1. ÖLÇME 1.1. ÖLÇMENİN TANIMI

Transkript

1 1

2 1. ÖLÇME 1.1. ÖLÇMENİN TANIMI Bir büyüklüğü karakterize eden şey ölçebilme olanağıdır. Diğer bir ifade ile bir büyüklüğü ölçmek demek; o büyüklüğü kendi cinsinden tanımlı bir büyüklüğün birimi ile oranlamak veya karşılaştırmak demektir. Ölçmenin yapılması için, ölçülmek istenen bir büyüklük, o büyüklükle ilgili tanımlanmış bir standart birim ve o standarda uygun bir ölçme cihazının bulunması gerekir. Örneğin, herhangi bir kütlenin ağırlığını ölçmek, kilogramağırlıkla karşılaştırmak veya içerisinde kaç defa olduğu araştırmaktır, iki nokta arasındaki mesafeyi ölçmek için uzunluk birimi olan metreyi kullanırız. Metre yerine santimetre, mil, fut, yarda, arşın gibi değerleri de alabiliriz. Bu değerlerin isimleri değişik olmakla beraber birim olarak ortaktır ve hepsi de uzunluk birimidir. Yukarıdaki örneklerde belirlenen iki büyüklüğü ölçebilmek için, iki ayrı birim kullandık ve aynı zamanda fiziksel bir boyutunu veya değerini ölçtük, ölçülecek büyüklükler değiştikçe bunlara ait birimlerde değişmektedir ÖLÇMENİN ÖNEMİ Bilimsel çalışmalar ölçme ile anlam kazanır. Ölçülemeyen büyüklükler tanımlanamaz, kontrol edilemez. Ölçme, güvenli bir yaşam demektir. Kullandığımız elektrik enerjisinin değerini ve bu enerjinin özelliklerini bilmesek bu kadar rahat ve güven içinde kullanmazdık Ölçme verimlilik ve kalitedir. Kalite bilinci, ölçmenin sonucu ortaya çıkmış bir anlayıştır. Ölçme ve kıyaslama olmadan bir ürünün kalitesi hakkında karar vermek olanaksızdır. Ölçme, bizleri kargaşa ortamından kurtarır. Gündelik yaşantımızda yaptığımız her türlü alışverişin içinde bir ölçme bulunduğunu görürüz. Yalnızca yerel düzeyde değil uluslar arası düzeylerdeki alışverişler düşünülecek olursa ölçü sisteminin ne kadar büyük sorunları çözmüş olduğunun farkına varırız. Ölçme, sağlıklı ve mutlu yaşamamızı sağlar. Bugün dünyamızda bir ürün ve hizmet alırken istenen ve aranan standartların oluşturulması ve geliştirilmesi de ölçme sayesinde oluyor ÖLÇMENİN TARİHÇESİ Her meslek dalının içinde ölçme işlemi vardır. Elektrik-elektronik alanındaki ölçmeler pozitif bilimin bir dalı olan fizik biliminin içinde yer alır. Elektrik-elektronik alanındaki ölçme uygulamaları Elektrik Mühendisliği adı altında yürütülmektedir. Elektrik Mühendisliğinin ilk gözlemsel deneyi için sürtünme ile elektriklenme olayı örnek verilebilir. Statik elektrik yükü ve elektrostatik alan kavramı C.A.Coulomb tarafından ifade edilen Coulomb Kanunu ile açıklanmaktadır. Elektrik yükleri arasındaki itme ve çekme kuvvetlerinin ölçülmesine ait deney olarak kabul edilir. 2

3 Kantitatif (nicelik ) ölçmeyi ilk olarak elektrik devresine uygulayan bilim adamı G.S. Ohm olarak bilinir yılında yaptığı açıklamada bir direncin uçlarına uygulanan elektrik kuvveti veya basıncı sonucunda bu dirençten geçecek elektrik akımı, direncin büyüklüğü ile ters orantılıdır şeklindedir. ( Daha sonra bu ifade Ohm Kanunu olarak kabul edildi.) O günlerde elektrik kuvveti veya basıncı, elektrik akımı ve direnç tanımlanmamış olduklarından bir dirençten geçen akımın büyüklüğü basit bir ölçü aleti olan Tangent Galvanometresi ile ölçülüyordu. Tangent Galvanometresi, bir bobin ve üzerinde bir göstergeden ibaretti. Elektrik alanında yapılan çalışmaların artması sonucunda bu alandaki deneyleri de arttırmıştır. Deneyler arasında bilgi transferinin ortaya çıkması üzerine bu transferin, ancak önceden tanımı yapılmış birimler üzerine olabileceği düşünülmüş ve birim (unit) kavramı üzerinde durularak ölçmenin tanımı yapılmıştır. Buna göre ölçme: Ölçülecek büyüklükte, daha önceden tanımı yapılan bir birimin tekrarlanma sayısıdır yılında İngiltere de İngiliz Bilimsel Gelişmeler Birliği ( British Assosiation for the Advancement of Science ) tarafından ilk direnç standardı tespit edilmiştir. Bu birlik Maxwell, Joule, Lord Kelvin ve Wheatstone gibi devrinin en ünlü bilim adamlarını içine alan bir topluluktu yılında İngiliz Bilimsel Gelişmeler Birliğinin tavsiyeleri üzerine ilgili direnç standardı imal edilmiştir. Bu standart, bobin şeklinde sarılmış platin-gümüş alaşımlı iletkenlerden oluşan ve parafin içinde saklanan direnç standardı idi. Direncin ve parafinin havadan etkilenmemesi için bir kutu içine yerleştirilmiştir. Bu tipten olan dirençler halen laboratuarlarda kullanılmaktadır ve hassasiyetleri çok yüksektir yıllarında kabul edilen Uluslararası Sistem ( SI ) ( System of International ) yeni birimlerin ortaya çıkmasına neden olmuştur yılında Ampere nin Ağırlıklar ve Ölçüler konferansında önerdiği MKSA mutlak sistemi 1 Ocak 1948 yılında kabul edilerek, SI dan MKSA ya geçildi. Uluslararası Sistem ( SI ) ve MKSA mutlak sistemi arasında yapılan direnç, endüktans ve kapasitans standartları arasında %0,05 ve gerilim standardında ise %0,033 lük bir fark bulunmaktadır. Örneğin; 1 Ohm( SI ) = 1, Ohm (abs) abs = Absulute = MKSA birim sistemi 1 Volt (SI ) = 1, Volt. (abs ) 1 Amper (SI ) = 0, Amper (abs ) 1 Henry (SI ) = 1, Henry (abs ) Elektrik Mühendisliği alanında bu dört sistem kullanılıyor ise de fizik alanında yeterli olmadığından bilinmesinde fayda görülen iki ayrı birim, ölçme sistemine 1967 yılında eklenmiştir. Bunlar Kelvin ( K )ve Kandela dır (Cd ). Gerçekte Ölçme sisteminin adı, MKSAKCd dır. ( Metre Kg Sn Amper Kelvin Candela ) 1.4. BİRİMLER SİSTEMİ Büyüklüklerin ölçülmesinde, birlik ve beraberliği sağlamak için uluslararası standart hale getirilen Birimler Sistemi kullanılır. Ölçme sonucunda elde edilen değerler fiziksel 3

