Sıcaklık Ölçümü ve Kalibrasyonu Konusunda Her Teknisyeninin Bilmesi Gerekenler
Sıcaklık, belki de en yaygın olarak ölçülen fiziksel parametredir. Günümüzde, sıcaklık ölçümü değişik yollardan yapılabilmektedir. Ölçme için değişik opsiyonların bulunması, doğal olarak, bazı soruları beraberinde gündeme getirmektedir. Sıcaklığı nasıl ölçebilirim? Ölçümlerim ne doğrulukta? Sıcaklığı ölçmek için en iyi cihaz nedir? Ölçüm cihazıma kalibrasyon gereklimidir?
Sıcaklık ölçümü gereksinimi olduğu zaman yukarıda belirtilen genel sorularla karşılaşırız. Sıcaklık ölçmek için değişik ölçüm cihazları kullanılır: Sıvılı cam termometre (LIG), ısılçift (TC), termistör, direnç sıcaklık detektörleri (RTD), platin direnç termometreleri (PRT), standard platin direnç termometreleri (SPRT). Bu yazımızda sıcaklık ölçümünde kullanılan elektronik ölçüm cihazları üzerine odaklanarak, karşılaşacağımız sorunlara, yanıt bulacağız.
Sıcaklığı Nasıl Ölçerim?
Sıcaklığı ölçülecek yüzeye, sıcaklık sensörü temas ettikten sonra, sıcaklık dengelenmesi için bir süre beklemek gereklidir. Termometrenin ölçüm yapılan sıcaklıkta dengeye gelmesi için, prob yeterli bir derinliğe daldırılmalıdır. Bazı termometreler daha fazla daldırma derinliğine ihtiyaç duyarlar. Genelde hassas termometreleri, sıvı veya kuru banyo içine yaklaşık 15 cm (6 inch) derinliğe daldırmak gerekir, belirtilen daldırma derinliği prob çapı ile orantılı olarak değişiklik gösterir. İyi bir ölçüm doğruluğu ve denge elde etmek için, sıcaklığı ölçülecek sıvının karıştırılması gereklidir. Prob ve katı yüzeyler arasında oluşan hava kabarcıkları nedeni ile dengeye gelme süresi uzar, bu durumda probu daha derine daldırmak gerekir. Bazı özel termometreler, ölçümü yüzeyden yaparlar, bazen de prob kablosunun, yüksek sıcaklıklara dayanamaması nedeni ile derine daldırılması olanaksızlaşır.
Sıcaklık ölçen ve gösteren cihazlar, sıklıkla, referans termometreler ile karşılaştırılarak kalilbre edilirler. Her iki termometre arasındaki mesafe azaldıkça, kalibrasyon doğruluğu iyileşir. Bunu sağlamak için en iyi yöntem, referans termometre ile kalibrasyonu yapılan termometrenin sensör elementlerin merkezlerini bir hizaya getirmektir. Sensörlerin merkez noktalarının, sensör tipine ve modeline göre değişiklik gösterebileceğini göz önünde bulundurunuz (örneğin PRT, TC, veya bimetalik sensörlerde olduğu gibi).
Sıcaklık sensörlerinin kalibrasyonu için en yaygın yöntem, sıcaklık sensörlerini bulundukları yerden sökerek, kuru banyolara ya da mikro-banyolara daldırmaktır. Bu kalibratörler ile geniş bir aralıkta, kararlı bir sıcaklık ortamı sağlayıp, kalibrasyonu yapılan sensörün ve referans termometrenin ölçtüğü sıcaklıkları, yüksek doğruluk sağlamak için karşılaştırabilirsiniz. Alternatif olarak, sıcaklık sensörlerini bulundukları yerden sökmeden de kalibre edebilirsiniz. Bu durumda ya kalibrasyonu yapılacak sensörün bulunduğu ortama ya da yakınındaki termometre kılıfına referans termometre tatbik edilir.
Derin dondurucuların, fırınların, iklimlendirme kabinlerinin sıcaklık doğrulamaları ve ayarları için, termometre doğrudan bu cihazların içine yerleştirilir, performansı doğrulamak için birkaç saat süre ile sıcaklık verilerini kayıt etmek gerekir. Aynı zamanda, ortalama, maksimum, minimum ve standard sapma gibi istatistiksel değerler, gerekli durumlarda kayıt edilir.
