By Teknik Bilgiler

Termokupl (Thermocouple) Sensörleri Kullanarak Sıcaklık Ölçümü

İçerik

Bugün bu makalede, termokupllarla sıcaklığın nasıl ölçüldüğünü ayrıntıyla tartışacağız, böylece:

     • Termokuplların ne olduklarını ve nasıl çalıştıklarını göreceksiniz.
     • Termokuplların temel türlerini ve nasıl kullanıldıklarını öğreneceksiniz.
     • Bunları testinizde DAQ sistemlerinizle nasıl kullanabileceğinizi anlayacaksınız.

Başlamaya hazır mısınız? Hadi başlayalım.

Giriş

En sık kaydedilen fiziksel ölçümün sıcaklık olduğunu biliyor muydunuz? Sıcaklığın bilinmesi, insan vücudundan bir otomobil motoruna her şeyin doğru çalışması için kritiktir.

Neredeyse sonsuz sayıda amaç için nesnelerin sıcaklığını bilmemiz gerekir. Sıcaklık genellikle bir şeylerin ters gittiğinin bir göstergesidir: belki ateşiniz vardır veya arabanızdaki fren balataları arızalanmak üzeredir veya bir enerji tesisindeki türbin çok fazla ısınmış olabilir.

Sıcaklık, bir veya daha fazla çeşit sıcaklık sensörü ile ölçülür. Günümüzde piyasada çeşitli sıcaklık sensörleri vardır:

     • Termokupl sensörleri
     • RTD sensörleri
     • Termistör sensörleri
     • Kızılötesi sıcaklık sensörleri

Termokupl nedir?

Termokupl sıcaklığın ölçülmesi için kullanılan bir sensördür. Termokupl, nispeten düşük maliyeti, değiştirilebilirliği, geniş ölçüm aralığı ve güvenilirliği nedeniyle çok popüler bir sensördür.
Termokupl sensörü

Termokupllar, fabrika otomasyonu ve proses kontrolünden otomotiv, havacılık, askeri, enerji üretimi, metal üretimi, sağlık bilimleri ve daha pek çok şeye kadar her sektörde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Standart konektör türlerine sahiptirler, bu da onları birbirinin yerine kullanılabilir ve kolay bulunabilir yapar. Sensörün ölçüm ucunda, iki metalin birlikte bükülmesi kadar basit bir şekilde oluşturulabilirler veya zorlu endüstriyel ortamlarda kullanım için sağlam bir prob içine yerleştirilebilirler.

Uzun termokupl probu Harke / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Termokupllar oldukça popüler olmasına rağmen, termokupllar yardımıyla 1 ° C’den çok daha iyi doğruluklar kolayca elde edilemez. Ancak birçok avantajı nedeniyle günümüzde endüstriyel ölçümler için kullanılan en popüler sensör türü olmaya devam etmektedirler.

Dewesoft ve termokupl sıcaklık ölçümü hakkında daha fazla bilgi edinin:

     • Dewesoft PRO Eğitimi> Sıcaklık Ölçümü

Termokupl Nasıl Çalışır?

Termokupllar, Seebeck etkisine dayanır; bu etki , her iki uçta birbiriyle temas halinde olan bir çift farklı metal sıcaklık değişimlerine maruz kaldığında, küçük bir voltaj potansiyeli oluşturduklarını söyler. Ve bunu pasif olarak yaparlar, yani bir sinyal koşullandırıcıdan güç almalarına gerek yoktur.

Bu nasıl mümkün olabilir? Var olmayan bir enerji mi yaratıyoruz? Hiç de değil- bu sadece fizik!

Elektronların hem elektrik hem de ısı taşıdığını düşünün. Bir parça bakır tel alın ve elinizi bir ucundan kapatın. Cildinizden gelen ısıdan enerji alan elektronlar, dokunduğunuz bölgeden uzaktaki soğuk bölgeye doğru yayılır ve telin uzunluğu boyunca bir sıcaklık gradyanı oluşturur. Isı enerjiye dönüştürmüş olur.

