Sıcaklık Sensörü

Tüm sensörlerin en yaygın kullanılan türü, Sıcaklık veya ısıyı algılayan sensör türleridir.

Bu tür sıcaklık sensörleri, sıcak suyu ısıtma sistemini kontrol eden basit AÇIK/KAPALI termostatik cihazlardan, karmaşık proses kontrollü fırın tesislerini kontrol edebilen oldukça hassas yarı iletken tiplerine kadar çeşitlilik gösterir.

Moleküllerin ve atomların hareketinin ısı (kinetik enerji) ürettiğini ve hareket ne kadar büyükse, o kadar fazla ısı üretildiğini okul fen derslerimizden hatırlıyoruz. Sıcaklık Sensörleri , bir nesne veya sistem tarafından üretilen ısı enerjisi ve hatta soğukluk miktarını ölçerek, analog veya dijital bir çıktı üreterek o sıcaklıktaki herhangi bir fiziksel değişikliği algılamamıza olanak tanır.


Buradan DHT11 sıcaklık sensörü ve Arduino ile yaptığımız sıcaklık kontrollü fan projesine ulaşabilirsiniz.

Buradan Orange Pi PC’nin dahili sıcaklık sensörü ile yaptığımız sıcaklık kontrollü işlemci fanı projesine ulaşabilirsiniz.

Buradan mBlock ile kullandığımız Sıcaklık Sensörü uygulamasına ulaşabilirsiniz


Mevcut birçok farklı Sıcaklık Sensörü türü vardır ve tümü, gerçek uygulamalarına bağlı olarak farklı özelliklere sahiptir. Bir sıcaklık sensörü iki temel fiziksel türden oluşur:

  • Temaslı Sıcaklık Sensörü Tipleri – Bu tür sıcaklık sensörlerinin, algılanan nesne ile fiziksel temas halinde olması ve sıcaklıktaki değişiklikleri izlemek için iletim kullanması gerekir. Çok çeşitli sıcaklıklarda katıları, sıvıları veya gazları tespit etmek için kullanılabilirler.
  • Temassız Sıcaklık Sensörü Tipleri – Bu tür sıcaklık sensörleri, sıcaklıktaki değişiklikleri izlemek için konveksiyon ve radyasyon kullanır. Konveksiyon akımlarında ısı yükselirken ve soğuğun dibe çökmesiyle radyan enerji yayan sıvıları ve gazları algılamak veya bir nesneden kızılötesi radyasyon (güneş) şeklinde iletilen radyan enerjiyi algılamak için kullanılabilirler.

Temaslı ve hatta temassız sıcaklık sensörlerinin iki temel türü, Elektro-mekanik , Dirençli ve Elektronik olmak üzere aşağıdaki üç sensör grubuna da ayrılabili:

Termostat

Termostat, temel olarak nikel, bakır, tungsten veya alüminyum gibi iki farklı metalden oluşan ve iki metalik bir şerit oluşturmak üzere birbirine bağlanmış kontak tipi bir elektro-mekanik sıcaklık sensörü veya anahtardır. İki farklı metalin farklı doğrusal genleşme oranları, şerit ısıya maruz kaldığında mekanik bir bükülme hareketi üretir.

Bi-metalik şerit, termostatik kontrollerde bir elektrik anahtarı veya bir elektrik anahtarını çalıştırmanın mekanik bir yolu olarak kullanılabilir ve kazanlarda, fırınlarda, sıcak su depolama tanklarında ve araç radyatör soğutma sistemlerinde sıcak su ısıtma elemanlarını kontrol etmek için yaygın olarak kullanılır.

Bimetalik Termostat

Sıcaklık Sensörü

Termostat, arka arkaya birbirine yapıştırılmış termal olarak farklı iki metalden oluşur. Soğuk olduğunda kontaklar kapanır ve akım termostattan geçer. Isındığında, bir metal diğerinden daha fazla genleşir ve bağlı bimetalik şerit yukarı (veya aşağı) bükülür ve akımın akmasını engelleyen kontakları açar.

Sıcaklık Sensörü

Sıcaklık değişimlerine maruz kaldıklarında esas olarak hareketlerine dayanan iki ana bimetalik şerit türü vardır. Ayarlı bir sıcaklık noktasında elektrik kontakları üzerinde anında “AÇIK/KAPALI” veya “KAPALI/AÇIK” tipinde bir eylem üreten “snap-action” türleri ve sıcaklık değiştikçe konumlarını kademeli olarak değiştiren daha yavaş “creep-action” türleri vardır.

