I. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ BİLDİRİLER KİTABI

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası I. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ BİLDİRİLER KİTABI 19-2O EKİM 1995 Sanayi Odası / ESKİŞEHİR MMO Yayın No: 177

2 INTERFEROMETRE VE OPTİK GİRİŞİM SAÇAK SAYICI SİSTEMİ İLE YER DEĞİŞTİRME ÖLÇÜMÜ Haluk Orhan, Coşkun Coşar, Enver Sadıkhov TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), P.K. 21, 41470, Gebze, Kocaeli Özet Bu çalışmada, yer değiştirme ölçümlerini 0.3 fim çözünürlükle gerçekleştiren He-Ne lazerli Michelson tipi interferometre sistemi ve optik girişim saçaklarının sayıldığı sayıcı kartı anlatılmıştır. 1 MHz optik girişim saçak sayma hızına sahip olan elektronik sayıcı kartı, interferometre düzeninde yer alan ve optik girişim saçaklarının üzerine düşürüldüğü fotodedektörde görülen sinyalleri gürültüsüz olarak kuvvetlendirebilmektedir. Ayrıca, referans sinyal ile fotodedektörden elde'edilen ölçüm sinyali arasında 0 'dan 180 'ye kadar değişebilen, isteğe bağlı faz farkını yaratmak suretiyle hareket yönünü tesbit etme yeteneğine de sahiptir. Elektronik kart üzerindeki sayıcılardan elde edilen bilgi, arabirim kartı vasıtasıyla bilgisayara aktarılıp, ortam şartları göz önünde bulundurularak gerekli düzeltmeler yapıldıktan sonra, kat edilen mesafeye yüksek doğrulukla çevrilir. Bu sistemin bir prototipi kurulmuş ve çalıştırılmıştır. Bundaki amaç, prototipi, oluşturma çalışmaları sürmekte olan mutlak basınç standardı interferometrik manobarometrenin mekanik kısmına adapte ederek, U-tipi manometreye basınç uygulandığında yer değiştiren civa sütunlarım izleyebilmek ve aralarında oluşan seviye farkım otomatik olarak ölçebilmektir. 1. Giriş Optik interferometre sistemlerine olan ilgi, son otuz yıl içerisinde inanılmaz ölçülerde artmıştır. Özellikle dünyadaki primer seviyedeki tüm metroloji enstitülerinde gerçekleştirilen mekanik ve fiziksel büyüklüklerin ölçümünde lazer interferometresi vazgeçilmez bir unsur olmuştur. Küçük seviyelerde yerdeğiştirmelerin (titreşim ölçümü), çeşitli gaz ve sıvıların kırılma indislerinin ölçümünde, yüzey pürüzlüğü analizinde, uzaklık ölçümleri gibi daha birçok ölçümde lazerli optik interferometre sistemlerinden yararlanılmaktadır [1]. İnterferometrik sistemlerin metrolojideki başka bir uygulama örneği olarak, basınç metroloj isinde düşük basınç değerlerinin ölçülmesinde primer standart olarak kullanılan interferometrik manobarometre gösterilebilir. İnterferometrik manobarometrenin ana parçasını oluşturan Michelson İnterferometresi'dir ve kullanılan yöntem girişim saçaklarının sayılmasıdır. Bu çalışmanın amacı da, Ulusal Metroloji Enstitüsü'nde oluşturma çalışmaları sürmekte olan primer basınç standardımn gerçekleştirilmiş olan kayıt etme sistemini izah etmektir. Diğer bir deyişle, Michelson İnterferometre Sistemi kullanılarak, fotodedektörde görülen optik girişim saçaklarının, elektronik saçak sayıcı devre yardımıyla sayılması ve bu sayımın bir iletişim kartı vasıtasıyla bilgisayar ortamına aktarılıp işlenerek uzunluk ölçümünün nasıl gerçekleştirildiğini anlatmaktır. 106

3 2. Interferometrik Manobarometre Dünyanın primer seviyedeki birçok metroloji enstitüsünde kullanılan interferometrik manobarometrelerin ölçüm aralığı genellikle 1 kpa ile 120 kpa arasında olup bu tip sistemlerle hem gage hem de mutlak basınç ölçümü gerçekleştirilebilmektedir [2]. Şekil 1. 'de görülen interferometrik manobarometrenin temel elemanları; U-tüpü civalı manometre (tüpün iç çapı yaklaşık 50 mm'dir), He-Ne lazerli interferometre sistemi, referans basınç kaynağı ve mutlak ölçümlerde kullanılan mekanik ve turbomoleküler vakum pompaları ile birlikte vakum ölçerdir. P,cf Ayna Demet BöMcfl -P ti gaz v : j : i ; 1 i ; ı h ;! 8 Tcnnomctrc LAZER DOTTAL GÖSTERGE O D D OD P D D D O a O D DDoaaa Yüzer Yansıtıcılar Şekil 1. İnterferometrik Manobarometre Sistemin mutlak basınç ölçüm modunda çalışma prensibi kısaca şöyledir: Mutlak basınç ölçümünde mutlak vakum referans olarak alındığından mekanik ve turbomoleküler pompalar kullanılarak ağızları kapalı sütunlardaki basınç yaklaşık 0.2 Pa'a kadar düşürülür. Daha sonra U-tüpü manometrenin bir sütununa referans basınç kaynağından nitrojen gazı pnömatik valfler yardımıyla yavaşça uygulanır. Uygulanan gaz basıncına karşılık sütunlardaki civa yüzeyleri arasında bir seviye farkı oluşur. Civa yüzeylerinin üzerindeki yüzer yansıtıcıların da dahil olduğu He-Ne lazerli interferometre sistemi ile civaların yüzeyleri otomatik olarak izlenmek suretiyle sütunlar arasındaki yükseklik farkı ölçülür. Ölçülen seviye farkı değeri "h" ve diğer sütundaki vakum değerini gösteren vakum ölçerde okunan referans basınç değeri (P ref ), g yerel yerçekimi ivmesi, p civa yoğunluğu olmak üzere P = pgh + P ref formülünde yerine konularak, basınç kaynağı ile oluşturulan basınç değeri hesaplanmış olur. Atmosfer basıncının referans olarak alındığı gage basınç ölçümlerinde, civa sütunlarının atmosfer basıncına maruz kalması amacıyla üstleri açılır ve vakum pompaları kullanılmaz. Civanın yoğunluk değerine (bu değer saptanırken referans sıcaklık 20 C alınmıştır) sıcaklık düzeltmesi yapılabilmesi için her iki moddaki ölçüm sırasında civanın sıcaklık değeri de PRT (platinyum dirençli termometre) ile okunur. Sıcaklık değişimlerinin ölçüm üzerindeki etkisinin fazla olması yüzünden, civadaki sıcaklık değişimlerini engellemek amacıyla U-tüpü, sıcaklığı 20 C 'de sabit tutulan su banyosu içerisine yerleştirilmiştir [3]. Civa yüksekliğinin interferometrik metotla ölçülmesi ticari olarak satılan cihazlarla yapılabildiği gibi UME'de yapılan bir sistemle interferometre düzeneğindeki fotodedektör üzerine düşürülen girişim saçaklarının elektronik olarak sayılması ile de gerçekleştirilebilir. UME'de yapılan bu sistemde interferometre düzeneği olarak Michelson tipi interferometre kullanılmıştır. 107

