Sensörler ve dönüştürücüler ders notları

Sensörler ve dönüştürücüler ders notları

ELEKTRİK BÖLÜMÜ
SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER
1.
Sıcaklık, nem algılayıcılarının kurulumunu yapmak
2.
Hız, titreşim, ivme, konum, yaklaşım algılayıcılarının kurulumunu yapmak
3.
Basınç, akış ve seviye algılayıcılarının kurulumunu yapmak
Hafta Modüller/İçerik/Konular
1
Sıcaklık Algılayıcıları
2
Sıcaklık Algılayıcıları
3
Nem Algılayıcıları
4
Hız Algılayıcıları
5
Titreşim Algılayıcıları
6
İvme Algılayıcıları
7
Konum Algılayıcıları
8
Konum Algılayıcıları
9
Yaklaşım Algılayıcıları
10
Yaklaşım Algılayıcıları
11
Basınç Algılayıcıları
12
Akış Algılayıcıları
13
Seviye Algılayıcıları
14
Darbe (Kuvvet) Algılayıcıları
DERS İÇERİĞİ
ALGILAYICILARIN KURULUMU-1
A. ALGILAYICILAR
1. Algılayıcılar Yapısı, Çalışma prensibi, Çeşitleri
2. Sıcaklık Algılayıcıları: Tanımı, Yapısı, Çeşitleri,
Kullanım alanları
B. NEM ALGILAYICILARI
1. Nem Algılayıcıları: Tanımı, Yapısı, Çeşitleri,
Kullanım alanları
ALGILAYICILARIN KURULUMU-2
A. HIZ/TİTREŞİM/İVME ALGILAYICILARI
1. Hız algılayıcıları: Tanımı, Yapısı, Kullanım
alanları
2. Titreşim algılayıcıları: Tanımı, Yapısı, Kullanım
alanları
3. İvme algılayıcıları: Tanımı, Yapısı, Kullanım
alanları
B. KONUM ALGILAYICILARI
1. Konum algılayıcıları: Tanımı, Yapısı, Kullanım
alanları
C. YAKLAŞIM ALGILAYICILARI
1. Yaklaşım
algılayıcıları:
Tanımı,
Yapısı,
Kullanım alanları
ALGILAYICILARIN KURULUMU-3
A. BASINÇ ALGILAYICILARI: Tanımı, Yapısı,
Kullanım alanları
B. AKIŞ ALGILAYICILARI: Tanımı, Yapısı,
Kullanım alanları
C. SEVİYE ALGILAYICILARI: Tanımı, Yapısı,
Kullanım alanları
D. DARBE
(KUVVET)
ALGILAYICILARI:
Tanımı, Yapısı, Kullanım alanları
YARI İLETKEN SENSÖR VE TRANSDUSERLER
İnsanlar çevrelerindeki değişiklikleri duyu organları vasıtası ile algilarlar ve buna bağli olarak
da hareket ederler. Buna örnekler verecek olursak üşüdüğümüzde isiticiyi açariz veya ortam karanlık olduğunda
işiği açariz. İşte tüm bu fiziksel ortam değişikliklerini (isi, işik, basinç, ses, vb.) bizim yerimize algilayan
cihazlara .SENSÖR., algıladığı bilgiyi elektrik enerjisine çeviren cihazlara .TRANSDUSER. denir.
Sensörlerden alinan veriler elektrik sinyaline dönüştürüldükten sonra elektronik devreler tarafindan
yorumlanarak mekanik aletlere kumanda edilebilir. Aslinda, sensör ve transduserleri kesin çizgilerle birbirinden
ayırmak biraz zordur. öyle ki; mikrofon sesi algilayan bir sensördür. Öte yandan, ses dalgalarını, içindeki bobin
araciliğiyla elektrik akimina dönüştürdüğü için bir transduserdir. Bu yüzden bu iki kelimeyi eş anlamli kabul
edebiliriz. Transduserler iki farkli sistem arasinda bilgi nakli yapan elemanlardir. Birinci sistemdeki bilgiyi
ikinci sisteme uygun hale getirirler. Sensörler ise ortam değişkenlerini algilayan elamanlardır.
Çeşit olarak Isi Transduser ve Sensörleri, Manyetik Transduser ve Sensörler, Basinç (gerilme)
Tansduserleri, Optik Transduser ve Sensörler, Ses Transduser ve sensörleri olmak üzere
sınıflandırılabilirler.
ALGILAYICILARIN SINIFLANDIRILMASI
Algılayıcıları birbirinden farklı birçok sınıfa ayırmak mümkün. Ölçülen büyüklüğe göre, çıkış büyüklüğüne
göre, besleme ihtiyacına göre vb… Aşağıda bu sınıflardan bazılarına değinilecektir.
2.1 Giriş Büyüklüklerine Göre
Algılayıcılarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrılabilir. Bunlar;
1.Mekanik : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), Basınç, Hız, İvme, Pozisyon, Ses
dalgaboyu ve yoğunluğu
2. Termal : Sıcaklık, ısı akısı
3. Elektriksel : Voltaj, akım, çarc, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik
alanı ve frekans
4. Manyetik : Alan yoğunluğu, akı yoğunlugu, manyetik moment, geçirgenlik
5. Işıma : Yoğunluk, dalgaboyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme,
6. Kimyasal : Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, pH miktarı
2.2 Çıkış Büyüklüklerine Göre
Öte yandan analog çıkışlara alternatif olan dijital çıkışlar ise bilgisayarlarla doğrudan iletişim kurabilirler. Bu
iletişimler kurulurken belli bazı protokoller kullanılır. Bunlardan seri iletişim protokollerine, aşağıda kısaca
değinilmiştir.
RS232C: Bu protokol başlangıçta telefon veri iletişimi için tasarlanmıştır. Daha sonra birçok bilgisayar sistemi
bunu sıkça kullanmaya başlamış ve sonuçta RS232 standart bir iletişim protokolu haline gelmiştir. RS232C'nin
çalışması tek sonlamalıdır(single ended). Lojik 1 = -15,-3 arasında ve lojik 0 = +3,+15 arasındadır. Algılayıcılar
verileri bitler halinde ve seri iletişim protokoluna uygun olarak bilgisayara gönderir. RS232C bir single ended
arayüze olduğundan alıcı ve gönderici arasındaki uzaklık dış çevreden gelen olumsuz faktörlerin (EMI,RFI
enterferanslar) azaltılması açısından kısa tutulmalıdır.
RS422A : Bu protokol Differantial ended bir arayüze sahiptir. Alıcı verici arasındaki uzaklık yeterince en uzak
seviyededir. Hatlarda bu mesafe sebebiyle olabilecek zayıflama 200mV seviyesine kadar azalsa da sistem
iletişime devam eder. Diferansiyel ara birim sayesinde sinyaldeki zayıflama ihmal edilebilir düzeye çekilir ve
oldukça yüksek bir veri hızıyla haberleşme sağlanabilir. Algılayıcı ve bilgisayar arasındaki iletişimde Twisted
Pair (Bükülmüş kablo) kullanıldığından dış etkilerden etkileşim azdır.
RS485 : Standart 422A protokolu genişletilerek oluşturulmuş bir protokoldür. Bu protokol ile birlikte
çalışabilen 32 adet alıcı vericinin tek bir kabloyla veri iletişimi sağlanabilir. RS485 protokolü kablodaki iletişim
problemlerini ortadan kaldırmaktadır.
Çıkış AraBirim Tipi Max Kablo Uzunluğu Max Veri hızı İletişim Tipi
RS232C Single Ended Voltage 15 mt 20Kbps Point to point
RS422A Differantial Voltage 1,2 Km 10Mbps Point to point
RS485A Differantial Voltage 1,2 Km 10Mbps MultiDrop (32 Node)
Table 2: Seri iletişim protokollerinin karşılaştırılması
2.3 Besleme İhtiyacına Göre
Algılayıcılar besleme ihtiyacına göre iki sınıfa ayrılabilir. Bunlar ;
2.3.1 Pasif Algılayıcılar
Hiçbir şekilde dışardan harici enerji almadan (besleme gerilimine ihtiyaç duymadan) fiziksel ya da kimyasal
değerleri bir başka büyüklüğe çevirirler. Bu algılayıcı tipine örnek olarak Termocouple (T/C) ya da anahtar
gösterilebilir. T/C aşağıda etraflıca anlatılacaktır. Anahtar ise bilindiği gibi mekanik bir hareketi elektriksel bir
kontağa dönüştürmektedir.
2.3.2 Aktif Algılayıcılar
Çalışmaları için harici bir enerji beslenmesine ihtiyaç duyarlar. Bu algılayıcılar tipik olarak zayıf sinyalleri
ölçmek için kullanılırlar. Aktif algılayıcılarda dikkat edilmesi gereken nokta giriş ve çıkışlardır. Bu tip
algılayıcılar dijital ya da analog formatta elektriksel çıkış sinyali üretirler. Analog çıkışlılarda, çıkış büyüklüğü
gerilim ya da akımdır. Gerilim çıkışı genellikle 0-5V aralığında oldukça yaygın kullanılmaktadır. Ancak 420mA akım çıkışı da artık endüstride standart haline gelmiştir. Bazı durumlarda 0-20mA akım çevrimi
kullanılmaktadır Ancak endüstride çoğu zaman hatlarda meydana gelen bozulma kopma gibi durumlarda
sistemin bu durumu kolay algılaması ve veri iletişiminin sağlıklı yapılabilmesi için 4-20mA daha yaygın
kullanılır. Çok eski algılayıcılar 10-50 mA akım çıkışlarına sahiptirler. Endüstride en yaygın kullanılan 4-20
mA çevrim tipinin kullanımı bazı özel durumlar gerektirmektedir. Bu noktalar;
" Algılayıcıların yerleştirildiği uzak noktalarda elektrik besleme geriliminin olmaması gereklidir.
" Algılayıcılar gerilim sinyalinin sınırlı olabileceği durumlarda tehlikeli uygulamalarda kullanılmalıdırl
" Algılayıcıya giden kablolar iki ile sınırlanmalıdır.
" Akım çevrimsinyali göreceli olarak gürültü geriliminin ani sıçramalarına karşı korumalıdır. Ancak bunu uzun
mesafe veri aktarımınında yapamaz.
" Algılayıcılar, ölçüm sisteminden elektriksel olarak izole edilmelidir.
Dünyada en yaygın kullanım alanı bulan sıcaklık ve titreşim ölçümleri hakkında kısa bilgiler vererek algılayıcı
konusuna devam edelim.
SENSÖRLER (ALGILAYICILAR) VE TRANSDÜSERLER
1.1. ENSTRÜMANTASYON SİSTEMLERİ
Akış (debi), basınç veya sıcaklık gibi stratejik niceliklerin hassas bir şekilde ölçülmesi, bir işlemin (prosesin)
uygulanmasının kontrolü veya izlenmesinin önemli bir bölümünü oluşturur.Şekil 1-1 endüstriyel
enstrümantasyon sistemlerinin büyük bir çoğunluğunu temsil etmektedir. Ölçülen değer veya işlem değişkeni
adı verilen fiziksel bir nicelik, bir ölçüm sistemi kullanılmak suretiyle, genel olarak elektriksel veya pnömatik
bir sinyal gibi ölçülebilen bir değere dönüştürülür. Daha sonra bu sinyal kontrol amacıyla kullanılabilir.
Şekil 1-1, Şekil 1-2’de görüldüğü gibi, daha ayrıntılı bir biçimde yeniden çizilebilir.
Burada, bir algılama elemanı veya sensör işleme bağlanmıştır ve bu durumda sensör, kontrol edilmekte olan
işlem değişkeni ile ilgili bir değişiklik gösterecektir.
Örneğin, platin dirençli bir termometrenin direnci sıcaklığa bağlı olarak değişir veya delikli bir plakadan geçen
akışkanlar, debiye bağlı bir basınç farkı yaratırlar.
Şekil 1-1 Endüstriyel enstrümantasyon ve kontrol sistemi.
