|
- Transdüserin Temelleri
- Transdüser Seçim Kriterleri
- Yer değişimi ve hareket sensörü
- Takometre ve hız sensörleri
- İvmeölçerler
- Gerilme Sensörü
- Kuvvet Sensörleri ( Yük Hücreleri )
- Tork Sensörleri
- Akış Sensörleri
- Nem Sensörler
- Sıvı Seviyesi Ölçer
- Basınç Ölçer
- Mikrofonlar
- Vizkozmetreler
- Sıcaklık Ölçerler
Bu bölümde ölçüm sistemlerinin temelini oluşturan sensörler incelenecektir. Kavramların üzerinde ayrıntılı durmadan önce okuyucuda bazı tanımların netlik kazanması önemlidir. Ölçüm sistemlerinde aynı kavram birçok farklı terim ile anlatılmaktadır. Endüstride sensör, transdüser, transmitter, detektör, prob, metre terimleri birbirinin yerine kullanılmaktadır.
Sensör kelimesi hissetmek anlamına gelen İngilizce “to sense” kelimesinden gelmektedir. Türkçe'de sensör yerine “duyarga” kelimesi de kullanılmaktadır. Sensör, bir ölçüm sistemine giriş sinyali gönderen cihaz olarak tanımlanmaktadır. Bu tanıma göre basit bir limit şalteri, bir akım ölçer, bir gerilim bölücü ya da karmaşık bir kütle spektrometresi sensör olmaktadır. Transdüser ölçülen bir büyüklüğü, özelliği ya da durumu kullanılabilir bir elektriksel büyüklüğe çevirir. Transdüser sensörlerin bir alt grubu olarak görülebilir.
Transmiter petrokimya gibi proses endüstrilerinde (örneğin basınç transmiteri) transdüser yerine kullanılan bir terimdir. Dedektör terimi özellikle elektro-optik transdüserler (örneğin IR dedektörü) yerine kullanılmaktadır. Prob terimi, bir akışkan içine daldırılabilen (örneğin sıcaklık probu) – transdüserler için kullanılmaktadır. Metre eki, ölçülen bazı büyüklüklerin sonuna eklenebilmektedir. (örneğin debimetre, takometre).
Bu makale boyunca transdüser terimi kullanılacaktır. Transdüserler ölçüm ve kumanda sistemlerinde sistemlerinde hissedici eleman olarak kullanılırlar. Ölçüm sistemleri bir ya da birden çok nicel büyüklük ölçülmesini ve elde edilen bu bilginin gösterilmesini sağlar. Kumanda sistemleri ise bir değişkenin istenen bir değerde durmasını sağlar. Ölçülen büyüklük nicel bir değişken, bu değişkenin bir özelliği ya da bir durumu olabilir.
TRANSDÜSER SEÇİMİ
Ölçüm Koşulları
- Ölçümün temel amacı nedir?
- Ölçülen büyüklük nedir?
- Ölçüm aralığı nedir?
- Ölçümün doğruluk seviyesi ne olacaktır?
- Ölçülen büyüklüğün dinamik karakteristiği nedir?
- Ölçüm sırasında ölçüm aralığının aşılması ne ölçüde olacaktır?
- Ölçülen büyüklük bir akışkan ise fiziksel ve kimyasal özellikleri nedir?
- Transdüser nereye ve nasıl monte edilecektir?
- Transdüserin maruz kalacağı çevresel etkiler nelerdir?
Veri Toplama Sistemi Koşulları
- Veri toplama sistemi analog mu yoksa dijital mi?
- Veri toplama sisteminin sinyal koşullama, çoğullaştırma, analog-dijital çevirme özelliği,
Transfer öncesi tampon bellek (buffering) özellikleri
- Veri kaydı ve işleme özellikleri
- Veri toplama sisteminin doğruluk, frekans cevabı özellikleri
Bulunabilirlik Koşulları
- Tüm istekleri yerine getiren transdüser piyasadan bulunabiliyor mu?
- Aksi taktirde
- Varolan bir transdüsere küçük değişiklikler yapmak yeterli olacak mı?
- Yeni bir tasarım yapmak mı gerekecek?
- Bu işi üstlenebilecek üreticiler kimlerdir?
- Transdüser zamanında teslim edilebilecek mi?