4 3. Michelson İnterferometresi İle Yer Değiştirme Ölçümü Şekil 2. 'de görülen lazerden çıkan ışın demeti, demet bölücü tarafından aynı şiddete sahip iki demete ayrıldıktan sonra bu demetler, yansıtıcılar (sabit ve hareketli aynalar) tarafından geldikleri yoldan ayrı bir yol üzerinden yansıtılarak fotodedektör üzerinde giriştirilir. (1) demeti referans, (2) demeti de ölçme demeti olarak adlandırılır [4]. Lazer Demet Bölücü A V w ı V/ 2 Sabit ayna Hareketli ayna Bu tip interferometrelerde, her iki aynadan yansıyan demetlerden hiçbiri tekrar lazer kaynağı üzerine dönmeyecek şekilde Fotodedektör ayarlanarak, yansıyan demetin lazer kavitesine tekrar girmesi önlenir ve böylece Şekil 2. Michelson inteiferometresi lazer kavite kararlılık şartları etkilenmez. İki kısmi dalga arasındaki yol farkı hareketli aynalardan birisi hareket ettirilerek değiştirilebilir. Hareketli ayna "x" kadar hareket ettirildiğinde, iki ışının izlediği optik yollar farklılaşır. 2 numaralı ışın bir giderken bir de aynadan döndüğünde iki kere ortam içinden geçtiğinden iki ışın arasındaki optik yol farkı, "2x" değerinde olacaktır [5]. İki girişim saçağı arasında X ışık dalga boyu kadar açıklık olduğundan, m = (1) değerinde girişim saçağı meydana gelir. Diğer bir deyişle, girişim saçakları elektronik sayıcı devre aracılığıyla sayıldığında mutlak yer değiştirme X/2 cinsinden hesaplanabilir. 4. Elektronik Saçak Sayıcı Devresi Saçak sayıcı devresi (Şekil 3), altı adet işlemsel kuvvetlendiriciden, iki adet yüksek hızlı komparatörden, iki adet JK flip-floptan, iki adet ex-or ve bir adet or kapısından, bir adet darbe jeneratöründen ve dört adet de ikili düzende çift yönlü (artan/azalan) sayan sayıcıdan oluşmuştur. İnterferometre düzeninde bulunan aralarında 0 ile 180 arasında ayarlanabilir faz farkı olan iki çıkışa sahip çift-hücreli fotodiyot üzerine girişim saçakları düşürüldüğünde fotodiyodun çıkışlarındaki genlik değerleri 100 mv 'luk offset değeri üzerine oturmuş V pp = 50 mv (AC) olduğu görülmüştür. Amaç, bu iki sinyal arasındaki fazı tespit ederek, oluşan saçakları, sayıcı entegreleriyle artan/azalan şeklinde saymaktır. Bu nedenle fotodiyodun çıkışlarındaki sinyallerin gerekli gerilim değerlerine getirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla, ilk etapta birer işlemsel kuvvetlendiriciyle sinyaller on kat kuvvetlendirilmiştir (1 ve 1'). AC 108

5 (7) m c «c O «D RCO CVK LOOO 191 1SOIP300 ^ uıo A «A 9 as c «c o oo RCO tclk D/O LOOO m t-u uıı m A W» O* c «c D 40 RCO X 14DIP300 Şekil 3. Saçak Sayıcı Devresi Şeması

6 sinyal ile beraber DC-offset değerinin de büyümesi sebebiyle ikinci etapta türev alıcı devreyle DC offset gerilimi yok edilmiştir ( 2 ve 2' ). Fakat AC sinyalin tepeden tepeye değeri istediğimiz seviyeye ulaşmadığı için sinyaller 12 kat daha kuvvetlendirilmiştir ( 3 ve 3' ). Tepeden tepeye gerilim değeri 3,6 V olan kuvvetlendirilmiş AC sinyallerin ikili sayıcılar tarafından değerlendirilebilmesi için kare dalgaya dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu sebeple kullanılan yüksek hızlı komparatörler ile AC işaretler aynı frekanstaki kare dalgaya çevrilmiştir (4, 4' ve 4" ). Burada kullanılan flip-floplar yardımıyla <t> x ve <t> 2 fazlı sinyaller (biri ölçüm sinyali diğeri de referans sinyal olarak kullanılmıştır), birbirleriyle karşılaştırılarak faz farkları tespit edilip, hem sayıcılara sayma izni verilmekte hem de yer değiştirmenin yönüne (optik düzende sağa veya sola) göre sayıcıların artan veya azalan şekilde saymalarını sağlamaktır. Bu karar algoritması aşağıda verilmiş olan tablodaki gibidir [6]. Tablo-1 Saçak sayıcı devresi fazı tespit etme algoritması Sayıcılardaki sayma yönü Qı (5) Q 2 (6) ex-or (7) Sayıcılardaki sayma durumu Artan Say Artan/Azalan Sayma Artan/ Azalan Sayma Azalan Say (j) ı sinyali ise, sayıcılara giden say izni sinyalinden her zaman daha sonra gidecek şekilde mantık devreleriyle geciktirilerek ( 8 ), sayıcıların saat darbesi girişine bağlanmıştır. Ölçülmesi hedeflenen maksimum yer değiştirme miktarı 20 mm 'nin sayılması için bu devrede dört adet artan/azalan sayıcı kaskat olarak bağlanmıştır. Sayıcılardan çıkan 16 bit ikili düzendeki sayılar tarafımızdan yapılan arabirim kartı vasıtasıyla bilgisayar ortamına aktarılabilmektedir. Aktarılan bilgiler kullanılarak, Turbo C dilinde yazılmış bir program ile yer değiştirme hareketinin, bilgisayar ekranında simulasyonu yapılmıştır. Gerçekleştirilen bu tasarım ile 20 mm'ye kadar yer değiştirmeler, yüksek doğrulukla ve 0,3 /xm çözünürlükle ölçülebilmektedir. 5. Sonuç Tasarlanmış olan devrenin doğru çalışıp çalışmadığını kontrol etmek amacıyla Michelson İnterferometresi'nin bir kolundaki hareketli ayna (bkz. Şekil 2.) mikrometre ile hareket eden bir platform üzerine sabitlenmiştir. Bu platformu ileri veya geri hareket ettirdiğimizde hareketli aynanın yer değiştirme miktarı, mikrometreden ve Bölüm 4. 'de anlatılmış olan elektronik kartlar yardımıyla bilgisayardan okunarak karşılaştırılmıştır. 110

7 Okunan değerler arasında mikrometrenin okunabilirliği olan 1 fim dahilinde uyum gözlenmiştir. Bu sistem, alternatif olarak, ölçüm amacına uygun yapılacak küçük değişikliklerle, aşağıdaki ölçümlerde kullanılabilir; 1) Michelson İnterferometresi kullanılarak statik ve/veya zamana göre değişen yer değiştirme ölçümlerinde, 2) İvme ölçerlerin mutlak kalibrasyonunda, 3) Ultrasonik güç ölçümleri "Su terazisi". Kaynakça 1. Genceli O.F., Optik Ölçme Metottan, s , (1989) 2. Tilford C.R., Three and a Half Centuries Later -The Modern Art Of Liquid Column Mercury-, Metrologia, cilt 30, s , (1993/94) 3. Alasia, Capelli A., Cignolo G., Sardi M., A New Generation of Mercury Manometers at the IMGC, Metrologia, cilt 30, s , (1993/94) 4. Yalçın T., Metrolojide Enterferometrik Ölçümler, TÜBİTAK-UME Yayınları, s. 3-4, (1987) 5. Gasvik J.K., Optical Metrology, s , (1987) 6. Martin F., Gauthier J., Gulick S., Laroche F., Position and velocity sensing laser interferometer-fringe counter, Rev. Sci. Ins., cilt 59, s , (1988) 111

8 KALİBRASYON ÇALIŞMALARINDA İSTATİSTİKSEL UYGULAMALAR / 1. Temel ifadeler 1.1. İstatistik : Belirsizlik(ler) altında karar verme bilimi 1.2. Histogram : Veri dağılımının düşey dikdörtgen çubuklar biçimindeki şekillerle gösterildiği grafik. Histogramdaki herhangi bir çubuğun tabanı "sınıf aralığı", yüksekliği ise o sınıfın "frekansı" na eşit olur Değişim Aralığı: bir dağılımda, rastlanan en büyük ve en küçük değerler arasındaki fark Aritmetik Ortalama : Güzlem değerleri toplamanın, toplam gözlem sayışma bölünmesi j - 1 N X = JJCI N: gözlem sayısı 1.5. Standart Sapma : Aritmetik ortalamada gözlenen sapmalardan hareketle geliştirilmiş bulunan dağılma ölçüsü. Deneysel standat sapma, aynı ölçülen büyüklüğe ait n adet ölçümden oluşan bir seri için, aşağıda ki formülle verilen s parametresi ile sonuçların dağılımını karakterize eder. j ', ' i 1 s=\ n-\ Deneysel standart sapma, aşağıdaki formülle verilen ve ana kitle hacmi N, ortalama değeri X~olan "ana kitle standart sapması a " ile karıştırılmamalıdır:, N ı=l x - x) N n adet ölçümden oluşan seri, ana kitlenin örneklemesi olarak düşünüldüğünde s ana kitle standart sapmasının tahmini değeridir Mod: Frekansı, dağılımdaki diğer sınıf frekanslarının hiçbiri tarafından aşılamayan sınıf Medyan : büyükten küçüğe ya da küçükten büyüğe doğru dizilmiş bir grubun tam i ortasındaki değer. V 1.8. Normal Dağılım Eğrisi: Standart sapma değerinin diğer dağılım eğrilerine nazaran daha küçük olduğu bu dağılım eğrisi istatistiksel metroloji çalışmalarında sıkça kullanılır. Bir diğer adı "çan eğrisi" dir. Bu eğri tek modludur ve aritmetik ortalaması ile medyan değerleri t. 112