4 büyüklüklere bağlı olarak çeşitli birimler ile birlikte bir anlam ifade eder. Çok değişik fiziksel büyüklük olmasına rağmen bunlardan yedi tanesi temel birim olarak belirlenmiştir. Diğer büyüklükler temel birimler cinsinden ifade edilmektedir. Bu birimlere de türev veya türetilmiş birimler adı verilmektedir ULUSLARARASI SİSTEMİN (SYSTEME INTERNATİONAL D UNİTE - SI) TEMEL BİRİMLERİ Uluslararası sistemin kabul ettiği yedi temel birim vardır. Bunlar; Büyüklük Birim Adı 1. Uzunluk Metre (m) 2. Kütle Kilogram (kg) 3. Zaman Saniye (s) 4. Sıcaklık Kelvin derece (K) 5. Elektrik akımı Amper (A) 6. Işık şiddeti Candela (Cd) 7. Madde miktarı Mol (mol) Tablo1.1 Uluslararası Sistemin kabul ettiği yedi temel birim Bu temel birimlerin tanımları: Metre: Kripton 86 atomunun 2p1 ve 5d5 enerji seviyeleri arasındaki geçişe ait ışımanın ( radyasyonun ) dalga boyunun ,73 katına eşit olan uzunluktur. Veya kabaca Işık hızının, 1 / saniyede aldığı mesafedir. Kilogram: Kütle birimidir. Kg. ın uluslararası prototipine eşittir. Saniye: Sezyum 153 atomunun temel denge halinde iken iki ince yapı seviyesi arasındaki geçişe ait ışıma periyodunun katına eşit olan zamandır. Amper: Boşluğa yerleştirilmiş ihmal edilebilir dairesel kesitli, aralarında 1 m. Uzaklık bulunan paralel, doğrusal sonsuz uzunluktaki iki iletkenden geçirilen ve bu iletkenler arasında metre başına Newton luk kuvvet doğuran doğru akım şiddetidir. Kelvin: Termodinamik sıcaklık birimidir. Suyun üçlü noktasının (katı, sıvı, gaz) termodinamik sıcaklığının 1/273,16 sına eşittir. Candela: Newton /m 2 basınç altında donma sıcaklığındaki platinin 1/ m2 lik alanının bu yüzeye dik doğrultudaki ışık şiddetidir. Mol: TÜRETİLMİŞ BİRİMLER Temel birim sistemi üzerinde tanımlanmış birimlerdir. 4

5 Büyüklük Birim - Sembol Alan m 2 Hacim m 3 Yoğunluk Kg/m 3 Hız m/s İvme m/s 2 Açısal ivme rad/s 2 Kuvvet Newton (N) Kütle x İvme İş, Enerji, Isı miktarı Joule (J) Newton x m Güç, Isı akışı Watt (W) Joule / s Elektrik yükü Gerilim, EMK, Potansiyel Volt (V) Elektrik alan şiddeti Magnetomotor kuvvet Coulomb (C) Amper x s Volt / metre Amper Elektriksel direnç Ohm ( ) V / A Joule / Coulomb Elektriksel kapasite Farad (F) Coulomb / V Elektriksel self Henry (H) V / (A / s) = V x s / A Magnetik akı Weber (Wb) Volt x s Magnetik akı yoğunluğu Tesla (T) Wb / m2 Magnetik alan şiddeti Aydınlık,(ışık akısı) A / m Lümen (Lm) Parlaklık Cd / m 2 Aydınlatma şiddeti Lüx (Lx) Lm / m 2 Frekans Hertz (Hz) 1 / Periyot Açısal frekans veya hız Radyan / s 1 / Açısal Periyot Tablo1.2 Bazı türetilmiş birimler Not: Isı enerjisi elektrik enerjisi arasında; Q(kalori) = 0,239I 2 Rt (joule) bağıntısı vardır. Burada; Q kalori olarak ısı enerjisini, I amper olarak akan akımı, R olarak direnci ve t saniye olarak zamanı gösterir Elektronikte ölçülmesi istenen büyüklükler çok çeşitlidir. Ancak bu büyüklüklerden en çok kullanılanları aşağıya sıralanmıştır. 5

6 Gerilim: Elektrik yüklerinin bir noktadan diğer bir noktaya gitmesini sağlayan kuvvete gerilim veya potansiyel fark adı verilir. Birimi Volt olup V ile gösterilir. V = I x R Akım: Bir noktadan geçen elektrik yüklerinin miktarını ifade eder. Birimi Amper olup A ile gösterilir. Akım yönü elektron akış yönünün tersi olup bir gerilim kaynağının pozitif ucundan çıkıp negatif ucuna doğru gittiği kabul edilir. I = Q / s = V / R Direnç: Elektrik akımına karşı gösterilen zorluktur. Birimi Ohm olup ile gösterilir. R = V / I Güç: Birim zamanda yapılan işe güç adı verilir. Birimi Watt olup W ile gösterilir. P = V x I = I 2 xr =V 2 / R Logaritmik güç ifadeleri: P(dB) = 10 Log P / 1W P(dBm) = 10 Log P / 1mW P(dB) = 10 Log P / 1W Endüktans: Bir devredeki akımın her türlü değişmelere karşı koyan ve manyetik enerji depolayan devre elemanıdır. Birimi Henry olup H ile gösterilir. Henry bir bobinde indüklenen gerilimin bobin içindeki akımın değişim hızına oranı olarak tanımlanır. L = V x s / A Kapasitans: Bir devredeki gerilimin her türlü değişmelere karşı koyan ve elektrik enerjisi depolayan devre elemanıdır. Birimi Farad olup F ile gösterilir. Gerilim fonksiyonu olarak bir kondansatörde biriken yük miktarına kapasite adı verilir. C = Q / V Frekans: Periyodik bir işaretin bir saniyedeki tekrarlanma sayısıdır. Birimi Hertz olup Hz veya 1/s ile gösterilir. Periyotun tersidir. f = 1 / T Periyot: Dalga şeklini tekrarlayan işaretlerde herhangi noktasından o noktanın tekrarlandığı ilk anına kadar geçen süredir. Frekansın tersidir. T = 1 / f ÇARPAN BİRİMLERİ Uygulamada temel veya türetilmiş birimlerin hem kendileri hem de alt veya üst katları kullanılabilir, hatta kullanılmalıdır. Zira bu o büyüklüğün zihinde daha iyi kavranması ve algılanması açısından önemlidir. 6

7 Örneğin; 10 m/s hızla giden bir araç dediğimizde bu aracın hız sınırları dâhilinde hareket edip etmediğini zihnimizde hemen algılayamaya biliriz. Çünkü bahsi edilen hız sınırlarının toplumca benimsenmiş büyüklük çarpan birimi km/saat tir. Hâlbuki hız değeri 36 km/saat olarak ifade edilmiş olsaydı bu büyüklüğün şehir içi hız limiti dâhilinde olduğunu anlayabilecektik. Aynı şekil diğer tüm büyüklükler için de bu geçerlidir. Hangi büyüklüklerin hangi durumda hangi limitler dâhilinde olabileceği bellidir ve bunlar içinde uygun olan çarpan birimlerinin kullanılması gerekir. Bu o büyüklüğün değerini asla değiştirmez. Algılanmasını kolaylaştırır. Çarpan birimlerinin kullanılmasında metot çok kesin kural olmamakla beraber şu şekildedir: Çarpan biriminin önündeki büyüklük 1ila 1000 arasında olacak şekilde ondalık virgülü sayı 1000 den büyükse sola doğru, 1 den küçükse sağa doğru her seferinde 3 hane olacak şekilde ötelenir. Ta ki sayı 1ila 1000 arasında kalıncaya kadar. Kaç kez öteleme yapıldıysa ona karşılık gelen alt veya üst katı çarpan birimi olarak yazılır. Örneğin: Hz 0, F ,000 KHz 0000, mf 1800, MHz ,022 F 1, GHz , nf Yani Yani 1,8 GHz 22 nf Dönüşümlerde kullanılacak çarpanlar birimleri aşağıda belirtilmiştir. Çarpan Birimi Çarpan Sembol Egza E Penta P Tera T Giga 10 9 G Mega 10 6 M Kilo 10 3 k Mili 10-3 m mikro 10-6 nano 10-9 n piko p femto f 7

