Endüstriyel Metal Detektörler Industrial Metal Detektors

Endüstriyel Metal Detektörler
Industrial Metal Detektors
Eren BAŞARAN
Elektronik Yüksek Mühendisi (İ.T.Ü.)
Boğazköy-Girne
e-posta adresi : [email protected]
1.ÖZETÇE:
Bu makalemde bellibaşlı endüstriyel metal
detektörlerin çalışma ilkelerine değinilmiştir.Endüstriyel
Metal Detektörlerin temel teknolojilerinden
bahsedilmiştir. VLF denen Çok Düşük Frekans
teknolojisine değinilmiştir.
PI Pulse Induction teknolojisine
değinilmiştir.Ayrıca, BFO Vuru Frekansı Teknoloji
açıklanmıştır.Bu yazıda uygulamadaki sistemlerden
örnekler verilmiştir.Bu örnekleri verirken EMO Bilim
dergisini okuyanların bu sistemleri gerçekleştirmek
isteyeceği düşünülmüştür.Bu nedenle bazı kritik
durumlarda belirli değerde bobin hesaplanması örneği
verilmiştir. Amatörlerin bu tür sistemleri nasıl
gerçekleştirebileceği hususuna da değinilmiştir.Yazımızı
daha canlı kılabilmek için, yazımız uygulamadan
fotoğraflarla desteklenmiştir ki okuyucu olup bitenleri
daha kolay anlayabilecektir.
2.ÖNDEYİŞLER :
İstanbul Teknik Üniversitesinde 1966 yıllarında
İ.T.Ü.Makine Fakültesi çatısı altında bir <<Otomatik
Kontrol Labaratuvarı>> kurma çalışmalarının sonuna
gelinmişti. O zamanlar İ.T.Ü. Rektörü merhum
Ord.Prof.Dr. Bedri KARAFAKIOĞLU idi.Yeniliklere
çok açık, çok değerli bir bilim insanı idi. İ.T.Ü.Makine
Fakültesinden hocamız Prof.Dr.Nimet ÖZDAŞ da bu
labaratuvarın kuruluması için uğraşıyordu. İ.T.Ü.
Elektrik Fakültesi Kuvvetli Akım hocalarından
Prof.Dr.Münir ÜLGÜR hocamız 1954 yılındanberi
Otomatik Kontrolla ilgili dersler veriyordu. 1967
yazında, İ.T.Ü. Otomatik Kontrol Labaratuvarında ilk
kez açılan <<Otomatik Kontrol Teori ve Uygulaması
>>isimli Yaz Kursuna katılmıştım : 10 Ekim 1967 ile 18
Ekim 1967 tarihlerinde 9 gün süren bir kurs idi ve
Otomatik Kontrol Labaratuvarını görmek imkanım oldu.
Kursun sonunda başarılı bir katılım belgesi almaya hak
kazandım . Belgemde her üç hocamın da imzası vardır.
Proportional Control, Derivative Control ve Integral
Control terimlerini ilk kez bu kursta duymuştum ve çok
ilgimi çekmişti.
1995 yılında bahar döneminde Yakın Doğu
Üniversitesinde bilgisayar bölümü ve elektrik-elektronik
mühendisliği öğrencilerine yarı-zamanlı öğretim
görevlisi olarak <<Otomatik Kontrol Teorisi>> ve
<<Lineer Kontrol Teorisi>> derslerini verdim. Dersimi
ilginç kılabilmek için endüstrideki otomatik kontrol
sistemlerinden örnekler de veriyordum. O zaman henüz
daha bilgisayara hakim değildim. Gerek şekilleri ve
gerekse sınav sorularını elde yazıyordum. Şimdi, yer
sorunumuz olmasa 1995deki bu ilginç sınav sorularımı
ASLI gibi elde yaptığım çizimlerle buraya alacaktım. ..
Bu makaleyi hazırlarken büyük Fizikçi ve
büyük Matematikçi ve integrallerin bulucusu Sir Isaac
NEWTON’un ilginç bir sözüne rastladım. Bize bu sözü
1958 yılında Lise’de çok değerli ve sevdiğimiz Biyoloji
ve Jeoloji hocamız merhum Reşat EBEOĞLU
anlatırdı.Kendisi, o kadar güzel ders anlatırdı ki
kendisini can kulağıyla dinlerdik. Çok güzel de ders notu
tuttururdu.O zamanki Biyoloji defterimi el’an
saklıyorum... Hocamız, Sir Isaac NEWTON’un bu
deyişini bize çok güzel bir şekilde Türkçe’ye çevirir ve
anlatırdı .Kendisini masaya dirseklerimizi koyarak
sessizce hayran hayran dinlerdik. Bu sözü nostaljik bir
değeri de olduğu için, çevirisini yapmadan buraya
alıyorum:
<< I do not know what I may appear to the
world, but to myself I seem to have been only a boy
playing on the seashore, and diverting myself in now
and then finding a smoother pebble or a prettier shell
than ordinary, while the great ocean of truth lay all
undiscovered before me. >> Sir Isaac NEWTON
3. ENDÜSTRİYEL METAL
DETEKTÖRLERE GİRİŞ
Endüstriyel metal detektörler; ferro ve ferroolmayan metaller ile paslanmaz çelik metali kirliliğine
karşı maksimum koruma sağlamaktadır. Endüstriyel
metal detektörler çok çeşitli uygulamalarda
kullanılmaktadır. Kullanıldığı tipik alanlar ; gıda, süt
ürünleri, farmakotikal ( ilaç ve hap üretiminde) , kağıt,
plastik, medikal ( tıp ), kozmetik, tekstil ve kimya
sanayinde kullanılmaktadır. Endüstriyel metal
detektörler, fabrikalarda seri üretimde bant akışında
ekipmanların hasara uğramasını önlemede büyük oranda
başarılı olmuşlardır. Bu endüstriyel metal detektörler ;
ayni zamanda paketlere sarılmış silahların ve insanlar
üzerindeki silahların algılanmasında da çok yararlı
olmaktadırlar.
Farklı tiplerdeki metal detektörler, su-altı metal
detektörü, hava-meydanı metal detektörü, arasından-yürü
( walk-through) metal detektörü , ve elde-tutulan metal
detektörü piyasalarda mevcuttur.
