ENERJİ DÖNÜȘÜM TEMELLERİ LABORATUVARI ALGILAYICILAR VE DÖNÜȘTÜRÜCÜLER DENEYLERİ

Transkript

1 DEMO : Purchase from to remove the watermark Ondokuz Mayıs Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ENERJİ DÖNÜȘÜM TEMELLERİ LABORATUVARI ALGILAYICILAR VE DÖNÜȘTÜRÜCÜLER DENEYLERİ Hazırlayan: Arș. Gör. Tolga YÜKSEL Samsun

2 DENEY 1: ALGILAYICILAR-1 1. Giriș : Algılayıcılar ("duyarga" da denmektedir) fiziksel ortam ile endüstriyel amaçlı elektrik/elektronik cihazları birbirine bağlayan bir köprü görevi görürler. Bu cihazlar endüstriyel süreç denetiminde kontrol, koruma ve görüntüleme gibi çok geniș bir kullanım alanına sahiptirler. Günümüzde üretilmiș yüzlerce tip algılayıcıdan söz edilebilir. Mikroelektronik teknolojisindeki inanılmaz hızlı gelișmeler bu konuda her gün yeni bir buluș ya da yeni bir uygulama tipi geliștirilmesine olanak sağlamaktadır. Teknik terminolojide Sensor ve Transducer terimleri birbirlerinin yerine sık sık kullanılan terimlerdir. Transducer genel olarak enerji dönüștürücü olarak tanımlanır. Sensor ise çeșitli enerji biçimleri arasında dönüșüm sağlayan cihazlar olarak bilinir. Ancak 1969 yılında ISA (Instrument Society of America) bu iki terimi eș anlamlı olarak kabul etmiș ve "ölçülen fiziksel özellik, miktar ve koșulların kullanılabilir miktara dönüștüren bir araç" olarak tanımlamıștır. Enerji dönüșümlerine göre özüreteç,biçimlendirici ve bindirimli dönüștürücü șeklinde 3 algılayıcı tipi bulunsa da deneyde bu ayrım ile ilgilenilmeyecek, deneydeki tüm algılayıcıların elektriksel çıkıș vermesi ilkesiyle yaptıkları enerji dönüșümlerine göre sınıflandırma yapılacaktır. 1.1 Sıcaklık Algılama Isı enerjisini elektrik enerjisine dönüștürecek iki tip algılayıcı bulunmaktadır : Termokupl(Isıl Çift) Termistör 1.1. a) Termokupl lar özüreteç yapıda olduklarından herhangi bir kaynağa ihtiyaç duymadan gerilim üretebilirler. İlke olarak olușturulan iki eklem arasındaki sıcaklık farkından elektrik potansiyeli üretme ilkesiyle çalıșırlar. Termokupl yüksek sıcaklık ölçümleri(örn. fırın içi) için daha uygun fiziksel bir yapıya sahiptir. Așağıda çeșitli termokupl cinsleri için gerilim-sıcaklık eğrileri verilmiștir. 2

3 E : Chromel-Constantan T : Copper-Constantan I : Iron-Constantan K : Chromel-Alumel S-R : Platinum-Rhodium C : Tungsten-Rhenium Deney : Yukarıdaki șekil incelendiğinde çok yüksek sıcaklıklarda bile termokuplların düșük seviyelerde(mv) gerilim ürettikleri görülmektedir. Bu sebeple elde edilen ișaretin diğer elektronik devreler için anlamlı bir șekilde kullanılabilmesi amacıyla yükseltilmesi gerekmektedir. Deneyin yapılıșına dair adımlar așağıda verilmiștir : Deney için öncelikle kaskad bağlı ișlemsel yükselteçlerden olușan bir yükselteç devresi kurulur. Daha sonra devrenin girișine termokupl, devrenin çıkıșına ise üretilen gerilimi ölçmek için sayısal voltmetre bağlanır. Ortam sıcaklığı ve termokuplun sıcaklığı sayısal termometre yardımıyla ölçülür ve bu değerler için voltmetre değerleri okunur. Daha sonra sayısal termometre ucu termokupla temas eder șekilde iken termokupl ucu ısıl bir kaynak yardımıyla(örn. çakmak veya düzenekteki ısıtıcı) ısıtılır. Termometre üstünü göstermez bu yüzden sıcaklık bu noktaya çıktıktan sonra ısıl kaynak ile bağlantı kesilir. Azalan sıcaklık termometreden okunurken voltmetreden karșılık gelen gerilim değerleri kaydedilir. Yüksek sıcaklıktan așağı inerken(soğuma sırasında) değișimin hızlı olmasından dolayı bu aralıkta örneklemelerin hızlı olmasına dikkat edilmelidir. 3