8 1.5. ÖLÇÜ ALETLERİ atto a Tablo1.3 Birimlerin alt ve üst katları Elektriksel ve elektroniksel ölçmelerde değişik tipte ölçü aletleri kullanılır. Bu ölçü aletlerini değişik kategorilerde sınıflandırabiliriz. Fiziksel büyüklüklerin ölçülmesinde çok değişik metotlar kullanılır. Bazı fiziksel büyüklükler yalnız mekanik yöntemlerle ölçülürken, bazıları elektriksel, bazıları ise elektronik yöntem ve cihazlarla ölçülür. Ölçü aletleri içinde en gelişmiş olanı elektronik aletlerdir. Yapıları daha karmaşık olmasına rağmen bazı üstünlükleri vardır. Bunların duyarlılıkları yüksek olup çok küçük genlikli işaretleri ölçebilirler. Giriş dirençleri çok büyük olduğundan, ölçülen devrede olumsuz tesirleri (yükleme etkileri) azdır. Ayrıca elektronik cihazlarla ölçülen büyüklüklerin uzak mesafelere taşınması ve uzaktan izlenip kontrol edilmesi mümkündür. Ölçü aletlerinin çalışmasına bakıldığı zaman karşımıza yapılarına göre mekaniksel, elektriksel, elektroniksel, sayısal sistemlere göre çalışan ölçü aletleri çıkmaktadır. Bu ölçü aletlerinin sıralanışı cihazların gelişme yönünü, karmaşıklığını, duyarlılığını, güvenirliğini ve doğrululuk derecesini de göstermektedir. Ancak bu cihazları kullanan kişinin sahip olması gereken bilgi düzeyi için tam tersini söylemek gerekir. Mekaniksel ölçü aletini kullanmak için o konuda daha çok bilgi ve titizlik gerekirken sayısal olarak çalışan ölçü aletinin kullanılmasında daha az bilgi ve titizlik yeterlidir. Gelişen teknolojik bilgiler ışığında elektriksel olmayan bazı büyüklükleri, elektriksel forma dönüştüren dönüştürücü elemanlar ( sensor ve transduser ) yardımıyla elektriksel olarak ölçmek mümkün olabilmekte ve bir öncekine göre daha üstün özellikleri olan ölçü aletleri geliştirilebilmektedir. Elektronik ölçü aletleri mekanik ve elektriksel ölçü aletlerinin yerlerini almaktadır. Yeni ölçü aletlerinin, en azından gösterge kısımları sayısal yapılmaya çalışılmaktadır. Sayısal göstergeli ölçü aletlerinde okuma hatası ortadan kaldırılmaktadır. Sayısal ölçü aletlerinin çalışmasını algılayabilmek için transduser olarak adlandırılan dönüştürücüleri, yükselteçleri, analog / sayısal dönüştürücüleri ve kod çözücüleri bilmek gerekmektedir. Sayısal ölçü aletleri sinyal işleme tekniği ile çalışmaktadır. Ölçülmek istenen bir büyüklük, elektriksel sinyale dönüştürülür ve bu sinyal üzerinde işlemler yapılarak ölçme işlemi gerçekleştirilir. Sayısal ve Analog Ölçü Aletlerinin Karşılaştırılması Sayısal Cihazların Üstünlükleri 1-Ölçme yapılırken dik veya eğik tutulmaları önemli değildir. 2-Daha hızlı çalışırlar. 3-Daha doğru ölçme yapılabilir. 4-Duyarlılıkları yüksektir. 8

9 5-Okuma hataları azdır. Kolay okunurlar. 6-Bunlarla otomatik ölçme yapmak mümkündür. 7-Gürültülere karşı dayanıklıdırlar. 8-Aynı anda çok sayıda değişik elektriksel ve fiziksel parametreler ölçülebilir (grafik multimetreler gibi). 9-Sayısal cihazın boyutları çok küçük olabilir. 10-Giriş dirençleri yüksek olduğundan ölçülen değere etki etmezler 11-Ölçülen değerlerin uzak mesafelere taşınması ve cihazların uzaktan kontrolü kolaydır. Analog cihazların üstünlükleri Sayısal göstergelerin birçok üstünlükleri olmasına rağmen uygulamalarda bazen analog göstergeler tercih edilmektedir. 1-İbrenin hareket yönü ve bağıl genlik değişimi söz konusu olduğu zaman analog göstergenin izlenmesi daha kolay olur. 2-Ölçme yaparken ayrı bir enerji kaynağına ihtiyaç duymazlar. Uygulamada en çok kullanılan ölçü aletlerinin isim ve sembolleri aşağıda gösterilmiştir. Elektriksel Büyüklük İşareti Birimi Birim sembolü Ölçü Aletinin Adı Akım şiddeti I Amper A Ampermetre Gerilim V Volt V Voltmetre Çok küçük miktarda Akım ve Gerilim G Galvanometre Direnç R Ohm W Ohmmetre Aktif güç P Watt W Wattmetre Reaktif güç Q Var Var Varmetre Elektrik miktarı Ampersaat Ah Akım Sayacı Elektrik enerjisi E Kilowattsaat KWh Sayac Frekans f Hertz Hz Frekansmetre Güç faktörü Cos Cos etre Faz farkı Derece Fazmetre 9

10 Tablo1.4 Bazı elektriksel büyüklükler ve bunları ölçen aletler ÖLÇME VE ÖLÇÜ ALETLERİYLE İLGİLİ BAZI KAVRAMLAR 1-Doğruluk: Ölçme tekniğinde doğruluk ölçülen değerin gerçek değere nekadar yakın olduğudur. Ölçü aletinin yapabileceği en büyük hata, imalatçı tarafından kataloglarda veya alet üzerinde bağıl hata olarak % ile belirtilmiştir. Bağıl hata cihaz skala taksimatının tam sapması durumuna göre verilir. 2-Duyarlılık(Hassasiyet): Ölçü aletlerinde duyarlılık küçük değerleri algılayabilme özelliği veya ölçü aletinin cevap verebileceği en küçük giriş değeri olarak tanımlanabilir. 3-Ölçme Alanı (Range): Ölçü aletinin kadran taksimatının gösterdiği ilk ve son değeri arasındaki kalan kısım ölçme alanını verir. Yani hangi değerler arasını ölçtüğünü gösterir. 4-Ölçme Sınırı: Bir ölçü aletinin kadran taksimatının gösterdiği en son değere yani ölçebileceği en büyük değere denir. 5-Rezolüsyon ( Resolution) (A yırt edebilme Kabiliyeti): Alet girişindeki en küçük değişimi fark edebilme özelliğidir. Bu özellik daha çok dijital ölçü aletlerinde aranan bir husustur. Örneğin bir ölçüm yaparken ölçüdeki mikro seviyedeki bir değişikliği aletin göstermesi gerekir. 10µV duyarlılığındaki bir voltmetrenin rezolüsyonu 1µV olabilir 6-Giriş Empedansı: Ölçü aletlerinin devreye seri veya paralel bağlanmasından dolayı devreye yükleme etkisi vardır. Alternatif akımda giriş direnci ile birlikte kapasitenin de belirtilmesi gerekir. Elektronik ölçü aletlerinin giriş empedansları büyük olduğundan devreye yükleme etkileri azdır. Bu nedenle tercih edilirler. Ampermetreler için devreye seri bağlanmalarından dolayı düşük giriş direnci, voltmetreler için ise devreye paralel bağlanmalarından dolayı yüksek giriş direnci istenir. 7-Frekans Cevabı ( Bant Genişliği): Dijital ölçü aletlerinde ölçü aleti için belirtilen doğruluğun geçerli olduğu frekans bölgesinin alt ve üst sınırlarını belirtir. Özellikle Osilaskoplarda frekans bandının çok geniş olması tercih edilir. 8-Ölçü Aletin Sarfiyatı: Analog ölçü aletlerinde alet, ölçme yapılan devreden I 2 xr kadar bir güç harcar. Bu güç, ölçülen büyüklük ile doğru orantılıdır. Dijital ölçü aletlerinde ise; alet ayrı bir kaynak (pil) tarafından beslendiğinden devreden güç çekmez. Bu da dijital ölçü aletinin tercih edilen bir özelliğidir. 9-Doğrusallık: Bir sistemin veya cihazın giriş büyüklüğü ile çıkış büyüklüğü arasındaki bağıntı doğrusal ise sistem veya cihaz lineerdir denir. Şekil 1.1 Doğrusal sisteme örnek Bir sistemin veya cihazın giriş büyüklüğü ile çıkış büyüklüğü arasındaki bağıntı doğrusal değil ise sistem veya cihaz lineer değildir denir. Girişin değişimine sistem aynı oranda cevap vermez. 10

