Seebeck etkisi, bir iletken veya yarı iletkende sıcaklık gradyanı bulunduğunda termoelektrik bir gerilim oluşması ve iki farklı malzemeden kurulan devrede bu gerilimlerin farkının ölçülebilir hale gelmesi olayıdır. Bu etki, özellikle termokuplların çalışma prensibinin temelini oluşturur.

En basit haliyle: iki farklı iletkenin oluşturduğu bir termokupl devresinin bir bölgesi sıcak, diğer bölgesi daha soğuk olduğunda devrede küçük bir elektrik gerilimi oluşur. Sıcaklık kontrol cihazı, transmitter veya PLC bu milivolt seviyesindeki sinyali ilgili termokupl tipinin referans eğrisine göre sıcaklığa dönüştürür.

Burada önemli bir düzeltme vardır: Seebeck gerilimi yalnız iki telin kaynak yapıldığı “sıcak uçta” ortaya çıkan tek noktasal bir gerilim olarak düşünülmemelidir. Termoelektrik EMK, iletkenlerin sıcaklık gradyanı altında kalan bölümlerindeki termoelektrik özelliklerinden kaynaklanır.

Seebeck etkisi nasıl oluşur?

Bir malzemenin iki bölgesi farklı sıcaklıklardaysa taşıyıcıların enerji dağılımı da farklı olur. Bu durum malzeme boyunca termoelektrik bir potansiyel farkının oluşmasına yol açabilir.

Bir iletkenin sıcaklık karşısındaki bu davranışı Seebeck katsayısı ile ifade edilir. Seebeck katsayısı genellikle mikrovolt/kelvin veya mikrovolt/°C mertebesinde ifade edilir.

Bir termokupl iki farklı termoelemandan oluştuğu için, iki malzemenin Seebeck katsayıları arasındaki fark ölçülebilir bir EMK oluşturur.

Seebeck gerilimi nasıl ifade edilir?

Basitleştirilmiş olarak iki farklı A ve B malzemesinden oluşan termokuplun EMK'si:

E = ∫(S_A − S_B) dT

şeklinde düşünülebilir.

Burada:

E: termokupl devresinde oluşan termoelektrik EMK
S_A ve S_B: iki termoelemanın Seebeck katsayıları
dT: sıcaklık değişimidir.

Seebeck katsayıları sıcaklıkla değiştiği için gerçek termokupl karakteristiği tamamen doğrusal değildir. Bu nedenle IEC 60584-1 sıcaklık–EMK referans fonksiyonları ve ilgili polinomlar kullanılır.

Termokupl neden iki farklı metal kullanır?

Tek bir homojen iletkenin iki ucu farklı sıcaklıkta olduğunda da termoelektrik etki vardır; ancak pratik bir sıcaklık ölçüm devresinde ölçülebilir net EMK elde etmek için farklı Seebeck katsayılarına sahip iki malzeme kullanılır.

Örneğin:

K tipi termokupl nikel-krom / nikel-alüminyum esaslı,
J tipi termokupl demir / bakır-nikel,
E tipi termokupl nikel-krom / bakır-nikel,
N tipi termokupl ise Nicrosil / Nisil termoeleman çiftini kullanır.

Her çiftin Seebeck katsayısı farkı farklı olduğu için aynı sıcaklıkta ürettikleri milivolt değeri de farklıdır.

Termokupl gerilimi yalnız sıcak uçta mı oluşur?

Hayır. Bu, termokupllarla ilgili en yaygın yanlış anlatımlardan biridir.

Kaynak yapılmış ölçüm ucu mekanik ve elektriksel olarak iki termoelemanı birleştirir; fakat termoelektrik EMK'nin kaynağı yalnız bu birleşim noktası değildir.

Gerilim, termoelemanların sıcaklık gradyanı altında kalan bölgelerindeki Seebeck davranışının toplam sonucudur.

Bu nedenle tel boyunca alaşım bileşiminin değişmesi, kontaminasyon veya termoelektrik inhomojenlik oluşması termokuplun kalibrasyonunu değiştirebilir. Sensörün elektriksel olarak kopuk olmaması, doğru ölçtüğünü tek başına kanıtlamaz.

Termokupl neyi ölçer: sıcaklığı mı, sıcaklık farkını mı?

Temel olarak termokupl bir sıcaklık farkına bağlı EMK üretir.