Şekil 1-2 Bir enstrümantasyon sisteminin elemanları
Çoğu sistemlerde, yalnız tek bir değişkeni ölçmek için bir ölçme elemanları zinciri bulunabilir. Debiyi ölçmek
için orifisli bir plaka kullanılmakta olup, bu orifisli plaka, akışa bağlı olarak bir basınç farkı meydana getirir. Bu
basınç farkı ise, bir körük aracılığıyla yer değiştirme hareketine, bu yer değiştirme hareketi ise, bir
potansiyometre ile elektrik sinyaline dönüştürülür. Bu tür sistemlerde ilk sensöre birincil sensör (yukarıda sözü
edilen örnekteki orifisli plaka birincil sensördür) denir. Sensörden direkt olarak alınan sinyal çoğu kez küçük
olduğundan, yerel sinyal işlemi veya iyileştirmesi yapılabilir. Tipik bir sinyal iyileştiricisi bir gerilme ölçer
cihazın direncinde meydana gelen değişikliği elektrik gerilimine çeviren bir köprü devresi veya bir türbin akış
metresinden alınan akışa bağlı bir darbe (pals) dizisini akışa bağlı bir gerilime değiştirmek için kullanılan
frekansı gerilime çeviren bir dönüştürücüdür. Diğer basit işlem örnekleri ise, filtreleme ve doğrusal
yükseltmedir (amplifikasyon). Radyo telemetre iletim yolunun kullanıldığı durumlarda daha karmaşık bir işlem
kullanılabilir. Burada gerekli olabilecek şey muhtemelen analog sayısal dönüştürme çoğullama ve bir biçimde
modülasyondur.
İşlemden görüntü ekranı/kontrol tertibatına giden iletim yolu, hayati önem taşır, zira bu kaçınılmaz olarak
ölçme sisteminde hatalara sebep olacaktır. İletim yollarına örnek olarak, elektrik kabloları (gerilim ve akım
için), pnömatik borular, fiber optik kablolar ve radyo linkler sayılabilir. Hatalar, elektriksel sistemlere girişim
(gürültü) ve kablo empedansı ve pnömatik sistemlere de küçük fakat kaçınılmaz sızıntılarla karışır. Ayrıca, tüm
iletim yolları da yapıları gereği sistemde bir gecikmeye de sebep olurlar. Yani ölçülen değer, işlem
değişkeninde meydana gelen değişikliklerle anında tepki gösteremez. Elektrik sistemlerinde, kapasitans ve
endüktans; pnömatik sistemlerde sınırlı boru hacimleri gecikmelere sebep olur.
Çoğu sistemlerde görüntüleme ekranına veya kontrol tertibatına özgü olarak, daha başka sinyal işlemi de
yapılmaktadır. Telemetride, bir alıcı ile bir demodülatöre ihtiyaç olduğunu açıklamaya gerek yoktur. Bu
noktada doğrusallaştırma gereklidir. Ayrıca bir tür hesap düzeltme işlemi yapılması da gerekli olabilir. Buna
tipik örnekler olarak termokupllar (ısı çiftleri) için soğuk bağlantı dengelemesi ile kitle akış ölçümleri için
sıcaklık düzeltmesi sayılabilir.
Transdüser terimi bu alanda sıkça geçer. Dar anlamda transdüser, bir fiziksel niceliği diğer bir niceliğe çeviren
bir tertibat olup, burada ikinci nicelik birinci niceliği analog olarak temsil etmektedir. Bir termokupl ise,
sıcaklığı elektriksel bir gerilime çeviren bir transdüser tertibatıdır. Bununla birlikte, gerçek ölçü aleti için sensör
(algılayıcı) teriminin kullanılması (örneğin ana sensör gibi) ve bir fabrikaya özgü tüm ölçme sistemi için de
(yerel sinyal işlemi de dahil olmak üzere) transdüser teriminin kullanılması daha yaygındır. Bununla birlikte, bu
konuda kesin bir kural yoktur ve bir çok durumda sensör ve transdüser terimleri birbirlerinin yerine
kullanılmaktadır. Ayrıca, verici (transmitter) kelimesi de çoğu kez transdüser veya sensör anlamında da
kullanılmaktadır.
1.2. SİNYALLER VE STANDARTLAR
Ana sensörler çok değişik sinyaller üretir. Gerilme ölçer cihazlar,çok küçük bir direnç değişmesi doğurur.
Termokupller bir kaç milivoltluk bir gerilim üretir. Pozisyon ölçme potansiyometresi ise, bir kaç voltluk bir
gerilim üretir. Ticari transdüserler (yukarıda açıklandığı üzere, transdüser terimi sinyal iyileştirme işlemini
belirtmek amacıyla kullanılır) kontrol ve görüntüleme birimlerine gönderilmek üzere, standart sinyal çıkışları
üretmek amacıyla tasarlanmışlardır.
Standartlaştırılmış sinyallerin bakım ve tasarım açısından bazı avantajlara sahip olduğu açıktır. Eğer
enstrümantasyonun tümü tek bir standart üzerine tasarlanmışsa, yedek parçalar ortak olabilir ve arıza arama için
de özel arıza bulma cihazlarına ihtiyaç kalmaz.
En yaygın olan elektriksel standart 4 ile 20 mA akım döngüsüdür. Adının da gösterdiği gibi bu cihaz, sinyal
aralığının bir ucunu temsil etmekte olan 4 mA’lik değişken bir akım sinyali aralığı ile diğer ucu temsil eden 20
mA’lik değişken bir akım sinyali kullanır. Akım döngüsü hiç bir şekilde toprakla bağlantılı değildir (eğer sinyal
hatlarına bir topraklama uygulanacak olursa, tertibat düzgün çalışmaz). Ortak işaret gürültüsünün etkisiz olması
sebebiyle, bu durum sisteme gürültüye karşı üstün bir bağışıklık sağlamakta olup, fabrika çevresinden farklı
toprak gerilimlerinin sebep olduğu hatalar da önlenmiş olmaktadır. Gerilim yerine akım kullanıldığından, hat
direncinin de bir etkisi olmaz.
Toplam direncin kullanılan transdüser için belirtilen değeri (genelde 1 kohm civarındadır) aşmaması kaydıyla,
çeşitli görüntüleme kontrol birimleri seri olarak bağlanabilir.
(a)
(b)
Şekil 1-3 4 ile 20 mA’lik akım döngüsü iletim sistemi (a) 4 ile 20 mA’lik akım döngüsü noktasının çalışma
prensibi, (b) Görüntü/kontrol cihazlarının seri olarak bağlanması.
4-20 mA’lik akımı kullanan transdüserler, kendi güç kaynakları vasıtasıyla (Şekil 1- 4a’da olduğu gibi) akım
üretebilir veya Şekil 1-4b’deki gibi sinyal kablolarının aynı zamanda güç kaynağı bağlantısı olarak görev
yaptığı hallerde, iki-hatlı çalışma için tasarlanabilir. Montajının daha ucuz olduğu açık olan bu ikinci tip
transdüserde, görüntü ekranına ait ayrı bir güç kaynağı örneğin 24 V DC’lik bir akım sağlar.
Transdüser, çekilmekte olan akımı algılar ve kendi iç elektronik sistemi için yeterli gerilimi korurken işlem
değişkeni için gereken akımı sağlamak üzere paralel bir regülatörü ayarlar. Daha sonra ise, döngü akımı
görüntüleme birimi üzerinden güç kaynağının negatif (eksi) ucuna döner. Ticari tip kontrol cihazlarının bir
çoğu, kendi güç kaynağını içermek veya iki-hatlı transdüserlerin kullanılabilmesini sağlamak üzere, uygun bir
güç kaynağı ile donatılmışlardır. Diğer bir alternatif olarak bir güç kaynağı yalıtımından biraz kaybetme
karşılığında, çeşitli transdüserleri besleyebilir. Gerilimden akıma ve akımdan gerilime dönüştürme devreleri
çoğu kez Şekil 1- 4c,d’deki DC yükselteç(amplifikatör) devrelerine dayanır.
Bir ofset sıfırının (4 mA) kullanılması birçok avantajlar sağlar (Örneğin, ‘sıfır’ çıkışta bile iki telli transdüserin
çalışmasını sürdürmesi için yeterli akım sağlanmasıdır). Şayet aralığın en alt noktası için bir sıfır gerilim veya
akımı seçilmişse, bir açık devre veya kısa devre hattı, bir alt-aralık sinyali gibi gözükecektir. Bir 4-20 mA hattı
üzerindeki her hangi bir hat hatası, kontrol cihazı veya görüntüleme ekranı üzerinde kolayca tanınan belirgin bir
negatif sinyal doğurur. Ayrıca, bu tür bir sinyal belirgin derecede iki kutuplu olup, sıfır çevresinde dalgalanma
oluşturmaz ve sıfır gerilim veya akım çıkışı sağlamak için gerekecek bir negatif güç kaynağı ihtiyacını da
ortadan kaldırır.
4-20 mA’lik sinyaller, görüntüleme ekranı veya kontrol cihazında 250 ohmluk seri bir direnç ile 1-5 Volt’a
çevrilir. (Elektrikte, 4-20 mA’lik ofset sıfırı şu ana kadar en yaygın standart ise de, diğerleri ile de
karşılaşılabilir. Bunların arasında, yine ofset sıfır kullanan 10-50 mA’lik ve 1-5 V’luk olanlar sayılabilir. Genel
olarak 4-20 mA’lik sinyaller, görüntüleme ekranı veya kontrol cihazında, 250 ohmluk seri bir dirençle 1-5 volta
çevrilir.)
Pnömatik sinyallerde de bir ofset sıfırı kullanılmakta olup, en fazla kullanılan standartlar 3-15 psi veya onun
eşdeğeri olan 0.2-1 bardır (20-100 kPa). Bir ofset sıfırı yalnız elektriksel ofset geriliminin sağladığı avantajları
sağlamakla kalmaz, aynı zamanda bir pnömatik sistemin tepki verme hızını da arttırır. Pnömatik bir boru hattı,
atmosfere açılmakla basınç kaybına uğrayarak zamana göre üstel bir sönüm eğrisi izler. Bir ofset sıfırının
kullanılması, tam skala değerinden sıfıra iniş için geçen zamanı da kısaltır.
Şekil 1.4 Akım döngüsü devreleri (a) Kendi güç kaynağını içeren transdüser,
(b) İki-telli çalışma, (c) gerilimin akıma dönüşümü, (d) akımın gerilime dönüşümü
SICAKLIK ÖLÇÜMÜ
Sıcaklık Nedir?
Moleküler aktivitenin (moleküler kinetik enerjinin) göstergesidir. Fiziksel bir büyüklüktür. Temel bir boyuttur.
Isı nedir?
Isı bir enerji türüdür. Sıcaklık farkı ile gerçekleşir.
Termodinamiğin sıfırıncı, ikinci ve 3. kanunu sıcaklık ile ilgilidir.
Termodinamiğin sıfırıncı kanunu: İki cisim üçüncü bir cisimle ısıl dengede ise (sıcaklıkları eşitse), bu iki cisim
birbiri ile ısıl dengededir.
Termodinamiğin ikinci kanunu: İşlemler belirli bir yönde cereyan eder. Isı yüksek sıcaklıktaki bir kaynaktan
düşük sıcaklıktaki bir kaynağa doğru geçer. Bu işlemi tersine gerçekleştirmek için sisteme enerji vermek
gerekir.
Termodinamiğin üçüncü kanunu: Sıfır mutlak sıcaklıkta ( 0 Kelvin) sıcaklığında saf kristal halinde bulunan
bütün maddelerin entropileri sıfırdır.
Termodinamiğin 1. kanunu ise enerji korunumu ile ilgilidir.
Bir referans sistemine göre sıcaklık ölçen cihazlara termometre veya sıcaklık ölçer denir.
Termometrede sıcaklığı değerlendirmek için kullanılan özelliğe termometrik özellik denir.