11 Şekil 1.2 Doğrusal olmayan sisteme örnek ÖLÇÜ ALETLERİ KULLANARAK ARIZA TESPİTİ Kablo arıza yerinin ölçülmesi: Yanma ve yol bakımı esnasında telefon ve diğer yeraltı kablolarında çeşitli arızalar olabilir. Bunların onarımı için yerlerinin tam olarak belirlenmesi gerekir. Arıza genel olarak; iletkenlerin kopması, iletkenler arası kaçak, iletkenden toprağa kaçak şeklinde ortaya çıkar. Arızanın tayininde ilk yapılacak iş; önce arızanın cinsini tespit etmek, sonra uygulanacak metodu seçmektir. Basit olarak arızanın cinsini ve arızalı hattın hangisi olduğunu bulabilmek için, aşağıdaki deneyin yapılması lazımdır. 1-Arızalı olduğu anlaşılan iletkenin her iki ucu bağlı bulunduğu yerden sökülür. Şekil 1.3 Kontrol edilecek iletkenler 2-Hatlarda kopma olup olmadığını anlamak için de aşağıdaki şekil 1.4 de görüldüğü gibi iletkenlerin sonlarındaki uçlar birbirine bağlanarak topraklanır. Dirençleri, ommetre ile ölçülür. Direnç sonsuz bir değer gösterirse iletkenin kopuk olduğu anlaşılır. Ölçme, bir voltmetre ve batarya ile yapılmışsa iletkenlerin şekilde A ile gösterilen kısmına batarya ve voltmetre bağlanır ve 4. uçları ayrı ayrı ölçülür. Yapılan ölçmede, voltmetre bir değer göstermezse iletkenin kopuk olduğu anlaşılır. Şekil 1.4 İletken kopukluk testi 11

12 3-Kablo iletkenlerinin birbirine olan dirençleri ile toprakla temas dirençleri ayrı ayrı, yalıtkanlık muayene aleti ile veya bir voltmetre, bir batarya kullanılarak ölçülür. Şekil 1.5 Kısa devre ve toprak kaçak testi Bu deneyi yaparken iletkenlerin diğer uçları, toprakla ve birbirleriyle temas halinde olmamalıdır. Eğer yalıtım direnci çok küçük çıkarsa, hatlar arasında kısa devre durumu var demektir. İletkenlerin kendi aralarında ölçümü yapılır. Ölçme voltmetre ve batarya ile yapılıyorsa, voltmetre değer gösterdiğinde, iletkenlerde toprakla veya birbiri ile temas var demektir. Wheatshtone köprüsü Wheatshtone köprüsünün önemli uygulamalarından biri, yeraltındaki telefon ve elektrik hatlarındaki arıza yerlerinin ölçülerek tespit edilmesidir. Yanma ve yol bakımı esnasında telefon ve diğer yeraltı kablolarında çeşitli arızalar olabilir. 1- İletkenlerde kopuk noktanın tespiti: Bu metotta aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi ikinci bir sağlam hatta ihtiyaç vardır. Hatların birer uçları kalın bir iletkenle birleştirilip, kalan uçları da bir telli köprüye bağlanır. Hattın başlangıç yeri ile kopuk yere kadar olan kısmı, kendisine paralel giden diğer bir hat arasında, bir kapasite oluşturur. Bunun değeri, hattın boyu ile doğru orantılıdır. Bu kapasitenin değerini ölçmekle arızanın uzaklığı tayin edilmiş olur. Şekilden anlaşılacağı gibi köprü yüksek frekans jeneratörü veya osilatör ile beslenmiştir. Köprüden alternatif akımın geçip geçmediğini anlamak için, çoğunlukla telefon kulaklığı kullanılır. Kulaklığın bir ucu köprünün C sürgüsüne, diğer ucu da toprağa bağlanmıştır. Şekil 1.6 Telli köprülerle iletken kopukluk tespiti Köprüden ve CF den akım geçince, telefon kulaklığından bir ses işitilir. C sürgüsü ile köprü dengeye getirilir. Kulaklıkta ses kesilip en küçük değere inince köprünün L 1 ve L 2 değerlerinin uzunlukları okunur ve 12

13 bağıntısından L X in değeri hesaplanır. Formüldeki değerler şekilde verilmiş olup, L değeri kablonun AB boyudur ve bilinmektedir. 2- İletkenler arası kaçak (kısa devre) noktasının tespiti : Ölçme, wheatshtone köprüsü ile yapılır. Murray ın halkalama yöntemi kullanılarak kısa devre noktası hesaplanır. Ancak bu ölçmede üçüncü bir sağlam hatta ihtiyaç vardır. Şekil 1.7 Wheatshtone köprüsü ile kısa devre noktasının bulunması Yukarıdaki şekilde iki kablo arasındaki kısa devre yerinin Wheatshtone köprüsü ile nasıl ölçüldüğü gösterilmiştir. İki telefon santrali arasındaki kısa devre noktasının tespiti için; kısa devre noktası L X uzunluğunda olup, bu hattın direnci R X kadardır. İki santral arasındaki mesafe ve buradaki sağlam hattın toplam direnci de önceden ölçülecektir. Şekildeki devre için; galvanometrenin ibresi sıfır (0) değerini gösterdiğinde karşılıklı dirençlerin çarpımı birbirine eşittir prensibine göre denklem; formülde yalnız bırakıldığında, olup arızalı hattın direnci İletkenin fiziksel özelliği her noktada aynı olduğu için direnç yerine uzunluk kullanılabilir. (İletken cinsine ve kesitine göre uzunluk-direnç tabloları mevcuttur.) Buna göre, olur. şeklinde uzaklığa bağlı bir bağıntı elde edilir. R 1 ve R 2 dirençleri ondalıklı direnç şeklinde R 1 /R 2 oranını verecek şekilde seçilir. İki kablo tamamen kısa devre değil ise R 1 gibi bir direnç söz konusudur. Kısa devre olan diğer kablonun R X olarak gösterilen direnci de kaynağa seri gelmektedir. Kaynağa seri gelen bu dirençler köprünün dengesine tesir etmez. Ancak, köprünün duyarlılığına etki eder. Bu etkiyi azaltmak amacı ile daha duyarlı bir galvanometre veya amplifikatör ile galvanometre birlikte kullanılır. 3- Toprak kaçak arıza yerinin tespiti: 13

14 a) Murray ın halkalama yöntemi kullanılarak toprak kaçak yerinin tespiti: Ölçme, wheatshtone köprüsü ile yapılır. Murray ın halkalama yöntemi kullanılarak toprak kaçak noktası hesaplanır. Ancak bu ölçmede ikinci bir sağlam hatta ihtiyaç vardır. Bu işlem de kısa devre noktasının tespitinde yapılan işlemle aynıdır. Yalnız, üçüncü hat yerine toprak hattı kullanılır. Aşağıdaki şekilde wheatshtone köprüsünün devreye bağlantı şeması gösterilmiştir. Şekil 1.8 Wheatshtone köprüsünün devreye bağlanışı Toprak kaçak noktası L X uzunluğunda olup, bu hattın direnci R X kadardır. İki santral arasındaki mesafe ve buradaki sağlam hattın toplam direnci de önceden ölçülecektir. Şekildeki devre için; galvanometrenin ibresi sıfır (0) değerini gösterdiğinde karşılıklı dirençlerin çarpımı birbirine eşittir prensibine göre denklem; olup arızalı hattın direnci, olur. İletkenin fiziksel özelliği her noktada aynı olduğu için direnç yerine uzunluk kullanılabilir. Buna göre, şeklinde uzaklığa bağlı bir bağıntı elde edilir. R 1 ve R 2 dirençleri ondalıklı direnç şeklinde R 1 /R 2 oranını verecek şekilde seçilir. Böylece ilgili değerler formülde yerine konularak toprak kaçak mesafesi hesaplanır. 14