Maliyet Faktörleri
- Önerilen transdüserin maliyeti göstereceği fonksiyon ile orantılı mı?
- Seçilen transdüserin sebep olacağı test, periyodik kalibrasyon, kurulum gib ekstra masraflar nelerdir?
- Veri toplama sisteminde yapılması gerekecek olan düzenlemeler nelerdir?
Yer Değişimi ve Hareket Transdüserleri
Mekanikteki en temel ölçü uzunluk ölçüsüdür. Konum, hareket, yerdeğişimi terimleri birbirine çok yakın durmaktadır. Konum sensörü (Position Sensor) ya da hareket transdüseri (Motion Transducer) terimlerine sık sık rastlanmaktadır. Yer değişimi transdüseri (Displacement Transducer) , teknik olarak en doğru ifade sayılabilir. Temel olarak lineer ve açısal yerdeğişimi sensörü olarak ikiye ayrılırlar.
Yerdeğişim transdüserleri ölçme teknikleri açısından aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir.
• Kapasitif
• Endüktif
• Relüktans
• Potansiyometrik
• Strain-Gage
• Elektro-Optik
• Açısal ve Doğrusal Enkoderler
• Ultrasonik
• Konum Şalterleri
Takometreler ve Hız Sensörleri
Elektromanyetik Doğrusal Hız Transdüserleri genellikle preiyodik olarak değişen hızları ölçmekte kullanılır. Bu cihaz bir sargı içinde hareket edebilen sabit bir mıknatıstan oluşur. Bu şaft hareketettikçe bir elektromanyetik kuvvet (emf) endüklenir. Hareket ne kadar hızlı olursa o kadar yüksek bir emf oluşur.
Elektromanyetik Takometre Jeneratörler
Takometre olaarak üç farklı jeneratör kullanılabilir. DC takometre jeneratörler, AC endüksiyon takometreler ve AC sabit mıknatıslı takometreler
Dişli Rotorlu Elektromanyetik Takometreler. Üzerinde dişliye benzeyen, ferromanuetik malzemeden çıkıntılar olan bir rotora sahiptir. Hall etkisi, eddy-current ya da endüktif tip bit yaklaşım sensörü ile beraber kullanılırlar. Hissedici sistem olarak en çok elektromanyetik etki kullanılır. Bu sistemde bir bobin kullanılır. Dişli rotor bobinin önünden geçtikçe manyetik akının şiddeti değişmektedir. Bu akı değişikliği bobinde bir elektromotor kuvvet endüklemektedir. Bu emk bir puls şeklinde oluşmaktadır. Bu pulsların sayılması sonucunda açısal hız bilinebilmektedir.
Elektro-optik Takometre : Elektro optik bir sensörden bir ışık hüzmesi gönderilir. Dönen cismin üzerindeki bir noktadan periyodik olarak geri dönen ışık toplanır. Bu ışığın periyodu dönen cismin periyodu ile aynıdır.
İvmeölçerler
İvmeölçerler, ivme, titreşim ve mekanik şok değerlerini ölçmede kullanılırlar. Tüm ivmeölçerlerde bir sismik kütle, yay ve damper sistemi vardır. Sismik kütlenin üzerine etkiyen atalet kuvvetinin yarattığı ivme ölçülür.
Kapasitif İvmeölçer de kapasitif iletim prensibi kullanılır. Sismik kütle olarak bir diyafram kullanılır. Bir ivme etkidiği zaman sabit elektrod ile sismik elektrod arasındaki mesafe değişir. Mesafenin değişmesiyle kapasitans değişir ve ivme ile oratılı bir çıkış elde edilir
Piezoelektrik İvmeölçer Piezoelektrik etkinin kullanıldığı bu tip sensörlerde, sismik kütle bir piezo kristal malzeme üzerine bir kuvvet uygular ve bunun neticesinde bir elektrik yük oluşturulur. Piezoelektrik ivmeölçerler hakkında daha detaylı bilgiyi “Dinamik Ölçümler” bölümünde bulabilirsiniz.
Strain Gage
Gerilme altındaki katılar şekil değişimi gösterirler.
