BÖLÜM 1 SEZİCİ ELEMANLAR VE DÖNÜŞTÜRÜCÜLER ( SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER)

Transkript

1 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR 1

2 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR BÖLÜM 1 SEZİCİ ELEMANLAR VE DÖNÜŞTÜRÜCÜLER ( SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER) Elektrik mühendisliği açısından bakıldığında büyüklükler, elektriksel büyüklükler (akım, gerilim, direnç ) ve elektriksel olmayan büyüklükler olarak iki grupta toplanabilir. Bu büyüklükler üzerinde bir işlem yapmak ya da bir kontrol değişkeni olarak kullanabilmek için ölçülmeleri şarttır. Elektriksel olmayan büyüklükler çoğu zaman elektriksel büyüklüklere dönüştürülerek ölçülür. Elektriksel olmayan büyüklükleri elektriksel biçime dönüştürmek için dönüştürücülere ihtiyaç vardır. Enerjiyi bir biçimden başka bir biçime dönüştüren elemanlara dönüştürücü denir. Başka bir deyişle dönüştürücü ( transdcuser ), bir çeşit sezici eleman yada cihazdır. Fiziksel veya kimyasal büyüklükleri elektrik, pünomatik, ya da hidrolik çıkışlara dönüştürür. Kullanım biçimine bağlı olarak, dönüştürücüler genel olarak elektriksel ve mekaniksel dönüştürücüler olarak iki gruba ayırabiliriz. Elektriksel etkiyle çalışan dönüştürücüler, girişlerine mekanik, kimyasal, ısı, elektro mekanik vb. formlarda giriş yapılabilen ve bu formdaki giriş değişkenlerine orantılı olarak elektriksel çıkış verirler. (Coşkun, ) Bu dersimizde sensör yerine duyarlık elemanları veya sezici elemanlar gibi deyimler kullanılacaktır. Kontrol edilecek ya da ölçülecek fiziksel büyüklükleri sezen ve elektriksel forma dönüştüren çok sayıda dönüştürücüler mevcuttur. Bunlardan bazıları ; 1) Pozisyon duyarlık elemanları 2) Foto elektrik elemanlar 3) Manyetik duyarlık elemanları 4) Endüktif duyarlık elemanları 5) Kapasitif duyarlık elemanları 6) Diğer duyarlık elemanları... 2

3 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR 1.1 POZİSYON DUYARLIK ELEMANLARI 1.1.1DİRENÇ TİPİ POTANSİYOMETRELER Lineer olarak çalışan ayarlı dirençler, en basit şekilde pozisyon duyarlık elemanı olarak dizayn edilebilir ve kullanılabilir. Ayarlı dirençlerin orta ucundan konuma veya pozisyona göre değişen bir gerilim alınarak, pozisyon ya da konum değişikliği saptanabilir. Şekil 1.1 deki potansiyometrik köprü ile, referans değer ve pozisyonu belirleyecek durum ilk başlangıçta belirlenir. Daha sonra pozisyondaki değişime göre referans ( Vref ) ile Vg arasında fark oluşur. Bu fark gerilimi, mekanik bir pozisyon değişiklini elektriksel bir forma dönüştürmüş olur. Şekil 1.1 Potansiyometrik köprü Bu tip potansiyometrelerin, kayıcı tip ve dönel tipleri mevcuttur. Şekil 1.2 de ve şekil 1.3 teki örnekleri inceleyiniz. Şekil 1.2 Kayıcı tip potansiyometre Kayıcı tip potansiyometreler, genelde doğrusal yer değiştirmeler için kullanılır. 3

4 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR Dönen mile ya da pozisyona bağlı kol Şekil 1.3 Dönel tip potansiyometre Dönel tip potansiyometreler, açısal hızlardaki değişimleri algılaması için kullanılır. Potansiyometrenin orta ucu milin dönüş hızına göre yer değiştirir. Burada dikkat edilmesi gereken özellik, yer değiştirme miktarında veya açısal hızda meydana gelen değişiklik oranında bir gerilim değişiminin oluşmasıdır. Yani lineerlik çok önemlidir. Dönel tip potansiyometrelerde ana problem, bunlar tam lik dönüş yapamamasıdır. Bunlar genel olarak lik dönüş yapabilir. Potansiyometrelerin lineerliğini, seçilen direnç malzemesinin özelliği ve potansiyometrelerin yapım biçimleri belirler. İyi bir lineerlik elde etmek için sargılı potansiyometrelerde sarım turları arasının eşit olması ve tur başına direnç değerleri aynı olmalıdır. Ayrıca potansiyometreye yük olarak bağlanan devre direncinin potansiyometre direncinden büyük olması gerekir. Çözümleyicilik : Bitişik iki tur arasındaki gerilimin giriş gerilimine oranı biçiminde tanımlanabilir. Çözümleyiciliğin iyi olması için tur sayısının yüksek olması gerekir. v v 1 Çözümleme = = =. 100 V nv. n olarak belirlenir. v = İki tur arasındaki gerilim V = Potansiyometre uçlarındaki gerilim N = Sargılı potansiyometrelerin tur sayısı 4

5 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR örnek Dönme açısı 330 O ve 220KΩ luk bir lineer potansiyometreye 12 volt uygulandığında a) Her bir radyan için potansiyometre sabitesini b) potansiyometrenin kayıcı ucu %50 0 lik döndürüldüğünde ve potansiyometre çıkışına 330KΩ luk bir yük bağlandığında çıkış gerilimini hesaplayınız? çözüm a-) Dönme açısı dir Hareket etme açısı radyan olarak 330 2Π ,14 = 360 = 5,756 Radyan, olur. Geri lim 12 Yay sabiti = = = 2, 084 V / Radyan bulunur. Hereketaçısı 5,756 b-) Potansiyometre %50 O lik döndürüldüğünde orta uçtan alınacak gerilim Vo = % 50 Vi = 0,5 12 = 6V Yük bağlı iken devrenin eşdeğer direnci değişir. Buna bağlı olarak çıkış gerilimi de değişir Re = = ,5 = 192,5K I = = = 0,0623Amp. Re 192,5 Vo = KΩ 0,0623 = 12 6,85 = 5, 15V 5

6 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR 12 V 110KΩ 110KΩ 6 V 110KΩ 110KΩ Şekil ENDÜKTİF POTANSİYOMETRELER : Endüktif potansiyometreler toroid-sargılı oto trafosu biçimde olup alternatif akım için tasarlanmıştır. Şekilde endüktif potansiyometre görülmektedir. Potansiyometrenin nüvesi, manyetik geçirgenliği yüksek olan metallerden yapılmış olup sargılar üzerinde hareket eden kontak kömürden yapılmıştır. Bu tip potansiyometrelerin dirençli potansiyometrelere nazaran daha uzun ömürlü oldukları bilinmektedir. Şekil 1.5 Endüktif potansiyometre ve elektriksel gösterimi 6

7 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR 1.2 FOTO-ELEKTRİKSEL DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Üzerine düşen ışık enerjisi ile iletkenliği değişen ya da ışık enerjisini, elektrik enerjisine dönüştüren elektronik devre elemanlarıdır. Işığın Temel Özellikleri: a) Güneşten dünyamıza yayılan Işık, elektromanyetik bir yayılımdır. Dalga boyları ile belirtilir. Kırmızı ile mor arasında kalan dalga boyları insan gözüyle görülebilir. Kızıl ötesi veya mor ötesi ışınlar çıplak gözle görünmez. b) Işığın hızı km/sn olarak bilinmektedir. Ancak Havasız, havalı, cam ve su gibi ortamlarda, değişik hızlarda ve dalga biçiminde yayılır. c) Işık dalgası, foton denen, minik enerji paketlerinden oluşur. Her rengin dalga boyları farklıdır. Örneğin mor ötesi ışığın dalga boyu 400 nanometrenin altındadır. Kızıl ötesi ışığınki ise 750 nanometrenin üzerinde yer alır. Dalga boyu λ ( lamda ) ile gösterilir. Birimi metredir. Bir saykılın mesafe olarak ifadesidir. Dalga boyu arrtıkça frekans düşer, azaldıkça frekans yükselir. Frekanla ters orantılıdır. Mor renk, kırmızı renge göre yüksek frekeanslı ışındır. Işık ile ilgili daha geniş bilgi için fizik kitaplarına başvurunuz. Foto elektrik-elektronik elemanlar işlevlerine göre iki ana gruba incelenebilir. 1- Işığa Duyarlı Elemanlar : Kendilerine yönlendirilen ışık hüzmesinin etkisiyle, yapılarındaki elektron hareketi sonucu direnç, voltaj gibi elektriksel değişimleri sağlayan devre elemanlarıdır. Bunların başlıcaları ; Fotosel(Foto-conduktive cell), foto pil ( solsarcell) l, Foto-diyot, Foto-transistör, foto-tristörler ışığa duyarlı elemanların en tipik örnekleridir. 7