15 2. ÖLÇMEDE HATA Elektrikte bir büyüklüğün doğru olarak ölçülmüş olması çok enderdir. Ölçü aletleri ne kadar titizlikle yapılırsa yapılsın ve ölçü yapan, ne kadar dikkat ederse etsin veya hangi metodu kullanırsa kullansın ölçülen büyüklük, gerçek (hakiki) değer değildir. Çok az da olsa bir fark vardır: bu ölçülen veya bize verilen miktarlar, o büyüklüğün yaklaşık değeridir. Bir ölçme yapılırken ne kadar doğru aletler, iyi metotlar kullanılırsa kullanılsın, ölçmeye ne kadar özen gösterilirse gösterilsin ölçü sonucu bulunan değerin tam doğru olduğu söylenemez. Bulunan bu değer gerçek değerden az da olsa farklıdır. Bu farka ölçmede yapılan hata denir. İşte, yaklaşık değerle, hakikî değer arasındaki bu farka, ölçmenin hatası veya ölçmede hata denir. Ancak yapılan hata bilinirse, ölçme sonucunun bir anlamı olur HATAYA ETKİ EDEN FAKTÖRLER Kullanılan metotlar, cihazların kalitesi ve deney yapanın bilimsel ve psikolojik durumu, çevre koşulları elde edilen ölçü sonucunun gerçek değerine yakınlığına etki eden temel faktörlerdir. Hatalı ölçmelere etki eden faktörler, genel olarak üç çeşittir: 1. Aletin kendi hatası 2. Dış etkilerin meydana getirdiği hatalar. 3. Ölçme yapanın hatası ALETİN KENDİ HATASI Aletin kendi hatasına, aletin "ölçme hatası da denir. Bu hata; kalibrasyon, yapım, sıfır ayarı, aletin yaşlılığı, sürtünme, cevap zamanı, yükleme hatası gibi çeşitli sebeplerden ileri gelir. Dolayısıyla alette; ölçülen büyüklüğün hakikî değerini göstermez. Ölçülen bu değer hakikî değerden biraz farklıdır. Bu farklı değerleri imalatçılar (aşağıda izah edeceğimiz), okuma hatasında dikkate alarak bir tek değer halinde aletin kadranı üzerine, işaret ederler (0,5 ya 1,5 gibi). Bunlardan bir kaçını inceleyelim; a) Sıfır ayarı hatası: Ölçü aletinin sıfır ayarının hatalı olmasından kaynaklanır. Mesela bir voltmetrenin bütün ölçmelerde 0,5 volt az ölçme yapması sıfır ayarının hatalı olduğunu gösterir. b) Skala hatası: Bu hata ölçülecek olan işaretin genliğine bağlı olarak uygun kademenin seçilmemesinden ve skalanın lineer olmamasından kaynaklanır. Skala lineer değilse, bunun düzeltilmesi veya düzeltilememesi her noktadaki hatanın ne olduğu tespit edilerek ölçü sonuçlarında göz önünde bulundurulması gerekir. Dijital aletlerde bu problem yoktur. c) Cevap zamanı hatası: Ölçülen büyüklüğün hızlı değişmesi ve cihazın bu değişimi takip edememesinden kaynaklanır. Bu hata ölçü aletinin mekanik ataletinden kaynaklanır. 15

16 d) Yükleme hatası: Ölçü aleti devreye bağlandığında devreden bir enerji çeker. Örneğin; voltmetrenin direnci çok büyüktür ama sonsuz değildir veya ampermetrenin direnci çok küçüktür ama sıfır değildir. Bu nedenle bağlandığı devreden akım çeker ve devreye etki ederler. e) Yapım hatası: Aletin yapımından kaynaklanan hatalar olup, imalatçılar, yapım hatasına göre ölçü aletlerini aşağıdaki çizelgede görüldüğü gibi 7 sınıfa ayırmışlardır. VDE (Alman standardı) standartlarına göre, bu sınıflarda çeşitli harflerle işaretlenir. Ölçü aletleri, bu işaretteki sınıfına göre sipariş edilir. (VDE 410) Elektrikli Ölçü Aletlerinin Hassasiyet Sınıfı VDE O410 Hassas Aletler İşletme Aletleri İşareti E F G H Sınıfı 0,1 0,2 0,5 1 1,5 2,5 5 Gösterme Hatası ± 0,1 % ± 0,2 % ± 0,5 % ± 1 % ± 1,5 % ± 2,5 % ± 5 % Tablo 2.1 Ölçü aletlerinde hata sınıfları Aletin, ölçmede yaptığı hata üç şekilde ifade edilir. a) Mutlak hata (m) Ölçmede, alette okunan değeri A 1, aletin hakikî göstereceği değeri de A 2 ile ifade edersek bu iki değer arasındaki farka, mutlak (fark) hata denir. m = A 1 A 2 Bu değer + veya - olabilir. b) Bağıl hata (b) : Mutlak hatanın ölçülmek istenen değere bölünüp yüzle çarpılmasıyla tayin edilir. b = (m / A 2 )x100 Uygulamada ekseriyet bağıl hata kullanılır. A 2 değeri, daha önceden etalon aletlerle tayin edilir. A 1 ise mevcut aletle ölçüldüğünden, b kolayca hesaplanabilirse de, hassas ölçü aletlerinde çok ufak bir hata ile A 2 yerine A 1 alındığından formül; b = (m / A 1 )x100 şeklinde yazılabilir. c) Konstrüksiyon (yapım) hatası (H) : Mutlak hatanın, alet kadranındaki maksimum (X max ) değere, bölünmesi ile bulunur. Yani, H = (A 1 A 2 ) / X max Pratikte bu değer yüzde cinsinden ifade edildiğinden, 16

17 % H = (m / X max )100 Aletin kadranında okunan değer, hakikî değerden yüzden ne miktar az ( - ) veya çok ( + ) olduğunu da belirtmek icap ettiği için, hata değerinin önüne ± işaretleri konur. ± % H = (m / X max )100 1) Elimizdeki alet 0,5 sınıfı ise, aletin kadranındaki en büyük değere göre, ölçmedeki gösterme hatası en çok ± % 0,5 olacağı anlaşılır. 2) 20 amperlik bir ampermetre 0,2 sınıfı ise, bu aletle ölçme yapılırken, gösterdiği değer, hakikî değerden en çok ve en az, ne kadar fark hatası (mutlak hata) yapar? Cevap: m = ± 0,04 A. Hesaplanan bu değere göre, aletle okunan değer, hakikî değerden en çok 0,04 A. eksik veya fazla ölçülmüş demektir. 3) % 5 sınıflı, 150 voltluk bir voltmetre ile, a) 30 volt, b) 120 volt ölçüldüğünde aletin bağıl hatası ne olur? Bağıl hatayı aletin sınıfı, yani konstrüksiyon hatası cinsinden ifade ederek; Cevap: a) b = ± 0,25 b) b = ± 0,0625 (a) dan çıkan neticeye göre bu ölçü aleti ile kadranın baş taraflarında ölçme yapılırsa bağıl ve dolayısıyla mutlak hata büyük olacaktır. (b) deki ölçmede ise bu değer, (a) ya göre oldukça küçüktür. Bu sebepten ölçmeler daima, kadranın ortası ile son kısımları arasında yapılmasına gayret etmelidir. Aletin, yüzde hesabiyle gösterme hatası: Örneğin: 0,5 sınıflı, 250 V. luk bir voltmetre ile 125 V. taki ölçmede, aletin gösterme hatası % ne kadardır? Cevap: Önce, 250 V.taki gösterme hatası bulunur. Sonra, % hesabıyla 125 V. taki hata bulunur. % Hata = ± % 1 Burada da görüldüğü gibi aletin hatası, ölçme küçüldükçe artmaktadır DIŞ ETKİLERİN MEYDANA GETİRDİĞİ HATALAR: Aletin ölçmede yaptığı hataya etki eden dış etkiler çok çeşitlidir. Bunların bazıları bilinirse de her zaman kontrol altına alınamaz veya imkân olmaz. Örneğin; dış manyetik 17