Uzunluk, hacim, basınç, elektrik direnci, potansiyel fark, renk değişimi ve yüzeylerin ışınım şiddetleri
termometrik özelliklerdir. Bu termometrik özellikler kullanılarak çeşitli sıcaklık ölçerler geliştirilmiştir.
SICAKLIK ÖLÇEKLERİ
Normal atmosfer basıncında (101325 Pa), Suyun donma ve kaynama noktaları referans alınır.
SICAKLIK ÖLÇERLER
Temaslı termometreler
1- Genişleme tipli termometreler
•Sıvı genişlemeli
•Bimetalik tip
•Gaz termometreleri
2- Termistorler
3- Direnç termometreleri (Nikel, bakır, (korozyona uğrayabilir) Platinyum, tungsten)
4- Isıl çiftler (Termoeleman, Thermocouple)
5-Sıvı Kristal termometreler
5- Birleşik devreli termometreler
Temassız Termometreler
1- Optik termometreler
2- İnfrared (Kızılötesi) termometreler
İdeal Gaz Termometreleri İdeal gaz termometresi saf suyun üçlü noktasındaki sıcaklıkta (Tref= 273.16 K)
içindeki gazın basıncı Pref ise gazın herhangi bir P basıncına gelen T sıcaklığı,
olarak hesaplanır. Gaz termometreleri 1 K gibi düşük bir sıcaklık ölçülebilir. Büyük laboratuarlarda diğer
sıcaklıkların kontrolunda uzman kimseler tarafından kullanılır.
SIVI GENİŞLEMELİ CAM TERMOMETRELER
Sıcaklık ölçümünde en çok kullanılan cihazlar, sıvı
genişlemeli cam termometrelerdir. Temel çalışma
prensibi, hazne içindeki sıvı, sıcaklıkla genişleyerek
kılcal boru içinde yükselmesidir. Civa en çok
kullanılan sıvıdır. Basit, doğrudan okuma imkanı,
taşınabilir
ve
ekonomik
olmaları
önemli
avantajlarıdır.
Cam termometrelerde Civa, toluen, etil alkol, kerosen,
petrol eteri ve pentan gibi sıvılar kullanılır. Bu sıvılar
hacimsel
genleşme
katsayılarından
dolayı
kullanılırlar. En çok kullanılan sıvı civadır. Civa camı
ıslatmaz ve saftır. Ayrıca Atmosferik basınçta ‐38.87
oC/ +356.58 oC arasında sıvı fazdadır. Diğer sıvıların
kullanılmaması hacimsel genişlemeleri fazla olmasına
rağmen cam yüzeyini ıslatmaları ve okuma güçlük
çıkarmalarıdır.
Sıvı genişlemeli elektrik kontakt termometrelerle sıcaklık kontrolu yapılabilir. Termometrede sıcaklık artışıyla
kılcal boruda yükselen civa, tungsten tele temas ederek elektrik devresini kapatır. Tersi durumda elektrik
devresi açılır. Küçük sıcaklık değişimlerinin ölçülmesinde Beckmann civalı termometreleri kullanılır.
Genellikle ana sıcaklık ölçek aralığı 5 oC, okuma hassasiyeti 0.001 oC’dir.
Bir Ortamın en yüksek ve en düşük sıcaklıklarını tespit etmek için Maksimum‐minimum termometresi
kullanılır. Her okumadan sonra mıknatısla demir parçası sıvı yüzeyine tekrar getirilir
BASINÇ TERMOMETRELERİ
Gaz doldurulmuş basınç termometreleri •Sıvı doldurulmuş basınç termometreleri •Sıvı/gaz doldurulmuş basınç
termometreleri İdeal gaz termometreleri ile aynıdır. Aralarındaki fark, bu tip termometrelerde hazne (algılayıcı
kısım) bir sıvı (propil alkol) , gaz (Azot) veya sıvı/buhar ( Freon 22, Propilin, Metil klorid, aseton, etil benzen)
ile doldurmuş olmasısıdr. Bourdan manometresine benzer. Haznedeki akışkan sıcaklıkla ısıl genleşmesinin
oluşturduğu basıncın ölçülmesine dayanır. Bu termometrelere akışkan genişlemeli termometreler de denir.
Kılcal boruları 20 m olabilir.
BİMETAL TERMOMETRELER
Katı cisimlerin sıcaklıkla doğrusal uzama prensibine dayanır.
L=L0 (1+αT)
α: Çubuğun ısıl uzama katsayısı (1/K)
Bimetal malzemeler (Pirinç (bakır,çinko alaşımı), paslanmaz çelik, Monel, invar ) Bimetal teller sıcaklık
kontrolü için de kullanılırlar.
Endüstride bimetallar helisel biçimde sarım yapılarak kullanılır. Bir ucu sıcaklık ölçmede diğer ucu ibreye
bağlıdır. Sıcaklıkla genişleyen uç dairesel hareketle ibreyi döndürür.
Güce ihtiyaç yok, sağlam kullanımı kolay ucuz fakat çok hassas değil. Düşük sıcaklıklar için uygun değil çünkü
metallerin genişlemesi düşük sıcaklıklarda genleşme ve büzüşmeleri hassas değil
ELEKTRİK DİRENÇ TERMOMETRELERİ (RDT)
Elektriksel etkilerle sıcaklık ölçme aletlerindendir. Bazı direnç elemanlarının (Platin, Nikel, Tungsten gibi
malzemeler)elektrik dirençlerinin sıcaklık değişimi prensibine dayanır. RDT Sıcaklık artıkça dirençte
artmaktadır. ‐260 oC/+750 oC arasındaki sıcaklıklar ölçülebilir. Hassasiyet ±0.01 oC olabilir.
Direnç termometrelerinin fiyatları, termoelemanlara göre daha pahalı olup, tepki zamanları da daha uzundur.
Direnç termometreleri yavaş değişen sıcaklık ölçümlerinde kullanıldıklarında en iyi sonuçlar verirler. Bu
termometrelerde en çok kullanılan malzeme ve sıcaklık aralıkları Tablo 2. de verilmiştir.
Sıcaklık aralığının büyük olması durumunda direncin sıcaklıkla değişimi ikinci dereceden bir
polinomla ifade edilir.
R= R0(1+aT+bT2)
R: T’dekidirenç,
R0: T0’daki direnç,
a ve b: deneysel sabitler
RDT’ler cam ya da seramik bir çubuk üzerine çok ince tellerin (platinum) sarılması ile elde edilir. Tellerin
mekanik zorlamalardan ve korozyondan korunması gerekir. Bunu sağlamak için sensör kısmı Koruyucu kılıf
içine konur.
RDT termometrelerde elektrik direnci, pratikte Wheastone köprüsü devresi kullanılarak ölçülür.
TERMİSTÖRLER
Termistörlerde sıcaklık ile dirençteki değişmeyi ölçer. Termistörler çok hassastırlar (RTDlerden 100 ve
termolelemanlardan 1000 kat daha hassastırlar.)
•Küçük sıcaklık değişimini algılayabilir ve hızlıdırlar, hassas sıcaklık kontrolü ve birim zamandaki küçük
sıcaklık farklarını algılayabilir. Yarı iletken seramiklarden (metal oksitkerden) yapılırlar. Sıcaklıkla
dirençdeğişimi doğrusal değildir.
•Yarı iletken malzemeden yapılan termistorlerin elektrik direnci, bir çok metal malzemenin aksine sıcaklıkla
azalır. Sıcaklık arttıkça termistörün direnci azalır. Bu değişim aşağıdaki bağıntı ile verilmiştir.
Çeşitli termistörler
1. PTC Dirençler
Pozitif sıcaklık sabitine (PTC) sahip dirençler ısındığı zaman, direnç değeri büyür. Metaller, özellikle de
baryum titamat ve fungsten bu özelliğe sahiptir. Çok değişik kullanım alanları vardır.
2. NTC Dirençler
NTC dirençler, ısındığı zaman direnç değerleri düşer, Germanyum, Silikon, ve metal oksitler gibi maddelerden
üretilir. En çok tipler kullanılır.
Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden imal edilmektedir. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş
manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı kullanılır.
PTC
Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci artan devre elemanıdır. PTC’ler - 60 ºC
ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışır. 0.1 ºC’ ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok
elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılır. Ayrıca ısı seviyesini belirli bir
değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde kullanılabilir. PTC’yi Ohmmetreye bağladığınızda ilk olarak oda
sıcaklığında PTC’nin üzerinde yazılı değeri okumanız gerekiyor. Daha sonra mum veya benzeri bir araç ile ısıttığınızda
direnci yükseliyor ise PTC sağlamdır. Bunun dışında bir durum gerçekleşiyor ise PTC arızalıdır.
NTC
Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci azalan devre elemanıdır.NTC’ler - 300
Cº ile +50 Cº arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışırlar. 0.1 Cºye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok
elektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerinde, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda
kullanılırlar. PTC’lere göre kullanım alanları daha fazladır. NTC’yi Ohm Metreye bağladığınızda ilk olarak oda
sıcaklığında NTC’nin üzerinde yazılı değeri okumanız gerekiyor. Daha sonra mum veya benzeri bir araç ile ısıttığınızda
direnci azalıyor ise NTC sağlamdır. Bunun dışında bir durum gerçekleşiyor ise NTC arızalıdır.
Termistör(NTC) ile Röle Sürülerek Lamba Yakılması Uygulaması
Rölenin kapalı kontağı üzerinden çalışan motorun ısısı zamanla yükselince NTC nin direnci azalır ve Transistör ve Tristör
iletken olur.Bu durumda röle enerjilenir ve motoru durdurup ikaz lambasını yakar.Motor soğuyunca b butonu ile devre
normal çalışma moduna döndürülür.
Termistör(PTC) ile Isı Alarm Devresi
Ortamın ısısı normal olduğu sürece led yanmayacaktır.Ortamın ısısı yükselince PTC deki direnç yükselmesinden dolayı
transistör ve Tristör iletime geçerek ikaz ledinin yanmasını sağlar.
Yarı İletken Isı Sensörü (Lm35)
Sıcaklığın gözlenmesi ve kontrolü endüstri için (özellikle gıda sektöründe) çok önemlidir. Elektronik termometreler ,
termistörler ve hareketli sensör uçları ile zor ulaşılan bölgelerde kullanılmayabilir.Bunun yanında termistörler ucuz ve
kolay kullanımı yanında ısı değişimi karşısında lineer değişim sergilemediği için daha profesyonel uygulamalarda
yanıltıcı olabilir.Bu tür uygulamalarda yarı iletken ısı sensörleri kullanılır.
LM35 entegresi
LM35 yarı iletken bir ısı sensörüdür.Küçük hassas bir sıcaklık ölçümü için LM35 sıcaklık sensörü kullanılması daha
uygundur.
LM35 serisi sensörlerin çıkış gerilimleri sıcaklık ile orantılı olarak değişir.Ölçüm aralığı -55 ile 150 derce arasındadır.Her
bir derece için çıkış voltajı 10 mV artar.Hassasiyeti yarım derece düzeyindedir.4 ile 30 volt arasında çalışabilir.
Yandaki devrede LM35 sensörünün çıkış gerilimi rölenin
kontaklarını çekecek değere ulaştığında lambanın
yandığını gözlemleriz.
LM35 sensörünün çıkış voltajı, trimpot ile ayarlanan referans sıcaklığa denk gelen gerilim değerinden büyükse buzzer
uyarı yapacaktır.Bu devrede kullanılan LM324 entegresi bir opamptır ve gerilim değerlerini karşılaştırmak için
kullanılmıştır.