Su-altı metal detektörleri su altındaki metal cisimlerin
yerlerini belirlemekte çok yaygın olarak
kullanılmaktadır. Arasından-yürü tipi metal detektörleri
güvenlik denetleme noktalarında, saklı silahları
algılamaktadırlar. Tüm insan vücudunda metalik cisim
olup olmadığını kontrol edebilmektedir. Elde-tutulan
metal detektörler metallik tarama uygulamalarında ideal
bir çözüm olmaktadır. Bunlar daha ziyade, okullar, havameydanları, hapishaneler, mahkemeler ve gümrükler gibi
sıkı güvenlik sorunu olan bölgelerde kullanılacağı
gözönüne alınarak tasarımları ve üretimleri ona göre
yapılmıştır. Bu metal detektörler, minyatür cisimlerin
yerlerinin kesin olarak belirlenmesine yardımcı
olmaktadırlar. Bir hava-meydanı metal detektörü,
silahların algılanmasında da çok yararlıdır. Şekil 1’de
EMOBİLİM
61
tipik bir endüstriyel metal detektör devresi
görülmektedir.Alarm aygıtı, sesli veya görsel uyarı
vermektedir. İtme aygıtı, bandı döndüren düzendir.
Endüstriyel metal detektörlerde, yapacakları
işleve göre farklı özellikler aranmaktadır. Elde-tutulan
metal detektörlerin ağırlıkları hafiftir, radyasyondan
etkilenmezler, ve sezginlikleri ( İng. sensitivity )
yüksektir. Çoğu durumlarda çok az bakıma ihtiyaç
gösterirler.Bundan başka, arasından–yürü türü metal
detektörler; operatör arabirimini içermektedir ve / veya
kontrolları, elektromanyetik bağdaşması ( İng.
compatibility), çevresel toleransı , kalite kontrolü ve
güvenirliği de gözetilmektedir.
8.Gıda işlerinde metal detektörler kullanılmaktadır.
9.Baharat işlerinde kullanılmkatadır.
10.Turşu yapım işlerinde kullanılmaktadır.
11.Pastırma, sosis, sucuk ve hamburger üretiminde
kullanılmaktadır.
12.Hava meydanlarında , gümrükler gibi çeşitli yerlerde
güvenlik amacıyla kullanılmaktadır.
13.Deniz-altında metal cisimlerin belirlenmesinde
kullanılmaktadır.
Şekil 3. İşletmelerde Endüstriyel Metal Detektörler çal$şma
halinde görülüyor.
Şekil 1. Tipik Endüstriyel Metal Detektör Sistemi
Endüstriyel metal detektörlerde ; cisimlerin bant
üzerinden geçtiği diktörgen biçimindeki deliğin
boyutları, incelenecek cisimlerin geçişine izin
verebilecek tarzda olmaktadır. Genellikle dikdörtgen
biçimindeki bu deliğin genişliği yaklaşık olarak w=75
mm ila 2750 mm ve yüksekliği de h= 30 mm ila 600
mm arasında olabiliyor. Şekil 2’de tipik endüstriyel
metal detektörün çerçeveli kafa kısmını
göstermektedir. Bu delikli çerçevenin içinde bobinler
vardır.
Şekil 2. Tipik bir Endüstriyel Metal Detektörün temel bileşenleri
4. UYGULAMA ALANLARI
62
Endüstriyel metal detektörlerin bellibaşlı
uygulama alanları şunlardır:
1.Farmakotikal sektörlerde ( ilaç üretimi aşamalarında),
2.Plastik ve lastik endüstrisinde,
3.Kağıt, kereste ve oyuncak endüstrisinde,
4.Tekstil endüstrisinde kullanılmaktadır.
5.Çay üretimi aşamalarında kullanılmaktadır.
6.Ayakkabıların denetlenmesi amacıyla iğne detektörü
olarak kullanılmaktadır.
7.Sabun üretimde kullanılmaktadır.
EMOBİLİM
Şekil 4. Sanayi Tesislerindeki Endüstriyel Metal
Detektörlerin görünümleri.
5. ENDÜSTRİYEL METAL
DETEKTÖR TEKNOLOJİSİ
Metal detektörlerin çok geniş uygulama alanları
vardır. Kara mayınlarının bulunmasından havameydanlarının, ofis binalarının veya okulların güvenliği
amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayni zamanda
evlerin çevresinde kaybolan madeni paraların,
mücevherlerin, anahtarların bulunmasında hayli işe
yaramaktadır. Ayrıca, aranan gaz-hatlarının ve metal
boruların yerinin belirlenmesinde yardımcı olmaktadırlar.
Metal detektörler; arkeolojide eski metalik
eserlerin keşfinde de yardımcı olmaktadırlar. Son
zamanlara kadar bu imtiyazdan, ancak pahalı cihazları
satın alabilen çok az şanslı kişi yararlanabiliyordu.
Elektronik ve teknolojinin gelişmesiyle, bu gibi
cihazların fiyatları makul bir seviyeye inmiştir.
Bugün , pahalı olmayan, yüksek-kaliteli
tüketiciye yönelik metal detektörler dünyanın her
tarafında milyonlarca meraklının ve keşif yapma
tutkusuyla yanıp tutuşanların gizli veya gizlenmiş
hazineleri keşfetmelerini, eğlenmelerini, ve keşfetmenin
heyecanını yaşamalarını sağlamaktadır.