Bu olay ilk olarak 1794 yılında İtalyan bilim adamı Alessandro Volta (bu yüzden “volt” diyoruz) tarafından keşfedildi. Ancak Alman fizikçi Thomas Johann Seebeck bunu 1821’de yeniden keşfetti. İki farklı metalden yapılmış tellerin her iki uçta birleştirilmesini gözlemledi ve bu uçlar arasında bir sıcaklık farkı vardı, bu durum bağlantı yerlerinde küçük voltaj potansiyeli yarattı.

Bu potansiyele Seebeck Voltajı ve bu potansiyelin termal enerjiden yaratılmasına “Seebeck Etkisi” diyoruz. Seebeck’in 200 yıl önceki gözlemlerine dayanarak, fizikçiler Seebeck Katsayısını , yani belirli bir malzemedeki sıcaklık farklılıklarının neden olduğu termoelektrik voltajın büyüklüğünü belirleyebilirler.

Termokupllar, bir çift farklı metalin birbirleriyle temas ettiklerinde sıcaklıklarındaki değişiklikleri algılar

Onlarca yıllık araştırma, deneme-yanılma, günümüzde hangi metalleri bir termokupl oluşturmak için eşleştirdiğimizde bize en iyi sonuçları verdiğini anlamamızı sağladı. Farklı kombinasyonlar, farklı etkili ölçüm aralıkları sağlar. Ve tabii ki, her metalin, nerede ve nasıl kullanılabileceğini belirleyen çevresel özellikleri vardır.

Günümüzde termokuplların arkasındaki bilim oldukça gelişmiştir ve bugün piyasada bulunan, krom ve alümel metalleri eşleştiren ve çok geniş bir ölçüm aralığı sağlayan K Tipi gibi endüstri standardı “tipler” vardır. Aşağıda termokupl türleri hakkında daha fazla bilgi bulabilirsiniz.

Kulağa çok basit geliyor- bir termokupl için bir tel çifti alın ve bir ucunu DAQ sisteminize veya bir voltmetreye bağlayın ve sıcaklığı ölçmeye başlayın, değil mi? Ancak bundan daha fazlası var.

Bir termokupl sensörünün çıktısını kullanılabilir bir sıcaklık verisine dönüştürmek için atılması gereken iki ek adım vardır: soğuk bağlantı kompanzasyonu (cold-junction compensation(CJC)) ve doğrusallaştırma (linearization). Nasıl çalıştıklarını ve ne yaptıklarını görmek için bunların her birine bakalım.

Soğuk Bağlantı Kompanzasyonu

Mutlak bir ölçüm yapmak için, termokupl sensörü, kablolarının diğer ucundaki bilinen bir sıcaklığa “referanslanmalıdır”. Eskiden bu referans, 0 ° C (32 ° F) bilinen bir sıcaklığa sahip, neredeyse donmuş damıtılmış suyun buz banyosu olurdu. Ancak bunun taşınması sakıncalı olduğundan, ortam sıcaklığını ölçmek için çevreden korunan küçük bir termistör veya RTD kullanılarak başka bir yöntem oluşturuldu. Buna ” soğuk bağlantı kompanzasyonu ” denir.

Dewesoft IOLITE TH termokupl modülünün içindeki CJC. Beyaz teller, beyaz termal macunun içine yerleştirilmiş bir termistöre bağlanır.

” Sıcak bağlantı “, termokuplın birleştiği ölçüm ucunu ölçer ve diğer uç CJC çipinin bulunduğu referans termokupl bağlantısı olarak bilinen ” soğuk bağlantı ” dır. Bu nedenle, soğuk bağlantı sıcaklığı değişebilse de, ölçüm sistemi sensörün ölçüm ucundaki sıcaklığı çok iyi ve tekrarlanabilir bir doğrulukla türetebildiği bilinen bir referans sağlar.