TERMOLEMANLAR (THERMOCOUPLE, ISIL ÇİFTLER)
Elektriksel sıcaklık ölçme yöntemlerinden en çok kullanılanıdır. Isıl ciftin çalışma prensibi SEEBECK etkisi
olarak bilinen termoelektriksel olaya dayanır. Seebeck’ e göre farklı malzemelerden yapılmış iki iletken veya
yarı iletkenin uçları birleştirilir ve elde edilen uçlar farklı sıcaklıklara maruz bırakılırsa uçlar arasında bir termik
gerilim (elektromotor kuvvet,emk) meydana gelir. Bunun nedeni sıcak kaynaktan soğuk kaynağa doğru hareket
eden elektronların doğurduğu elektromotor kuvvettir. Elektron akısına zıt yönde oluşan bu kuvvete “seebeck
elektromotor kuvveti”, olaya “Seebeck Termoelektriksel Olayı” ve bu şekilde oluşturulmuş devreye de “Isıl
Çift (Termoeleman,Termocouple) Devresi” denir.
Voltaj sıcaklığın ve metal tiplerine bağlıdır. Düşük Sıcaklık farklarında, değişim lineer, büyük sıcaklık
farklarında değişim lineer değildir.
Termoeleman ile yapılan ölçmelerde, referans noktasının sıcaklığı termistör veya direnç termometresi gibi bir
eleman yardımıyla da tespit edilir. Bu elemanlarla belirlenen referans noktasının sıcaklık değeri, bilgisyar
yardımıyla istenen sıcaklık doğrudan doğruya bulunabilir. Bilgisyar yazılım dengelemeli ( software
compensation) adı verilen bu yöntem ile referans noktası sıcaklığındaki değişimlerin ölçmeler üzerindeki etkisi
yok edilmiş olur. Referans noktasındaki problemleri ortadan kaldıran software ve hardware yöntemleri
birbirleri ile şöyle karşılaştırılabilir. Software yöntemi her çeşit termoelemana kolayca uygulanabilir, fakat
sıcaklık bulunuşu için daha fazla işlem gerekir. Hardware yöntemi ile hızlı olmasına karşılık her bir
termoeleman cinsi için ayrı kart gerektirir.
Seri bağlama (termopil): Sistemdeki emk
artırılarak hassasiyet artırılır.
Paralel bağlama: Ortalama
ISIL IŞINIM İLE SICAKLIK ÖLÇÜMÜ (PİROMETRE)
Pratikte pirometre olarak adlandırılan bu temassız tip sıcaklık ölçerler, cisimlerden yayılan ısıl ışınımın
tespitine dayanır. İki çeşit vardır. Toplam ışınım pirometresi, optik pirometre.
Toplam Işınım Pirometresi: Sıcaklığı ölçülecek cisimden yayılan ısıl ışınım enerjisinin tamamının, ölçme
cihazı içindeki sıcaklığı ölçülecek cisimden daha soğuk bir yüzey üzerinde düşürülür ve cihaz içindeki bu
yüzeyin sıcaklık değişimi ölçülür.
Optik Pirometre: Sıcaklığı ölçülecek cisimlerden yayuılan ışınımın görünür dalga boyunun değişimi ölçülür.
Sıcaklığı ölçülecek cisimlerin yaydığı ışınımla, elektrikle ısıtılmış lamba filameninin karşılaştırılması
prensibine dayanır. Filamente verilen akım şiddeti değiştirilerek sıcaklığı ölçülecek cisimle filamenin aynı
renge getirilmesi sağlanır. Filamenden geçen akım sıcaklığa göre kalibre edilip, cihaz üzerindeki
miliampermetrenin ölçtüğü değer sıcaklık olarak kabul edilir.
KIZIL ÖTESİ IŞIN KAMERALARI (Infrared Termografi)
Isıl ışınım esaslarına dayanır. Temassız bir şekilde cismin yüzeyindeki sıcaklık dağılımı ölçülebilir.
Işınım yayma sıcaklık ile değişir. Değişik sıcaklıklardaki ısıl ışınım yayma katsayısı yüzeylerde farklı renklerde
olur. Renk değişimine göre sıcaklık tespit edilir.
Doğada bulunan her cisim bir enerji yayar. Görünür ışık en iyi bilinen elektromanyetik enerji biçimidir.
Cisimlere bakıldığında, kırmızıdan mora değişen renk tayfı görülür. Bu renkler arasındaki temel fark dalga
boyudur. Doğada bulunan tüm varlıklar sahip oldukları sıcaklığa bağlı olarak farklı dalga boylarında yoğunluk
değişimi gösteren termal radyasyon olarak da adlandırılan elektromanyetik enerji yayarlar. Kırmızı rengin
hemen üzerinde başlayan kızılötesi band içinde termal görüntüleme yapılan iki dalga boyu aralığı mevcuttur.
Bunlar sırası ile "Orta Kızılötesi" ve "Uzak Kızılötesi" bantlarıdır. Tüm nesnelerin termal radyasyon yayma
özelliği dışında başka kaynaklardan gelen enerjiyi soğurma özelliğinin de olduğu bilinmektedir. Gündüz güneş
tarafından ısıtılan nesnelerin sahip oldukları termal enerjiyi gece boyunca çevrelerine yaymaları buna örnek
olarak verilebilir. Yayılan enerjinin hangi dalga boyunda yoğunlaştığı ve yayılan toplam enerji miktarı nesnenin
sıcaklığına bağlıdır. İnsan vücudu ve çevremizde karşılaştığımız bir çok nesne 30ºC civarında bir sıcaklığa
sahiptir. Bu nesnelerden yayılan enerjinin önemli kısmı uzak kızılötesi bandında yer almaktadır.
SIVI KRİSTAL SICAKLIK ÖLÇERLER
Tabiattaki bazı organik maddeler, katı, sıvı ve gaz fazından başka katı ve sıvı özelliklerine aynı anda sahip
olduğu bir başka fa durumuna sahiptirler. Bu faz durumu sıvı kristal faz durumudur.
Sıvı Kristali Nedir ?
Yapı olarak katı özellikleri taşırlar fakat görünüş olarak sıvıdırlar. Bu yapılar Sıvı Kristaller olarak adlandırılır.
Moleküllerinin diziliş biçimlerine göre hareket ederler. Bu moleküller 3 farklı şekilde dizilirler.
1- SMETIC :Moleküller yatay olduğu kadar dikey bir hat üzerinde sıralanmıştır.
2- NEMATIC: Moleküller sadece dikey bir hatta sıralanmıştır.
3. CHOLESTERIC: Nematic tipindeki sıralanış her tabaka için yatay fakat yönleri dikey yöne doğru atlayarak
spiral olarak sıralanmışlardır.
Endüstride kullanılan birçok ticari yağlar ve hayvan vücudundaki protein ve yağlar sıvı kristal durumundadır.
Sıvı kristallerin renkleri, kırmızıdan mora kadar değişmektedir. Sıcaklıkla Renk değişimi tersinir bir işlemdir.
Sıvı kristaller kullanılarak, sıcaklık ölçülmesi ve görüntü elde edilmesinde kullanılmaktadır. Sıvı kristal
sıcaklığı ölçülecek cisim üzerine sürülerek gözlenmesi ve fotoğrafı alınabilir. Teknikte sıvı kiristal cisim
üzerine sürülür ve cisim üzerindeki sıcaklık dağılımı görünür hale gelir. Dış etkilerden korumak için sıvı
kristalin üzeri polivinil alkol ile kaplanır. Sıvı kristalli ikinci tip sıcaklık ölçerlerde cisimlerden yayılan kızıl
ötesi ışınlar, sıvı kristal ile temasta olan ve kızıl ötesi ışınları absorbe eden bir levha üzerine düşürülür. Sıvı
kristal kısmının gözlenmesi ile sıcaklık bölgeleri rahatça izlenebilir.
ŞEKİL DEĞİŞİMİ İLE SICAKLIK DEĞİŞİMİ
Seger sıcaklık ölçerleri olarak da adlandırılır. Çeşitli malzeme karışımlarından hazırlanmış bazı geometrik
şekillerin belirli sıcaklılarda şekillerinin bozulmasına dayanır. Özellikle toprak (seramik) sanayisindeki, pişirme
fırınları içindeki sıcaklıkların ölçülmesinde, termoeleman, pirometre yerine seger koni veya pirmaidleri yaygın
olarak kullanılır. Ölçme hassasiyetleri fazla olmamasına rağmen bu tip sanayiler için yeterlidir.
KUVARZ KRİSTAL TERMOMETRESİ
Sıcaklık değişimi ile kuvarz kristalin rezonans frekansındaki değişimin ölçülmesi prensibine dayanır, çok
hassas ( 0.001 oC ) termometrelerdir.
RENK DEĞİŞİMİ İLE SICAKLIK ÖLÇÜMÜ
Çeşitli madeni tuzların belirli sıcaklıklarda renk değişimlerinden yararlanarak bu değişimlerinden yararlanarak
bu değişim noktalarına karşı gelen değerlerde sıcaklık ölçmek mümkündür. Sıcaklık ölçerler, yapışkan şerit
olarak bulunur. Bu tür sıcaklık ölçerler tek kullanımlıktır. Ekonomiktirler, elektronik devrelere, elektrik
motorlarına, uçak motorları üzerine, hassas ilaç üzerlerine uygulanırlar. Kullanma, taşıma ve depolama
esnasında elemanlardaki aşırı ısınma tespit edilebilir veya bu elemanın hangi bir anda sıcaklık nedeniyle zarara
uğradığı tespit edilir.
BASINÇ ve ÖLÇME YÖNTEMLERİ
Basınç (Pressure): Katı, Sıvı ve Gazlar ağırlıkları nedeniyle bulundukları yüzeye bir kuvvet uygularlar.
Kuvvetin kaynağı ne olursa olsun birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvete basınç(P), bütün yüzeye dik olarak
etki eden kuvvete de Basınç kuvveti(F) denir.
Kısaca Birim alana etki eden kuvvettir. P = F / A
SI Birimi: [Pa] (Pascal) = [N/m2]
Basınç, mutlak basınç, efektif (gösterge, etkin) basınç ve vakum basıncı olarak ifade edilir. İçinde yaşadığımız
atmosferde hali hazırda mevcut olan bir atmosfer basıncı vardır. Bu basınç, atmosfere açık olan gaz ve sıvı
sistemlerine tesir eder. Dolayısıyla atmosfere açık sistemlerde basınç gerçek basınç değildir. Buna bir de
atmosferin yaptığı basıncı eklemek gerekir. Bu toplam basınca mutlak basınç denir. Diğer taraftan atmosferin
basıncını gözönüne almayıp, içinde yaşadığımız çevrenin basıncını sıfır kabul ettiğimiz zaman bulunan basınca
ise efektif basınç adı verilir. Bir noktadaki gerçek basınç mutlak basınçtır. Mutlak basınç, atmosfer basıncı ile
efektif basıncın toplamına eşittir.
Pmutlak = Patm + Pgösterge,
Vakum basıncı ise atmosfer basıncının altındaki basınçlardır. Bu durumda,
Pmutlak=Patm‐Pvakum
BASINÇ BİRİMLERİ
N/m2., Pascal, kiloPascal, kPa, bar, Kgf/cm2, psi, mSS, mmHgS, Atm
1 atm = 101325 Pa = 101.325 kPa = 1.01325 bar
1 atm = 14.696 psi
1 atm = 760 mmHg
1 bar = 100000 Pa = 100 kPa
1 Torr = 1 mmHg = 133.322 Pa = 1333.22 microbar
1 microbar = 0.1 Pa
Basınç ölçümlerine nerelerde ihtiyaç duyarız?
• Basınç üreten cihazlarda (Güç üreten makinalar, türbinler vb. güç tüketen makinalar kompresör, pompa)
• Pnömatik yada hidrolik olan mekanik elemanlarda
• Biomadikal uygulamalarda (Kan basıncı gibi)
• Boru ve tünellerdeki basınç kayıpları
• Atmosfer şartlarında (hava tahmini, yükseklik)
• Akım hızlarının dolaylı ölçümlerinde
• Basınçlı kaplarda
• Ve daha bunun gibi birçok yerde
Transdüser nedir?
• Farklı enerjiler arasında dönüşümler yapan elemanlardır ya da bir fiziksel işareti başka bir fiziksel işarete
dönüştürürler.