Metal detektör cihazlarının BFO ( Beat
Frequency Oscillator ) , Off-Resonance, VLF ( Very Low
Frequency ) , VLF/TR,TR( Transmit-receive), PI ( Pulse
Induction ), veya RF ( Radio-Frequency or Two-box
detectors ) . gibi birçok farklı teknolojiler
kullanmaktadırlar
Burada ağırlıklı olarak sadece üç temel metal
detektör tipini ele alacağız:
*VLF veya Çok Düşük Frekans (Very Low
Frequency ) teknolojisi :
* PI veya Darbe İndüksiyonu ( Pulse Induction )
teknolojisi
*BFO veya Vuru-frekansı osilatörü ( Beat-frequency
oscillator ) teknolojisi
5.1 VLF Çok Düşük Frekans
Teknolojisi :
VLF (Very Low Frequency ) detektörleri,
bulabilecek metal cisimlerin cinsi ve derinliği ( menzili)
bakımından, birçok işlevi olan metal
detektörlerdir.Bunlar çok düşük frekanslar ( very low
frequencies ) kullanan IB ( Induction Balance)
İndüksiyon Dengesi detektörleridir.Tüm IB ( indüksiyon
dengesi ) tasarımlarında olduğu gibi, VLF detektörü iki
dengeli bobinden oluşmaktadır : Dıştaki bobin; verici
( transmitter) olarak davranır, manyetik alan oluşturmak
için alternatif akımı kullanır ve bu manyetik alan metalik
cisim tarafından bozuntuya uğratılır ve sargının iç
kısmındaki bobin alıcı (receiver) olarak davranır ki bu
alıcı; iletken ( conductive ) cisim tarafından oluşturulan
sekonder manyetik alanı algılamaktadır. Bu manyetik
alan yükseltliyor ( amplifiye ediliyor ) ve işitilebilen bir
ses işaretine dönüştürülüyor. Faz demodülatörleri,
cisimin türlerini ayırt etmeye yardımcı olmaktadır.VLF
metal detektörlerinde osilatör frekanslarının tipik
değerleri 1kHz ile 70kHz arasında değişmektedir.
VLF ( Very Low Frequency ) Çok Düşük
Frekanslı detektörlere indüksiyon dengesi ( induction
balance ) detektörleri adı da verilmektedir. Günümüzde
kullanılan en popüler detektör teknolojisidir. Bir VLF
detektöründe, belirtildiği üzere, iki farklı bobin vardır :
Verici bobini ( Transmitter coil ) – Bu, bobin
halkasının en dışında bulunur ve sargı telleri vardır.
Alıcı bobini ( Receiver coil )- Bu, daha içte
bulunan bir bobindir ve bu bobinde de sargı telleri
vardır. Bu bobin, bir alıcı anten gibi görev yapar. Hedef
cisimden gelen işaretleri toplar ve yükseltir.
Verici antenden geçen akım, elektromanyatik
alan oluşturur.Manyetik alanın polaritesi bobin teline
diktir. Her seferinde akım, doğrultusunu değiştirdikçe,
manyetik alanın polaritesi değişiyor. Bu şu demektir :
Eğer telin bobini zemine ( veya cismin bulunduğu
düzleme) paralel ise, manyetik alanı, sürekli olarak
aşağıya doğru zemine itiyor ve daha sonra oradan
dışarıya doğru geriye çekiyor.Manyetik alan darbeleri,
zeminde ileri ve geri darbeler yaratır ve rastladığı
cisimlerle etkileşime girer.Böylece cisimlerin kendilerine
özgü zayıf manyetik sinyallerini üretmelerine yol açar.
Cismin manyetik polaritesi, verici bobinin manyetik
alanının direkt olarak karşısında olur. Eğer verici
bobininin manyetik alanı aşağıya doğru darbesel ise,
cismin manyetik alanı da darbesel olarak yukarıya doğru
olur. Şekil 5’de . VLF Teknolojisinde antenlerin define
arayıcı metal detektörlerdeki davranışları : Verici anten
tarafından gönderilen ve cisme çarptıktan sonra geri
gelen dalgaların alıcı anten tarafından alınışı görülüyor.
Şekil 5. VLF Teknolojisinde antenlerin define aray$c$ metal
detektörlerdeki dalgalar$n zemine gidiş ve cisme çarpt$ktan
sonra geri gelişleri görülüyor.
Alıcı (receiver ) bobini, verici bobini tarafından
üretilen manyetik alandan etkilenmemesi için tamamen
ekranlanmıştır. Fakat, zemindeki cisimden gelen
manyetik alanlara karşı ekranlanmış değildir.
Dolayısıyla, alıcı bobini bir cisimin üzerinden geçerse ve
manyetik alanı zayıflarsa, bir küçük elektrik akımı
bobininden geçecektir. Bu elektrik akımı, cismin
manyetik alanı ile aynı frekansta osilasyon yapacaktır.
Bu dalgayı bobin, metal detektörün kontrol kutusuna
gönderir ve sensörler bu sinyali analiz ederler. Yani
incelerler.
Metal detektör yaklaşık olarak cismin ne kadar
derinlikte gömülü olduğunu algılar. Bunu algılarken
cismin gönderdiği manyetik alanın şiddeti etkin rol
oynamaktadır. Bir cismin yüzeyi, ne kadar yakın ise, ne
kadar kuvvetli elektrik akımı üretiliyorsa, alıcı bobin
tarafından o kadar kuvvetli manyetik alan algılanır.
Yüzeyin çok altında, manyetik alan daha zayıf olacaktır.
Belirli bir derinliğin ötesinde, yüzeyde cismin manyetik
alanı öylesine zayıf oluyorki alıcı bobin tarafından
algılanamaz oluyor.
VLF metal detektörü farklı metalleri birbirinden
nasıl ayırt edebiliyor ? Bunu yaparken <<faz kayması>>
( phase shifting ) denen olaya dayanmaktadır. Faz
kayması; verici bobinin ( transmitter’s coil ) fekansı
ile hedef cismin frekansı arasındaki zaman
bakımından fark demektir.
Yüksek indüktansı olan bir cisimin faz kayması
daha büyük olacaktır. Çünkü manyetik alanını
değiştirmesi, daha çok zaman almaktadır. Yüksek
dirençli bir elemanın faz kayması daha az olacaktır.
Faz kayması; VLF-tabanlı metal detektörlere
<<ayırt etme>> (İng. discrimination ) denen bir
yetenek vermektedir. Metallerin çoğunun indüktans ve
rezistans değerlerinde, farklılık gösterdiklerine göre, bir
VLF metal detektörü faz kayması miktarını, “faz
demodülatörleri” denen bir çift elektronik devreyi
kullanarak, inceler ve bu faz kaymasını belirli bir metal
cinsi için daha evvel belirlenen ortalaması ile
karşılaştırır. Bilahare, detektör işitilebilir bir odyo tonla
( işitiebilir ses işaretiyle – yani 16Hz ila 16000 Hz
arasındaki ) bir ses işaretiyle, veya görsel belirteçle
( visual indicator ) ile ne tür bir metal cisim olabileceği
hususunda belirti verir. Şekil 6’da VLF Teknolojisinde
antenler cisme doğru yönlendirilerek, dalgaların metalik
cisme çarpıp da geri dönmeleri görülüyor. Burada
EMOBİLİM
63
bobinlerin yönlendirmesi yatay doğrultuda yapılmıştır.