8 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR 2- Işık Çıkaran Elemanlar : Renk maddesi katkılı, P-N yarı iletken bileşiminden oluşan bir çeşit diyottur. Belirli bir eşik voltajı vardır. Düz yöne eşik voltajının üzerinde bir DC voltaj kaynağınadan, elektrik enerjisi uygulanması sonucu, elektron akışı esnasında ışık enerjisi üreten devre elemanıdır.bu ışık enerjisi mercekler yardımıyla büyütülüp görünür hale getirilmektedir. En tipik örneği LED'lerdir FOTO VOLTAİK PİL (SOLARSEL ) Güneş pili olarak bilinmektedir. Üzerine düşen ışık enerjisini, elektrik enerjisine dönüştüren bir DC üreteçtir. Metal taban üzerine yerleştirilmiş P-N yarıiletken bileşimidir. Üstte metal yüzük yer alır. Hücre, bağlantı terminalleri dışanda kalacak şekilde, pencereli bir mahfaza içine yerleştirilir. Günümüzde üzerinde çok çalışmalar yapılmaktadır. Işıkla çalışan hesap makinalarında kullanılmaktadır. Henüz pahalı teknoloji olduğundan ev ve iş yerlerinde kullanılması yaygınlaşamamıştır. Yakın gelecekte binaların ışık gören kısımlarına güneş panelleri konularak güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretilerek kullanılması yaygınlaşacaktır. Çoğunlukla aşağıdaki sembollerle ifade edilir Şekil 1.6 Foto voltaik pil sembolleri Çalışması, bir ışık hüzmesi, saydam cam pencere yoluyla foto voltaik pilin, ışığa duyarlı P tabakasına geldiğinde, P-N birleşim bölgesinde, elektron hareketi başlar. Bu elektron hareketi sonucunda -şarjh elektronlar ve +şarjlı delikler oluşur. Elektronlar N tabakada, delikler ise P tabakada toplanır. Böylece, N tabakaya bağlı harici bağlantı terminali negatif, P tabakaya bağlı harici bağlantı terminal ide pozitif olmak üzere bir DC üreteç oluşur. Işık yoğunluğu arttıkça, yeni elektro-delik çiftleri oluşarak, üretecin potansiyeli artar. Elde edilebilecek en büyük voltaj, doğal olarak, yalnız ışık şiddetine değil, 8

9 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR aynı zamanda hücrenin boyutlarına da bağlıdır. başka bir deyişle, belli bir foto voltaik pil'den ışık şiddetini arttırarak, istenildiği büyüklükte voltaj elde edilemez. Foto piller, seri bağlanarak voltaj, paralel bağlanarak akım artırılabilir FOTOSEL (PHOTOCONDUCTİVE CELL) Üzerine düşen ışığın yoğunluğuna göre direnci değişen bir elemandır. Direnç, üzerine düşen ışıkla ters orantılı olarak değişir. LDR olarak da bilinmektedir. Çoğunlukla aşağıdaki sembollerle ifade edilir. Şekil 1.7 Foto direnç sembolleri ve görünüşü Yapısı: cam veya seramikten yapılmış, yalıtkan taban üzerine, ince bir tabaka halinde, bakır katkılı, kadmiyum sülfid, kadmiyum selenid veya kurşun sülfid gibi ışığa duyarlı maddelerden yapılmış bir tabaka yerleştirilir. En üstte ise, aralarında kıvnk bir açıklık kalacak şekilde iki metal plaka yerleştirilir. Elektrot olarak tanımlanan her bir plakaya, iki çubuk lehimlenerek Fotosel'in harici bağlantı uçlan oluşturulur. Işık, cam pencere yoluyla, kıvrık kanaldan geçerek, ışığa duyarlı tabakaya ulaşır. işlevi: Fotosel'in iki yöndeki direncide aynıdır. Bu bakımdan, hem alternatif akımda hem de doğru akım da kullanılabilir, direnci, tam karanlıkta MΩ! lar mertebesinde, tam aydınlıkta ise100 Ω mertebesine kadar düşmektedir. Işık kontrollü devrelerde kullanılır.( Işık dedektörü gibi ) 9

10 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR FOTODİYOT Üzerine düşen ışık yoğunluğuna bağlı olarak direnci değişen ve tek yönde akım İleten elemandır. Sembolü : Fotodiyot, çoğunlukla aşağıdaki sembollerle tanımlanır. Şekil: 1.8 Foto diyot sembolleri Yapısı: Esasta, metal taban üzerine yerleştirilmiş P-N yarıiletken eklemidir. Silikon dioksit çerçeve, eklemi oksitlenmeden korumak için konulmuştur. En üstte, metal bir çerçeve bulunmaktadır. Hücre, bağlantı terminalleri dışarıda kalacak şekilde, cam pencereli bir mahfaza içine yerleştirilmiştir Çalışması, Sabit voltajlı bir kaynağa ters polarmalı olarak bağlanır. Fotodiyot karanlık ortamda ise, üzerinden geçen akım teorik olarak sıfırdır. Üzerine ışık düşürülünce p-n birleşiminde direnç azalır ve akım akmaya başlar. Işık şiddeti arttıkça, yeni elektron ve delikler nedeniyle, P-N ekleminin direnci azalır ve akım artar. Işık azalınca, akımda azalır. Diğer bir ifadeyle, Fotodiyot ışık şiddetine bağlı, değişken bir direnç olarak da işlev görür. Fotodiyot, Fotosel'e göre, daha zayıf ışıkla ve daha hızlı olarak çalışır FOTOTRANSİSTÖR Foto transistörlerin beyz polarması ışık şiddetisağlanır. Işık yoğunluğuna bağlı olarak, iletkenliği değiştirilmektedir. Optik okuyucularda çoğunlukla foto transistörler tercih edilmektedir. Aşağıdaki sembolle tanımlanır. Terminalleri C (Kollektör) B (Base) ve E (Emiter) olarak belirlenir. Çoğunlukla yalnız C ve E uçlan kullanılır, B boştur. 10

11 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR Şekil: 1.9 Foto transisörler Foto transistörler N-P-N yarıiletken eklemidir. Işık huzmesi Beyzi teşkil eden N yaniletken tabakaya yönlendirilir. Hücre, terminalleri dışarıda kalacak şekilde cam pencereli veya mercekli bir mahfaza içine yerleştirilir. Karanlık bir ortamda, harici bir voltaj kaynağına bağlandığında transistör kesimdedir. Bir ışık huzmesi, Fototransistörün penceresi yoluyla, beyz'i teşkil eden N tabakasına ulaşmca, iletim başlar. Üzerine düşen ışık yoğunluğu arttıkça, iletkenliği artar (direnci azalır) ve daha çok akım iletir. Işık azalırsa, olay ters yönde gelişir. 11