4 Deney düzeneğinin bağlantı șeması așağıda verilmiștir : 1.1. b) Termistörler bindirimli dönüștürücüler olup giriș ve çıkıș enerjisi elektrik enerjisi,bindirim ișareti ise ısı enerjisi halindedir. Yapısı sıcaklığa bağlı olarak değișen direnç șeklindedir. Sıcaklıkla doğru orantılı(ptc) ve ters orantılı(ntc) olmak üzere iki tipi bulunmaktadır. Termistörler direnç değerlerini değiștirerek üzerlerinden geçen akımı veya üzerlerindeki gerilim düșümünü değiștirirler ve bu değerler ardı sıra gelen elektronik devreler tarafından ișlenerek anlamlı hale getirilirler. Termistörler düșük sıcaklık ölçümleri(örn. klimalar) için uygun fiziksel özelliklere sahiptirler. Așağıda tipik bir NTC termistöre ilișkin eğri verilmiștir. 4

5 Termistörler klima gibi ısı ölçümüne bağlı yerlerde fazlasıyla kullanılmaktadır. Bu gibi durumlarda bu tip algılayıcıların kendilerini etkileyecek diğer ısıl kaynaklardan uzak tutulması gerekmektedir. Deney : Wheatstone köprüsü orta değerli dirençlerin ölçümü için ideal köprü türüdür. Deneyde kurulu köprü yardımıyla NTC ye ait direnç-sıcaklık eğrisi elde edilecektir. 1K direncin üzerinde düșen gerilim yükselteç devresiyle yükseltilir.yükseltilen gerilim yardımıyla NTC direnç değerleri hesaplanacaktır. Bağlantı șemasını șekilde verildiği üzere kurulur. Ve BALANCE düğmesi yardımıyla köprüyü denge durumuna getirilir. Termometre yardımıyla oda sıcaklığını ölçülür ve kaydedilir. Bu durumdaki termistör direnci hesaplanır. Daha sonra sayısal termometre ucu termistörle temas eder șekilde iken termistör ucu ısıl bir kaynak yardımıyla(örn. çakmak veya düzenekteki ısıtıcı) ısıtılır. Termometre üstünü göstermez bu yüzden sıcaklık bu noktaya çıktıktan sonra ısıl kaynak ile bağlantı kesilir. Azalan sıcaklık termometreden okunurken yükselteç çıkıșına bağlı voltmetreden karșılık gelen gerilim değerleri kaydedilir. Yüksek sıcaklıktan așağı inerken(soğuma sırasında) değișimin hızlı olmasından dolayı bu aralıkta örneklemelerin hızlı olmasına dikkat edilmelidir. Deneye ait bağlantı șeması așağıda verilmiștir. 5