Çoğu metal detektörler; belirli faz-kayması
değeri üzerindeki cisimleri, bir süzme devresinden
geçirerek dışlamaları için olanak vermektedir.
Genellikle, süzülecek olan faz kayması seviyesi elle
ayarlanabilir. Genelde, eşik seviyesini artıran veya
azaltan bir düğme ile ayar yapılabiliyor. VLF metal
detektörlerinin bir başka ayırt etme (İng.
discrimination ) özelliğine çentikleme ( İng. notching)
adı verilir. Esasında, bir çentik; faz kaymasının belirli bir
segmanı ( kısmı) için ayırt edici bir süzgeç ( filtre)
devresidir. Bu kısmın üzerindeki cisimler için, metal
detektör kullanıcısını normaldeki gibi sadece uyarmakla
kalmayacaktır. Fakat aynı zamanda bu segmanın
(kısmın) altındaki cisimler için de uyarmayı yapacaktır.
Gelişkin VLF metal detektörler, çokluçentiklerin kullanıcı tarafından programlanmasına da
izin verir. Örneğin, kola-kutusu kapağı, raptiye, klips
veya küçük çivi ile karşılaştırılabilecek boylardaki
cisimlerin dışlanabilmesi için kullanıcıya ayar olanağı
vermektedir.
Diskriminasyonun ( ayırt etmenin ) ve
çentiklemenin ( notching ) dezavantajı, değerli parçaların
veya cisimlerin de süzülüp dışlanabilineceğidir. Çünkü
bunların faz kayması da hurdaların faz kaymasına
benzemektedir.
Şekil 6. VLF Teknolojisinde verici ve al'c' antenleri, cisme
doğru yönlendirilerek, dalgalar'n cisime çarp'p da geri dönmeleri görülüyor.Burada bobinleri yönlendirme yatay doğrultuda yap'lm'şt'r.
5.2.PI TEKNOLOJİSİ METAL
DETEKTÖRLERİ
Pulse Induction ( PI ) Darbe İndüksiyonu metal
detektörleri yinelenen elektrik akımı darbelerini, arayıcı
bobine göndererek bir manyetik alan üretmiş olurlar.
Bobin yere doğru ( veya silindirik bobinin ekseni
doğrultusunda ) bir darbe gönderir ve hedef cisimde bir
yanıtlayıcı darbe ( pulse ) meydana gelir. Bir örnekleme
devresi ( sampling circuit) darbeyi ölçer ve darbeyi
integral devresine yani integratöre ( integrator )
gönderir ki böylce bir ses sinyali meydana gelmiş olur.
PI metal detektörleri; VLF/TR (Vericili VLF
tiplerin)’den, tuzlu-su sahillerinde ki burada çok az çöp
olan alanlarda veya mineralli topraklarda daha üstün bir
başarım ( performans ) göstermektedir.Çünkü bu tür
metal detektörler, simültane olarak hem iletken tuzları ve
mineralli toprakları aynı anda dışlamaktadırlar.
64 EMOBİLİM
Pulse Indication ( Darbe İndüksiyonlu)
detektörler; yerin derinliklerine gömülü cisimleri
algılayabilmektedirler. Fakat onlar demire hassastırlar
ve farklı mettalleri ayırt etme özellikleri yoktur. Bu
kusur; onların, genellikle yerleşim yerlerinde
kullanımlarını zorlaştırmaktadır.
5.3. BFO ( VURU FREKANSI
OSİLATÖRÜ) TEKNOLOJİSİ
Vuru-frekansı osilatörü ( BFO Beat-frequency
Oscillator ) metal detektörler tiplerinin en küçüğü ve ( en
eskisi ) olup metal detektörlerin nasıl çalıştığını
öğrenmek için iyi bir başlangıç noktasıdır. Temel vurufrekansı ( beat-frequency ) metal detektörleri iki yüksek
frekanslı osilatör kullanmaktadır ve bu ikisi neredeyse
aynı frekansın yakınına akord edilmişlerdir.Birinci
osilatöre arama osilatörü ( search oscillator ) ve diğerine
referans osilatörü (refence oscillator ) adı verilmektedir.
İki osilatörün çıkışları bir mikseri beslemektedir
ki bu mikser toplam ve fark frekansları üretmektedir.Bu
sinyal, harmonikleri yok eden “alçak-geçiren bir filtre
( low-pass filter )” devresine verilmektedir. Her iki
osilatör, aynı frekansa akord edildikleri sürece, çıkışta
herhangibir işaret olmayacaktır.
Arayıcı bobinin manyetik alanını metalik cisim
bozuntuya uğrattığında, arayıcı osilatörün frekansı azıcık
kayar ve detektör; ses frekansı ( odyo frekansı )
bölgesinde bir sinyal üretecektir. Hernekadar bir
zamanlar, BFO’lar ( Vuru-frekansı osilatörü ) popüler
idilerse de artık profesyonel metal detektör üreticileri
bunlardan üretmiyorlar. Bunlar basit olup ucuzdurlar.
Fakat hassasiyetlerinin ( accuracy ) az olduğu öne
sürülmektedir ve modern PI ve VLF detektörlerinin
sağladığı kontrolları sağlamayacağı öne sürülmektedir.
Bunlara diskriminasyon ( discrimination = ayırt edicilik )
gibi yeni özellikler ilave edilmek için uğraşmalar
yapılmıştır ve 1970 yıllarında daha ileri modeller
üretilmiştir. Fakat günümüzde daha gelişmiş teknoloji
ürünleri onların yerlerine geçmiştir.
BFO ( Vuru-frekansı ) metal detektör
tasarımları ucuz elde-tutulan cihazlarda ve düşük
kalitelilerde, oyuncak tipi detektörlerde el’an
kullanılmaktadır.Seçkin ve kaliteli BFO metal
detektörleri ( Vuru-frekanslı detektörleri ) daha ziyade
ticari bakımdan değil de meraklıları ve buna tuıtkusu
olanlar tarafından üretilmektedir.
