Proses kontrol ders notlarını indirmek için Tıklayınız..

Transkript

MESLEK YÜKSEKOKULU
ELEKTRONİK VE OTOMASYON BÖLÜMÜ
MEKATRONİK PROGRAMI
PROSES KONTROL DERS NOTLARI
Öğr. Gör. Kadir GELİŞ
AĞRI- 2014
2
ÖNSÖZ
Kimya sektörünün kimyasal proses işlemlerinin çoğunluğu kısmen veya tamamen
akışkan fazında gerçekleşmektedir. Bu nedenle akışkanların akımı, ölçümü ve kontrolü
kimya sektöründe önemli bir yer tutmaktadır. Endüstride kontrol amacıyla kullanılan
dört ana proses değişkeninden bahsedilir, Bunlar; Akış Ölçümü, Seviye kontrolü,
Kuvvet-ağırlık-Basınç Ölçümü ve sıcaklık ölçümüdür. Bu ders kapsamında bu
konularla ilgili bazı terimler açıklanacak ve kullanılan bazı ekipmanların çalışma
prensipleri açıklanacaktır. Bu konuların anlaşılması akabinde ekipmanların birbiri
arasında olan otomasyon ilişkileri anlatılacaktır. Dersin müfredatına uygun olarak
hazırlanan bu doküman bazı kaynaklardan derleme olarak hazırlanmıştır. Faydalı
olacağını umuyor, hepinize başarılar diliyorum…
-AĞRI İBRAHİM ÇEÇEN ÜNİVERSİTESİ MESLEK YÜKSEKOKULU-
3
İÇİNDEKİLER
1. AKIŞ ÖLÇERLER .............................................................................................................7
1.1. Akışın Tanımı ...............................................................................................................7
1.2. Akış Birimleri ...............................................................................................................7
1.3. Değişken Hacimli Akış Sayaçları ..................................................................................8
1.3.1. Pervaneli Sayaçlar ......................................................................................................8
1.3.2 Türbinli Sayaçlar .........................................................................................................9
1.3.3. Girdaplı (Vortex) Sayaçları....................................................................................... 11
1.4. Diyaframlı Akış ölçerler .............................................................................................. 13
1.4.1. Orifis Plakalı Ölçerler ............................................................................................... 13
1.4.2. Akış Memeli Ölçerler ............................................................................................... 15
1.4.3. Venturi Borulu Ölçerler ............................................................................................ 17
1.5. Değişen Alanlı Akış Sayaçları ..................................................................................... 19
1.5.1. Rotometre ................................................................................................................ 19
1.5.2. Gatemetre ................................................................................................................. 21
1.5.3. Gilflo Sayaçlar ......................................................................................................... 22
1.5.4. Dahl Tüplü Sayaçlar ................................................................................................. 23
1.6. Ultrasonik Akış ölçerler............................................................................................... 23
1.7. Elektromanyetik Akış ölçerler ..................................................................................... 25
2. SEVİYE KONTROLÜ ...................................................................................................... 28
2.1. Tanımı ........................................................................................................................ 28
2.2. Seviye ölçerler ............................................................................................................ 28
2.2.1. Sürekli Ölçüm Sağlayan Yöntemler .......................................................................... 29
2.2.1.1. Gözetleme Geyçleri (Ölçme Aleti ) ........................................................................ 30
2.2.1.2. Şamandıralı Cihazlar ............................................................................................. 33
2.2.1.3. Kapasitans Sondalar .............................................................................................. 35
2.2.1.4. Basınç Algılayıcılar ............................................................................................... 36
2.2.1.5. Mikrodalga Algılayıcılar ........................................................................................ 37
2.2.1.6. Ultrasonik Algılayıcılar ......................................................................................... 37
2.2.2. Kısa Aralıklı Algılama Veren (Ölçüm Sağlayan) Yöntemler ..................................... 40
2.2.2.1. Manyetik Yöntemler .............................................................................................. 40
2.2.2.2. Elektrikli Yöntemler .............................................................................................. 41
2.2.2.4. Radyo Frekanslı Yöntemler ................................................................................... 43
2.3.Seviye Ölçüm Yöntemlerinin Karşılaştırması ............................................................... 44
4
3.KUVVET, AĞIRLIK VE BASINÇ ÖLÇÜMÜ ................................................................. 47
3.1. Kuvvet Ölçümü ........................................................................................................... 47
3.1.1. Kütle, Kuvvet, Ağırlık Kavramları ............................................................................ 47
3.1.2. Matematiksel Eşitlikler ve Endüstriyel Standartlar .................................................... 48
3.1.3. Çeşitli Mekanik Ölçüm Yöntemleri .......................................................................... 48
3.1. 4. Yük Hücresi (Loadcell) ........................................................................................... 49
3.1.4.1. Gerilme Ölçer (Strain Guage) Yapısı ve Çeşitleri ................................................... 49
3.1.4.2. Yük Hücresi (Loadcell) Yapısı............................................................................... 50
3.1.4.3. Yük Hücresi (Loadcell) Çeşitleri............................................................................ 51
3.2. Basınç Ölçümü ............................................................................................................ 54
3.2.1. Basınç Nedir? ........................................................................................................... 54
3.2.2. Basıncın Birimleri .................................................................................................... 55
3.2.3. Basınç Regülatörü .................................................................................................... 55
3.2.3.1. Regülatörün Yapısı ................................................................................................ 55
3.2.3.2. Kullanıldığı Yerler................................................................................................. 57
3.2.3.3. Montaj Şekilleri ..................................................................................................... 57
3.2.4. Fortin Barometresi.................................................................................................... 59
3.2.4.2.Aneroid Barometreler ............................................................................................. 60
3.2.5. U Tipi Manometreler ................................................................................................ 61
3.2.5.1. U Tipi Manometrenin Tanımı ve Yapısı ................................................................. 61
3.2.5.2. U Tipi Manometrenin Kullanım Alanları ............................................................... 62
3.2.5.3. U Tipi Manometrenin Çeşitleri .............................................................................. 63
3.3. Basınç Transdüserleri .................................................................................................. 63
3.3.1. Endüktif Esaslı Basınç Transdüserleri ....................................................................... 63
3.3.2. Kapasitif Esaslı Basınç Transdüserleri ...................................................................... 64
3.3.4. Piezo-Direnç Tipi Basınç Transdüserleri ................................................................... 66
4.SICAKLIK ÖLÇÜMÜ ....................................................................................................... 68
4.1. Bimetal Termometre Kullanarak Sıcaklık Ölçmek ....................................................... 68
4.1.1. Sıcaklık .................................................................................................................... 68
4.1.1.1. Sıcaklık ve Isı Nedir?............................................................................................. 68
4.1.1.2. Sıcaklık Birimleri .................................................................................................. 69
4.1.2. Bimetal Termometreler Kullanarak Sıcaklık Ölçmek ................................................ 69
4.1.2.1. Çift Metalli Termometreler .................................................................................... 70
4.1.2.2. Helisel çift metalli termometreler ........................................................................... 70
4.1.2.3. Çubuk Termostatlar ............................................................................................... 71
4.2. Direnç Termometresi (Rtd) İle Sıcaklık Ölçmek .......................................................... 72
5
4.2.1. Direnç Termometreleri (RTD) .................................................................................. 72
4.2.1.1. Platin RTD (PT100)............................................................................................... 73
4.4. Termokupl Elamanlarla Sıcaklık Ölçmek..................................................................... 74
4.4.1. Termokupl ................................................................................................................ 74
4.4.1.1. Termoelektrik Etkiler............................................................................................. 74
4.1.2. Termokupl Çeşitleri .................................................................................................. 78
4.1.3. Termokupl Kabloları ................................................................................................ 79
4.1.4. Termokupl Mekanik Yapıları.................................................................................... 80
4.1.5. Termokupl Transmiterleri ......................................................................................... 82
4.4.2. Sıcaklık Algılayıcılarının Yerleştirilmesi .................................................................. 82
4.4.2.1. Daldırılan Sondalar ................................................................................................ 82
4.2.1.1. Kap İçinde Sıvı Sıcaklığının Ölçülmesi .................................................................. 82
4.2.1.2. Kanal Sondaları ..................................................................................................... 83
4.2.1.3. Yüzey Sıcaklık Sondaları ....................................................................................... 83
4.2.2. Termometre Koruyucu ve Kılıfları............................................................................ 84
4.2.3. Hata Kaynakları ....................................................................................................... 85
4.2.4. Sıcaklığın Okunması ................................................................................................ 85
4.2.4.1. Yerel Okuma ......................................................................................................... 85
4.2.4.2. Uzaktan Okunma ................................................................................................... 85
5.SCADA SİSTEMLERİ ...................................................................................................... 86
5.1. Scada Sistemlerini Tanımak ........................................................................................ 86
5.1.1. Scada Sistemlerinin Tanımı ...................................................................................... 86
5.1.1.1. Scada Sisteminin Uygulama Alanları ..................................................................... 87
5.1.1.2. Scada Sisteminin İşlevleri ...................................................................................... 89
5.1.1.3. Scada Yazılımından Beklenenler ........................................................................... 92
5.1.1.4. Scada Sistemleri Şu İmkanları Sağlamalıdır ........................................................... 92
5.1.2. Sistemin Yapısı ........................................................................................................ 92
5.1.3. Scada Sistemlerinin Temel Elemanları ...................................................................... 93
5.1.3.1. Uzak Terminal Birimleri (Remote Terminal Units, RTU) ....................................... 93
5.1.3.2. Ana Terminal Üniteleri (Main Terminal Unit, MTU) ............................................. 95
5.1.3.3. İletişim Ağları ....................................................................................................... 96
5.1.3.3.1. İletişim Ağı ........................................................................................................ 96
5.1.3.3.2. İletişim Protokolleri ............................................................................................ 97
5.1.3.3.3 İletişim Ortamları ................................................................................................ 97
5.1.3.4. Veri Toplama Üniteleri .......................................................................................... 97
5.1.3.4.1. Programlanabilir Lojik Denetleyiciler (PLC) ....................................................... 98
6
5.1.3.4.2. Veri Toplama (Data Acquisition – DAQ ) Modülleri ........................................... 98
5.1.3.5. Sensörler ve Algılayıcılar ...................................................................................... 98
5.1.3.6. Yazılım ................................................................................................................. 98
5.1.3.7. Merkezi Kontrol Odası .......................................................................................... 99
5.1.3.8. Kontrol Panoları .................................................................................................... 99
5.1.3.9. SCADA Sistem Terminalleri ............................................................................... 100
5.1.3.10. Bilgisayar Ekranları ........................................................................................... 100
5.1.3.11. Yazıcılar ............................................................................................................ 100
5.1.3.12. Kesintisiz Güç Kaynağı, .................................................................................... 100
5.1.4. Örnek Bir Scada Sisteminin İncelenmesi ................................................................ 101
7
1. AKIŞ ÖLÇERLER
Kimya sektörünün kimyasal proses işlemlerinin çoğunluğu kısmen veya tamamen
akışkan fazında gerçekleşmektedir. Bu nedenle akışkanların akımı, ölçümü ve kontrolü
kimya sektöründe önemli bir yer tutmaktadır. Akışın ölçümü, malzemenin bir yerden bir
yere taşınmasına gereksinme gösteren herhangi bir işlemde kullanılan bir yöntemdir.
Ölçüm, bir malzeme akışının niceliğini belirtmek için ya da bir akış debisi oluşturmak
ve onu kontrol altında tutmak için kullanılır. Çoğu kimyasal proseslerde fabrika verimi
akışın ölçülebilme ve hassas olarak kontrol altında tutulabilmesine bağlıdır. Bununla
beraber bir akış ölçüm düzeni uygulanacaksa bu ölçüm düzeni üretime ya da ölçülecek
gerekçeye uygun ve aynı zamanda yeterli olmalıdır.
Akışın ölçümü, malzemenin bir yerden bir yere taşınmasına gereksinme gösteren
herhangi bir işlemde kullanılan bir yöntemdir (örneğin; yakıtın bir karayolu tankerinden
bir garaj deposuna kütlesel aktarılması). Ölçüm, bir malzeme akışının niceliğini
belirtmek için ya da bir akış debisi oluşturmak ve onu kontrol altında tutmak için
kullanılır. Çoğu üretimlerde fabrika verimi akışın ölçülebilme ve hassas olarak kontrol
altında tutulabilmesine bağlıdır, Bununla beraber bir akış ölçüm düzeni uygulanacaksa,
bu ölçüm düzeni üretime ya da ölçülecek gerekçeye uygun ve aynı zamanda yeterli
olmalıdır.
1.1. Akışın Tanımı
Akış, bir akışkanın bir hat boyunca sürekli olarak hareketidir. Akışkanlar maddenin üç
hâli şeklinde (katı, sıvı, gaz) olabilir. Akışkan ortamı durgun hâlde iken veya ideal
akışkanlar hareket hâlinde iken sıfır kayma gerilmesinin etkisindedir. Buna göre sonsuz
küçük bir zorlama etkisinde dahi hiç direnç göstermeden akış eylemine geçen akışkan
ortamlara ideal akışkan denir ve viskozite sıfır kabul edilir. Pratikte karşılaşılan
akışkanların hemen hepsinde az veya çok viskozite mevcuttur. Ancak ideal bir akışkan
bulunmamasına karşın, matematiksel çözümlerde kolaylık sağladığından, ideal
kavramlar kullanılmaktadır. Akış (debi), belirli bir kesitten, belirli bir sürede geçen
akışkan miktarıdır. Endüstride kontrol amacıyla kullanılan dört ana proses
değişkeninden birisidir.
1.2. Akış Birimleri
Akış ölçümü için bilinmesi gereken önemli fiziksel büyüklükler, akışkanın birim
zamanda akan hacimsel miktarı (hacimsel debi- m3/sn.), birim zamanda akan kütlesel
miktarı (kütlesel debi-kg/sn.) ve birim zamanda kat etmiş olduğu yoldur (hız - m/sn.).
Direk hacimsel veya kütlesel ölçüm yapma ölçüm işlemini sonlandırır. Bazı ölçümlerde
hacimsel veya kütlesel ölçümlerin zorluğundan dolayı veya alternatif bir ölçüm sistemi
8
olarak hız ölçümü kullanılır. Hız ölçümünün yapıldığı yerin kesiti bilineceği için çeşitli
matematiksel işlemlerle hacimsel veya kütlesel debiler bulunabilir. Akış ölçümünde
kullanılan birimler, ölçümü yapılacak akışkanın miktarı ile ilgilidir. Ölçülmesi istenilen
debi değeri büyüdükçe debi birimleri de büyür. Debi küçüldükçe birim de küçülür.
1.3. Değişken Hacimli Akış Sayaçları
Bu tip sayaçlar her dönüşünde belli bir hacimde akışkanın geçmesine izin verir. Debi,
belli bir süre içinde bir sayaç içinden geçen akışkan hacminin doğrudan ölçülmesi ile
bulunabilir.
1.3.1. Pervaneli Sayaçlar
Gaz ve sıvı akış ölçümleri için kullanılmaktadır. Cihaz içinde dönen eleman iki
pervaneden oluşur. Hazneye giren akışkan her zaman iki akışkan arasında kalır ve
pervaneleri döndürür. Pervaneler akış hızı ile orantılı bir hızda döner. Pervanelerin her
bir dönüşü cihaz içinden belli bir miktar akışkanın geçişini ifade eder. Pervanelerden
biri kendine bağlı bulunan bir mili döndürür. Mil, sayaca bağlanmıştır. Debi ne kadar
fazla ise pervanelerin, dolayısı ile milin dönüş sayısı o kadar fazladır.
Sayaç bu dönüş sayısını ölçer ve bize debi (akış miktarı) değeri olarak gösterir. Ancak
temiz sıvılar için kullanılabilir. Akışkan içinde tanecikler bulunması durumunda, yüksek
hıza sahip bu tanecikler zamanla pervaneleri aşındırır. Aşınan pervaneler, aşınmanın
miktarına bağlı olarak yanlış değer okunmasına neden olur. Pervane boyutuna bağlı
olarak her dönüşte geçirdiği akışkan miktarı farklıdır. Çalışmaları titreşimlidir.
Pervaneli sayaçlar
9
1.3.2 Türbinli Sayaçlar
Türbinli akış ölçerlerde pervaneli akış ölçerlerle benzer şekilde çalışır. Türbin tipi akış
ölçerler, akışkanın akış hattı içinde yer alan dönebilir kanatçık takımlarından (türbin)
ibarettir. Türbinli akış ölçerler giriş akışını düzenleyen cihazlardan, rotordan, rotor
desteklerinden, rotor rulmanlarından mahfazalardan ve sinyal alıcı bobinden
oluşmaktadır. Türbin rotoru çoklu pervaneye sahiptir ve ayrıca bobin tarafından
algılanan dönüş hızı akışla doğru orantılıdır. Türbin tipi akış ölçme cihazları, yoğunluğa
ve viskozite dalgalanmalarına karşı duyarlıdır.
Türbinli akış ölçerin parçaları
Türbin kanatçıklarının hızı akışkan hızı ile orantılı değişmektedir. Türbin, akışkanın
akışıyla beraber dönmeye başlar. Akış hızı arttıkça dönüş hızı da artar. Dönen türbin
kendisine bağlı bir mili de beraberinde döndürür. Milin dönüş hızı mekanik veya
elektrikli yöntemlerle ölçülür.
Türbinli akış ölçerin iç görünümü
10
Bu sistemin çıkışı dijital darbeler şeklinde olup gerektiğinde frekans-voltaj çeviriciler
ile analog sinyaller elde etmek mümkündür. Türbin tipi akış ölçerler, gazlar için 0,01
m/sn.den 500 m3/dk., sıvılar için 0,05 litre/dk. ile 120000 litre/dk. akış ölçebilmektedir.
Genellikle en küçük ölçme miktarı ile en büyük ölçme miktarı arasında 1/10 oranı
mevcuttur. Doğruluk dereceleri %0,25 civarında olup cevap hızları 2-10 m/sn.
arasındadır. Cihazın göstergesi bu dönüş sayısını, debi olarak gösterecek şekilde kalibre
edilmiştir. Akış ölçer içerisinde bulunan yönlendirici kanatçıklar akışkanın türbine
doğru akışını sağlar. Böylelikle daha hassas bir ölçüm yapılmış olur.
Türbinli akış ölçer ve çalışma prensibi
Türbinli akış ölçerlerde akış kesikli (darbeli) değildir. Bu özelliği ölçüm hassasiyetini
artırırken cihazın yıpranmasını azaltır. Tanecik içeren akışkanların debi ölçümünde ise
tercih edilmez. Bu tanecikler özellikle yüksek akış hızlarında türbin kanatlarında
aşınmaya neden olur. Debisi ölçülmek istenilen akış hattı üzerine monte edilir. Kütle
akış hızı çıkışları gerekli olursa o zaman kütle akış değerini bulmak üzere türbin tipi
akış cihazı için başka değerler gerektirir. Mutlak basınç, basınç farkı, sıcaklık ve
viskozite değerleri gibi fiziksel proses ölçümlerini içeren manuel veya bilgisayarlar ile
yapılan hesaplamalar, gerçek akış hızını hesaplamak için çıkış sinyaline uygulanmalıdır.
Eğer sızdırmaz rulmanlar kullanılmaz ise rulmanların kirlenmesini önlemek için temiz
akışkanların kullanılması gerekir.
11
Türbinli akış ölçer
1.3.3. Girdaplı (Vortex) Sayaçları
Akışkan, bir akış elemanı üzerinde aktıkça akış elemanın her iki tarafında akış aşağı
kısmında alternatif olarak girdap oluşur. Girdapların frekansı akışkan hızı ile doğru
orantılıdır.
Girdap oluşumu
Girdaplı akış ölçerler de pervaneli ve türbinli akış ölçerlerle benzer şekilde çalışır. Bu
cihazda pervane veya türbin yerine rotor adı verilen döner eleman kullanılır. Rotor
akışkan içinde yüzer. Bu durum akış ölçerin parçaları üzerindeki aşınmayı azaltır. Rotor
12
bir mil aracılığıyla sayaca bağlanmıştır. Akış hattındaki akış miktarı ne kadar fazla ise
rotorun dönüş sayısı da o kadar fazladır. Bu dönüş sayısı, cihazın göstergesinden debi
değeri olarak okunur. Girdapların frekansını ölçmek için çeşitli algılama metotları
kullanılabilir. Kütle akış hızı çıkışları gerekli olursa o zaman kütle akış değerini bulmak
üzere girdap akıntı tipi akış cihazı için diğer değerlerin okunmasını gerektirir. Mutlak
basınç, basınç farkı, sıcaklık ve viskozite değerleri gibi fiziksel proses ölçümlerini
içeren manuel veya bilgisayarlar ile yapılan hesaplamalar, gerçek akış hızını
hesaplamak için çıkış sinyaline uygulanmalıdır.