9 birbirine eşittir. Normal Dağılım Eğrisi: Medyan, aritmetik ortalama Şekil: 1 2. Belirsizlik İfadeleri ve Test Belirsizlik Oranı 2.1. "Ölçülen büyüklüğün gerçek değerinin içinde buluduğu değerler aralığını karakterize eden tahmini değer"şeklinde tanımlanabilen ölçüm belirsizliği ifadesi, istatistiksel olarak normal dağılım eğrisi ile incelenir. Herhangi bir cihazla ilgili olarak verilen belirsizlik değeri hangi güvenirlilik aralığında geçerli olduğu belirtilmediği sürece bir anlam taşımaz. Normal dağılım eğrisinde, yatay eksen, standart sapma değeri (a) cinsinden ifade edilir. Ortalama değerin ± lc'lık alanı içerisinde kalan miktar, toplamın takriben %68'ini, ±2o'lık alanı içerisinde kalan miktar ise toplam takriben %95'ini temsil eder. Şekil:2a -2a +2CT Şekil:2b Güvenirlik Seviyesi: (Confidence Level) "Yüzde (%)" olarak ifade edilir. Gerçek değerin belirsizlik limitleri dahilinde yer alma olasılığını belirtilir. 113

10 Güvenlik Aralığı: (Confidence Interval) Normal dağılım eğrisindeki yatay eksen üzerinde sözü edilen güvenirlilik seviyesine karşılık gelen noklatlarm sınır teşkil ettiği aralık. / Örnek : %95 güvenirlilik seviyesi =>2a güvenirlilik aralığı 2.2. Test Belirsizlik Oranı (Test Uncertainty Ratio, TUR) Test Belirsizlik Oranı,test edilen cihazın belirsizlik değerinin, kalibre eden cihazın belirsizlik değerine bölünmesiyle elde edilen orandır. Standart cihaz ya da kalibratör olarak kullanılan cihazların da belirsizlik değerleri dahilinde çalıştığı düşünülecek olursa, kalibrasyon işlemi sonucunun da belirsizlik içerdiğini söylemek gerekir. Standart cihaza göre spek-içi olduğu tespit edilen bir cihaz, gerçek hayatta ancak sözkonusu belirsizlik değerleri dahilinde "sepek-içi" dir., Örnek: / ± 200 xv belirsizliğinde çalışan 10 V kademesi, aynı değerde ±50 xv belirsizliğinde standart gerilim üreten bir kalibratör ile kalibre edilemek istenen bir DMM için, sözkonusu kalibrasyon çalışması için Test Belirsizlik Oranı, her iki cihazın belirsizlikleri de aynı güvenirlilik seviyelerinde verilmişse 200/50=4 = l'dir, ki bu oran MILSTD A ya da benzeri diğer kalibrasyon standartları için uygundur. Ancak gerçek hayatta genellikle kalibratör belirsizlikleri %99.9 (2.6a), DMM belirsizlikler ise %95 (2a) güvenirlilik seviyelerinde ifade edilirler. Bu değerlerin yukarıdaki örnek için de geçerli olacağı düşünülürse, sonuç biraz daha farklı olacaktır. Şöyle ki, önce verilen belirsizlik değerleri aynı güvenirlilik aralığına, mesala la aralığına indirgenir: DMM => ±200/ım =±19.2/zm /.'. ±50 Kalibratör =$ 2.6 =±50fim Test Belirsizlik oranı bu kez, 100/19.2Z5 olacaktır. / Bu örnekte gerçek oran, ilk bakışta görülenden daha iyi çıkmıştır. Ancak tam tersi de sözkonusu olabilirdi İdeal Gerçek Koşul Farkı: İdeal koşullarda, bir kalibrasyon çalışması sonucunda test edilen cihaz için iki olasılık sözkonusudur. 1. Cihaz uygun durumdadır ve "kabul edilir". 2. Cihaz uygun durumda değildir ve "red" edilir. Ancak, gerçek hayatta yukarıdakilere ilaveten iki olasılık daha vardır: 3. Cihaz uygun durumdadır fakat "red" edilir. 4. Cihaz uygun durumda değildir, fakat 'kabul" edilir. Burada bir ilginç nokta şudur ki, yanlışlıkla red sonucuna varılan vihazların sayısı, yan-.1 '. j 114

11 lışlıkla kabul edilenlerden genelde daha fazladır. Aynı güvenirlilik aralığında (örneğin 3a) ifade edilen kalibratör ve DMM'in belirsizlik değerlerinin normal dağılım eğrisindeki gösterilişi, eğer kalibratörün gerçek çıkışı nominal değere eşitse birbiriyle şöyle karşılaştırılabilir. Kalibratör DMM -3a -2a - + a +2<x +3CT Şekil: 3 İdeal olarak nitelendirilen bu durumda red veya kabul sonuç kararları %100 doğrudur. Ancak, kalibratörün gerçekte la hatalı gerilim ürettiği varsayılacak olursa bu kez, iki çihazm belirsizlik değerlerini temsil eden dağılım eğrilerinin birbirleriyle ilişkisi biraz farklı olacaktır. 115

12 yanlışlıkla red yanlışlıkla kabul -13cr -12<r-9a -6a -3CT + 3(7 +4a +9(7-» 12a -3a -2a -a + 3a Şekil: 4 Normal dağılım eğrilerinin özelliğinden dolayı, yanlışlıkla red edilen cihazların sayısı, yanlışlıkla kabul edilenlerden daha fazla olacaktır. Kalibratör çıkışının nominal değerden sapması arttıkça, yanlışlıkla kabul ya da red edilen cihazların sayısı da artacaktır Kalibratör çıkış hatası (y) (4=1 TUR ve 3 a güvenirlik seviyesi) Şekil:5 116

13 Sonuç Kalibrasyon çalışmalarından güvenilir sonuçlar alınması amacıyla, elde edilen sonuçların sadece kabul/red kriterlerine göre değil, nominal değerlerle gerçek değerler arasındaki farklarına ve bu farkların zaman içerisindeki değişimine göre de kayıtlar tutulmalı ve bu kayıtlar istatistiksel yöntemlerle yorumlanmalıdır. 117

14 1 m'ye KADAR ÖLÇME BLOĞU KALİBRASYONU ve SICAKLIĞIN ÖLÇÜM SONUÇLARI ÜZERİNDEKİ ETKİSİ Karun Alper Tiftikçi, Şakir Baytaroğlu TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü(UME), P.K. 21, Gebze-KOCAELİ Özet Boyutsal metroloji alanında yapılan çalışmalarda karşılaşılan en önemli problem, sıcaklık sorunudur. Kullanılan metod ne olursa olsun sıcaklığın yapılan ölçüm üzerindeki önemli etkisi azalmayacak ve hatta ölçme belirsizliği azaldıkça, diğer bir deyişle mutlak ölçüm metodları kullanılmaya başlanınca sıcaklığın etkisi daha kritik bir rol oynamaya başlayacaktır. Bu çalışmada ; 0.5 mm mm arası ölçme bloklarının yapılan, genel özellikleri ve kalibrasyon / prosedürlerinden bahsedildikten sonra ölçüm ve ölçüm sonucuna etkiyen parametreler tanıtılacak ve bunların içinden sıcaklık etkisi detaylı olarak incelenecektir. 1. Giriş 18 yy. sonunda başlayan sanayi devrimi, gelişen teknoloji ve sanayide üretim safhasındaki sorunları çözebilmek için birimlerin sanayiye hassasiyetle aktarılma ihtiyacı doğmuş ve böylece ölçme sisteminin referanslarını teşkil edecek etalonlar geliştirilmeye başlanmıştır. / Uzunluk biriminin hassasiyetle sanayiye aktarılması ve muhafaza edilmesi için transfer elemanları olarak Ölçme Blokları geliştirilmiştir. İlk ölçme blokları 1896 yılında İsveç'li mühendis C.F. Johansson tarafından imal edildiği için bugün halen uzunluk mastarları onun adı ile de anılmaktadır. Günümüzde uzunluk birimi metre, 1983 yılında kabul edilen yeni tanımına göre; "Işığın, l/c zaman aralığında vakum ortamda katettiği mesafe (c = ) olarak tanımlanmaktadır [1]". Böylece uzunluk birimi tanıma uygun olarak gerçekleştirilen birincil standartan enterferometrik yöntemler kullanılarak ölçme bloğuna transfer edilmekte ve bu yöntem ile kalibre edilmiş ölçme bloklarından sanayinin kullandığı çalışma standardlarına transfer edilmektedir. / 118