Doğrusallaştırma

Bir termokupl sensörünün düşük voltaj çıkışı doğrusal değildir, yani sıcaklıktaki değişikliklerle doğrusal olarak değişmez. Doğrusallaştırma, sinyal koşullandırıcının kendisi tarafından veya DAQ sisteminin içinde çalıştığı yazılım kullanılarak yapılabilir.
En popüler termokupl türleri için doğrusallaştırma eğrileri Dewesoft online eğitim kursundan bir görüntü

Termokupl Çeşitleri

Farklı metal tiplerini eşleştirmek bize çeşitli ölçüm aralıkları verir. Bunlara “tipler” denir. En popülerlerinden biri, krom ve alümelin eşleştiren ve −200 ° C ila +1350 ° C (−330 ° F ila +2460 ° F) arasında geniş bir ölçüm aralığı sağlayan Termokupl Tip K’dir. Diğer popüler türler J, T, E, R, S, B, N ve C’dir.

Termokupl tipleri J, K, T ve E Baz Metal Termokupllar olarak bilinir. Tip R, S ve B termokupllar, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan Soy Metal Termokupllar olarak bilinir. Günümüzde kullanılan en popüler termokupl tipleri şunlardır:

Aşağıdaki resimde ayrıntılı bir termokupl karşılaştırması mevcuttur.

Termokupl Ölçüm Zorlukları ve Çözümleri

Bu sensörlerin çok küçük mikrovolt ve milivolt çıkışı nedeniyle, ölçüm sistemi izole edilmediğinde elektriksel gürültü ve parazit meydana gelebilir. Dewesoft DAQ cihazları bunu diferansiyel sinyal koşullandırma yoluyla ele alır. Hemen hemen tüm Dewesoft sinyal koşullandırma modülleri, diferansiyel olmanın yanı sıra galvanik izolasyon içerir. Bunlar, sinyal zincirine giren ortak mod voltajlarını yok saymanın en iyi yoludur.

Daha fazla bilgi edinin:

     • Veri Toplama Sistemlerinde Elektriksel İzolasyonun Önemi

     • Sinyal Koşullandırma veya Sinyal Düzenleyici Nedir

Gürültüyü azaltmanın bir başka yolu, ölçüm sistemini sensöre mümkün olduğunca yakına yerleştirmektir. Bu, uzun sinyal hatlarından kaçınmak, sinyal doğruluğunu en üst düzeye çıkarmak ve maliyetleri azaltmak için öngörülmüş bir stratejidir. Türünün en iyisi çözümler için SIRIUS ve KRYPTON modüler DAQ cihazlarımıza göz atın.

Yetersiz bir CJC, yanlış okumalara neden olur. Sağlam bir referans sağlamak için bu düzeneğin ortam sıcaklığı değişikliklerinden korunması gerekir. Dewesoft, bunun için bir alüminyum bloktan öğütülen ve mümkün olan en iyi referansı elde etmek için sağlam bir şekilde monte edilen CJC’lerde her kanal için ayrı bir CJC çipi kullanır.

Termokupl telleri basit bakır tellerden daha pahalıdır ve bu teller, soğuk bağlantının sinyal kaynağına mümkün olduğunca yakın yerleştirilmesini sağlar. (aşırı ortam sıcaklığı dalgalanmalarından kaçınır).

Dewesoft’un KRYPTON ONE tek kanallı izole edilmiş termokupl modülü gibi sistemler, bu alanda en üst düzeydedir ve soğuk referansın sensörlerin bulunduğu her yere dağıtılmasına ve 100 m’ye (328 fit) kadar birbirine bağlanmasına izin verir. Sinyal, ölçüm noktasında dijitale dönüştürülür ve EtherCAT aracılığıyla ana ölçüm sistemine iletilerek gürültü ve pahalı termokupl kablolarının uzun süre çalışması ortadan kaldırılır.