Kuvvet Transdüserleri
Kuvvet Transdüserleri genellikle uygulanan kuvveti elastik bir elemanın deformasyonuna çevirirler. En yaygın olarak kullanılan kuvvet transdüserleri Strain Gage Kuvvet Transdüserleridir. Yük hücresi ( load cell ) olarak da adlandırılırlar. Bu transdüserler hem basma hem d çekme yönünde çalışabilirler. Ölçme aralıları 10 N ile 5MN arasında değişebilir. Gelişmiş tasarımlarda mekanik olarak aşırı yük sınırlamaları bulunmaktadır.
Piezoelektrik Kuvvet transdüserleri özellikle dinamik olaraka değişen kuvvetlerin ölçülmesinde kullanılmaktadır. Bu transdüserler hakkında ayrıntılı bilgi Dinamik Ölçümler bölümünde bulunabilir.
Tork Transdüserleri
Tork ölçen elemanlar genellikle güç üreten şaft ile gücü tüketen şaft arasına seri olarak bağlanırlar. Tork bu silindirik yapıdaki transdüserün üzerine etkidiğinde bir buruluma etkisi yaratacaktır ve tork ile doğru orantılı bir açı oluşacaktır. İkinci tip tork transdüserleri ise tepki torkunu ölçer. Bu sistemde tork üreten rotorun dönmesi engellenir ve oluşan tork bir kuvvet transdüserinin yardımıyla ölçülür.
Fotoelektrik Tork Transdüseri: Burulma sonucu oluşan açısal değişim miktarı, optik kaynaklar ve optik sensörleri vasıtası ile okunur. Yapı olarak optik enkoderlere benzerler.
Strain Gage Tork Transdüseri: Uygulanan torkun yarattığı birim şekil değişiminin strain gageler ile okunması ve tork bilgisinin elde edilmesi prensibine dayanır. En sık kullanılan tork transdüserleridir.
Akış Transdüserleri
Diferansiyel Basınç Akış Ölçümü: Debi yaygın olarak bir akışkanın bir boru içerisindeki kısıtlanmış bölmeden geçirilmeye zorlanması ile ölçülür. Bu zorlanma ile hız değişir ve debi ile orantılı basınç oluşur.
Borunun yarı kesiti büyüdükçe akışkanın hızı azalır ve basınç artar. Yarı kesit küçüldükçe hızı artar basınç azalır. İki basınç farkı diferansiyel basınç sensörü ile ölçülür.
Mekanik Akış Ölçümü: Mekanik elemanlar sıvı akışına yer değiştirerek yada belli bir hız oranında dönerek cevap verecek şekilde dizayn edilmişlerdir.
Viskozitesi 500 Cp'a kadar olan temiz akışkanların, asitlerin, bazların, solventlerin ölçümünde kullanılır.
Isıl Akış Ölçümü: Hareket eden sıvı içerisinde 2 nokta arasında taşınan ısı miktarı akan kütle ile doğru orantılıdır.
Magnetik Akış Ölçümü: Elektromotor güce sahip olan manyetik alan içerisinden geçen iletken sıvı, hızıyla artan bir elektromotor kuvvet indükler. Magnetik akış ölçerler, ölçüm sırasında debi düşümü yaratmazlar, akışkanın viskozite, basınç, sıcaklık değişimden etkilenmezler. Yatay ve dikey şekilde montaja uygundurlar ve ölçüm sırasında akışı engellemediğinden kimya, ilaç, gıda, kağıt hamuru, su ve benzeri uygulamalar için uygundurlar.
Salınımlı Akış Ölçer: Salınımlı akış ölçümünde akışın içine yerleştirilen bir engel üzerinde oluşan vorteks kaynaklı titreşimler algılanır ve Titreşimin frekansı akışkanın hızı ile doğru orantılıdır.
Ultrasonik Akış Ölçümü: Ultrasonik akış transdüserler Dopler efektinden faydalanır. Akışkanın içine gönderilen frekansı bilinen bir ultrasonik ses, akışkanın içindeki partiküller, hava kaparcıklarından yansıyarak geri döner. Dönen sinyalin frekansındaki değişiklik akışkanın hızı ile orantılıdır. Bir diğer yöntemde, bir ultrasonik dalga sıvı içerisinden gönderilir. Alıcı sensörbu dalgayı alır almaz ikinci bir dalga gönderir. İki dalganın arasındaki varış süresi farkından akışkanın hızı çıkarılabilir.