15 2. Ölçme Blokları Tanım : İlgili normlarda ölçme blokları; dikdörtgen kesitli, paralel ve düz iki ölçme yüzeyi arasında hassaslıkla uzunluk birimini muhafaza eden ölçme elemanları olarak tanımlanmaktadır [2,3,4,5]. 1, 2, 3, 4 ölçme yüzeyleri, 5-6 yan yüzeyler Şekil 1: Ölçme Blokların Şematik Gösterimi Ölçme blokları genellikle yüksek karbonlu ve krom alaşımlı aşınmaya karşı dayanıklı şertleşebilen çeliklerden imal edilmektedir. Ölçme bloklarının imal edileceği malzemeler aşağıdaki şartları sağlamalıdırlar. - Sertleştirilebilirlik özelliğine sahip olmalıdır, - Sertleşme işlemi boyunca şekil değiştirmemelidir, - Aşınmaya karşı dayanıklı olmalıdır, - Sıcaklıkla şekil değiştirme katsayısı iyi bir şekilde bilinmeli ve mümkünse düşük olmalıdır, - Malzeme maliyeti düşük ve kolay işlenebilirlik özelliğine sahip olmalıdır. 119

16 Ölçme blokları imalinde genelde aşağıda belirtilen malzemeler kullanılmaktadır; - Makina çeliği, - Krom alaşımlı çelikler, / - Paslanmaz çelikler, - Tungsten Karbür, - Krom karbür, - Seramik, Günümüzde kullanılan ölçme bloklarının malzemeleri çelik, sert metal ve seramik olmak üzere 3 temel grupta toplayabiliriz. Çelikler : Yapılan çalışmalarda, çelik setler çok uzun bir çalışma ömrü ve uzunluk birimini standardlarda öngörülen toleranslarda muhafaza ettiği görülmüştür. Bununla beraber her kullanımdan sonra dikkatli bir temizlik yapılmalı ve sık kuuamlmıyorlarsa kullanım sonrası, koruyucu asitik olmayan gres veya yağ ile korozyana karşı korunmalıdırlar. Kullanılan malzemeler aşağıdaki özellikleri yerine getirmelidir; - Kullanılan malzeme yüksek alaşımlı çelik olmalı, - 64 Re sertliğe sahip olmalı, - Malzeme boyutsal kararlılığa sahip ve ısıl işlem sırasında boyut değişimi minimum olmalı. j Tungsten Karbür : Tungsten karbür veya diğer karbürlerden yapılmış olan ölçme blokları yüksek yüzey sertliği ve aşınma mukavemetinin yam sıra aşağıda belirtilmiş özelliklere sahiptirler. - Sertlik değeri çeliklere göre daha büyüktür, - Korozyona karşı, çeliklere göre daha dayanıklıdır., - Boyut kararlılığı yüksek ve düşük uzama katsayısına sahiptir. Seramik : Bir çok uygulamada diğer malzemelere göre daha yüksek bir aşınma direncine, daha / yüksek dayanıma ve daha yüksek boyutsal kararlılığa sahip olmaları en büyük avantajlardandır. Diğer bir özelliği ise koroziv ortamlardan etkilenmemesidir. Ayrıca bu özelliklere ek olarak; sahiptir. - Yüksek aşınma mukavemetine, - Yaklaşık 1400 Hv'e ulaşan sertlik değerine, - Çeliğe yakın uzama katsayısına, - Çok düşük sürtünme katsayısına, 120

17 Dezavantajı ise; yüzeydeki mikro hataların eğilme özelliklerini çok kötü yönde etkilemesidir. Ayrıca darbe dayanımı düşük bir malzemedir. 3.Ölçme Bloğu Kalibrasyonu Uzunluk biriminin hassasiyetle alt seviyelere aktarılabilmesi için kullamlan ölçme bloklarının, zaman içinde kullanım hataları, aşınma, malzemenin doğal deformasyonu gibi nedenlerle, koruduğu boyutun doğruluğunun teyid edilebilmesi için, belirli aralıklarla kalibrasyona ihtiyacı vardır. Şekil 2: Ölçme Bloklarında l m ve l b değerleri Ölçme bloğunun kalibrasyonunu 3 ana grup altında inceleyebiliriz - Kabul işlemi ve kalibrasyon için hazırlanması, - Kalibrasyonun gerçekleştirilmesi, - Düzeltme ve sonuçların değerlendirilmesi, 121

18 3.1.Ön Hazırlık Safhası Kutusundan çıkarılan ölçme blokları Petrolyum Benzin ile silinerek koruyucu yağ ve benzeri maddelerden temizlenir. Bu işlem, ölçme bloğunun yüzeyi tüm yağ, toz ve kirlerden arındırıhncaya kadar devam eder. Temizleme işlemi tamamlandıktan sonra ölçme bloğu bir cımbız veya bir pnömatik taşıma sistemi ile alınarak kalibrasyon yapılacak cihazın yakımna yerleştirilir. Daha sonra her iki yüzeyide uygun temizleme bezi ile silinerek yüzeyler parlatılır. Eğer ölçme bloğunun manyetik özelliği varsa manyetiklik yok edici (demagnetizer) kullanılarak ölçme bloğu manyetik özelliğinden arındırılır. 3.2.Ölçme Yüzeyinin Kontrolü (Optik Cam ile Muayene) Şekil 3: Ölçme Bloklarındaki f e düzlemsellikten sapma Bu işlemden amaçlanan, ölçme bloklarının kalibrasyonu için ön şart teşkil eden yüzey kalitesinin kontrol edilmesidir. Bu işlem sırasında aşağıdaki prosedür takip edilmelidir; - Petrolyum benzin ile optik camın yüzeyi temizlenir, - Optik cam ile ölçme bloğunun yüzeyleri temizleme bezi ile iyice silindikten sonra yumuşak kıl fırça ile tekrar temizlenir, - Ölçme bloğu optik camın üzerine yerleştirilmeden bir üfleç yardımıyla her iki yüzeyde son birkez temizlenir ve ölçme bloğu optik camın üzerine yerleştirilir. - Ölçme bloğu çevrilmeden optik camın üzerine bastırılır. Böylelikle yapışacak yüzey incelenebilir. - Eğer bir bozukluk tespit edilecek olursa ölçme bloğunun yüzeyi düzeltme işlemine tabi tutulur. - Eğer herhangi bir hasar mevcut değil ise ölçme bloğu çevrilerek iyice yapışması sağlanır. 122

19 Ölçme blokları optik cam ile kontrol edildiklerinde hiçbir girişim deseninin, renkli bölge ve beyaz bölgenin oluşmaması gerekir. Bazen ölçüm belirsizliğine bağlı olarak bu sayılan kriterlerin bazıları kısmen yumuşatılabilir. 3.3.Hasarlı Ölçme Bloklarını Düzeltme işlemi Optik camla muayenede tespit edilen kusurlar düzeltme işlemine tabi tutularak mümkün olduğunca giderilmeye çalışılır. Bu işlem için yüzey düzeltme taşları kullanılabilir. Her düzeltme işlemini takiben ölçme bloğu tekrar iyice temizlenmeli ve optik cam ile tekrar kontrol edilmelidir. 3.4.Sıcaklık Kararlılığı Referans ölçme blokları ile test ölçme blokları komparatöre yakın bir yerde ısıl dengeye gelmeleri için bir müddet bekletilir. Bu işlem ölçme blokları granit bir yüzey üzerine yerleştirilerek de gerçekleştirilir. Kalibrasyon işlemine ancak referans, test ve komparatör aynı sıcaklık değerlerine ulaştığı zaman başlanabilir. Pratik uygulamalar sonucunda elde edilen sonuç kalibrasyona başlamadan önce bir gecenin geçmesidir. Kalibrasyon işlemine uzun ölçme blokları ile başlanmalıdır. Konuyla ilgili UME'de elde edilmiş deneysel sonuçların grafiksel gösterimi (200 mm, 300 mm, 600 mm) için aşağıda verilmiştir. 200 mm SICAKLIK STABİLİZASYON EĞRİSİ Senesi, Series2 i 19,8 Series3 i [ Series4 19,6 19,4 ZAMAN Şekil 4: 200 mm Ölçme Bloğunun Isıl Denge Eğrisi 123

