IV. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ BİLDİRİLER KİTABI

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası IV. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ BİLDİRİLER KİTABI EKİM 2001 ESKİŞEHİR MMO Yayın No : E/2001/286 ISBN :

2 tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sk. No: 36/1-A Demirtepe, ANKARA Tel : (0312) Fax :(0312) URL : ODA YAYIN NO ISBN : E/2001/286 : BU YAPITIN YAYIN HAKKI MMO'NA AİTTİR. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez, alıntı yapılamaz. MMO'nın izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik fotokopi vs. yollarla kopya edilemez. DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI ESKİŞEHİR ŞUBESİ Cengiz Topel Cad. Tersel Sok. No:2 Ata Apt. K:6 D:15 ESKİŞEHİR Tel: (222) Fax: (222) URL: BASKI : UĞUR OFSET A.Ş. 71 Evler Man. GAMAKO Matbaacılar Sitesi İsmen Sok. No:8 ESKİŞEHİR Tel: (222) Tel/Fax: (222)

3 TMMOB Makina Mühendisleri Odası IV. Ulusal Ölçümbilim Kongresi Ekim 2001 Eskişehir-TÜRKİYE K TİPİ BİR ISILÇİFT İÇİN İŞARET ŞARTLANDIRICI DEVRESİNİN TASARIMI, KALİBRASYONU VE BİLGİSAYAR DESTEKLİ SICAKLIK ÖLÇME Arş. Gör. Hayriye KORKMAZ', Prof. Dr. Burhanettin CAM, Arş. Gör. Kenan TOKEfc 123 Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Bölümü Göztepe / İSTANBUL ÖZET Bu çalışmada, denek olarak seçilen malzemelerin boyca termal genleşmelerini ölçebilen laboratuvar tipi, sıcaklık ve vakum oranı kontrol edilebilen bir fırın tasarlanmıştır. Fırın içi sıcaklığı ölçme amacıyla endüstriyel K tipi bir ısılçift kullanılmıştır. Fırın iç haznesinin küçük olmasından dolayı, içerdeki ısı dağılımı homojen varsayılmış ve dolayısıyla da tek ısılçift kullanmanın uygun olacağı ön görülmüştür. Fırın içi sıcaklığı algılayan ısılçift geriliminin, bilgisayara aktarılabilmesi için, kuvvetlendirme ve lineerleştirme işlemlerini yapan AD595 entegresi kullanılarak K tipi ısılçifte uygun bir devre tasarlanmıştır. Devrenin kalibıasyonu yapılmış ve bu durumda devre çıkışında her l C'lik sıcaklık artışına karşılık çıkış geriliminin lomv artması sağlanmıştır. Ayrıca ilerleyen süreçte yapılacak uygulamalarda sıcaklık kontrolünün de yer alacağı düşünülerek, bir ısıtıcı sürücü devresi de tasarlanmış ve sisteme eklenmiştir. Bu sürücü devresi bilgisayardan gelen 0-10 V arası kontrol gerilimi ile çalışmaktadır. Ayrıca bu çalışmada, tasarımın yanısıra konunun öğrencilere aktarılması da ele alınmış ve laboratuvarda uygulaması yapılabilecek bir deney şekline de getirilmiştir. Uygun bir yazılım seçilerek, bilgisayar destekli sıcaklık ölçme başlığı altında Ölçme ve Enstrümantasyon Dersi Laboratuvar uygulamaları kısmında bu deneyin yapılması ön görülmektedir. Anahtar Kelimeler: Bilgisayar Destekli Ölçme, Isılçift İşaret Şartlandırıcı 1. GİRİŞ Sıcaklık ölçümünde endüstriyel uygulamalarda ve üniversitelerdeki bilimsel araştırmalarda en çok kullanılan elemanlardan bir tanesi, ısılçiftlerdir. Isılçiftler, geniş bir sıcaklık aralığında ölçüm yapabilme ve farklı ortamlarda kullanılabilme avantajına sahiptirler. Bu çalışmada, bir ısılçift ve kendi içinde soğuk uç kompanzasyon devresi bulunan AD595 entegresinin kullanım kolaylığından faydalanılarak, sıcaklık ölçüm düzeneği hazırlanmış ve daha sonra da VISIDAQ yazılımı ile ölçümler yapılmıştır. 2. ÖLÇME DÜZENEĞİNİN TANITILMASI Hazırlanan deney düzeneği, Şekil l'den de görülebileceği gibi 4 ana bölümden oluşmaktadır: Birincisi K tipi ısılçiftin içine yerleştirildiği ve iç ortamın vakum oranının 0 ile -1 bar aralığında ayarlanabildiği laboratuvar tipi bir fırın, ikincisi işaret şartlandırıcı devresi, üçüncüsü bilgisayar destekli ölçme amacıyla veri toplama kartını da içine alan bir bilgisayar ve dördüncüsü ısıtıcı sürücü devresi. Fırın içi sıcaklık bilgisi, veri toplama kartı ile bilgisayar tarafından okunur. Girilen referans sıcaklık değerine göre değişen ve kontrolör çıkışında oluşan de gerilim, sisteme uygun şekilde tasarlanan ısıtıcı sürücü devresinin girişine uygulanır. Böylelikle, fırın-içi sıcaklık, referans değerinde sabit tutulmaya çalışılır. 55

4 2.1. İşaret Şartlandırıcı Devresi Isılçift ile sıcaklık ölçümü, sıklıkla kullanılan bir metoddur. Endüstrideki uygulamalarda veya eğitim kurumlarında bulunan laboratuvarlarda laboratuvar programma dahil edilen önemli deneylerden de biridir. Isılçift ile yapılan sıcaklık ölçümlerinde, en önemli problem (ki hatalara yol açabilen bir problem) soğuk uç kompanzasyonudur. Çünkü ısılçiftler her iki ucu arasındaki ısı farklılığından yola çıkılarak oluşturulmuştur. Şekil 2'de görülen devrede kullanılan AD595 entegresinin içinde yer alan buz noktası kompanzasyon devresi, yalnızca bu önemli problemin üstesinden gelmekle kalmayıp; kazanç ayar bloğu ile de 10 mv/ C'lik lineer bir çıkış da sağlamaktadır. Bu kadar güvenilir ve doğru sonuç vermesinin yanı sıra, devrenin başka bir avantajı da, sadece bir kaç harici.devre elemanı eklenerek devre tasarımının yapılmış olmasıdır. Isılçift BAĞLANTI KARTI (ADVENTECH PCLD-780) VERİ TOPLAMA KARTI (ADVENTECH PCL-812 PG) Şekil - 1. K Tipi Bir Isılçift Kullanılarak Oluşturulmuş Fırın-İçi Sıcaklık Ölçme Deney Düzeneği». Şekil - 2. AD595 Entegresi Kullanılarak Tasarlanan K tipi Isılçift Kuvvetlendirici ve İşaret Şartlandırıcı Devresi Kalibrasyon Bloğu AD595 entegreleri, üretim aşamasında 2 farklı kalibrasyon hata derecesine sahip olarak imal edilmektedir. 1. dereceden üretilen entegrelerde max. kalibre hatası 1 C; 2. derecedekilerde ise max. kalibre hatası 3 C olarak belirtilmektedir[l-2]. Birçok uygulamada bu hatalar kabul edilebilir sınırlar içinde kalmasına rağmen, opsiyonel olarak Şekil 2'deki kalibrasyon bloğu eklendiğinde, 100KQ'luk trnnpot ile ayar yapılarak, hata önlenmektedir. 56