Termokupl Ölçüm Uygulamaları

Fırının tepesindeki bir test numunesine K Tipi termokupllar takılıyor (fırının yan tarafındaki sarı konektörlere dikkat edin) Achim Hering / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Sıcaklık, dünyada en çok ölçülen fiziksel özelliktir ve termokupllar, sıcaklık ölçümü için en popüler sensörlerdir. Bu nedenle, her endüstride ve sektörde termokupllar için kelimenin tam anlamıyla milyonlarca uygulama vardır. İşte bunlardan sadece birkaçı:

     • Elektrik santralleri (sıcaklık, bileşenlerin aşırı ısınmasının bir göstergesidir)
     • Termistörlerin yeterli olmadığı ev aletleri
     • Endüstriyel proses kontrolü ve fabrika otomasyonu
     • Yiyecek ve içecek imalatı
     • Metaller ve kağıt hamuru ve kağıt işleme fabrikaları
     • Çevresel gözlemler ve çalışmalar
     • Bilimsel araştırma ve geliştirme (Ar-Ge)
     • İlaç ve tıbbi malzeme üretimi ve testi
     • Otomotiv sistemleri ve test uygulamaları, sıcak ve soğuk hava testleri, fren testleri, ADAS testleri, yanma analizi ve daha fazlası
     • Uçak ve roket motoru sistemleri ve testi
     • Uydu ve uzay aracı imalatı ve testi

Termokuplların Avantaj ve Dezavantajları

Termokupl avantajları:

     • Kendi kendine çalışır (pasif)
     • Kullanımı kolaydır
     • Değiştirilebilir, kolay bağlantı sağlar
     • Nispeten ucuzdur
     • Çok çeşitli termokupl probları mevcuttur
     • Birçok tipte geniş sıcaklık aralıkları mevcuttur
     • Diğer sensörlerden daha yüksek sıcaklık kapasitesi sağlar
     • Direnç azalır veya artar

Termokupl dezavantajları:

     • Çıktı doğrusallaştırma gerektirir
     • CJC “soğuk referans” bağlantısı gereklidir
     • Düşük voltaj çıkışları gürültüye duyarlıdır
     • RTD’ler kadar kararlı değildir
     • RTD’ler kadar kesin sonuçlar vermezler

Sıcaklık Sensörleri Karşılaştırması: Termokupllar, RTD'ler ve Termistörler

Uygulamanız İçin Doğru Termokupl Seçimi

Ölçümünüzde kullanacağınız doğru sensörü seçmek için bir dizi farklı faktöre bakmak önemlidir:

     • Ölçmeyi beklediğiniz maksimum ve minimum sıcaklıklar nelerdir?
     • Bütçe nedir?
     • Hangi doğruluk aralığı gereklidir?
     • Hangi ortamda kullanılacak? (oksitleyici, inert vb.)
     • Gerekli olan kullanılabilir sensör ömrü nedir?
     • Gerekli tepki nedir (sıcaklık değişikliklerine ne kadar hızlı tepki vermelidir)?
     • Termokuplun kullanımı periyodik mi yoksa sürekli mi olacak?
     • Termokupl kullanım ömrü boyunca eğilmeye veya esnemeye maruz kalacak mı?
     • Suya batırılacak mı ve batırılacaksa hangi derinliğe kadar batırılacak?
     • Bu soruların yanıtlarına dayanarak ve yukarıdaki Termokupl Türleri tablosuna başvurarak, uygulamanız için en iyi genel sensör (ler) i seçmeniz mümkündür.

Termokupl Eğitim Videosu

Dewesoft’un ölçüm konferansından alınan bu video, termokuplların temel özelliklerini ve çalışma prensiplerini ve Dewesoft DAQ cihazları ve yazılımı ile sıcaklık ölçümünü açıklar.

Termokupllar için Dewesoft Ölçüm Cihazları

Dewesoft, sıcaklığı etkili bir şekilde ölçebilen, depolayan ve görüntüleyebilen birkaç farklı DAQ sistemi sağlar. Ve bunu, endüstriyel DAQ uygulamaları için dünyadaki en popüler sıcaklık sensörlerini bağlayarak yapabilirler: yani termokulpları. Dewesoft sistemleri, gerçek zamanlı olarak bir ila yüzlerce kanal arasındaki sıcaklığı ölçebilir, depolayabilir, analiz edebilir ve görselleştirebilir.

Not: Dewesoft X veri toplama yazılımı sıcaklık ölçeğini seçtiğiniz görüntülenecek herhangi bir sensörden sıcaklık çıkışını sağlar. Varsayılan ölçü birimi Celsius’dur, ancak yazılım, Uluslararası Birim Sisteminde (SI) temel sıcaklık birimi olan Fahrenheit ölçeğine (F) veya Kelvin ölçeğine (K) kolay ve basit bir dönüşüm sağlar.