20 300 mm SICAKLIK STABİLİZASYON EĞRİSİ Seriesl Series2 Series3 L Series4 8?? oo ZAMAN Şekil 5: 300 mm Ölçme Bloğunun Isıl Denge Eğrisi 600 mm STABİLİZASYON EĞRİSİ Seriesl - Series2 i ' Series3 Series4 i ZAMAN Şekil 6: 600 mm Ölçme Bloğunun Isıl Denge Eğrisi 124

21 4. Karşılaştırma Öçümleri Karşılaştırmalı ölçme metodunda ölçülen büyüklük, değeri bilinen aynı cins bir büyüklük ile doğumdan karşılaştırılarak ölçülür. Karşılaştırma ölçümlerinde, komparatör ile yapılan kalibrasyonlarda 3 özellik belirlenir: - l m ölçme yüzeyinin orta noktasının boyu, - l b ölçme yüzeyinin herhangi bir noktasında ölçme bloğunun boyu, - l b boyundaki f s sapma aralığı, 4.1.Ölçme Bloklarında f 5 Sapma Limiti Paralellikten ve düzgünlükten sapmaların bileşimi l bmax ile l bmin arasındaki farka eşittir. Bu ise aynı zamanda l m 'den itibaren görülen f 0 ve f u sapmalarının toplamına eşittir. r- i i ' s ^bmax ~ 'bmin ' l m 'den görülen maksimum (+) sapma : f 0 = l bmax - l m l m 'den görülen maksimum (-) sapma : f u = l m - l bmin Nominal boy l n 'den müsade edilen maksimum sapma ± t n standardlarda belirtilir. 7 Şekil 7: Ölçme Bloklarında kullanılan boyutsal terimlerin gösterimi 5 noktada ölçüm yapılır. Bunlar, merkez (orta nokta) dışında 4 köşeden yaklaşık 1.5 mm mesafede alınan noktalardır. Bu işlemden hedeflenen sonuç ise ölçme yüzeyinin herhangi bir 125

22 noktasındaki uzunluk değeri l b 'yi hesaplamaktır. Ölçülmüş olan bu değerler ilgili normlarda izin verilen değerlerle karşılaştırılır ( + t,,). f s sapma aralığı ölçüm yapılan 4 köşe noktasının pozitif maksimumu ile negatif minimumu arasındaki fark ile elde edilir. Sonuç ilgili normlarda izin verilen t s değerleri ile karşılaştırılır [2]. P2- Şekil 8: 5 Nokta Kalibrasyon Metodu İçin Ölçme Noktalarının Şematik Gösterimi 5.Ölçme Ortamının Sağlaması Gereken Şartlar Yüksek doğruluğa sahip ölçümler için ortam şartları kontrol altında tutulmalıdır. Komparatör ve ölçme teçhizatı laboratuvar koşullarında, C, % 55 nem ve titreşimsiz bir ortamda kalibrasyonlar gerçekleştirilmelidir. 126

23 6. Ölçüm Belirsizliği Yukarıda belirtilen ortam şartlan altında ölçümün belirsizliği için iki temel seviye belirlemek mümkündür. 2. Seviye : u = ±( * L)fim L (m) 1. Seviye : u = ±( * L)/on L (m) 7. Ölçüm Sonuçlarının Değerlendirilmesi : Öncelikle ölçüm sonuçlan için gerekli düzeltmeler yapıldıktan sonra her bir ölçme bloğu için kabul edilmiş standartdaki izin verilen sapma ve tolerans değerleri ile karşılaştırılır. Bu işlem sırasında izlenmesi gereken prosedür aşağıdaki gibidir. -Nominal boyda orta noktada ki (P2) sapma, nominal boyda herhangi bir noktadaki izin verilen sapma t n ile karşılaştınlır. -Aynı şekilde diğer dört noktada elde edilen sapmalar herhangi bir noktada nominal boydan izin verilen sapma değeri ile karşılaştınlır. -Maksimum pozitif ve negatif sapmalar (f 0 ve f u ) birbirleri ile toplanarak elde edilen f s sapma aralığı değeri standardlardaki t. değeri ile karşılaştırılır. Bir kalibrasyon işlemi sonunda verilmesi gereken değerler: -Nominal uzunlukta orta nokta l m den sapma değeri, -f s sapma aralığı, -f 0 ve f u değerleri, 8. Ölçüm Sonuçlarının Düzeltilmesi : 8.1.Sıcaklık Farklılarından Kaynaklanan Etki : Referans ve test ölçme blokları arasındaki sıcaklık farkından doğan boyut değişiminin kompanzasyonu için ölçüm sonuçları 20 C'ye indirgenir. Kalibrasyon sertifikasında verilen değer 20 C için bulunmuş değerdir. Düşük belirsizlik değerine ulaşılabilmesi için kalibrasyon esnasında 0.01 C okuma kabiliyetine sahip termometreler kullanılmalıdır. 127

24 8.2.Farklı Sıcaklıkla Uzama Katsayılarından Kaynaklanan Etki Standardlarda çelik ölçme blokları için kabul edilen değer ( * 10~ 6 K 1 ) dir ve daha kesin ve güvenilir bir değer verilmediği sürece de bu şekilde kabul edilir. Bu yüzden referans sıcaklık 20 C den uzaklaştıkça ölçme belirsizliğimizde o ölçüde büyüyecektir. Aynı durum farklı / malzemeden imal edilmiş ölçme bloklarında daha çarpıcı bir şekilde ortaya çıkmaktadır. Dolayısıyla ölçme bloklarının uzama katsayılarının sıcaklık ile olan değişiminin ve belirsizlik değerlerinin yüksek doğrulukla bilinmesi gerekmektedir. 8.3.Farklı Malzemelerden Kaynaklanan Etki Farklı uzama katsayılarına ek olarak ölçme bloğu imalinde kullanılan malzemelerin farklı elastiklik katsayıları mevcuttur. Buna bağlı olarak da ölçme ucu (prob) ile ölçme yüzeyinin temas noktasında farklı deformasyonlar meydana gelir. Farklı malzemeden imal edilmiş ölçme bloğu / kalibrasyonlarında bu etki göz önüne alınmalıdır. Böyle kalibrasyonlar için kabul edilecek düzeltme katsayıları yaklaşık olarak verilmektedir. Asıl değerler tekrarlanan karşılaştırmalı ölçümler sonunda elde edilmelidir. 9.Sıcaklığın Ölçüm Sonuçlan Üzerine Etkisi Mukayeseli ölçümlerde sıcaklık ölçümlerimizi iki türlü etkiler. Birincisi ölçme bloklarının sıcaklıklarının 20 C'den sapması, ikincisi ise test ve referans ölçme bloklarının birbirlerinden farklı sıcaklıkta olmalarıdır. Buradan da anlaşılacağı gibi ölçüm sonuçlarına etkiyen ve sıcaklıktan doğan düzeltmeleri iki ana başlık altında toplamak mümkündür. Bunlardan birincisi K^ sadece referans ile test arasındaki sıcaklık farkından doğan hatayı kompanze edebilmek için, ikincisi K a, referans ile test malzemelerinin farklı uzama katsayılarından kaynaklanan hatanın ve ölçüm sonuçlarının 20 C'ye çevrilmesi için kullanılan düzeltmelerdir. İfadeler daha açık yazılacak olursa; j K t = a T l N (t T ' 1 R) K a = -(a T - ajl(k C - 20 C) a T : Test parçasının sıcaklıkla uzama katsayısı a R : Referans parçasımn sıcaklıkla uzama katsayısı 1 N : Nominal uzunluk i 128