5 Offset ve Kazanç Ayar Bloğu Burada yer alan lkq'luk trimpot ile ayar yapılarak çıkıştaki işaretin kazancı değiştirilmektedir. Ayrıca O C'de 0 V'luk çıkış gerilimi elde etmek için, entegrenin 8. ucuna bir offset gerilimi uygulamak gerekebilmektedir. Üretim aşamasında belirlenen kazanç, olduğundan, Şekil 2'deki devrede bu kriterlere uygun olarak ayarlanmıştır. Başka bir kazanç değeri 8. ve 5. uçlar arasına harici olarak bağlanacak bir geri besleme direnci ile yapılmaktadır Alarm Bloğu AD595'in içinde bir açık devre hissetme katı bulunmaktadır. Entegre içinde ana kuvvetlendirici her iki giriş arasındaki dengeyi korumaya çalışmaktadır. Isılçiftin koptuğu veya girişte oluşan bir açık devre halinde, bu girişler arasında oluşan dengesizlik bir hata meydana getirmektedir. Aşırı yük hissetme devresi, akımı sınırlı olan bir npn transistoru sürer; böylelikle istendiğinde bir alarm ara birimi de oluşturulabilmektedir Devre Beslemesinin Seçimi Şekil 2'de yer alan devrede ısılçift ile yapılacak sıcaklık ölçüm aralığı, devrenin beslemesi için seçilecek değer açısından önemlidir. Çünkü sıcaklık ölçüm aralığına uymayan bir gerilim değeriyle beslenen devrede, ölçme hataları oluşmaktadır. Devrede beslemenin bağlanacağı uçlar V için 7, V + için ise 11 nolu uçlardır. K tipi bir ısılçift ile -200 C'den 1250 C'ye kadar ölçüm yapmak mümkün olduğuna göre, negatif sıcaklık ölçülecek durumlarda çift güç kaynağı kullanmak şarttır. Söz konusu devre ile ölçülebilecek sıcaklık ölçüm aralığı, çift besleme kullanılıyor ise (-V s +2.5) ile (+V S - 2V) arasında; tek besleme kullanılıyorsa 0 ile (+V S -2V) arasında olmalıdır. Burada V s, güç kaynağının değeridir. Şekil 2'deki devrede besleme gerilimi 10 V seçilerek 800 C'ye kadar ölçüm yapılmıştır. Bu beslemenin devreye uygun seçilip seçilmediğini incelersek: (800 C)*10mV=8 V, V s =10V 8V<=(10-2)V 8 V<= 8 V lov'luk beslemenin 800 C 'lik sıcaklığın ölçümü için uygun seçilmiş olduğu görülür Devrenin Kalibrasyonu Tasarlanan devreninin kalibrasyonu sırasında bir miktar buz-su karışımı dolu bir kap ve yine içinde kaynamakta olan su dolu bir kabdan faydalanılmıştır. Isılçift girişine, K tipi kompanzasyon çubuğu bağlanmıştır. Öncelikle bu çubuk buz-su karışımı dolu kaba daldırılarak bir müddet beklenmiş ve daha sonra işaret şartlandırıcı devre şemasında orta ucu 3 nolu pine bağlı olan 100 KQ'luk trimpot ile ayar yapılarak entegrenin veri tablosunda 0 C'ye karşılık gelen ısılçift gerilimi olan 2.7 mv değeri ayarlanmıştır. Aynı işlem kompanzasyon çubuğu kaynar suya daldırılarak tekrar edilmiştir. Bu defa, 100 C'ye karşılık gelen 1015 mv değeri ayarlanmıştır [1-2]. Böylelikle devrenin kalibrasyonu tamamlanmıştır. İşaret şartlandırıcı devre ile yapılan ölçümlerden elde edilen verilere uyan bir bağıntı aşağıdaki gibi elde edilmiştir: V Ç =K(V K + V O ) (1) Vç : İşaret şartlandırıcı devre çıkış gerilimi (Volt); V K : İşaret şartlandırıcı devre girişine uygulanan K tipi ısılçift gerilimi (mv); K : İşaret şartlandırıcı devre kazancı (K=247.3) V o : AD595 entegresindeki çıkış kuvvetlendiricinden dolayı oluşan 11 fi V'luk offset hata gerilimdir. 57

6 2.2. Isıtıcı Sürücü Devresi 220 (FAZ) NÖTR DİRENÇLER: R K R2..4JK R3...4JK R K R R6..20K R7...10K R R R10..47K R (390) R K R R R K POTANSİYOMETRELER T1...20K T2...10K KONDANSATÖRLER C uf C nF C uF C nf C nF/630V DİYOTLAR D1.02 1N4007 D3 15VZENER Şekil-3. Isıtıcı Sürücü Devresi YÜK İleriki uygulamalarda, tasarlanan fırının iç-ortam sıcaklığı kontrol edileceğinden, düzeneğe bir ısıtıcı sürücüdevre eklenmiştir. Şekil l'deki ölçme düzeneğinde blok şeklinde yer alan ısıtıcı sürücü devresine ait açık devre şeması Şekil 3'te verilmiştir. Tasarlanan devrede kullanılan TCA785 entegresi bir faz açısı kontrol entegresidir ve tristör, triyak ve transistor gibi elemanları kontrol etme amacıyla kullanılır. Bilgisayardan gelen DC kontrol gerilimi entegrenin 11 nolu ucuna bağlanmıştır. RİO ve C4 elemanlarının oluşturduğu bir rampa üreticinin çıkışı (10 nolu uçtaki gerilim) ile bu kontrol gerilimi karşılaştırılır ve kontrol gerilimi ile orantılı ve 0 ile 180 arasında değişen faz açısı (cp) oluşur. Entegrenin 14. ve 15. uçları çıkış uçlarıdır. Ql ve Q2 olarak adlandırılan çıkış uçlarında, her bir yarı alternansta 30 is'lik süre boyunca pozitif seviyede bir darbe oluşur. Transistor gibi çıkış elemanlarının kullanıldığı durumlarda, 12. uca bağlanan kondansatör ile bu darbe süresi artırılabilir [ 3]. Kontrol gerilimi OV iken tam sürümde çalışacak (tani yüke 220 V ac verilecek), diğer taraftan kontrol gerilimi 10 V iken sürücü çıkışında AC bir gerilim oluşmayacak şekilde tasarlanmış olması, devrede bir ters orantı oluşturmuştur. LM 358 ile bu terslik giderilmiş; 0 V'ta AC çıkış yok, lov'ta ise 220 V AC oluşacak şekilde yeniden düzenlenmiştir. DC kontrol gerilimine karşı çıkışta oluşan AC gerilime ait giriş-çıkış ilişkisi Şekil 4'te görülmektedir. Devrenin giriş-çıkış ilişkisi, MSExcel 2000 programında Eğilim/Regresyon analizi yapılarak 4. ve 6. dereceden iki ayrı polinomla ifade edilmiştir. 4. dereceden polinom seçildiğinde bu eğrinin R-kare değeri 0,9998 olurken; 6. dereceden polinom seçildiğinde R-kare değeri 0,9999 olmaktadır. Dolayısıyla iki ifade arasında çok ciddi fark olmadığından eşitlik (2)'de ifade edilen 4. derece polinom seçilmiştir. y = 0,1209x-> - 3,2154x3 + 25,928x2-36,385x + 4,2873 (2) x:bilgisayardan gelen DC kontrol gerilimi (V); y:kontrol gerilimine karşı sürücü devre çıkışında oluşan AC gerilim (V) DC KONTROL GERİLİMİ (VOLT) Şekil-4. Isıtıcı Sürücü Devresinin Giriş-Çıkış İlişkisi (4. dereceden polinom) 58

