Termokupl Nedir? Çalışma Prensibi, Tipleri ve Kablo Renkleri

Termokupl nedir, ne işe yarar?

Termokupl (thermocouple), farklı metal alaşımlarından yapılmış iki telin ölçüm ucunda birleştirilmesiyle oluşan bir sıcaklık sensörüdür; görevi, ölçüm noktasındaki sıcaklığı bir elektrik sinyaline dönüştürmektir. Bir ölçüm tekniği firmasına göre bu yapı sıcaklığa bağlı, çok küçük bir termoelektrik gerilim verir; sıcaklık, bu gerilim referans ucun (soğuk ucun) sıcaklığıyla birlikte değerlendirilerek bulunur.

Gazla çalışan bazı ev cihazlarının alev güvenlik düzeneğinde de termokupl bulunur; bu rehber endüstriyel sıcaklık ölçümünü anlatır. Sıcaklık sensörlerinin diğer proses sensörleri arasındaki yeri endüstriyel sensör çeşitleri, termokuplun diğer termometre türleriyle karşılaştırması termometre çeşitleri rehberindedir.

Termokupl nasıl çalışır?

Termokupl Seebeck etkisiyle çalışır: ansiklopediye göre elektriği ileten bir malzemede iki nokta farklı sıcaklıktaysa aralarında bir gerilim (elektromotor kuvvet) oluşur; iki tel farklı metallerden yapıldığı için bu gerilimler birbirini dengelemez ve devrede net bir gerilim kalır.

Ders kitabına göre bir termokupl devresinde kaçınılmaz olarak iki birleşim vardır: sıcaklığı ölçülen noktadaki ölçüm ucu (sıcak uç) ve termokupl tellerinin ölçüm cihazının tellerine bağlandığı referans uç (soğuk uç). Kitap olayı iki ucun ters yönlü gerilimleriyle anlatır; ansiklopedi ise gerilimin uçlarda değil, tel boyunca sıcaklığın değiştiği bölgede oluştuğunu vurgular. İki anlatımın sonucu aynıdır: termokupl temelde bir fark sensörüdür ve iki uç aynı sıcaklıktayken gerilim sıfırdır.

Soğuk nokta (referans uç) kompanzasyonu nedir?

Soğuk nokta kompanzasyonu, referans ucun sıcaklığını ayrı bir sensörle ölçüp bu ucun etkisini dengeleyen yöntemdir; böylece cihaz ölçüm ucunun sıcaklığını gösterir. Ders kitabına göre laboratuvarda referans uç buzlu suyla 0 °C’de sabit tutulabilir ve termokupl tabloları da referans uç bu sıcaklıktayken hazırlanır; ancak bu yol laboratuvar dışında pratik değildir.

Sahada referans ucun sıcaklığı cihazın bağlantı klemenslerinde termistör, RTD ya da yarı iletken bir sensörle ölçülür. Ders kitabına göre analog transmitterler referans ucun etkisini ters yönlü bir gerilimle, mikroişlemcili transmitterler hesapla giderir; hesapla yapılan kompanzasyon, donanım değiştirmeden termokupl tipleri arasında geçiş yapmayı sağlar.

Termokupl tipleri nelerdir?

Standart termokupl tipleri harfle adlandırılır: NIST’in (ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü) referans tabloları sekiz tip içindir; bunlardan B, R ve S soy metal, E, J, K, N ve T baz metal tipleridir.

Tip	Tel çifti, NIST (önce artı tel)	Sürekli kullanım, ansiklopedi tablosu	Yaklaşık duyarlılık, ansiklopedi
K	Ni-Cr alaşımı / Ni-Al alaşımı	0 ile 1.100 °C	41 µV/°C
N	Ni-Cr-Si alaşımı / Ni-Si-Mg alaşımı	0 ile 1.100 °C	900 °C’de 39 µV/°C
J	demir / Cu-Ni alaşımı	0 ile 750 °C	50 µV/°C
E	Ni-Cr alaşımı / Cu-Ni alaşımı	0 ile 800 °C	68 µV/°C
T	bakır / Cu-Ni alaşımı	-185 ile 300 °C	43 µV/°C
S	%10 rodyumlu platin / platin	0 ile 1.600 °C	yaklaşık 10 µV/°C
R	%13 rodyumlu platin / platin	0 ile 1.600 °C	yaklaşık 10 µV/°C
B	%30 rodyumlu platin / %6 rodyumlu platin	200 ile 1.700 °C	yaklaşık 10 µV/°C