25 t T : Test parçasının sıcaklığı t R : Referans parçasımn sıcaklığı Yukarıda belirtilen ifadelerden daha genel bir ifadeye geçmek mümkündür. Böylece aynı işlem hem tek bir ifade altında toplanmış hem de sıcaklık ve sıcaklıkla uzama katsayılarının ölçüm sonuçlarına olan etkisi daha net bir şekilde görülmüş olur [7]. 1 T (1 + a T (t T - 20 Q) = 1 R (1 + a R (t R - 20 C) + D D: gösterge değeri Buradan formülde gerekli düzeltmeler yapılırsa; 1 T «1 R [1 + a R (t T - 20 C)(l - a T (t T - 20 C)] + D Buradan da, ifadesi elde edilir. 1 T «1 R + l R [a R (t R - 20 C) - a T (t T -20 C)] İfadeyi açıp gerekli düzeltmeler yapılırsa; burada; a R (t R -20 C) - a T (t T -20 C) = [(a R +a T )/2](t R -t T )+(a R -a T )[(t R -2O C)+(t r 2O C)]/2 (a R +Q; T )/2 = a, ortalama sıcaklıkla uzama katsayısı (a R -a T ) = 8a, uzama katsayıları arasındaki fark (t R -t T ) = öt, sıcaklık farkı [(t R -2O C) + (t T -20 C)] = At, 20 C 'den (referans sıcaklıktan) ortalama sapma Sonuç denklem olarak; 1 T = 1 R + D + l R (a<5t + elde edilir. 129

26 lo.sonuç Yukarıdaki ifadelerden ve anlatılanlardan anlaşılacağı üzere yüksek doğrulukla ölçme bloğu kalibrasyonu yapılabilmesi için, etken faktörlerin minimuma indirgenmesi gerekir. Temel olarak kalibrasyon sırasında uyulaması gereken kurallar aşağıda belirtilmiştir. ı! 1- Kalibrasyon işleminde kullanılan referans ve test ölçme bloklarının aynı malzemeden imal edilmiş olması, 2- Referans ile test ölçme bloğu arasındaki sıcaklık farkımn ortadan kaldırılması, yani sıcaklık kararlılığı için gerekli beklemenin yapılması [6], 3- Yapılan ölçümlerin mümkün olduğunca referans sıcaklık 20 C etrafında gerçekleştirilmelidir [6]. 130

27 Referans ile test arasındaki sıcaklık farkından dolayı test parçasının normale göre boyundaki sapma 0,23 l I I I I I c 0, Uzama katsayısı Z 2. seviye ölçüm Belirsizliği ±(0.1 +İL) um L(m) , , /L Z 7 Z 0, , , Z 7 Z seviye ölçüm Belirsizliği: ± ( L) urr 0.08 L (m) , ,02 L 11 z V Y Û mm Nominal Uzunluk -* 131

28 Çelik gauge bloklar için DİN 861 bölüml'de kabul edilen normlara göre mümkün olan maksimum fark için referans ile test ölçme bloğu arasındaki uzama katsayısı farkının ölçüm sonucuna etkisi ,018-4-O-4-4- = 2-1Ö 6 K 1 'c h-o.ı 0, Û ,06 SI jD XX)2 0 0, , ili Nominal Uzunluk OJ C ,8 o CNJ * ' 7 S 0B S" 0,5 j-> 0,08 OJO OA B mm Nominal Uzunluk *-

29 Kaynaklar CGPM KONFERANSI (1983),BIPM 2 DİN 861, OCAK ISO 3650, BS4311, OIML Nr 30, ANLETUN FÜR DİE KALIBRIERUNG VON PARALLELENDMASSEN BIS 100 MM NENNMASS, PTB,DKD 7 GUIDE TO THE EXPRESSION OF UNCERTAINTY İN MEASUREMENT (1993), BIPM, IEC, ISO, OIML 133

30 MPa'DAN 160 MPa'A KADAR TÜRKİYE'DEKİ MEVCUT BASINÇ ÖLÇEĞİ I Namık Bostan, Haluk Orhan / TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), P.K. 21, 41470, Gebze, Kocaeli Özet Bu çalışmada, hidrolik ve pnömatik pistonlu basınç standartları kullanılarak Ulusal Metroloji Enstitüsü'nün Basınç Laboratuvarı'nda MPa'dan 160 MPa basınç değerine kadar gerçekleştirilen ve muhafaza edilen basınç ölçeği anlatılmıştır. Ayrıca, bu ölçek içinde yer alan basınç standartlarının belirsizlik değerleri verilmiş, izlenebilirlikleri anlatılmıştır. Basınç biriminin hiyerarşik dağılımını açıklama amacı taşıyan bu çalışmada, son olarak, UME / Basınç ve Vakum Laboratuvarlarımn yakın gelecekteki faaliyetleri özetlenmiştir. 1. Giriş UME Basınç Laboratuvarı, ülke içerisinde basınç ölçümlerinde birliği sağlamak, uluslararası basınç birimi Pa (Pascal)'ı ve ülke ihtiyaçları doğrultusunda basınç ölçeğini (skalasını) oluşturarak, bunu alt seviye laboratuvarlara transfer etmek amacıyla faaliyetlerini 1992 yılından beri sürdürmektedir. i Basınç birimi, kütle, uzunluk ve zaman birimlerine bağlı olarak türetilmektedir. Bu birimin oluşturulmasında kullanılan farklı primer standartlar birbirinden bağımsız iki değerlendirme metodunu biraraya getirmektedir (bu metotlar 2. bölümde anlatılmıştır). UME Basınç Laboratuvarında, bu standartlardan biri olan pistonlu basınç standartları kullanılarak, MPa'dan 160 MPa basınç değerine kadar bir basınç skalası oluşturulmuştur. Bu çalışmada, oluşturulan ve muhafaza edilen skala içerisinde yer alan standatlarla ilgili belirsizlik değerleri verilerek, ölçümlerin izlenebilirliği açıklanacaktır. 2. Primer Basınç Standartları ' j Primer standart, belirli bir mahaldeki en yüksek metrolojik vasfa sahiptir. Primer standart, ölçülecek büyüklük ve ona ait bileşenlerin ölçümleriyle ilişkili olarak, çok iyi tanımlanmış fiziksel yasalar üstüne kurulmalıdır. Bu fiziksel yasalar üstüne kurularak elde edilen pistonlu basınç standardı ve interferometrik manobarometre, birer primer basınç standardı olarak kullanılmaktadır. Şekil l.'de gösterilmiş olan civalı manometrede, U-tüpünün sağ kolonuna uygulanan P basıncı, civanın yoğunluğu p, yükseklik değişimi h, yerçekimi ivmesi g olmak üzere AP kadarlık bir basınç farklılığı oluşturur. Uygulanan basınç ile civanın yer değişimi dengede,- olduğunda, sol kolonda sıfır olmayan bir referans basınç için mutlak P basıncı aşağıdaki / 134

31 eşitlik ile verilir. P = p g h + P (D Atmosfer basıncı aralığında "h" yüksekliğinin belirlenmesinde en doğru sonucu interferometrik metot verir. Bu metot, interferometrik sistem kullanılarak, U-tüpündeki civa veya su, silikon yağı gibi değişik özellikte akışkanların bulunduğu kolonlar arasındaki akışkan yüzeyi seviye farkının, yüksek doğrulukla belirlenmesidir. İnterferometrik manobarometre sisteminde, basınç ölçümü üzerindeki belirsizlik 5- Şekil 1. Civalı Manometre 10 ppm mertebesinde olup belirsizliğe katkıda bulunan en önemli faktörler, civa yoğunluğunun belirlenmesindeki ve civa sıcaklığı ile referans basıncın ölçümündeki belirsizliklerdir [1]. Şekil 2.'de gösterilen pistonlu basınç standartları, atmosfer basıncı aralığından 1,3 GPa 1 basınca kadar kullanılmaktadır. Bu tip standartların en önemli elemanı piston silindir ünitesidir. Yüzeyi çok iyi işlenmiş A eff, efektif alanına sahip pistonun altına uygulanan akışkan basıncı, akışkan içerisinde serbestçe yüzen piston üzerindeki F kuvvetiyle dengede olduğu zaman oluşturulan basınç; P= F/A eff 'e eşit olur [2]. Piston Silindir Ünitesi Yüksek doğruluğa ulaşabilmek için piston silindir arasındaki temas ve sürtünmenin minimize Piston edilmesi gerekir. Birçok sistemde bu etkileri minimize edecek kuvvetler, silindir sabit kalmak Silindir üzere piston ve üzerindeki kütlelerin döndürülmesi ile sağlanmıştır. Sistemin performansının iyi olabilmesi için P - basınç F - piston üzerindeki kütlelerin oluşturduğu kuvvet A - piston silindir alanı Şekil 2. Pistonlu Basınç Standardı piston ve silindirlerin düzgün, yüzeyinin iyi işlenmiş, kesitlerinin daireye çok yakın ve aralarındaki toleransın birkaç mikron (veya daha düşük) olması gerekir. Bu nitelikler özellikle pistonun ve silindirin gereğince temizlenmesine ihtiyaç duyulan ve yağdan veya parçacık kirlenmesinden arındırılmış gazların kullanıldığı 1 1 GPa = 10 9 Pa 135