6 1.2 Motor Hız Ölçümü-Döner Kodlayıcılar Motor kapalı çevrim denetimi için gerekli hız bilgisi döner kodlayıcılar yardımıyla elde edilir. İki tip döner kodlayıcı bulunmaktadır : a) Hall etkili döner kodlayıcılar b) Optik döner kodlayıcılar Hall etkili döner kodlayıcılar motor miline bağlanan algılayıcı üzerine yerleștirilmiș küçük boyuttaki N-S kutuplarının herhangi bir kutbun geçiș anı 1 olarak algılanarak dakikadaki geçiș sayısı bir sayıcı yardımıyla sayılarak bulunur. Elde edilen sayı diskin üzerindeki kutup sayısına bölünerek(1 tam tur) dakikadaki devir sayısı bulunur.hall etkili algılayıcı așağıdaki șekilde gösterilmiștir. Optik döner kodlayıcılar ise motor miline bağlanmıș disk bir plaka üzerine delikler açılarak elde edilir.bir optokuplör kullanılarak her bir deliğe karșılık üretilen 1 değerleri bir sayıcı yardımıyla sayılır. Elde edilen sayı diskin üzerindeki delik sayısına bölünerek(1 tam tur) dakikadaki devir sayısı bulunur. Optik kodlayıcı așağıdaki șekilde gösterilmiștir. Motorun hız bilgisi yanında dönüș yönü bilgisi de önemlidir. Bu bilgi ise sadece optik kodlayıcılar yardımıyla elde edilir. Bunun için optik kodlayıcı içinde 90 0 faz farkı bulunan ikinci bir optokuplör bulunur. Birinci(A fazı) ve ikinci(b fazı) optoküplör arasındaki faz farkına bakılarak dönüș yönü elde edilir. Așağıda bu durum gösterilmiștir. 6

7 Deney : Deneyde bir DA motoruna ait hız ve yöne bilgileri elde edilmeye çalıșılacaktır. DA motoru 0-12V arasında beslenebilecek bir motordur. Ölçüm için optik döner kodlayıcı kullanılacaktır. Kodlayıcının tur bașına ürettiği darbe sayısı 100 dür ve fazların frekansları ve tur bașına darbe sayısı kullanılarak motor hızı için formül șu șekilde verilebilir : Deneye ait düzenek așağıda verilmiștir. Kodlayıcı frekansı (Hz) RPM = x 60 Tur bașına kodlayıcı darbe sayısı 7

8 - A ve B fazlarına osiloskobun iki kanalını bağlayın. - Motora uygulanan gerilimi okumak için sayısal voltmetreyi motor giriș gerilimi ölçüm uçlarına bağlayın V arasında çeșitli gerilim değerleri için osiloskop ekranındaki görüntüleri kaydedin. Motorun dönüș yönünü ve hızını belirleyin. - Optik döner kodlayıcıya bağlı 8-bitlik sayıcının çıkıșındaki sayısal değerleri kaydedin. 8

9 1.3 Yakınlık Algılayıcılar İle Yakınlık Algılama Yakınlık anahtarları (proximity switches) kendisine yaklașan cisimleri kendisine dokunmadan algılayacak ve varlığını belirtecek șekilde tasarlanmıș anahtarlardır. Ișık algılayıcılar (LED-fotodiyot ikilisi), ultrasonik algılayıcılar vb. bu tip anahtarların temelini olușturan algılayıcılardır. Bu tip algılayıcılar çeșitli farklı uygulamalarda cismi algılamanın yanında (yani 0-1 bilgisi üretmenin yanında) yaklașan cismin șekli, algılayıcıya uzaklığı gibi çeșitli bilgileri de vererek yakınlık anahtarlarından daha geniș amaçlar için de kullanılmaktadır. Bunların haricinde genellikle bir osilasyon devresine bağlı olarak gelen elemanın değerine göre rezonansa giren ve gerekli çıkıșı olușturan indüktif veya kapasitif tipte yakınlık algılayıcıları da bulunmaktadır. Deney : Deneyde magnetik malzemelere daha duyarlı olan indüktif tipte algılayıcı kullanılacaktır. Așağıda verilen deney düzeneğini çalıștırarak hangi malzemenin hangi algılayıcı tarafından algılandığını gözlemleyiniz. Malzemelerin uzaklığını değiștirerek deneyi tekrar ediniz. 9

10 1.4 HALL Algılayıcı İle Magnetik Alan Algılama Magnetik alan kaynaklarının belirlenmesinde Hall etkisini kullanan Hall algılayıclar kullanılmaktadır. Bu tip algılayıcılar ile örneğin motorun miline dıștan bağlamadan motor içine monte halde rotor kutup bașlarının geçiș sayısına bağlı olarak hız ölçümü yapılabilir. Deney : Așağıda verilen deney düzeneğini çalıștırarak hangi malzemenin hangi algılayıcı tarafından algılandığını gözlemleyiniz. Malzemelerin uzaklığını değiștirerek deneyi tekrar ediniz. 10