Girdaplı sayaç ve çalışma prensibi
Vorteks akış ölçerler yüksek sıcaklıktaki gaz ve buhar dâhil olmak üzere çok sayıdaki
akışkan tipi için uygundur. Bu akış ölçerler Reynould sayısı, gazlar için 2x103 ile 1x105
arasında ve sıvılar için 4x103 ile 1,4x105 arasında olacak şekilde geniş uygulama
alanlarına sahiptir. Cihaz çıkışları, akışkanın yoğunluğu, sıcaklığı ve basıncından
bağımsızdır. Ölçülen
Vorteks akış ölçer
13
1.4. Diyaframlı Akış ölçerler
Diyaframlı akış ölçerler akışkanların hızını ölçmek için en yaygın olarak kullanılan
ölçme cihaz tipleridir. Bu ölçme cihazları, akışkan akışına engel olunarak basınç farkı
oluşturulup ölçülmesi prensibine dayanmaktadır. Bu tür akış ölçerlerde akışkan akışı
dolaylı yoldan ölçülmektedir. Kullanılan akış ölçer cihazının tipi ve borunun çapına
bağlı olarak ispatlanmış ve kabul edilmiş dönüşüm katsayıları kullanılarak basınç, farkı
ölçümü hacim hızına çevrilebilir.
ölçerler basit, güvenilir ve diğer akış ölçerlere göre esnektir.
Genelde iki bileşenden oluşur.
yerleştirilir. Bu
özel akışkana ya da uygulamaya göre uygun seçilmelidir.
farkını ölçer ve alanda kontrol ölçüm cihazına sinyal gönderir. Bu
bileşen gerekli sinyal iletiminin tipine göre seçilir.
ölçerler aşağıdaki şekilde gruplanabilir:
borulu ölçerler
1.4.1. Orifis Plakalı Ölçerler
Akışkanın akımını ölçmek için kullanılan orifis plakalı ölçerler içerisinden akımın
geçtiği delikli bir plaka olarak dizayn edilmiştir. Plaka üzerindeki delik orifis olarak
adlandırılmaktadır. Orifis plakanın akış yukarı kısmında ve akış aşağı kısmında birer
tane tapa bulunmaktadır. Plaka, merkezinde belli boyutlarda yuvarlak bir delik açılmış
çelik levhadan oluşur. Buna merkezi delik levha denir. Bu levha normal olarak boru
donanımında birbirine eklenecek iki boru flanş yüzeyleri arasına monte edilerek
sıkıştırılır.
Orifis plaka
14
Akışkanın hızı, orifisten geçtiği sırada boru hattının diğer kısımlarındaki hızından daha
fazladır. Akış hızı arttıkça basınç düşer. Bu nedenle en yüksek akış hızına sahip orifis
aynı zamanda en düşük basınca sahiptir. Orifis plakası, plakanın iki tarafı arasında
basınç farkına neden olur.
Orifis plakalı ölçer ve yapısı
Akış miktarı yani debi arttıkça orifis plakasının iki tarafı arasındaki basınç farkı da
artar. Orifis plakasının iki tarafı arasındaki basınç farkını ölçen manometre veya bir
düzenek kurulur. Ölçülen basınç farkı skaladan akış miktarı olarak okunur.
Orifis plakası ve çevre donanımı
15
Orifis plakalı ölçerlerin avantajları
dana gelir. Bu çökelti oluşumu hem
akışın zorlaşmasına hem de akış miktarı değerinin yanlış okunmasına neden olur.
takdirde
yanlış ölçüm yapılmasına neden olur.
1.4.2. Akış Memeli Ölçerler
Akış memeli (akış nozulu) akış ölçerler orifis akış ölçerlerle aynı prensibe göre çalışır.
Ayrıca venturi tüpündeki bir varyasyon olduğu varsayılabilir. Nozul açıklığı akıştaki
eliptik bir sınırlamadır. Ancak basıncın geri kazanımı için çıkış bölgesi yoktur. Basınç
tapaları, ½ boru çapı kadar akış aşağı ve 1/1 boru çapı kadar akış yukarı yerleştirilir.
Akış nozul ve çalışma prensibi
Orifis plakadaki dar boğaz yerine burada akış memesi kullanılır. Orifis plakasındaki
keskin kenarları burada olmadığı için yıpranma ve basınç düşüşü daha azdır. Ancak
maliyeti daha fazladır ve montajı daha zordur.
16
Akış nozul
Akışkan, memeden akarken hızı artar ve basıncı azalır. Aynı şekilde oluşan basınç
farkını ölçmek için basıncı ölçen bir araç gerekir. Bu herhangi bir tip manometre
olabilir. Akış memesinin tıkanması orifis plakasına nazaran daha zordur. Akış hızı
yeterince yüksekse tıkanmaya sebep olabilecek herhangi bir şeyi sürükleyerek
götürebilir.
Akış nozulu ve manometre
Akış nozulu (memesi) yüksek sıcaklıktaki buhar akışı gibi türbülansın oldukça büyük
olduğu (Reynolds sayısı 50000 üstünde) durumda kullanılan yüksek hızlı bir akış ölçme
cihazıdır. Bir akış nozulundaki basınç düşüşü ventüri tüpünün basınç düşüşü ile orifis
plakalı tipin basınç düşüşü arasındadır. Yani %30 ile %95 arasındadır.
17
1.4.3. Venturi Borulu Ölçerler
Bu ölçme cihazında akışkan, 15-20° açılı, genişleyen koniden geçirilerek ivmelendirilir.
Boğaz ile koninin akış yukarı kısmında bulunan ucu arasındaki basınç farkı ölçülür ve
akış hızı sinyali elde edilir. Daha sonra akışkan daha küçük açılı (5-7°) bir konide
yavaşlatılır. Burada kinetik enerjinin büyük bir kısmı basınca dönüşür. Alandaki yavaş
azalmadan dolayı ventüri daralması yoktur ve boğazdaki akış bölgesi minimumdur. Bu
nedenle küçülme katsayısı “1”dir. Venturi ilkesine göre hız ile basınç ters orantılıdır.
Yani bir akış hattındaki akışkanın hızı artırılırsa basıncı düşer. Aynı şekilde hız
azaltıldığında da basınç artar.
Ventüri borulu ölçer
Venturi borulu akış ölçerlerde normal akış hattı ile venturi borusundaki akışkanın basınç
farkı ölçülür. Akışkan hareketi olmadığında her iki noktada da basınç değerleri aynıdır.
Akışkan hareketinin başlamasıyla beraber kollar arasında basınç farkı oluşmaya başlar.
Akış hızı ne kadar fazla ise basınç farkı da o kadar fazladır. Cihazın göstergesi bu
basınç farkını ölçerek akış miktarı olarak gösterecek şekilde kalibre edilmiştir.
18
Ventüri borulu ölçerin iç yapısı
Orifis plakası sahip olduğu keskin kenarlar nedeniyle çabuk yıpranır. Ayrıca oldukça
fazla basınç kaybı meydana gelir. Akış memesi de daha az olmakla birlikte aşınma ve
basınç düşümüne maruz kalır. Bu olumsuzluklara karşı daha dayanıklı ve daha az basınç
düşüşüne yol açan venturi borulu akış ölçerler kullanılır. Venturi akış ölçerler akış
hızının çok yüksek olduğu proseslerde tercih edilir.
Avantajları
Dezavantajları
pahalıdır.
-hız ilişkisi vardır.
gereklidir.
Venturi akış ölçerler gaz ölçümünde kullanılmasına rağmen çoğunlukla sıvılar için
kullanılmaktadır. Venturi tüpü uygulamaları genelde alçak basınç düşüşü ve yüksek
doğruluklu değerleri gerektiren uygulamalar ile sınırlıdır. Bu uygulamalar genelde atık
işlem tesislerinde kullanılanlar gibi çapı büyük olan borularda kullanılır. Çünkü yavaş
yavaş eğimleşen şekli katı maddenin akmasına olanak verir.
Venturi borulu ölçer ve kullanım alanı
19
1.5. Değişen Alanlı Akış Sayaçları
Bu ölçme cihazları, basınç düşüşünün nerede ise sabit olduğu cihazlardan oluşur.
Akışkanın aktığı alan, akış hızına bağlı olarak değişir. Alan, uygun kalibrasyon
yapılarak akış hızı ile ilişkilendirilir.
1.5.1. Rotometre
Rotometreler, akışkanın akışında akış hattına düşey olarak yerleştirilmiş bir konik cam
tüp ve içinde serbest hareket edebilen cam tüpün tabanı ile aynı büyüklükte bir
ağırlıktan (yüzer eleman-şamandıra) meydana gelir. Akışkan, konik cam tüpün dar
kesitli kısmından girip bu tüp içerisinde yukarıya doğru tüp duvarı ile ağırlık arasındaki
halkasal boşluktan akar ve ağırlık ya da yüzer elemanı akış miktarına bağlı olarak
yukarı doğru hareket ettirir. Ağırlık akış gösterici elemandır ve akış hızı arttıkça yukarı
çıkmaya devam eder.
Rotometre ve çalışması
Rotometre çalışma prensibi
20
Tüpün çapı camın en üst noktasında, en alt noktasından daha büyük olduğundan ağırlık
alt ve üst yüzeyler arasındaki basınç farkından dolayı dengelendiği noktada kalır. Cam
tüp içinde akış miktarını gösteren seviye bölüntüleri vardır. Akış hızı doğrudan camın
üzerindeki ölçekten okunur. Gözlenen ölçek değerini akış hızına dönüştürmek için bir
kalibrasyon eğrisi kullanılmalıdır. Rotometreler gaz ve sıvı akış ölçümleri için
kullanılmaktadır. Genelde temizleme akışları ve seviyeleri için kullanılır.
Rotometre (cam tüp)
Bazı durumlarda yüzer elemanın seviyesini algılamak ve akış sinyalini iletmek için
otomatik bir algılama cihazı kullanılır. İletim yapan bu rotometreler genelde paslanmaz
çelikten ya da çeşitli akışkan uygulamaları ve daha yüksek basınç değerleri için başka
maddelerden (metallerden) yapılabilir.
21
Metal tüp rotometre
Rotometreler,1/4 inçten 6 inç’in üstündeki değerlere kadar değişen boyutlarda olabilir.
Rotometreler, %2 doğruluğa sahip bir orifis plakadan daha geniş bir akış bandını ölçer.
Camdan yapılanlar 300 psig (1 psig 1,082 bara eşittir.) maksimum çalışma basıncını
ölçer.
Rotometrenin avantajları
ölçerlerin doğruluğunun kontrolünde kullanılır.
Rotometrenin Dezavantajları
olması durumunda kullanılabilir.
1.5.2. Gatemetre
Gatemetreler laboratuvar kanalı veya savak şeklinde tasarlanmış akış kontrol ve ölçüm
için kullanılan akış ölçerlerdir. Akış hızını tespit etmek için akışkanın kanaldaki bir
engelden geçerken sıvının yüksekliğini ya da yükünü ölçmektir. Gatemetrelerde
22
kanallar ve savaklar su akışını karakterize etmek için tasarlanmıştır. Laboratuvar kanalı
ve savak tipinin seçilmesi uygulamaya göre değişir. Kanallar akış hızına, kanalın
biçimine ve akışkan yapısına bağlıdır. Bu cihazlarda akışı ölçmek için kullanılan metot
kesite bir kısıtlama getirmektir. Kesitte aşağı yukarı ve akış aşağı kısımda akan hacim
sabitken kanalda akan sıvı yükselmelidir. Yükselme ölçülerek akış hızı elde edilebilir.
1.5.3. Gilflo Sayaçlar
Gilflo akış ölçerler iyi dizayn edilmiş yaylı değişken alan prensibi kullanarak çalışır.
Halka şeklinde bir deliğin alanı özel olarak geliştirilmiş bir koni hareketiyle
değişmektedir. Debi arttıkça, profilli koni orifis alanını değiştiren hassas “yay”a karşı
yönlendirilir. Koni bir ağır hassas yay direncine karşı eksen el hareket eder. Bu olay
gilflo borusunda basınç farkı oluşturur. Koni ve delik boyunca edilen basınç farkı, akış
hızı elde etmek için çok değişkenli verici ya da DP verici kullanılarak ölçülür. Gilflo
sayacın kurulumu ve ayarının doğru
Gilflo ve çalışma prensibi
Gilflo ve çevre donanımı
23
1.5.4. Dahl Tüplü Sayaçlar
Dahl tüpü çok az kullanılan bir akış ölçer tipidir. Bu cihaz, iki çıkış hattı ihtiva eden bir
boru dirseğinden ibarettir. Dahl tüpünün çalışması santrifüj (merkezkaç) kuvvetinin bir
eğri kavisinin dışında, kavis içine oranla daha büyük olması prensibine dayanır. Hız
arttıkça santrifüj kuvveti de artar. Basınç, kavisli dirseğin dışında daha fazladır.
Dirseğin iç kısmı alçak basınçlı kolu oluşturur. Bu iç ve dış kısımlar arasındaki basınç
farkı ölçülerek dirsekten geçen sıvının debisi bulunabilir. Basınç farkı ne kadar fazla ise
debi o kadar fazladır.
Şekil 1.18: Dahl tüplü akış ölçer
Basınç farkı, içinde cıva bulunan U tüp yardımı ile okunur. Akış hızı ne kadar fazla ise
U tüpün kolları arasındaki seviye farkı o kadar fazladır. Bölüntüler yardımı ile basınç
farkı, dolayısı ile akış hızı okunabilir.
1.6. Ultrasonik Akış ölçerler
Ultrasonik ölçme cihazı suyu, atık suyu, hidrokarbon sıvıları, organik ve inorganik
kimyasal maddeleri, sütü, birayı ve madenî yağların akış hızını ölçebilmektedir. Temel
şart olarak akışkanın ultrasonik olarak iletken olması ve oldukça iyi bir akışa sahip
olması gerekir. Kenetli ultrasonik akış ölçme cihazları proses ortamı ile herhangi bir
temas olmadan borudan geçen akışı ölçmektedir. Sıvı uygulamalarında doppler ve
iletim süreli akış ölçme cihazları olarak iki çeşit ultrasonik ölçme cihazı bulunmaktadır.
Her iki tür cihaz ilgili birimleri ile birlikte kenetli algılayıcıları kullanabilir ve prosesi
durdurmadan borudaki akışı kesmeden maddenin akış hızını tespit edebilir. Ultrasonik
ölçme cihazlarında transdüserler iki şekilde monte edilebilmektedir. Akış yukarı ve akış
aşağı kısımdaki ultrasonik transdüserler borunu karşıt taraflarına (köşegen mod) veya
aynı tarafına (yansıma modu) olarak monte edilebilmektedir.
24
Köşegen modu
Yansıma modu
Ultrasonik akış ölçerlerde akışın sıfır olması durumunda gönderilen sinyal herhangi bir
sapmaya uğramadan geriye yansır. Şekilde görüldüğü gibi borunun bir kenarında ses
dalgaları boru içerisine açılı bir şekilde gönderilir, bu dalgalar yansıtıcıdan yansıtılarak
gönderilme açısına uygun bir toplama açısı ile alıcıda toplanır. Boru içerisinden sıvının
akmasıyla vericiden gönderilen ses dalgaları ile alıcının algılanması arasında geçen süre
değişir. Bu değişim direkt sıvı akışı ile ilgilidir. Verici ile alıcı arasındaki değişim süresi
akış hızıyla lineer bir değişim gösterir. Bu değişim göstergede akış hızı olarak kalibre
edilir. Pahalı olmasına karşılık hassas ve kullanışlı bir cihaz olması, akışı çift yönlü
ölçebilmesi, herhangi bir basınç düşümüne sebep olmaması bir avantajdır. Ultrasonik
akış ölçümü gazlarda kullanılamamaktadır. Ultrasonik akış ölçerler elektrikli bir sinyal
taşımadığından parlama ve patlama etkisi oluşturmaz. Bu özelliklerinden dolayı gerek
petrokimya ürünlerinin akışının ölçülmesi gerekse yanıcı ve parlayıcı gazların
ölçülmesinde çokça kullanılır. Günümüzde üretilen sensörler bu işi oldukça yüksek
çözünürlükte yapma imkânı sağlamaktadır. Nehirlerin akış hızlarının ölçülmesinde
yapılan özel savaklar yardımı ile ultrasonik akış ölçerler kullanılmaktadır.
25
Ultrasonik akışölçer
Uygulama alanları
iyileştirme, çamurlu su ve proses suyu pompalama
kullanılmak üzere debi ölçümü
1.7. Elektromanyetik Akış ölçerler
Manyetik akış ölçümü Faraday’ın elektromanyetik indüksiyon kanuna göre
çalışmaktadır. Bir mıknatısın iki kutbu arasında bir manyetik alan meydana gelir.
Manyetik alan içinde hareket eden cisimler de elektrik akımı oluşturur.
Manyetik alan oluşumu
26
Elektromanyetik akış ölçerler akışı ölçülmekte olan maddeyi elektriksel alarak iletken
olması şartı ile birçok sıvıya ve bulamaca uygulanmaktadır. Akış tüpü doğrudan
borunun içine monte edilir. Elektromanyetik akış ölçer seri bağlı iki bobine sahiptir.
Bobin enerji kazandığı zaman, sıvı etrafında akım etkisi ile bir manyetik alan oluşturur.
Boru kenarına iki iletken elektrot sıvı akışına ve manyetik alana dik olarak yerleştirilir.
Boru içerisindeki sıvı akışkanın hız değişimi, manyetik alanda etki yaparak değişimi
elektrotlara iletir, elektrotlar da ölçü aletine sinyal gönderir. Ölçü aletinin almış olduğu
sinyalle göndermiş olduğu değişim, akış hızının değişimi ile lineer bir değişim gösterir.
Elektromanyetik akış ölçümü prensibi
Elektromanyetik akış ölçerin kısımları
Elektromanyetik akış ölçerler elektriksel iletkenliği çok küçük olan hidrokarbonlar
dışında çok çeşitli sıvıların (kirli sıvılar, hamurlar, asitler, ince çamurlar ve alkaliler vb.)
hızını ölçebilir. Ancak iletkenliğin 1μohm/cm'den büyük olması zorunludur. Bu ölçme
27
cihazları akışa müdahale eden cihazlar değildir. Bu cihazlar, akışkanda basınç düşüşüne
neden olmaz. Akış hızı tüpün dışından olur.
Elektromanyetik akış ölçerlerin avantajları
doğruluk (< ±%
0,5) ve tutarlılık seviyesine sahiptir.
değişkenliklerden hemen hemen etkilenmez.
engel değildir.
Elektromanyetik akış ölçerlerin dezavantajları
eten yüksektir.
kullanılması
gerekir.
ölçerlerde elektriği iletmeyen (yalıtkan) sıvıların debisinin ölçülmesi
mümkün değildir.
Elektromanyetik akış ölçer
28
2. SEVİYE KONTROLÜ
Seviye ölçümü yapmak aslında ölçülecek nesnenin miktarını öğrenmektir. Proses
kontrol amacıyla üretimde takip edilen dört ana değişkenden birisi de seviyedir.
Özellikle sıvılarda miktar ölçümü hacim olarak yapılır. Hacim ölçümü ise sıvıların
bulunduğu kapların fiziksel boyutları ile hesaplanabilmektedir. Taban alanı belli olan
bir su kulesinde suyun yüksekliğini doğru olarak ölçebilir ve suyun miktarını
bulabilirsiniz. İşte bu nedenlerden dolayı seviye ölçümü; sıvı miktarlarının
ölçülmesinde, tanecikli katıların miktarlarının ölçülmesinde oldukça önemlidir. Seviye
ölçümü uygulamaları, endüstride çok önemli bir yere sahiptir. Uygun seviye ölçüm
metodunun belirlenmesi kritiktir. Zira her yöntem her uygulamada kullanılamaz. Seviye
ölçüm yöntemi, seviyesi ölçülen maddenin cinsi ve sıcaklığı, tankın basınçlı veya
atmosfere açık oluşu, tankın boyut ve konumu istenen hassasiyet değeri, mekanik veya
elektriksel bağlantı koşulları, maliyet beklentisi gibi parametrelere göre değişiklik
göstermektedir.
2.1. Tanımı
Seviye kontrolü maddenin seviyesinin, referans nokta ile istenilen seviyede veya istenen
seviyeler arasında tutulmasıdır. Seviye kontrolü yapılacak maddenin seviyesinin
değişimi çeşitli yöntemlerle veya algılayıcılarla sürekli olarak ölçülür. Bu ölçülen
bilgiler bir sisteme veya kontrolöre gönderilir. Sistem veya kontrolörde belirlenmiş
programa göre seviye istenilen değerlerde tutulur.