18 alanlar, frekans, rutubet, basınç, sıcaklık hava cereyanları ve farkına varılmayan sarsıntılar gibi vs. Bu ve buna benzer sebeplerden aletteki hatayı azaltabilmek için, ölçülen büyüklük, birkaç kez aynı aletle tekrar edilir, ölçülen değerlerin ortalaması alınır. Gerekirse bir hata grafiği çizilebilir ve standart sapmaya da bakılabilir ÖLÇME YAPANIN HATASI: Yanlış okuma, yanlış skala seçimi, cihaz ayarının yanlış yapılması, yanlış metot uygulama ve hatalı hesaplama gibi hatalardır. Dijital aletlerde yanlış okuma hatası en aza indirilmiştir. Çünkü rakam olarak okunmaktadır. Ancak ölçmede kullanılacak kademe seçiminin yanlış yapılması durumunda tüm ölçü aletlerinde okuma hataları olması mümkündür Bu hata genel olarak iki grupta incelenebilir. a) Okuma hatası: Bu hata daha ziyade göstergeli ölçü aletlerinde tesadüf edilmektedir. Aletin hassasiyetine göre okuma hatası; kadran taksimat aralıkları ile göstergenin ve taksimat çizgilerinin inceliğine ve kalınlığına göre değişmektedir. Bilhassa kadran taksimatı, baş tarafı sık olan ölçü aletlerinde okuma hatası daha fazla olmaktadır. Hassas ölçü aletlerinde okuma hatasını azaltmak için, kadran üzerine ayrıca ince, şerit bir ayna konulmuştur. Buna rağmen gösterge; yan yana bulunan iki taksimat çizgisi arasında durduğu zaman okunan küsuratlı değerlerde de, okuma hatası olacaktır. Bu kabul edilen yaklaşık (takribi) değerler aletin; kadran taksimatının genişliğine bağlı olup tahminen ±0,1 ilâ ±0,01 kadar bir okuma hatası olacaktır. Çeşitli sebeplerden ileri gelen ibreli ölçü aletlerindeki bu okuma hatasının mümkün olduğu kadar küçük olabilmesi için : Alet duruş işaretine göre kullanılmalı (dik, yatık, eğik) ve sarsıntılı yerlerde ölçme yapılmamalı. Göstergeye dik bakmalı. Eğer aletin kadranı aynalı ise, göstergenin aynadaki görüntüsü (hayalî) görülmeyecek şekilde okumalı. Bilhassa küçük değerlerin ölçülmesinde; geniş kadranlı ve ince göstergeli ölçü aleti kullanılmalı, mümkün olduğu kadar kadranın sonunda yapılmalı Çok hassas okumalar için, büyüteç (lup) kullanılmalı ve lup a tek gözle bakmalıdır. Bilhassa 0,1 sınıfı ölçü aletleriyle yapılan ölçmelerde, Şayet, kullanılan aletin duruşu hakkında bir bilgi yok ise: Bu tip portatif ölçü aletleri yatay, tablo tipi olanları da dik kullanılıp okuması, öyle yapılmalıdır. Ayrıca; okuma hatalarına sebep olan faktörlerden biri de ölçmede kullanılacak aletlerin seçimidir, l A. lik bir alıcının çektiği akımı 10 A. lik bir ampermetre ile 1,5 V. luk bir pilin gerilimini de 50 V. luk bir voltmetre ile ölçülmek istenirse; aletlerin yanlış seçiminden, büyük okuma hataları yapılabilir. 18

19 Şekil 2.1 İbreli ölçü aletleriyle ölçme Hassas ölçmelerde, geniş kadranlı ve ince göstergeli ölçü aleti kullanılmalı. Okumalar mümkünse bir büyüteçle yapılmalı. b) Metot hatası: Elektrikte kullanılan bazı büyüklükler yalnız bir aletle ölçülüp, tayin edilemez. Yerine ve durumuna göre basit ve karışık bağlantılar yapılabilir. Yapılan bu bağlantılar da, gerek ölçü aletlerinde gerekse bağlantı noktalarında meydana gelen, ufak tefek kayıplar dikkate alınmaz. Hâlbuki bunlar ölçülen değerlerle ilgili olduğundan sonuca etki ederler. Örneğin; bir cihazın direncini veya gücünü ölçmek istiyoruz. Bunun için, çeşitli metotlar ve ölçü aletleri kullanıldığı gibi doğrudan doğruya direnç veya güç ölçen bir aletle de bu ölçmeyi yapabiliriz, ölçmeye ne kadar fazla alet ve bağlantı girerse hata, o oranda artar. Örneğin: Direnç ölçmelerinde; döner şalterli komütatör anahtar veya fişli direnç kutuları ile direnç ayarlamaları yapılırken; kontak parçalarının ve temas noktalarının irtibatlarına iyi dikkat edilmemiş ise, her kontak parçasının temas yerinde, takriben 0,1 ilâ l m kadar hata yapılmış olur. Pillerle ölçme yapan, polarizasyona engel olmak için pilden küçük akım çekmez, zamanı kısa tutmaz ve çevre sıcaklığına dikkat etmezse, ölçmesine yanlışlık girmiş olur. Ampermetre ve voltmetre metodu ile direnç veya güç ölçerken aletlerin devreye bağlanış sıralarına da dikkat edilmesi gibi. Bir ölçüm yapılacağı zaman bu ölçüme uygun alet seçiminin yapılması çok önemlidir. Özetle ölçmede şu konulara dikkat etmeliyiz: frekans gibi). Mecbur olmadıkça, bütün ölçme işlemleri basit ve sade olmalıdır. Öncelikle hangi cins ölçümün yapılacağı belirlenmelidir (akım, gerilim, direnç, Ölçümün AC de veya DC de yapılacağı belirlenmelidir. Ölçüye başlamadan evvel aletin, sıfır ayarına dikkat etmeli. Ölçülecek birimin yaklaşık değeri tahmin edilmelidir. Ölçülecek birimin değerine göre ölçü aletinin ölçme alanı tespit edilmelidir. Ölçmede kullanılacak kademe seçiminin yanlış yapılması durumunda tüm ölçü aletlerinde okuma hataları olması mümkündür. Örneğin, 1,5 voltluk bir pil gerilimi 50 voltluk bir voltmetre ile ölçülürse, aletin ya da kademenin yanlış seçiminden, büyük okuma hataları yapılabilir. 19

20 İlk ölçüm sırasında ölçüm değerinin büyük olması ihtimaline göre hareket edilip, büyük değerli kademe seçilmelidir. Ölçülen değerin durumuna göre uygun kademeye geçilmeli ve her kademede aletin sıfır ayarı yapılmalıdır. Ölçme güç altında mı yoksa enerji kesik iken mi yapılacağı belirlenmelidir. Ölçmenin yapılabilmesi için uygun bağlantı (seri, paralel) yapılmalıdır. Ölçü aletleri ile yapılan ölçmelerde ölçülen değerler, gerçek değerler değildir. Bütün ölçü aletlerinde kayda değer, sürtünme ve ısınmadan meydana gelen iki önemli hata vardır. Sürtünme hatası; hareketli kısımların hafif yapılmasına ve iyi yataklandırılmasına, ısı hatası ise; alette kullanılan iletken dirençlerin ısı katsayılarının küçük olmasına bağlıdır. Ölçü aleti mümkün olduğu kadar yabancı alan tesirlerinden (elektrik-manyetik alan, ısı vb.) uzakla bulunmalı ve aletin üzerinde belirtilen pozisyonda (yatay, dikey veya eğik) yerleştirilmelidir. Aleti, akım geçen iletkenin hemen yanına koymamalı. Aleti, sarsıntılı yerlere koymamalı. Ölçmeye giren aletler, birbirlerinden uzakta bulunmalı.(en az 30 cm. kadar) Aletler, imal edildikleri frekanslarda kullanılmalıdır. Dijital ölçü aleti kullanılıyorsa, ölçülen değer birimi ile birlikte ekranda görülür. Ölçü aleti dijital değilse kademe değerine göre ibreden uygun değer okunmalıdır. Ölçü aleti ters saptığında veya ( -) işaret gösterdiğinde bağlantı uçları değiştirilerek ölçüm tekrarlanmalıdır 2.2. ÖLÇMEDE İSTATİSTİK Herhangi bir büyüklük ölçülürken çok farklı iç ve dış etkilerin altında kalınır. Bu etkenler nedeniyle tekrar tekrar yapılan ölçmeler farklı sonuçlar verebilmektedir. Bu etkenlerin değişimi belirsiz olduğundan bundan kaynaklanan hataların analizi istatistiksel yöntemlerle yapılır. İstatistik analizde ortalama değer, ortalama sapma ve standart sapma gibi büyüklükler tanımlanır ORTALAMA DEĞER (ARİTMETİK ORTALAMA) Bir büyüklüğün n adet ölçmede elde edilen değerlerin aritmetik toplamının n ölçme sayısına bölümüdür. X o = (X 1 + X 2 + X X n ) / n X o = Ölçülen ortalama değer X 1, X 2, X 3,..., X n = Her ölçmede alette okunan değer. n = Ölçme (deney) sayısı. 20