• Elektriksel olmayan işaretler elektriksel işaretlere dönüştürülerek ölçülürler
• Transducer çıkışında; ışık, mekanik, termal, elektrik, magnetik, ve kimyasal gibi fiziksel enerji büyüklükleri
elde edilebilir.
• Temel olarak iki çeşit transducer vardır: Aktif(generator) ve pasif(parametrik).
• Aktif dönüştürücüler: Elektromagnetik, piezoelektrik, termoelektrik, fotoelektrik vb. Olabilir.
• Pasif dönüştürücüler: Rezistif, endüktif, kapasitif yada frekans
• Elektriksel olmayan büyüklüklerin ölçümlerinde temaslı ve temassız ölçümler yapılabilir.
Basınç Transduceri Tipleri
Sıvı sütunlu manometreler
• Elastik tüpler, diyaframlar, membranlar (Bunlar deplasman yada gerilme algılayıcı tipinde olabilir)
• Yarı iletken elemanlar (ön yüklemeli elemanlar)
• Piezoelektrik elemanlar (kristal kafes şeklindeki gerilmeleri direk olarak voltaja çevirir)
Manometre: Gaz veya sıvı akışkanların basıncını ölçmek için kullanılan alettir.
Barometre: Atmosfer basıncını ölçen alettir.
Basınç Ölçme Cihazları
Mekanik Basınç Ölçme Cihazları:
Akışkanlı Manometreler
Ölü ağırlık Test Cihazı
Bourdan Tüplü Basınç Ölçme Cihazları
Diyaframlı ve Tüplü Basınç Ölçme Cihazları
Bridgman cihazı
Sıvı Sütunlu Manometreler
en basit tipten manometreler olup, özellikle laboratuarlarda sürekli rejimde akışkan basınçlarının ölçülmesi için
yaygın olarak kullanılırlar.Bunlara örnek olarak U tipi, kuyu tipi ve eğik manometreler sayılabilir.İçlerine
konulan uygun sıvıların yüksekliklerinin ölçülmesi ile doğrudan doğruya istenen basınç veya basınç farklılıkları
bulunabilir.
Kuyu tipi manometre
“U borusu” manometre
U şeklinde kıvrılmış cam veya plastik gibi şeffaf bir boru içinde yaklaşık orta seviyelerine kadar uygun bir
akışkan konulsun. Bu manometrenin iki koluna farklı P1 ve P2 basınçları uygulanacak olursa, manometre
kollarındaki sıvı yükseklikleri farklı seviyelerde dengede kalır. Bu seviyeler arasındaki toplam fark h,basıncı
ileten akışkanın yoğunluğu pf , manometrede kullanılan sıvının yoğunluğu pm ve yerçekimi ivmesi g ise, iki
koldaki basınçların dengesi için
P2+ghpm =P1 + ghpf
veya basınç farı için
P1 – P2 =hg(pm‐pf)
eşitlikleri yazılabilir. Diğer taraftan, eğer basıncı ileten akışkan hava ise, havanın yoğunluğunun manometre
sıvısı yoğunluğu yanında çok küçük olması nedeniyle , böyle durumlarda
P1 – P2 =hgpm
Yaklaşık bağıntısı da kullanılabilir.
U tipi manometrelerde h yüksekliği çıplak gözle _+ 2mm hassasiyetle ölçülebilir.Manometrelerde çoğunlukla
kullanılan saf su ve cıva gibi akışkanların yoğunlukları, tablolardan genellikle %0.005 hassasiyetle bulunabilir.
Görüldüğü gibi, manometre sıvısının yoğunluğunun ölçme hatası üzerine etkisi çok küçüktür. Bu nedenle U tipi
manometrelerin hassasiyetini arttırmak için sıvı yüksekliğinin mümkün olduğu kadar hassasiyetle ölçülmesi
gerekir.
Mikro Manometreler
Sıvı seviyeli manometrelerde sıvı seviyelerinin hassas bir şekilde okunabilmesi için,bunlara mikrometre ve
optik elemanlar ilave
Çan Tipi Manometre
Bu tip manometrenin prensipleri, sıvı içinde yüzen bir çanın basınç farkı nedeniyle yükselip alçalmasının
ölçülmesine dayanmaktadır. Bunlarda çan, doğrudan doğruya manometre sıvısı içinde yüzebildiği gibi, sisteme
bir yay ilave edilebilir.
Bourdan Tüplü Basınç Ölçer
1kPa-10GPa arası ölçüm yapar,
0-100atm.
%5 belirsizlik
%0.5 doğruluk.
Diyafram tip manometre
Körüklü Baasınçölçerler
Diyaframlı cihazlarda kullanılır. Büyük yer değişimi ölçümlerinde ve kütle ile ilgili dinamik ölçmeye uygun
değil.
Bridgman Cihazı
Ölü Ağırlık Test Cihazı
Sıvı basıncı bilinen bir ağırlıkla dengelemek için kullanılan cihaz. Basınç ölçme cihazlarının statik kalibrasyonu için
kullanılır.
Vakum Ölçme Cihazları
Vakum birimi Torr, 1 torr=1mmHg=133Pa
Düşük Vakum 760-25 torr
Orta Vakum
25-10^-3 torr
Yüksek Vakum
10^-3 --10^-6 torr
Çok Yüksek Vakum 10^-6—10^-9 torr
UltraYüksek Vakum P<10^-9 torr
Vakum Ölçme Cihazları:
*McLeod Basınç Ölçer
*Pirani, ısıl iletimli Basınç Ölçer
*Knudsen Basınç Ölçer
*İyonizasyonlu Basınç Ölçer
*Alphatron Basınç Ölçer
McLeod Basınç Ölçer
Hareketli hazneye sahip değiştirilmiş civa manometresi vardır. 10^-2 ile
10^2 um Sıkışan gazların yğunlaşmasına karşı duyarlıdır. Kuru gazlar
için kullanılır. Kullanılması zor, ağırdır. Daha çok diğer vakum ölçerlerin
kalibrasyonu için kullanılır.
Pirani, ısıl iletimli Basınç Ölçer
Knudsen Basınç Ölçer
İyonizasyonlu Basınç Ölçer
Piezolektrik etki
Bir piezoelektrik disk deformasyona uğradığı zaman bir voltaj üretir.
Piezoelektrik Mekanik sıkıştırma neticesi voltaj üreten; voltaj tatbik edildiğinde mekanik titreşim elde edilen bazı kristal
ve seramiklere has özellik. Mekanik enerjiden voltaj üretimine piezo olayı; voltajdan
mekanik titreşim üretimine de ters piezo olayı denir. Bu prensip Basınç ölçme sensörü olarak kullanılır.
Baryum titanat, kurşun zirkonat titanat ve potasyum sodyum niobat gibi bazı seramikler de piezoelektrik olayı meydana
getirecek özelliktedir.
BASINÇ SENSÖRLERİ
Her türlü fiziki kuvvet ve basınç değişimini algılayan ve bu değişimi elektriksel sinyale çeviren elemanlara basınç sensörü
denir. Basınç sensörleri, çalışma prensibine göre dört grupta incelenebilir.
1. Kapasitif basınç ölçme sensörleri
2. Strain gage (şekil değişikliği) sensörler
3. Load cell (yük hücresi) basınç sensörleri
4. Piezoelektrik özellikli basınç ölçme sensörleri
AKIŞ ÖLÇÜMLERİ
Akış ölçümleri neden gereklidir?
Akış hız ve debisinin ölçülmesi bir çok biyolojik, meteorolojik olayların incelenmesi, endüstrinin çeşitli işlemlerinde ve
laboratuarlardaki çeşitli deneylerin gerçekleştirilmesinde için çok önemlidir.
� İklimlendirme sistemlerinde akış/hız kontrolu yapılmaktadır.
� Su, doğalgaz, LPG, Benzin gibi ürünleri ölçümünde debi ölçümü yapılmaktadır.
Kütlesel debi ölçme düzeni
� Belirli bir zaman aralığında akan akışkanın kütlesinin tartılarak tespiti
en basit ve en hassas yöntemdir.
� Atmosferik şartlarda buharlaşmayan sıvılar için oldukça kolay bir
yöntem olmasına rağmen buharlaşabilen sıvı ve gazlar için bu yöntemi
kullanırken özel önlem alınmalıdır.
Hacimsel debi ölçme düzeni
� Belirli bir zaman aralığında akan akışkan, hacmi
belirlenebilen bir kapta toplanarak veya hacmi belirli bir
kaptan, belirli zaman aralığında bu akışkanın kullanılması
ile hacimsel debi bulunur.
� Hacimsel debi ölçümü, kütlesel debi dışında pratikte
kullanılan diğer bir yöntemdir.
Kapalı Kanallarda debi ölçme
� Kapalı kanal akışlarında kullanılan pek çok akış ölçer vardır. Bu cihazlar genellikle "pozitif yerdeğiştirmeli hız ve kütle
ölçerler" "diferansiyel basınç ölçerler" olarak sınıflandırılabilirler.
� Pozitif yerdeğiştirmeli ölçerlerde ise temel prensip, yerdeğiştiren akışkan hacmini ölçmektir. Ölçerin toplam devir
sayısı, geçen toplam hacmin ölçülmesini sağlar.
� Diferansiyel basınç ölçerlerde cihaz üzerinde iki farklı kesitte basınç farkı ölçülerek hidrodinamik teori yardımıyla debi
hesaplanır.
Pozitif yer değiştirme yöntemleri
1. Döner diskli akış ölçer
2. Paletli akış ölçer
3. Loplu akış ölçer
Kapalı Kanallarda debi ölçme yöntemi
� Kapalı kanallarda kesit daralması oluşturularak, akışta meydana gelen basınç farkının ölçülmesi ile akışkanın debisi
ölçülür. Pratikte bu prensiple çalışan,
� Venturi
� Orifis
� Lüle
En fazla bu yöntemler kullanılır. Kesit daralması olan kesitin Hızı, basınç farkı bulunarak hesaplanır.Elde edilen hız,
Süreklilik denkleminde yerine Konularak debi bulunur.
Venturi
Lüle
Orifis
Merkez kaç etki ile debi ölçümü
� Eğrisel bir kanal içinde akan akışkanlarda, merkezkaç kuvvetin etkisi ile kanalın içkısmı ile dış kısmı arasında farklı
hız nedeniyle bir basınç farkı oluşur. Ölçülen basınç farkı yardımıyla kanal içindeki debi tespit edilir.
� Lüle, diyafram ve venturimetre gibi cihazların montajının zor olduğu ve sıvı akışkanlarda tercih edilir.
Vorteks üreten debi ölçer: Akışı bozan köşeli cisim, akışta avortex oluşturur. Oluşan vortexin
Frekansı akış hızı veya debisi ile doğru orantılıdır.
Manyetik akış ölçer
Manyetik alanda akan elektriksel bir akışkan gözönüne
alınsın. Faraday kanununa manyetik alanda hareketli bir
iletken üzerinde elektriksel gerilim oluşur. Oluşan gerilim
akışkan hızı ile orantılıdır.
Haznesi ısıtılmış termometre ile hız ölçümü: Haznesi ısıtılmış termometre ile ısıtılmamış termometre arasındaki sıcaklık
farkı ve Termometreye verilen ısı gücü yardımı ile akışkan hızı ölçülür. Akışkan hızı artıkça
Küre ile akışkan arasındaki sıcaklık farkı azalır.
KONUM ÖLÇÜMÜ
Konum ölçümünün uygulama alanının fazla olması, diğer büyüklüklerin (örneğin basınç, sıcaklık, gerilme, ağırlık gibi.)
yer değiştirme hareketine dönüştürülerek dolaylı olarak ölçülmesinden kaynaklanır.
Konumu ölçülen küte, doğrusal bir eksende hareket edebileceği gibi açısal harekete de sahip olabilir. Her iki hareket
türüne (doğrusal ve açısal) özel konum ölçen transdüserler bulunmasının yanında bu hareketler, cıvata, kremayer, pinyon
dişli çark ve benzeri mekanizmalarla birbirine rahatça dönüştürülebilir. Bu sayede uygulamalarda ve tasarımlarda
kısıtlamaya maruz kalmaksızın istenilen transdüser kullanılabilir.