EMO Bilim dergisi Ağustos 2009 sayısında
sayfa 55-62’de yer alan makalemde verdiğim Colpitts
ve Clapp Osilatörleri ile ilk kez BFO ( VURU
FREKANSI ) TEKNOLOJİSİNİ kullanarak deneysel
olarak metal detektörümüzü gerçekleştirmiştim ki o
osilatörler gayet mükemmel bir şekilde çalışmaktadır ve
uygun eleman değerlerini belirlemem de bu sahada
epeyce okumamı gerektirmiştir ve epeyce de yıllarımı
almıştır.
6. ENDÜSTRİYEL DETEKTÖR
UYGULAMA ALANLARI
Endüstriyel metal detektörlerinn bellibaşlı kullanım
alanlarını da şöyle sıralayabiliriz:
1.Ayakkabıların denetlenmesinde,
2.Gıda işlerinde,
3.Baharat işlerinde,
4.Pastırma işlerinde,
5.Kereste işlerinde,
6.Sabun işlerinde,
7.İlaç üretim işlerinde,
8.Kayıp metallerin aranmasında,
9. Güvenlik gerektiren işlerde, kullanılmaktadır.
Hipersil alaşımı,Supermu alaşımı,Silikon Çeliği, ve
Dökme Çelik gibi...
7. ELEKTRONİK
KARŞILAŞTIRMALI
PROKSİMİTE SİSTEMİ
Buna konum algılayıcısı, veya yaklaşma
(yakınlık ) algılayıcısı, ve sınır anahtarı deniyor.
İngilizce’de bu “elektronik sınır anahtarına” <<
position pick-off, proximity switch, limit switch )
isimleri verilmektedir.
Devrenin çalışması :
Bu bağıntıda µr bobinin içinden veya yanından
geçen cismin manyetik geçirgenliği ( permeabilitesi ) dir.
Her metalin farklı bir manyetik geçirgenliği
vardır.Ferromanyetik malzemelerde, bu geçirgenlik
katsayısı 1 değerinden epeyce büyüktür.Supermu 10
denen metalin manyetik geçirgenliği 10 000 ile 100 000
arasındadır.Supermu 30 adlı metalin manyetik
geçirgenliği 30 000 ile 250 000 arasındadır.
Çelik,bakır,alüminyum,tunç, paslanmaz çelik, fosforlu
tunç, kurşun ve kalay metalik malzemelerdir.
İçinden alternatif akım geçen bir bobinin yanından
veya yakınından bir cisim geçerse bobinin indüktansı
L1 = µr µo Lo bağıntısıyla verilmektedir.
Şekil 7’de gösterilen bir yaklaşma ( proksimite )
, konum belirleyici ve sınır anahtarı ( limit switch )
devresidir.Bu sistem iki katlı transistörlü yükselteç
(amplifikatör ) devresinden oluşmaktadır.Birinci kat
lineer elektronik yükselteç olarak davranmaktadır ve
transistörlü ikinci katın önsaptaması ( polarması )
ayarlanarak detektör katı olarak çalışması
sağlanmaktadır.Yani, Q2 transistöründeki DA ( doğru
akım ) , neredeyse baz ile emetör arasında görülen AA
( alternatif akım ) sinyaliyle doğrusal ( lineer ) olarak
orantılıdır. Şekil 7’de karşılaştırma yöntemine göre
çalışan sistemin blok diyagramı görülüyor.
Şekil 7. Karş laşt rma yöntemine göre çal şan sistemin blok
diyagram yukar da görülüyor.
Diyamanyetik malzemelerde manyetik
geçirgenlik ( permeabilite) µr <1 dir.Paramayetik
malzemelerde µr >1 dir. Ferromanyetik
malzemelerde µr >>1 dir.Başlıca ferromanyetik
malzemele; demir-kobalt alaşımı, heusler alaşımı ( =
% 60 Bakır, %24 Mağnezyum, %16 olarak
Alüminyum ), Nike, Permaalloy ( = Ni %79.5, Fe
%21.5) ; Orthonol ( =Deltamax) ( =Ni %50, Fe %50),
Şekil 8. Demirli cisimleri alg layan endüstriyel metal detektör sistemi
Devrenin çal şmas :
Şekil 8’de demirli cisimleri algılayan
endüstriyel metal detektör sistemi görülmektedir.Bu
devrenin daha değişik bir modeli 1958 yılında
Amerikalı J.R.WALKER tarafından Applying
Transistors, Automation, February 1958’de
yayımlanmıştır.
L1 ve L2 bobinleri; transistörün baz ile emetör
uçları arasında vbe=0 V( sıfır volt ) oluşturabilmek için ,
şekilde görüldüğü gibi ters bağlanmışlardır.Yani, L1 ve
L2 bobinlerinin manyetik alanları zıt yönde
bağlanmışlardır.
L1=L2 olsun diye sarım sayıları eşit alınır. N1 sarım
sayılarıdır. Böylece,
vbe= e1-e2 ve e1=e2 ise vbe=0 V (sıfır volt ) oluyor.
Kullan m Alanlar :
1.Metalik cisimlerin geçişini kumanda ve sayma
devrelerinde belirtici olarak kullanılıyor.
2.Asansör devrelerinde konum belirtici olarak
kullanılmaktadır.
T transformatörünün sekonderinden elde edilen
AA (alternatif akım ) gerilimi, L1 sinyal reaktörüne ( =
demir çekirdekli bobine ) ve L2 referans reaktörüne eşit
miktarda uygulanır.
Bu reaktör sargıların herbirine bağlantılı olarak
sekonder sargı vardır ve herhangibir ferro cisim L1 sinyal
reaktörü yakınında yok ise, bu sekonder sargılarda
oluşan gerilimler ifna olacaktır. Yani yok olacaktır.
Çünkü L1 ve L2 reaktör bobinleri seri ve zıt olarak
( series opposition ) olarak bağlanmışlardır. Bu şartlar
altında, Q1 transistörünün baz ucuna herhangibir sinyal
uygulanmayacaktır. Böylece Q2 transistörünün
kollektöründeki röle devresi enerjilenmeyecektir.Eğer L1
sinyal reaktörünün yakınına bir ferro malzeme getirilirse
bir dengesizlik oluşacaktır ve Q1 transistörüne bir bileşke
AA ( alternatif akım ) uygulanmış olacaktır.Bu sinyal
yükseltiliyor ve ardısıra Q2 transistörüne uygulanıyor.
