Gemi Mühendisliğinde. Uygulamalı Deneysel Teknikler CEREN BİLGİN

Transkript

1 Gemi Mühendisliğinde Uygulamalı Deneysel Teknikler CEREN BİLGİN

2 1.1 Amaç: Günümüz şartlarında seri üretim nedeniyle labaratuar cihazlarının maliyeti oldukça yüksektir. Bizim bu çalışmadaki amacımız kendi imkanlarımız dahilinde deniz suyundaki bulanıklığın hem labaratuar ortamında hem deniz dibinde saptanmasını sağlayacak bir cihaz dizay etmektir. Bu şekilde bu cihazın suyun kirliliğinin gerek labaratuar ortamında gerekse yerinde incelenebilmesi bizim için düşük maliyetle mümkün olurken aynı zamanda dalgıçlar tarafından dalmadan önce deniz dibi hakkında fikir edinebilmek amacıyla kullanılabilecektir. 1.2 Genel Tanım: Turbidite olarak adlandırılan bulanıklık, ışık geçirgenliğini etkileyen, ışığın absorbe edilmesini ve kırılmasını sağlayarak düz hatlar halinde sudan geçmesini engelleyen suyun optik özelliğine verilen addır. Turbitide suda askıda kalmış maddelerden, çözünmüş organik bileşiklerden, plankton ve diğer mikroorganik canlılardan vs. kaynaklanır. Kaynağından çıkan ışık ışınları, su içinde asılı bulunan partiküllere çarptıkça yansıyarak yön değiştirirler.bu sebeple ışık ışınları kaynağından ne kadar az dağılarak ilerlerse sudaki türbidite o kadar az demektir. 1.3 Cihazın Çalışma Prensibi: Cihazın ana elemanları fotoresistans ve ampuldur. Fotoresistans, direnci üzerine düşen ışığa bağlı olarak değişen bir elektrik devresi elemanıdır. Hiç ışık yokken sonsuz dirence sahipken, yeterince yüksek ışıkta direnci sıfıra düşer. Buradan yola çıkılarak bulanıklığı ölçülmek istenen sıvıyı bir fotoresistans ve bir ışık kaynağı arasına yerleştirdikten sonra sıvı içerisinden ışığı geçirip fotoresistans üzerine düşürerek, fotoresistansta oluşacak direnç değerinin okunması sayesinde bulanık tespit edilebilir. Bununla beraber elde edilecek sonuçlar ohm cinsinden direnç değerini gösterir. Bu nedenle daha önceden türbidite değeri bilinen sıvılar kullanılarak, bizim cihazımızdan elde edilen değerlerle karşılaştırılıp bir kalibrasyon tabloblosu ve grafiği elde edilir. Daha sonra bizim Ohm cinsinden elde ettiğimiz değerlerin kaç türbidite değerine denk geldiği tespit edilebilir. Sonraki ölçümlerde de bu tablodan faydalanılarak, deney cihazımızdaki okunan direnç değerinin karşılığı olan türbidite değeri tespit edilebilir. 2.1 Deney Cihazının Yapımı: Kullanılan araçlar: - Bir adet 33 cm uzunluğunda, 10cm iç çapında PVC boru ve kapağı - İki adet 2.5 cm uzunluğunda, 8 mm dış çapında, 5mm iç çapında iki adet alüminyum boru - Bir adet 2.2 voltluk ampul - Bir adet fotoresistans - Bir adet ikili kalem pil yatağı - İki adet kalem pil - İki adet 1cm genişliğinde, 2 cm uzunluğunda cam parçası - İki adet 50 cm uzunluğunda gümüş elektrik teli - Bir adet klemens - Bir adet on/off elektrik düğmesi