12 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR BÖLÜM LED (Light Emiting Diode ), İletime geçtiğinde ışık çıkaran diyod'dur. Aşağıdaki sembolle gösterilir. Şekil : LED N Yarı iletken tabakasının yapısına göre şu renkler elde edilir. Ga As P (Gallium, Arsenide Phosphide): Kırmızı ışık. GA P (Gallium Phosphide): Yeşil ışık Çoğunlukla kırmızı, yeşil, san veya beyaz renkli, dış mahfazayı oluşturan merceği vardır. Katod ucu, Anod'dan 1 mm. kadar daha kısadır. LED doğru polarma ile çalışır. Tipik olarak, LED'e uygulanan voltajın 1.2 volt değerine ulaşmasından itibaren, akım hızla artar. Akım maksimum değerine ulaştığında, LED üzerindeki voltaj 1.6 volt'ta sabit kalır. Çoğunlukla 5 ila 5 Om A değerinde olması gereken akım, LED'e seri bağlanan bir dirençle sağlanır OPTO KUPLÖR Elektriksel işaretleri, diğer bir devreye optik olarak aktaran devre elemanlarıdır. Sinyal iletimi ışık yoluyla olduğundan iki devre birbirini elektriksel olarak yüklemezler. Devrenin bir tarafında meydana gelen arıza diğer tarafı etkilemez.içerisinde bir LED ile bir FOTO eleman vardır. Ayrıca FOTOKUPLÖR olarak da anılmaktadır. Çoğunlukla aşağıdaki sembolle tanımlanır. 12

13 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR a b c Şekil: 1.12 Çeşitli Opto kuplörler a) Foto diyot b) Fototransistör c) Fototristör Yapısı ve Tipleri: Optokuplör, daha önceki bölümlerde açıklanan, LED FOTODİYOT, LED ve FOTOTRANSİSTÖR veya LED- FOTOTRİSTÖR'den oluşur. İki eleman arasındaki ışık iletimi, mercekli bir kanal yoluyla yapılır. LED devresinden geçen akım, ışık enerjisine dönüşerek, fototransistöre aktanlır. Fototransistör ışığı algılayarak, LED devresinden geçen akımla aynı karakterli (DC veya değişken) bir akım oluşturup, amaçlanan kontrol veya kumandayı sağlar FOTOELEKTRİK SENSÖRLER Bu tip elemanlar yukarıdaki açıkladığımız optik elektrik yöntemlerinin biri ya da bir kaçı kullanılarak ışık sensörleri de denen fotoelektrik sensörler yapılmıştır. Her türlü malzeme, cisim ya da insan algılama için kullanılır. Şeffaf ya da reflektif malzeme algılama, renk algılama gibi en zor uygulamalar dahil tüm uygulamalarda kullanılır. Karşılıklı reflektörlü, polarize reflektörlü, cisimden yansımalı, arka planı bastırıcılı tipte olanları vardır. Algılama mesafesi 500 metreye kadar olabilmektedir 13

14 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR KARŞILIKLI FOTOSEL: Biri ışık verici diğeri ışık algılayıcı olmak üzere iki eyrı birimden oluşmaktadır. Verici birimden çıkan ışık, alıcı birim tarafından sürekli gözlenir.. Aralarına bir cisim girdiğinde ışık kesilir ve ışığa duyarlı olan diğer elemanda bir değişim olur. Bu değişimi çıkış olarak nitelendirilir. Başka bir elektronik devre bu değişimi kullanarak gerekli işlemi yapar. Bu çıkış bazen bir sayıcıyı tetikleyen pals şeklinde olabilir. Şekil : 1.13 Karşılıklı fotosel Şekil: 1.14 Çeşitli tip fotoseller İki ayrı üniteden oluşması nedeniyle bağlantı sorunu olabilir. Ancak algılama mesafesi daha fazladır. 14

15 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR REFLEKTÖRLÜ FOTOSEL Tek üniteden oluşur. Yani verici ışık kaynağı ile ışığa duyarlı eleman aynı birim üzerinde olup, karşıdan ışığı yansıtacak bir yansıtıcı (reflektör ) vardır. Tek tarafa elektriksel bağlantı yapıldığından montajı daha kolay ve ucuzdur. Ancak ışığı iyi yansıtan malzemelerden yansıyan ışık tarafından yanılmalar olabilir CİSİMDEN YANSIMALI FOTOSEL Bu tip fotosel de reflektör bulunmaz. Işık cisimden yansır. Cismin yüzey rengi önemlidir. Siyah renkli cisimleri algılamak çok güçtür FİBER OPTİKLİ FOTOSEL Alıcı ve verici yine aynı birim içindedir. Fiber optik kablo ile ışık taşınabilir olduğundan fotoselin algılama yaptığı yer ile bulunduğu yerler farklı olabilir. Montaj zorluğu olan yerler de tercih edilir RENK SEÇİCİ FOTOSEL Cisimden yansımalı fotosel gibi çalışır. Siyah ile beyaz arasında 15 değişik değeri algılama yeteneğine sahiptir. Ambalaj kağıdı üzerindeki renk işaretlerini algılamak gibi işlemlerde gereklidir. Her rengin sinyal karşılığı farklıdır, bu farktan dolayı renkler ayırt edilebilir. Renk algılayan fotoseller ayarlanırken, önce algılanması istenen rengin üzerine getirilerek çıkış seviyesi belirlenir. Şekil : 1.15 Renk seçicili fotosel 15

16 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR LÜMİNİSANS SEÇİCİ FOTOSELLER Bu tip fotoselin diğerlerinden farkı ultra violet ışık kaynağı kullanmasıdır. Bu ışın luninisans maddeli cisimden geri yansır. Luminisans seçici fotoselin alıcı ünitesi bu geri yansımayı alıp çıkış devresini tetikler. Luminisans seçici fotosel özellikle daha geniş algılama mesafesi sağlar. 1.3 MANYETİK SENSÖRLER Bir transformatör de spir başına meydana gelen emk sabittir. Ancak sargıları etkileyen manyetik alan şiddeti, değiştirilerek spir başına volt sabiti değiştirilebilir. Aşağıdaki şekli inceleyiniz. Primer sargıya A.C. giriş uygulandığında, aynı yönlü ve eşit sarımlı sekonder sargılarda eşit miktarda emk oluşur. Sekonder sargılar şekildeki gibi birbiriyle aynı polaritede olan uçlar şekildeki gibi seri bağlanacak olursa çıkıştan alınacak olan gerilim sıfır volt olur. Şekil : 1.16 Manyetik sensör Bobinin içindeki nüve hareketli olup pozisyonu ayarlanmak istenen ve sistemin hareketini nüveye aktaran bir mekanizmayla irtibatlandırılır. Hareketi sistemin istenen pozisyonuna göre set edilir. Eğer sistemin pozisyonunda bir değişme olursa ortadaki hareketli nüve aşağı-yukarı hareket edecektir. Bu hareketin sonucunda b sargısının etkilendiği manyetik akı da değişecektir. Örneğin hareket yukarı doğru ise, b sargısındaki gerilim azalacaktır. a sargısında meydana gelen emk aynı kaldığından çıkış sıfırdan farklı bir değer olacaktır. Çıkışta bir gerilimin olması pozisyonun bozulduğu anlamını taşımaktadır. Diğer bir deyişle hata sinyali üretilecektir. Bu hata sinyali, kontrol elemanı tarafından değerlendirilerek sürücü devrenin hatayı düzeltmesi için enerji akışını değiştirecektir. E- I trafosu olarak düzenlenen bir başka manyetik sensör şekil 1.17 de görülmektedir. Trafonun nüve sacı EI şeklinde olduğunda böyle adlandırılmaktadır. 16

17 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR Şekil :1.17 E-I tipi manyetik sensör Burada nüvenin E kısmı sabit olup I kısmı hareketlidir. Çalışma prensibi, I kısmı, yukarı hareket ederse, b sargısını etkileyen manyetik akı azalacak ve b sargısındaki gerilim azalacaktır. Aşağı yöne hareket ederse bu durumda a sargısının emk sı azalacaktır. nüvenin hareketi, pozisyonu kontrol edilecek mekanizmanın hareketi tarafından etkilenecektir. 1.4 ENDÜKTİF YAKLAŞIM SENSÖRLERİ Metal cisimlerin varlıklarını ya da geçişlerinin algılanması için kullanılır. Diğer bir ifade ile İletken malzemelerin temassız algılanması için kullanılır. yüksek anahtarlama frekansı gerektiren uygulamalarda kullanılır. Plastik ya da metal kılıf içine alınmış olup değişik çaplarda olanları vardır. Algılama mesafeleri, bağlantı tipi ve besleme voltajların göre değişik tipleri vardır. Endüktif sensörlerin içerisinde bobin, bobini besleyen bir osilatör bulunur. Osilatör bobin üzerinden sensörün ön yüzeyine yayılacak bir manyetik alan üretir. Eğer bu alana manyetik bir cisim girerse, Eddy akımları bu metal üzerinde dolaşır. Metal cisim sensöre yaklaştıkça bu akımın değeri artar ve osilatörü durdurur. Osilatörün durması sonucunda çıkış durum değiştirir. İçersinde ya transistö ya da tristör bulunur. Durum değişmesi ile iletimde olan eleman kesime gider. Mekanik anahtarlara göre ömrü daha uzundur. Anahtarlama frekansı yüksektir. Ortam koşullarından fazla etkilenmez. Algılanacak cisme dokunmaksızın algılama yapar. Plastik veya cam arkasından metalin algılanması gibi üstün özellikleri vardır. 17