Burada çıkış akımı kontrol rölesini enerjilendirecektir.
Sonuç olarak görülecektir ki Q1 transistörünün baz
ucunda ki AA ( alternatif akım ) gerilimi L1 sinyal
reaktörü ile demirli cisim arasındaki mesafe ile ters
orantılıdır.
Eğer bu mesafe sabit bir hızda değişirse,
örneğin, zamanla doğrusal ( lineer) olarak değişirse,
sinyal reaktörü gerilimi daha hızlı değişecektir. Bunun
sonucu olarak, Q2 transistörünün baz ucundaki
EMOBİLİM
65
yükseltilmiş ( amplifiye edilmiş ) çıkışın yükselişi,
zamana göre basamak biçiminde olacaktır.DA(D.C.)
kollektör akımı, baz ucundaki giriş ile orantılı
olduğundan bu akım; basamaklı olacaktır.
Kontrol rölesinin yinelenen ( tekrarlanan)
uyarımını sağlayabilmek için demirli cisim ile arasında
belirli bir mesafenin olması gerekiyor. Ayrıca
uzunlamasına da belirli bir değerde olması
gerekmektedir.Eğer sadece demirli cisimler ( ferro
cisimler) algılanacaksa, bu devre yararlı
olmaktadır.Çünkü AA ( alternatif akım ) sinyali olarak
şebeke frekansı 50 Hz kullanılıyor.
Hem demirli ve hem de demirsiz metalik
cisimleri ( hem ferro ve hem de ferro-olmayan ) (İng.
ferrous and non-ferrous materials ) algılamak
sözkonusuysa, yüksek frekanslarda çalışan osiiatörlü bir
devre kullanmak gerekiyor. Boşluğun geçirgenliği (
permeabilitesi )
!" $ %
&'(#
&'(
!Boşluğun dielektrik sabitesi ise şöyle verilmektedir :
$)'
#
*+,,-%)./
./
0'(#
0'(
8. YÜKSEK FREKANSLI
REZONANSLI PROKSİMİTE
SİSTEMİ
Bu devredeki band geçiren filtre devresi 470
kHz lik frekans bandını geçiren bir filtredir. Bu filtre,
tipik radyo alıcıları ara frekans transformatörlerinden
oluşturulabilir.Tam 470 kHz’de minimum çıkış gerilimi
verecektir. Bunu ara-frekans transformatörlerinin
göbeğindeki ferrit çekirdeklerini ayarlayarak
sağlayabiliyoruz. Bu devrede ilk kat 470 kHz lık bir
elektronik osilatör devresidir.Osilatörün osilasyon
frekansı L1 bobini ve değişken havalı kondansatör ile
belirlenmektedir. Osilatör tarafından üretilen yüksek
frekanslı gerilim, transformatörü akortlu (ayarlı ) band
geçiren filtreye aktarılır. Şekil 9’da hareketli metal
parçaları algılayan endüstriyel metal detektör sistemi
gösterilmiştir.Bu devrenin temeli 470kHzlik osilatör
ve 470 kHzlik band geçiren iki filtre devresidir.
Şekil 9’daki demirli cisimleri algılayan
endüstriyel metal detektör sisteminin daha değişik bir
modeli 1958 yılında Amerikalı J.R.WALKER
tarafından Applying Transistors, Automation, February
1958’de yayımlanmıştır.
Şekil 9. Metal parçalar alglayan endüstriyel metal detektör
sistemi
66 EMOBİLİM
Şekil 10. Metalleri algyan 470kHzlik endüstriyel metal detektör sistemi
Radyo frekanslı veya yüksek frekanslı osilatör
devresi, tam 470 kHz’de sinüzoidal dalga üretiyor.Bobin
içinden metal cisim geçince osilatörün osilasyon frekansı
kayıyor.
!"#$%&%'()*+,-)*'$,&,(.(/*-0*12,$,3*4,(5(6
*-0*12,$,3*4,(5(6" 7 8
!"#$%&%'(;,*$*<3-,<(412,3*4,(
*4,( 7=:
(
9:0(
9:0
>?@@A8=BC
A8=BC
D:0(
D:0
Şekil 10’daki devre ; metalleri algıyan
470kHzlik bir endüstriyel metal detektör sistemidir. Q
transistörünü , röle bobininde oluşacak ani ters akımdan
koruyabilmek için, röleye paralel bir D diyodu
konmuştur. Re emetör direnci önsaptama(polarma )
direncidir ve 2kohm mertebelerinde olabilir.Çalışma
frekansında dekuple olması için bu dirence paralel bir Ce
elektrolitik kondansatörü bağlanmıştır ve bunun değeri
50 mikrofarad dolayında olabilir. Q transistörü
470kHz’de çalışabilen bir transistör olmalıdır. Rölenin
iki kontağı vardır. Bir tanesi normalde açık kontak ve
bunu N.A. simgeleriyle gösteriyoruz ve diğeri de
normalde kapalı kontak olup bunu da N.K. simgeleriyle
gösteriyoruz. Böylece röle uyarıldığı – yani
enerjilendiğinde kontakları çalışacaktır. Yani normalde
kapalı olan açılacaktır ve normalde açık olan da
kapanacaktır. Böylece sinyal lambası ışıyacaktır
(yanacaktır ) veya sesli veya görsel bir uyarı verilecektir.
Şekil 11’de sistemdeki rezonans eğrisi gösterilmiştir.
Osilatörün ürettiği tam 470kHz frekansında , devrede
Vo ile gösterilen çıkış gerilimi SIFIR olacaktır.
Rezonans eğrisi üzerinde bu durum görülüyor. Bu
nedenle bu sisteme Yüksek Frekanslı Rezonanslı
Sistem deniyor. Osilasyon frekansı biraz kayarsa, Vo
çıkış gerilimi bir maksimum değerine ulaşabilecektir. Bu
ayarlamaları filtre transformatörlerin göbeğindeki
çekirdeği ( nüveyi) plastik bir tornavida ile döndürerek
yapıyoruz. Çekirdek göbek içinde ileri geri giderek
rezonans frekansını kaydırabiliyor.