2.2. Seviye ölçerler
Seviye kontrolü uygulamalarında, birçok eski ve geleneksel metot hâlen kullanılıyor
olmasına rağmen seviye ölçümüne genel bir bakış açısı oluşturmak ve farklı yöntemler
olduğunu bilmek de gereklidir.
29
Seviyeölçer ve donanımı
Seviye sensörleri iki grupta incelenebilir:
Noktasal seviye kontrolünde kullanılan seviye sensörleri:
Seviye sensörleri genellikle temaslı enstrümanlardır ve kabın içerisindeki ürünün belirli
bir noktadaki varlığının veya yokluğunun belirlenmesi için kullanılır. Nereye monte
edildiklerine bağlı olarak kabın, tankın, deponun dolu, boş veya aradaki bir seviyede
olduğunun sinyalini verir. Bu tip seviye sensörlerin bazıları, ultrasonik sensörler, kuru
ve katı malzemeler için pedallı seviye sensörleri, kapasitif problar, iletken problar, hem
sıvı hem katı malzemelerde kullanılan titreşim probları, yatay veya dikey olarak monte
edilen tekli veya çoklu şamandıralı seviye sensörleridir.
Sürekli tip seviye sensörleri: Diğer konu başlığında detaylıca anlatılmaktadır.
2.2.1. Sürekli Ölçüm Sağlayan Yöntemler
Temaslı veya temassız enstrümanlardır. Temaslı enstrümanların içerisinde, yük
hücreleri, hidrostatik basınç sensörleri, kapasite probları, rölelerin çekilip bırakılması
prensibi ile çalışan elektromekanik cihazlar, radar ve manyetostriktif (mıknatıssal
büzülme) prensibi ile çalışan cihazlar bulunur. Temassız sürekli seviye sensörleri ise
ultrasonik, açık hava radarları, lazerli veya nükleer seviye sensörlerini içermektedir.
30
2.2.1.1. Gözetleme Geyçleri (Ölçme Aleti )
Saydam borular ile seviye ölçümü yapmak için kullanılan gözetleme geyçlerinden en
çok kullanılanı seviye camlarıdır. Diğerleri ise yansıtıcı (refleks) cam seviye göstergesi
ve transparent tip seviye göstergeleridir.
Seviye camları: En basit seviye ölçme kabıdır. Bileşik kaplar ilkesine göre çalışır.
Tank kenarına monte edilen cam borudaki seviye ile tank içerisindeki malzemenin
seviyesi aynı olduğundan seviye, tank dışarısından kolaylıkla izlenebilir. Bu yöntemle,
sisteme herhangi bir mekanik veya elektronik müdahale olmadığından yalnızca görsel
olarak seviye kontrolü yapılabilmektedir. Tank içindeki sıvı seviyesi ile paralelindeki
gösterge kolu (seviye camı) içindeki sıvı seviyesi aynıdır. Yapıları basittir ve iyi sonuç
verir. Seviye camı üzerindeki bölüntüler yardımıyla tank içindeki sıvı seviyesi okunur.
Yüksekliği az olan tanklar için kullanımı daha pratiktir. Yüksek tanklar için ise uzun
seviye camları gerekir. Gösterge kolu camdan yapıldığı için kırılgandır.
Gözetleme camı seviye göstergesi
31
Seviye camları ve çalışma prensibi
Yansıtıcı (refleks) cam seviye göstergesi: Göstergeler, sıvı ve gaz fazlarında ışığın
farklı kırılması neticesi su ve buharın refleks camda farklı parlaklıkta görülmesi esası ile
çalışır. Sıvı akışkan ışığın yutulmasından dolayı koyu renk, buhar ise ışığın tekrar
yansımasından dolayı parlak olarak görülür. Bu tip seviye göstergelerinin, transparent
ve diğer göstergelere göre daha düşük ilk yatırım ve işletme maliyeti vardır. Ancak bu
tip seviye göstergelerinde iki sıvı arasındaki ayırma yüzeyi, sıvının rengi gözlenemez.
Ayrıca yüksek basınçlı buhar uygulamalarında ve camı aşındırabilecek proses
akışkanlarında (yüksek sıcaklık alkalin çözeltileri veya hidroklorik asitler gibi) camı
korumak için mika kullanımı gerektiğinden refleks cam uygun değildir. Bu
uygulamalarda transparent tip seviye göstergeleri kullanılır.
Yansıtıcı (refleks) cam seviye göstergesi ve çalışma prensibi
32
Saydam boru kullanarak seviye ölçüm prensibi ve çeşitli saydam borular
Yansıtıcı (refleks) cam seviye göstergesi
Transparent tip seviye göstergeleri: Transparent tip seviye göstergeleri, arasında
akışkan bulunan birbirine paralel iki düz transparent camdan oluşmaktadır. Akışkan
seviyesi, iki akışkanın farklı ışık geçirgenliğinin sonucu olarak gösterilir ve buharda ise
sıvı ve buhar ayırma yüzeyi gösterge arkasından gelen ışık kaynağı ile eliptik formda
görülür. Transparent tip seviye göstergeleri hemen hemen tüm akışkanlar için uygundur.
Bu tip seviye göstergelerinde aşındırıcı ortamlarda mika vb. koruyucu kullanılabilir.
Sıvı rengi ve iki sıvının ara yüzeyi gözlenebilir. İlk yatırım maliyetleri refleks
tiplere oranla daha yüksektir.
33
2.2.1.2. Şamandıralı Cihazlar
Şamandıralı cihazlar kullanım şekillerine göre farklılıklar gösterir. Üç çeşitte
incelenebilir.
Bu tip seviye ölçerlerde şamandıra bir şerit
vasıtasıyla bir makaraya bağlanmıştır. Bu makara sağa sola döndükçe üzerine tespit
edilmiş ibreyi de hareket ettirir. İbrenin hareket ettiği miktar bir skala boyunca seviye
karşılığı olarak ölçümlendirilmiştir. Makaranın bir yere takılması ya da yükselen
seviyeye rağmen dönüş yapmaması, şamandıra ile makara arasındaki ipin gergin
olmaması gibi durumlar yanlış değer okunmasına neden olur. Bu sebeple şeridin boşta
kalan ucuna bir denge ağırlığı bağlanır. Bu denge ağırlığı şeridin gerginliğini ve
makaranın dönebilmesi için gerekli baskıyı sağlar. Şamandıra, tank içindeki sıvının
çeşitli nedenlerle dalgalanması ile tank çeperine doğru sağa sola sürüklenebilir. Bu
durumda şeridin okunan uzunluğu gerçek değerden fazla olacaktır. Tank içindeki
sıvının seviyesi olduğundan daha düşük ölçülür. Bunu önlemek için şamandıranın dik
hareket etmesini sağlayan kılavuz teller kullanılır. Bu tür seviye ölçerlerde
karşılaşılabilecek sorunlar şunlardır:
Şeritli şamandıralı seviye ölçer
34
Şamandıra çeşitleri
göstergeler Bu tür seviye ölçerlerde şamandıra bir şerit ya da
makaraya değil de bir kola bağlanmıştır. Sıvı seviyesi değiştikçe manivela bir ibreye
bağlı olan mili büker. Mil döndükçe bağlı olduğu ibreyi seviye skalası üzerinde
döndürür. Tankın içindeki sıvı ibre kenarlarından sızıntı yapabilir. Bunu önlemek için
mille gösterge arasına salmastra kutusu konur.
Kollu şamandıralı göstergeler
35
2.2.1.3. Kapasitans Sondalar
Bu yöntemde kapasitans probları (kondansatörler) kullanılır. Kondansatör, bir yalıtkanla
ayrılmış iki iletkenden oluşur. İletkenler plaka ve yalıtkan da dielektrik olarak
adlandırılır. Kondansatör elektrik yükünü kabul eder ve depolar. Bir kondansatör bir
bataryaya bağlandığında elektronlar bataryanın negatif ucundan kondansatöre doğru
akacak ve kondansatörün karsı plakasındaki elektronlar bataryanın pozitif ucuna doğru
akacaktır. Bu elektron akısı kondansatör üzerindeki gerilim uygulanan gerilime eşit
olana kadar devam edecektir.
Kondansatör
Kondansatörün kapasitesi, iletkenlerin alanı ve birbirlerine olan uzaklıklarından başka,
aradaki sıvının dielektrik katsayısına bağlıdır. Bu özellik kondansatörün seviye
ölçümünde kullanılmasını sağlar. Plakalar, doğrudan tanka daldırılır. Seviye
yükseldikçe plakalar arası sıvı ile dolar. Bu durum dielektrik katsayısının değişmesine
ve dolayısıyla kapasitenin değişmesine neden olur. Kapasitedeki değişimi ölçülerek
seviyedeki değişimi ölçebiliriz.
36
Kondansatör ile seviye ölçümü
2.2.1.4. Basınç Algılayıcılar
Sıvı seviyesinin sürekli ölçümünde en eski ve sık kullanılan yöntemlerden biri de kabın
içerisindeki sıvının tabana uyguladığı basıncın ölçümüdür. Basınç sensörleri aynı
zamanda tank içindeki sıvının derinliğini ölçmede de kullanılabilir. Bu sensörler sıvı
sütunun tabana yaptığı basınç ölçülerek seviyenin algılanmasına olanak sağlar. Bir kap
içindeki sıvı, yüksekliği ve yoğunluğuna bağlı olarak zemine basınç uygular. Sıvıların
yükseklikleri tabana yaptıkları basınçla doğru orantılıdır. Sıvı yükseldikçe bulundukları
tabana uyguladıkları basınç değeri de artar. Bu metotta tank içindeki sıvının
yoğunluğunun bilinmesi gerekir. Suyun yoğunluğu 1 g/cm³tür. 1,0 m yüksekliğindeki su
tabanına 0,1 kg/cm²lik bir basınç uygular. Ancak yoğunluğu 13,6 g/cm³ olan cıva ise 1,0
m’lik yükseklikte 1,36 kg/cm²lik basınç uygular. Tankın tabanına bir basınçölçer bir
değer verir. Ölçülen basınç değeri sıvının yoğunluğuna bölündüğünde tank içindeki
seviye bulunmuş olur.
L: Seviye
P: Ölçülen basınç değeri
D: Sıvının yoğunluğu
Örnek: İçerisinde su (d=1 g/ cm³) bulunan bir tankın tabanındaki basınç 0,4 kg/cm²
olarak bulunmuştur. Tank içindeki su seviyesini bulunuz.
Çözüm:
P = 0,4 kg/cm2 = 400 g/cm2 D=1 g/cm3
37
Basınç yardımıyla seviyenin bulunması
2.2.1.5. Mikrodalga Algılayıcılar
Yüksek frekanslı mikrodalga darbeleri kablo veya çubuk boyunca yönlendirilir. Bu
darbeler ürün yüzeyi tarafından yansıtılır ve elektronik modüller tarafından algılanır. Bu
ölçüm prensibi sayesinde, ürün ile ilgili sürekli bir ayar gerekmez. Cihazlar önceden
istenilen prob ayarlarına göre belirlenmiştir. Kablo veya çubuk çeşitleri yerel olarak
farklı şartlarda uygulanabilir.
Avantajları
altında bile
çalıştırılması ölçüm doğruluğunu etkilemez.
unluk değişiklikleri, farklı granül boyutları veya akışkanlık derecesi doğruluğu
etkilemez.
için
herhangi bir sorun teşkil etmez.
kimleri ve yapışmalar ölçüm
sonuçlarını etkilememektedir.
2.2.1.6. Ultrasonik Algılayıcılar
“Ultrasonik” insan kulağının duyabildiği frekansta yer alan sesin hemen üstünde
bulunan yüksek frekanslardaki sese verilen isimdir. Bu frekans aralığı 20- 500 KHz
38
arasındaki bir başka deyişle genlik modülasyon bandının hemen altındaki frekanslarda
yer almaktadır. Bu bilginin ışığında içinde sıvı bulunan tanktaki seviye ultrasonik ses
dalgaları yardımıyla bulunabilir. Tankın üstüne yerleştirilen transdüser içerisindeki
piezoelektrik kristal, elektriksek sinyalleri belirli bir frekans ve sabit hızla ortam
içerisinde dalgasal olarak hareket eden ses enerjisine dönüştürür. Ses dalgaları yayılır ve
eko olarak transdüsere (Transdüser, bir enerji biçimini başka enerji biçimlerine
dönüştüren cihazdır.) geri döner. Sıvı yüzeyine gönderilen ultrasonik dalganın sıvı
yüzeyine ulaşması ve yüzeyden yansıyıp detektöre ulaşması belli bir zaman alır.
Cihaz, basitçe dalganın yayılmaya başlamasıyla, yüzeyden yansıyarak geri dönmesi
arasında geçen süreyi ölçer. Bu süre, transdüser ile seviyesi ölçülmek istenen
malzemenin yüzeyi arasındaki uzaklıkla doğru orantılıdır ve malzemenin seviyesinin
ölçülmesi için kullanılabilir.
Ultrasonik algılayıcılar ve prensibi
Şekilde bir ultrasonik seviye algılama sisteminin basitleştirilmiş blok seması
görülmektir. Çalışma sırasında, iletilen ultrasonik işaret transdüser yüzünden sabit bir
uzaklıkta bulunan bir referans yansıtma ucundan yansıtılır ve transdüser yüzüne
dönüşünde bir elektriksel işarete dönüştürülür.
39
Ultrasonik seviye algılayıcısının blok şeması
Ultrasonik seviye algılayıcıları eko kaydetme ilkesine benzer tek sensörlü sistemlerle
sınırlı değildir. Daha kullanışlı sistemlerde belirli bir aralıkla yerleştirilmiş verici ve
alıcı bulunmaktadır. Sekil de bir çift sensörlü tasarım görülmektedir. Boşluk sıvıyla
dolduğunda, sensör boşluğundan karsıya gönderilen ultrasonik işaret alıcı kısmında
elektriksel işarete dönüştürülür ve kontrol biriminde yükseltilerek bir röleyi enerji
kazandırır. Sıvı sensör boşluğunun altına düştüğünde işaret değişir. Böylece elektriksel
işaret azalır ve rölenin enerjisi kesilir.
Ultrasonik çift sensör
Bu özel sensör kalın, viskoz, köpüklü sıvılar ve yüksek sıcaklıklardaki sıvılarla
çalışmak için çok iyi bir seçimdir. Çıkış işaretinin enerji kazandığında röleler seviye
göstergeleri, kaydedicileri, denetim aygıtları, pompalar ve diğer seviye bilgisi işleme
donanımını çalıştırmak için elektriksel işaret sağlar.
Basit eko aygıtlarının tersine, ultrasonik sistemler genellikle sensör yüzünde sıvı
birikmesinden, yapışkan damlacıklardan, köpük, buhar ve viskozite değişimlerinden
etkilenmez. Ultrasonik aygıtların çoğu sıcaklık ve basınç için otomatik kompanzasyona
40
sahiptir. Ultrasonik seviye ölçümlerinde, sesin havadaki yayılma hızı da bilindiğine
göre sıvı seviyesi şu şekilde bulunabilir.
L: Tankın içindeki sıvı seviyesi
h: Tank yüksekliği (metre)
T. Zaman (saniye)
V: Sesin havadaki hızı (340 m/sn.)
Örnek: 10 m yüksekliğindeki bir sıvı tankında ultrasonik metot ile seviye ölçümü
yapılmaktadır. Ölçüm sonucunda ses dalgasının gidiş-dönüş süresi 0,02 sn. olarak
ölçülmüştür. Tank içindeki sıvı seviyesini bulunuz.
Çözüm: L=10-(0,02 / 2 x 340)
L=10-3,4
L= 6,6 m olarak bulunur.
2.2.2. Kısa Aralıklı Algılama Veren (Ölçüm Sağlayan) Yöntemler
Kısa aralıklı algılaması veren seviye ölçerleri çalışma prensiplerine göre aşağıdaki
şekilde sınıflandırılabilir:
2.2.2.1. Manyetik Yöntemler
Temel olarak sıvının kaldırma kuvvetinin kullanıldığı görüntülü ölçüm yöntemidir.
Birleşik kaplar prensibi gereği, tank ile manyetik seviye göstergesi içerisindeki sıvı
seviyeleri aynıdır. Gösterge gövdesi içine yerleştirilen ve her sıvının yoğunluğuna bağlı
olarak kaldırma kuvvetine göre tasarlanan şamandıranın içerisindeki mıknatıs, ana
gövdenin dış yüzeyine yerleştirilmiş gösterge içerisindeki mıknatıs ihtiva eden sezgi
elemanlarını etkiler ve seviyenin yükselmesi veya alçalması sırasında sezgi
elemanlarının sıra ile dönmesini sağlar. Sezgi elemanlarının farklı renklerde olan iki
yüzü sayesinde de seviye bilgisi tank dışarısından kolaylıkla izlenebilir. Gövdenin
üzerine yerleştirilen sıralı reed röleler yardımıyla sürekli seviye bilgisi analog sinyale
dönüştürülebilirken yine gövde üzerine istenen noktalara yerleştirilecek reed kontaklar
sayesinde noktasal seviye kontrolü de yapılabilmektedir.
41
Manyetik seviye ölçümü
Manyetik seviye göstergeleri tank, kazan ve depoların yan ve üst yüzeylerine monte
edilir. Seviyeyi kolaylıkla ve yüksek doğrulukla görme imkânı vardır. Yüksek basınçlı
tanklarda ve kazanlarda seviye ölçümü uygulamalarında kullanılabilecek en ekonomik
ve sık rastlanan yöntemlerden biridir. Ekonomik oluşu, bakım ve montaj kolaylığı ve
değişik montaj şekilleriyle kullanıcısına avantaj sağlar.
2.2.2.2. Elektrikli Yöntemler
Ölçüm sırasında elektrik sinyali kullanılarak ölçme işlemi gerçekleştiren yöntemdir.
Elektriksel yöntemle ölçme işlemi yapan algılayıcı tipleri aşağıda anlatılmıştır:
İletkenlik tip seviye şalterleri: Temel olarak düşük voltaj kaynağı ile (genellikle <
20 V) elektrik akımını iletebilen malzemelerin iletkenliğinden yararlanılarak seviye
ölçümü yapılır. Yani bu cihazla elektriği iletebilen sıvıların seviyeleri ölçülebilir. İki
elektrot kullanılır. Elektrotlardan biri sıvının sürekli içinde durur. Diğer elektrot ise bir
üst seviyeye ulaşıldığında sıvının içinde, bir alt seviyeye ulaşıldığında sıvının dışında
kalacak şekilde yerleştirilir. İletken sıvının bu iki elektrot arasında iletkenliği sağlaması
veya kesmesine göre sinyal alınır. Sürekli sinyal sağlamaz. Alt ve üst seviyeler arasında
kontrol amacıyla kullanılır. İletken ve iletken olmayan iki sıvının ara yüzeyinin
seviyesinin tespitinde de kullanılabilir.
Isıl kütle: Bu cihazlar, ısının sıvı içerisinde yayılımı ile havadaki yayılımını
karşılaştırarak sıvının varlığını veya yokluğunu belirler. Sensör, termistor formu ile bir
direnç ihtiva eder. Termistör, kendisine gerilim uygulandığında ısıtıcı gibi davranır ve
aynı zamanda ısıyı algılar ve elektrik sinyaline dönüştürür. Termistör tarafından
yaratılan ısı, sıvı içinde yayıldığı anda switch çıkışı elde edilir.
Endüktif tip seviye şalterleri: Bu yöntemde manyetik alan geçirgenliği
(permabilite) ölçülür. Laboratuvar çalışmaları dışında pek görülmez. Tank
empedansının değişimini izlemek için pek pratik değildir, büyük miktarlarda enerji
gerektirir. Öte yandan, tankın oluşturduğu sistemin sağladığı çalışma frekansının
42
(rezonans frekansı) değişimi ile de en azından şalter olarak ölçüm yapmak mümkündür.
Metal detektörlerinin de çalışma prensibi budur. Ancak seviye ölçümünde
uygulanabilirliği zayıftır.
2.2.2.3. Kızılötesi Işınlı Yöntemler
Bazı sıvılara temas etmek son derece tehlikelidir. Bu durumda daha önce bahsedilen
seviye ölçme yöntemleri kullanılamaz. Bu tür sıvılarda tank içine seviye ölçme
amacıyla hiçbir cisim konulamaz. Ama uygun bir sistem yardımıyla tank içindeki sıvı
içinden bir ışık geçirilebilir. Bu ışığın tank üstünde tespit edilebileceği miktar tank
içindeki sıvının seviyesi ile orantılıdır.
Kızıl ötesi seviye ölçer
Tank içindeki korrozif sıvıya hiçbir şey temas ettirmeden sıvı seviyesi ölçülebilir. Tank
içindeki sıvı berrak ve ışığın geçmesine uygunsa ışık kaynağından çıkan ışıklar detektör
tarafından algılanıp ölçülebilir. Tankın içindeki sıvı seviyesi arttıkça tankın tepesindeki
detektöre daha az ışık gelir. Buna karşılık detektörün tespit edebildiği ışık miktarındaki
artış, tanktaki sıvı seviyesinin azaldığını gösterir.