Ölçüm ucu sıcaklığı T_hot ve referans bağlantı bölgesi sıcaklığı T_ref ise ölçülen EMK kavramsal olarak:

E_measured = E(T_hot) − E(T_ref)

şeklinde düşünülebilir.

Bu nedenle modern termokupl ölçüm cihazlarında soğuk uç kompanzasyonu — CJC uygulanır.

CJC yapılmadan yalnız termokuplun milivolt değerine bakarak doğru mutlak sıcaklığı hesaplamak mümkün değildir.

Soğuk uç gerçekten soğuk olmak zorunda mıdır?

Hayır. “Cold junction — soğuk uç” tarihsel bir terimdir.

Referans birleşimi 20 °C, 30 °C veya başka bir sıcaklıkta olabilir. Önemli olan bu sıcaklığın doğru bilinmesi ve cihaz tarafından referans fonksiyonuna dahil edilmesidir.

IEC termokupl referans tabloları geleneksel olarak 0 °C referans birleşimine göre düzenlendiğinden cihaz önce gerçek bağlantı sıcaklığını hesaba katar, ardından referans tablosu veya polinom üzerinden sıcaklığı hesaplar.

Termoelektrik etki nedir?

Termoelektrik etkiler, sıcaklık ile elektriksel enerji arasındaki tersinir ilişkileri tanımlayan fiziksel olayların genel adıdır.

Bu başlık altında üç temel etki birlikte değerlendirilir:

Seebeck etkisi — sıcaklık farkından elektriksel EMK oluşması
Peltier etkisi — elektrik akımının farklı malzemelerin birleşiminde ısı alışverişine neden olması
Thomson etkisi — sıcaklık gradyanı bulunan tek bir iletkenden akım geçtiğinde tersinir ısı alışverişi meydana gelmesi

Bu üç etki birbirinden ayrı gözlemler olsa da termoelektrik fiziğin aynı temel çerçevesinin parçalarıdır.

Seebeck etkisi ile termoelektrik jeneratör nasıl elektrik üretir?

Bir termoelektrik jeneratörde çok sayıda p-tipi ve n-tipi yarı iletken eleman elektriksel ve termal olarak uygun biçimde bağlanır.

Modülün bir yüzeyi sıcak, diğer yüzeyi soğuk tutulduğunda Seebeck etkisi nedeniyle elektriksel gerilim oluşur.

Bir yük bağlandığında devreden akım akar ve sıcaklık farkındaki termal enerjinin bir bölümü elektrik enerjisine dönüştürülebilir.

Bu yöntem atık ısı geri kazanımı, uzay uygulamaları ve özel düşük güçlü enerji üretim sistemlerinde kullanılabilir.

Seebeck etkisi ile Peltier etkisi arasındaki fark nedir?

İki etki birbiriyle yakından ilişkilidir fakat enerji dönüşüm yönleri farklıdır.

Seebeck etkisi:
Sıcaklık farkı → elektriksel gerilim.

Peltier etkisi:
Elektrik akımı → bir bağlantıda ısı emilmesi, diğerinde ısı açığa çıkması.

Bu nedenle termokupl sıcaklığı ölçerken Seebeck etkisinden; termoelektrik soğutucu ise esas olarak Peltier etkisinden yararlanır.

Peltier etkisi nedir?

Peltier etkisi, farklı termoelektrik malzemelerden oluşan bir devreden elektrik akımı geçtiğinde malzemelerin birleşim bölgelerinde tersinir ısı alışverişi oluşmasıdır.

Akım yönüne bağlı olarak bir birleşim ısı emerken diğer birleşim ısı açığa çıkarabilir.

Akım yönü ters çevrildiğinde sıcak ve soğuk tarafların rolleri de tersine dönebilir.

Bu prensip:

termoelektrik soğutucularda · küçük elektronik soğutma sistemlerinde · hassas optik sistemlerde · lazer diyot sıcaklık kontrolünde · bazı laboratuvar cihazlarında

kullanılır.

Peltier soğutma sistemi gerçek uygulamada yalnız Peltier etkisinden oluşmaz; elektriksel direnç nedeniyle oluşan Joule ısısı ve sıcak-soğuk taraf arasındaki ısı iletimi de toplam performansı etkiler.

Peltier modülü ile sıcaklık kontrolü yapılabilir mi?

Evet. Peltier modülünün akımı kontrol edilerek bir yüzeyin sıcaklığı artırılabilir veya azaltılabilir.

