Termokupl, sıcaklık ölçmeye yarayan bir ekipmandır. Sensörlere kıyasla kolay ve pratik kullanımı, zorlu koşullarda çalışmaya uygun olmaları ve fiyat avantajından dolayı tercih edilirler.

Ortaya Çıkışı

Termokupl'ın çalışma prensibi olan Seebeck etkisi adını 1821 yılında, iletken teller üzerinde çalışmalar yaparken pusula iğnesinin bir miktar saptığını gözlemleyen Thomas Johann Seebeck'ten almıştır. Aynı yıl Humphrey Davey elektriksel direncin sıcaklıkla ilişkisini kanıtlamıştır. 5 yıl sonra Becquerel platinum-platinum bir cihaz üretmiştir. Fakat bilinen anlamda gerçek bir termokupl cihazının ortaya çıkışı Leopoldo Nobili tarafından 1929 yılında gerçekleşmiştir.

Çalışma Prensibi

Termokupl; sıcaklık ölçümünün okunduğu cihazın değil, ölçümde kullanılan kablonun ismidir. Kablo içerisinde iki adet tel bulunur. Bu teller elektriksel açıdan yalıtkandır. Ölçüm yapılan sıcaklık sebebiyle bir elektron hareketi, dolayısıyla potansiyel fark (voltaj farkı) oluşur. Bu olay "Seebeck Etkisi" ile açıklanır.

Seebeck etkisi, bir telin bir noktası ısıtıldığında elektronların enerjisinin yükselmesi sonucu enerjisi daha düşük olan soğuk bölgeye hareketini anlatır. İki tel, bağlantı noktasında tam temas halindedir ve potansiyel fark yoktur. Fakat iki tel üzerinde sıcak bölgeden soğuk bölgeye taşınan elektron sayısı aynı olmadığından bir potansiyel fark oluşur. Devre kapalı olmadığından bir akım oluşmaz ve elektronlar diğer tele geçemez.

Peki yer değiştiren elektronların sayısını belirleyen şey nedir? Bu sayı, sıcaklık farkına ve telin malzeme özelliklerine bağlıdır. Dolayısıyla aynı malzemeden üretilen tellerde hareket eden elektron sayısı aynı olacağından bir voltaj farkı oluşmaz ve sıcaklık ölçümü yapılamaz. Tel malzemeleri farklı olduğunda elektron sayısı farkı oluşur fakat bu farkın anlamlı ve kolay ölçülebilir olması için belirli malzemelerden üretilen tel çiftleri birlikte kullanılır. Her voltaj farkının karşılık geldiği bir sıcaklık değeri vardır. Böylece sıcaklık ölçümü sağlanır.

Ölçüm yapılan cihaz doğrudan sıcaklık ölçümü için özelleşmiş bir cihaz olabileceği gibi sıcaklık sensörü barındıran bir multimetre de olabilir. Burada önemli olan soğuk bölge olarak da adlandırılan ölçüm noktasında bilinen bir sıcaklık değerinin (referans) olmasıdır. Eski uygulamalarda soğuk bölge için su-buz karışımı kullanılırdı. Böylece sıcaklığın 0 °C olduğunu bilmeleri mümkün olurdu. Günümüzde ise ölçüm cihazı içerisindeki sıcaklık sensörü ile referans değer ölçülür. Böylece termokupl sıcak ve soğuk bölgesi aynı ortamda bulunsa ve sıcak-soğuk bölgeler arasında sıcaklık farkı olmasa dahi sıcaklık ölçümü yapılabilir.

Çeşitleri

• K Tipi Termokupl (Nickel-Chomium / Nickel-Alumel): En yaygın modeldir. Ucuz ve güvenilirdir. Geniş bir çalışma sıcaklığı aralığı vardır (-270 ° - 1260 °C).
• J Tipi Termokupl (Iron/Constantan): Çalışma sıcaklığı aralığı K tipine kıyasla biraz daha dardır. Demirin oksitlenme probleminden dolayı uzun ömürlü değildir (özellikle yüksek sıcaklıklarda). Fiyat ve güvenilirlik konusunda K tipine benzerdir.
• T Tipi Termokupl (Copper/Constantan): Çok stabil ölçümler yapabilir. Özellikle aşırı soğuk (cryogenics) bölgelerde ölçüm yapmak için kullanılır (-270 °C - 370 °C).
• E Tipi Termokupl (Nickel-Chromium/Constantan): K ve J tipi ile kıyaslandığında sinyalleri çok daha güçlüdür. Bu yüzden hata payı daha düşük ve isabet oranı daha yüksektir. Çalışma sıcaklığı aralığı -270 °C - 870 °C'dir.
• N Tipi Termokupl (Nicrosil/Nisil): Çalışma sıcaklığı aralığı ve isabet oranı T tipine benzerdir.
• S Tipi Termokupl (Platinum Rhodium - 10% / Platinum): Maksimum çalışma sıcaklığı limiti yüksektir (-50 °C - 1480 °C). Genelde biyoteknoloji ve eczacılık alanlarında kullanılır. Çok güvenilirdir ve yüksek isabet oranı vardır. Bu yüzden bazen düşük sıcaklıklarda da tercih edilebilir.
• R Tipi Termokupl (Platinum Rhodium - 13% / Platinum): Yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilir (-50 °C - 1480 °C). Rhodium yüzdesi fazla olduğundan S tipinden pahalıdır. Kullanımı alanı S tipine benzerdir.
• B Tipi Termokupl (Platinum Rhodium - 30% / Platinum Rhodium - 6%): Aşırı yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilir (0 °C - 1700 °C). Yüksek sıcaklıklarda çok isabetli ve kararlıdır.

Kullanım Sırasında Dikkat Edilmesi Gerekenler

Bazı termokupl'larda ölçüm noktasının tam temas halinde olduğundan emin olmak ve bu durumu korumak adına küresel bir şekilde kaynak yapılabiliyor (bead type). Sert bir yüzeyden ölçüm yapılırken boncuk yapısından dolayı termal temas tam olarak sağlanamaz ve gerçek sıcaklık ölçülemez. Temas yüzeyi artırılmalıdır. Bunun için termal macun kullanılarak varsa boşluklar doldurulmalı ve/veya alüminyum/bakır folyo benzeri iletken bir malzeme ile probe etrafı sarılmalıdır.

• Oda koşullarında yapılan doğal taşınım testleri mümkün olduğunca dış ortam akışından izole edilmelidir.

• Termokupl cihazında doğru tip (örneğin K) seçili olduğundan emin olunmalı ve cihazın kalibrasonu kontrol edilmelidir.

• Ölçüm yapılacak yüzey ve probe temiz olmalıdır.

• Heatsink etkisinden dolayı ölçüm olabildiğince kısa süreli yapılmalıdır (artan yüzey alanı sebebiyle fazla soğuma olmaması adına).

• Ölçüm birkaç kez tekrarlanmalıdır.

• Mümkünse yakın ama farklı konumlarda ölçümler de alınmalıdır.