18 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR Şekil : 1.18 Değişik tip endüktif yaklaşım sensörleri Sekil 1.19 Endüktif yaklaşım dedektörünün dalga şekli Şekildeki osilatörün ürettiği dalga şekline bakılacak olursa metal cisim sensörün etki alanına girince osilatörün ürettiği sinyalin genliği azalarak sıfır değerine inmiştir. 18

19 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR Endüktif sensör seçerken aşağıdaki özellikler dikkate alınmalıdır. 1) Sensörün tipi : silindirik, kompakt, U kesit, varikont veya yüzük tip gibi değişik tipleri mevcuttur. Kullanılacağı yer dikkate alınarak seçilmelidir. 2) Algılama mesafesi: Endüktif yaklaşım sensörünün algılama mesafesi içindeki bobinin boyutu ile orantılıdır. Ancak algılanması istene cismin büyüklüğü, metalin cinsi,ortam sıcaklığı gibi diğer faktörlere de bağlıdır. 3) Elektriksel çıkış: kontak durumları normalde açık ya da kapalı olması ve kontak akımı dikkate alınmalıdır. 4) Anahtarlama frekansı: Kontağın bir konum değiştirmesi 1 hz olarak düşünülürse saniye de kaç kez açılıp kapanağı göz önüne alınarak anahtarlama frekansı tesbit edilebilir. 5) Özel koşullar: Patlama tehlikesi olan yerler gibi. Kullanıldığı alanlar: robotik sistemler, konvayörler, malzeme syma, asansör seviye kontrol, kapı açma/kapama, metalik malzeme algılama, metalik malzeme sayma,hız algılama,... gibi alanlarda kullanılır. 1.5 KAPASİTİF DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Kondansatörler iki iletken levha arasında bir yalıtkan tabakadan oluşan elemanlardır. Buna göre; Kondansatörlerin kapasitesini veren formüle bakacak olursak; C 8,85. k. s = şeklindedir d C = Kapasite (farad) S = Levha yüzeyi (m) k = Dielektrik katsayısı = Dielektrik madde geçirgenliği = Boşluğun geçirgenliği d = Levhalar arası mesafe (m) 19

20 SERVO SENKRO MEKANİZMALAR Buradaki sabit sayıları atarsak kondansatör kapasitesi, plakalararası mesafenin değişimi veya plaka yüzeyinin değişimi ile değiştirilebileceği görülmektedir. Plaka yüzeyleri veya plakalar arası mesafe değiştirilerek değişken kapasiteli kondansatörler yapılmaktadır. Bu tip elemanlardaki kapasite değişimi, kontrol edilecek durumla ilişkilendirilecek olursa kapasitif sensörler elde edilir. Kapasitif dönüştürücülerde, kontrol edilmek istenen durum, pozisyon gibi büyüklüklr kondansatör üzerinde kapasite değişimi yapar. Bu kapasite değişimi belki levhalar arası mesafe değiştirilerek, ya da kondansatörün yüzey alanı değiştirilerek yapılır KAPASİTİF YAKLAŞIM DEDEKTÖRLERİ Anlatılan özelliklerde biriyle iletkenliğe bağlı olmadan tahta, cam,plastik ve deri gibi malzemelerin ya da akıcı ve taneli yapıdaki malzemelerin temassız algılanması için kullanılırlar. Plastik ya da metal kılıflar içerisinde bulunurlar. Farklı çaplarda silindirik veya kompakt olanları vardır. Şekil :1.20 Kapasitif yaklaşım dedektörleri Kapasitif dedektörler, tüm yalıtkan ve metal olmayan malzemeleri yakın mesafeden algılama avantajına sahiptir. Toz malzemeleri algılamak için de kullanılırlar. Temel kullanım alanları gıda işleme, kimya, plastik, inşaat malzemeleri v.b.dir 20

21 BÖLÜM DİĞER DÖNÜŞTÜRÜCÜLER ISI SENSÖRLERİ Isınma ile metallerin atomik yapılarındaki elektron hareketlerinde değişmeler olur. İki farklı metalin atomik yapıları farklı olacağından, bu metaller bir noktadan birleştirilirse bu iki metal parçası arasında mili volt mertebesinde bir gerilim oluşur. Ancak bir süre sonra arasındaki bu potansiyel farkı ortadan kalkar. Bu iki farklı metalin birleşme yüzeyi ısıtılacak olursa aradaki meydana gelen potansiyel farkı ısınma ile doğru olarak artacaktır.bu şekilde iki farklı metalin birleştirilerek ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme işlemi endüstri de 1700 C 0 dereceye kadar sıcaklıkların ölçülmesinde kullanılmaktadır. Bu iki eleman, termik çift ya da termokupl olarak adlandırılmaktadır. Aşağıda verilen tabloda bazı termik çiftler arasında meydana gelen gerilimleri göstermektedir. İnceleyiniz. Şekil : 1.22 Termik çift sembolü, prensip devresi, görünüşü Termik çiftlerin en büyük dezavantajları çıkış sinyalinin zayıf olması ve pahalı yükselteçlere gereksinim göstermesidir. Ayrıca ısıl çiftin soğuk uçları dış ortamdaki sıcaklık değişimlerinden yalıtılmış olması gerekir. Başka bir ısı sensörü ise, yine biliyoruz ki metallerin ısınması elektrik akımına karşı gösterdikleri direnci değiştirir. Yarı iletkenlerin ısınması sonucunda dirençlerinde çok büyük değişiklikler olmaktadır. Direnç değişimi 100 Ω ile 10 M Ω arasında değişebilen termik dirençler vardır. Bu termik dirençler termistör olarak anılmaktadır. Termistörlerin, PTC ve NTC olmak üzere iki tipi vardır. PTC lerde direnç değişimi, sıcaklıkla birlikte doğru olarak değişir. Sıcaklık arttıkça direnç değeri artar. 21

22 NTC lerde ise durum bunun tersidir. Sıcaklık arttıkça direnç değeri azalır. Şekildeki değişim eğrilerini inceleyiniz.bu tip elemanların boyutları oldukça küçüktür. Küçük sıcaklık değişimlerine duyarlıdır. Fiyatları ucuzdur. Ancak değişim her sıcaklıkta lineer olmamaktadır. Lineer değişim aralıklarına dikkat etmek gerekir. 400 C 0 ye kadar bu tip elemanların kullanılması uygun olmaktadır. Bu tip elemanlar elektrik motorlarının korunmasında kullanılmaktadır. Termistör stator sargısı içerisine yerleştirilerek, stator sargıları normal ısı değerinin üstünde ısınırsa termistör kumanda devresinin enerjisini keserek motorun yanması önlenmiş olur. NTC termistörler,manganea-oksit veya demir oksit gini maddelere bir miktar titanyum veya nikel-oksit karıştırılmak suretiyle elde edilir. PTC termistörler ise, Strontıum veya baryum gibi maddelere bir miktar titanyum oksit karıştırılarak elde edilir. R NTC PTC Doğrusal bölge T Sıcaklık Şekil :1.23 Termistör sembollri ve ısı -direnç karakteristikleri Bİ-METAL ÇİFT Sıcaklıkla, metallerin boyları değişir, boyunda uzama meydana gelir. Ancak bu değişim metalden metale değişmektedir. Sıcaklıkla uzama katsayıları birbirinden çok farklı iki metal çubuk birbirine sıkıca tespit edilirse bi-metal çift elde edilir. Sıcaklık arttığında uzama katsayısı düşük olan metal tarafına bükülme olur. Bu bükülme hareketinden yararlanılarak kontroller sağlanabilmektedir. Termik rölelerin çalışması, termostatların çalışması, termik sigortaların çalışmasında etken eleman bimetaldir. Isınma ile bükülen bi-metalin hareketi bir mekanik düzeneği tetikleyerek kullanılmaktadır. Ya da elde edilen hareket bir kontağın açılıp kapanmasını sağlayacak şekilde düzenlenerek bir devrenin çalışıp durmasını sağlamaktadır. Şekil :1.23 Bi-metal çift 22