Açısal ve doğrusal mekanik hareketlerin birbirine dönüşümü
Konum ölçümü genel olarak Mutlak ve Artımlı olmak üzere iki grup altında incelenebilir. Mutlak konum ölçümünde,
kütlenin referans noktasına olan mesafesi ek işlem gerektirmeden her an ölçülebilecek durumdadır. Artımlı konum
ölçümünde ise kütlenin konumu referans noktasına göre her an ölçülemez, ancak kütle referans noktasına ulaştıktan sonra
tekrar eski konumuna döndüğünde ölçüm gerçekleşir. Her iki tip ölçme için farklı yöntem ve sensörler kullanılmaktadır.
Bu çalışmada incelenecek olan sensörlerin listesi Mutlak ve Artımlı grupları altında Tablo 1’de verilmiştir.
Mutlak ölçüm yapan transdüserler
Artımlı ölçüm yapan transdüserler
Potansiyometre
Yaklaşım Sensörleri
LVDT
Sınırlayıcılar
Endüktif Sensör
Artımsal Ölçme
Kapasitif Sensör
Senkrolar
Kodlayıcılar
1. Potansiyometre
Potansiyometre, konum ölçümünde kullanılan en basit transdüserdir. Mutlak konumu ölçer, yani konum bağlı olduğu
sistemin konumunu her an gösterebilir. Potansiyometrelerin hem açısal hem doğrusal tipleri, açısal ve doğrusal konum
ölçülmesi gereken sistemlere direkt bağlanabilirler.
Potansiyometrenin çalışma prensibi, uçlarına uygulanan gerilimi, sürgünün konumunu ile orantılı olarak bölmesidir.
Alınan bu gerilim filtre ve yükselteçlerden geçirilerek gösterge veya kontrol devrelerine yer değiştirme sinyali olarak
ulaştırılır. Gerilim olarak elde edilen yer değiştirme miktarı şu şekilde bulunur;
Potansiyometre devresi ve çıkış eğrisi
Çift Polariteli Potansiyometre
Bu tip potansiyometreler iki çıkışa sahiptir ve bu iki çıkış ucundan alınan gerilim potansiyometrenin konumuna göre
farklı polaritede olabilirler. potansiyometre üç girişe sahiptir ve iki sınır girişler birleştirilerek kaynağın bir ucuna, diğer
giriş ise kaynağın diğer ucuna bağlanır. İki sürgü çıkışı birbirlerine mekaniksel olarak bağlı olup eşzamanlı hareket
ederler. Sürgü potansiyometrenin orta noktasında iken çıkış uçlarından 0 V okunur.
Sinüs - Cosinüs Potansiyometre
Bu tür potansiyometreler, yer değiştirme hareketine karşılık çıkışında sinüs veya kosinüs fonksiyonlarını üretirler.
2. Doğrusal Değişkenli Diferansiyel Transformatör - LVDT
Doğrusal Değişkenli Diferansiyel Transformatör
Küçük yer değiştirme hareketlerinin ölçülmesinde en çok kullanılan transdüserdir. Bir primer ve iki adet sekonder sargısı
olan, manyetik nüvesi hareketli bir transformatördür. Burada yer değiştirme hareketi ölçülecek kütle manyetik nüveye
mekanik olarak bağlanır. Sekonder sargıları ise gerilimleri birbirini yok edecek şekilde seri bağlanarak birer uçları çıkış
olarak kullanılmaktadır. Nüve, Her iki sargının tam ortasında iken her iki sekonder sargısında endüklenen emk eşit olur ve
çıkıştan 0 V okunur. Nüvenin hareket ettirildiği yöne bağlı olarak çıkışta, primer sargı ile aynı veya ters fazda, nüve
mesafesiyle orantılı gerilim elde edilir.
Çıkıştan alınan bu AC sinyal bir faz duyarlı doğrultucu ile DC sinyale dönüştürülerek kontrol veya gösterge cihazına
aktarılır. LVDT, tüm birimleri birbirinden elektriksel ve mekaniksel olarak yalıtılmış olduğundan bir sürtünme söz
konusu değildir ve çalışma ömürlerini kısıtlayıcı bir etken yoktur. Her türlü ortamda kulllanılabilir. 0.1 mm’ den 500
mm’ ye kadar yer değiştirme ölçebilirler. Çalışması çok kararlıdır. Şekil 8’de açısal ve doğrusal LVDT’ ler
görülmektedir.
3. Endüktif Sensörler
Bu tür sensörler, bir bobinin endüktansının, nüvenin manyetik geçirgenliği ile değişmesi esasına dayanır. Eğer nüvenin
manyetik geçirgenliği değiştirilirse bobinin endüktansında orantılı olarak değişir.
Nüve, Konumu ölçülecek kütleye mekanik olarak bağlanır. Manyetik nüvenin çeşitli tipleri şekil 9’da görülmektedir. Yer
değiştirme hareketi ile birlikte nüve, bobin göbeğinde hareket ederek göbeğin manyetik geçirgenliğini değiştirir. Bununla
beraber bobinin endüktansı da değişir. Bu değişim gözlenerek yer değiştirme miktarı ölçülür. Bu sensör, yaklaşım
(proximity) sensörlerinin temelini oluşturur.
4. Kapasitif Sensörler
Kapasitif sensörlerin temel çalışma prensibi, kapasiteyi oluşturan metal levhaların alanı, birbirine olan uzaklığı veya
dielektrik malzemenin katsayısıyla kondansatörün kapasitesinin değişmesidir.
plakalar arasındaki malzemenin dielektrik katsayısı, d plakalar
arasındaki mesafedir. Buna göre kapasite, plakaların alanı ve dielektrik malzemenin katsayısı ile doğru, plakalar arası
mesafe ile ters orantılı olacaktır. Kapasitenin değişimi için bu üç bileşenden birini değiştirmek yeterlidir Değişken
kondansatör ile yapılan ölçümlerde yer değiştirme hareketine karşılık kapasitenin değişimi küçüktür ve doğrusal bir
değişim elde edilemez. Bu nedenle kapasite değişiminin gözlenmesi amacıyla özel yöntemler kullanılır. Bunun yanında
diferansiyel değişen kapasitif sensörler daha yaygın kullanılır. Şekil 11’de de görüldüğü gibi bu tip sensörlerde yer
değiştirme hareketi ile bir taraftaki kapasite artarken diğer taraftaki kapasite düşmektedir.
5. Senkrolar
Senkroların temel çalışma prensibi, sekonderi hareketli bir transformatörde, sekonder sargının primer sargıya göre açısal
konumunun, sekonder sargıda endüklenen gerilimin değerini etkilemesidir.
Senkrolar, uzak bir mesafeden yer değiştirmenin okunması gerektiği hallerde yaygın olarak kullanılır. Verici ve Alıcı
olarak iki bileşenden oluşur. Verici kısmı doğrudan yer değiştirmesi ölçülecek kütleye bağlanır. Senkrolar açısal çalıştığı
için açısal ölçüm yapılacak yere direkt bağlanabilirken doğrusal hareketler için mekanik dönüştürücüler kullanmak
gerekmektedir. Senkroların alıcı kısmı ise, verici senkroya elektriksel olarak bağlanarak buradan aldığı açısal hareketi
kendi miline uygular. Bu sisteme selsin linki adı da verilmektedir. Senkroların milleri arasında 1:1 oran vardır ve verici
ise alıcı senkro, arasındaki bir mekanik bağlantıyı simüle eder. Verici ve alıcı senkro çiftinin açık devre şeması şekil 13’te
görülmektedir.
Şekil 13 – Senkro verici – alıcı çifti
Bir elektrik motorunu andıran senkrolarda verici ve alıcı senkronun elektriksel yapısı aynı olup, sadece alıcı senkro eğer
sadece gösterge olarak kullanılıyorsa, daha hassas yataklama ve salınımı sönümleyen ek donanımlara sahiptir. Bağlantısı
şekil 13’teki gibi yapılan bir sekro çiftinin rotor kısmında bulunan sargılarına 110VAC 50 ~400Hz gerilim uygulanır.
Verici senkronun mili dışarıdan uygulanan bir kuvvetle herhangi pozisyona sabitlendiğinde S1, S2 ve S3 terminallerinde,
rotor açısına bağlı, farklı gerilimler endüklenir. Verici senkroya elektriksel olarak bağlı alıcı senkronun stator sargıları da
verici senkrodan gelen gerilimle, verici senkronun manyetik alanıyla eş bir manyetik alan oluşturur. Verici rotoru ile eş
fazlı olan alıcı rotoru, bu manyetik alandan dolayı konumunu verici senkronun rotor konumuyla eşitlemek ister. Rotor,
verici senkro rotoru ile eş pozisyona gelene kadar döner ve aynı pozisyona geldiğinde durur. Verici senkronun milinde
meydana gelen açısal bir değişim aynen alıcı senkronun mil
Senkrolar sisteme entegre edildiklerinde sıfırlama işlemine ihtiyaç duyarlar. Bu işlem, mekaniksel veya elektriksel
yöntemlerle gerçekleştirilebilir. Mekaniksel yöntem, senkronun gövdesiyle döndürülerek sıfırlama yapılması ve gövdenin
sabitlenmesi. Elektriksel yöntem ise verici ve alıcı senkrolar arasındaki elektriksel bağlantıların değiştirilmesi ile
yapılabilir.
5.1 Diferansiyel Senkrolar
Diferansiyel senkrolar ise, girişine uygulanan sinyali, çıkışa, ayarlanan açı farkı ile verirler. Senkrolardan farkı, üç fazlı
sargı yapısına sahip olmasıdır. Bir diferansiyel senkronun yapısı şekil 14’te görülmektedir.
Diferansiyel senkronun yapısı
Diferansiyel senkronun, üç giriş ve üç çıkış ucu vardır. Giriş uçlarına, verici senkrodan gelen uçlar bağlanır. Çıkış uçları
ise alıcı senkroya bağlanır. Rotor açısının değiştirilmesiyle giriş ile çıkış uçları arasındaki faz farkı ayarlanır. Mekanik
sıfırlama işleminin yerine çoğunlukla bir diferansiyel senkro tercih edilir.
6. Kodlayıcılar
Kodlayıcılar, açısal veya doğrusal yer değiştirme sonucundaki konumu ikili kodlar ile dış ortama verebilen elemanlardır.
Tüm diğer yer değiştirme sensörlerinden farkı, belirli bir çözünürlüğe sahip dijital çıkış vermeleridir. Bu nedenle bağlı
olduğu kütlenin konumunu kesin olarak belirtirler ve elektriksel olarak bir hata söz konusu değildir. Mikrokontrolör
tabanlı uygulamalarda kullanılır. Farklı uygulamaların gerektirdiği farklı çözünürlükteki kodlayıcılar bulunabilir. Şekil
16’da kodlayıcıların kullandığı açısal ve doğrusal kodlama kartları görülmektedir.
Bu kodlama kartları, optik sistemle paralel olarak okunarak fotosellerden bilgi dış ortama aktarılır. Şekildeki kartlarda 6
bitlik kodlama örneği verilmiştir. Bu kodlama ile 64
aktarma olanağı vardır.
7. Yaklaşım Sensörleri ve Sınırlayıcılar
Tek bir mekanik anahtar veya yaklaşım sensöründen ibaret olan bu sistemler konum ölçmekten ziyade bir kütlenin
konumunun istenilen bir noktada olup olmadığını belirlemek amacıyla kullanılırlar. Daha çok sınır anahtarları olarak
bilinir. Bu iş mekanik bir anahtar veya yaklaşım sensörü ile yapılabilir. Genellikle sistem üzerindeki hareketli parçaların
gidebileceği maksimum konumunu algılamak ve hareketli parçanın bu konumdan daha ileriye gitmesini engellemek
amacıyla kullanılırlar. Bu sensörler devreyi yasaklayabilir, stop sinyali üretebilir veya start sinyali üretecek şekilde
kullanılabilir. Örneğin buzdolabının kapağı açıldığında otomatik yanan ışık, kapının kapalı olduğu durumu algılayan bir
anahtar tarafından kontrol edilir. Burada önemli olan kapının kapalı olup olmamasıdır. Kapı açık olduğunda hangi
konumda olduğunun önemi yoktur. Bu tip sistemlerin uygulama alanı çok fazladır.