Bu durumda detektörün değişik sıvı seviyelerinde göstereceği değerlerden hareketle
uygun bir skala hazırlanır. Tanktaki sıvı seviyesi istenildiği anda ölçülebilir. Ancak bu
tür göstergeler temiz ve berrak sıvıların seviye ölçümünde kullanılabilir. Işığın geçişine
uygun olmayan sıvılarda kullanılamaz.
43
2.2.2.4. Radyo Frekanslı Yöntemler
X ve δ ışınları gibi radyasyon kaynaklarından yayımlanan çok yüksek dalga boylu
ışınlar bulanık ve ışık geçirmez sıvılardan da geçebilir. O hâlde bu tür ışınlar
kullanılarak normal ışınların geçemeyeceği sıvıların da seviyeleri ölçülebilir. Yalnız X
ve δ ışınları doğru ve dikkatli kullanılmadığında çok tehlikelidir. Personel bu konuda
çalışmaya başlamadan önce çok dikkatli bir biçimde eğitilmelidir. Çalışma sırasında da
radyasyondan korunmak için radyasyon kaynağı çok iyi siperlenmelidir. Bu yöntemde
de ışının ne kadarının radyasyon kaynağından detektöre ulaştığı ölçülür. Detektöre
ulaşan ışın miktarı ne kadar fazla ise tank içindeki sıvı miktarı o kadar düşüktür. Aynı
şekilde ölçülen ışın miktarındaki azalma sıvı seviyesinin yükseldiğini gösterir. Işının ne
kadarının radyasyon kaynağından detektöre ulaştığı ölçülür. Detektöre ulaşan ışın
miktarı ne kadar fazla ise tank içindeki sıvı miktarı o kadar düşüktür. Aynı şekilde
ölçülen ışın miktarındaki azalma sıvı seviyesinin yükseldiğini gösterir.
44
2.3.Seviye Ölçüm Yöntemlerinin Karşılaştırması
45
46
Seviye Ölçüm Sensör Çeşitleri
Şekil 1.3: Tablo 1.1’de görülen sensörlerin kullanım örnekleri
47
3.KUVVET, AĞIRLIK VE BASINÇ ÖLÇÜMÜ
3.1. Kuvvet Ölçümü
Kuvvet veya ağırlık ölçümü kavramları, endüstriyel olmayan konularda dahi en sık
karşılaşılan kavramlardır. Endüstride bu niceliklerin ölçümü üretimin önemli
bölümlerindendir. Depo dolum, torbalama, dozajlama, kalite kontrol, vidalama, güç,
seviye ölçme vb. daha birçok endüstriyel alanda bu niceliklerin ölçülmesi
gerekmektedir. Kuvvet ya da ağırlık ölçümü, oldukça özen gerektiren işlemlerdir.
Yanlış hazırlanmış bir ilaç, insanların hayatına mal olabilir. Karışımı doğru yapılmamış
bir çimento, binaların yıkılmasına sebep olabilir.
Eğer bir cisim serbest bırakılırsa ya yer çekiminden kaynaklanan ivme ile ya da
konumuna ait serbest düşme ivmesiyle düşmeye başlayacaktır. Dünyanın cisimler
üzerine uyguladığı çekimden oluşan ivme ile dünyanın kendi ekseni etrafındaki
dönmesinden kaynaklanan ivme bileşeninin toplamından oluşan bileşke ivme “g” ile
belirtilir. “g”nin değeri konum ve yüksekliğe bağlı olarak değişmekte ve bu değişim
ekvator ile kutuplar arasında yaklaşık yüzde 5 olmaktadır. “g”nin yaklaşık değeri 9.81
m/s2dir. Kuvvetin uygulama standartlarını oluşturmak için yerkürenin yüzeyine bağlı
hareketsiz duran, belli kütlelere etkiyen yer çekimi kuvvetlerin belirlenmesinde “g”nin
kesin değerini bilmek zorunludur. Kuvvet ölçüm sistemlerinin ve cihazların ölü-yük
ayarlamalarına ait uygulama standartları bu gözleme dayandırılmıştır.
3.1.1. Kütle, Kuvvet, Ağırlık Kavramları
Ağırlık-ölçüm (kütle-ölçüm) ve kuvvet-ölçüm sistemlerinin birimleri arasında açık bir
ayrım yapmak gerekir. Kuvvet-ölçüm sistemleri “Newton” olarak ayarlanırken ağırlıkölçüm sistemleri kilogram olarak ayarlanabilir. Kütle, kuvvet ve ağırlık aşağıdaki gibi
tanımlanır.
Kütle: Bir cismin kütlesi, o cismin içindeki madde miktarı olarak tanımlanır. Bu
miktar, cisim herhangi bir yere götürülürse bile sabit kalır. Kütlenin birimi kilogramdır
(kg).
Kuvvet: Hareketsiz veya hareket hâlindeki bir cismin hızında bir değişim meydana
getiren ya da meydana getirme eğiliminde olan büyüklüktür. Kuvvetin bir sayısal
büyüklüğü, bir yönü ve bir de uygulama noktası vardır. Kuvvet, Newton’un harekete ait
ikinci kanunu yoluyla kütle ile ilişkilidir. Bu ilişki, Kuvvet = kütle*ivme şeklindedir.
Birim kuvvet, uluslararası birim sisteminde kuvvet birimi Newton’dur (N). Newton, bir
kg’lık kütleye uygulandığında ona saniyede bir m/s’lik bir hızlanma veren kuvvettir
(m/s2).
Ağırlık: Bir cismin yerkürenin yüzeyine göre hareketsiz m kütlesine ait F ağırlığı, o
cisme yer çekimi tarafından uygulanan kuvvet olarak tanımlanır
F=mg. Burada g, yer çekiminden dolayı oluşan ivmedir.
48
3.1.2. Matematiksel Eşitlikler ve Endüstriyel Standartlar
Fiziksel parametreye bağlı olmayan tek temel SI birimi kilogramdır. Kilogram sadece
kütlesi sabit bir cisme bağlıdır. Kütle, Paris-Sevres’de bulunan uluslararası kilogram
prototipinin kütlesi olarak tanımlanmıştır. 1889 yılında yapılan I. Ölçüler ve Ağırlıklar
Konferansı’nda (Conference Generaledes Poids et Mesure, CIPM) kütle birimi
kilogram, Sevres de Bureau International des Poids et Mesures (BIPM)’te muhafaza
edilen uluslararası kilogram prototipin kütlesi olarak kabul edilmiştir. 1901 yılında
yapılan III. Ölçüler ve Ağırlıklar Konferansı'nda (Conference Generaledes Poids)
yoğunluğu 21500 kg/m3 olan % 90 platin - % 10 iridyum alaşımından yapılmış, 39 mm
çapında ve 39 mm yüksekliğinde silindir biçimindeki bir ağırlık olarak tanımlanmıştır.
Türkiye’deki referans prototip numarası 54 olan ağırlık, Ulusal Metroloji Enstitüsü
UME’de bulunmaktadır.
Prototip kütlenin tanımı
3.1.3. Çeşitli Mekanik Ölçüm Yöntemleri
Kuvvet ölçüm yöntemleri, doğrudan karşılaştırma ve dolaylı karşılaştırma olmak üzere
iki gruba ayrılabilir. Bir doğrudan karşılaştırma yönteminde bilinen bir kütle üzerine
etki eden bir yer çekimi kuvveti ile bilinmeyen bir kuvvet direkt olarak karşılaştırılır.
Basit bir analitik denge, bu yöntemin bir örneğidir. Dolaylı karşılaştırma, yöntemi ayar
yapılmış kütlelerin veya transdüserlerin kullanımını gerektirir.
-denge yöntemleri
-denge yöntemi
49
Kol denge yöntemi ile ölçüm yapan eşit kollu terazi
3.1. 4. Yük Hücresi (Loadcell)
3.1.4.1. Gerilme Ölçer (Strain Guage) Yapısı ve Çeşitleri
Gerilme ölçer (strain guage) telin uzunluğu değişince direnci değişen bir elemandır.
Gerilme ölçer, gerildiğinde uzayan ve sıkıştırıldığında kısalan bir çelik silindire
bağlıdır. Gerilme ölçer, silindire bağlı olduğundan silindirle birlikte uzayacak veya
kısalacaktır. Direnç değeri gerilme ölçerin yapıldığı telin uzunluğu ile orantılıdır.
Gerilme ölçerin direnci ölçülerek yük hücresi üzerindeki yükü saptamak mümkündür.
Çeşitli gerilme ölçer örnekleri
Pratikte kuvvet doğrudan uygulanamaz. Gerilme ölçer, genellikle gerilim altında
bulunan yapı elemanına yapıştırılır. Şekil değişikliği ölçen cihazın bağlanmış olduğu
cisimlerin şekil bozukluğunu tam olarak gösterebilmesi için çok hafif ve duyarlı olması
gerekir. Ayrıca şekil değişikliğini ölçme cihazlarının istenmeyen yöndeki şekil
50
değişikliklerini dikkate almaması gerekir. Bunu sağlamak için çapraz duyarlılık veya
gösterge faktörü denilen bir kavram vardır.
3.1.4.2. Yük Hücresi (Loadcell) Yapısı
Yük hücrelerinde dört adet gerilme ölçer kullanılır. Bunlar wheatstone köprüsü şeklinde
bağlantılıdır (Şekil 1.2). Köprüye bir gerilim uygulandığında çıkış gerilimi uygulanan
yüke orantılı bir gerilim olacaktır.
Yük hücrelerinde Şekil 1.2’de de gösterildiği gibi iki giriş ve iki çıkış olmak üzere
toplam dört uç bulunur. Bazı yük hücrelerinde bu uçlara ek olarak iki uç daha bulunur.
Bunlar +duyu (+sense) ve -duyu (-sense) uçlarıdır. Bu uçlar Şekil 1.3’te gösterildiği gibi
giriş uçlarıyla aynı yere bağlıdır ve amacı yük hücresi bağlantılarında herhangi bir
kopukluk meydana gelip gelmediğini tespit etmektir.
Yük hücresi iç yapısı (4 uçlu düzenleme)
51
Yük hücresi iç yapısı (6 uçlu düzenleme)
3.1.4.3. Yük Hücresi (Loadcell) Çeşitleri
Yük hücreleri kapasitelerine göre çeşitli şekillerde üretilir. Bu türler Tablo 1.2’de
verilmiştir.
Tablo 1.2: Kapasitelerine göre yük hücresi türleri
Eğilme tipi yük hücresi
Eğilme tipi yük hücreleri, kesme kuvveti prensibi ile elektronik ağırlık ve kuvvet ölçme
uygulamalarında endüstriyel ortamlarda kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Eğilme tipi
yük hücreleri, düşük ağırlıkların söz konusu olduğu yerlerde özellikle platform
kantarları, torbalama ve dozajlama makineleri ve bant kantarlarında kullanılmaktadır.
52
Kesme tipi yük hücreleri, kesme kuvveti prensibine göre çalışan yüksek hassasiyetli
elektronik kuvvet ve ağırlık ölçme sistemleri için tasarlanmıştır. Bu yük hücreleri, baskı
yönünde kullanılmak için geliştirilmiş olup özellikle platform kantarları, işlem
ölçümleri ve mekanik elektronik dönüşümlerde uygulama alanı bulur.
Kesme tipi yük hücresi
S tipi yük hücreleri, kesme kuvveti prensibi ile basma ve çekme yönünde çalışan kuvvet
ölçüm uygulamaları için geliştirilmiştir. Özellikle bant kantarları ve mekanik terazilerin
elektroniğe çevrilmesinde kullanılır.
S tipi yük hücresi
Platform tipi yük hücreleri düşük kapasiteli ve tek yük hücreli platform kantarlarında,
yükleme noktasının değişken olabildiği uygulamalarda kullanılmaktadır. Alım-satım
basküllerinde, endüstriyel parça sayma terazilerinde, torbalama ve dozajlama
makinelerinde, tıbbi ve bilimsel alanlarda yoğun bir şekilde kullanılmaktadır.
Platform tipi yük hücresi
53
Basma tipi yük hücreleri, kesme kuvveti ile basma yönünde çalışan yüksek hassasiyet
ve yüksek kapasiteli elektronik ağırlık ve kuvvet ölçme uygulamalarında kullanılmak
üzere geliştirilmiştir. Tank ve vagon tartım sistemleri ve çok yüksek kapasiteli kantarlar
gibi basma yönünde yük uygulamaları için geliştirilmiştir.
Basma tipi yük hücresi
Kablo gerilim sensörü yük hücreleri (loadcell), aşırı yük koruma amacı ile asansör veya
vinçlerde hareketsiz olan çelik halatlara monte edilir. Çelik halatlardaki gergi yükünü
algılar. 2 veya 4 halatlı sistemlerde kullanılır.
Kablo gerilim sensörü yük hücresi
Merdane gerilim sensörü yük hücreleri (load cell), merdanelerin miline takılarak
merdane üzerine gelen yüklerin algılanmasında kullanılır. Kendi içinde bulunan bilyesi
ile montaj kolaylığı sağlar. Merdaneden geçen malzemenin gerginliğini algılamakta
kullanılır.
Merdane gerilim sensörü yük hücreleri
54
3.2. Basınç Ölçümü
Hiç düşündünüz mü oynadığınız top neden sıçrıyor? Babaannemizin tansiyonu neden
yüksek? Tansiyon nedir? Balon neden şişiyor? Endüstriyel üretimde basınç, nerelerde
kullanılıyor? Acaba su depolarında ne kadar su olduğu nasıl anlaşılıyor? Tüm bu
soruların cevabı basınç nedir sorusunun altında yer alıyor. Basınç, insan hayatının
idamesinde her şeyden önce gelir. Üretim ve denetimde ise gerekliliği tartışılmayacak
kadar çoktur.
3.2.1. Basınç Nedir?
Genel tanımı; “alan başına düşen kuvvet”tir.
Alana düşen kuvvet
Örnek 2.1: 100 cm2lik yüzey alanına sahip bir baskülde duruyorsunuz. Baskül
göstergesinde 70 kg’lık kütle görünüyor. Oluşturduğunuz basınç ne kadardır?
55
3.2.2. Basıncın Birimleri
Tablo 2.1: Basınç dönüşüm tablosu
3.2.3. Basınç Regülatörü
3.2.3.1. Regülatörün Yapısı
Basınç regülatörleri birçok değişik tipte imal edilebilmektedir. Bunların çoğu, belli bir
uygulama itibarıyla diğerlerinden fazla olarak bir veya iki üstünlüğe sahip olacak
biçimde tasarlanmaktadır. Her biri biraz farklı bir tasarımda ve yapıda olmasına rağmen
basınç regülatörlerinin tümü, esas itibarıyla aynı çalışma prensibini izler. Bir diyafram
tipi basınç ayar valfinin çalışması ile ilgili olarak aşağıda verilen açıklama, Resim 2.1’in
incelenmesiyle daha açık biçimde anlaşılabilir. Dağıtıcı (veya kollektör) basınç hattı,
valfin giriş ağzına bağlıdır. Çıkış (veya ayar) hattı ise çıkış ağzına bağlanmıştır.
Ayar vidası ve yay üzerinde etki eden hiçbir kuvvet mevcut olmaması hâlinde (sıfır
basınç durumunda), regülatör içinde hiç akış yoktur. Bu durumda sızdırmazlık elemanı;
valfin hemen altında bulunan küçük bir yay ve giriş hattındaki basınç vasıtasıyla
yuvasına bastırılarak kapalı konumda tutulur. Ayar vidası içeri doğru sıkıldığında yayın
sıkıştırılarak diyaframa daha fazla baskı yapması ve böylece diyaframı aşağı doğru
iterek sızdırmazlık elemanını açması sağlanır. Sızdırmazlık elemanı, subap iğnesi
vasıtasıyla diyaframa bağlı olduğu ve diyaframın herhangi bir hareketi elemana
iletildiği için diyafram hareketi, elemanı açık konumda olmaya zorlar. Sızdırmazlık
elemanı, yay kuvvetinin etkisiyle açık konumda olduğu sürece havanın valf içinden
geçerek çıkışa doğru akabilmesi sağlanır. Hava regülatör çıkışı içinden geçerken küçük
bir miktar diyaframın alt tarafına kaçar ve diyaframı yay basıncına karşı yukarı doğru
itmeye çalışır. İkincil basınç, yay basıncına eşit olduğunda sızdırmazlık elemanı yukarı
doğru çekilerek valf ağzını tamamen kapatır. İkincil hava kullanıldıkça hat basıncı düşer
56
ve diyaframın aşağı doğru hareket edebilmesine izin verir. Bu da daha fazla havanın
valf içinden geçebilmesini mümkün kılar. Valfin sistem içindeki etkisinin “akış” ve
“sıfır akış” durumu cinsinden tanımlanmış olmasına karşın bu değişiklik veya ayar
etkisinin hava hattı kullanıldığı sürece devamlı olarak meydana geldiği hususu hiçbir
zaman unutulmamalıdır. Örneğin; eğer ana hat basıncı 6 bar ise ve tali hat basıncı da 2.7
bar değerine ayarlanmışsa tali hatta bulunan hava kullanılmakta iken diyafram, yay
basıncı karşısında devamlı olarak yukarı ve aşağı doğru hareket eder. Diyaframın
hareketi valfin tamamen açılıp kapanmasını sağlayamaz fakat tali hat içinde hava
kullanıldığı sürece sürekli olarak sabit bir basınç elde edilebilecek şekilde gerekli
değişikliği sağlar.
Basınç regülatörleri
Basınç regülatörünün kesit görünüşü
57
Bu tip bir ayar valfi hakkında hatırda tutulması gereken üç nokta daha vardır. Birincisi;
basınç tahliyesi sağlayacak özellikte olmayan tahliyesiz regülatörde, sistemdeki yük
şartları tali hatta veya valf çıkışındaki basınç hattında aşırı yüksek basınçlara neden
olursa bu fazla basınç miktarını, regülatör vasıtasıyla hava tahliyesi yapmak suretiyle
normal değere düşürme imkânı yoktur. İkincisi; ana ve tali hatlar yüklü durumda iken
ve regülatör belli bir basınç değerine ayarlanmış ise havanın ilk kullanımı esnasında ve
çıkış debisinin 0m3/dak’dan pnömatik alet veya ekipmanın ihtiyaç gösterdiği değere
çıkması sırasında çıkış basıncı bir düşüş gösterir. Bu Bernouille etkisinin bir sonucudur.
Üçüncü önemli nokta da şudur: Çıkış debisi gerekli en büyük seviyeye yükselirken
basınçta hafif bir azalma meydana gelir. Pnömatik sanayideki yaygın adıyla “kuvvetten
düşme” veya “takat düşüklüğü” denilen bu durum, artan dâhilî sürtünme nedeniyle
ortaya çıkan basınç kaybının bir sonucudur.
3.2.3.2. Kullanıldığı Yerler
Basınç regülatörleri hava akımının veya basınçlı havanın kullanıldığı her yerde
kullanılmaktadır. Başlıca kullanım alanlarını şunlardır:
3.2.3.3. Montaj Şekilleri
Basınç regülatörleri sisteme seri bağlanır. Gelen basınçlı havayı ayarlamak için
kullanılır.
58
Basınç regülatörünün montaj şekli
Sabit basınçlı hava elde edebilmek için Şekil 2.4’te görüldüğü gibi regülatör hava
hattına seri bağlanır. Regülatörlerin kullanım alanlarına göre montaj şekilleri de değişir.
Farklı basınçlarda hava elde edebilmek için kullanılan sıralı minyatür regülatörler
aşağıda olduğu gibi bağlanır.
Çoklu basınç regülatörünün sıralı dizilişi
59
3.2.4. Fortin Barometresi
Hazne içindeki cıva seviyesinin ayarlanabildiği taşınabilir cıvalı barometredir. Bu
barometrede değer okunmadan önce hazne içindeki cıva seviyesi bir ayar vidası
yardımıyla değeri sıfır olan referans noktasına ayarlanır.
Fortin barometresi
3.2.4.1.Cıva Sütunlu Barometreler
En basit tipte manometredir. Özellikle laboratuvarlar da sürekli rejimde akışkan
basınçlarının ölçülmesi için yaygın olarak kullanılır. Bunlara örnek olarak U tipi, kuyu
tipi ve eğik manometreler sayılabilir. İçlerine konulan uygun sıvıların yüksekliklerinin
ölçülmesi ile doğrudan doğruya istenen basınç veya basınç farkları bulunabilir.