7 3. BİLGİSAYAR DESTEKLİ ÖLÇME Bu çalışmada oluşturulan deney düzeneği, deneysel araştırma yapma amacının yanısıra öğrenci öğretiminde de kullanımı hedeflenmişitr. Bilgisayar Destekli Sıcaklık Ölçme başlığı altında öğrencilere yaptırılacak bir deneyin hazırlanması ve bunun laboratuvarda gerçekleştirilmesi bu çalışmanın amaçlarından biridir. Uygulama devresinin montajı tamamlanıp, kalibrasyonu yapıldıktan sonra, bu konuya hazırlık olarak veri toplama kartları hakkında belli bir alt yapıya sahip öğrenciler Şekil l'de görülen ölçme düzeneğini kurar; veri toplama kartını bilgisayara takar ve gerekli yazılımları yükledikten sonra ölçme yapmaya hazır hale gelirler. Bilgisayar Destekli Ölçme yapabilmek için farklı metodlar önerilebilir. Fakat laboratuvarda mevcut bulunan bir veri toplama kartı ile uyumlu çalışan ve üretici firmalar tarafından oluşturulmuş hazır yazılımları kullanmak en kolay çözümdür. Laboratuvarda ilk defa uygulama yapacak öğrenciler için kullanımının ve anlaşılmasının kolay olduğundan, düzenekte kullanılan veri toplama kartı Advantech PCL812-PG ile uyumlu çalışan VISIDAQ yazılımı tercih edilmiştir Veri Toplama Kartının PC'yeTanıtılması Bu çalışmada kullanılan Advantech PCL-812PG yüksek performansa sahip, yüksek hızlı ve çok fonksiyonlu bir veri toplama kartıdır. IBM PC/XT/AT ve dengi bilgisayarlar için uygundur. Kart satın alındığında, bununla beraber iyi bir yazılım desteğine de sahip olunmaktadır. Bundan dolayı endüstride ve özellikle laboratuvar ortamında kullanıma elverişli ve çok farklı uygulamalar için uygundur [4-5]. Kart bilgisayara takıldıktan sonra, kartla birlikte gelen CD-ROM'dan karta ait sürücüler yüklenir ve ölçüm yapılabilecek hale gelinir VISIDAQ Kullanılarak Ölçüm Yapılması Visidaq, Advantech veri toplama kartları ile uyumlu çalışan ve başlangıç seviyesinde bilgisayar destekli ölçme konusunda rahatlıkla kullanılabilecek bir programdır. Günümüzde sıklıkla kullanılan görsel programlama tekniği ile hazırlanmıştır. Program ilk açıldığında Dosya menüsü altından Yeni komutu seçildiğinde 2 adet boş pencere çıkmaktadır: Birincisi Task Designer, ikincisi ise Display Designer olarak adlandırılmaktadır. İlkinde ölçme düzeneği kurulur. Gerekli bloklar çalışma alanına yerleştirilir. Gerekirse bloklar arasında birleştirmeler yapılarak, ölçüm yapılabilecek alt yapı oluşturulur. Diğerinde ise yapılan ölçüm, dış dünyaya hangi şekilde aktarılacak ise bu belirlenir. Örneğin çıkışımız bir grafik olabilir veya sayısal bir voltmetre ekranından gerilim okuyormuşcasına bir tip de seçilebilir Task Designer Task Designer sayfası üzerine sayfanın sol kenarında yer alan toolbox'dan seçilen bloklar fare ile işaretlenip, sürüklenerek çalışma alanına yerleştirilir. Böylelikle bir ölçme düzeneği hazırlanır. Örneğin Şekil 5'te analog bilgi girişi için Al bloğunun ve verileri bir dosyada saklamak için de LOG bloğunun çalışma alanına yerleştirilmiş olduğu görülmektedir. Al bloğu ile LOG bloğu arasında bir bağlantı gerçekleştirilir. Böylelikle Run komutu seçildiğinde ilk olarak verilerin kaydedileceği dosyanın adının girileceği bir pencere çıkar. Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik-Bilgisayar Eğt. Bölümü öğrencilerinin Electronic. Workbench v.b programları daha önceden Advantech VisiDAO - TEMP.GNI File Ed» Setup View Windöw Run Layout Help Şekil-5. Task Designer Pencere Görüntüsü 59

8 kullanmış olmaları, bu tarz başka bir programı kullanmalarında büyük kolaylık getirmekte ve haftada 3-4 saatlik bir laboratuvar çalışması ile 1. veya 2. haftada kendi kendilerine ölçüm yapabilecek hale gelmektedirler. Analog Inpul Block Tag: Desctiplion: [BD~ Device: [PCL-812PG I/0=300H Al bloğu üzerine fare ile çift tıklandığında karşımıza Şekil 6'da görülen iletişim kutusu çıkmaktadır. Bu iletişim kutusunda Device kutusu altından, bilgisayara tanıtılan veri toplama kartı ve adresi seçilir. (PCL-812PG I/O=300H) Ayrıca devre çıkışı veya analog bilgi, kart üzerinde hangi kanala bağlanmışsa, o kanala ait numara da belirtilir (Burada 0. kanaldan ölçüm yapılmıştır.) Ayrıca analog bilginin aralığı da belirtilmelidir. Seçilen aralığa uymayan veriler, kart tarafından yanlış algılanmaktadır. Modüle: I Fıorn Channel: 0 Io Channel: 0 r Input Range Channel: o Range: +/-5V ~ExpansionChann Ejep. Channel: 3 OK Cancel Help Şcaling Display Designer Boaıd İD: zl Ölçüm sırasında alınan veriler, (Trend Graph Display Item) bloğu Display Designer çalışma sayfası üzerine taşınarak, grafik ile görüntülenir. Ayrıca sayfanın altına yerleştirilmiş olan Numeric/- String Display Item bloğu sayesinde anlık ısılçift gerilim değerleri de okunabilmektedir.fırın-içi sıcaklığın zamanla değişimi, Şekil 7'de görülmektedir. Bu ölçümde fırıniçi sıcaklık 300 C (ölçülen 3V'luk gerilim, 300 C'ye karşılık gelmektedir) olunca ısıtıcı sürücü devresi kapatılmış, fakat grafikten de anlaşıldığı üzere fırıniçi sıcaklık belli bir süre daha yükselmeye devam etmiştir. Toplam 50 dakika boyunca ölçüm yapılmış ve monitörden izlenmiştir. Şekil 7'deki grafikten de görüldüğü gibi, sıcaklık bilgisi üzerinde bazı gürültüler bulunmaktadır. Bu gürültüleri gidermek için LOG bloğu ile kaydedilen veriler, MS EXCEL programında bir filtreleme işleminden geçirilmelidir. Şekil 8'deki grafikte ısıtıcı sürücü devresine farklı kontrol gerilimleri uygulanarak yapılmış ölçümler filtrelenmiş olarak görülmektedir. Burada fırıniçi sıcaklık 600 C'ye geldiğinde, ısıtıcı sürücü kapatılmıştır. Update Rate: 1 1 Şekil-6. Analog Bilgi Giriş Bloğu Video \r I ^ I3ZE3 ; i!iı;inc îşsest jacr. ı;ı.;i!i Volt;i Şekil-7. Fırın-içi sıcaklık değişimi (fıltrelenmemiş) 60