3 - Lehim cihazı ve lehim teli - Japon yapıştırcısı, sıcak silikon, polimarin tutkal - Matkap ve 8 mm lik matkap ucu - Spektrofotometre Cihazın Yapım Aşaması: Işık kaynağı olarak kullanılacak ampul ve fotoresistans, su haznesi olarak görev yapacak olan PVC borunun iç kısmına karşılıklı olarak yerleştirilmiştir. Bu şekilde borunun içine bulanıklığı ölçülmek istenen örnek doldurulduğunda, fotodirenç üzerine düşen ışık miktarının tespitiyle sıvının bulanıklığı ölçülebilecektir. Ampulün güç kaynağı olarak iki adet kalem pil kullanılmaktadır. Alüminyum borular fotoresistansve ampul için yuva vazifesi görmektedir. Cam parçaları ise bu yuvaların cihazın iç kısmına gelen tarafını su girişinden korumak amacı ile kullanılmıştır. Önce matkapla PVC borunun tabanından 15 cm yükseklikte, çap üzerinde birbirine 180 o açı yapacak şekilde karşılıklı gören iki noktada 8 mm çapında delik açılmıştır. Önceden 2.5cm uzunluğunda kesilmiş olan 8mm çapındaki alüminyum boruların her iki ucuda eğelenerek ağız kısımlarının düz ve pürüzsüz olması sağlanmıştır. Bu işlemin amacı alüminyum boruların su ile temas edecek olan uçlarına yapıştırılacak cam parçalarını borunun boyuna orta eksenine dik ve tam oturtarak sızdırmazlığın sağlanmasıdır. Cam parçaları yapıştırılırken ilk önce japon yapıştırıcısı kullanılmış daha sonra ise sızdırmazlığı sağlamak amacı ile sıcak silikon ile boruların etrafı kapatılmıştır. Boruların kapatılan kısmı PVC borunun iç kısmında kalacak şekilde açılan deliklere yerleştirilmiştir. Karşılıklı gelecek şekilde pozisyon ayarları yapıldıktan sonra boruların sızdırmazlığını sağlamak için PVC üzerinde etrafları ilk önce sıcak silikon ile kapatılmış daha sonra Polimarin tutkalla sabitlenmişlerdir. Daha sonra boruların birinin dışarda kalan ucuna ampul diğerinin ucuna ise fotoresistans yerleştirilmiş japon yapıştırıcısı ile yapıştırılmış ve polimarin tutkalla rijitlikleri sağlanmıştır. Pil yuvası ampulün üst kısmına gelecek şekilde önce sıcak silikonla PVC boruya yapıştırılmıştır daha sonra sağlamlaştırmak için polimarin tutkal kullanılmıştır. Polimarin tutkalın kuruması için birkaç saat geçmesi gerektiğinden polimarin tutkal gerektiren tüm yapıştırma işlemleri önce geçici olarak bir başka yapıştırıcı ile yapılmış daha sonra polimarin tutkalla sağlamlaştırılmışlardır. Gümüş telerden biri fotoresistans ve multimetre arasındaki bağlantıyı sağlamak için kullanılmıştır. Bir ucu fotoresistansın tellerine lehimlenirken diğer ucuna klemens yerleştirilerek multimtre bağlantısı kolaylaştırılmıştır. Diğer telin bir kısmı ile ampul ve pil yuvası arasındaki bağlantı sağlanmış, diğer kısmı ise yine ampul ve on/of düğme arasındaki bağlantıyı sağlamak amacı ile kullanılmıştır. Telin bağlantı yerleri lehim ile sabitlendirilmiştir. Tellerin hareketinin kısıtlanması amacıyla teller çeşitli yerlerinden PVC boru üzerine sıcak silikonla yapıştırılmıştır. Borunun alt kısmı kapak ile kapatılarak cihazın yapım aşaması tamamlanmıştır.