Bu 470kHz’lik filtreler radyo alıcıları arafrekans transformatörleridir. Amatörler böyle bir devreyi
gerçekleştirecekse, eski bir radyo alıcısından 470kHzlik
veya 460kHzlik filtre devresini sökebilirler. Colpitts
veya Clapp Osilatörlerini tam 470 kHz’de çalıştırmak
pek bir sorun yaratmaz... Tabii herhangibir şekilde
osilatörün frekansını ölçebilmek gerekir ve yaptığınız
bobinlerin değerlerini de ölçebilmek gerekir.
röle vardır. Rölenin normalde açık ve normalde kapalı
kontağı da vardır.
Şekil 13’de çivili keresteyi algılayan
endüstriyel metal detektör sistemi görülüyor. Şekil 14’de
çerçeveli kafanın deliğinin kesidi görülmektedir.
Görüleceği üzere kereste geçişi için 1 metre çapında bir
delik ayrılmıştır.
Şekil 11. Sistemdeki rezonans eğrisi
Böyle bir devreyi gerçekleştirebilmek için ilk iş olarak
25 mH’ye yakın bir boini hesaplamamız gerekir. Birçok
deneme-yanılma işlemlerinden sonra, aşağıdaki veriler
halinde yaklaşık 18 mH’ik bir bobin elde edebiliyoruz.
Herhangibir bobinin bir kısmını ekran içine alacaksak,
bobinin indüktans değerini yaklaşık olarak %20 daha
fazla olarak almamız gerekir : Ekrandan dolayı bobin
değeri azalacaktır.
D=10 cm, b=3.4cm, d=3cm olup kullanılan emaye bakır
telin çapı 1.5 mm olup kesidi 1.767 mm2 dir. Sarım
sayısı N=453 olduğuna göre bobinin indüktansını
hesaplayınız. Wheeler formülüne göre şu bağıntıyı
yazabiliriz ( Bobinin şekli ve boyutları için lütfen Şekil
19’a bakınız.)
L=
Şekil 12. Çivili keresteleri alg#layabilen metal detektör sistemi devresi yukar#da görülüyor.
(
Bu ifadede N sarım sayısı, D(cm), b(cm), d(cm)
birimindedir. Verilen sayısal değerler formülde yerine
konursa L değeri 17780 mikrohenry olarak bulunur.
Bunu da yaklaşık L=18 mH olarak alabiliriz. Biraz daha
deneme-yanılma yaparak, tam 25mH değerinde bir bobin
gerçekleştirebiliriz.
Şekil 13. Çivili keresteyi alg#layan endüstriyel metal detektör sistemi yukar#da görülüyor.
9. ÇİVİLİ KERESTELERİ
ALGILAYAN ENDÜSTRİYEL
METAL DETEKTÖR SİSTEMİ
Çivili keresteleri algılayabilen metal detektör
sistemi Şekil 12’de görülmekedir. A1 ve A2 bobinleri
eşit sarım sayısına sahiptirler. A2 bobini referans
bobinidir. Sistem 400 Hz’ik bir sinüzoidal osilatör ile
beslenmektedir.Bu kaynağın 400 Hz olması şart değildir.
Şekil 12’de gösterilen transformatöre 50 Hz’lik 240 V
alternatif şebeke gerilimi uygulanabilir. Transformatör
240 V/16 V olabilir. Yani 240 voltu 16 volta dönüştüren
bir transformatör olabilir. Bu transformatör sayesinde
sistem şehir şebekesinden yalıtılmış olur ve aynı
zamanda sistemdeki 16 volt üzerinde çalışmak daha
güvenli olmaktadır. Sistemde hem ölçü aleti ve hem de
Şekil 14. Endüstriyel Metal Detektörde bobin düzeneğinin
kesiti
EMOBİLİM
67
10. RC FAZ KAYMALI
SİNÜZOİDAL OSİLATÖR
Şekil 15’de gösterilen RC Faz Kaymalı Sinüzoidal
Osilatörün osilasyon frekansını veren bağıntı şudur :
Bu bağıntıda R(ohmC(F), fo(Hz) birimindedir.
Eğer fo (Hz), C(mikrofarad), ve R(kohm) alınırsa, RC
Faz Kaymalı osilatörün osilasyon frekansı ( Hz)
biriminde olmak üzere,
Şekil 15. RC Faz Kaymal' Sinüzoidal Osilatör Devresi
bağıntısıyla bulunmaktadır.
Sayısal örnek : C1=0.01 mikrofarad, R=18 kohm olarak
alınırsa, fo=400 Hz olarak bulunur. Şekil 15’de
gösterilen bu RC Faz Kaymalı sinüzoidal osilatör servo
sistemlerinde kullanıldığı için buna servo osilatörü de
denmektedir. Bu örnekte besleme gerilimi Vcc=18 V, ve
Q transistörü NPN tipi BC109 veya eşdeğeri alınabilir.
Bu osilatör devresinde 3 tane R direnci ganglı olabilir ve
ayrıca 3 tane C değişken havalı kondansatörü de ganglı
olabilir.Bu devrede Re=2.2 kohm, Ce=50 mikrofarad,
Rb=100 kohm, Ry=10 kohm potansiyometredir.
Çizelge 1. RC Faz kaymas' osilatörü verileri
Şekil 16. Haval' 3 gangl' değişken kondansatörler.
Bu osilatör devrelerinde kullanılabilecek ve ses
frekans bölgesinde etkinlikle çalışabilen ( audio
frequency range ) bellibaşlı NPN tipi transistörleri
şunlardır :
BC107,BC108,BC109,BCY58,BCY59,2N929,2N939,B
C182,BC237,BC238,BC239,BC546,BC547,BC548.
Ayrıca, RC Faz Kaymalı Osilatörleri gerçekleştirmek
için PNP tipi transistörler olarak ( BC212,
BC307,BC308, BC309, BC556, BC557 ve BC558) de
kullanılabilir. Bu durumda Şekil 15’ deki devrede Vcc
besleme gerilimi ve elektrolitik kondansatörler yön
değiştirecektir. Şekil 16’da havalı 3 ganglı değişken
kondansatör görülüyor. Bunu 3 tane C yerine
kullanabiliriz. Milini çevirdiğinizde, tüm kondansatörler
değişir ve ayni C değerini alırlar.