Dewesoft X yazılımı o kadar esnektir ki, gerektiğinde belirli bir ölçümü aynı anda birden fazla ölçüm biriminde görüntüleyebilirsiniz.

SIRIUS Termokupl Ölçümü

SIRIUS, Dewesoft ürün yelpazesinin en önde gelen ürünüdür. Piyasadaki en güçlü DAQ yazılımı olan DEWESoft X ile birlikte en yüksek DAQ sistem performansını temsil eder. Termokuplları SIRIUS veri toplama sistemlerine bağlamak için, çeşitli SIRIUS giriş modülleriyle arayüz oluşturmak için popüler Dewesoft Sensör Arayüzü (DSI) adaptörlerini kullanırız.

SIRIUS veri toplama sistemleri, bilgisayarınıza USB veya EtherCAT aracılığıyla bağlanan modüler “parçalardan”, R3 raf montaj sistemlerinden ve R1R2 , R4 ve R8 gibi içinde bilgisayar içeren bağımsız sistemlerden oluşan geniş bir fiziksel konfigürasyon yelpazesinde mevcuttur.

SIRIUS DAQ cihazları ürün yelpazesi
DSI-THx serisi termokupl adaptörlerinde endüstri standardı bir mini kanat tipi giriş konektörü ve metalleri tipe uygun olan kısa bir termokupl kablosu bulunur. DSI-THx adaptörü dört popüler termokupl türü ile uyumludur: J, K, T ve C.
Dewesoft'tan DSI-TH-K adaptörü (J, T ve C Tipleri de mevcuttur)

DSI adaptörleri, Dewesoft X DAQ yazılımında kendilerini otomatik olarak yapılandırmak için yerleşik bir TEDS arayüzü kullanır. DSI-TH termokupl adaptörünü seçilen SIRIUS modülünün DB9 girişine takmanız yeterlidir, daha sonra DEWESoft X yazılımındaki donanım kurulum ekranında ayarlarınızı doğrulayın. Artık ölçüm yapmaya hazırsınız.

SIRIUS modülleri ve bunların DSI-TH8x adaptörü ile uyumluluğunun tablosu:

1) Not- DSI-TH adaptörleri K, J, T, E ve C tiplerinde mevcuttur
2) Not- bazı SIRIUS DAQ modülleri DB9 dışında giriş konektörü seçeneklerine sahiptir. Mükemmel DSI adaptör uyumluluğu için lütfen DB9’u seçin.

KRYPTON Termokupl Ölçümü

KRYPTON termokupl DAQ modülü bir shaker üzerinde test ediliyor

KRYPTON DAQ cihazları , Dewesoft’tan temin edilebilen en sağlam ürünleri içerir. Aşırı sıcaklık, şok ve titreşim koşullarına dayanacak şekilde üretilen KRYPTON, IP67 koruma sınıfına sahiptir ve bu,onları suya, toza ve daha fazlasına karşı korur. EtherCAT aracılığıyla herhangi bir Windows bilgisayarına (Dewesoft’un kendi sağlamlaştırılmış IP67 KRYPTON-CPU modeli dahil ) bağlanırlar ve sinyal kaynağının yakınında konumlandırmanıza izin verecek şekilde 100 metreye (328 fit) kadar ayrılabilirler. SIRIUS gibi, piyasadaki en güçlü DAQ yazılımı Dewesoft X’i kullanırlar.

KRYPTONi-8xTH- izole edilmiş 8 kanallı termokupl için özel veri toplama sistemi
KRYPTONi-16xTH- izole edilmiş 16 kanallı termokupl için özel veri toplama sistemi

Termokupllar doğrudan KRYPTON-TH çok kanallı sinyal koşullandırma modülüne ve HV-TH-1 tek kanallı yüksek voltajlı termokupl sinyal koşullandırma modülüne bağlanabilir.