Snap-action tipi termostatlar, evlerimizde fırın, ütü, daldırma sıcak su depolarının sıcaklık ayar noktasını kontrol etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır ve ayrıca evsel ısıtma sistemini kontrol etmek için duvarlarda da bulunabilirler.

Creeper türleri genellikle, sıcaklık değiştikçe yavaşça gevşeyen veya kıvrılan bir bi-metalik bobin veya spiralden oluşur. Genel olarak, creeper tipi bimetal şeritler, şerit daha uzun ve daha ince olduğundan, sıcaklık göstergelerinde ve kadranlarda vb. kullanım için ideal olduğundan, standart AÇMA/KAPAMA türlerine göre sıcaklık değişikliklerine daha duyarlıdır.

Çok ucuz olmalarına ve geniş bir çalışma aralığında bulunabilmelerine rağmen, sıcaklık sensörü olarak kullanıldıklarında standart geçmeli tip termostatların bir ana dezavantajı, elektrik kontaklarının açıldığı andan tekrar kapandıkları ana kadar geniş bir histerezis aralığına sahip olmalarıdır. Örneğin 20 o C’ye ayarlanabilir ancak 22 o C’ye kadar açılmayabilir veya 18 o C’ye kadar tekrar kapanmayabilir.

Bu nedenle, sıcaklık salınımı aralığı oldukça yüksek olabilir. Ev kullanımı için ticari olarak temin edilebilen bimetal termostatlar, daha kesin bir istenen sıcaklık ayar noktası ve histerezis seviyesinin önceden ayarlanmasına olanak sağlayan sıcaklık ayar vidalarına sahiptir.

Termistör

Termistör, adı therm-ally sensitive res-İSTOR kelimelerinin birleşimi olan başka bir sıcaklık sensörü türüdür. Bir termistör, sıcaklık değişimlerine maruz kaldığında fiziksel direncini değiştiren özel bir direnç türüdür.

Sıcaklık Sensörü

Termistörler genellikle nikel, manganez veya kobalt oksitleri gibi camla kaplanmış seramik malzemelerden yapılır, bu da onları kolayca zarar görmelerini sağlar. Ani hareket türlerine göre ana avantajları, sıcaklık, doğruluk ve tekrarlanabilirlikteki herhangi bir değişikliğe tepki verme hızlarıdır.

Çoğu termistör tipi negatif bir direnç katsayısına veya (NTC) sahiptir, yani direnç değerleri sıcaklıktaki bir artışla düşer ve tabii ki pozitif bir sıcaklık katsayısına (PTC) sahip olanlar da direnç değerleri sıcaklıktaki bir artışla yükselir.

Termistörler, manganez, kobalt ve nikel vb. gibi metal oksit teknolojisi kullanılarak seramik tipi bir yarı iletken malzemeden yapılmıştır. Yarı iletken malzeme genellikle, sıcaklıktaki herhangi bir değişikliğe nispeten hızlı bir tepki vermek için hava geçirmez şekilde kapatılmış küçük preslenmiş diskler veya toplar halinde oluşturulur.

Termistörler, oda sıcaklığında (genellikle 25 o C’de) direnç değerlerine, zaman sabitlerine (sıcaklık değişimine tepki verme süresi) ve içlerinden geçen akıma göre güç derecelerine göre derecelendirilir.  Dirençler gibi, termistörler de oda sıcaklığında 10 MΩ’DAN sadece birkaç Ohm’a kadar direnç değerlerine sahiptir, ancak algılama amaçları için genellikle kilo-ohm değerleri olan tipler kullanılır.

Termistörler pasif dirençli cihazlardır; bu, ölçülebilir bir voltaj çıkışı üretmek için içinden bir akım geçirmemiz gerektiği anlamına gelir. Daha sonra, termistörler genellikle potansiyel bir bölücü ağ oluşturmak için uygun bir öngerilim direnci ile seri olarak bağlanır ve direnç seçimi, önceden belirlenmiş bir sıcaklık noktasında veya değerinde bir voltaj çıkışı verir.

Sıcaklık Sensörü Soru Örneği 1

Aşağıdaki devrede 12V DC kaynak kullanılmıştır, termistör 25 o C’de 10KΩ direnç değerine ve 100 o C’de 100Ω direnç değerine sahiptir. 1kΩ direnç ile seri bağlandığında her iki sıcaklık için termistör üzerindeki voltaj düşüşünü ve dolayısıyla çıkış voltajını (Vout) hesaplayın.