9 7-10V V -i , 700 : 600,-* t Şart. Devre (Volt) S- S. "SS Isılçift 5 r 4-3 T 2 r 1 -i 0 / o o o o o CO CM CO TT o T- T- CN CO * 5V o o o o o o o o o o o C D C M C O ^ - O t D C M C O ' 3 - O C O CO ^^ "*^ LO f f j t^> p^ f*^ co O^ Ol 50 1 u 400 ^.300 İs ,- - 0 o 2 Süre (saniye) Şekil-8. Farklı Sürücü Kontrol Gerilimleri île Yapılmış Fırıniçi Sıcaklık Değişimleri (Filtrelenmiş) 3.3. Eğitimde Kullanılması: Uygulanması planlanan 3 haftalık 3-4 saatlik bir laboratuvar sonrasında tüm bunlar, öğrenciler tarafından kavranmış ve uygulanmış olacaktır. Tablo-1. 3 Haftalık Bilgisayar Destekli Sıcaklık Ölçme Laboratuvar Programı 1. Hafta 2. Hafta 3. Hafta 5. SONUÇ Laboratuvar Programı Sıcaklık Ölçme Devresinin Kalibrasyonu Veri Toplama Kartı Uygulaması VISIDAÇ) Öğrenci Aktiviteleri Elemanlar temin edilerek. Şekil 2'deki devre board üzerine kurulur. Daha önceden verilmiş olan bilgilerin ışığında kalibrasyon işlemi yapılır. (Bölüm 2.1 ) Advantech PCL 812-PG Lab Kart bilgisayara takılır, karta ait sürücü dosyaları kart ile birlikte gelen CDROM'dan bilgisayara yüklenir ve kart ile ölçüm yapılabilir hale gelinir. VISIDAQ yazılımı kısaca anlatılır. Sıcaklık ölçümü yapılır. Zamana bağlı olarak sıcaklık değişimi bilgisayar ekranından izlenir. (Sekil-8) Sonuç Bu lab. sonunda her öğrenci kurduğu devrenin çıkışını kalibre eder; l C'lik sıcaklık artışına karşılık 10 mv'luk gerilim artımını sağlar. Kalibrasyon bozukluğunun ölçme üzerindeki etkisini gözlemler. Bu lab. sonrasında her öğrenci bir veri toplama kartının PC 'ye nasıl takıldığını öğrenir ve kartla ölçüm yapacak hale gelir. Bu lab. sonunda her öğrenci bilgisayar destekli sıcaklık ölçme deneyini Visidaq yazılımı ile gerçekleştirmeyi öğrenir. Tasarlanan ısılçift işaret şartlandırıcı devresi ile ısıtıcı sürücü devresi kullanılarak oluşturulan deney düzeneğinde sıcaklık ölçümleri hatasız olarak yapılmış ve tüm çalışmayı içine alan 3 haftalık bir Bilgisayar Destekli Sıcaklık Ölçme deneyi hazırlanmıştır. Tasarım aşamasında karşılaşılabilecek sorunların giderilmesi ile ilgili kısa bilgiler konu içinde anlatılarak, öğrencilerin uygulama sırasında karşılaşabilecekleri sorunları aşmaları sağlanmaya çalışılmıştır. Sonuç olarak, tasarım, kalibrasyon ve bilgisayarda veri toplama kartı ile ölçüm yapma başlıklarını içine alan bir düzenek hazırlanmış; öğrencilerin/gerçek hayatta karşılaşabilecekleri endüstriyel bir ortam, bölüm laboratuvarına kazandırılmıştır. KAYNAKLAR [1] "AD594/595 MonolithicThermocouple Amplifîers vvith Cold Junction Compensation" Analog Devices Ürün Özellik Sayfası [2] Joe Marcin, "AN-39 Thermocouple Signal Conditioning Using the AD594/595" Analog Devices Uygulama Notları [3] "TCA785 Faz açısı Kontrol Entegresi" Siemens Ürün Özellik Sayfası [4] Advantech PCL-812PG Veri Toplama Kartı Kullanma Kılavuzu [5] Advantech Drivers Supporting for Industrial Automation CD-RGM 61

10 TMMOB Makina Mühendisleri Odası IV. Ulusal Ölçümbilim Kongresi Ekim 2001 Eskişehir-TÜRKİYE KALIBRASYON EGITIMI Ali SERİN Hv.Mu.Kd.Bçvş. Hassas Ölçü Aletleri Öğretmeni ve Eğt.AR-GE Astsb. Hava Sınıf Okulları ve Teknik Eğitim Merkezi MEBS Okul Komutanlığı Gaziemir/ İZMİR Tel: / ÖZET Hv.K.K.lığında kalibrasyon işlemi, 1970'li yıllardan başlayarak, çağın teknolojik gelişmelerine paralel olarak ve her geçen gün daha iyiye doğru giderek 2001 yılında da devam etmektedir. Gerek temel kalibre eğitimi ve gerekse kullanım kursları Hv.K.K.lığı ve diğer Kuvvetlerin de ihtiyaçlarına cevap verebilecek şekilde uygulanmaktadır. Verilmekte olan eğitim, üç başlık altında incelenecektir. Bunlar; Astsubay Aday Temel Eğitimi, Hassas Ölçü Aletleri İşçi Temel Kursu ve Hassas Ölçü Aletleri Kullanım Kursu'dur. Eğitimlerdeki kalibre işlemleri, orijinalinden Türkçe'ye çevrilmiş kalibre teknik kitapları ile yapılmaktadır. 1. ASTSUBAY ADAY TEMEL KALİBRE EĞİTİMİ / Eğitim - Öğretim döneminde başlayan eğitim; kuramsal ve uygulamalı olarak toplam 537 ders saatinden ve 7 ayrı dersten oluşmaktadır. Uygulanmakta olan eğitimde, düz anlatım ve gösterme - uygulama eğitim teknikleri kullanılmaktadır. Düz anlatım metoduyla işlenen Ölçüm Tekniği dersi, ölçüm prensipleri ve ölçüm uygulamaları olarak iki bölümde incelenmekte ve bu eğitimin ilk dersini oluşturmakta olup, 29 D/S'tir. Diğer altı ders ise gösterme - uygulamalı olup, bunlar; > Multimeterler, ( ı r > Multimetre Standartları, V >' Osilaskop ve Osilaskop Standartları, > Sinyal Üreteçleri ve Elektronik Sayıcılar, > Mikro Dalga Ölçüm Standartları ve > Standart Kalibrasyon İşlemi ve Tatbiki Çalışma derslerini kapsamaktadır. Multimeterler, analog ve sayısal olarak iki başlık altında verilmekte olup toplam süresi 86 D/S'tir. Söz f. v konusu ölçü aletlerinden bazıları, Simpson 260 AFP Multimeteri, 3400 A RMS Voltmeîer, 3465B DMMultimeteri ve Fluke 77'dir. Bu ölçü aletlerinin teknik özellikleri, çalışma prensipleri ve kalibre işlemi (Fluke 77 hariç) uygulamalı olarak verilmektedir. 62 ı