23 Bi-Metallerin hassasiyetlerinin arttırılması için U tipinde ya da spiral şekilde üretilmektedir BASINÇ SENSÖRLERİ Basınç, birim yüzeye uygulanan kuvvettir. Üzerine uygulanan basınçla orantılı olarak elektriksel sinyaller üreten kristaller mevcuttur. Elektronikte çok kullanılan kuartz veya baryum titanit gibi piezo-elektrik kristaller kendilerine uygulanan kuvvet ile orantılı olarak bir gerilim yaratırlar. Akış hızı, hız, statik basınç ve sıvı seviyesi gibi ölçümlerde kullanılır. (Akoğlu, 1986) NEM SENSÖRLERİ Ortamdaki nem miktarına bağlı olarak, nemin artması ile gerilen veya şişen, azalması ile gevşeyen veya büzülen organik maddelerden nem sensörleri yapılmaktadır. İnsan saçı neme çok duyarlıdır. Nem miktarına göre gerilen veya esneyen insan saçının bu özelliğinden faydalanılarak nem sensörleri yapılabilmektedir. Ancak saç telinin iyi seçilmesi gereklidir. Naylon da aynı özelliğe sahiptir. Naylon sentetik bir madde olduğundan imalatı kontrol altında tutulabilir. Hassasiyetleri daha yüksek duruma getirilebilir Senkrolar Senkrolar aslında yapı itibari ile motora benzerler. Çalışması ise transformatör gibidir. Dönen transformatör olara da düşünülebilir. Bundan dolayı bazen bir motor gibi bazen de trafo gibi anlatılmaktadır. Prensip olarak bir elektrik motoru şeklinde tasarlanmış elemanlardır. Stator ve rotordan meydana gelmiştir. Stator sargısı, 120 derecelik faz farkı ile sarılmış üç sargıdan meydana gelmiştir. Rotor sargısı ise iki kutupludur. Statorun içinde hareket edecek şekilde yerleştirilmiştir. Şekilde elektrik devresi görülmektedir. İnceleyiniz. a Şekil :1.24 a) Senkroların stator ve gövde yapısı b b) Elektriki şeması 23

24 Senkronlar, daha çok hata belirlemede ve veri transferinde kullanılır. Yapım ve fonksiyonlarına göre üç ana gruba ayrılabilir. 1) Senkro vericiler 2) Senkro alıcılar 3) Senkro kontrol transformatörü Senkro verici; Bu ünitede rotorun açısal konumuna göre elektrik sinyali üretilir ve gönderilir. Senkro alıcı; Senkro vericiden aldığı sinyale göre kendi pozisyonunu, konumunu belirleyen cihazdır. Senkrolerin çalışma prensibi, verici senkronun pozisyonu, alıcı senkroya elektriksel olarak iletilir ve alıcı senkro da kendi pozisyonunu verici senkroya göre uyarlar. (coşkun,...) SENKRO KONTROL TRANSFORMATÖRLERİ Bu ünitede rotorun dönme açısıyla orantılı olarak stator sargılarında da bir elektriki sinyal üretilir. Şekli inceleyiniz. Şekil 1.25 Senkrolar ile pozisyon kontrol şeması Yapı bakımından verici senkro ile alıcı senkro arasında çok az farklılık vardır. Bu farklar şunlardır. Alıcıda rotor milini osilasyondan korumak için damper elemanı vardır. Genel olarak bu damper elemanı bir disktir. Vericinin rotorundaki sargılar tek grup iken alıcıdaki rotor sargısı dağıtılmıştır. Senkro veri transfer sisteminin bağlantısı şekilde görüldüğü gibidir. Her iki ünitenin rotor sargıları bir A.C. kaynak tarafından beslenir. Stator sargıları da kendi aralarında bağlanır. 24

25 Rotor sargılarına enerji uygulandığında, meydana gelen manyetik alandan dolayı stator sargılarında bir emk meydana gelir. Meydana gelen emk nın büyüklüğü stator sargılarına ve rotorun konumuna bağlanır. Her iki rotorda aynı konumda ise stator sargılarında eşit emk oluşur sargılar arasında herhangi bir akım olmaz. Verici rotorunu θ açısı kadar döndürdüğümüzü düşünelim. Bu durumda alıcı ve verici statorlarında indüklenen emk lar değişecektir ve stator sargılarında bir akım akmaya başlayacaktır. Bu stator akımı alıcı rotoruna bir döndürme kuvveti olarak yansıyacaktır. Meydana gelen döndürme torku, alıcı senkronun rotorunu verici senkronun rotorunun pozisyonunu alıncaya kadar döndürür. Sekil : 1.26 Senkro hata tespiti sistemi Şekilde görüldüğü gibi sistem verici ve kontrol transformatöründen meydana gelmiştir. Vericinin rotoru A.C. le beslenirse, kendi stator sargılarında farklı büyüklükte emk meydana gelir. Bu emk ların büyüklükleri direkt olarak rotorun açısal konumuna bağlıdır. Doğal olarak her üçü de aynı fazdadır. Bu durumda kontrol transformatörünün sargılarından bir akım geçer ve statorda bir manyetik alan meydana gelir. Meydana gelen bu alanın yönü vericideki alanın yönündedir. Sonuç olarak her iki rotorun pozisyonu aynı oluncaya kadar dönme meydana gelir. Böylece miller arasında mekaniki hiçbir bağlantı olmamasına rağmen indüklenen gerilimin etkisiyle aynı dönüş sağlanmış olur. Vericinin rotoru döndürülürse, aynı şekilde alıcının rotoru da döner. (Coşkun,...) 25

26 BÖLÜM 4 2 TAKOGENERATÖRLER Tako generatörler yapı ve çalışma bakımından iki tiptirler. 1) Analog takometreler 2) Dijital takometreler 2.1 ANALOG TAKOMETRE Bunlar aslında bir doğru akım ya da bir alternatif akım generatörüdür. En önemli özelliği Volt / Devir sayısı oranı sabit olmasıdır. Yani dönme sayısı ile ürettiği gerilim orantılı olarak değişir. Ölçme amaçlı olduğu için 5-10 watt civarındadır ALTERNATİF AKIM TAKO GENERATÖRÜNÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ Yapısı: Bir fazlı alternatif akım generatörünün minyatürüdür. Ancak burada endüktör sargısı yerine sabit mıknatıs vardır. Gövde üzerinde stator sargıları mevcuttur. Stator sargısı Tako generatör uçları N S mil Sabit mıknatıs v A.C. tako çıkışı Stator sargısı t Şekil 2.1 Alternatif akım tako generatörü ve sinyal çıkışı Devri ölçülecek makinenin miline içteki sabit mekanik olarak mıknatıs bağlıdır. Mil dönmez iken N-S kutuplarının meydana getirdiği manyetik alan sabit bir değerde ve yöndedir. Sabit bir manyetik alan içinde kalan stator sargılarında hiçbir gerilim meydana gelmez. 26

27 Manyetik alan içinde kalan bir iletkende gerilim oluşması için ya manyetik alanda bir değişme olmalıdır, ya da iletken hareket etmelidir. Manyetik alan içine dönen bir iletkende meydana gelen gerilim aşağıdaki formülle hesaplanır. 8 E = K. θ. n.10 volt Bu denklemde E = gerilim (volt ) K = generatörün stator sarımıyla ilgili katsayı θ = Bir kutup altıdaki toplam manyetik akı ( Weber ) n = İletkenin hızı ( devir / dakika ) Devir sayısı ölçülecek makinenin miline bağlı generatörün rotoru döndürülürse N-S kutupları da aynı hızda dönecektir. N-S kutuplarının meydana getirdiği manyetik akı stator sargıları üzerinde değişken bir alan oluşturacaktır. Değişken alan içinde kalan stator sargılarında bir gerilim meydana gelecektir. Meydana gelen gerilimin değeri devir ile doğru orantılıdır. Bu tip tako generatörler fırçasız tip oldukalrından bakıma ihtiyaç göstermezler. Endüstri de çok fazla kullanılmaktadır. Bir başka alternatif akım takometresi de şekil 2.2 deki gibidir. Şekil 2.2 Değişken relüktanslı tako generatör ve sinyal çıkışı ( İnternet üzerinden alınmıştır.) 27