Sıcaklık Sensörü

 25 o C de

Sıcaklık Sensörü

100 o C’de

Sıcaklık Sensörü

R2’nin sabit direnç değerini (örneğimizde 1kΩ) bir potansiyometreye veya önceden ayarlanmış bir değere değiştirerek, önceden belirlenmiş bir sıcaklık ayar noktasında, örneğin 60 o C’de 5v çıkışta ve potansiyometreyi belirli bir çıkış voltajında ​​değiştirerek bir voltaj çıkışı elde edilebilir.

Bununla birlikte, termistörlerin doğrusal olmayan cihazlar olduğu ve oda sıcaklığındaki standart direnç değerlerinin, esas olarak yapıldıkları yarı iletken malzemelerden dolayı farklı termistörler arasında farklı olduğu belirtilmelidir. Termistör, sıcaklık ile üstel bir değişiklik olması ve bu nedenle, bir beta sıcaklığı sabitine sahiptir, β herhangi bir sıcaklık noktası için direncini hesaplamak için kullanılabilir.

Bununla birlikte, gerilim bölücü ağ veya Wheatstone Köprü tipi düzenleme gibi bir seri dirençle kullanıldığında, bölücü/köprü ağına uygulanan bir gerilime yanıt olarak elde edilen akım sıcaklıkla doğrusaldır. Ardından, direnç üzerindeki çıkış voltajı sıcaklıkla doğrusal hale gelir.

Dirençli Sıcaklık Dedektörleri (RTD).

Başka bir elektriksel direnç sıcaklık sensörü türü, Direnç Sıcaklık Dedektörü veya RTD’dir . RTD’ler, bir bobine sarılmış platin, bakır veya nikel gibi yüksek saflıkta iletken metallerden yapılmış ve elektrik direnci, termistörünkine benzer şekilde sıcaklığın bir fonksiyonu olarak değişen hassas sıcaklık sensörleridir. Ayrıca ince film RTD’ler de mevcuttur. Bu cihazlar, beyaz seramik bir alt tabaka üzerine çökeltilen ince bir platin macunu filmine sahiptir.

Sıcaklık Sensörü

Dirençli sıcaklık dedektörleri pozitif sıcaklık katsayılarına (PTC) sahiptir, ancak termistörün aksine çıktıları son derece doğrusaldır ve çok hassas sıcaklık ölçümleri üretir.

Bununla birlikte, çok zayıf termal hassasiyetleri vardır, yani sıcaklıktaki bir değişiklik sadece çok küçük bir çıkış değişikliği üretir, örneğin 1Ω/ o C.

Daha yaygın RTD türleri platinden yapılır ve Platin Dirençli Termometre veya PRT’ler olarak adlandırılır ve bunlardan en yaygın olanı 0 o C’de 100Ω standart direnç değerine sahip olan tüm Pt100 sensörleridir. Dezavantajı ise Platin’dir, pahalıdır ve bu tür bir cihazın ana dezavantajlarından biri maliyetidir.

Termistör gibi, RTD’ler de pasif dirençli cihazlardır ve sıcaklık sensöründen sabit bir akım geçirilerek sıcaklıkla lineer olarak artan bir çıkış voltajı elde etmek mümkündür. Tipik bir RTD, 0 o C’de yaklaşık 100Ω’luk bir taban direncine sahiptir ve -200 ila +600 o C arasında bir çalışma sıcaklığı aralığında 100 o C’de yaklaşık 140Ω’a yükselir.

RTD dirençli bir cihaz olduğundan, içinden bir akım geçirmemiz ve ortaya çıkan voltajı izlememiz gerekir. Bununla birlikte, içinden akım geçerken dirençli tellerin kendiliğinden ısınması nedeniyle dirençteki herhangi bir değişiklik,  I 2 R  , (Ohm Yasası) okumalarda bir hataya neden olur. Bunu önlemek için, RTD genellikle kurşun kompanzasyonu ve/veya sabit bir akım kaynağına bağlantı için ek bağlantı kablolarına sahip bir Wheatstone Bridge ağına bağlanır.

Termokupl

Termokupl tüm sıcaklık sensörü tiplerinin açık ara farkla en yaygın olarak kullanılan türüdür. Termokupllar basitliği, kullanım kolaylığı ve esas olarak küçük boyutları nedeniyle sıcaklıktaki değişikliklere tepki verme hızları nedeniyle popülerdir. Termokupllar ayrıca -200 o C’nin altından 2000 o C’nin çok üstüne kadar tüm sıcaklık sensörleri arasında en geniş sıcaklık aralığına sahiptir.