32 pnömatik ve gaz yağlamalı sistemler için önemlidir. Pistonlu basınç ölçerler tarafından oluşturulan basınç üzerindeki belirsizlik değeri; yerçekimi ivmesi, kütleler, piston-silindirin efektif alanı ve mutlak basınç ölçümünde referans basınç ölçümü üzerindeki belirsizlik değerleri göz önünde bulundurularak hesaplanır [3]. 3. UME Basınç Standartları 3.1 Düşük basınç standartları UME Basınç Laboratuvarında mutlak basınç ölçümleri için, pnömatik pistonlu basınç standartları kullanılmaktadır. Mutlak basınç ölçümü yapan sistemlerde, piston silindir ünitesi ve üzerindeki kütleler cam fanus içerisine konularak, mekanik vakum pompalan ile içerideki hava alınır. Bu modda yapılan ölçümlerde kullanılan formül, p ref kütlelerin üzerindeki basınç olmak üzere; P= F/A eff + p ref 'dir. Saflığı % olan nitrojen gazının ortam basıncı olarak kullanıldığı UME pistonlu basınç standartlarının çalışma aralığı MPa 'dır. Bu aralığı, MPa, MPa ve MPa aralıklarında çalışan üç adet serbest deformasyonlu piston silindir ünitesi oluşturmaktadır. Bu piston silindir üniteleri kullanılarak yapılan mutlak basınç ölçümlerindeki belirsizlik değeri % O.OO35'dir ve ölçümlerin izlenebilirliği NIST (ABD) üzerinden sağlanmaktadır. Bu sistemler, p ref = p atm olduğu durumlarda, bir başka deyişle, cam fanusun ve vakum pompalarının kullanılmadığı durumlarda yapılan gage basıncı ölçümlerinde de kullanılmaktadır Yüksek basınç standartları Gage basıncı ölçümlerinde kullanılan, MPa, MPa, MPa basınç aralıklarında yağ ortamında çalışan üç adet piston silindir ünitesi içeren UME Yüksek Basınç Standartları, 0.1 MPa'dan 160 MPa'a kadarlık bir basınç ölçüm aralığını kapsamaktadır. Bu sistemler kullanılarak oluşturulan basınç üzerindeki belirsizlik değeri % olup, ölçümlerin izlenebilirliği LNE (Fransa) üzerinden sağlanmaktadır Transfer standartları Ölçüm belirsizlik değerleri, UME Referans Standartları ile belirlenen UME Transfer Basınç Standartları, 0.01 MPa ile 0.7 MPa basınç aralığında pnömatik ve 0.1 MPa ile 60 MPa basınç aralığında hidrolik pistonlu basınç standartlarından oluşmaktadır. Bu sistemler, sekonder laboratuvarlara ait referans basınç ölçerlerin ve standartların kalibrasyonunda kullanılmakta olup, oluşturulan basınç üzerindeki belirsizlik değeri % 0.04 mertebesindedir. Sekonder Laboratuvarlar ise, UME tarafından kalibre edilen referans basınç standartlarını kullanarak, kendilerine ait çalışma standartlarını kalibre edebilmektedir. 136

33 4. Basınç Metrolojisinde İzlenebilirlik Zinciri NIST (ABD) ve LNE (FRANSA) UME Referans Standartları Yüksek 1 Düşük Basınç UME Transfer Standartları Sekonder Laboratuvar Referans Standartları Sekonder Çalışma 1 1 Laboratuvar Standartları Şekil 3. İzlenebilirlik Zinciri Şeması Şekil 3 'de gösterilmiş olan basınç ölçümlerindeki izlenebilirlik zinciri şemasından da anlaşılacağı üzere, UME ülke ihtiyaçları doğrultusunda basınç skalasını oluşturarak, izlenebilirliği alt seviye laboratuvarlara transfer etmektedir. UME Basınç Laboratuvarı'nın yakın gelecekteki faaliyetleri aşağıdaki gibi sıralanabilir: Ekim ayından itibaren ~ 5 Pa aralığında sekonder laboratuvarlarda kullanılan vakum ölçerlerin kalibrasyonuna başlanacaktır Kasım ayından itibaren 0.2 ile 20 MPa basınç aralığında çalışan fark basıncı ölçerlerin kalibrasyonuna başlanacaktır. 3. UME Basınç Laboratuvarında kullanılan pistonlu basınç standartlarının kullanılmasıyla oluşturulan "Pa" biriminin, UME Kütle (kg) ve UME Uzunluk (m) Laboratuvarlarma izlenebilirliği 1996 yılı içerisinde sağlanacaktır yılında CCM 2 tarafından organize edilen ve MPa ve MPa basınç aralıklarını kapsayan uluslararası karşılaştırmaya girilecektir. Kaynaklar 1. Molinar G.F., Pavese F., Modern Gas-Based Temperature and Pressure Measurements, s , Plenum Press (1992) 2. Molinar G.F., Pavese F., Modern Gas-Based Temperature and Pressure Measurements, s , Plenum Press (1992) 3. Mosher K.K., Measurement Correction Methods for the Piston Pressure Balance, Ruska Instrument Corporation, (1992) Comite Consultatif pour la Masse et les Grandeurs Apparantees 137

34 KALİBRASYONDA KÜÇÜK SANAYİCİNİN YERİ Necmi ÖZTABAK FMEC-NUROL Sav. San. A.Ş. Ülkemizdeki kalibrasyonu tanıyan ve uygulayan işletmelerin büyük çoğunluğu askeri kuruluşlar ve bunlara iş yapan firmalardır. Kalibrasyonun önemini tartışmaya gerek bile duymayacağımız bu yüzyılda kalibrenin ne olduğunu ve nasıl uygulandığını bilmeyen küçük işletmelerin olduğunu kabul ederek, bu konularda hizmet veren sektörlerin konuya sahip çıkması gerektiği bilinmelidir. Bu çalışmalar tanıtım ve küçük maliyetle yapılacak kalibrasyon hizmetleri ile olmalıdır. Diğer bir konu; Büyük ölçekli işletmelerin kalibrasyon konusunda duyarsız davrandıklarını, peryodik kalibre gerektiren çalışma standartlarının değer değişikliğine uğramadıklarmı düşünerek diğer ölçü aletlerini, kalibresi yapılmamış olan standartlarla kalibre etmektedirler. Bu uygulamanın yanlış olduğu yetkili işletme personeline anlatılmalıdır. ISO-9001, 9002, 9003 ve 9004 kalite belgesi sahibi işletmelerin ISO şartnameleri gereği kalibrasyon hizmetlerini yerine getirmeleri gerektiği halde bu konularda ciddi çalışmalar yapmadıkları gözardı edilmemelidir. Bilindiği gibi ülkemizde akredite olmuş ve sertifika verebilen kalibrasyon merkezleri vardır. Büyük işletmelerin kalibrasyon konularında bu labaratuarlardan birisi ile irtibat halinde olmaları gerekmektedir. Yayınlanacak bildiri ve sempozyumlarda bu konular işlenmeli ve her kurum kendi üzerine düşen ve sorumlulukları yerine getirmelidir. i 138