4 Resim 1

5 3.1 Deneyin Yapılışı: İlkönce destile suyun türbiditesi spektrofotometre cihazında saptandıktan sonra bizim cihazımızın su haznesi de destile su ile doldurulmuştur.. Ardından on/off düğme yardımı ile ışık kaynağı açılarak ışığın su içinden geçip fotoresistans üzerine düşmesi sağlanmıştır. Fotoresistansta oluşan direnç değeri mültimetre yardımı ile belirlenmiştir.. Daha sonra önceden hazırlanmış renkli sıvıdan 150ml alınarak ayrı bir yerde destile suya eklenmiştir. Bu şekile konsantrasyonu değişen sıvının bulanıklık ölçümü spektrofotometre cihazında yapıldıktan sonra tekrar bizim cihazımıza doldurularak ışık kaynağından çıkan ışığın bu sıvıdan geçip fotodirenç üzerine düşmesi sağlanmıştır.. Fotodirenç üzerine düşen ışık miktarına bağlı olarak oluşan direnç değeri multimetre yardımı ile ölçülerek kaydedilmiştir.. Aynı işlem 150ml lik renkli sıvı artışları ile tekrarlanarak farklı kaonsantrasyonlardaki ışık geçirgenliği ve buna bağlı olarak bulanıklık tespit edilmiştir Deney sırasında ortaya çıkan aksaklıklar: Ortaya çıkan aksaklıklar nedeni ile deney birkaç kez tekrarlanmıştır. Birinci denemede su haznesi su ile doldurulduktan sonra ampulun yavası olarak vazife gören alüminyum boronun önünde kapak olarak kullanılan camın bağlantı yerleri gevşemiş olup alüminyum borunun içine su sızmıştır. Bu da ampulün borudan ayrılmasına sebep olmuştur. Ancak bu durum PVC borunun dışına su sızana dek farkedilememiştir. Farkedildikten sonrada daha evel elde ettiğimiz değerler suyun ampul önünde kabarcık oluşturup sonuca etkimesi ihtimali nedeni ile kullanılamamıştır. Cam parçası ve ampul tekrar yerlerine polimarin tutkalla yapıştırılmış ve tam olarak yapışmalarının sağlanması için ertesi gün beklenmiştir. Bu arada o ana dek yapılan ölçümlerde fotoresistansın arkasından gelen ışıktan bile etkilendiği tespit edilmiş, bu problemi ortadan kaldırmak için fotoresistansın alüminyum boru dışında kalan kısmı macun ile kapatılmıştır. İkinci deneme esnasında ışık flamanının sabit olmaması ve güç kaynağın olarak kullanılan pillerin gücünün sürekli değişmesi nedeni ile multimetre üzerinde okunan değelerin sabitlenmediği gözlenmiştir. Alınması gereken en uygun değerin tespitine kadar geçen süre her ölçüm için birbirinden farklı olmuştur. Bu sonuçlarında bu nedenle sağlıksız olduğuna karar verilmiştir. Son denemede multimetre fotoresistansta oluşan direnç değerini okumaya başladıktan beş saniye sonra sonuçlar kaydedilmiştir. Bu şekilde her ölçüm için beklenilen süre eşitlenmiştir. Ayrıca PVC borunun içine ışık alma ihtimali göz önünde bulundurularak ölçümlerin çevreden gelen ışıktan etkilenmesini önleme amacı ile her ölçümden önce deney cihazı karton bir kutunun içine yerleştirilmiştir Cihazın Dizaynı Nedeiyle Beklenilen Hataların Sebepleri ve Çözüm Önerileri: Muhtemel hataların başlıca üç sebebi vardır: 1. Işık kaynağının hassasiyeti istenilen düzeyde değildir. Eğer ışık kaynağı olarak ampul yerine led yada lazer-led kullanılsaydı ışık kaynağından sabit ışık akısı sağlanabilirdi ancak bu ışık da bizim istediğimizden çok güçlü olduğu için biz ampul kullanmayı tercih ettik