Termokupllar, temelde birbirine kaynaklanmış veya kıvrılmış bakır ve konstantan gibi farklı metallerin iki birleşiminden oluşan termoelektrik sensörlerdir. Bir bağlantı noktası referans (Soğuk) bağlantı noktası olarak adlandırılan sabit bir sıcaklıkta tutulurken, diğeri ölçüm (Sıcak) bağlantı noktası olarak adlandırılır. İki bağlantı farklı sıcaklıklarda olduğunda, aşağıda gösterildiği gibi sıcaklık sensörünü ölçmek için kullanılan bağlantı boyunca bir voltaj geliştirilir.

Termokupl Yapısı

Sıcaklık Sensörü

Bir termokuplun çalışma prensibi çok basittir. Birbirlerine kaynaştırıldığında, bakır ve konstantan gibi iki farklı metalin birleşimi, aralarında yalnızca birkaç milivoltluk (mV) sabit bir potansiyel farkı veren bir “termo-elektrik” etkisi üretir. İki bağlantı arasındaki voltaj farkı, bir emk üreten iletken teller boyunca bir sıcaklık gradyanı üretildiğinden “Seebeck etkisi” olarak adlandırılır. Daha sonra bir termokupldan gelen çıkış voltajı, sıcaklık değişikliklerinin bir fonksiyonudur.

Her iki birleşme noktası da aynı sıcaklıktaysa, ikibirleşme noktasındaki potansiyel fark sıfırdır, başka bir deyişle V1 = V2 olarak voltaj çıkışı yoktur. Bununla birlikte, birleşme noktaları bir devre içinde bağlandığında ve her ikisi de farklı sıcaklıklarda olduğunda, iki birleşme noktası arasındaki sıcaklık farkına göre V1 – V2’ye göre bir voltaj çıkışı tespit edilecektir. Bu gerilim farkı,birleşme noktası tepe gerilim seviyesine ulaşılana kadar sıcaklık ile artacak ve bu, kullanılan iki farklı metalin özelliklerine göre belirlenecektir.

Termokupllar, -200 o C ile +2000 o C arasındaki aşırı sıcaklıkların ölçülmesini sağlayan çeşitli farklı malzemelerden yapılabilir. Bu kadar geniş bir malzeme ve sıcaklık aralığı seçeneği ile, kullanıcının belirli bir uygulama için doğru termokupl sensörünü seçmesine izin vermek için termokupl renk kodlarıyla birlikte uluslararası kabul görmüş standartlar geliştirilmiştir. Standart termokupllar için İngiliz renk kodu aşağıda verilmiştir.

Termokupl Renk Kodları

Sıcaklık Sensörü

Yukarıda genel sıcaklık ölçümü için kullanılan en yaygın üç termokupl malzemesi Demir-Konstantan (Tip J), Bakır-Konstantan (Tip T) ve Nikel-Krom (Tip K). Bir termokupldan çıkış voltajı çok küçüktür, sıcaklık farkı 10 o C’lik bir değişiklik için sadece birkaç milivolt (mV) değişir ve bu küçük voltaj çıkışı nedeniyle genellikle bir çeşit amplifikasyon gereklidir.

Termokupl Amplifikasyonu

Sıcaklık Sensörü

Ayrık veya bir İşlemsel Yükselteç biçimindeki amplifikatör tipinin dikkatli bir şekilde seçilmesi gerekir, çünkü termokuplun sık aralıklarla yeniden kalibre edilmesini önlemek için iyi kayma kararlılığı gerekir. Bu, çoğu sıcaklık algılama uygulaması için kırpıcı ve enstrümantasyon tipi amplifikatörün tercih edilmesini sağlar.

Burada belirtilmeyen diğer Sıcaklık Sensörü Tipleri arasında Yarı İletken Bağlantı Sensörleri, Kızılötesi ve Termal Radyasyon Sensörleri, Tıbbi tip Termometreler, Göstergeler ve Renk Değiştiren Mürekkepler veya Boyalar bulunur.

“Sıcaklık Sensörü Türleri” hakkındaki bu eğitimde, sıcaklıktaki değişiklikleri ölçmek için kullanılabilecek birkaç sensör örneğine baktık. Bir sonraki derste, Fotodiyotlar, Fototransistörler, Fotovoltaik Hücreler ve Işığa Bağlı Direnç gibi ışık miktarını ölçmek için kullanılan sensörlere bakacağız.