21 SAPMA VE ORTALAMA SAPMA Ölçülen her bir değer ile ortalama değer arasındaki farktır. D 1 = X 1 - X o D 2 = X 2 - X o.... D n = X n - X o Sapmaların aritmetik toplamı sıfırdır. D 1 + D D n = 0 Sapmaların mutlak değerlerinin toplamının n e bölünmesiyle ortalama sapma bulunur. D o = (D 1 + D D n ) / n Ortalama sapma ne kadar küçük ise bulunan ortalama değer gerçek değere o kadar yakın demektir STANDART SAPMA Ortalama değerin civarındaki değişimin miktarını gösterir. Elde edilen ortalama değerin gerçek ortalama değere yakınlığı standart sapma değeri aracılığıyla belirlenir. Verilerin değerlendirilmesinde ortalama sapmaya göre daha iyi sonuç verir. Veri sayısının n < 20 değerleri için kullanılan standart sapma değeri ile elde edilir. Veri sayısının n > 20 değerleri için kullanılan standart sapma değeri ile elde edilir. Elde edilen ortalama değerin gerçek ortalama değere yakınlığı standart sapmanın ortalama değerin %10 undan daha küçük olması ile belirlenir. Örnek: Voltmetre kullanılarak yapılan gerilim ölçme işleminde gerilim ölçme işlemi 5 kez tekrarlanmış ve aşağıdaki tablo-2.2 de görülen değerler alınmıştır. Ölçme sırası Ölçülen değer 1 24, , , , ,29 Tablo

22 Bu ölçmede yalnız rastlantı hatalarının olduğunu kabul ederek, a)ortalama değeri b)her değerdeki sapma miktarını c) Ortalama sapmayı bulunuz. d) Standart sapmayı bulunuz. Çözüm: a) Ölçmenin ortalama değeri; b)her bir sapma; X = (24, , , , ,29 ) / 5 = c) Ortalama sapmayi bulunuz. o D = X X = 1 1 o D = X X = 2 2 o D = X X = 3 3 o D = X X = 4 4 o D = X X = 5 5 o d) Standart sapma: o 22

23 3. OSİLASKOP Osilaskop gözle görülemeyen elektrik sinyallerinin, katot ışınlı lambalar yardımı ile ölçülmesi ve gözlenmesini sağlayan çok yönlü elektronik cihazdır. Kısaca skop şeklinde de ifade edilir. Osilaskopta iki boyutlu görüntü elde edilir. Osilaskoplar daha çok ölçülecek işaretin (sinyalin) zamana göre değişimini ölçmek amacı ile kullanılır. Hareketli parçaları olmadığından, çizici, kaydedici ve göstergeli tipteki elektromanyetik ölçü aletlerine göre çok hızlı çalışırlar. Giriş direnci voltmetre gibi büyüktür OSİLOSKOBUN YAPISI VE BLOK DİYAGRAMI Katot ışınlı tüpü kontrol eden bazı elektronik devrelerin ilave edilmesi ile Osilaskop oluşmuştur. Bu elektronik devreler sayesinde, Osilaskop girişine uygulanan gerilimler ile elektron demeti soldan sağa ve aşağıdan yukarıya veya yukarıdan aşağıya doğru hareket ettirilir. Osilakobu oluşturan temel bloklar arasındaki bağlantılar şekil 3.1 de gösterilmiştir. Osilaskop un bir yatay ve bir de düşey girişi vardır. Düşey girişe ölçülecek olan işaret bir prop üzerinden uygulanır. Prop bir gerilim bölücüdür. Ölçülecek olan işareti 1/10 veya 1/100 oranında zayıflatır. Probtan sonra AC, DC ve GND (toprak) k onumlarını seçen A1 anahtarı vardır. AC konumda giriş işaretinin yalnız AC bileşenleri geçer. Bu pozisyon özellikle büyük bir DC işaret ile birlikte küçük bir AC nin bulunması durumunda AC bileşen ayıklanıp kuvvetlendirilerek görünmesi sağlanır. DC konumda ise toplam işaret (DC+AC) geçer. GND pozisyonunda ise Osilaskop girişi toprağa bağlanır. Bu pozisyon ile ekranda yatay tarama için referans bir seviye oluşturulur. Benzer bir anahtar yatay giriş için (A2 anahtarı) de söz konusudur. Daha sonra bir zayıflatıcı devre vardır. Bu bir gerilim bölücüdür. Büyük genlikli giriş işaretlerini zayıflatmak amacıyla kullanılır. Zayıflatma miktarı Osilaskop ön panelindeki genlik veya kazanç anahtarı ile ayarlanır. İşaret genliği küçük ise düşey veya yatay amplifikatöre uygulanır. Amplifikatöre kazanç ayarı da genlik veya kazanç anahtarı ile yapılır. Daha sonra düşey amplifikatör çıkışı düşey saptırma plakalarına ve yatay amplifikatör çıkışı yatay saptırma plakalarına uygulanır. Şekil 3.1 Katot ışınlı Osilaskop un blok diyagramı 23

24 Senkronizasyon devresi için düşey amplifikatörden A3 tetikleme anahtarına bir çıkış vardır. Düşey amplifikatörden yapılan tetikleme iç tetiklemedir. Dışardan veya şebekeden de tetikleme yapılabilir. Senkronizasyon devresi tarama osilatörü ve tetikleme devrelerinden oluşur. Tarama osilatörü testere dişi şeklinde bir işaret üretir. Bu işaret yatay amplifikatör üzerinden yatay saptırma plakaları uygulanır. Testere dişi işaretin lineer artışı ile ekrandaki noktanın sol baştan sağ başa doğru gitmesi sağlanır. Tetikleme devresi ise tarama işleminin ne zaman başlayacağını belirtir. Tarama işlemi başladıktan sonra düşey girişe uygulanan işaret görünmeye başlar. Normal çalışmada A4 anahtarı iç tarama konumundadır. Bu konum Osilaskop un normal çalışma şeklidir. A4 anahtarı X-Y konumuna alındığı zaman yatay girişe uygulanan işarette yatay amplifikatör üzerinden yatay saptırma plakalarına uygulanır. Bu durumda yatay ve düşey girişlere uygulanan işaretlerin bileşkesi ekranda elde edilir OSİLASKOBUN PARÇALARI Osilaskop katot ışınlı tüp (CRT) ve bu tüpü kontrol eden bazı elektronik devrelerden oluşur. Osilaskop un en önemli parçaları; A)Katot ışınlı tüp(crt) B)Düşey saptırma sistemi C)Yatay saptırma sistemi D)Tarama osilatörü E)Tetikleme devresi F)Zayıflatıcı G)Çeşitli besleme devreleri şeklinde özetlenebilir KATOT IŞINLI TÜP (CRT) (CATHODE RAY TUBE) Katot ışınlı tüpün temel özelliği, katot ışınlarıdır. Katot ışınlarının özellikleri şunlardır: 1-Katot ışınları flüoresan maddelere çarpınca bunları uyartarak, parlak bir şekilde, görünmelerini sağlar. Örneğin; flüoresan madde ile kaplı bir tüpün içerisinde katot ışını bulunursa, bu ışınlar dış çeperlere çarptığı zaman ışıma meydana gelir. Bu ışıma, ışın kesildikten sonra da bir süre devam eder. 2-Anodun durumu ne olursa olsun katot ışınları daima katottan çıkar ve katodun dışındaki noktaya çarparlar. Anodun durumu ışının yolunu hiç etkilemez. Aynı zamanda çıkış noktasına diktir. 3-Katot ışınları daima katoda dik ve doğrusal olarak hareket ederler 4-Katot ışınlarının kinetik enerjisi vardır. Katot ışınları hareket halinde bulunan elektron tarafından meydana getirildiğinden bir elektron yükü (e), maruz kaldığı potansiyel farkı (u), kütlesi (m), hızı da V ile gösterirsek, yaptığı iş, bir taraftan (e.u) çarpımı na, bir taraftan da ( mv 2 /2) ye eşit olur. W=mv 2 /2 = e.u olur. 24