68 EMOBİLİM
11.ÇEŞİTLİ BOBİN
HESAPLAMALARI
11.1 TEK-TABAKALI
SİLİNDİRİK BOBİNİN
HESAPLANMASI
Tek-tabakalı sıkı sarılı silindirik bobin
formülleri Şekil 17’de verilmiştir.Burada bobin tektabakalı olup sıkı sarılmışlardır. N sarım sayısıdır.
Bobinin a (cm) ortalama yarıçapı dır. Bobinin genişliği
b(cm) olup L( mikrohenry) birimindedir. Şayet b>0.8a
alınmışsa, bu formülün hatası %1 dolayındadır.
Eğer b(cm) bobin genişliği Şekil 17’de
gösterildiği gibi, 2a>b>9 sınırları arasında kalırsa,
verilen bobin formülün hatası %5 dolayındadır.
Şekil 17.Tek-tabakal8 Silindirik bobin
11.2 TEK-TABAKALI SPİRAL
BOBİNİN HESAPLANMASI
transient waves) maksimum izin verilen “yinelenmeyen
tepe ters gerilimi” (= non-repetitive-reverse voltage),
transformatörün uçlarına bir sönümleme devresi ( İng.
damping circuit) konur.Sönümleme devresi olarak bir
RC devresi veya VDR ( Voltage Dependent Resistor)
“gerilime-bağımlı-direnç” kullanılmaktadır.
Transformatörün primerine veya sekonderine konacak
RC devresi aşağıdaki çizelgede verildiği gibi
hesaplanabilir (Çizelge 2).
Çizelge 2. Aş8r8 Geçici-rejimden Transformatörün Korunmas8
Şekil 18. Tek-tabakal8 Spiral Bobin
Tek-tabakalı sıkı sargılı spiral bobin Şekil
18’de gösterilmiştir ve şekil üzerinde formülü de
verilmiştir. Şekil 18’de gösterilen tek-tabakalı sıkı
sargılı spiral bobinde, c>0.2a olarak seçilirse, %5
hata ile şekilde gösterilen bobin formülü
kullanılabilir.
11.3 ÇOK-TABAKALI BOBİN
FORMÜLÜ
Çok tabakalı bobin Şekil 19’da gösterilmiştir.Çok
tabakalı bobin formülünü şöyle yazabiliriz:
Şekil 19. Çok tabakal8 Silindirik Bobin
"#
Bu bağıntılarda,
Imag=primer mıknatıslanma akımının r.m.s. değeri (A)
V1=Transformatör primer geriliminin r.m.s. değeri (V)
T=V1/V2 sarım sayısı oranı ( = veya primer gerilimin
sekonder gerilime oranı)
Vrsm = Transformatör tarafından üretilen geçici-rejimli (
İng. transient ) geriliminin tepe değeri ( V )
Vrwm = Gerçekte uygulanan, çalışma ters-geriliminin
tepe (İng. crest) değeri ( V).
Yukarıdaki çizelgeden hesaplanan kapasite değerleri
minimum değerlerdir. Çeşitli etkenler oluşabilen
devredekiparametre değişmelerini ve bileşen
toleranslarını karşılayabilmek için, daha büyük değerler
kullanılmalıdır.
13. STANDART BAKIR TELLER
VE TEL ÖLÇÜLERİ
$
Bu ifadede D(cm), b(cm), d(cm), N sarım sayısı
ve L (mikrohenry) birimindedir. H.A.Weeler’e göre, bu
formülün paydasındaki her üç terim birbirine eşitse,
( eğer 3D=9b=10d) olarak seçilmişse, bu formülün hatası
%1 dolayındadır.
12. SİSTEMDEKİ
TRANSFORMATÖRLERİ
KORUMAK
Transformatörde biriken enerjiden dolayı,
geçici-rejimli dalgalar ( tıranzint dalgalar ) ( İng.
Şekil 20. Tel öçülerinden A.W.G. ( American Wire Gauge )
şablonu : Yukar8daki resimde, karenin her iki boyutu 63
mm olarak al8n8rsa, delikler ASLI gibi olacakt8r.
EMOBİLİM
69
Şekil 20’de tel öçülerinden A.W.G. ( American
Wire Gauge ) şablonu görülüyor. Eğer bu karenin kağıt
üzerindeki kenarını 63 mm olarak alırsanız, gösterilen
A.W.G. delikleri, ASLINDA ne ise odur.:-) Çizelge 3’de
Standard Bakır Tellerin bellibaşlı özellikleri
verilmiştir.Çizege 4 A.W.G ve S.W.G. tel ölçüleridir.
Bunların yaklaşık olarak eşdeğerleri tarafımdan
saptanmıştır. Bunu yazmamım sebebi herhangibir hatası
varsa , hatanın bana ait olduğunu vurgulamak içindir.:-)
Çizelge 3. Standard Bak+r Tellerinn Bellibaşl+ Özelikleri
5.Semiconductor Detector Systems
( Semiconductor Science and technology )
by Helmuth Spieler, 2005, Amazon.com
6.Infrared Detectors and Systems
(Wiley Series in Pure and Applied Optics )
by E.L.Dereniak and G.D.Boreman,1996
Amazon.com
7.Fundamentals of Infrared Detector Materials
(SPIE Tutorial Text Vol.TT76)
8. Fundamentals of Infrared Detector Operation and
Testing
by John David Vincent, 1990, Amazon.com
9.Industrial Process Sensors
by David M.Scott.2007
10.Ses Frekans Tekniği, Eren BAŞARAN
T.C. Milli Eğitim Bakanlığı, İstanbul, 1981
Yayın No: 48, Temel Ders Kitabı.
Bu makale EMO Bilim dergisine ilk kez 12.10.2009
tarihinde gönderilmiştir.
Çizelge 4. A.W.G. ve S.W.G. tel ölçüleri
KAYNAKÇA :
1. Modern Metal Detectors,Charles L.Garret,
Ram Publishing Company, Dallas, TX , Amazon.com
2.Medical Imagining : Principles, Detectors, and
Electronics
by Krzystof Iniewski, 2009, Amazon.com
3.Tressure Hunting With Metal Detectors,
by Gerry Edwards, 2007, Amazon.com
4.The Metal Detector Book
by Andrew Palmer, 1995, Amazon.com
70 EMOBİLİM
ENERJİ
TASARRUFLU
AMPULLER
KULLANIN