Nem Sensörleri
Nem algılama için 4 tip metod kullanılır. Higrometreler direkt olarak %RH ile kalibre edilen bir çıkış verir. Psikometreler iki sıcaklık değeri ölçüp bir grafik aracılığı ile bu değerlerini nem veya %RH ile ilişkilendirmek zorundadırlar. Yoğunlaşma noktası sensörü eğer gösterilmesi istenen özellik yoğunlaşma noktası değil ise nem oranının bir tablo aracılığıya sıcaklık ölçümünden çıkarılmasını sağlar. Son olarak uzaktan algılama sistemleri nemi kütle ya da hacim olarak ölçebilir.
Seviye Ölçerler
Sıvı seviveyi çoğunluk uzunluk boyutuyla, sıvı yüzeyinin her hangi bir referans noktasına göre yüksekliği olarak verilir. Sıvı seviye ölçümleri ile ilgili hesaplar rahatlıkla bir mikroçip tarafından yapılabilir. Böylece eğer tankın geometrisi ve ölçüleri biliniyorsa sıvının hacmi, eğer ağırlığı da biliniyorsa özkütlesi bulunabilir.
İletkenlik ile Seviye Ölçümü:
Elektriği ileten bir sıvının seviye ölçümü kontakt halindeki iki elektrodun arasındaki resistans değişimi izlenilerek ölçülebilir. Bu yol ile sürekli seviye ölçümleride de ayrık seviye ölçüleri gibi ölçülebilir. Hatta eğer tankın duvarları metal ise
İki elektrot olarak kullanılabilir.
Kapasitif Seviye Ölçümü :
Bir sıvının dielektrik sabiti hava, gaz veya diğer sıvılardan farklıdır. Eğer bir veya daha çok çift elektrot bir sıvıya batılırsa, dielektrik sıvı seviyesindeki artma veya azalmalara bağlı olarak çeşitlilik gösterir ve bu elektrot çiftleri arasında kapasitans farkı oluşturur. Bu prensip ile hem sürekli seviye hem nokta seviye algılanması yapılır. Eğer birden fazla çift elektrot kullanıldıysa algılayıcı element alternatif tüplü iki ya da dört koaksiyel tüp ile beraber çalıştırılabilir Çoğunlukla bir kolu seviye algılamayı yapan bir element ile oluşturulan dört kollu ac köprü network kullanılır.
Basınç Ölçerler
Basınç elsatik bir mekanik eleman üzerinden ölçülür.
Kapasitif Basınç Transdüseri : Basınç statik bir diyafram üzerine etkir ve
Endüktif Basınç Transdüserlerinde, üzerine basınç düşen metalik diyaframın bir bobinin öz endüktansını değiştirme etkisi kullanılır.
Relüktif Basınç Transdüserleri iki temel tip relüktif element içerir. LDVT ve çift bobinli endüktans köprüsü. İlki algılama elementleri olarak körükleri, kapsülleri ve Bourdon tüplerini kullanırken diğeri diyaframları yada Bourdon tüplerini kullanır.
Sıcaklık Transdüserleri
Sıcaklık hissedici elemanlar genellikle sıcaklığı ölçülecek olan yüzeye temas etmek suretiyle çalışırlar. Temassız sıcaklık transdüserler de mevcuttur.
Termoelektrik sıcaklık transdüserleri
See-beck Etkisi olarak adlandırılan “Farklı iki iletken bir devre oluşturuyorsa ve devrenin iki noktası arasında bir sıcaklık farkı var ise bu devreden bir akım geçer.” Prensibini kullanır.
Bu sensörler termik çift ( thermocouples ) olarak da adlandırılır.
Rezistif Sıcaklık Transdüserleri
İletkenlerin iletkenliği sıcaklık ile değişir. RTD olarak da bilinen bu transdüserler bu prensibi kullanmaktadır. Yarıiletkenlerin kullanıldığı tiplerine genellikle termistör denir
Pirometreler temassız olarak sıcaklık ölçen cihazlardır. Cisimlerin sıcaklıklarını yaydıkları ısıdan ölçer. Ölçme aralıkları 3000 °C dereceye kadar çıkabilmektedir.