25 5-Katot ışınları elektrik alanı ve manyetik alan içinde, saparlar. İçinde anot ve katodu bulunan bir tüpe ( Croock s tüpü) ışın geçmesi sırasında dışarıdan bir miktar mıknatıs yaklaştırılır. Elektrik alanı içine konulduğu zaman katot ışınının saptığı gözlenir. Bu sapmanın yönü; sağ el üç parmak kaidesi ile bulunur. 6-Katot ışınları ısı enerjisi meydana getirirler. En güzel ispatı, içinden ışın geçen tüpün ısınmasıdır. TV tüpü gibi 7-Katot ışınlarının kimyasal tesirleri vardır. Oksitleri indirgerler. Örneğin bakır monoksit (CuO) üzerine düşen katot ışınları, bakırı serbest hale getirirler. Fotoğraf plakalarına tesir ederler. Katot ışınlarının 1,3,4,5 teki özelliklerinden faydalanılarak Osilaskop yapılmıştır. 1-Katot ışınlı tüpün yapısı Katot ışınlı tüp, Osilaskop un en önemli parçasıdır. Kısaca CRT (Cathode Ray Tube) şeklinde de ifade edilir. Açık olarak şekil 3.2 de gösterilmiş olan CRT, elektron üreten flaman ile elektron demetini fosforlu ekrana doğru odaklayıp hızlandıran düzenlerden meydana gelmektedir. Buradaki odaklama ve saptırma, elektrostatiktir. Yüksek gerilim dışındaki bütün elektriksel bağlantılar, tüp soketi üzerinden yapılır. Katodu dolaylı olarak ısıtan flamana 6,3 V luk AC gerilim uygulanır. Flaman, etrafındaki katodu da ısıtır. Katot, baryum ve strontium oksit tabakası ile örtülüdür. Isınan katot serbest elektronlar yayar. Katodun etrafında bulunan silindirik yapıya sahip ve negatif gerilim uygulanmış olan elektrot, kontrol ızgarası adını alır. Nikelden yapılır. Elektronlar kontrol ızgarası ucundaki delikten geçer. Kontrol ızgarasındaki gerilim, geçen elektronların yoğunluğunu ayarlar. Osilaskop un kontrol panelindeki parlaklık (intensity veya brightness) düğmesi ile kontrol ızgarasının katoduna göre negatif gerilim ayarlanır. Şekil 3.2 Katot ışınlı tüpün iç yapısı 25

26 Anot akımı da elektron lambalarındaki kontrol ızgarası ile ayarlanır. Silindirik yapıda ve ortasında ince bir delik bulunan odaklama anoduna, katoda göre V civarında bir pozitif gerilim uygulanır. Buradan geçen elektronlar ışın şekline gelir. Bazı tüplerde odaklama anodundan önce 1-3kV arasında pozitif gerilim bulunabilen hızlandırıcı anot bulunur. Hızlandırıcı anot sayesinde katottan çıkan elektronlar hızlı bir şekilde odaklama anodunda geçer ve ekrana doğru gider. Odaklama anodu ile hızlandırıcı anot, ince kenarlı tek tümsekli bir elektro statik oluşturur. İki hızlandırıcı arasına bir odaklayıcı olması durumunda da çift tümsekli ince kenarlı elektro statik mercek oluşur. Bu mercek sistemi sayesinde elektronlar ekrana odaklanır. Elektron ışını ekranda bir nokta şeklinde görülür. Elektron ışınının odaklanması Osilaskop panelinde bulunan odaklama (focus) anahtarı ile sağlanır. Osilaskop un her yerinde elektron noktasının aynı incelikte olması astigmatizm potansiyometresi ile ayarlanır. Yatay ve düşey pozisyon potansiyometreleri ile elektron noktasının (aşağı, yukarı, sağa, sola) ekranın herhangi bir yerine kayması sağlanır. Bu fonksiyonu sağlayan ekrandaki düğme x-pozisyon veya y-pozisyon şeklinde isimler alır. Flaman ile hızlandırıcı anot arasındaki elemanların tümü elektron tabancasını oluşturur. Elektronlar hızlandırıcı anottan sonra düşey veya yatay saptırma plakalarından geçer hızlı bir şekilde fosforlu ekrana çarpan elektronların üzerindeki kinetik enerji ışık ve ısı enerjisine dönüşür. Ekrandan yansıyan elektronlar tüpün konik yüzeylerine çarparlar. Konik yüzeyler akuadag (aquadak) denilen ve yansıyan elektronları yutarak elektromanyetik kaçakları önleyen bir iletken malzeme ile kaplanmıştır. 2-Katot ışınlı tüpün ekran malzemeleri Osilaskop un ekranının iç kısmı fosforlu bir madde ile kaplanır. Üzerine elektron ışını düştüğünde ışıklı bir nokta oluşur. Fosforlu madde elektrondaki kinetik enerjiyi radyasyon enerjisine dönüştürür. Radyasyon enerjisi içinde ısı ve ışık enerjisi vardır. Elektron ışını içindeki enerji çok fazla ise fosforlu maddenin kimyasal özelliği bozulur ve ekran arızalanır. Bundan dolayı ekrandaki ışık şiddetinin çok fazla olmaması gerekir. Fosforlu maddenin ışık yayma özeliğine flüoresant denir. Fosfor malzemeleri mavi, yeşil, portakal, sarı, beyaz, kırmızı, mor ve menekşe olmak üzere değişik renklerde olabilir. Fosfor malzemeleri Osilaskop dışında, radar, televizyon ve buna benzer görüntülü cihazlarda kullanılır. Genel amaçlı Osilaskoplarda daha çok yeşil fosfor malzemesi kullanılır. Televizyonlarda ise beyaz renkli ve kineskop olarak isimlendirilen fosfor malzemesi kullanılır. Radar ve sonar gibi cihazlarda ise yeşil-sarı renkte fosfor malzemesi kullanılır. 3-Katot ışınlı tüpün ekranı Osilaskop tüpünün ekranı şekil 3.3 te görüldüğü gibi yatay ve düşey çizgilerle ölçülendirilmiştir. Bu ölçekler Osilaskop un kazanç (volt/division) ve zamanlama (Time/division) anahtarları ile ayarlanır. Bu ölçeklerden yararlanarak işaretin genliği ve periyodu doğru olarak ölçülebilir. Bazı Osilaskoplarda ölçek çizgileri şeffaf plastik malzeme üzerine çizilmiştir ve bütün dış yüzeyine yapıştırılmış olabilir. Bazılarında ise ölçek çizgisi Osilaskop tüpünün içine fosforlu tabaka ile aynı düzeyde çizilmiştir. 26

27 Şekil 3.3 Ölçeklendirilmiş Osilaskop ekranı Pratikteki Osilaskop ekranları 10 yatay 8 düşey aralık olacak şekilde ölçeklendirilmiştir. Düşey aralıkların değeri Osilaskop un ön panelindeki volt/cm (veya volt/division) olarak birimlendirilmiş olan kazanç ayar düğmesi ile belirlenir.yatay aralıkların değeri Osilaskop un ön panelindeki zaman/cm (veya time/division) olarak birimlendirilmiş olan zamanlama ayar düğmesi ile belirlenir.yatay ve düşey aralıklar 1cm genişliğindedir. Her bir aralık 5 alt parçaya ayrılmıştır. Herhangi bir aralık 1cm deki büyüklüğün 0,2 katı olur. Eğer düşey olarak 3 tam ve 2 ondalık kadar sapma olmuş ise; 3,4 cm lik bir büyüklük olmuş olur. Kazanç (Volt/division) anahtarı 1V/cm konumunda ise, ölçülen gerilim: 3,4cm x 1 V/cm=3,4V olur. 4-Elektrostatik hızlandırma Odaklayıcı ve hızlandırıcı elektrotların oluşturduğu elektrik alanı içine giren elektron demeti, tüp ekseni boyunca ekrana doğru hızı daha artarak hareket eder. Elektronlara tesir eden kuvvet, elektrik alanı ve elektron yüküdür. 5-Elektrostatik Saptırma Saptırma plakalarına uygulanan gerilim ile yapılan saptırmaya elektrostatik saptırma denir. Günümüzdeki Osilaskoplarda kullanılan katot ışınlı tüplerde iki çift elektrostatik saptırma plakası vardır. Bunlardan biri; Düşey saptırma plakaları diğeri ise; yatay saptırma plakalarıdır. Saptırma plakalarına herhangi bir gerilim uygulandığı zaman elektron demeti, ekranın tam ortasında ışıklı bir nokta oluşturur yatay ve düşey plakalara uygulanacak gerilimlerle, oluşan manyetik alandan etkilenen elektron demeti yatay veya düşey doğrultuda hareket ettirilebilir ve ekranın istenen herhangi bir yerine gelmesi sağlanır. 6-Düşey işaretin görüntülenmesi 27