6 2. Gerilim kaynağı olarak pil kullanıldığı için her zaman sabit değerde güç elde edilmez, elde edilen gücün büyüklüğü pilin kullnım süresine bağlıdır. Bu nedenle güç kaynağı olarak akü gibi potansiyeli sabit gerilim kaynakları kullanılmalıdır. Güç NiCd Akü Normal Pil Zaman Grafik-1 Akü, Nicel-Cadium pil ve normal pillerin zamana bağlı güç değişimi. 3. Alüminyum boruların su girişini önlemek için kullanılan camlar polarize olmadığı için etraftan gelen ışığında borunun içinden geçerek fotoresistans üzerine düşmesine izin vermektedir. Bu nedenle hassasiyet düşmektedir. Eğer plorizasyon camı kullanılırsa sadece dik gelen ışık demeti camın diğer tarafına geçebilir. Bu şekile etraftan gelen ışık ölçümümüzün hassasiyetini minimum derecede etkiler. 4.1 Sonuçlar ve Değerlendirme: Ölçüm No FTU MOhm 1 0 7, , , , , , , , , , , , , , , , ,78 Tablo-1 Ölçüm Sonuçları

7 Yukarıdaki tabloda deney cihazı ve spektrofotometreden değişik konsantrasyonlar için alınan değerler görülmektedir. Bu tablodan yola çıkılarak aşağıda verilen kalibrasyon eğrisi hazırlanmıştır. Kalibrasyon Eğrisi Deney Cihazı (MOhm Spektrofotomet r e ( FTU) Kalibrasyon Eğrisi Grafik-2 Kalibrasyon Eğrisi Bu eğriye bakıldığında düzgün bir artış beklenirken eğrideki düzensizlik dikkati çekmektedir. Bunun en önemli nedeni bölüm te de belirtildiği gibi ışık ve güç kaynaklarının sabit olmamasıdır. Eğer sabit ışık ve güç kaynağı kullanılacak olursa daha düzgün bir eğri elde edileceğine inanıyoruz. Hazırlanacak olan daha doğru bir kalibrasyon grafiği sayesinde bu tip bir cihazdan alınan direnç değerlerinin turbitide karşılığı tam olarak bulunabilecektir. Deney Ci haz ı ve Spekt r of ot omet r e Kar şı laşt ı rma Gr af i ği Ölçüm sonucu Öl çüm numar ası Spekt r of ot omet r e sonuçl ar ı (FTU) Deney ci hazı sonuçl arı Grafik-3 Karşılaştırma Grafiği

8 Ayrca Grafik-3 e bakılacak olursa spektrofotometre eğrisi sürekli artarak devam ederken, konsantrasyonun artışına rağmen deney cihazı ile yaplan bazı ölçümlerde daha düşük değerler elde edilmiştir. Bunun sebebi ise okumadan kaynaklanan hatalardır. Bu tip okuma hataların giderilmesi için en basit yöntem dijital bir sayaç kullanmaktır. Hatta daha kesin sonuçların gerektiği durumlarda bir anolog/dijital dönüştürücü kullanılabilir. Ancak bizim yaptığımız gibi dinamik olmayan ölçümlerde bu tip dönüştürücüler şart değildir. Ayrıca yine Grafik-3 e bakılırsa artışların lineer olmadığı görülmektedir. Bunun en önemli sebebi renkli sıvı eklenirken toplam hacmin sabit tutulmamasıdır. Eğer toplam hacim sabit tutulsa idi konsantrasyon artışı her seferinde belli bir yüzdeyle gerçekleşir, bulanıklık artışı da lineer olurdu. Bu şekilde sonuca ulaşmak daha kolaylaşırdı. Tavsiyeler: Yapılabilecek çok basit işlemlerle ölçüm parametrelerini arttırmak mümkündür. Örneğin suyun sıcaklğını ve tuzluluğunun tespiti elimizdeki imkanlar dahilinde ekonomik bir biçimde gerçekleştirilebilir. Sıcaklğın bir elktrik büyüklüğü ile tespiti oldukça basittir. Bunun için en basit yöntemlerden birisi ısıya bağlı olarak uzaması kolay tespit edilen bir malzemeden üretilmiş bir çubuk üzerine bir Strain-Gage (SG) rozeti yapıştırmaktır. Bu rozet Wheatson Köprüsüne bağlanarak, çubuğun ısıya bağlı uzaması, SG in direncinin değişimine bağlı olarak tespit edilebilir. Çünkü SG rozetide çubukla birlikte uzayacak ve uzama gerçekleştikçe SG in direnci değişecektir. Bu değişimi Wheatson köprüsü sayesinde yeterince hassas bir şekilde tespit etmek mümkündür. Resim-2 Wheatson Köprüsü elektronik ölçme devresi İletkenlik ise tuzluluğa bağlı olarak değişeceğinden aynı şekilde köprü kurarak iletkenliği, dolayısı ile tuzluluğu tespit etmek mümkündür.