60
Cıva sütunlu barometrelere örnekler
3.2.4.2.Aneroid Barometreler
Aneroid barometre
61
Şekilde görüldüğü gibi sistemin çalışması, içi vakumlanmış diyafram özelliğine sahip
metal bir kapsülün atmosfer basıncından etkilenerek büzüşmesi veya genleşmesi esasına
dayanır. Yapılan vakumlama atmosfer basıncından daha küçük ve sabit olduğu için
atmosfer basınç değişimine duyarlıdır. Atmosfer basıncı arttığında diyafram hareket
eder ve kapsül büzüşür. Atmosfer basıncı azaldığında kapsül genleşir. Bu büzüşme ve
genleşme değişimi, kapsüle sabitlenmiş çubuk sayesinde yapılan doğrusal hareket çeşitli
mekanizmalarla (dişli çarklar, yaylar) ölçeklendirilmiş kadrandaki ibreye iletilir. İbrenin
gösterdiği değer, atmosfer basıncını göstermektedir. Bu barometreler, mekanik
aksamlardan dolayı cıvalı barometrelere göre hassasiyeti azaltmaktadır. Fakat sıcaklık
etkisinin çok az olması ve kalibrasyon kolaylığı avantajdır.
3.2.5. U Tipi Manometreler
3.2.5.1. U Tipi Manometrenin Tanımı ve Yapısı
U şeklinde kıvrılmış cam veya plastik gibi şeffaf bir boru içine yaklaşık orta
seviyelerine kadar uygun bir akışkan konur. Bu manometrenin bir koluna ölçülmek
istenen basınç uygulansın. Diğer ucu ise atmosfere açık olsun. Pa manometre
kollarındaki sıvı yükseklikleri farklı seviyelerde dengede kalır. Bu seviyeler arasındaki
toplam fark h, basıncı ileten akışkan yoğunluğu Pf, manometrede kullanılan sıvının
yoğunluğu Pm ve yer çekimi ivmesi g ise iki koldaki basınçların dengesi için:
62
U tipi manometre
U tipi manometrede h yüksekliği çıplak gözle ±2 mm hassasiyetle ölçülebilir.
Manometrede çoğunlukla saf su, alkol ve cıva kullanılır. Bu akışkanların yoğunlukları
tablolardan % 0.005 hassasiyetle elde edilebilir. Görüldüğü gibi manometre sıvısının
yoğunluğunun sonuç üzerindeki hataya katkısı çok azdır. Hassasiyetin artırılması için
okumanın çok dikkatli yapılması gerekir. Ayrıca basıncı aktaran bağlantı tüpünün de
uzunluğu çok fazla olmamalıdır.
3.2.5.2. U Tipi Manometrenin Kullanım Alanları
U tüplü manometrelerin endüstrideki kullanımı fazla değildir. U tüplü manometrelerin
asıl kullanım yerleri endüstride kullanılan diğer enstrümanların kalibrasyonunun
yapıldığı yerlerdir. Ayrıca laboratuvar ortamlarında gözleme dayalı deneysel çalışmalar
için kullanılır. En büyük dezavantajı yakından ölçüm yapılmak zorunda olmasıdır. Bu
da hızlı cevap getirirken uygulamalarda manometre başında mutlaka bir görevli
olmasını ve bu görevlinin basınç değişikliklerini anında bildirmesini gerektirir. Bu
kullanım zorlukları U tüplü manometrelerin endüstrideki kullanımını kısıtlamaktadır.
63
3.2.5.3. U Tipi Manometrenin Çeşitleri
U tipi manometre yapısal olarak tek çeşittir. Ölçülmesi istenilen basınca göre şekil alır.
U tipi manometre ile yapılan temel basınç ölçümleri
Şekil 2.9’da görüldüğü gibi U tipi manometre kullanılarak her türlü basınç ölçümü
yapılabilmektedir. Bu da U tip manometreyi kalibrasyon masalarının vazgeçilmez ölçü
aleti hâline getirmektedir. Fakat cıvanın zehirleyici özelliğini göz ardı etmemek gerekir.
Cıva buharını solumamak gerekir. Ölçüm sırasında okuma hatasını en aza indirgemek
de başlıca kalibrasyon kuralı olacaktır.
3.3. Basınç Transdüserleri
3.3.1. Endüktif Esaslı Basınç Transdüserleri
Endüktif esaslı basınç transdüserlerinde üzerine basınç düşen metalik diyaframın bir
bobinin öz endüktansını değiştirme etkisi kullanılır.
64
Endüktif basınç sensörünün çalışma prensibi
Endüktif esaslı basınç sensörlerindeki temel yaklaşım bobinin endüktansının
değişmesidir. Bunu sağlamak için kurulan mekanik yapılar değişkenlik arz edebilir. Bu
tür basınç sensörleri özel amaçlar için üretilir ve pahalıdır. Özellikle sıcaklık
etkileşimini en aza indirmede kullanılır.
3.3.2. Kapasitif Esaslı Basınç Transdüserleri
Kapasitif basınç göstergeleri, genellikle diferansiyel basınç ölçümü için kullanılır.
Sıcaklığın etkisi iyi ayarlanabilir. Pahalıdır.
Prensibi elastik diyaframın ve karşısındaki duvarın üstüne veya gövde yüzeyine bir
elektrot konulmasıdır. Bu, kondansatörü oluşturur. Diyaframa basınç uygulanırsa
elektrotlar arası mesafe azalır ve kondansatörün kapasitesi (sığası) değişir. Elektrotlar
arası mesafe sıvı veya havayla doldurulabilir.
Kapasitif basınç sensörünün prensip yapısı
Şekilde örnek bir çizim görülmektedir. Kılcal delikler atmosferle bağlantıyı sağlar.
Dolayısıyla burada atmosfer basıncının da hesaba katıldığı özel bir diferansiyel basınç
ölçümüyle vardır. Nemdeki farklılıklar ölçülen değerleri etkileyebilir.
65
Kapalı bir sistemde referans elektrotun fonksiyonlarından biri de sıcaklık etkilerini
ayarlamaktır. Bilhassa iç bölmenin kapalı olduğu tiplerde içteki hava ısınır, genişler ve
plaka mesafesini artırır. Bu etki, referans elektrotlar yardımıyla da ayarlanabildiği hâlde
kapasitif mutlak basınç sensörü, diferansiyel basınç sensörlerine iyi ve ucuz bir
alternatiftir.
Diferansiyel basınç ölçümlerinde genellikle aynı tip iki kapasitörü olan sistemler
kullanılır. Basınç değiştiğinde kapasite de zıt yönde değişir. Örneğin, birinin kapasitesi
artarken diğerininki azalır. Bahsedilen diferansiyel bir kapasitördür. Eğer içte bir
diyafram ve iki ayrım diyaframı (ortamdan/akışkandan) varsa iki bölmeli bir sürüm;
eğer sadece dışa açık iki diyafram varsa tek bölmeli sürümüdür.
Kuvars Elektrostatik Basınç Transdüserleri
Dinamik basınç algılayıcıları, piezoelektrik etkiyi kullanır. Kuvars malzemeler 400 kHz
gibi çok yüksek bir frekans aralığında doğrusal çıkış verebilir ve büyük statik basınç
değerlerinin üzerindeki yüksek frekanslı fakat küçük genlikli dalgalanmaları ölçebilir.
Endüstride pompa basıncının, hidrolik ve pnömatik basınç hatlarının izlenmesi ve
kontrolü; akış kaynaklı titreşimlerin incelenmesi; kavitasyon, su darbesi, pulsasyon,
akustik ölçümler; havacılık testleri; valf dinamiği, patlayıcı ve silah testleri; içten
yanmalı motor testleri bu algılayıcılar kullanılarak yapılabilmektedir.
"Piezo" kelimesi Yunanca sıkmak anlamına gelmektedir. Piezoelektrik elemanlar bir dış
kuvvet altında kaldıkları zaman karşılıklı yüzeyleri üzerinde bir elektrik yükü oluşur.
Kuvars kristalinin yapısı
Şekil 3.5’te gösterilen büyük daireler silikon atomlarını, küçük olanlar ise oksijen
atomlarını belirtmektedir. Doğal ya da işlenmiş kuvars kristali, en hassas ve kararlı
piezoelektrik malzemelerden biridir. Doğal malzemelerin yanı sıra yüksek teknolojilerle
üretilen polikristalin ve piezoseramik gibi malzemeler de yüksek elektrik alana maruz
bırakıldıklarında piezoelektrik özellik kazanmaları sağlanabilmektedir. Bu kristaller çok
yüksek değerde yük çıkışı üretir. Bu özellikleri sayesinde de özellikle düşük genlikli
sinyallerin ölçülmesinde kullanılır.
Basma kuvvetini temel alan tasarım, yüksek bir dayanıklılık göstermektedir. Bu özelliği
sayesinde yüksek frekanslı basınç ve kuvvet ölçümlerinde kullanılmaktadır. Olumsuz
özelliği, sıcaklık değişimlerine hassas olmasıdır.
66
3.3.4. Piezo-Direnç Tipi Basınç Transdüserleri
Bazı endüstriyel basınç sensörleri, silikonun piezo direnç özelliğini kullanır. Piezo
direnç elemanı basıncı doğrudan dirence dönüştürür ve direnç değişimi körü yardımıyla
gerilime dönüştürülebilir. 0-1.5 psi ile 0-200.000 psi arasında basınç değerleri için ideal
kullanıma sahiptir.
Piezo-direnç esaslı basınç sensörünün şekli
Piezoelektrik sensörler, diyaframa uygulanan basıncı, köprü şeklinde yerleştirilmiş
bükülmeyle değer değiştiren dirençleri uyarmasıyla çalışır. Köprü uçlarındaki gerilimin
değişimi, bir elektronik kart yardımıyla istenilen değere çevrilerek okunur. Piezo
elektrik sensörlerin başlıca avantajları hiçbir mekanik parçasının bulunmaması ve sıkça
ayar gerektirmemesidir. Elektronik kartlarının yardımıyla yüksek doğrulukta ve
tekrarlanabilir ölçüm alınabilir. Küçük boyutları ve kompakt yapıları sayesinde her
süreçte kullanılabilir. Değişik ölçü ve kontrol aletleri ile kullanılabilmesi için çok çeşitli
çıkış bilgisine sahiptir.
Şekil 3.7 ve 3.8’de piezo sensörün iç yapısı görülmektedir. Sanayide, oluşabilecek
mekanik darbelerden, fiziksel veya kimyasal etkilerden koruma amaçlı olarak sensör,
seramik bir koruyucu içene yerleştirilir. Daha sonra aşağıdaki resimde görüldüğü gibi
süreç bağlantısına uygun bir metal yapıya oturtulur. Sensörle birlikte çalışacak cihazın
giriş yapısına uygun elektronik kart ilave edilerek piezo sensör, elektronik kartla birlikte
bağlantı soketinin tespit edileceği paslanmaz tüp içine yerleştirilir.
67
Piezo elektrik sensörün iç yapısı
Saha uygulamaları için bağlantı şekli
68
4.SICAKLIK ÖLÇÜMÜ
4.1. Bimetal Termometre Kullanarak Sıcaklık Ölçmek
4.1.1. Sıcaklık
Endüstriyel otomasyon konuları arasında sıcaklık ölçümü vazgeçilmez süreçlerden
biridir. Çünkü ısıl işlem olmadan neredeyse üretim yapılamamaktadır. Sıcaklık ya
birinci dereceden ya da etkileyen olarak üretimin her aşamasında yer almaktadır.
Örneğin, metalurji alanında ısıl işlem olmadan hiçbir üretim olamaz. Otomotiv
sektöründe sıcaklık hemen her aşamada yer alır. Arabanın boyası atılırken fırınlanır.
Plastik sanayinde plastik eritilerek şekillendirilir. Bu aşama için ısı kullanılır. Cam
sanayisinde camın şekillendirilmesi için yüksek dereceli fırınlar kullanılır. Kısaca, ısı
olmadan üretim olmaz. Isı kaynağı, sıcaklığı ölçülmeden denetlenemez.
Denetlenemeyen ısı kaynağı işe zarar verir. Evinizdeki ütünün ayarlanmadığını
düşünün. Sürekli ısınan ütü neye yarar!
4.1.1.1. Sıcaklık ve Isı Nedir?
Pratikte çok kullanılan bir kavram olmasına rağmen, sıcaklık tanımı oldukça güçtür. Isı
ile sıcaklık tanımları karıştırılmaktadır. Termodinamiğin ikinci kanununa göre sıcaklık
ısı ile orantılıdır. Diğer etkilerin olmadığı durumda, ısı akışı yüksek sıcaklıktan düşük
sıcaklığa doğru olur. Bilindiği gibi ısı bir enerji çeşididir. Birimi kalori veya joule’dür.
Sıcaklık ise ısının etkisi ve enerjinin etkileşimi olarak ortaya çıkar. Yani sıcaklık bir
sonuçtur. Ölçme işlemi ise etkiden yola çıkılarak yapılır. Isının maddeler üzerinde
yaptığı etkilerden faydalanılarak sıcaklık ölçümü gerçekleştirilir.Uzunluk, basınç,
hacim, elektrik, direnç, genişleme kat sayıları, yüzeysel ışınım şiddetleri ve buna benzer
özellikler moleküler yapı nedeniyle sıcaklık ile ilişkilidir. Sıcaklık değiştikçe değişir ve
bu değişimden faydalanarak sıcaklık ölçümünü yapabiliriz. Kalibrasyon, belirli
standartlara göre yapılmalıdır. Bunun için ilk olarak sıcaklık ölçekleri hakkında bilgi
verilecektir. Sıcaklık standartları ile ilgili bilinen standart Avrupa için IPTS68’dir.
Metal eritme potası
69
4.1.1.2. Sıcaklık Birimleri
Sıcaklık bir ısı ölçüsüdür. Tüm ölçüm sistemlerinde bir referans noktası vardır. Sıcaklık
ölçümleri içinde referans noktası olarak suyun donma sıcaklığı temel alınmış ve bu
sıcaklık “0” santigrat derece (0C) olarak kabul edilmiştir. Bilinen en düşük sıcaklık ise
bir maddenin moleküler hareketinin durduğu, herhangi bir ısı enerjisinin olmadığı
“Mutlak 0” olarak ifade edilen derece Kelvin (0K) kabul edilmiştir.
0 [K] Kelvin ,-273,15 (IPTS68) [0C] santigrat dereceye karşılık gelmektedir. Çeşitli
ısısal hesaplamalarda karşımıza İngiliz ölçü sistemi olarak sıcaklık birimi Fahrenhayt
çıkmaktadır. Suyun donma derecesi İngiliz ölçü sistemine göre 32[0F] Fahrenhayt
derecedir. İngiliz ölçü sistemine göre moleküler hareketin durduğu sıcaklık değeri
olarak -600F veya 0 [0R] Rankin kullanılmaktadır.
Su 100 0C veya İngiliz ölçü sistemine göre 2120F`ta kaynar.
Suyun donma derecesi ile kaynama derecesi arasındaki fark,
100 0C – 0 0C = 100 0C’dir.
Bu değer İngiliz ölçü sistemine göre;
2120F – 320F = 1800F çıkar.
Sıcaklık birimleri tablosu
4.1.2. Bimetal Termometreler Kullanarak Sıcaklık Ölçmek
İlk çift metalli sıcaktan etkilenmiş olan termostat, 1726'da saatin çeşitli sıcaklık
şartlarında çalışması sırasında hassasiyetini korumak için kullanılmıştır. Termostat
kelimesiyse 1830'da, bimetal şeridin sıcaklıkta farklı uzamadan dolayı bükülüp ısıtma
ve soğutma sistemlerini kontrol etmesinde ortaya atılmıştır. Değişik termostat türleri
ortaya çıkmasına rağmen, geliştirilmiş bimetal şeritli termostatlar günümüzde yaygın
olarak kullanılmaktadır. Şekil 1.2’de görüldüğü gibi, iki farklı genleşme kat sayısına
sahip bimetal malzeme sıcaklık etkisi altında genleşmek isteyecektir. Bu metal
malzemeler birbirleri ile birleştirildiğinden (perçin, kaynak vs.) ve farklı genleşme kat
sayılarına sahip olduklarından, yüksek genleşme özelliğine sahip olan diğerinin üzerine
doğru eğim yaparak genleşecektir.
70
Bimetal malzeme
4.1.2.1. Çift Metalli Termometreler
Genleşmedeki yer değişim, açısal bir yer değişimdir. Bimetal malzemelerin farklı
yapılarda tasarlanması ile bu yer değişim doğrusal da olabilir. Bu yer değiştirmeler bir
sistem kontrolünü sağlayabileceği gibi ölçüm amaçlı da kullanılabilir. Elektrikli ısıtıcı
türlerinin bir çoğunda güvenli bir şekilde kullanılır. Bunlardan bazıları buzdolabı,
elektrikli semaver, elektrikli su ısıtıcısı, elektrikli soba, kombi, endüstriyel ortamlarda
ise çeşitli fırınların emniyet sistemlerinde boya hanelerinin ısıtma sistemlerinde,
kaplama preslerinin ısıtma sistemlerinde, arabaların soğutma suyu sisteminde, klima
sistemlerinde, sinyal sisteminde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır.
Şekil 1.3’te görüldüğü gibi iki bimetal malzeme, demir-nikel alaşımı ve prinç
birbirlerine yapıştırılmış ve bir ısıtıcı devresini kontrol etmektedir. Sıcaklık etkisinde
prinç malzeme daha fazla genleşerek demir-nikel alaşımı üzerine doğru açısal bir
hareket sağlayacaktır. Bir ucu sabitlendiği için bu sabit uç, açısal hareketin merkezi
olacaktır. Bu genleşmenin etkisi ile kontaklar birbirinden ayrılacak ve sitemin elektriği
kesilecektir.
Termostat kontrol ve tipik ev ütüsü
4.1.2.2. Helisel çift metalli termometreler
71
Şekil 1.4’te görüldüğü gibi bimetal malzeme helezon şeklinde hazırlanmış sıcaklığın
etkisi ile büzülmekte, helezonun uç kısmında bağlı olan bir ibrede bu büzülmenin
meydana getirdiği açısal hareketle göstergede bir ölçü değeri okunmaktadır.
Göstergedeki bu ibre değişimi ve ibrenin göstermiş olduğu sıcaklık gösterge çizelgesi
değeri, bimetal helezonun açısal hareketi ve bu açısal hareketi sağlayan sıcaklık değeri
ile doğrudan ilişkilidir. Skala bu sıcaklık değişimine göre kalibre edilmiştir.
Helisel bimetal malzeme ile sıcaklık ölçümü
4.1.2.3. Çubuk Termostatlar
Diğer bir tür genleşme kat sayısı, düşük bir çubukla genleşme kat sayısı yüksek bir
tüpün birer uçlarının birleştirilmesinden meydana gelir. Tüpteki kısalma çubuğun
serbest ucunun hareket edip bir vanayı veya bir elektrik düğmesini kapatmasını sağlar.
Değişik bir türse, kolay buharlaşan bir sıvının sıcaklığa bağlı olarak değişik basınç
meydana getirmesiyle çalışır. Buzdolaplarındaki termostat bu tiptendir.
Çeşitli çubuk termometre (termostat) resimleri
72
4.2. Direnç Termometresi (Rtd) İle Sıcaklık Ölçmek
Direnç termometreler -200°C’den +850°C’ye kadar çok çeşitli süreçlerde yaygın olarak
kullanılır. Özellikle düşük sıcaklıklarda termokuplara nazaran çok daha doğru değerler
verdikleri için tercih edilir. 500°C’ye kadar standart, 500°C-850°C arasında özel tipler
kullanılır. Kataloglarda verilen maksimum dayanma sıcaklıkları, zararlı gazların
olmadığı hava ortamı içindir. Diğer ortamlarda, ortamın aşındırıcı etkilerine bağlı olarak
direnç termometrenin ömrü kısalacaktır. Direnç termometrelerin kullanıldığı yerler;
tanklar, borular ve makine gövdeleri, gaz ve sıvı ortamlar (Örneğin hava, buhar, gaz, su,
yağ gibi), alçak ve yüksek basınç uygulamaları, yüzey ölçümleridir.
4.2.1. Direnç Termometreleri (RTD)
Sıcaklık ölçümlerinde termokupldan sonra bulunmuş ve kullanılmaya başlanmış olan
direnç termometreler endüstride, laboratuvarlarda çok yaygın olarak kullanılmaktadır.
Özellikle hassas ölçüm alınmak istenilen düşük sıcaklıklarda, termokuplar tercih edilir.
Direnç termometreleri, iletken bir telin direnç değerinin sıcaklıkla değişmesinden
istifade edilerek oluşturulan bir sıcaklık algılayıcısıdır. Sarımlı direnç, sıcaklığı
ölçülmek istenilen ortama daldırılır, üzerinden sabit akım geçirilir. Sıcaklığın değişimi
ile sarımlı direncin direnç değeri değişir ve üzerinden geçen sabit akımla değişen bir
gerilim elde edilir. Direnç termometrelerinde sıcaklık değişim faktörü olarak α
tanımlanır. α aşağıdaki formülle açıklandığı gibi standart olarak seçilen 100°C’deki
direnç değeri ile 0°C’deki direnç değeri farkı 100 Ro’a bölünmesi ile elde edilir.