35 KALİBRASYON LABORATUVAR AKREDITASYONUNDA DENETLEME VE DENETÇİLERİN NİTELİKLERİ Sadık ÇELİKEL Hv. Müh. Yzb. * AKREDİTASYONUN TANIMI * KALİBRE LABORATUVARI AKREDİTASYONU * AKREDİTASYONUN GEREĞİ * KALİBRE LABORATUVARI AKREDİTASYONUNDA DENETLEME VE DENETLENME NOKTALARI DENETÇİLERİN NİTELİKLERİ Akreditasyonun Tanımı Akreditasyon; Belgeleme, Onaylama, Yetkilendirme genel anlamını taşır. Kalibre Laboratuvan Akreditasyonu Bir kalibre labaratuvarınm yaptığı ölçümlerin doğruluğunun saptanması, izlenebilirlik zincirinin denetlenmesi, kalite, personel, tesis ve çevre kontrol verilerinin bir üst labaratuvar, organizasyon ve yetkili kuruluş tarafından değerlendirilerek güvenilir ölçüm transferinin sağlandığının belgelenmesidir. Akreditasyonun Gereği Akreditasyon ile bir labaratuvarda, yapılan ölçümlerin kalitesi ve labaratuvarm izlenebilirliğinin yeterliliği güvence altına alınarak labaratuvarm uluslararası geçerliliği belgelenir. Kalibre labaratuvarında yapılan ölçümlerin ve transfer edilen büyüklüklerin hassasiyetinin sağlanabilmesi ölçümlerin yapıldığı ortamın çevresel şartlan, kullanılan etalon; kullanılan transfer satndardı, işlemi yapan personel ve uygulanan kalibre prosedürü gibi ana unsurların birarada bulunmasına bağlıdır. Labaratuvarm akredite olmasıyla tüm bu unsurların geçerli bir kalibre işlemi için yeterli olduğu belgelenir. Bugün teknolojik ve ekonomik olarak sınırların kalkmasıyla müşteri ihtiyçalarını tatmine yönelik kalite anlayışı amansız bir rekabete dönüşmüştür. Bu rekabet ortamında müşterinin tatmin edilmesi, mükemmel ürünlerin elde edilebilmesi, o müessesenin ölçme işleminde ne kadar hassas olduğuna bağlıdır. Çünkü; Test/Ölçü aletleri, bakım, imalat, test ve kontrol işlemlerinde referans olarak kullanılırlar. Test/Ölçü aletleri yapılan işlemin / ürünün doğruluğunun ya da kalitesinin belirlenmesinde ve izlenmesinde kullanılan en önemli vasıtalardan biridir. Doğrudan kaliteyi ilgilendiren ölçü aletlerinin güvenilir olmasına ihtiyaç vardır. İşte Test/Ölçü aletlerini güvenilir yapan kalibre işlemi metroloji/kalibre sistemi içinde 139

36 gerçekleştirilir. Test /Ölçü aletleri labaratuvar standartları ile mukayese edilirler. Labaratuvar standartları ise daha üst düzey labaratuvarlara gönderilirler. En üst referans standartları bir ülkenin milli standartlar/ ölçüm merkezinde bulunur. Burası bir ülkenin ulusal metroloji enstitüsü olarak adlandırılır. Buradaki standartlarda bir üst organizasyon tarafından izlenebilir; uluslararası mukayese edilir durumdadır. Böylece kalibrede güvenilirlik j! izlenebilirlikle pekiştirilmiş olmaktadır. Bu işlemlerin tümü bir ülkenin "Ulusal Metroloji Enstitüsü"nün kontrolünde gerçekleşir, labaratuvar akreditasyonları ise "Milli Akreditasyon Konseyi" tarafından oluşturulan organlarca yapılır. Kalibre Labaratuvan Akreditasyonunda Denetleme ve Denetleme Noktaları Denetleme Bir labaratuvarm tüm yasal zorunlulukları tamamladığı dikkate alınarak; labaratuvarm akreditasyonunun nasıl gerçekleştirileceği anlatılacaktır. /! Labaratuvar kuruluşunu tamamladıktan sonra faaliyete geçebilmesi; yaptığı ölçümlerin Ulusal Meteroloji Sistemi içinde kabul görmesinin gereği olan akreditasyon işlemini yaptırmak için Milli Akreditasyon Konseyine (MAK) müracaat eder. Bu müracaatında kendilerine akreditasyon için yerine getirmesi gerekli koşullan içeren bir bildiri verilir. Bu bildiriyi alan laboratuvar kendi şartlarını bu bildiriye göre gözden geçirir veya "Milli Akreditasyon Konseyi'"nden ön denetleme ekibi isteyebilir. Milli Akreditasyon Konseyi'de organizasyonu içinden görevlendireceği teknik personel ile bu ön denetlemeyi yapmak zorundadır. Ön denetleme sonucu verilen rapora göre laboratuvar eksiklerini tamamlar ve MAK'e tekrar müracaat eder. Müracaatını değerlendiren MAK ilgili labaratuvara akreditasyon denetlemesi için gün verir. Artık akreditasyon denetlemesi için geri sayım başlamıştır. / MAK'nin denetleme için gerevlendireceği ekip; yine MAK tarafından hazırlanmış "ULUSAL METOROLOJİ VE KALİBRASYON PROGRAMI" içinde yer alan "AKREDİTASYON DENETLEME DÖKÜMANI"'m kullanarak denetleme yapar. Denetleme Noktaları > Denetleme ekibi "Akreditasyon Denetleme Dokümanı" uyarınca yapacağı denetlemeye esas olacak belgeleri labaratuvar yönetiminden ister ve yönetim bu belgeleri sağlamak zorundadır. Bu belgeler: -Labaratuvarm yerleşim planı / -Labaratuvarm organizasyon şeması -Geçen bir yıllık, eğer lüzum görülürse iki yıllık çevresel şartlar izleme grafikleri -Labaratuvarm ölçüm cihazları standartları ve etalonlarının kalibre izlenebilirlik belgesi (sertifikası) -Kalite kontrol kayıtları -Personel kayıtları -Kalibre işleminde kullanılan dokümanlarıdır. Denetleme ekibi labaratuvarm denetlemesini aşağıdaki noktalarda yapar ve raporlarında belirtirler. j,' ' 140

37 a) Kalibre doğruluk denetimi b) Kalite güvence programı c) Tesis d) Çevresel Şartlar e) Personel durumu f) Diğer faktörler Şimdi bu noktalara tek tek bakalım: a) Kalibre Doğruluk Denetimi: Bu denetim bir labaratuvarm yaptığı ölçüm ve kalibrasyonun doğruluğunun, transfer zincirinin tam olarak sağlanıp sağlanmadığının tesbiti için yapılan bir uygulamadır. Bu denetlemede laboratuvarın cihaz kalibre hacmine bağlı olarak belirlenen miktar kadar cihazın yeniden denetçiler nezaretinde kalibre ettirilmesi işlemini kapsar. Denetçi kalibre eden personelin teknik doküman kullanılmasına, emniyet tedbirlerine uymasına, cihaz kullanımına ve kalibre disiplinine riayetini gözler ve not eder. Kalibresi tamamlanan cihazın performans kontrolleri denetçi tarafından yapılır veya teknisyene yaptırılır. Bunun sonucunda performans kontrolünden geçen cihaz için labaratuvar denetimin bu noktasında başarılıdır denir. Aksi durumda labaratuvar belirli bir oranda başarısız kabul edilir. Kalibre doğruluk denetiminde de denetime alınacak cihaz sayıları labaratuvarm kalibre envanterine göre belirlenir, burada bu sayı Milli Akreditasyon Konseyi ve UME ile birlikte belirlenebilir. Bugün dünyada çeşitli akreditasyon kuruluşları içinde yer alan Aerospace Guidence And Metrology Center (AGMC) ABD'nin bu konudaki uygulaması şöyledir. Envanter miktarı ve üzeri İşleme alınacak cihaz sayısı En fazla hata sayısı Bu denetlemeler sırasında; Labaratuvar envanterinin %1'i oranında (15 den az olamaz) kalibre edilmiş ölçü aleti hazır bulunmalıdır. Ayrıca labaratuvar yönetimi son bir ay içinde kalibre ettikleri cihazların listesini denetleme ekibine vermek zorundadır. b) Kalite Güvence Programı: Laboratuvarda yapılan kalibre işleminin kalite güvencesinin nasıl sağlandığına ilişkin bir program bulunmalıdır. Bu programın yeterli olup olmadığı denetçi ekip tarafından değerlendirmeye alınacaktır. Bugün çoğu kalite sistemlerinde kalibre kalite güvence programı aşağıdaki kontrol noktalarına sahiptir. 141