28 Şekil 2.2 deki değişken relüktanslı takometre rotorunun üzerine dişler açılmıştır. 180 derece eksen üzerine iki adet sabit mıknatıs yerleştirilmiş ve üzerine stator sargıları sarılmıştır. Rotorun üzerindeki diş tam sabit mıknatısın hava aralığını kapatacak şekle geldiğinde mıknatıs üzerindeki manyetik alanın miktarı artacaktır. Sabit mıknatısın hava aralığına boşluk geldiğinde mıknatıs üzerindeki manyetik alan azalacaktır. Manyetik alanını şiddeti devresini tamamladığı yolun relüktansına bağlı olarak değişmektedir. Çalışması: Rotor hareketsiz iken mıknatıs üzerindeki sargılar, sabit bir alan içinde olduklarından üzerinde bir gerilim doğmaz. Ancak rotor döndürülünce rotor dişlileri sabit mıknatıs önünden geçerken manyetik alan devresini, bir dişli üzerinden bir boşluk üzerinden tamamlamak zorunda kalacaktır. Yani sabit mıknatısın önüne rotorun dişi geldiğinde manyetik geçirgenlik yüksek olacak, boşluk geldiğinde manyetik geçirgenlik düşük olacaktır. Böylece manyetik direnç değişken olduğundan bobinler değişken şiddette manyetik alan içinde kalmış olacaktır. Değişken manyetik alan içerisinde kalan bobinde bir gerilim doğar. Rotor sargılarında, rotorun hızına bağlı olarak sinüsoidal bir gerilim meydana gelecektir. Stator sargılarında meydana gelen sinüsoidal ın genliği potansiyometre ile ayarlanabilmektedir. Bu tür takometrelerde, rotor bir devir yaptığında, diş sayısı kadar saykıl meydana gelmektedir. Bir saniyede ölçülen saykıl sayısı, dişli sayısına bölünürse saniyedeki devir bulunur. Burada devir sayısını, devir / dakika cinsinden bulmak için 60 ile çarpmak gerekir. Frekans.60 n = =... devir / dakika olacaktır. Dişişlisayı Devir sayısının birimi, devir / dakikadır. Bu tip tako generatörler de elde edilen sinyalin frekansı, frekans/gerilim dönüştürücülerle doğru gerilime dönüştürülerek ölçme işlemi yapılır. Elde edilen gerilim ile devir arasında doğrusal bir orantı vardır. Frekans Gerilim Şekil 2.3 Frekans / gerilim dönüştürücü blok şeması 28

29 2.1.2 DOĞRU AKIM TAKO GENERATÖRLERİ Daimi mıknatıs N Endüvi Karbon fırça S Daimi mıknatıs Şekil 2.4 Doğru akım takometresi Yapısı: Endüvi ya da rotoru çepeçevre saran bir daimi mıknatıs kutupları ve ortada mile bağlı olarak dönen sargılı bir rotor vardır. Endüvinin dönüş hızına bağlı olarak, endüvi sargısında bir gerilim meydana gelir. Aslında, endüvi sargısında meydana gelen gerilim A.C dir. Ancak dış devreye enerjinin alınması fırça ve kollektör sistemi ile yapıldığından D.C akıma dönüştürülür. Çıkış devresinde elde edilen D.C gerilim, şekilde görüldüğü gibidir. Şekil 2.5 Tako generatörde meydana gelen gerilim Tako generatörün çıkışı görüldüğü gibi tam doğru akım değildir. Tam doğru akıma dönüştürmek gerekirse filtre elemanları kullanılır. D.C takometreler fırça ve kollektör sistemine sahip olduklarından bakıma ihtiyaç gösterirler. Enerji akışı Giriş Fark Vref Yükselteç sürücü Motor Yük Geri besleme Şekil: 2.6 Bir tako generatörün hız denetiminde kullanılması 29

30 2.1.3 DİJİTAL TAKOMETRELER Dönen mil üzerinde bir delikli disk bulunur. Delikli diskin bir tarafında ışık kaynağı, diğer tarafında da ışık sensörü bulunur. Delikli diskin her hareketinde delikten geçen ışık, ışık sensörünü uyarır. Işık sensörüne gelen kesik kesik ışık, elektriksel sinyale dönüştürülür. Elde edilen elektriksel sinyal bir frekans/ gerilim dönüştürücü ile doğru akıma çevrilerek ölçülür. Doğru akımın değeri ile devir sayısı arasında doğrusal bir ilişki olduğundan sonuçta devir ölçülmüş olur. Yüksek devirli makinelerde tako generatörler motora hiç yük etkisi yaratmaması istenir. Bu tür yerlerde sayısal takometreler kullanılır.takometrenin içinde bir ışık kaynağı ve ışık sensörü bulunur. Işık kaynağından çıkan ışık, mil üzerinde bir yansıtıcı ile ışık sensörü uyarılır. Işık sensörü kesik kesik gelen her bir ışık dalgasını bir tetikleme palsi şeklinde bir sayıcı devre girişine uygular. Sayıcının tasarımına göre çıkış bilgisi iki şekilde alınabilir. 1) Bir önceki örnekteki gibi frekans / gerilim dönüştürücü arabirim ile ölçme yapılabilir. 2) Elde edilen frekans, bir tur başına milin verdiği pals sayısına bölünür. Yine elde edilen sayı 60 ile çarpılarak dakikadaki devir sayısı bulunur. 2.2 ŞAFT POZİSYONU VE SAYISAL KODLAYICILAR Hareket eden bir milin duruş pozisyonunu belirlemede kullanılan dönüştürücülere şaft pozisyon dönüştürücüleri denir. Bu tip dönüştürücüler yapısı ve çalışması ile üç grupta toplanabilir. 1) Fırça şaft kodlayıcı 2) Manyetik şaft kodlayıcı 3) Optik şaft kodlayıcılar 30

31 2.2.1 FIRÇA ŞAFT KODLAYICILAR: Şekil:2.7 Yapısı : Mil üzerinde dönen mile tutturulmuş bir disk bulunur. Disk üzeri, iletken ve yalıtkan kısımlara ayrılıyor. İletken kısımlara basacak şekilde uygun aralıklarda fırçalar yerleştirilmiştir. İletken kısımlar üzerine gerilim uygulanıyor. Fırçalar üzerinde iletken kısımlara geldiğinde 5 V, yalıtkan kısımlara geldiğinde 0 V oluyor. Fırçalara bağlı çıkışlarda kare dalga sinyaller üretiliyor. Elde edilen sinyallerle göre şaft pozisyonu belirlenir. Bu tip kodlayıcılar uygulamada fazla kullanılmamaktadır. Çünkü fırçalar dönen disk üzerine bastığında çabuk aşınmaktadır. Ömürleri oldukça kısadır MANYETİK ŞALT KODLAYICILARI. Bu tip kodlayıcılarda ise dönen disk üzerine magnetik ve magnetik olmayan parçalar yerleştirilir. Disk üzerine basan, magnetik alanlardan etkilenen bir başka sensörle şaft pozisyonu belirlenir OPTİK ŞAFT KODLAYICILAR Bu tip şaft kodlayıcıları üç kısımdan oluşmaktadır. 1) Disk, diskin üzeri ışığı geçiren ve geçirmeyen kısımlara ayrılmıştır. 2) Işık kaynağı 3) Işığı algılayan ışık sensörü. Sayısallaştırılmış disk, bir yanında ışık kaynağı, diğer tarafına da ışık sensörü yerleştirilmiştir. Işık sensörü diskin şeffaf yerine geldiğinde üzerinde 1 değeri, opak kısmına geldiğinde ise 0 değeri oluşur. 31