Öne çıkan özellikler:

• K tipi: Ansiklopediye göre en yaygın genel amaçlı tiptir. Ders kitabına göre indirgen ortamlardan, kükürt ve siyanürden etkilenir (yeşil çürüme için arıza bölümüne bakın).
• N tipi: Ansiklopediye göre kararlılığı ve oksitlenme dayanımı yüksektir; yeşil çürümeye yatkın koşullarda K tipine uygun bir alternatiftir, ama kükürde dayanmaz.
• J tipi: Artı teli demirdir ve manyetiktir; ansiklopediye göre demirin Curie noktası (770 °C) üst sınırı belirler.
• T ve E tipleri: Ders kitabına göre T tipinin üst sınırını bakırın oksitlenmesi belirler. E tipi, tablodaki tipler arasında duyarlılığı en yüksek olandır.
• S, R ve B tipleri: Ansiklopediye göre en kararlı termokupllar arasındadır, ama duyarlılıkları düşük, maliyetleri yüksek olduğu için genellikle yalnız yüksek sıcaklıklarda kullanılır.

K tipi ile J tipi termokupl arasındaki fark nedir?

İki tip farklı tel malzemelerinden yapılır: NIST’in tanımına göre K tipi nikel-krom ve nikel-alüminyum alaşımlarından, J tipi demir ile bakır-nikel alaşımından oluşur. Pratikteki sonuçları:

• Üst sıcaklık: Ansiklopedinin tablosunda sürekli kullanım üst sınırı K tipinde 1.100 °C, J tipinde 750 °C’dir. Bir sıcaklık sensörü firmasının tablosunda da 6 mm çaplı, nikel-krom-demir alaşımı (600) kılıflı sensörde K tipi 1.150 °C’ye, J tipi 720 °C’ye kadar verilir.
• Çıkış: NIST tablolarına göre 500 °C’de J tipi 27,393 mV, K tipi 20,644 mV verir.
• Renk: Sensör firmasına göre IEC 60584-3 renklerinde K tipinin kablo kılıfı yeşil, J tipininki siyahtır.

İki tip aynı sıcaklıkta farklı gerilim ürettiği için transmitterin girişi bağlanan tipe ayarlanmalıdır; bir ölçüm tekniği firması da arızada bunun kontrol edilmesini ister.

Termokupl kaç derece ölçer?

Termokuplun ölçebileceği sıcaklık önce tipine bağlıdır. NIST’in referans tabloları baz metal tiplerde -270 °C’den (J tipinde -210 °C’den) başlar; üst uçları T tipinde 400 °C, E tipinde 1.000 °C, J tipinde 1.200 °C, N tipinde 1.300 °C, K tipinde 1.372 °C’dir. Soy metal tiplerde tablolar R ve S için -50 ile 1.768 °C, B için 0 ile 1.820 °C arasını kapsar. Bunlar tabloların kapsadığı aralıklardır; yukarıdaki sürekli kullanım aralıkları daha dardır. Bu rehberdeki tiplerin dışında kalan tungsten-renyum alaşımlı termokupllar ise ansiklopediye göre tipik olarak 0 ile 2.315 °C arasında kullanılır ve yüksek sıcaklıkta oksitleyici ortama konmaz.

Tip tek başına yetmez: bir sıcaklık sensörü firması kılıf malzemesini, kılıf çapını ve sensörün çalıştığı ortamı da azami sıcaklığı belirleyen etkenler arasında sayar. Firmanın mineral yalıtımlı termokupl tablosunda nikel-krom-demir alaşımı (600) kılıflı K tipi sensörün azami sıcaklığı 6 mm çapta 1.150 °C, 1 mm çapta 700 °C’dir; 304L paslanmaz çelik kılıfta K tipi en kalın çapta bile 800 °C ile sınırlıdır. Ders kitabına göre tipler için verilen aralıklar yaklaşıktır ve istenen doğruluğa göre daralır.