11 Multimetre Standartları dersi; Teknik özellikleri, kullanımları verilmekte olup, toplam 89 D/S'tir. Bu ölçüm standartlarının bazıları; 5100B Kalibratörü, 332D/AB DC Voltaj Standardı, 5200 Programlanabilir AC Voltaj Standardı, 6255A Power Supply, 540 B AC/DC Thermal Transfer Standardıdır. Osilaskop ve Osilaskop Standartları dersi; ilgili ölçü aletlerinin teknik özellikleri, çalışma prensipleri, kullanımları ve kalibrasyon işlemleri uygulamalı olarak verilmektedir. Osilaskoplar; 1740A, 465B ve 7903 serisi'dir. Osilaskop standartları ise PG-506 pals üreteci, TG-501 zaman işaret üreteci. SG-503 sabit genlik üretecidir. Osilaskop ve osilaskop standartlarının toplam ders saati 109'dur. Sinyal Üreteçleri ve Elektronik Sayıcılar dersi; 119 D/S olup, teknik özellikleri, çalışma prensipleri, kullanımları ve kalibre işlemi uygulamalı olarak verilmektedir. Ayrıca bu ünite içersinde alıcı-verici prensipleri ve DB, DBM kavramları düz anlatım tekniği kullanılarak verilmektedir. Sinyal üreteçlerinden bazıları, 8640B sinyal üreteci, 3312A fonksiyonel sinyal üreteci, 5245L ve 5345A elektronik sayıcıları, 8901B modülasyon analizer, 141T spektrum analizer ve 332A distorsiyon analizer'dır. Mikro Dalga Ölçüm Standartları dersi; Povver Meter, Power Sensör ve Zayıflatıcılardan oluşmaktadır. Teknik özelikler, çalışma prensipleri ve kullanımları bu ders içersinde verilmektedir. Toplam 29 D/S'inden oluşmaktadır. Povver Meter olarak 436A, Povver Sensör olarak 8481A ve 848İH, Zayıflatıcılar olarak Narda serisi 3db, lodb ve 20db'lik zayıflatıcılar kullanılmaktadır. Standart Kalibre İşlemi ve Tatbiki Çalışma dersi; bu eğitimin son dersi olup, tamamen kullanım ve kalibre işlemleri yapılmakta, uygun etiket ve form kullanılmaktadır.dersin toplam süresi 76 D/S'ni kapsamaktadır. 2. HASSAS ÖLÇÜ ALETLERİ İŞÇİ TEMEL KURSU Bu kurs toplam dört ders'ten oluşmakta ve 330 D/S'dir. Bunlar; > Ölçüm Tekniği, > Multimetreler ve AC/DC ölçüm standartları. > Osilaskop ve Osilaskop Standartları, > Sinyal üreteçleri ve Elektronik Sayıcılar'dır. Ölçüm Tekniği dersi; düz anlatım ve gösterme -uygulama eğitim teknikleri kullanılarak verilmektedir. Ders üniteleri, ölçüm prensipleri, ölçüm uygulamaları, multimeterlerin çalışma-prensipleri ve devre analizi, multimeter ile ölçümlerden oluşmakta ve 57 D/S'tir. Multimetreler ve AC/DC Ölçüm Standartları dersi; içersinde teknik özellikler, çalışma prensipleri, im ve kalibre işlemi verilmekte olup, toplam 78 D/S'tir. Ders üniteleri, ölçü aletleri kalibratörlari, multimetre kalibrasyonu, differansiyel volt metre, sayısal multimetreler, AC/DC voltaj standartları ve * thermal transfer standardıdır. Osilaskop ve Osilaskop Standartları dersi; 80 D/S'inden oluşmakta ve teknik özelikler, çalışma prensipleri, kullanım ve kalibre işlemi verilmektedir. Ölçü aletleri Astsubay Aday eğitiminde verilen ölçü aletlerinin aynısıdır. 63

12 Sinyal Üreteçleri ve Elektronik Sayıcılar dersi; beş ayrı üniteden oluşmakta ve toplam 115 D/S'tir. Ders üniteleri; elektronik sayıcılar, distorsiyon analizer, fonksiyon üreteçleri, spektrum analizer, sinyal üreteçleri ve takat metreler olup, teknik özellikleri, çalışma prensipleri, kullanım ve kalibre işlemi verilmektedir. Bu derste kullanılan ölçü aletleri, 'Astsubay Aday eğitiminde verilen ölçü aletlerinin aynısıdır. 3. HASSAS ÖLÇÜ ALETLERİ KULLANIM KURSU Bahse konu kurs, toplam 60 D/S'inden oluşmakta ve düz anlatım ile gösterme - uygulama eğitim teknikleri kullanılmaktadır. Ders üniteleri; ölçüm tekniği, multimeterler, osilaskoplar, frekans sayıcılar ve sinyal üreteçleri olup, ölçüm tekniği ünitesi düz anlatım tekniği ile, diğer bütün üniteler gösterme - uygulama tekniği ile verilmektedir. Bu üniteler içersinde; Simpson 260 AFP Multimeteri,. 410 C Voltmeteri, 3465 B DM Multimeteri, 1740A, 465B Osilaskopları, 8640B Sinyal üreteci, 332A Distorsiyon Analizer, 3312A Fonksiyonel Sinyal üreteci, 43 6A Povver Metreri ve 141T Spektrum Analizer ölçü aletleri olup, kursun sonunda kullanım becerileri kazandırılmış olmaktadır. 64