8. Artımsal Ölçme
Sistemin basitliği ve maliyetinin düşük olması nedeniyle bu yöntemde oldukça yaygın bir kullanım alanına sahiptir.
Artımsal konum ölçmenin temel prensibi, belirlenmiş mesafe başına üretilen darbelerin sayılması esasına dayanır. Artımlı
konum ölçmenin en büyük dezavantajı, enerji kesilmesinden sonra konumu gösterememesidir. Bu nedenle bu tür
sistemlerde daima bir referans noktasına göre sıfırlama işlemi uygulanır. Ayrıca bu sistemler oluşabilecek bir hatanın
katlanarak artmasına yatkındır. Özellikle çok hareketli ve harmoniklerin olduğu yerlerde mekanik veya elektronik olarak
meydana gelebilecek hatalara karşı sıfırlama işlemi büyük önem taşır.
Artımlı konum ölçmeler için kullanılan kodlayıcıların yapıları da basittir. En basit kodlayıcı sadece bir mekanik anahtar
veya yaklaşım sensöründen oluşabilir. Fakat bu tip kodlayıcıların çözünürlükleri kötüdür ve hata yapma olasılıkları daha
yüksektir. Bu nedenle daha hassas ölçüm gerektiren yerlerde, bir ışık kaynağı ile fotosel arasından geçirilen hareketli bir
ızgaradan faydalanılır. Buradaki sorun ise, çözünürlük yükseldikçe ızgara boşlukları daralır ve fotoselin algılama çapının
da oldukça düşük olmasını gerektirir. Belirli çözünürlüklere kadar bu uygulanabilse de istenilen çözünürlükte sağlıklı ve
sorunsuz çalışabilen Moire çerçeveleri kullanılır. Moire çerçeveri, bir sabit ve bir hareketli ızgaradan oluşur ve
ızgaralardan birinin boşlukları eğik bir şekilde açılmıştır. Bu sayede küçük fotosellere gerek kalmadan yeterli
çözünürlüklere ulaşılabilir. Şekil 18’de Moire çerçeveleri ve çalışma şekli görülmektedir.
Bu tür kodlayıcılarda çözünürlük, ızgara üzerindeki boşluk & dolgu sayısına bağlıdır. Sık, ve dolayısıyla çok sayıda
boşluk içeren bir ızgaranın çözünürlüğü de yüksek olacaktır. Doğrusal konum ölçmelerinde, ölçülecek hareket mesafesi
boyunca ızgaranın hareketi sağlanmalıdır. Aynı yöntem açısal konum ölçmeler için de rahatlıkla uygulanabilir. Bu
durumda bir dik üzerine kanallar açılarak aynı doğrusal ızgarada olduğu gibi ışık kaynağı ve fotosel yardımıyla dönme
hareketinin ürettiği darbeler sayılabilir.
Yukarıda görülen doğrusal ve açısal artımlı konum ölçme sistemlerinde darbe çıkışı yer değiştirme hareketiyle orantılı
olsa da hareketin yönü ile ilgili bir bilgi vermez. Eğer sistemdeki bir mekanik aksaklıktan dolayı hareketin bir yönde
ilerlerken geriye doğru bir salınım yapması, bu hareketin de ileriye doğru yapılmış bir yer değiştirme gibi algılanmasına
neden olacaktır. Bu nedenle endüstride kullanılan kodlayıcılar, darbe çıkışlarının yön bilgisini de ihtiva edecek şekilde
dizayn edilirler.
Optik Yarıklı Levha (Gratings)
Pek çok çizgi içeren grating bir skopla ölçülebilir ve çizgiler basitçe sayılabilir fakat bu biraz fazla zaman alıcı olabilir ne
yazık ki işlemcinin otomatikleştirilmesi kolay değildir. Grating ölçüm sistemleri, biri sabit (scala grating) ve diğeri ilkinin
üstünde hareket edebilen (index grating) şekil 9 'deki gibi iki özdeş eşit-işaret / gratings kullanarak problemi çözer. Index
grating hareket ettikçe ayrık çizgilerin gözlenmek zorunda olduğu cetveldeki durumun tersine, pek çok çizgiyi kaplayarak
bütün alan aydınlık yada karanlık gider öyle ki geniş bir fotosel kullanılabilir. Tek çizgilerdeki hataların otomatik olarak
ortalama dışına alınması bunun ek avantajıdır. Bu sistemler aslında aralarında küçük bir açı olan iki gratings kullanır. Bu,
Moire saçağı olarak bilinen geometrik bir desen üretir. Bu desenlerin incelenmesi olayın daha iyi anlaşılabilmesi
açısından önemlidir.
Bir sayma sistemini besleyen tek bir fotosel ile hareket yönü gösterilemez. Bu çoğunlukla, bir çizgi aralığının bir çeyreği
kadar aralarında mesafe bulunan iki çizgi kümesi içeren iki fazlı index kullanılarak çözülür.
Hem çevirme hem de dönme için geniş oldukça ucuz gratingler mevcuttur. Ölçüm doğruluğu aslında çizgiler arasındaki
boşluğa (aralamaya) bağlı olup, bu aslında, verilen bir konumda geçirilen ışık oranını bulmayı ve çakışma durumunda
maksimum geçirmeyi gerektirir, fakat gerçekte bir dizi karşılaştırıcılar ve bir faz dönüştürücü tekniği ile yapılır.
3.2 Optik Transducerlerin Kostrüksiyonu
Optik transducerslerin çoğu fotoğrafik olarak üretilir, incremental kodlayıcılar için oyularak çıkartılabilse de ana ( veya
örnek ) kodlayıcılar ve gratings makinaları ile üretilir ki bu da daha pahalıdır. Bununla beraber , mikrobilgisayarların
varlığı bir grafik çizici üstünde örnek üreterek doğru cihazlar üretmeyi nispeten kolaylaştırır. 1 mm 'den daha iyi, etkin bir
kararlılıkla bir mikroişlemcinin grafik çizici yolu ile A4 boyutunda grating çizmek için programlamak kolaydır ve bu,
gerekli boyuta sonradan fotoğrafik olarak indirgene bilir. Incremental kodlayıcılar ve radyal gratings kolaylıkla
üretilebilirken Gray kodu ise biraz zorlukla üretilebilir.
Foto Direnç
Optik Transduser gurubuna giren foto dirençlere daha yaygın olarak LDR (Light Dependet Resistance) denir. Ortamdaki
ışık şiddetine karşı direnç değerinde değişim gösterir.
1.1.1. Foto Direnç Nedir
Direnç değeri aydınlıkta azalan , karanlıkta ise artan elemana foto direnç denir.Tam aydınlıkta (üzerine güneş ışığı
düşüyorken) direnç değeri 5-10 Ω değerine kadar düşerken (nerdeyse tam iletken durumu) tam karanlıkta 200 MΩ gibi
yüksek direnç gösterir. Bu özelliği sayesinde ışık değişimi ile kontrol edilmek istenilen tüm devrelerde kullanabilir.
Özellikle gece lambaları ve sokak lambalarında kullanılmaktadır.
1.1.2. Yapısı ve Çalışması
Kalsiyum sülfat ve kadmiyum selenid gibi bazı maddeler üzerlerine düşen ışık ile ters orantılı olarak direnç değişimi
gösterir.Bu tür maddeler yalıtkan bir taban üzerine yerleştirilir ve içinde ince sarmallar halinde iletken bir tel geçirilir
(çoğunlukla olarak bakır).Bu iletkenin iki ucu dışarıya çıkartılarak elemanın ayakları teşkil edilir.Son olarak elemanın
yüzeyi saydam bir madde ile kaplanır, böylece ışık geçirirken dayanımı artırılmış olur. LDR’nin üzerine ışık düştüğünde
kalsiyum sülfat veya kadmiyum selenid gibi ışığa hassas maddelerin son yörünge elektronları serbest hale geçer ve
direncin düşmesini sağlar.Işık şiddetine bağlı olarak serbest elektron sayısı artacağından direnç de aynı oranla düşme
gözlemlenir.Işık şiddeti azalırsa yukarda anlatılan işlem tersine dönecek ve dirençte yükselme olacaktır.
LDR’nin yapısı ve sembolü
Foto Direnç ile Röle Sürülmesi
Şekil 1.4: Foto direnç ile röle sürülmesi
Şekilde LDR kontrollü lamba yakma devresi görülmektedir. Bu devre LDR’nin bağlanış şekline göre üzerine ışık geldiği
zaman çalışmaktadır. 10K’ lak trimpot ile gelen ışığın şiddeti ayarlanabilir.LDR üzerine ışık düşmediği zaman direnci
yüksektir. T1 transistörünün beyz polarması 10K’ lık trimpot üzerinden negatif potansiyelde tutulur, dolayısı ile bu
transistör kesimdedir. T2 transistörü, 2,2K’ lak direnç üzerinden pozitif beyz polarması alır ve iletimdedir. T3 transistörü
ise, T2 iletimde olduğu için beyz polarması alamaz, yalıtkandır.LDR, üzerine ışık geldiği anda direnci düşer ve T1
transistörüne pozitif polarma sağlar. T1 iletime geçer, T2’yi kesime götürür. Bu anda T3’te iletime geçerek röle
kontaklarını çeker.Ve bağlı bulunan cihazı çalıştırır. LDR ile 10K’ lak trimpotun yerleri değiştirilirse devrenin çalışması
tersine döner ve devre, ışık yok iken çalışır.
LDR ile Aydınlık Seviyesi Ölçümü
LDR ile aydınlık seviyesi ölçümü
LDR'ye seri bağlı potansiyometre ise ince ayar yapmak için devreye eklenmiştir. Devredeki transistör bir çeşit anahtar
vazifesi görmektedir. Transitörlerin beyz gerilimi ve akımı kolektör ve emitör akımlarından bağımsızdır (aslında tam
olarak değildir fakat pratikte bu şekilde kabul edilebilir). Beyz-emitör gerilimi (Vbe) belirli seviyeye ulaşınca kolektörden
emitöre bir akım akmaya başlar, aksi durumda transistör açık devredir. Devremizde karanlık seviyesi arttığında LDR
üzerine düşen gerilim artacaktır. Bu gerilim kolektörden emitöre akım akması için gereken Vbe gerilimine ulaştığında led
üzerinden akım toprağa akabilecek ve led yanacaktır.
Sağlamlık Kontrolü
Avometrenizi Ohm kademesine getiriniz. Foto direnci avometrenize bağladıktan sonra üzerine bir el feneri yardımı ile
ışık tuttuğunuzda direncinin azaldığını, üzerine bir kalem kapağı veya benzeri bir nesne ile kararttığınızda ise direncin
arttığını gözlemlemeniz gerekiyor. Eğer direnç değişimi anlatıldığı şekilde oluşuyorsa LDR sağlam, farklı bir şekilde
ise arızalıdır.
Fotodiyot Optik Transduser gurubuna giren fotodiyotlar ortamdaki ışık şiddetine karşı direnç değerinde değişim gösterir
Ortamdaki ışık şiddetine bağlı olarak iletime geçen elemanlardır.
1.2.1. Fotodiyot Nedir
Şekil 1.6: Yapısı ve çalışması
Üzerine düşen ışık şiddeti arttığında ters yön sızıntı akın değeri artan elemana fotodiyot denir. Fotodiyotlar ışık etkisi ile
katottan anoda doğru akım geçirirler. Germanyum veya silisyumdan üretilebilir ama genellikle germanyum fotodiyotlar
ışığa karşı daha duyarlı olmasına karşın karanlıkta sızıntı akımı daha fazla olduğu için pek tercih edilmez. Fotodiyot
televizyon veya müzik setlerinin kumanda alıcılarında yaygın olarak kullanılır.