Sensör firmasına göre termokuplun doğruluğu yapısına, alaşımına, kılıf malzemesine ve ölçülen sıcaklığa bağlıdır; sensör yapımında kullanılan tellerin çıkış toleransları ise IEC 60584-1’de verilir (sayfada standardın sürümü belirtilmez). K tipi için 1. sınıfta tolerans 375 ile 1.000 °C arasında ±0,004·|t|, 2. sınıfta 333 ile 1.200 °C arasında ±0,0075·|t|‘dir (t ölçülen sıcaklık; bu aralıkların altında, -40 °C’ye kadar sırasıyla ±1,5 ve ±2,5 °C). Buna göre 2. sınıf bir K tipi termokuplun 1.000 °C’deki toleransı ±7,5 °C’dir.

Termokuplun yapısı nasıldır?

En basit termokupl, uçları birleştirilmiş iki farklı metal telden ibarettir; ders kitabına göre endüstriyel termokupllarda teller çoğunlukla paslanmaz çelik ya da seramik bir kılıfla korunur. Bir ölçüm tekniği firmasına göre mineral yalıtımlı termokuplda teller çoğunlukla metal bir kılıfın içindedir ve sıkıştırılmış mineral yalıtım malzemesi onları hem birbirinden hem kılıftan ayırır; birbirine bağlandıkları yer ölçüm ucudur. Ölçüm ucu üç biçimde yapılabilir:

• Topraklı uç (grounded): Ölçüm ucu metal kılıfa kaynaklıdır. Ders kitabına göre bu uç daha hızlı tepki verir ve daha duyarlıdır, ama toprak çevrimine (ground loop) açıktır. Bir ölçüm cihazı üreticisine göre risk, sensör ve kontrol cihazı farklı noktalarda topraklandığında doğar.
• Yalıtımlı uç (ungrounded): Ölçüm ucu kılıftan elektriksel olarak ayrıdır. Ölçüm tekniği firmasına göre aradaki yalıtım ısının uca geçişini biraz yavaşlatır, buna karşılık prosesten gelen girişimin sinyale girmesini zorlaştırır; ders kitabına göre endüstriyel termokuplların çoğu bu tasarımdadır.
• Açık uç: Ders kitabına göre en yüksek duyarlılık ve en hızlı tepki için ölçüm ucu kılıfsız bırakılabilir; sensör böylece daha kırılgan olur.

Ölçüm tekniği firmasına göre ince bir yalıtımlı sensör, çok daha kalın bir topraklı sensörden hızlı olabilir. Termokupl prosese bir termowell (koruyucu kılıf) içinde de takılabilir: ders kitabına göre termowell sensörün prosesi basınçsızlaştırmadan değiştirilmesini sağlar ama tepkiyi yavaşlatır; sensörün ucu termowell’in dibine tam oturmalıdır.

Termokupl kablosu nedir?

Termokupl kablosu, sensörü uzaktaki ölçüm cihazına bağlayan ve termokuplla aynı ya da ona termoelektrik olarak denk iletkenlerden yapılan kablodur. Ders kitabına göre bakır kabloyla uzatılan termokuplda referans uç sensörün bağlantı kafasına kayar ve cihaz yanlış sıcaklığı dengeler. Sıcaklık sensörü firması iki tür ayırır:

• Uzatma kablosu (extension): Termokuplun kendi iletken malzemesinden yapılır; kodunda tip harfini X izler (örneğin JX).
• Kompanzasyon kablosu (compensating): Daha ucuz iletkenlerden yapılır ve termokuplla aynı termoelektrik özelliği ancak bağlantı noktası belli bir sıcaklığın altındayken gösterir; kodunda C bulunur (NC, RC gibi). R ve S tiplerinin uzatma kablosu olmadığından bu tiplerde standart yol budur; K tipi için yaygın KCB kablosunda sensörle birleşim noktası 100 °C’nin altında kalmalıdır.

Ders kitabı ise terimi farklı kullanır: X harfli “uzatma sınıfı” kabloyu, belli bir sıcaklık aralığında termokupla benzer davranan daha ucuz alaşımlardan yapılan kablo diye tarif eder. Bu yüzden seçimde tipin harf kodu ve kablo üreticisinin verisi esas alınmalıdır.