32 Örnekte, disk ışığı geçiren ve geçirmeyen parçalara ayrılmıştır. Diske bakan ve yan yana duran 4 ışık sensörü bulunmaktadır. Sensörler diskin 0 bölümünde iken, tüm sensörler ışık geçirmeyen(opak ) kısma geldiğinde hepsinin üzerinde 0 olacaktır ve sensör çıkışları sayısal olarak 0000 olacaktır. Şaft hareket edip 1 bölümü optik sensörlerin önüne geldiğinde sensörlerde 0001 bilgisi olacaktır. 2 bölümünde ise optik sensörlerde 0010 bilgisi oluşacaktır. Disk üzerindeki düzenlemeden de anlaşıldığı gibi diskin duruş pozisyonuna göre sensör çıkışlarından 0 15 arasında değişen sayısal değerler alınarak şaftın duruş pozisyonu belirlenir. Şekil 2.8 S0 S1 Işık kaynağı Disk S2 Optik okuyucular Şaft S3 Şekil :2.9 optik okuyuculardan alınan sinyallerin ikili kod karşılığı Uygulamalarda binary kodlanmış diskler yanlışlıklara neden olabilmektedir. Ara geçiş noktalarında şaft pozisyonu tam olarak algılanamamaktadır. Örneğin sensörlerin karşısında 7-8 arası bölüm kaldığını düşünelim. Bu durumda sensörlerden 1111 bilgisi okunur, ki bu gerçek değerden çok farklı bir değerdir. İşte 32

33 bu tip hataları ortadan kaldırmak için disk ikili kodlanmak yerine gray kodu ile kodlanmaktadır. Gray kodunda her bölümün bir önceki bölümün kodundan 1 bit değişiktir. Tam ara durumda kalan sensörler ya bir önceki durumu yada bir sonraki konumu belirler böylece oluşacak hata oldukça küçük olacaktır. Gray kodunu, ikili koda dönüştüren bir devre ile lojik devre ile şaft pozisyonu daha doğru bir şekilde algılanabilmektedir. Böylece şaftın pozisyonu algılanacaktır. Disk üzerideki bölümleri arttırarak daha hassas pozisyon algılaması yapılabilecektir Şaftın dönüş yönü saymanın yukarı veya aşağı durumuna göre belirlenebilir. Şekil 2.10 Çıkıştan elde edilen kare dalga, doğrultularak dış devreye alınır. Dış devrede dijital / analog dönüştürücüler sayesinde de dijital tako generatör elde edilebilir. 33

34 BÖLÜM 5 3 OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ 3.1.Giriş Bilim ve teknoloji ilerledikçe insan kas gücünün üretimdeki payı azaltmaktadır. Üretimi, makine ile veya insan gücüyle diye ayırsak, sürekli makine tarafı artma eğilimindedir. Makinelerin kullanımı da yine insan denetimi yerine başka makineler veya teçhizatlar yardımıyla yapılmaya çalışılmaktadır. Bilgisayarlı takım tezgahlarında ( CNC ) nerdeyse çalışan sistem üzerinde insan denetimi yok denecek düzeydedir. Üretilmek istenen ürünün şekli bilgisayar ile çizilerek, elde edilen şekil bilgisayar programına dönüştürülerek üretim yapılmaktadır. Otomatik kontrol sistemleri, çalışan sistemlerin insan gücüne gerek kalmadan denetlenmesini, kontrol edilmesini konu olarak alır. Dünyada emek yoğun üretim pahalı bir üretim yöntemi haline gelmiştir. Otomasyon sistemi ile üretim, daha ekonomik olmaktadır. Üretimin her aşamasına hızlı bir şekilde girmeye devam ediyor. Böylece daha ucuz ve standardı önceden belirtilen ölçülerde üretim yapılabiliyor. İyi yetişmiş bir kalifiye elemanın manuel tezgahlarda 4 saatte ürettiği bir ürün, otomatik sistemlerde 7 dakika gibi kısa sürede üretiliyor. Arada 34 kat gibi bir fark var. Bu fark maliyet açısından kapatılamaz büyüklüktedir. Sağlık ve çevre koşulları dikkate alındığında bazı iş alanlarında insan çalıştırmak mümkün değildir. (Çok sıcak yerler, zehirli yerler, tehlikeli yerler gibi ) Otomatik kontrol sistemlerinin tarihi gelişmesine baktığımızda ilk olarak buhar makinelerini görürüz. Burada buhar makinesinin hızı otomatik olarak denetlenmektedir. Buhar makinesinin hızı arttıkça makinenin miline bağlı uçar toplar merkez kaç kuvvetinden dolayı yukarı çıkar. Uçar topların hareketi mil üzerine yerleştirilmiş kaygan mekanizmayı harekete geçirerek yukarı kaymasını sağlar. Bunun yukarı kayması buhar kanalını kontrol ederek buhar makinesine giden buhar miktarını azaltarak hız artışını engeller. Aynı şekilde buhar makinesinin devri azalınca uçar toplar aşağıya doğru inmek ister. Buna bağlı mekanizma aşağı kayar, bu da buhar valfini kontrol ederek buhar girişini arttırır. Böylece buhar makinesinin hızı insan denetimine gerek kalmadan yapılmıştır. 34

35 Şekil 3.1 Bir türbinin hız regülatörü İkinci dünya savaşı esnasında insanlar için tehlikeli olan görevler, otomatik sistemlerle yapılmak istenmiştir. Pilotsuz keşif uçakları üzerindeki çalışmalar otomatik kontrol sistemlerinin alanına girdiğinden bu dönemde çok büyük gelişmeler sağlanmıştır. Savaş sonrası, bu teknoloji üretime kaymış, iş gücü sıkıntısı çekilen alanlar ve emeğin pahalı olduğu alanlarda otomatik sistemler geliştirilmeye çalışılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda olumlu gelişmeler sağlanmıştır. Otomasyon sistemleri düşüncesi devamlı olarak üretimin her alanına artarak girmeye devam etmiştir. Üretim miktarında önemli artışlar sağlanmıştır. Bu gün gelişmiş ülkelere baktığımızda gelişmişliğinin temelinde, üretimi arttıran otomasyon sistemleri olduğu kolaylıkla anlaşılabilir. Dünya pazarında rekabet için, kalite ve fiyatın en önemli etken olduğu açıktır. Servo-senkro sistemler olarak bilinen ya da servo mekanizmalar olarak da adlandırılan kontrol sistemi, mekanik bir hareketin pozisyonunu, konumunu ayarlama, kontrol etme işlemi olarak bilinir. Servo- senkro sistemlerin teorisi de yine otomatik kontrol sistemleri içerisinde yer alır. Servo sistemlerin anlaşılması için otomatik kontrol sistemlerinin temel prensipleri bilinmelidir. Otomatik kontrol sistemleri içerisinde regülatörler, pozisyon kontrolleri, devir kontrolü,basınç,---gibi diğer fiziksel büyüklükler de vardır. Ancak, otomatik kontrol sistemleri içerisinde yer alan lineer diferansiyel denklemler ile açıklanan servo sistemler ile regülatörler arasında oldukça benzerlikler vardır. 35