11 DENEY 2 : ALGILAYICILAR Ultrasonik Uzaklık Algılayıcıları Sıvı seviyesi, engel tanıma vb. amaçlarla yapılan uzaklık ölçümlerinde kullanılan en genel algılayıcılardan biri de ultrasonik uzaklık algılayıcılardır. Bu tip algılayıcılar mikrofonhoparlör ikilisine benzer yapıyı içeren algılayıcılardır. Ultrasonik uzaklık algılayıcıyı olușturan ultrasonik dönüștürücü mikrofona, ultrasonik algılayıcı ise hoparlöre karșılık gelmektedir. Ölçüm için kullanılan ultrasonik dönüștürücünün eșdeğer devresi ve reaktans karakteristiği așağıda verilmiștir. Ultrasonik dönüștürücüye uygulanan kare dalgaya karșılık çıkıș sinyali sinüsoidaldir (ses sinyali). 11

12 Deney : Așağıdaki deney düzeneğini kurup çeșitli dönüștürücü frekansları için çeșitli uzaklıklarda algılayıcı çıkıșını çiziniz. En iyi hangi frekansta yanıt verdiğini bulunuz. Bașka bir cisimden yansıyan dalgayı görmek amacıyla kağıt, tahta gibi cisimleri kullanarak yansıyan dalga elde ederek gözlem yapınız. 12

13 2.2 Nem Algılayıcıları Özellikle gıda endüstrisindeki kimyasal süreçlerin izlenmesinde sıcaklığın yanında nemin de denetlenmesi istenir. Kimyasal yapılarına bakıldığında nem algılayıcılar neme bağlı olarak direnci değișen(aslında iletkenlikleri değișen) yapıda birer eleman olarak düșünülebilir. Așağıda bir nem algılayıcı elemanın yapısı ve neme bağlı direnç değișimi verilmiștir. Deney : Așağıdaki deney düzeneğini kurarak çıkıș dalga șeklini çeșitli nem değerleri için gözlemleyiniz. 13

14 2.3 Algılayıcı Anahtarlar Reed Anahtarı Reed anahtarı magnetik alan kaynağı olan malzemelere duyarlıdır. Daha önceki bölümlerde anlatılan yakınlık algılayıcılara benzer șekilde dokunma olmadan çalıșması en önemli özelliğidir. Reed anahtarın çalıșma ilkesini tanımlayan șekiller așağıda verilmiștir. Șekillerden de görüldüğü üzere iki metalden olușan anahtara herhangi bir magnetik malzeme geldiğinde açık olan kontak kapanmakta ve anahtar etkin hale gelmektedir. Deney : Așağıda verilen deney düzeneğini çalıștırarak reed anahtarın gelen malzemeye tepkisini gözlemleyiniz. Anahtarın uzaklığını değiștirerek etkisini gözlemleyiniz. 14

15 2.3.2 Civa Anahtarı Özellikle dengede durması gereken düzeneklerde algılama için kullanılan civa anahtarı çok iyi bir iletken olan civanın iki uçlu anahtar arasında duruș pozisyonuna göre anahtarları iletime sokup çıkarması ilkesine göre çalıșmaktadır. Bu durum așağıdaki șekillerde net bir șekilde görülmektedir. Deney : Civa anahtarı çeșitli konumlarda tutarak anahtar davranıșını gözlemleyiniz. 15

16 2.3.3 Sınır Anahtarları Sınır anahtarları (limit switches) özellikle yürüyen band uygulamalarında ve geçen malzeme sayımında dokunmaya bağlı olarak çalıșan anahtarlardır. Kullanılan sınır anahtarı ve iç yapısı așağıdaki șekillerde verilmiștir. Deney : Așağıdaki deney düzeneğini çalıștırarak sağa ve sola yükü hareket ettirerek sınır anahtarların çalıșmasını gözlemleyiniz. 16