Standartlarda en çok kullanılan Pt-100 ve Ni-100 gibi direnç termometrelerin 0°C’deki
direnç değeri standart 100 ohm’dur. Sıcaklık ile direnç değişimleri incelendiğinde,
birçok metal ve alaşım içinde en iyi neticeyi platin ve nikel tel verdiği için bu alanda bu
iki telden sarılmış dirençler kullanılır. Özellikle Pt-100 kullanımı çok yaygındır.
73
Direnç termometresi
Platin için α = 3.85.10-3 (1/°C) Nikel için α = 6.17.10-3 (1/°C) Rezistans
termometrelerin sıcaklık-direnç değişim değerleri DIN standardı 43760’a uygundur.
Gerek Pt-100, gerekse Ni-100, 0°C’de ±0.1 ohm toleransla 100 ohm’luk direnç gösterir.
Sıcaklıkla direnç değişimleri arasında aşağıdaki formülle belirtilen ilişki vardır.
Rt = Ro (1+At+Bt2)
Direnç termometre kabaca iç sarım (inset), dış koruyucu kılıf ve bağlantı parçalarından
meydana gelmiştir. Asıl sıcaklığı ölçen direnç termometre elemanı inset içine
yerleştirilir. Boru içine metal oksit tozları doldurulur. Eleman ile klemens arasındaki tel,
izolatör ile yekpare izole edilir. Genel olarak 6 mm veya 8 mm boru içine yerleştirilen
RTD elemanı, seramik klemensi ile bir bütün olarak inset diye adlandırılır. İnset ikinci
bir koruyucu kılıf içine yerleştirilir. İnset içindeki eleman tek cihaza bağlanacak ise tek
elemanlı, çift cihaza bağlanacak ise çift elemanlı kullanılır.
4.2.1.1. Platin RTD (PT100)
Direnç termometre elemanı, platin veya nikel telden sarılan direncin cam, mika veya
seramik içine gömülmesi ile oluşur. Ayrıca sert kâğıt üzerine sarılan tipleri de vardır.
Platin RTD’ler -250°C’den 850°C’ye kadar kullanılabilmektedir. Ancak daha sabit
sıcaklık verdiğinden, değer değişimi doğrusala daha yakın ve kullanımları daha yaygın
olduğundan, kolay bulunabildiğinden dolayı, Ni-100 kullanımı uygun olan aralıklarda
bile Pt-100’ler seçilir. Çift elemanlı Pt-100’lerde her iki eleman da ayrı toleranslarda ve
özelliktedir.
74
PT100
İnset içinde uca yerleştirilen RTD elemanı ile klemensteki terminaller arasında bakır
(Cu), gümüş (Ag) veya nikel krom (NiCr) teller kullanılır. İç bağlantı telleri bakır veya
gümüş seçilir ise bu tellerin dirençleri çok düşük olduğundan ihmal edilebilir, yok
sayılabilir. 500°C’nin üzerinde çalışılan uygulamalarda iç bağlantı teli olarak NiCr tel
seçilir. Ancak NiCr tel belli bir dirence sahiptir. Bu nedenle bağlantı telinin direnci
klemens üzerine ölçülerek yazılır.
4.4. Termokupl Elamanlarla Sıcaklık Ölçmek
Sıcaklık ölçümleri giderek artan oranda önemli bir konu haline gelmiştir. Sıcaklık
tamamen fizik ile ilgili temel bir konudur. Çok çeşitli fiziksel özellikleri etkileyen bir
parametre olması nedeniyle ölçülmesi gereken önemli bir değişkendir. Sıcaklık ölçümü
için çok çeşitli yöntemler vardır. Bunlar içinde elektronik dünyasının en çok kullandığı
sensörlerden birisi termokupldur. Termokupller kullanılarak -200 °C’den 2320 °C’ye
kadar ölçüm yapılabilir.
4.4.1. Termokupl
4.4.1.1. Termoelektrik Etkiler
Bir elektrik devresi tamamen metal iletkenlerden meydana gelmişse ve devrenin tüm
kısımları aynı sıcaklıkta ve devrede elektromotor kuvvet (gerilim) yoksa bu durumda
devreden hiçbir akım akmaz. Bununla beraber devre birden fazla metalden meydana
gelmiş ve bu iki telin eklemleri farklı sıcaklıklarda ise devrede gerilim oluşur ve akım
akar. Şekil 4.1, bu etkiyi göstermektedir. Üretilen EMK’ye termoelektrik EMK denir ve
ısıtılan eklemde bir termokupldur.
75
Termokupl prensibi
Seebeck Etkisi
1821’de Seebeck, kapalı bir devre iki aynı metalden oluştuğunda ve metallerin farklı
sıcaklıklarda iken devreden elektrik akımının aktığını keşfetmiştir. Tel uçlarının şekil
4.2’deki gibi bükülerek veya lehimlenerek meydana getirildiğini kabul edelim; bu
tellerin birisi bakır, diğeri demir olsun. Bir ucu, oda sıcaklığında tutulurken diğeri daha
yüksek bir sıcaklıkta ısıtılırsa sıcak uçta bakırdan demire, soğuk uçta ise demirden
bakıra bir akım üretilir.
Basit termokupl
Seebeck, termoelektrik özelliklerine göre 35 seri metal düzenledi. İki metali kullanarak
bir devre kurulursa akım sıcak uçta serideki önceki telden sonraki tele doğru akar.
Serisindeki listenin bir kısmı şu şekildedir: Bi-Ni-Co-Pd-Pt-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-CrMo- Rh-Ir-Au-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-Te.
Peltier Etkisi
1834’de Peltier, iki metalin “i” boyunca bir akım geçirildiğinde eğer akımın yönü
değişirse ısının tersindiğini keşfetmiştir. Akım demir-bakır “i” boyunca, bakırdan
demire akarken ısı yutulur, demirden bakıra doğru akarken ısı açığa çıkarılır. Bu ısıtma
tesiri I2*R ile orantılı olan joule ısıtma etkisi ile karıştırılmamalıdır. Joule ısıtma etkisi
akımının boyutuna ve iletkenin direncine bağlıdır ve akımın yönü değiştiğinde soğutma
tesiri değişmez. Açığa çıkan veya yutulan ısının miktarı geçen elektrik miktarı ile
orantılıdır ve birim zamanda birim akım geçerken yutulan veya açığa çıkan miktara
Peltier kat sayısı denir.
76
Peltier soğutucusu
Hassas kontrol altında soğutulan küçük bir bileşen istendiğinde, ölçümde Peltier
soğuması kullanılır. Şekil 4.3’te böyle bir soğutucunun yapısı şematik olarak
gösterilmektedir. Peltier soğutucularındaki iletkenler, metal veya yarı iletken olabilir;
yarı iletken olanlara frigistorler denir. Günümüzde birçok uygulamada sıkça
kullanılırlar. Bunların başında buzdolapları ve soğutuculardır.
Thomson etkisi
Tersinir ısı makinesi esası üzerindeki muhakemesi üstüne Profesör William Thomson
(sonraları Lord Kelvin) tersinir Peltier tesir kaynağının yalnızca EMK’nin olduğunu
bulmuştur. Daha ayrıntılı açıklamak için: eğer bir T1 sıcaklığında tutulur ve diğerinin
sıcaklığı T2 değerine yükseltilirse meydana gelen EMK’nin T2-T1 ile orantılı olması
gerekir. Bunun doğru olmadığı kolaylıkla gösterilebilir. Eğer biraz önce açıklanan
termokuplda bakır-demir kullanılır ve bu termoeleman çiftin biri (ucu) ısıtılırken diğer
ucu oda sıcaklığında tutulursa, devredeki EMK ilk başta artacak, sonra yok olacak ve
sıfırdan geçerek gerçekten tersinir hale gelecektir. Thomson bu sebeple Peltier etkilere
ilave olarak, eşit olmaksızın ısıtılan iletken boyunca bir akım aktığında birleşimlerde
tersinir termal etkilerin üretildiği sonucuna varmıştır. 1856’da laboratuvarda yapılan bir
seri deneyle, sıcaklığı noktadan noktaya değişen bakır bir tel boyunca elektrik akımı
aktığında, ısı akım yönünde ise, P noktasında ısı açığa çıktığı bulunmuştur. Bu olay,
akım sıcak yerden soğuk yere aktığında meydana gelir. Akım ters yönde ise ısı yutulur.
Diğer taraftan demirde P noktasında elektrik akımı ısı akışı yönünde aktığında ısı
yutulur, aksine elektrik akımı ısı akışının ters yönünde aktığında ısı açığa çıkar.
Termokupl Kanunları
Eklemlerde bulunan gerilim, telin kalınlık ve uzunluğundan bağımsız olup yalnızca
metaller ve sıcaklık tarafından belirlenir. Bu sebeple devreye bir voltmetre ilave
edilmesi hatalara sebep olur, zira bu şekilde yeni farklı metal eklemleri meydana
gelecektir. Devreye ölçü aletlerinin sokulmasının etkileri, anlatılan beş termokupl
kanunu ile açıklanır.
77
Termokupl kanunu
1. Kanun, termoelektrik etkinin yalnızca eklemlerin sıcaklığına bağlı olduğunu ve tel
boyunca mevcut olan ara sıcaklıklar tarafından etkilenmediğini belirtir. Şekil 4.4’te
görüldüğü üzere, termokupl telleri sıcaklığı T3 olan bir alandan geçmektedir. Ancak
böyle bir devredeki termokupl etkisi hala yine T1 ve T2’ye bağlı bulunmaktadır. Bu
durum, bağlantı kablosu uçlarının sıcaklığının bilinmediği pratik durumlar için son
derece önemlidir.
Şekil 4.14: 2. Termokupl kanunu
2. Kanun, metallerden her birisinin eklemlerinin aynı sıcaklıkta olmaları kaydıyla,
gerilimi etkilemeksizin devreye ilave metaller sokulmasına imkân verir. Şekil 4.5’te
eklemleri CD ve EF olarak gösterilen yeni metaller devreye ilave edilmiştir. Tc=Td ve
Te=Tf olması kaydıyla, bunlar devreyi etkilemez. Her eklemde bir temas gerilimi
mevcut olmakla birlikte, bunlar şayet eklemlerdeki sıcaklıklar eşitse, birbirlerine eşit ve
zıt olacak ve böylece birbirlerini iptal edecektir. Termokupl kabloları konnektörler,
terminal şeritleri ve diğer benzeri tertibatlardan hatasız olarak geçirilebilir, ancak bunun
için tertibat boyunca sıcaklık farklılıkları bulunmamalıdır.
Termokupl kanunu
78
4.1.2. Termokupl Çeşitleri
-200°C’den 2320°C’ye kadar çeşitli sıcaklık aralıklarında en çok kullanılan DIN 43710
ve IEC 584 standart termokupl eleman teli çeşitleri şöyledir:
Termokupl yapımında kullanılan metaller
Bu eleman tellerinin sıcaklık-mV eğrilerini inceleyecek olursak doğrusal olmadıklarını
görürüz. Termokupl sıcaklık-mV eğrileri incelendiğinde her birinin sıcaklık ölçümü
açısından diğerine nazaran daha uygun olduğu bölgeler vardır. Örneğin 0–800°C
sıcaklık ölçümü yapabilen Fe-Const ile 0–1200°C’ye kadar ölçüm yapabilen NiCr-Ni
eleman tellerinin mV eğrisi karşılaştırıldığında 300-600°C arasında Fe-Const, NiCrNi’e nazaran daha doğrusaldır. Bu nedenle bu aralıkta Fe-Const ile çalışma tercih edilir.
Yine aynı yaklaşımla PtRh-Pt termokuplar için 800–1600°C arası uygun bir çalışma
bölgesidir. 800°C’nin altında doğrusallık çok bozuktur.
79
4.1.3. Termokupl Kabloları
Termokupl dengeleme kabloları renk kodları
Termokupllar ile cihazlar arasındaki bağlantılar özel kablolar ile yapılır. Bu kablolar
termokupl dengeleme kabloları olarak anılır. Dengeleme kablolarının iletkenleri yine
termokupl eleman telinin özelliklerine yakın özel alaşımlardır. Dolayısı ile Cu-Const
termokupl için Cu-Const özel kablo, Fe-Const termokupl için Fe-Const özel kablo
gerekmektedir. Sıcaklık bilgisi termokupldan cihaza dengeleme kabloları sayesinde
daha ekonomik olarak taşınmış olur. Dengeleme kabloları aynı cins termokupların mVsıcaklık özelliklerini 200°C’ye kadar aynen sağlar. Termokupl dengeleme kablosunun
bir ucu kaynaklandığında diğer uçtan 200°C’ye kadar o cins termokuplun mV değeri
standartlardaki değerine uygun elde edilir. Ancak üreteceği mV değeri 200°C sınırlı
kalır. Dengeleme kablolarının dolaşacağı ortam sıcaklığı bu nedenle 200°C’nin üzerine
çıkmamalıdır. Dengeleme kablosu ile termokupl eleman telinin bağlandığı klemens
kutusu veya termokupl kafası 200°C’nin üzerine çıkamaz. Çıktığı takdirde çıkan miktar
kadar hatalı ölçüm yapacaktır.
sıcaklığa kadar sağladığı için artık soğuk nokta, termokupl eleman telinin klemens
kutusundaki uçları değil, klemense bağlanan dengeleme kablosunun diğer uçlarıdır. Bu
şekilde termokupl uç noktası sıcak nokta, dengeleme kablolarının son uçları soğuk
80
nokta tanımına uyar. Soğuk nokta, yani uzatma kablosunun uç noktasının sıcaklığı
termokupl olayı açısından önem kazanır. Dengeleme kablosu uçları direkt cihaza
bağlanıyor ise bu noktadaki sıcaklığın dengelenmesi gerekir. İşlem, elektronik
cihazlarda “soğuk eklem sıcaklık dengeleyiciler” ile yapılır. Cihaz girişinde cihazın
bulunduğu ortam sıcaklığına oranlı mV değeri termokupl bacağına ilave edilerek soğuk
nokta sıcaklığı dengelenmiş olur. Termokuplar için bakır kablo ile uzatma yapıldığı
takdirde, termokupl kafasına bağlantı yapılan bakır kablonun eleman teline bağlandığı
klemens noktası soğuk noktadır. Bu noktadaki mV değeri aynen bakır kablo ile cihaza
taşınır. Cihaza bağlantı yapıldığı noktadaki sıcaklık, termokupl kafa sıcaklığından farklı
olduğu takdirde bu sıcaklık farkı kadar hataya sebebiyet verir. Hatasız bir ölçüm
yapılmak istenildiği takdirde termokupl dengeleme kabloları kullanılmalıdır.
Dengeleme kabloları çeşitli yalıtkanlarda üretilir ve yine eleman tellerinde olduğu gibi
(+) (-) polariteleri vardır. Bağlantı bu polariteye uygun yapılmalıdır.
4.1.4. Termokupl Mekanik Yapıları
Çeşitli mekanik kılıflı termokupllar
81
Düz tip termokupllar
Düz tip termokupllar
Metal veya seramik kılıflı düz termokupllar -200°C’den 2320°C’ye kadar çok çeşitli
süreçlerde yaygın olarak kullanılır. Veri sayfalarında verilen maksimum dayanma
sıcaklıkları zararlı gazların olmadığı hava ortamı içindir. Bu maksimum sıcaklığı kısa
süre geçişler tolere edebilir, ancak termokupllun ömrünü azaltıcı bir faktör olacaktır.
Ayrıca aşındırıcı özelliği olan ortamların etkisi termokupllun çalışma sıcaklıklarını
düşürme yönünde olacaktır. Düz insetli tip termokupllar genel olarak; kazanlarda, boru
hatlarında, tanklarda, gaz ve sıvı ortamlarında, basınçlı ortamlarda, çalışılan ortamın
termokupllu kısa sürede yıprattığı ortamlarda kullanılır. Düz insetli tip termokuplların
en büyük kullanım avantajı, termokuplda bir arıza oluştuğu zaman, termokupl dış kılıf
ortamdan çıkarılmadan, pratik bir şekilde inset çıkarılıp değiştirilebilir. Böylelikle
sürece ara verilmemiş olur.
L tipi termokupllar
L tipi termokupllar
Genellikle tuz banyoları ve metal eriyiklerinin sıcaklık ölçümlerinde kullanılır. L tipi
termokupl kullanımının tercih edilmesinin sebebi, kafayı banyo üzerindeki sıcaklık ve
aşındırıcı gazların etkisinden korumak içindir. Bu şekilde termokupl dengeleme kablosu
ile termokupl eleman tellerinin bağlantı yapıldığı nokta 200°C’nin altında ve zararlı
aşındırıcı gazlardan uzak kalacaktır. Bu bölümde standart L tipi Fe-Const, NiCr-Ni,
Nikrosil-Nisil, PtRh-Pt termokuplar verilmektedir.
82
4.1.5. Termokupl Transmiterleri
Şekil 4.19: Termokupl transmiteri
Termokupl transmiterleri, termokuplun bağlandığı ve çıkışında 4-20mA ve diğer
elektriksel sinyaller üreten cihazlardır. Günümüzde yapılan transmiterler çok yönlü
olmaktadır. Birden çok çeşit termokupl bağlanabilmekte içerisinde soğuk kavşak
dengeleme elamanı bulunmaktadır. Ayrıca çıkışında hem analog dönüşümlere yer
vermekte (4-20mA ve 1-5V gibi) hem de standart haberleşme protokollerini içeren
sayısal işaretler üretmektedir.
4.4.2. Sıcaklık Algılayıcılarının Yerleştirilmesi
4.4.2.1. Daldırılan Sondalar
4.2.1.1. Kap İçinde Sıvı Sıcaklığının Ölçülmesi
Kap içindeki sıvının sıcaklığının ölçülmesinde algılayıcı mümkün olduğunca merkeze
yakın yerleştirilmelidir.
83
Kap içine algılayıcının yerleştirilmesi
4.2.1.2. Kanal Sondaları
Kanal sondaları genellikle boru içi sıcaklık ölçümünde gereklidir. Bu durumlarda
algılayıcı aşağıdaki şekillerde yerleştirilebilir.
Boru içi kanal sondaları
4.2.1.3. Yüzey Sıcaklık Sondaları
Yüzey sıcaklık ölçümü fırın içi cehennemliklerin sıcaklığının ölçümünde kullanılır.
Boru yüzeyinden ölçülen sıcaklık içinde aynı yöntem kullanılır.
84
Cehennemliğe termokupl yerleştirme
4.2.2. Termometre Koruyucu ve Kılıfları
Termokupl uygulamalarında dış koruyucu kılıfların önemi büyüktür. Eleman tellerinin
süreç içinde mekanik darbeler, kimyasal veya fiziksel aşınmalara karşı belli bir ömre
sahip ve dayanaklı olmaları için ortam şartlarına göre çeşitli kılıflar kullanılır.
Termokupl eleman telleri, uçları kaynaklı ve yalıtımlı bu kılıflar içine monte edilir.
Genel olarak 1200oC’ye kadar metal, 1200oC’nin üzerinde seramik koruyucu kılıflar
kullanılır. Bazı özel uygulamalarda 1200oC’nin altında seramik kılıflar kullanıldığı gibi
1200oC’nin biraz üstüne kadar olan uygulamalarda da özel alaşımlı metal kılıflar
kullanılabilir.
Metal kılıflar
Metal koruyucular, kullanılacağı ortamın kimyasal aşınmalarına, mekanik darbelerine
ve korozif gazlarına karşı çok çeşitli alaşımlarda üretilmektedir. Koruyucu kılıf
seçiminde yukarıda sayılan özelliklerin yanı sıra sıcaklık limitleri çok önemli bir
faktördür. Bu faktörler göz önüne alınarak çalışacağı ortama en uygun koruyucu kılıf
seçilir.
Seramik tüpler
Termokupl uygulamalarında genellikle 1200°C’nin üzerine çıkıldığı uygulamalarda
seramik tüpler kullanılır.
85
4.2.3. Hata Kaynakları
Sıcaklık ölçümü çoğu süreçte yavaşlatılmış işlemlerdir. Bunun nedeni ise ısı artışının
hiçbir zaman çok ani olamayışından ve birçok süreçte koruma önlemlerinden
kaynaklanmaktadır. Bir tavlama fırınının içine yerleştirilen termokupl eğer koruyucu
kılıf olmaz ise hemen mekanik dayanımdan dolayı kopacaktır. Termokuplu koruyucu
kılıfa soktuğunuzda ise koruyucu sıcaklığı iletene dek gecikme olacaktır. Çoğu zaman
bu gecikmeler kabul edilebilir hatalar olarak göze çarpar. Diğer hata kaynakları ise
sistemden kaynaklanan hatalar olarak bilinir. Bunlar; algılayıcının karakteristik hataları,
kablolama hataları, montaj hataları ve çeşitli ortam gürültü kaynakları olarak sıralanır.