13 TMMOB Makina Mühendisleri Odası IV. Ulusal Ölçümbilim Kongresi Ekim 2001 Eskişehir-TÜRKİYE MASTAR BLOKLARINDA İNTERFEROMETRİK ÖLÇÜMLER S. Aslı AKGÖZ, Tanfer YANDAYAN TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü - UME, Gebze - KOCAELİ. Tel: asli.akgoz@ume.tubitak.gov.tr, tanfer.yandayan@ume.tubitak.gov.tr ÖZET Uzunluk birimi metrenin tanımı, ışığın vakum ortamda 1/ saniyede aldığı yol olarak yapılır ve bu birimin endüstriye ve ölçüm laboratuvarlarına aktarılmasında mastar blokları olarak adlandırılan ölçme elemanları kullanılır. Mastar blokları üretimleri sonucunda sınıflara ayrılır ve bu sınıflara göre kullanıldıkları yerler farklıdır. Mastar bloklarının referans olarak kullanılanları, en hassas şekilde ve en düşük belirsizlikle ışığın dalga boyu kullanılarak ölçülür ki, bu da interferometrik plçüm olarak adlandırılır. UME Boyutsal laboratuvarı 2000 yılından beri mastar bloklarını interferometrik olarak birincil seviyede ölçmekte ve izlenebilirliğin doğrudan UME üzerinden verilmesini sağlamaktadır. Bir mastarın interferometrik olarak ölçülebilmesi için taşıması gereken özellikler vardır. Mastarlar daha önceden interferometrik ölçüme uygun özellikler taşırken sonradan kullanım ve saklama şartları sonucunda bu özelliklerini yitirebilirler. Bu bildiride interferometrik ölçüm prensibi, ölçümün yapılabilmesi için gerekli şartlar ve mastar bloğun taşıması gereken özellikler anlatılacaktır. Anahtar sözcükler: Mastar bloğu, interferometrik ölçüm, uzunluk standardı 1. GİRİŞ Yaşam içinde yaygın bir kullanım alanı olan metre birimi endüstriyel alanda da geniş bir kullanım sahasına sahiptir. Teknoloji geliştikçe, üretim çeşitleri arttıkça ve seri üretime geçildikçe metrenin hassas olarak ölçülrhesi ihtiyacı doğmuştur. Yüzyıllar boyunca çeşitli metre tanımlamaları yapılmış ve sonunda modern teknolojinin imkanlarından yararlanılarak uzunluk standardının fiziksel bir olaya dayandırılan tanımı yapılmıştır. Günümüzde metre tanımı, ışığın vakum ortamda 1/ saniyede aldığı yol olarak yapılmaktadır. Uzunluk birimi metrenin endüstriye ve ölçüm laboratuvarlarına aktarılmasında mastar blokları olarak adlandırılan ölçme elemanları kullanılmaktadır. Mastar bloğu; birbirine paralel iki ölçme yüzeyi arasında uzunluk birimini hassas olarak muhafaza eden ölçme elemanları olarak tanımlanmaktadır (Şekil 1) ve nominal boydan sapma ve yüzey düzgünlük özelliklerine göre sınıflara ayrılmaktadır. Mastar bloklarının sınıflandırılma amacı doğru yerde doğru mastarın kullanılmasını sağlamaktır. Şöyle ki, düşük sınıflı mastar blokları, nominal boydan sapmalarının ve yüzey düzlemselliklerihin fazla olması nedeniyle referans olarak kullanıma uygun değildirler. Basit ölçme aletlerinin kalibrasyonlarında ve iş tezgahlarında kullanılan mastar bloklarının çok iyi bir sınıfta olmalarına gerek yoktur, buralarda da düşük sınıflı mastarlar kullanılmalıdır. 65

14 1-Sol ölçme yüzeyi 2-Sağ ölçme yüzeyi 3-İşaretlememiş ölçme yüzeyi 4-İşaretli ölçme yüzeyi 5-İşaretli yan yüzey 6-Yan yüzeyler Şekil a) Nominal boy, / > 6 mm Mastar bloğu yüzeyleri b) Nominal boy, / < 6 mm Mastar bloklarının kalibrasyonunda iki yöntem kullanılır: 1) Karşılaştırma yöntemi 2) İnterferometrik yöntem Karşılaştırma yöntemi, kalibrasyonu yapılacak olan mastar bloğunun referans mastar bloğu ile karşılaştırılarak kalibrasyonunun yapılmasıdır. Bu kalibrasyon yönteminde kullanılan referans mastarın daha önceden mutlak (interferometrik) ölçümünün yapılmış olması gerekmektedir. İnterferometrik ölçme yöntemi ise ışığın dalga boyuna göre mastarın boyutunun belirlenmesidir ve mastar direkt olarak ölçülür, herhangi bir referans kullanılmamaktadır. İnterferometrik ölçümden aşağıda daha detaylı bahsedilecektir. Mastar bloklarının kullanım alanlarına göre mastar bloğunun hangi yöntemle kalibrasyonunun yapılacağı belirlenir. Referans olarak kullanılan yüksek sınıf mastar blokları ışığın dalga boyuna göre interferometrik (mutlak) olarak çok düşük bir belirsizlikle kalibre edilirken düşük sınıflı mastar bloklarının karşılaştırma yöntemiyle ölçülmeleri yeterli olmaktadır. Zaten düşük sınıflı mastar blokları yüzey düzlemsellikleri iyi olmaması nedeniyle interferometrik ölçüm için uygun değildirler. 2. İNTERFEROMETRİK ÖLÇÜM İşığın, doğada varolan girişim olayından yararlanılarak yapılan ölçümlere interferometrik ölçümler denir. Uzunluk biriminin tanımı ışığın dalga boyuna göre yapılmaktadır ve buna göre elde edilen uzunluk biriminin parça başına aktarılması sırasında yapılan işleme interferometrik (mutlak) ölçüm denir. İnterferometrik ölçüm yapılmasının en önemli nedeni uzunluk birimi olan metrenin doğrudan ışığın dalga boyundan mastar bloklarına aktarılmasıdır. Böylece mastar bloklarının boyu çok düşük bir belirsizlikle bilinebilir ve boyutunun bilinmesindeki kesinlik artar. İnterferometrik ölçümlerde, mastar bloğu yüzey düzlemselliği çok iyi olan (~50 nm civarı) ve mastar blok ile aynı malzemeden yapılmış referans bir düzleme (platen) yapıştırılır. Buradaki yapıştırmadan kastedilen bir yapıştırıcı yardımıyla yapılan yapıştırma değildir. Buradaki yapıştırma (\vringing), yüzeyleri çok düzgün olan iki yüzey arasında atomlar arası bağların çekiminden dolayı meydana gelen çekim nedeniyle iki yüzeyin birbirini çok sıkı tutmasıdır. Şekil 2' de mastar bloğu ile aynı malzemeden üretilmiş referans düzleme (Platen) yapıştırılmış mastar blokları görülmektedir. 66

15 Şekil 2 Referans düzleme yapıştırılmış mastar blokları Mastarın oluşturmuş olduğu yükseklik, mastarın ve referans düzlemin üzerine dikey olarak gönderilen ışığın dalga boyu ile ölçülür. Zaten en yaygın olarak kullanılan standart ISO 3650'ye göre mastar bloğunun boyu, mastar bloğunun yüzeyindeki herhangi bir nokta ile referans düzlemin yüzeyi arasındaki mesafe olarak tanımlanmaktadır (Şekil 3). Mastar bloğun yapıştırılması sırasında mastar blok ile referans düzlem arasında yapıştırma filmi (vvringing film) meydana gelir, bu film kalınlığı interferometrik ölçümlerde mastar bloğu boyuna dahil edilmektedir İNTERFEROMETRİK ÖLÇÜM PRENSİBİ Şekil 3 İSO 3650' ye göre mastar blo'k tanımı İnterferometrik ölçümde belli dalga boylarında sağlanan ışın, mastar bloğunun ölçüm yüzeyi ile mastarın yapıştırılmış olduğu platen (referans düzlem) üzerine gönderilir. Dönen ışık referans aynadan yansıyan ıç.k ile girişime sokulur ve fringe'lerin (girişim çizgilerinin) oluşması sağlanır. Oluşan fringe'lerin birbiriyle olan durumlarına göre de dalga boyu cinsinden mastarın boyutu belirlenir. Fringe'lerin detaylı oluşumu şöyle açıklanabilir: Tek bir ışık kaynağından çıkan ve optik düzenekler yardımı ile ikiye ayrılan ışık demetlerinin tekrar birleşmesi sırasında interferans olayı gerçekleşir. İnterferans olayı iki ışığın dalgalarının faz farkları durumuna göre birleşmesiyle ortaya çıkar ve fringe'lerin oluşmasını sağlar. Fringe oluşması için bir ışığın diğerine göre A. dalga boyu kadar kayması gereklidir. Ancak ışığın gidiş ve dönüşü düşünülünce aldığı yol X/2 kadar 67