36 3.2 GENEL TANIMLAR Bu derste kullanılacak terimlerin iyi bilinmesi, konuların daha anlaşılır olması için gereklidir. Sistem : Belirli bir iş veya işlem için bir araya getirilmiş, birbirleri ile doğrudan ya da dolaylı etkileşimli elemanlar topluluğudur. Bilgisayar denilince aklımıza klavye, fare, ekran, sistem ünitesi, yazıcı gibi fiziksel parçalar gelmektedir. İşte bu elemanların topluluğu sistemi oluşturmaktadır. Otomatik kontrol, bir sistematik kavramdır. İçerisinde birden fazla bileşeni vardır. Kontrol sistemi : Herhangi bir iş yapan birimin denetlenmesi amacıyla geliştirilen devrelerdir. Giriş: Sistem içerisine akan, sistem tarafından işlenen işaretler, büyüklükler. Çıkış: Sistem dışına çıkan,işlem görmüş işaretler, büyüklükler. Örneğin, bir hidroelektrik santralında sisteme giriş olan büyüklükler su ise çıkış elektrik enerjisidir. Veya bir elektrik motorunun girişine uygulanan elektrik enerjisi sistemin girişi ise motor milinden elde edilen mekanik enerji sistemin çıkışıdır. Bazen sistemlerin bir girişi yerine bir çok girişi olabilir. Bu tür sistemlere çok girişli sistemler denir. Yine aynı şekilde, sistemlerde birden fazla çıkış olursa o tür sistemlere çok çıkışlı sistemler denir.otomatik kontrolün amacı, bir sistemde üretilen değişkenler üzerinde ayar yapmak, sistemin istenilen şekilde çalışmasını sağlamaktır. Bir elektrik motorunu ele alalım. Motor sargıların gerekli olan elektrik enerjisini uyguladığınızda motor da bir mekanik dönme hareketi oluşur. Bu dönme hareketinin birimi devir/dakika dır. Motor boşta çalışırken,milin dönüşünü zorlaştıran hiçbir etki yoktur. Motor belirli bir devirle döner. Motora yük bağlanırsa, milin dönmesi zorlaşacaktır. Bu durumda motorun dönme hızında bir yavaşlama olur. Örneğin 1000 devir/ dakika ile dönen motorun devri yük miktarına göre 800 devir / dakikaya kadar düşer. Devirdeki bu değişme bazı iş kollarında sakıncalar yaratabilir. Makine boşta da çalışşa, yarı yükte veya tam yükünde de çalışşa hızında değişiklik istenmiyorsa bu motorun devrini sabit tutacak bir kontrol sistemine ihtiyaç var demektir. Bu örneğimize göre kontrol edilmek istenen büyüklük motorun dakikadaki dönüş sayısıdır. Böyle bir kontrol sistemini geliştirmek için, kontrol edeceğimiz makinenin teknik özelliklerini bilmemiz gerekir. Örneğin makinenin azalan veya artan devir sayısı hangi giriş parametrelerine bağımlıdır. Ya da hangi değerlere etki edilmelidir ki motorun yüklendikçe,düşme eğilimine giren devir sabit kalsın. 36

37 Başka bir örnek ise elektrik şebekemizde kullandığımız gerilimin değeri 220 Volt tur. Alıcılarımızın normal çalışabilmesi için gerilimin sabit 220 voltta olması şarttır. Biliyoruz ki bütün üreteçlerin ortak özelliği, üzerinden çekilen elektrik enerjisi arttıkça çıkış gerilimleri azalır. Yük kalktıkça çıkış gerilimleri de artar. Elektrik şebekesinde çok büyük ve karmaşık enerji hareketleri olmaktadır. Her saniye içerisinde, elektrik kullanan aboneler alıcılarını rastgele bir şekilde çalıştırıp durdururlar. Bunun sonucunda 220 volt olarak istenen voltaj seviyesi, yük arttıkça azalır. Yük azaldıkça gerilim artar. Elektrik aboneleri arasında bir koordinasyon sağlanamayacağı açıktır. Her isteyen evindeki veya iş yerindeki elektriği istediği an kullanabilir. Bu durum, trafiğe bir sürü araç çıkmış ancak hiçbir kural olmadan herkes aracını istediği gibi kullanmak istediği ortama benzetebiliriz. Çok büyük kaoslar olacağı hiç şüphesizdir. Aynı kaos elektrik enerjisinin başına gelmektedir. Eğer gerilim regülatörleri kullanılmamış olsa idi, 220 volt istenen gerilim belki de 100 volt ile 500 volt arasında salınım yapacaktı. 100 volt ile 500 volt arasında sürekli değişen enerjiyi kullanmamız mümkün değildir. Kullandığımız bütün cihazlar hemen bozulur. Bu örneğe göre kullandığımız elektrik enerjisinin istenen değeri, 220 volt ta sabit olmasıdır. O halde kontrol etmek istediğimiz değişken gerilimdir. Burada bir kontrol sistemi geliştirmek için, elektrik enerjisi üreten üreteçlerin ve aradaki aktarma elemanlarının karakteristik özellikleri bilinmelidir. Hangi parametreleri kullanarak gerilim değişimini önleyebiliriz. Bu parametreler nasıl kontrol altına alınır. İşte otomatik kontrolün çalışma alanı budur. Otomatik kontrol sistemi bir devrede bir veya bir çok fiziksel büyüklüğün değişimini kontrol etmek amacıyla geliştirildiğine göre, iyi bir kontrol sisteminden beklenen çalışma aşağıdaki özellikleri yerine getirmelidir. 1) Sistem de meydana gelen herhangi bir bozucu etkiden sonra bile değişkenin değeri set değerinden minimum şekilde sapma olmalıdır. Çalışan sistemler, sürekli bozucu etkiler altındadır. Örnek elektrik motorunun aniden yüklenmesi veya aniden üzerindeki yükün kalkması gibi. Yine elektrik motorunun sargılarına uygulanan gerilimin ani değer değiştirmesi bozucu etki olarak ifade edilir. 2) Bozulma sonunda, normal çalışmaya en kısa zamanda dönebilmelidir. Örneğin elektrik motoru ani bir bozucu etki ile karşılaşmışsa, buradaki devir regülatörü, bu değişimi hemen hissetmelidir ve hemen düzeltici önlemi almalıdır. Burada istenen, bozulma ile normale dönme arasındaki zaman çok kısa olmalıdır. 3) Çalışma şartlarında meydana gelen değişmelerden ötürü olacak sapma set değerinden minimum seviyede olmalıdır. Yine örneğimizi elektrik motoru ile sürdürecek olursak, motorun yükündeki değişme veya giriş gerilimindeki değişimler bir devir değişikliği yaratacaktır. Ancak bu durum da istenen, her ne kadar değişim olsa da istenen değerden çok uzak olmamalıdır. Yani set değerine yakın olmalıdır. 37

38 3.3 KONTROL SİSTEMİNİN TÜRLERİ : Sistemlerin çalışmasına göre iki tip kontrol sistemi vardır. 1) Açık çevirim kontrol sistemi 2) Kapalı çevirim kontrol sistemi AÇIK ÇEVİRİM KONTROL SİSTEMİ : Giriş Sistem Çıkış Şekil: 3.2 Açık çevrim kontrol sistemi Açık çevrim kontrol sisteminde giriş bağımsız bir değişkendir. Çıkışın, giriş üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Çıkış, girişin bir fonksiyonudur. Örneğin bir elektrik motoruna elektrik enerjisini bir şalter üzerinden uygulandığını düşünelim. Motorun dönme hızı ile şalterin çalışması arasında hiçbir denetim yoktur. Bu durum da şalter motoru durdurup çalıştırma görevi yapar. Elektrik motorunu yüklendiğinde devri düşer, şalter burada devrin düşmesini önleyici bir tedbir almaz. Böyle bir görevi yoktur. Ancak piyasada kullanılan değişik tiplerde şalterler vardır. Bunlar motorun aşırı yüklenmesinden dolayı koruyucu özelliği olan şalterler vardır. Bu tip şalterler, aşırı akım röleleri ile birleştirilmiş şalterlerdir. Tabi ki istenirse giriş gerilimine göre de motoru durdurup çalıştıran şalterler yapılabilir. Başka bir örnek ise, bir trafik kavşağında trafiğin denetlenmesi açık kontrol sistemine göre yapıldığında, kavşaktaki trafik sinyali hep aynı periyodlarda çalışacaktır. Kırmızı 40 saniye yanıyor, yeşilde 40 saniye yanıyorsa, günün her saatinde aynı çevrim sürüp gidecektir. Kavşaktaki trafik yoğunluğu ile ilgili hiçbir denetim yoktur. Kuruluşu ucuz bir kontrol yöntemidir fazla bilgi gerektirmez. Ancak işletilmesi her zaman ucuz değildir. Örneğin trafik sinyalizasyonu örneğini ele alalım. Açık çevrim kontrol sistemi ile iyi bir trafik sinyalizasyonu yapmanın imkanı yoktur. Kötü bir sinyalizasyon ise, yolların verimli kullanılmamasına, yakıt masrafının fazla olmasına, gürültü kirliliğinin artmasına, zaman kaybına, strese ve trafik kazalarına neden olduğu düşünülürse ilk kuruluş masrafının ucuz olmasının hiçbir anlamı kalmaz. 38