Dewesoft X yazılımında KRYPTON termokupl modülünün 8 evrensel termokupl girişini gösteren kurulum ekranı
KRYPTON termokupl modülü kanal kurulum ekranı, sensör ve amplifikatör ayarlarını ve canlı analog sinyal önizlemesini gösterir

İşte KRYPTON DAQ modüllerinin termokupllarla uyumluluğunun tablosu:

1) Not- DSI-THx adaptörleri K, J, T, C ve E tiplerinde mevcuttur

Soldaki resim: KRYPTON-1xTH-HV-1 1-kanallı termokupl veri toplama modülü Sağdaki resim: KRYPTON-1xSTG-1 evrensel sinyal veri toplama modülü

Tek kanallı KRYPTON ONE, modülleri şunları sağlar:

1) Not- DSI-TH adaptörleri K, J, T, E ve C tiplerinde mevcuttur

IOLITE Termokupl Ölçümü

IOLITE , gerçek zamanlı bir endüstriyel kontrol sisteminin temel yeteneklerini güçlü bir DAQ sistemi ile birleştiren benzersiz bir üründür. IOLITE ile yüzlerce analog ve dijital kanal tam hızda kaydedilebilir ve aynı anda herhangi bir üçüncü taraftan EtherCAT ana denetleyicisine gerçek zamanlı veriler gönderilebilir.

ldaki resim: 12 modül yuvasına sahip IOLITE raf montaj sistemi Sağdaki resim: 8 modül yuvasına sahip IOLITE tezgah üstü sistemi

Piyasadaki en güçlü DAQ yazılımı DEWESoft X ile birlikte mükemmel DAQ sistem performansını ve EtherCAT üzerinden gerçek zamanlı kontrolü temsil ederler.

IOLITE modüllerinin termokupllarla uyumluluğunun tablosu:

1) Not- DSI-TH adaptörleri K, J, T, E ve C Tiplerinde mevcuttur

IOLITE-8xTH DAQ modülü 1000V’a kadar kanalın çevreyle izolasyonunun yanı sıra kanallar arası izolasyonu sağlar. Veriler, 24 bit delta-sigma ADC kullanılarak 100S / s’ye kadar örnekleme hızlarıyla 8 kanalın hepsinden aynı anda alınır.

Aynı örnekleme hızı ve izolasyon özellikleri 6xSTG modülü için de geçerlidir, tek farkı sekiz yerine altı kanala sahiptir. 6xSTG, DSI serisi adaptörlerle uyumluluğunun yanı sıra strain gauge, rezistif ve düşük voltaj ölçümleri yapabilen çok yönlü bir modüldür.

DEWE-43A ve MINITAURs Termokupl Ölçümü

DEWE-43A son derece portatif, taşınabilir bir DAQ sistemidir. Bilgisayarınıza kilitlenen bir USB konektörüyle bağlanan, sekiz evrensel analog girişe sahiptir. Daha büyükleri MINITAURs olarak adlandırılır- bu esasen bir bilgisayar ve diğer birkaç özellik ile birlikte tek bir taşınabilir kasada birleştirilmiş DEWE-43A’dır. Her iki sistemin evrensel girişleri, Dewesoft’un DSI adaptörleriyle uyumludur ve bir termokupl sensörünü sekiz giriş kanalından herhangi birine veya tümüne bağlamanıza olanak sağlar.

Soldaki resim: DEWE-43A taşınabilir DAQ sistemi modeli Sağdaki resim: Dahili bilgisayar içeren MINITAURs modeli

DSI-THx adaptörleri, J, K, T ve C tipleri gibi birçok popüler termokupl tipi için mevcuttur. DSI adaptörleri, Dewesoft X DAQ yazılımında kendilerini otomatik olarak yapılandırmak için TEDS sensör teknolojisini kullanır. DSI-THx adaptörünü seçilen girişin DB9 girişine takın,daha sonra Dewesoft X yazılımındaki donanım kurulum ekranındaki ayarlarınızı doğrulayın. Artık ölçüm yapmaya hazırsınız.

Dewesoft ve sıcaklık ölçümü hakkında daha fazla bilgi edinin:

     •Dewesoft Online Eğitimi> Sıcaklık Ölçümü