Buhar sistemlerinin, soğutma kulelerinin, sıcaklık eşanjörlerinin, soğutma sistemlerinin, türbinlerin, dış veya iç yakımlı makinaların, enerji performans testi için giriş ve çıkış sıcaklıkları farkının ölçülmesi gerekir. Bu ölçümler bazen borular üzerinden ısılçiftler, ince-film sensörler,veya infra-red sıcaklık ölçüm cihazları ile yapılır. Yüksek doğrulukta sonuç elde edilmesi için, giriş ve çıkışın uygun yerlerine termometre kılıflarının kullanılması gereklidir.
Böylece problar için gerekli olan yeterli daldırma derinliği sağlanmış olur. Bazı durumlarda boru çapı, yeterli daldırma için sınırlayıcı olduğu için, termometre kılıflarının boruya monte edilmesi halinde, sıcaklık probu akışkan yönüne paralel olarak daldırılacağı için yeterli daldırma derinliği sağlanmış olunur.
Gerekli Ölçüm Doğruluğu Ne Olmalıdır?
Gerekli ölçüm doğruluğu dikkatlice belirlenmelidir. Düşük doğruluklar, hatalara neden olup, sonucunda mali yük getirir. Ölçüm doğruluklarındaki hatalar, arıza duruşlarına, gereksiz enerji sarfiyatına, yüksek üretim hatasına, iş kazalarına ve halk sağlığı problemlerine yol açar.
Sıcaklık ölçümü ve izlenmesi için temometrelerin özellikleri, tasarım mühendisleri tarafından belirlenir. Bu teknik özelliklerin içinde, termometrenin doğruluğu da belirtilmelidir. Tasarım mühendisi, kalite mühendisi veya kalibrasyon uzmanı, termometrenin kalibrasyon gereklerini belirtir. Kalibrasyon işleminin, enstrümantasyon teknisyeni tarafından yerine getirilmesi, ve enstrümantasyon teknisyeninin, kalibrasyon gerekleri konusunda, yeteri kadar bilgili olması da beklenir.
Genel kalibrasyon yaklaşımına göre, kalibrasyonda kullanılan standardların belirsizlikleri, test altındaki termometrenin doğruluğuna göre, çok iyi seviyede olması gerekir. Böylece karşılaştırma sırasında muhtemel hatalar önlenmiş olunur. Yüzde olarak ifade edilen Test Belirsizlik Oranı (Test Uncertainty Ratio), örnek olarak (TUR) 4:1 askeri ve diğer endüstriyel uygulama da belirtiliyor ise, kalibrasyon standardlarının toplam belirsizliğinin, kalibrasyonu yapılan test altındaki termometrenin belirtilen doğruluğundan, 4 misli daha iyi olduğu anlaşılır, kullanılan standardın toplam belirsizliği, test edilen termometrenin doğruluk değerinin %25’i kadarıdır, eğer, Test Belirsizlik Oranı (TUR) 2:1 olarak ifade ediliyor ise, kalibrasyon standartlarının toplam belirsizliği, kalibrasyonu yapılan test altındaki termometrenin doğruluğundan, 2 misli daha iyi olduğu anlaşılır, kullanılan standardın toplam belirsizliği, test edilen termometrenin doğruluk değerinin %50’si kadardır. Eğer kalibrasyonda kullanılan referans termometre, kalibrasyonu yapılmak istenen test altındaki termometre ile aynı belirsizliğe sahip ise test belirsizlik oranı (TUR) 1:1 olarak ifade edilir ve bu durumda güvenilir olmayan sonuçlar ile karşılaşılacağı için tavsiye edilmez.
Doğruluğu yüksek kalibrasyon standardı kullanarak, kalibrasyonu yapılmak istenen saha cihazlarından tolerans dışı olanları daha gerçekçi bir şekilde tanımlayabilirsiniz. Değişik Test Belirsizlik Oranları ile yapılan kalibrasyonlarda, meydana gelen hata sıklıklarını aşağıdaki tabloda görebilirsiniz. Bu tablo örneğinde 1000 adet kalibrasyonu yapılan cihazdan 950 adedi gerçekten belirtilen tolerans içindedir. Eğer 1000 adet cihaz Test Belirsizlik Oranı 2:1 ile kalibre edilir ise 925 adedi tolerans içinde (Kabul edilir), bulunacak, aslında kabul edilebilir olanların 12 adedi (Yanlış kabul edilmiş) gerçekten tolerans dışıdır. Bunun yanında tolerans dışı olarak bulunan 75 adedin, 41 adedi (Yanlış red edilmiş), gerçekte tolerans içi kabul edilmiş olması gereklidir. Hatalı olarak reddedilmiş her bir cihazın kalibrasyon maliyeti 50.- USD’dan başlar, kimya proses endüstrisinde ise bu hatalı cihaz nedeni ile prosesin durması minimum 10.000.- USD maliyete yol açabilir.