Gerçek sistemde sıcaklık genellikle Pt100, termistör veya başka bir sıcaklık sensörüyle ölçülür ve sıcaklık kontrol cihazı ya da PLC kapalı çevrim kontrol uygular.

Burada Peltier elemanı sensör değildir; sıcaklığı değiştiren aktüatördür.

Thomson etkisi nedir?

Thomson etkisi, sıcaklık gradyanı bulunan homojen bir iletkenden elektrik akımı geçtiğinde iletken boyunca tersinir ısı emilmesi veya açığa çıkması olayıdır.

Bu etki için tek bir homojen iletken yeterlidir; Peltier etkisindeki gibi iki farklı malzemenin birleşim noktasına ihtiyaç yoktur.

Thomson ısısının yönü:

akım yönüne · sıcaklık gradyanının yönüne · malzemenin Thomson katsayısına

bağlıdır.

Akım yönü tersine çevrilirse Thomson ısı alışverişinin yönü de değişir. Bu özelliğiyle sıradan Joule ısısından ayrılır.

Thomson etkisi ile Joule ısısı aynı şey midir?

Hayır.

Joule ısısı elektrik akımının iletken direnci üzerinde:

P = I²R

ilişkisiyle ısı oluşturmasıdır ve akım yönünden bağımsızdır.

Thomson etkisi ise tersinirdir ve sıcaklık gradyanı ile akım yönüne bağlı olarak ısı absorbe edebilir veya açığa çıkarabilir.

Seebeck, Peltier ve Thomson etkileri birbirleriyle nasıl ilişkilidir?

Üç etki birbirinden bağımsız rastlantısal olaylar değildir. Termoelektrik taşınımın farklı görünümleridir.

Termodinamik ilişkiler, Seebeck, Peltier ve Thomson katsayılarının birbirleriyle bağlantılı olduğunu gösterir.

Bu nedenle termoelektrik malzemenin sıcaklık karşısındaki Seebeck davranışı aynı zamanda Peltier ve Thomson davranışıyla fiziksel olarak ilişkilidir.

Seebeck etkisi hangi sıcaklık sensörlerinde kullanılır?

Seebeck etkisi doğrudan termokupl sıcaklık sensörlerinin temelidir.

Örneğin K tipi, J, T tipi, E, N, R, S, B, A ve C tipi termokuplların tamamı farklı termoeleman çiftlerinin Seebeck davranışından yararlanır.

Fakat Pt100 aynı prensiple çalışmaz. Pt100 sıcaklık değiştikçe platin elemanın elektrik direncinin değişmesini ölçer.

Bu iki sensör teknolojisinin farkları Pt100 ve Termokupl Karşılaştırması bölümünde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

Seebeck etkisi temassız sıcaklık sensörlerinde kullanılır mı?

Genel endüstriyel temassız sıcaklık sensörleri hedefin yaydığı termal radyasyonu ölçer; bu nedenle ölçüm prensipleri termokuplun Seebeck etkisinden farklıdır.

IR sensör, pirometre veya termal kamera hedefin radyasyonunu optik olarak değerlendirirken termokupl sıcaklık farkının oluşturduğu termoelektrik EMK'yi ölçer.

Termokupl sinyali neden doğrudan 0–10 V değildir?

Termokuplun Seebeck etkisiyle ürettiği gerilim genellikle mikrovolt ve milivolt seviyesindedir.

Bu nedenle termokuplu sıradan bir 0–10 V analog girişe doğrudan bağlamak genellikle doğru değildir.

Ölçüm cihazının termokupl için düşük seviyeli diferansiyel girişe, doğru termokupl lineerizasyonuna ve CJC fonksiyonuna sahip olması gerekir.

Termokupl sinyali 4–20 mA'ya çevrilebilir mi?

Evet. Uygun sıcaklık sensörü çeviricisi veya transmitter termokuplun düşük seviyeli EMK'sini ölçer, soğuk uç kompanzasyonu ve lineerizasyon uygular ve sonucu standart endüstriyel sinyale dönüştürür.

Örneğin 0–1000 °C ölçüm aralığı:

4 mA → 0 °C
20 mA → 1000 °C

olarak ölçeklenebilir.

Böylece sıcaklık bilgisi uzun mesafelerde 4–20 mA olarak taşınıp PLC tarafından okunabilir.