16 olacaktır (mastar bloğunun yüksekliği boyunca). Yani iki girişim çizgisi arası (fringe kalınlıkları ne olursa olsun) her zaman A/2 kadardır. İnterferometrik ölçümlerde de dalga boyu belli olan lazerden, çıkan ışın, mastar bloğu ve mastarın yapıştırılmış olduğu platen üzerine düşürülür. Lazerden gelen ışın, ışın bölücü (beam splitter) ile ikiye ayrılır ve biri mastarın diğeri referans aynanın üzerine düşürülür. Yansıyan her iki ışın demeti daha sonra birleşir. Birleşme sırasında fringe'ler oluşur. Ardarda iki fringe arasındaki mesafe mastarın yüksekliği doğrultusunda A/2 kadar mesafeyi temsil etmektedir. İnterferometrik ölçüm sırasında platen üzerine gelen ışın demetinin bir kısmı platen üzerindeki mastar bloğu yüzeyinden bir kısmı da platen'ın kendi yüzeyinden yansır. Mastar bloğunun yüksekliğine göre mastarın yüzeyindeki fringe'ler ve platen üzerindeki fringler ile konum farkı oluşur. Bu konum farkına göre mastar bloğunun boyu hassas bir şekilde tespit edilir. 24 mm mastar bloğu için hesaplama örneği aşağıda açıklanmıştır: 2. Okuma 3. Okuma 1. Okuma Şekil 4 Platen'a Yapıştırılmış Mastar Bloğunun Fringe Resmi Şekil 4'teki fringe'lerden yararlanarak mastar bloğun boyunu bulmak mümkündür. İnterferometrik ölçümlerde bu işlemler artık bilgisayar tarafından otomatik ve daha hassas yapılmaktadır. Bu örnekte fringe'ler arası mesafenin gözle okunarak mastarın boyutunun hesaplanışı anlatılmıştır. Şekil 4'de hedef çizgileri ve okuma sırası belirtilmiştir. Buna göre takip edilen işlemler aşağıdaki gibi açıklanabilir. 68

17 1. okuma : Mastarın orta noktası hedef çizgisine getirilir ve platen'ın üzerindeki fringe bu hedefe ortalanır. Burası başlangıç noktası olarak alınır. 2. okuma : Mastarın üzerindeki fringe'in hedefe gelmesi için, daha doğrusu platen'daki fringe'ten mastardaki fringe'e olan mesafenin ölçülebilmesi için, optik yörüngeye yerleştirilen wedge veya referans ayna (wedge yok ise) ilerletilerek, fringe'ler kaydırılır. Bu ilerletme sonucu fringe'lerin sağa veya sola doğru hareket etmesi. sağlanır. Mastar üzerindeki fringe hedefe gelince, referans aynaya veya wedge'e bağlı mesafe ölçerden (mikrometre, prob. PZT v.b.) 1.okuma ile 2. okuma arasındaki mesafe okunarak "a" bulunur. 3. okuma : Son olarak 1.okuma sırasında okunan platen'ın fringe'nih ardından gelen fringe'i hedefe getirilir ve sıfır başlangıç yerinden itibaren olan mesafe yani "b" değeri ölçülmüş olur. Burada "b" değeri fringe'ler arası measafe XI2'yı temsil etmektedir. Aynı konum ve şartlarda yapılan "a" ve "b" okumalarının oranı bize mastarın boyunun, dalga boyunun yarısı X/2'ye bölünmüş halinin küsuratını verir. Ortam şartları ölçülür. Bu ortam şartlan altındaki mastar bloğunun boyu, nominal boyuna ve ortam şartları değerlerine göre hesaplanır. Burada mastarın bulunan boyu tamamen ölçülen ortam şartlanndaki boyudur. Aynı şekilde ışığın dalga boyunun, Edlen formülü [5] kullanarak ortam şartlanndaki gerçek değeri bulunur. Yani ortam şartlarındaki kırılma indisi (refractive index) ve bu ortam şartlarına göre dalga boyu bulunup sonra da 1/2 hesaplanır. Kullanılan lazerlerin dalga boyları hesaba katılır (eğer 3 lazer kullanılan bir interferometre olursa 3 farklı dalga boyu için hesaplama yapılır) ve fringe'ler arasındaki uzaklık dalga boyunun yarısı olduğu için;?u/2red = um X/2 green = um olarak alınır. 24 mm mastar için Şekil 4'den yararlanılarak yapılan okumalar sonucunda a / b oranları aşağıdaki gibidir. Kırmızı a/b = 0.72 Yeşil a/b = 0.85 Mastar bloğunun boyu ^/2'ye bölünerek mastarın uzunluğu boyunca kaç adet fringe geçtiği bulunur: Örneğin kırmızı dalga boyu için hesaplama yapalım; um / um = adet fringe bulunur tam ve 0.51 küsurat olmaktadır. 24 mm nominal için küsurat değeri 0.51 olması gerekmesine rağmen göz ile okunan küsurat değeri 0.72'dir =0.21 kadar mastarın pozitif sapmasi vardir x = um Kırmızı fringe'ler ölçülerek elde edilen mastar bloğu boyu 24 mm um dir. Bulunan değer nominal değere katılır ( mm) ve sonra bu boyun 20 C'deki değeri bulunarak sonuç verilir. 69