Termokupl kablo renkleri nelerdir?

Kablonun rengi termokupl tipini ve hangi telin artı olduğunu gösterir, ama tek bir renk düzeni yoktur: sensör firmasına göre İngiltere’de ve Avrupa’da çoğunlukla IEC 60584-3 kullanılır, ANSI renklerine ise ABD’de ve Avustralya’da rastlanır. IEC renkleri bu firmadan, ANSI/ASTM renkleri bir başka sensör üreticisinden:

Tip	IEC 60584-3: artı tel ve kılıf / eksi tel	ANSI/ASTM: artı tel / eksi tel
K	yeşil / beyaz	sarı / kırmızı
J	siyah / beyaz	beyaz / kırmızı
T	kahverengi / beyaz	mavi / kırmızı
N	pembe / beyaz	turuncu / kırmızı
R ve S	turuncu / beyaz	siyah / kırmızı

Karışma riski açıktır: IEC tablosundaki tiplerin hepsinde eksi tel beyazdır, ANSI düzeninde ise J tipinin artı teli beyazdır. ANSI/ASTM tablosunu veren üretici de kırmızının artı sanılmaması gerektiğini ve başka düzenlerin farklı olabileceğini vurgular. Bağlantıdan önce kablonun hangi standarda göre renklendirildiği kontrol edilmelidir.

Termokupl değerleri (mV) nelerdir?

Termokupl değeri, referans uç 0 °C’deyken ölçüm ucunun belirli bir sıcaklıkta ürettiği milivolt cinsinden gerilimdir; ders kitabına göre standart tipler için bu tabloları ABD’de NIST yayımlar. NIST’in ITS-90 tablolarından birkaç değer (mV):

Ölçüm ucu sıcaklığı	K tipi	J tipi	S tipi
20 °C	0,798	1,019	0,113
100 °C	4,096	5,269	0,646
500 °C	20,644	27,393	4,233
1.000 °C	41,276	57,953	9,587

S tipinin çıkışı 1.000 °C’de bile 10 mV’un altında kalır. Ders kitabına göre termokupl fonksiyonları RTD’lerinkinden daha az doğrusal olduğu için pratikte tablolar tercih edilir.

Sahada okunan gerilim referans ucun sıcaklığını da taşır. Örneğin K tipi bir termokuplun ölçüm ucu 500 °C’de, referans ucu 20 °C’deyse cihazın girişinde 20,644 - 0,798 = 19,846 mV görülür; cihaz buna referans ucun 0,798 mV’unu ekler ve toplamı tabloda arayarak 500 °C’yi bulur.

Termokupl bozuk olduğu nasıl anlaşılır?

Termokuplun en yaygın arızası devrenin açılmasıdır (kopma, İngilizcede “burnout”): ders kitabına göre açık devrede yüksek empedanslı ölçüm girişi motorlardan ve enerji hatlarından gelen gürültüyü alır ve bunu hızla değişen bir sıcaklık gibi gösterebilir. Bir ölçüm tekniği firmasına göre modern transmitterler kopmayı algılayabilir ve 4-20 mA çıkışını normal aralığın dışına çekebilir: NAMUR NE 43 düzeninde düşük hata akımı tipik olarak yaklaşık 3,6 mA’i geçmez, yüksek hata akımı en az yaklaşık 21 mA’dir; kesin değer transmittere ve ayarına bağlıdır.

Belirtiye göre olası nedenler:

• Okuma motorlar devreye girince oynuyorsa: Ölçüm tekniği firmasına göre gerçek sıcaklık bu hızla değişemeyeceği için bu, girişim ya da toprak çevrimi gibi elektriksel bir nedene işarettir.
• Makine çalışmasından bağımsız, sabit bir sapma varsa: Aynı firmaya göre bağlantı, referans uç ya da kalibrasyon hatası olabilir; termokupl tipi, kutuplar ve doğru uzatma ya da kompanzasyon kablosunun kullanılıp kullanılmadığı kontrol edilir.
• Bağlantı gevşemişse: Ders kitabı, som termokupl tellerine sıkma tipi kablo pabucu takılmasını yaygın bir hata olarak anar: bağlantı zamanla gevşer ve cihaz termokuplu kopmuş sanar.
• Termokupl uzun süre çok yüksek sıcaklıkta çalışmışsa: Ansiklopediye göre tellerin termoelektrik özellikleri zamanla değişebilir (yaşlanma) ve aynı sıcaklıkta daha düşük gerilim okunabilir. K tipinde indirgen ortamdaki yeşil çürüme de okumayı düşürür; normalde manyetik olmayan kromel telin manyetikleşmesi bunun kolay bir işaretidir.
• Tel yalıtımı bozulmuşsa: Teller ölçüm ucundan başka bir yerde birbirine değerse ölçülen sıcaklık çoğunlukla gerçek değerin altında kalır; ansiklopedi bunun bir kontrol döngüsünde aşırı ısınmaya yol açabileceğini yazar.

Ders kitabına göre termokupl girişi kısa devre edilen bir cihaz ortam sıcaklığını göstermelidir; bu, cihazı sahada hızla sınamanın bir yoludur. Kılıf ile termokupl devresi arasındaki direnç de ölçülebilir. Ölçüm tekniği firmasına göre topraklı uçta bu ikisi arasında tasarım gereği elektriksel bağlantı vardır, yalıtımlı uçta ise yeterli yalıtım beklenir; firma bu kontrolde üreticinin verilerinin, test geriliminin ve izin verilen test yönteminin her zaman dikkate alınması gerektiğini vurgular.

Termokupl sinyali kontrol sistemine nasıl aktarılır?

Termokuplun milivolt sinyali kontrol sistemine bir sıcaklık transmitteriyle aktarılabilir: ders kitabındaki örnekte transmitter K tipi termokupldan milivolt sinyal alır, referans ucun etkisini kendi içinde dengeler ve göstergeye 4-20 mA gönderir.

Transmitter sensörden uzaktaysa hat uygun tipte termokupl kablosuyla çekilir; referans uç böylece cihazın klemenslerinde kalır. Akım sinyalinin neden tercih edildiği 4-20 mA sinyal nedir, transmitter çeşitleri transmitter nedir rehberindedir.

Termokupl ile Pt100 arasındaki fark nedir?

Termokupl gerilimini kendisi üretir, Pt100 ise pasif bir dirençtir ve ölçülmesi için dışarıdan akım gerekir. Ders kitabına göre termokupllar genellikle RTD’ler kadar doğru değildir, ama daha dayanıklıdır ve ölçüm aralıkları daha geniştir; kendi enerjilerini ürettikleri için RTD’lerdeki öz ısınma etkisi de görülmez. Kitap, uygulama aşırı dayanıklılık ya da çok geniş bir ölçüm aralığı gerektirmiyorsa termistör ya da RTD’nin büyük olasılıkla daha iyi seçim olduğunu ekler. Ayrıntılı karşılaştırma Pt100 nedir rehberindedir.

Termokupl nerede kullanılır?

Bir ölçüm cihazı üreticisine göre termokupllar tipik olarak RTD’lere göre yüksek sıcaklıkların ölçümünde, yüksek titreşimli uygulamalarda ve hızlı tepki gereken yerlerde kullanılır. Ansiklopedi kullanım yerlerine fırınları, gaz türbini egzozunu ve dizel motorları örnek verir.

Demir çelik sektöründe ansiklopediye göre B, S, R ve K tipleri üretim boyunca sıcaklığı izlemek için yaygın olarak kullanılır; elektrik ark ocağında çeliğin sıcaklığı döküm öncesinde düzenli olarak tek kullanımlık, daldırma tipi S termokupllarla ölçülür.

Befa Proses ve termokupl

Termokupl ya da Pt100 sensörü sıcaklık transmitteriyle birlikte veriyoruz. Sıcaklık ürünlerimiz arasında BTT Sıcaklık Transmitteri ile termowell (koruyucu kılıf) yer alır; BTT termokupl ve Pt100 girişlerini kabul eder. Teklif için ölçüm noktanızın sıcaklık aralığını ve ortamını iletişim sayfasından bize iletebilirsiniz.