Yapısı ve Çalışması
Fotodiyotlar n-p yarı iletken birleşimli silisyum veya germanyum diyot olup ışığın jonksiyon birleşim yüzeyine
odaklanmasını sağlayan bir merceğe sahiptir.Fotodiyotlar ışık etkisi ile ters yönde iletken olan diyotlardır. Ters polarma
altında kullanılır. Doğru polarmada normal diyotlar gibi çalışır, ters polarmada ise N ve P maddelerinin birleşim yüzeyine
ışık düşene kadar yalıtkandır. Birleşim yüzeyine düşen ışık ile serbest elektron sayısı hızla artarak ters yön akımının aşırı
sayılabilecek değerlere ulaşmasını sağlar ve diyotun iç direnci azalır.Bu durum sonucunda diyot iletken olur.
Fotodiyot ile Röle Sürülmesi
Fotodiyot ile röle sürülmesi
Fotodiyotun üzerine ışık düşünce direnci ve buna bağlı olarak da gerilimi azalır.Bu durumda yeterince beyz polarması
alamayan T1 ve T2 transistörleri yalıtkan olur.Beyz polarması alan T3 transistörü ise iletime geçer.T3 transistörü iletime
geçince kolektörüne bağlı olan D2 zener diyotuna gelen akım azalır ve bezy polarması kesilen T4 transistörü
kesime geçer.Bu durumda röle bobinin uçlarındaki gerilim kesileceğinde röle kontakları konum değiştirir.
Sağlamlık Kontrolü
Avometrenizi Ohm kademesine getiriniz. Fotodiyotu avometre çıkış polaritesine ters olarak bağladıktan sonra üzerine bir
el feneri yardımı ile ışık tuttuğunuzda direncinin azaldığını ve üzerini bir kalem kapağı veya benzeri bir nesne ile
kararttığınızda direncin arttığını gözlemlememiz gerekiyor. Eğer direnç değişimi anlatıldığı şekilde oluyorsa, fotodiyot
sağlamdır.
Fototransistör
Optik Transduser gurubuna giren foto transistörler, elektrik akımını ışık ile kontrol eden devre elemanlarıdır.
1.3.1. fototransistör Nedir?
Üzerine ışık düştüğünde kolektör-emiter uçları arasındaki direnç değeri azalan elemandır.Genellikle bir yükün ışık ile
kontrol edilmesinde anahtarlama elemanı olarak kullanılır.Fototransistorler normal transistorler gibi PNP veya NPN
olarak üretilebilirler.
1.3.2. Yapısı ve Çalışması
Fototransistorlerin yapısı Şekil 1.8 de görülmektedir.Fototransistorlerin p-n jonksiyonlarının arasına bir mercek yardımı
ile ışık odaklanır ve bu sayede oluşan serbest elektronlar ile transistorün tetiklenmesi sağlanır. Fototransistorlerin
yapımında ışığa karşı duyarlılığı artırmak amacı ile galyum arsenid gibi ışığa duyarlı maddeler
kullanılır.Fototransistorlerin beyz ile kolektör uçları aslında bir fotodiyottan oluşmaktadır. Bazı fototransistorlerde beyz
ucu kullanılmasa da bir ayak olarak çıkartılmıştır.
Foto transistörlerde üzerine düşen ışık sayesinde beyz ile kolektör arasında bulunan fotodiyot iletime geçer ve bunun
sonucu olarak kolektör-emiter arasındaki direnç azalır ve böylece transistör iletime geçer.Ancak iletimi sağlayan akım
çok küçük olduğu için birçok yükü süremez.Bundan dolayı doğrudan yükü sürmek yerine yükü süren bir transistorü
tetiklemek için kullanılırlar.
Fototransistör ile Röle Sürülmesi
Fototransistor ile röle üzerinden yük kontrolü
Şekil 1.10 da verilen devrede fototransistorün üzerine ışık düşdüğünde iletime geçmesi ile BC237 transistörü beyz
polarması alır.Beyz polarması alan transistör ise röleyi sürerek yükün çalışmasına olanak verir.
Opto İzolatör (Optokuplör)
Optoizolatör Nedir
Optoizolatör kelime anlamı olarak optik kuplaj anlamına geliyor. Kuplaj bir sistem içindeki iki katın birbirinden ayrılması
ama aralarındaki sinyal iletişiminin devam etmesi olayıdır. Ayrılma fiziksel olarak gerçekleşir ama iletişim manyetik veya
optik olarak devam eder. Bu durumun faydası, katlardan birinde olan fazla akım, yüksek gerilim gibi olumsuz, sisteme
zarar verecek etkilerden diğer katları korumaktır. Optoizolatörler daha çok, iki ayrı özellikli devre arasında elektriksel
bağlantı olmadan, ışık yoluyla irtibat kurulmasını sağlayan devrelerde kullanılır. Şöyle ki düşük gerilimle çalışan bir
devreyle yüksek gerilimli bir güç devresine Optoizolatör aracılığıyla kumanda edilebilir. Optoizolatörler 2000 ile 5000
voltluk gerilimlere dayanıklı olduğundan en hassas kontrol sistemlerinde güvenle kullanılır.
görüldüğü gibi bir adet LED tam karşısına milimetrik olarak yerleştirilmiş bir fototransistörden oluşmuştur. LED yandığı
zaman transistör iletime geçer. LED sönük ise transistör yalıtımdadır.Optoizolatörler de ışık yayan eleman olarak "LED",
"Enfraruj LED" kullanılırken ışık algılayıcı olarak "fotodiyot", "fototransistör", "fototristör", "fototriyak" vb. gibi
elemanlar kullanılır. Devrenin birinci katından gelen sinyal ile optik eleman ışıma yapar ve devrenin ikinci katmanına
bağlı olan transduserin tetiklenmesini sağlar.
Optoizolatör ile Röle Sürülmesi
Optoizolatör ile röle sürülmesi
Şekil 1.13’te verilen devre ile K anahtarı kapandığında triyak sürücüsü kullanılmış optoizolatörün iletime geçerek röleye
bağlı olan yükü çalıştırması gözlemlenir.
Optoizolatör-–Fototransistör ile D.C Motora Kontrolü
Şekil 1.14’ te verilen devrede A1ve A2 anahtarı kapatıldığı zaman (TIL) optoizolatör çıkış verir. (T1) transistorün
beyzine (-) negatif sinyal gelir. (T1) transistorü iletime geçer.(T2) beyzine (+) sinyal geleceğinden , (T2) iletime geçer ve
motor çalışır.
Şekil 1.14’ te verilen devrede A1ve A2 anahtarı kapatıldığı zaman (TIL) optoizolatör çıkış verir. (T1) transistorün
beyzine (-) negatif sinyal gelir. (T1) transistorü iletime geçer.(T2) beyzine (+) sinyal geleceğinden , (T2) iletime geçer ve
motor çalışır.
Sağlamlık Kontrolü
Uygulamadaki optik izolatörler yukarıdaki şekildeki gibi entegre kılıf içindedir. Bir optikizolatörün sağlamlığı kontrol
edilmek istenirse öncelikle o optikizolatörün katalogunu ve iç bağlantı şemasını bulmak gerekir. Daha sonra içerisindeki
LED diyotu doğru polarma ederek, fototransistorün iletken olup olmadığını multimetre ile kontrol ederiz.
WHEATSTONE KÖPRÜSÜ
Wheatstone Köprüsü: Strain gage indikatörleri genellikle, Wheatstone köprü devresi formunda elektriksel olarak bağlı
dört strain gage elemanı şeklinde kullanılır (Şekil 2). Wheatstone köprüsü, statik veya dinamik elektriksel direnç ölçmek
R x ölçülmek istenen dirençtir; R1 , R2 ve R3 direnci bilinen
rezistanslardır ve R2 direnci ayarlanabilir. Eğer bilinen iki koldaki iki direncin oranı ( R2 R1 ) bilinmeyen iki koldaki
V
R R
direncin oranına ( x 3 ) eşitse, o zaman iki orta nokta (B ve D) arasındaki voltaj sıfır olacaktır ve g
galvanometresinden hiç akım geçmeyecektir. Bu koşula ulaşana kadar R2 değişir. Bu noktaya ulaşıldığında, kesinlik en
için kullanılan bir köprü devresidir. Şekil 2’deki devrede,
R
R
üst seviyeye ulaşır. Bu yüzden, eğer R1 , R2 ve 3 yüksek kesinlikli olarak biliniyorsa, o zaman x ’de yüksek kesinlikle
ölçülebilir.
Rx
direncindeki çok küçük değişiklikler bile dengeyi bozar ve kolaylıkla saptanır.
Şekil 2.
Rx
strain gage’li tipik Wheatstone köprü diyagramı
Strain gage Wheatstone köprüsü genellikle, sabit rezistans sayısına karşılık aktif strain gage elemanı saysına bakılarak
tanımlanır. Çeşitli yaygın konfigürasyonlar ve bunlar arasındaki ilişki Tablo 1’de belirtilmiştir.
Tablo 1. Wheatstone Köprüsü
Köprü Tipi
Aktif Rezistans
Elemanları
Çeyrek Köprü
(Quarter Bridge)
R1
Yarım Köprü
R1 , R3
Hassasiyet
Sabitleme
Rezistansları
R 2 , R3 , R 4
R2 , R4
Genel Uygulamalar
Kullanımı daha kolaydır. Malzeme
karşılaştırması gerektirir.
İstenmeyen ısıl etkilerin veya eğilme
(Half Bridge)
Tam Köprü
(Full Bridge)
etkilerinin iptal edileceği durumlar.
R1 , R2 , R3 , R4
-
Arttırılmış hassasiyet.
Şekil 3. Örnek bir Wheatstone köprü bağlantısı
Elastisite Modülü (E): Malzemenin dayanımının (mukavemetinin) ölçüsüdür. Birim uzama ile normal gerilme (çekme ya
da basma gerilmesi) arasındaki doğrusal ilişkinin bir sonucu olup birim uzama başına gerilme olarak tanımlanır. Birim
uzama ile normal gerilme (çekme ya da basma gerilmesi) arasındaki doğrusal ilişki şöyle tanımlanabilir:
E


Malzemeye kuvvet uygulandığında, malzemede meydana gelen uzamalar elastik sınırlar içinde gerilmelerle orantılıdır.
Buna “Hooke Kanunu” adı verilmektedir. Elastisite modülü malzemeye ait karakteristik bir özelliktir.
Poisson Oranı (υ): Malzemedeki enine birim deformasyonun boyuna birim deformasyona oranı “Poisson oranı” olarak
ifade edilmektedir.

2
 1 olup burada;  2 , enine birim deformasyon ve  1 ise boyuna birim deformasyon olarak adlandırılmaktadır.
Gerilme Yığılma Katsayısı (k): Eksenel kuvvet uygulanan çubukta delik ve/veya çentik varsa aşağıdaki özellikler
bilinmelidir;
a) Çentik ve/veya deliğin olduğu kesitte artık gerilme, üniform yayılmaz. Çentik dibinde maksimum değerini alır,
uzaklaştıkça azalır.
b) Çentik ve/veya delik olan bölge etrafında üç eksenli gerilme meydana gelir.
Çentik ve/veya delik dibindeki maksimum gerilmelerin üniform gerilmeye oranı “Gerilme Yığılma Katsayısı” (k) olarak
tanımlanır. Pratikte en çok 1,5–3,2 arasında yer değişmektedir.
 1 ,  2 ve  3 delik veya çentik etrafındaki gerilmeler ve  4 malzeme üzerindeki üniform gerilmek olmak üzere, delik
veya çentik etrafındaki gerilme yığılma katsayıları;
k1 

1

k2  2
k3  3
 4 ve
 4 şeklinde bulunmaktadır.
4 ,