18 yeşil dalga boyu için yapılan hesaplama; 24000^m / um = adet fringe bulunur tam ve 0.57.küsurat olmaktadır. 24 mm nominal boy için küsurat değeri 0.57 olması gerekmesine rağmen göz ile okunan küsurat değeri 0.85'dir = 0.28 kadar mastarin pozitif sapması vardir x = jım İki dalga boyu ile elde edilen sonucun ortalaması alınır ve düzeltme değerleri de eklenerek boyut bulunur. Burada iki dalga boyunun ortalaması (o.m'dir um düzeltme değeri de eklenince sonuç (im'dir. Yani 24 mm sapması, j.m'dir FAZ DÜZELTMESİ (PHASE CORRECTION) İnterferometrik ölçümlerde mastar bloğu platen'a yapıştırılarak üzerlerinden yansıyan ışının birbirleriyle yaptıkları girişim sonucunda oluşan fringe'ler esas alınarak boyut bulunur. Burada mastar blok ve platen yüzeylerinin pürüzlülük değerleri büyük önem taşır. Şöyle ki, mastar blok ve platen aynı pürüzlülük değerlerine sahipse ışınların yansımaları sırasında alacakları yol da aynı olacaktır, pürüzlülük değerleri arasında ciddi farklar olması durumunda mastarın boyutu eksik ya da fazla ölçülecektir. Bu durumu ortadan kaldırmak için faz düzeltmesinin yapılması gereklidir. Bu yüzden eğer bir setin ölçümü yapılıyorsa o setin ölçüldüğü platen ile sete ait mastar bloklar arasındaki faz düzeltmesi belirlenmelidir ve eğer mastarın boyutu eksik ölçülüyorsa bulunan en son sonuca bu faz düzeltme değeri eklenir, fazlaysa çıkarılır. mmmr\ -Tîl / / / Jf Tl Şekil 5 Mastar bloklarının interferometrik ölçümünde yüzey yapısının etkisi Şekil 5'te görüldüğü gibi mastar ve platen yüzeyi üzerinde girinti çıkıntılar vardır ve ışın buralardan yansırken yüzey yapısından kaynaklı olarak farklı yerlerden yansıyabilir. Eğer yüzeyler arasında farklılıklar varsa faz düzeltmesi büyük olacaktır. Yakınsa bu yüzey yapısının sonuca büyük bir etkisi olmayacaktır. 70

19 Bu konu ile UME-Boyutsal Laboratuvarında faz düzeltmeleri ile ilgili yapılan bir çalışmanın sonuçlan aşağıda verilmiştir. Bu çalışmada farklı mastar blokları aynı platen kullanılarak faz düzeltme değerleri bulunmuştur ve mastar bloklarından yüzey yapıları platen'mkine yakın olanlar için bu düzeltme değeri düşük bulunmuştur. Tablo 1 Farklı mastarların Aynı Platen' da Ölçümleri Sonucu Bulunan Faz Değerleri Mastar Blok Üretici Firması FRANK TESA STARRET Platen TESALP119 Faz Düzeltme Değerleri -20 nm -9 nm -30 nm 3. MASTAR BLOĞU İNTERFEROMETRESİ Mastar bloklarının interferometrik olarak ölçümlerinin gerçekleştirildiği cihazlara mastar bloğu interferometresi denir. Mastar bloğu interferometresi, referans düzleme yapıştırılmış olan mastar bloğunun ve referans düzlemin üzerine ışık gönderilerek girişim çizgileri elde edilmesi ve dalga boyu cinsinden iki yüzey arasındaki mesafenin hesaplanması prensibi ile çalışmaktadır. UME-Boyutsal Laboratuvarında bulunan interferometre ile 0-300mm arasındaki boyutlara sahip mastar blokları 1 nm çözünürlükle ölçülmektedir. Sıcaklık kontrolü 3 adet PtlOO sensörü ile yapılmakta, diğer ortam şartları (nem, basınç) sürekli ölçülerek cihazın bilgisayarına gönderilmektedir. Sıcaklık, bu ölçümlerde büyük önem taşımaktadır. Ölçümler 20±0.3 C'de yapılmaktadır ve sıcaklık dengeye gelmeden ölçüm alınması doğru değildir. Bu nedenle yapıştırma işlemi bittikten sonra mastar bloklar mastar bloğu interferometresinin içinde nominal boylarına göre birkaç saat bekletilmektedir (Tablo 2). Kalibrasyon sırasındaki sıcaklık kayması maksimum C dir. Mastar yüzeylerinden alınan Fringe (girişim) değerleri CCD kamera ile yüksek çözünürlükte okunup bilgisayara aktarılmakta ve ortam şartlan değerlerini de dikkate alarak mastar bloğunun 20 C'deki boyu hassas bir şekilde hesaplanmaktadır. Tablo 2 Referans düzleme (platen) yapıştırılmış mastar bloklarının sıcaklık bekleme süreleri Mastar Blok Boyu (mm) Mastar Blok Boyu (inch) Sıcaklık Bekleme Süresi (dak.) MASTAR BLOĞU İNTERFEROMETRESİ KULLANILARAK MASTAR BLOKLARININ ÖLÇÜMÜ İnterferometrik olarak ölçülecek mastar bloğu referans düzleme her iki ölçme yüzeyinden de yapıştırılarak ölçüm yapılır. Ölçüm şırasında sıcaklık, basınç, nem gibi ortam şartları ölçümleri otomatik olarak yapılmakta ve sonuçta 20 C'ye düzeltme yapılarak mastar blok boyu bulunmaktadır. Her iki ölçme yüzeyinden alınan ölçüm sonuçları arasındaki farkın 20 nm değerini geçmemesi gerekir. Şekil 6'da referans düzleme yapıştırılmış bir mastar bloğunun ölçüme başlamadan önce alınan fringe resmi görülmektedir. Bu fringeler yardımıyla daha ölçüm yapmadan yüzey hakkında fikir edinmek mümkündür. Şekil 7'de ise interferometrik ölçüm sonucunda alınan yüzey haritası görülmektedir. 71

20 ^JİBaîlF İ^^HE^ ıi ÜA Şekil 6 Mastar bloğun interferometreden görülen fringe resmi 350 : â Şekil 7 UME Mastar İnterferometresi ile alınan mastar bloğu yüzey haritası 5. İNTERFEROMETRİK OLARAK ÖLÇÜLECEK OLAN MASTAR BLOĞUNUN ÖZELLİKLERİ Her mastar bloğu interferometrik olarak ölçülebilmek için uygun değildir. Mastar bloğuna interferometrik ölçüm yapılabilmesi için mastar bloğun taşıması gereken özellikler vardır: 1. Mastar bloğun ölçme yüzeyleri düzgün olmalıdır, 2. Mastar bloğun boy değişiminin yani iki ölçme yüzeyinin birbirine paralelliğinin belli bir limitin altında olması gerekmektedir. Buradan anlaşılacağı gibi interferometrik ölçümler ancak referans mastar bloklarına uygulanabilmektedir. Özellikle yüzey düzgünlüğü büyük önem taşımaktadır. Çünkü ölçme yüzeyleri düzgün olmayan bir mastar bloğunun referans düzleme yapıştırılması problem olacaktır ve yapıştırılabilse bile mastarın boyunun bulunması sırasında her iki yüzeyden alınan ölçüm sonuçlarının aralarındaki farkın 20 nm'yi geçmeme şartının sağlanması mümkün olmayacaktır, ya da boy bulunurken hata yapma olasılığı artacaktır. Bir mastar bloğu interferometrik olarak ölçülmeden önce yüzeyleri mutlaka optik flat yardımıyla kontrol edilir ve böylece hem yüzeyin yapışabilecek durumda olup olmadığı hem de yüzey üzerinde yapışmayı engelleyebilecek pas, çizik, çapak vb. bir hasarın bulunup bulunmadığı tespit edilir. Ayrıca bu tip pas, çizik gibi hasarlı mastar blokları yapıştırma sırasında referans düzleme de zarar verebilirler. Bu tip hasarlar 72