Termokupl neden yanlış sıcaklık gösterebilir?

Seebeck etkisi fiziksel olarak güvenilir olsa da gerçek ölçüm zincirinde birçok hata kaynağı bulunabilir:

yanlış termokupl tipi seçimi
ters polarite
yanlış uzatma veya kompanzasyon kablosu
CJC hatası
termoeleman inhomojenliği
yüksek sıcaklık drift'i
elektriksel parazit
yanlış montaj

Uzatma ve kompanzasyon kablolarının termokupl ölçümüne etkisi IEC 60584-3 Termokupl Uzatma ve Kompanzasyon Kabloları bölümünde açıklanmaktadır.

Termokupl kablosunu normal bakır kabloyla uzatabilir miyim?

Her noktada doğrudan normal bakıra geçmek doğru değildir.

Bakır bağlantıya geçilen nokta termokupl devresinin yeni referans bağlantı bölgesi haline gelebilir. Cihaz bu bağlantının sıcaklığını bilmiyorsa ilave termoelektrik hata oluşabilir.

Bu nedenle termokuplun ölçüm cihazına kadar doğru uzatma veya kompanzasyon kablosuyla devam ettirilmesi gerekebilir.

VFD bulunan makinelerde Seebeck sinyali etkilenir mi?

Seebeck etkisinin kendisi değişmez; ancak termokuplun birkaç milivoltluk ölçüm sinyalinin üzerine elektromanyetik gürültü binebilir.

VFD, servo sürücü, motor kablosu ve yüksek güçlü anahtarlama elemanlarının yanında termokupl kablosu yanlış döşenirse kararsız sıcaklık ölçümleri görülebilir.

Bu nedenle güç ve sensör kabloları uygun biçimde ayrılmalı, ekranlama ve topraklama doğru yapılmalı ve gerektiğinde sensöre yakın transmitter kullanılmalıdır.

Seebeck etkisi neden sıcaklık ölçümünde önemlidir?

Seebeck etkisi sayesinde harici bir uyarma gerilimi gerektirmeden geniş sıcaklık bölgelerinde kullanılabilen küçük, dayanıklı ve hızlı sıcaklık sensörleri üretilebilir.

Bu nedenle termokupllar:

fırınlarda · motorlarda · plastik makinelerinde · metal işlemede · enerji sistemlerinde · gaz türbinlerinde · laboratuvarlarda · kriyojenik sistemlerde · 2000 °C üzerindeki özel uygulamalarda

kullanılabilir.

Uygun termokupl tipi seçimi için sıcaklık bölgesine göre termokupl çeşitleri birlikte değerlendirilmelidir.

Sonuç

Seebeck etkisi, sıcaklık gradyanının bir malzemede termoelektrik gerilim oluşturması ve farklı malzemelerin Seebeck davranışları arasındaki farkın bir termokupl devresinde ölçülebilir EMK haline gelmesidir.

Termokupl ölçümünü yalnız “iki metal kaynak noktasında voltaj üretir” şeklinde açıklamak eksiktir. Gerçek termoelektrik EMK, termoelemanların sıcaklık gradyanı altındaki bölgelerinin toplam davranışıyla oluşur.

Seebeck etkisinin doğru anlaşılması; soğuk uç kompanzasyonu, uygun termokupl kablosu, sensör homojenliği, IEC referans fonksiyonları ve doğru cihaz lineerizasyonunun neden gerekli olduğunu da açıklamaktadır.

Seebeck, Peltier ve Thomson etkileri aynı termoelektrik fizik ailesinin farklı yönlerini temsil eder: Seebeck sıcaklık farkını elektrik sinyaline, Peltier elektrik akımını ısı transferine, Thomson ise akım ve sıcaklık gradyanını iletken boyunca tersinir ısı alışverişine bağlar.

İlgili sıcaklık ve termokupl konuları

+ Termokupl Nedir? · Termokupl Çeşitleri

+ K Tipi Termokupl · J Tipi Termokupl · N Tipi Termokupl

+ Soğuk Uç Kompanzasyonu · Termokupl Standartları

+ IEC 60584-1 · IEC 60584-3

+ Pt100 Sensörleri · Pt100 ve Termokupl Karşılaştırması

+ Temassız Sıcaklık Sensörleri · Sıcaklık Sensörü Çeviricileri

+ Isı Kontrol Cihazları · PLC Sistemleri · 0–10 V / 4–20 mA