdir. Dijital çıkışlara ve donanım sürücülerine sahip IR kameralar, doğrudan bilgisayar tabanlı DAQ sistemleriyle arayüzlenebilir.
Özet
Sıcaklık ölçümü yüzyıllardır önemli olmuştur, ancak bunu doğru ve tutarlı bir şekilde ölçebilmek nispeten yeni bir yeniliktir. Günümüzde, her gün her saniye dünya çapında milyarlarca sıcaklık sensörü kullanılmaktadır. En küçük termistörlerden en gelişmiş IR kameralara kadar, sıcaklık görev açısından kritik bir ölçüm olmaya devam etmektedir.
Dewesoft DAQ sistemleri, günümüzün termokuplları, RTD’leri, termistörleri ve son teknoloji termal görüntüleme sistemleri için dijital arayüzler için en iyi sinyal koşullandırmayı sağlar.