4.2.4. Sıcaklığın Okunması
4.2.4.1. Yerel Okuma
Bir kimyasal tesiste özel noktadan sıcaklık ölçmek istenirse, ilk akla gelen cam
termometre ile ölçme yapmak olacaktır. Bununla beraber bu ölçme işlemi, ölçenin
doğru bir okuma yapması için sıcaklığı okuyabilecek kadar cihazın yanına yaklaşmasını
gerektirir.
Daha iyi bir çözüm, kadranlı termometredir. Seçilen cihazın tipi tabiatıyla istenen
doğruluğa ve ölçümün tekrarlanabilir olmasına bağlıdır. Genel ve özellikle daha büyük
tesislerde yerel sıcaklık ölçümleri yalnız genel gözetleme maksatları içindir.
İşletimcinin güvenli olması için kontrol cihazındaki okuma ile uyuşup uyuşmadığını
anlamada kullanılır. Ucuz bir çift metal termometresi belki uygun olur. Eğer daha
büyük doğruluk istenirse, kısa kılcal borulu tip termometre kullanılabilir.
4.2.4.2. Uzaktan Okunma
Kontrol odası ile ölçme noktası arasındaki mesafenin uzun olduğu tesislerde elektriksel
ölçme teknikleri kaçınılmazdır. Uzun müddet çalıştırmada direnç termometrelerinin
termokuplara tercihinde iki ana sebep vardır. Birincisi, RTD’yi okuma cihazına
bağlayan bakır tellerdir, bu da termokupl telleri veya denkleştirme kablolarından çok
daha ucuzdur. İkincisi, direnç termometresi sinyali birçok termokupl sinyalinden daha
yüksek seviyede ve daha alçak empedanstadır, bu sebeple elektrik parazitlerine karşı
daha az güvenilirdir. Günümüzde uzaktan okuma gelişen teknolojiye bağlı olarak
SCADA programları yardımıyla gerekirse internet üzerinden veya telsiz cihazları
sayesinde çok uzak mesafelerden yapılabilir. Bunun en büyük örneği meteorolojide
insansız ölçüm istasyonları olarak göze çarpacaktır.
86
5.SCADA SİSTEMLERİ
5.1. Scada Sistemlerini Tanımak
5.1.1. Scada Sistemlerinin Tanımı
Proses (İşlem), Endüstriyel ve Bina Otomasyonunda kullanılan Programlanabilir
Kontrolörler (PLC), Döngü Kontrolörleri, Dağıtık Kontrol Sistemleri (DCS), I/O
Sistemleri ve akıllı sensörler (kontrol ünitesi üzerinde bulunan) gibi çeşitli cihazlardan
saha verilerini sürekli ve gerçek zamanlı olarak toplayan, tanımlanan kıstaslara göre bu
bilgileri değerlendirmeye tabi tutup gerektiğinde kullanıcıya erken uyarı mesajları
üreten, üretimi etkileyen çeşitli etkenlerin merkezi bir noktadan grafiksel veya trend
olarak gözetlenmesini sağlayan ve sahadaki kontrol noktalarının uzaktan
denetlenebilmelerine imkan sağlamak amacıyla kullanılan sistemler Denetleyici
Gözetim ve Veri Toplama (SCADA "Supervisory Control and Data Acquisition")
sistemi olarak tanımlanabilir. "Supervisory Control and Data Acquisition" ifadesi
1960’larda Bonneville Power Administration tarafından ortaya atılmış bir terimdir.
“Supervisory Control and Data Acquisition" terimi ilk olarak PICA (Power Industry
Computer Applications) konferansında 1973’te yayınlanmıştır.
SCADA sistemi, veri toplama ve telemetri (kablosuz veri aktarma)’nın bir
kombinasyonudur. Veri toplama ve merkezden veri gönderme, analiz yapma ve daha
sonra bu verilerin bir operatör ekranında gösterilmesi işlevlerini gerçekleştirir. SCADA
sistemi saha ekipmanlarını görüntüler ve aynı zamanda denetler.
SCADA sistemleri; sistem operatörlerine (kullanıcılarına), merkezi bir kontrol
noktasından geniş bir coğrafi alana petrol ve gaz alanları, boru sistemleri, su şebekeleri,
termik ve hidrolik enerji üretim sistemleri ile iletim ve dağıtım tesisleri gibi alanlarda
vanaları, kesicileri, ayırıcıları, elektrik makineleri, motor, elektronik, elektrohidrolik ve
elektropnömatik valfler anahtarları uzaktan açıp kapama, ayar noktalarını değiştirme,
alarmları görüntüleme, ısı, nem, frekans, ağırlık, sayı, elamanların durumları gibi ölçü
bilgilerini toplama işlevlerini güvenilir, emniyetli ve ekonomik olarak yerine getirme
avantajı sunmaktadır.
Burada, mekanik ve elektronik aygıtlar arabirimlerle bağlanarak işletme fonksiyonlarını
yürütürler. Denetim komutları bu düzeyde tesisin çalışmasını sağlayan elektriksel
sinyallere ve makine hareketlerine dönüşür, bu dönüşümler elektronik algılayıcılar
aracılığıyla toplanır. Toplanan veriler elektrik işaretlerine çevrilerek SCADA sistemine
aktarılır. Aktüatörler, tahrik motorları, vanalar, lambalar, hız ölçü cihazları, yaklaşım
detektörleri, sıcaklık, kuvvet ve moment elektronik algılayıcıları burada bulunur.
SCADA sisteminden verilen komutlar, bu katmanda, elektrik işaretlerine çevrilerek,
gerçek dünyada istenen hareketlerin oluşması sağlanır (vanaların açılıp-kapanması,
ısıtıcıların çalıştırılıp-durdurulması gibi).
SCADA sistemi, hidroelektrik, nükleer güç üretimi, doğalgaz üretim ve işleme
tesislerinde, gaz, yağ, kimyasal madde ve su boru hatlarında pompaların, valflerin ve
akış ölçüm ekipmanlarının işletilmesinde, kilometrelerce uzunluktaki elektrik aktarım
87
hatlarındaki açma kapama düğmelerinin kontrolü ve hatlardaki ani yük değişimlerinin
dengelenmesi gibi çok farklı alanlarda kullanılabilmektedir. Sistemin işletilmesinde salt
insan çabası yetersiz kalmaktadır. Sistemde meydana gelecek olayların anında tespit
edilmesi klasik yöntemler ile mümkün olmamaktadır. Sistemin daha etkin işletilmesi
için, daha güvenilir, daha ekonomik işletme için işletmede bilgisayar otomasyonuna
gereksinim vardır. Bunun için sistem kontrol ve izleme yazılımları gerçekleştirilmiştir.
Yazılım sayesinde operatörler bilgisayar ekranında ki sistem diyagramından sistemi
uzaktan kumanda edebilecektir. Arızaların algılanması yerlerinin tespiti ve arızanın
giderilmesi yine uzaktan kumandalı olarak belli bir merkezden yapılabilecektir.
Sistemle ilgili alarm sinyalleri operatörleri uyaracak şekilde oluşturulması ve
görüntülenmesi gerçekleştirilebilecektir. Çeşitli veriler tarih ve zaman olarak (arıza
şekli, arıza yeri) veri tabanı şeklinde saklanabilir böylelikle kişilere bağlı kalmaksızın
sistem hakkında toplanan verilere dayalı ayrıntılı bilgi edinilmesi sağlanabilecektir.
Dinamik grafik çizim araçları kullanılarak izlenmesi istenen süreç gerçeğe çok yakın bir
şekilde canlandırılabilmekte ve alarmlar çarpıcı hale getirilebilmektedirler. SCADA
yazılımları kendi bünyelerinde bulunan çekirdek yazılımları kullanılarak grafiklerle
birlikte hareket, boyutlandırma, yanıp sönme ve doldurma, boşaltma gibi operatörlerin
dikkatini çekip kullanım kolaylığı sunabilecek özellikleri içermektedirler. Operatörlerin
görmesini kolaylaştıracak değişik renk, boyut ve şekillerde alarm hazırlamak ve alarm
durumunda alınacak acil tedbirleri ekranda göstermek mümkün olmaktadır. Klasik
denetleyicilerle olduğu gibi modern SCADA sistemlerini kullanım sırasında da elle
kontrol yapabilmek için grafik tetikleyicileri olarak adlandırılan yazılım parçaları
kullanılmaktadır. Herhangi bir tesiste olabilecek olan otomatik kontrol sistemlerinin
kullanıcılar tarafından tek bir ekran üzerinden yönlendirilebilmesi çok arzu edilen bir
durumdur. Bu sayede kullanıcıların sistemlerini yönetmeleri için, sistemin bulunduğu
yere gitme zorunluluğu ortadan kalkmış ve kontrol müdahalelerini bulundukları yerde
bilgisayarlar üzerinden vererek büyük kolaylıklar sağlanmış olur.
5.1.1.1. Scada Sisteminin Uygulama Alanları
SCADA sisteminin birçok kullanım alanı vardır. Geniş bir coğrafi alana yayılmış,
bölgesel ve yerel tesislerin bir çoğunda kullanılmaktadır. SCADA sisteminin başlıca
kullanım alanları şunlardır:
ğalgaz ve Petrol Boru Hatları
İletim Sistemleri
ğıtım Tesisleri
ıtma ve Dağıtım Tesisleri
ği Kontrolü
88
eri
Türkiye’de birçok scada uygulamasına rastlamak mümkündür. Örneğin İstanbul
metrosunda bulunan yürüyen merdivenler, havalandırma fanları, aydınlatma sistemi,
yangın ihbar ve koruma sistemleri ve enerji dağıtım sistemleri tamamen bilgisayarlarla
izlenebilmekte ve gerekli müdahaleler merkezi kontrol ünitesinden yapılmaktadır.
Bolu’daki deprem konutlarının elektrik dağıtım sistemlerinde de scada sistemi
kullanılmıştır. Botaş’ ın doğal gaz hatlarında, TEK elektrik üretim ve dağıtımında ,
Ankara, İstanbul, Kayseri gibi bazı kentlerde Su ve Kanalizasyon İdarelerinin su
depolarında, pompa istasyonlarında ve ölçüm noktalarının kontrolünde scada sistemleri
kullanılmaktadır. İzmit’te 1999 Ağustos’unda yaşanan depremde SCADA sayesinde
doğalgaz şebekesinde herhangi bir problem görülmemiştir. SCADA kontrol odasından
şebekedeki ana çelik vanalar hemen otomatik kapatılmış, 27 adet bölge regülatörü de
eşzamanlı olarak durdurulmuş ve vana odaları görevlilerince kapatma işlemlerinin
kontrolü de yapılarak tüm sistemin gaz akışı kesilmiştir.
Bir beton santralinde kullanılan scada sisteminden alınmış bir ekran görüntüsü
Yukarıda bir beton santralinde kullanılan scada sisteminden alınmış bir ekran görüntüsü
verilmiştir.
89
5.1.1.2. Scada Sisteminin İşlevleri
SCADA sisteminin işlevleri şunlar olabilir:
İzleme (monitoring) işlevleri
şlevleri
ı ve saklanması
SCADA sistemleri kullanarak uygulama yazılımı geliştirmek için iletişim
protokollerinin tanımlanması ve veri tabanı yapısının tanımlanması gerekmektedir.
İletişim protokolleri SCADA’nın işletmedeki bilgi omurgası olması görevini yapması
için birbirleri ile iletişim kurması gereken birimlerin haberleşmesini sağlamaktadır.
SCADA sisteminin gözlem ve denetim fonksiyonlarını üstlenmesi için sürece ait giriş
ve çıkış bilgileri bir veri tabanında tanımlanır. Veri tabanında süreç değişkenlerine
tekabül eden her bir bilgi etiket, kapı veya nokta olarak tanımlanır. Bu süreç
değişkenlerinin bulunması gereken seviyelerle ilgili alarmlar ve bu değişkenlerin
işlenlenmesi gerektiğinde kullanılacak işlem blokları veri tabanı tanımlanması fazında
gerçekleştirilir. Scada sistemleriyle aşağıda örnek olarak verilen bilgiler toplanır:
Kalitesiyle İlgili Bilgiler: İşlem sıcaklığı, basıncı, katkı madde miktarları, işlem süresi,
vs.
Üretim Verimliliği İle İlgili Bilgiler: Üretilen malzeme miktarı, toplam duruş
zamanları, nedenleri, vs.
Üretim Maliyetleri İle İlgili Bilgiler: Üretimde kullanılan ham ve ara madde
miktarları, enerji harcamaları, üretim zamanında oluşan maliyetler, vs.
Bakım Amaçlı Bilgiler: Üretim hattının toplam çalışma zamanları, üretim hattındaki
makinaların motor vb. birimlerin çalışma zamanları ve çalışma adetleri ayrıca gerekli
akım ölümleri ile makinalardaki anormalliklerin tespiti.
Çalışanların Kontrolü: Üretim hattında çalışan operatörlerin tespiti. Üretilen
Ürünlerin Kodlanması ile Geriye Dönük Bilgi Edinme: Üretilen ürünlerin tek-tek
belirlenmesi ve hatla ilgili verilerin bu ürünler ile ilişkilendirilmesi.
İstatistiksel Amaçlı Bilgiler: Bozuk, hatalı malzemelerin adetleri, hata nedenleri vb.
SCADA sistemleri süreç değişkenlerini sürekli olarak gözleyip bu değişkenlerin
istenmeyen değerlere ulaşması durumunda operatörü uyarmak üzere geliştirilmiş alarm
yapısına sahiptirler. Alarmlar basit listeler halinde tanımlandığı gibi önem sırasına göre
sınıflandırılmış olarak veya grafik içinde gösterilebilirler. SCADA sistemleri
fabrikadaki değişik vardiyalarda yapılmış üretim sonuçlarını, sürecin belirli
değişkenlerini, olayların sonuçlarını istek üzerine veya olaylar gerçekleştikçe veya
90
periyodik olarak raporlarlar. Bu raporları işletmenin isteği herhangi bir düzende
hazırlamak mümkündür. SCADA sistemleri kullanarak üretime dair reçeteler
uygulamaya konulurlar. Reçeteler grafiklerle ilişkilendirilip operatörün reçetelere kolay
erişimi ve gerekiyor ise bu reçetelerde değişiklik yapması mümkün olur. Operatörlerin
reçeteleri başlatması veya değiştirmesi istenmeyen durumlarda ise SCADA
programında yazılan reçeteler uygulama esnasında otomatik olarak çağrılabilirler.
SCADA uygulamalarında yazılımın değişik kullanıcılar tarafından değişik şekillerde
kullanılmasını sağlayan yetki ve güvenlik mekanizması kodlar kullanılarak sağlanır.
Genellikle SCADA paketlerinde kullanıcı kolaylığı sağlayan ve SCADA
operasyonlarını içeren bir denetleme lisanı bulunmaktadır. SCADA'da oluşan kontrol
cihazlarından toplanan her türlü bilgi, Tagname adını verdiğimiz veri tabanında bir
değişkende tutulmaktadır. SCADA'da Tagname olarak tutulan bu bilgilerin işlenip,
işletmenin ihtiyaç ve isteklerine uygun bir hale getirilmesi gerekmektedir. Üretim
tesislerinin toplanan bilgiler aşağıdaki şekilde kullanılırlar;
ı bir şekilde alarm kriterlerine göre değerlendirilmesiyle
alarmların oluşturulması.
ı
kullanım.
ıkları ile ya da bilgide değişme olduğu zaman
değişme zamanı ile kayıt gerçekleşmektedir.
şitli trendlerin gerek gerçek zamanlı gerekse tarihsel olarak
izlenilmesi.
İstatistiksel Process Kontrol (SPC).
Şekil 1.2’de Bir
Extruder (Plastik Enjeksiyon ) makinesinin ve Şekil 3’de silo otomasyonunun scada
programı ile kontrolünü sağlayan ekran görüntüleri örnekleri verilmiştir inceleyiniz.
91
Zones Status: Bölge Durumları , Statup Sequence: Başlangıç İşlem Sırası
Bir Extruder (Plastik Enjeksiyon ) makinesinin scada programı ile kontrolü
Bir silo otomasyonunun ekran görüntüsü
92
5.1.1.3. Scada Yazılımından Beklenenler
ızlı ve kolay uygulama tasarımı
ı
ı
5.1.1.4. Scada Sistemleri Şu İmkanları Sağlamalıdır
ıcı tarafından tanımlanmış işletmeye ait mimikler (işletme simülasyonu) ve
mimik ekranda kullanılacak nesneler vasıtası ile işletmenin takibi (seviye, sıcaklık,
basınç, sayısal sinyaller, vana ve motor durumları, sistem durumu vb…)
ı vasıtasıyla reçetenin girilmesi ve işleyen reçeteler hakkında
operatörlerin bilgilendirilmesi,
ı vasıtasıyla, sistem için gerekli olan parametrelerin girilmesi
(Setpoint, alt ve üst alarm değerleri vb.)
İşletme değerlerinin tarihsel ve gerçek zamanlı trendlerinin tutulması
ık ve peryodik raporların (üretim, reçete, stok vb. ) alınması,
ışan sisteme, scada ekranlarından manuel müdahale yapılabilmesi
ın(event) gösterilmesi ve yazıcıya ve – veya veri tabanına kayıt
edilmesi,
İleri düzeyde kalite kontrol , örneğin istatistiksel proses kontrol- spc) desteği
5.1.2. Sistemin Yapısı
SCADA sisteminin yapısı genel olarak üç ana kısımdan oluşur:
Uzak uç birim (RTU : Remote Terminal Unit)
Veri toplama ve kontrol uç birimlerini oluşturan sistemlerdir.
İletişim sistemi
Bir bölgede başka bir bölgeye karşılıklı olarak, veri veya haberin gönderilmesini
sağlayan.sistemlerdir.
Kontrol merkezi sistemi (AKM - Ana Kontrol Merkezi / MTU - Master
Terminal Unit)
93
Geniş bir coğrafi alana yayılmış tesislerin, bilgisayar esaslı bir yapıyla uzaktan kontrol
edildiği izlendiği ve yönetildiği yer olarak tanımlanabilir. Aşağıda scada sistemlerinin
genel bir şematik yapısı görülmektedir. Bu sistem sayesinde, bir tesise veya işletmeye
ait tüm elemanların kontrolünden üretim planlamasına, çevre kontrol ünitelerinden
yardımcı işletmelere kadar bütün birimlerin kontrolü ve gözetlenmesi sağlanabilir. Bu
sistem, bir dizi elektronik kontrol ünitelerini, endüstriyel bilgisayarları veya iş
istasyonlarını, ve uygulama yazılımlarını ve iletişim bölümlerini içerir.
Bir SCADA sistem otomasyonunun yapısı
5.1.3. Scada Sistemlerinin Temel Elemanları
Bir scada sisteminde uzak terminal birimleri, ana terminal üniteleri, iletişim ağları, veri
toplama üniteleri, sensörler ve algılayıcılar, yazılım, merkezi kontrol odası, kontrol
panoları, scada sistem terminalleri, bilgisayar ekranları, yazıcılar, kesintisiz güç
kaynakları yer alabilir.
5.1.3.1. Uzak Terminal Birimleri (Remote Terminal Units, RTU)
Bir SCADA sisteminde Uzak Terminal Birimleri (RTU), bağlı bulunduğu merkezin
sistem değişkenlerine ilişkin bilgileri toplayan, depolayan, gerektiğinde bu bilgileri
94
kontrol merkezine belirli bir iletişim ortamı yolu ile gönderen, kontrol merkezinden
gelen komutları uygulayan bir SCADA donanım birimidir. Aynı zamanda Uzak
Terminal Birimleri bulundukları yerde ölçüm ve denetleme işlemleri yürüten birimlerdir
ve RTU (Remote Terminal Unit) olarak adlandırılmaktadır (Şekil 1.5’te görülmektedir).