9 Bizim cihazımızın bağlı olduğu multimetre cihazı içinde çeşitli hassasiyetlerde Wheatson Köprüsü elektronik ölçme devreleri bulunduğu için biz kendi cihazımızda köprü kurmaya gerek duymadık. Ancak farklı parametreler farklı köprüler yardımı ile aynı anda tespit edilebilir. Örneğin sıcaklık,tuzluluk ve bulanıklığın aynı anda tespiti kurulacak üç farklı köprü ile mümkündür. Daha sonra aşağıda verilen akış şamasında da görüldüğü gibi iki şekilde okuma yapılabilir. Resim-3 SG-Köprü Devresi Akış Şeması Dinamik olmayan ölçümlerde basit bir dönüştürücü ve ekran yeterli olacaktır. Ancak, dinamik okuma gerektiren durumlarda, mesela bu üç parametrenin derinliğe bağlı değişiminin tespit edilebilmesi için bir anolog/dijital dönüştürücü ve bilgisayar kullanılabilir. Bu tip okumalar saha ölçümleri için çok uygundur. Örneğin dalgıçların dalmadan önce deniz suyunun sıcaklığını ve bulanıklığını derinliğe bağlı olarak tespit edebilmelerini sağlayabilir. Ayrıca sahada gerçekleştirilmesi gereken bilimsel araştırmalarda ve de labaratuar ortamında gerçekleşen ama bir başka parametreye göre bu üç parametredeki değişimin ( örneğin değişen kirlilik konsantrasyonlarına bağlı olarak bulanıklık,tuzluluk ve sıcaklığın değişimi gibi) incelendiği araştırmalarda da kullanılması uygundur. Cihazın deniz dibine daldırılması ile gerçekleştirilecek olan ölçümlerde cihazın elektronik devrelerini sudan koruyabilmek için cihazın bir koruyucu kutu içine yerleştirilmesi gerekmektedir. Bu kutu için çapı daha geniş bir boru düşünülebilir. Cihaz borunun içine yerleştirildikten sonra ise çeşitli yöntemlerle su yalıtımı yapılabilir. Bu tip ölçümlerde bir başka önemli nokta cihazın malzemesinin seçimidir. Deney cihazımızı yaparken en ekonomik malzme bizim için yeterli olurken, böyle bir durumda malzemenin dayanıklılığı ön plandadır. Örneğin kullanılan yapıştırıcıların bile basınç altında ne kadar dayanıklı olacağı oldukça önemlidir.

10 Sonuç: Oldukça basit yöntemlerle ekonomik bir şekilde ölçüm cihazı yapmak mümkündür. Ancak gerekli probun tespiti, sonuç okuma düzeneği ve malzeme seçimi oldukça önemlidir. Herşeyden önce problemin ortaya konuluş şekli problemin çözümünü etkiler. Bu nedenle problemi tam olarak belirledikten sonra uygun çözüm aranmalıdır. Ayrıca çözüm üretilirken, sonucu etkileyebilecek çevre koşullarınında göz önünde bulundurulup etkilerinin minimuma indirilmesi gerekmektedir.