Bir uzak terminal ünitesi
Scada sistemleri içerisinde yerel ölçüm ve kumanda noktaları oluşturan RTU’lar
birbirlerine bağlanabilen çeşitli cihazlara {Enerji Gözetleme Sistemlerinde, kesici ve
ayırıcıları) kumanda edebilir. Ölçülmesi gereken akım, gerilim, aktif ve reaktif güç, güç
faktörü gibi değerleri ölçebilir. Ayrıca ayırıcı, kesici (Açık, Kapalı) durumlarını kontrol
edebilme imkanı sağlar. RTU yardımıyla merkezi kumanda ve izlemeyi sağlayabilmek
için RTU’lar tüm ölçüm sonuçları ile cihazların çalışma durumlarını (Kesici açık,
Ayırıcı kapalı, vana açık – kapalı, pompa çalışıyor-duruyor vb. bilgileri ) merkeze
ileterek ve merkezden gelen komutlar doğrultusunda (Kesici Aç, Ayırıcı Kapa, Vanayı
aç- kapat, pompayı çalıştırdurdur vb.) işlemlerini yaparlar} kontrol ve kumanda
sağlarlar. Fakat RTU’ nun görevi sadece ölçüm yapmak ve komut uygulamak değil,
ölçüm sonuçlarının belirli sınırlar içerisinde olup olmadığını da denetleyerek aykırı
yada alarm durumlarını merkeze bildirmeyi de sağlar. Bu cihazlar scada sistemleri için
anahtar pozisyonundadırlar. Uzak Terminal Birimleri alandan bilgi toplamayı sağlayan
küçük bilgisayarlarıdır. Uzak Terminal Birimleri (RTU) bağımsız veri toplama ve
kontrol ünitesidirler. Görevi uzak bölgedeki proses cihazlarını kontrol etmek ,
bunlardan veri toplamak ve bu veriyi merkezi yönetici SCADA sistemine taşımaktır.
Uzak Terminal Birimleri birçok cihaz ile haberleşebilirler, bunlar Cep Telefonları ve
Cep bilgisayarları, taşınabilir bilgisayarlar olabilirler. Şekil 1.6’da Uzak Terminal
Biriminin haberleşebileceği cihazlar gösterilmiştir.
95
Uzak terminal ünitesinin haberleşebileceği cihazlar
Uzak Terminal Ünitelerinin sabit giriş ve çıkışları vardır. Örneğin, 16 dijital giriş, 8
dijital çıkış, 8 analog giriş ve 4 analog çıkış gibi.
Uzak Terminal Biriminin görevleri tekrar sıralanacak olursak;
İzleme (monitoring)
ıza yeri tespiti ve izolasyonudur
5.1.3.2. Ana Terminal Üniteleri (Main Terminal Unit, MTU)
Merkezi sistem birimi; yöneticilerin, işletme operatörlerini, bakım elemanlarını ve tüm
işletim sistemini gerçek zamanlı görsel olarak izleyebildikleri fiziksel çevredir. Kontrol
merkezinde merkezi bilgisayardan başka bilgisayar terminalleri, bilgisayar ekranları,
yazıcılar bulunur. Ana Terminal Üniteleri scada sisteminde geniş bir alana yayılmış
Uzak Terminal Birimlerinin koordineli çalışması, Uzak Terminal Birimlerinden gelen
bilgilerin yorumlanması, kullanıcılara sunulması, ayrıca kullanıcıların isteklerini Uzak
Terminal Birimlerine ileterek merkezi kumandanın sağlanması işlevlerine SCADA
sisteminde merkezi sistem birimi yerine getirir.
Ana terminal ünitelerinin görevleri:
ı
ış verilerin yazılım programları ile işlenerek ekrana veya yazıcıya
gönderilmesi
edilecek cihazlara kontrol komutu gönderilmesi
şısında alarm üretme ve gelen alarmları operatöre en hızlı şekilde
iletme
96
ı ve verileri zaman sırasına göre kaydetme
şka bilgisayar sistemleri ile iletişimde olma
ğıtım yönetim sistemi ve enerji yönetim sistemi gibi üst seviye uygulama
programlarını çalıştırma
ıcı, çizici, haberleşme birimleri gibi ek birimlerin kontrolü.
5.1.3.3. İletişim Ağları
İletişim, bir bölgeden başka bir bölgeye, karşılıklı olarak, veri veya haberin
gönderilmesi işlemidir. SCADA Sisteminde sistemin işlemesi için iletişim hayati öneme
sahiptir. İletişim kanallarının veri elde edebilmesi ve kontrolündeki hızı önemli ölçüde
SCADA Sistemini etkilemektedir. Buna bağlı olarak Kontrol Merkezindeki kullanıcı
arabirimi ve uygulama yazılımları da etkilenir. SCADA Sisteminin en yüksek başarı
düzeyi ile uygulaması iletişim sistemine bağlıdır.
5.1.3.3.1. İletişim Ağı
Scada sisteminin hız performansını etkileyen en önemli kısmı iletişim ağıdır. Kontrol1ü
yapılan sistemlerin çeşitli otomasyon seviyelerinde birbirine bağlanan birimler
arasındaki veri transferi ve güncelleştirilmesini içeren tüm işlemler iletişim ağlan
üzerinden yapılır. Bu nedenle Scada uygulamalarında haberleşmenin önemi çok
büyüktür. Bu bağlantı türleri fiziksel bağlantı biçimine ve ağ bileşenlerinin coğrafi
konumuna göre yerel (LAN:Local Area Network) ve geniş alan ağları (WAN :Wide
Area Network) olarak sınıflandırılırlar. Bu ağlar küçük boyutludur. Şayet Scada
sistemlerinde ana terminal ile yerel terminal birimleri küçük bir alan içerisinde
kuruluyorsa bu durumda iletişim bağlantısı yerel alan ağı şeklini alır. Kontrol
merkezinde bilgisayarlar arasında veri paylaşımını, program paylaşımını sağlamak ve
çok sayıda bilgisayarı ve farklı özelliklerde bilgisayarları, büyük hızlarda veri iletişimini
1-100 Mbyte/saniye gibi sağlamak için Yerel iletişim ağları oluşturulur.
WAN
Yerel alan ağı bir fabrika ortamı ile sınırlıdır. Halbuki Wan birbirinden çok uzak olan
sistemleri birbirine bağlar. Birimler birbirinden coğrafi olarak yayılmış uzak
mesafelerde bulunuyorsa bu durumda iletişim bağlantısı bu ağ türüne dönüşür. Wan ve
Lan Scada kontrol sisteminde geniş bir alana yayılmış birden fazla operatör
istasyonunun birbirine bağlanması ve işletmeye ait tüm verilenin transferi için kullanılır.
Bu ağlar sayesinde her terminal ünitesine sistemin kaynakları açık hale getirilmektedir.
Kontrol sisteminde herhangi bir terminal birimi başka bir bilgisayarın yazıcısından çıkış
alabilir ve herhangi bir binimin bilgisayarı diğer binimdeki bilgisayarın ana belleğinde
mevcut olan bir dosyayı bulup kopyalama işlemini gerçekleştirebilir.
97
5.1.3.3.2. İletişim Protokolleri
Araçlar arasındaki bağlantılarda sık sık pahalı olmayan bükümlü çift kablolar
kullanılmaktadır. Veri yolu tek bir veri kablosu ve toprak dönüş hattından olabileceği
gibi, bükümlü çift kablo içerisindeki her bir iletken farklı sinyalleri taşımak için
kullanılabilir. Çoğu projelerde kullanılabilecek standart bir arabirim vardır.
Haberleşmede kullanılan iki önemli arabirim RS-232 ve RS-485’tir.
-232 birbirine yakın iki nokta (örneğin iki bilgisayar) arasında yavaş bir
haberleşme (veri alışverişi) için kullanılır.
-485 iki veya daha fazla nokta kullanıldığında, daha uzun mesafelerde ve daha
hızlı haberleşme için kullanılır. Bir arabirim olarak PC’ler üzerinde bulunan port
kullanılabilir (RS-232) veya gerektiğinde portlar veya adaptörler eklenebilir. PC’lerin
çoğunda en azından bir tane RS- 232 arabirimi mevcuttur. Bu yok ise de kolaylıkla bir
RS-232 veya RS-485 arabirimi kolaylıkla bir PC veya mikrokontrolöre ilave edilebilir.
RS-232 ve RS-485 arabirimler arabirimler izleme ve kontrol sistemlerinde
kullanılmaktadırlar. RS-232 popüler bir arabirimdir, çünkü bu arabirim kolaylıkla elde
edilebilirdir, ucuzdur ve diğer seçeneklere göre daha uzun kablolar ile kullanılabilir.
RS-485 arabirimi de pahalı değildir, kolaylıkla bir sisteme ilave edilebilir ve RS232’den daha yüksek veri transfer (iletişim) hızlarında kullanılabilir ve bu arabirim çok
uzun mesafeleri bile desteklemektedir.
5.1.3.3.3 İletişim Ortamları
Scada sistemlerinde Merkez ile Uzak Terminal Üniteleri arasındaki ve Uzak Terminal
Ünitelerinin kendi aralarındaki iletişim için kullanılan fiziksel elemanlar oluşturulan ağ
türüne göre değişir. SCADA Sistemlerinde iletişim ortamı olarak kullanılabilecek çeşitli
alternatifler:
şıma Hatları
ış PTT Telefon Hatları,
ı
ında İletişim
Özel Hatlar.
5.1.3.4. Veri Toplama Üniteleri
Kontrol üniteleri SCADA sistemlerinin diğer önemli birimini oluşturur. Kontrol
üniteleri kontrol odası seviyesinden çeşitli yardımcı işletmelerin kontrol ünitelerinden
işletme ve yönetim seviyesine kadar tüm veri ve bilgileri yüksek hızlarda işleyecek bir
yapıdadır. Kontrol alt birimlerine, işletme ünitelerine, çalışma sahasına ait
enstrumantasyon ve detektörlere bağlanarak gerekli bilgi ve veri alış verişini sağlarlar.
SCADA sisteminde toplanan verilerin değerlendirilmesi, ekranda gösterilmesi veya
98
diske kaydedilmesi için PC’ye aktarılması gereklidir. Burada PLC ve DAQ (Veri
Toplama ) kontrol cihazları konusunda bilgi verilecektir.
5.1.3.4.1. Programlanabilir Lojik Denetleyiciler (PLC)
Programlanabilir lojik kontrolör ( Programmable Lojic Controller, PLC) endüstriyel
otomasyon sistemlerinin kumanda ve kontrol devrelerini gerçekleşmeye uygun yapıda
giriş çıkış birimleri ve iletişim arabirimleri ile donatılmış, kontrol yapısına uygun bir
sistem programı altında çalışan bir endüstriyel bilgisayardır.
PLC’ler, biriken bilgi ve verilen bir yandan SCADA sistemine iletirken bir yandan da
işletme fonksiyonlarını yerine getirmek için yazılım programlarına uygun olarak lojik
kontrol denetimini sağlarlar.
5.1.3.4.2. Veri Toplama (Data Acquisition – DAQ ) Modülleri
SCADA sistemlerinin temeli iyi bir kontrol ve bilgi toplama esasına dayanmaktadır. Bu
sistemler PC tabanlı olup PC ile birlikte Veri Toplama (Data Acquisition- DAQ) Kartı
kullanılmaktadır. Bu kartlarda Mikroişlemci, Dijital I/O, Bellekler, Sayıcı/Zamanlayıcı,
D/A ve A/D Dönüştürücüler, işletim sistemi genetik programı bulunur.
5.1.3.5. Sensörler ve Algılayıcılar
Saha, süreç ve işletmeye ait verilerin toplandığı scada kontrol sistemlerinin en alt
seviyesini oluştururlar. Bunlar fiziksel ve elektronik iletişim cihazları olup, işletme için
gerekli lokal denetleyicilerdir. Fiziksel çevrenin bilgileri bu seviyede elektrik/elektronik
işaretlerine çevrilerek scada sistemine girerler. Scada sisteminden verilen komutlar ile
bu seviyede elektrik/elektronik işaretlerden fiziksel büyüklüklere çevrilerek, gerçek
dünyada istenen hareketler (kesicilerin açılıp-kapatılması, motorların start-stop edilmesi
vb.) gerçekleştirilmiş olur. Algılayıcılar; sıcaklık, basınç, hız, konum gibi fiziksel
bilgileri voltaj, akım, frekans, puls gibi elektriksel sinyallere dönüştürür (Termokopul
veya RTD elemanları vb.). Kontrol elemanları fiziksel sistemleri harekete geçiren
elemanlar olup proses kontrolü sağlarlar.
5.1.3.6. Yazılım
Scada sisteminde verileri toplayıp, işleyen ve harici cihazları ve makinaları kontrol eden
yazılımların kullanılması gerekiyor. Bu konuyu Öğretim Faaliyeti 2’ kısmında ayrıntılı
olarak inceleyeceksiniz.
99
5.1.3.7. Merkezi Kontrol Odası
Kontrol Merkezi geniş bir coğrafyaya yayılmış tesislerin, bilgisayar esaslı bir yapıyla
uzaktan kontrol edildiği, izlendiği ve yönetildiği yer olarak tanımlanabilir. Kontrol
Merkezi genelde SCADA sistemlerinin ve kontrol edilecek tesislerin merkezi bir yerine
kurulur. Genel bir SCADA sistemindeki merkezi kontrol odasında; bilgisayar ağı,
bilgisayar destekli SCADA paket uygulamaları, bilgisayar terminalleri, insan-makina
iletişimi için bilgisayarlar, yazıcılar, sinyal lambaları, siren gibi destek donanımlarından
oluşur. Kontrol merkezi kumanda odası, tüm önemli bilgisayar ve elektronik cihazların
çalıştırıldığı yerlerde olduğu gibi, statik elektriğe karşı, izole yükseltilmiş bir tabanla
zeminden ayrılmalıdır.
Merkezi kontrol odası
5.1.3.8. Kontrol Panoları
Programlanabilir elektronik kontrol ünitelerini ihtiva eden bu panolar; sinyal lambaları,
sirenler ve pano mimikleri (görüntülerini) içerebilirler. Scada kontrol sistemlerinde
alçak gerilim cihazları, elektronik kontrol ünitelerinin yerleşimi bu panolara yapılır.
Bunlar kontaktörler, röleler, sigortalar vb. elemanlar ihtiva ederler.
Şekil 8’de bir kontrol panosu örneği verilmiştir, inceleyiniz.
Kontrol Panoları
100
5.1.3.9. SCADA Sistem Terminalleri
Birçok kullanıcıya çalışma imkanı veren bu terminaller operatörlerin sistemi
gözleyebilmelerini ve kontrol edebilmelerini sağlar. Sistemin kontrolü için gerekili
bilgilerin yetkili kılınanlar tarafından girilmesi veya değiştirilmesi, şifre ile mümkün
olabilmektedir. Bu terminaller bilgisayarlar veya çeşitli operatör panelleri olabilir.
5.1.3.10. Bilgisayar Ekranları
Renkli ,yüksek çözünürlük ve tarama oranına sahip, ergonomik yapıdaki ekranlar ile
dinamik işletme noktaları (motor, vana, ölçü noktası) ve mimiklerinin gerçek zamanda
sürekli gözlenmesi sağlanmaktadır.
5.1.3.11. Yazıcılar
İşletmeye ve sisteme ait tüm durum ve arıza hallerini raporlama imkânı sağlar.
5.1.3.12. Kesintisiz Güç Kaynağı,
Kontrol merkezinde bilgisayar ve çevre donanımlarına kesintisiz akım sağlayacak bir
kesintisiz AC ve DC güç kaynağı bulunmalıdır. Scada sistemleri bir techizat veya
fabrikayı gözlemlemek ve kontrol etmek için kullanılır. Veri toplama işlemini ilk önce
Uzak Terminal Birimleri kendine bağlı olan girişlerini tarayarak yapar. Genelde bu
tarama işi sık aralıklarla yapılır. Daha sonra merkezi yönetici istasyon (MTU) , Uzak
Terminal Birimlerini tarayarak verileri alır. Genelde bu tarama işi daha seyrek
aralıklarla yapılır. Veri işlenir, alarm durumları tespit edilir. Eğer bir alarm durumu
oluştuysa belirlenen alarm scada yazılımı içerisindeki “alarm listesinden” seçilir ve
operatöre gösterilir. Scada sistemi ile operatör arasındaki temel arabirim, techizat veya
fabrikanın durumunu gösteren bir grafik göstergeçtir. Güncel veri statik bir arka plan
üzerinde yer alan grafiksel şekillerden oluşur. Alanda veri değiştikçe ön plandaki grafik
güncellenir. Örneğin bir vana açık veya kapalı olarak işaretlenir. Analog veriler
grafiksel olarak veya sayısal değeri ile gösterilebilir. Sistem bu şekilde birçok
göstergeçten (gösterge nesneleri ) oluşabilir ve operatörde istediği zaman bunlardan
kendisi ile ilgili olanlarını seçebilir.
101
5.1.4. Örnek Bir Scada Sisteminin İncelenmesi
Şekil 1.9’da “Aseton sıvısını hazırlamak ve bu sıvıyı şişelemek amacıyla kullanılmış bir
scada sisteminin mimik (kuşbakışı) şeması verilmiştir. Burada aseton sıvısını
oluşturmak için saf aseton madde içeren bir tank, bir su tankı, bir koku verici madde
tankının yapılacak üretim miktarına göre doldurulması gerekiyor. Tanklara madde
doldurulması istendiğinde valf sembolünün yanında yer alan ON-OFF düğmelerinin
kullanılması gerekiyor. Bir kez ilgili tank için ON düğmesine bastığınızda tank
tamamen dolana kadar sıvıyı üst transfer borularından alıyor, tank tamamen dolduğunda
bilgisayarda bulunan scada yazılımındaki veri tabanına “tankın dolduğu“ bilgisi
iletmekle beraber ON butonu aktifliğini kaybediyor ve OFF butonu aktif oluyor.
Tanklarda bulunan üç madde belirli oranlarda karıştırılarak istenen özellikte aseton
maddesi oluşturuluyor. grafik eksen üzerinden de izleyebiliyorsunuz. Bu amaçla mimik
şemada sol alt kısımda yer alan trend sembolü kullanılmıştır.
Bu karışım oranlarını sandart hale getirmek istersek REÇETE adı verilen otomatik ayar
düğmelerini kullanmak gerekmektedir. REÇETE kavramının anlaşılması için şöyle
örnek verelim: “Makina sektöründe kullanılan bazı makinalar tabiî ki tek tip bir kalıp
parçasını üretmez. Çok daha gelişmiş makinalarda makine koordinatlarını ayarlamak,
kesici ve diğer aksamları yerleştirmek için saatlerce vakit kaybetmenize gerek yoktur.
Makinaya bağlı bir Elektronik Operatör Panelini kullanarak birkaç düğme ile özellikleri
önceden yüklenmiş program kodlarına göre, makinayı hemen kurup, kalıp üretmeye
başlıyoruz.“ Burada reçete kavramı önceden kodlanmış program kodları olup, hemen
makinayı üretime hazırlama tekniğidir. Bu örekleri çoğaltabiliriz. Fiziksel ortamda
bulunan valfleri, ayarlı vanaları her üretim tipi için ayarlamak çok zahmetli gereksiz bir
iştir. Günümüzde akıllı sensörler (smart sensors) kullanılarak karmaşık kontrol
işlemlerini bilgisayardan tek butonla halledebiliyoruz.
Hangi tipte aseton üretilecekse “kimyasal madde karışım yüzdeliklerini” sol – orta
kısımda yer alan düğmeleri kullanılarak gerçekleştirilebilir. İstenirse reçete menüsünde
yer almayan tipte aseton maddesi üretilecekse mimik şemada yer alan her tankın mikser
ünitesine bağlı bulunduğu vana sembollerinin üzerinde yer alan metin kutularını veya
ileri - geri düğmelerinin kullanılması ile gerçekleştirilebilir. Mikser sembolünün
solunda yer alan butonun ON düğmesine basılırsa fiziksel ortamda bulunan mikser
motoru çalışarak tanklardan gelen maddeleri karıştırıyor. Karışan madde (aseton)
şişelere veya kaplara konarak tüketiciye ulaştırılıyor. Mimik şemada görüldüğü gibi kaç
adet kap veya şişe doldurulduğunu bilmek için (PIECE) kutusuna bakmamız gerekiyor.
Aşağıda bu sistem için verilmiş bir mimik ekran görüntüsü verilmiştir, inceleyiniz.
102
Aseton mikser otomasyonu mimik ekran görüntüsü
Sistemde bir alarm durumu meydana gelirse aşağıda yer alan alarm uyarma kutusunu
görebilirsiniz.
Alarm uyarma kutusu ekran görüntüsü
Alarm bilgileri alarm veri tabanında saklanır. Şekil 1.11’deki pencere ile karşılaşırsınız.
103
Alarm veri tabanı ekran görüntüsü
KAYNAK
Megep Modüller

Proses kontrol ders notlarını indirmek için Tıklayınız..

Transkript

Benzer belgeler

phlebo press - Ecrin Medikal

Isıtmalı Regülatör Analitik gaz sistemleri için özel

EURUSD XAUUSD

Sistem Tanılama ve Çoklu Sistemlerin Harmanlanması ile Akış

Luksor Krallar Vadisindeki Tutankhamun ve Horemheb