ALGILAYICILAR TRANSDUSERLER

Transkript

1 ALGILAYICILAR VE TRANSDUSERLER

2 İÇİNDEKİLER Madde I. GİRİŞ TANIM Algılayıcı Teknolojisinin Anlam ve Önemi Kavramlar Algılayıcı Algılayıcı Elemanı Algılayıcı Sistemi Çoklu Algılayıcı Sistemi Algılayıcıların Tipik Çıkış Sinyalleri A Tipi: B Tipi: C Tipi: D Tipi: E Tipi: ALGILAYICILARIN SINIFLANDIRILMASI Giriş Büyüklüklerine Göre Çıkış Büyüklüklerine Göre Besleme İhtiyacına Göre Pasif Algılayıcılar Aktif Algılayıcılar Algılama Şekillerine Göre Temaslı Algılayıcılar Temassız Algılayıcılar... 6 Madde II. TEMASLI ALGILAYICILAR MEKANİK KONUM ANAHTARLARI (TOUCH (DOKUNMA) SENSÖRLERİ, LIMIT SWITCH) Teknik özellikler Kullanım Bilgileri BASINÇ SENSÖRLERİ Kapasitif Basınç Ölçme Sensörleri Load Cell (Yük Hücresi) Basınç Sensörleri Piezoelektrik Basınç Ölçme Sensörleri Strain Gage (Şekil Değişikliği) Sensörler Basınç Sensörlerinin Endüstriyel Kullanımı Dinamik Basınç Algılayıcılarının Tipik Uygulama Alanları Genel Amaçlı Kuvarz Basınç Algılayıcıları (General Purpose Quartz Pressure Sensors) Yüksek Hassasiyetli Basınç Algılayıcıları (High Sensitivity Pressure Sensors) Yüksek Frekans Şok/Dalga/Patlama Basınç Algılayıcıları (High Frequency Shock Wave/Blast/Explosion Pressure Sense) Balistik Basınç Algılayıcıları (Ballistic Pressure Sensors) İçten Yanmalı Motorlar İçin Basınç Algılayıcıları (Engine combustion Pressure Sensors) Yüksek Sıcaklık ve Çok Düşük Sıcaklık Basınç Algılayıcıları (High Temperature and Cryogenic Pressure Sensors) Minyatür Basınç Algılayıcıları (Miniature Pressure Sensors) Roket Motoru Basınç Algılayıcıları (Rocket Motor Pressure Sensors) Basınç nedir? Birimler Basınç tipleri Kanunlar Karakteristik özellikler Sıkışabilen

3 Sıkışmayan Ayrımlar Statik Durağan akış Laminer akış Sürtünme DENGE VE EĞİM SENSÖRLERİ (CIVALI SENSÖRLER) Madde III. TEMASSIZ ALGILAYICILAR TERMAL SENSÖRLER (ISI SENSÖRLERİ) Dirençsel sıcaklık sensörleri (RTD) PTC (Positive Temperature Coefficient) NTC (Negative Temperature Coefficient) Termistörler Isıl Çiftler (thermocouple, termokupl) Entegre devre sıcaklık sensörleri MANYETİK ALGILAYICILAR Reed Temassız Algılayıcılar Çalışma şekli Teknik özellikler Kullanım Bilgileri Uygulama Örnekleri Manyetik kontaksız Temassız Algılayıcılar İndüktif Manyetik Temassız Algılayıcılar Manyetorezistif Temassız Algılayıcılar Hall Temassız Algılayıcılar Wiegand Temassız Algılayıcılar Manyetik Pnomatik Temassız Algılayıcılar Çalışma şekli Teknik özellikler Kullanım Bilgileri Uygulama Örnekleri Bobinli manyetik sensörler Elektronik Devreli Manyetik Sensörler ENDÜKTİF SENSÖRLER Çalışma şekli İndüktif sensörün elektromanyetik alanı İndüktif yaklaşım anahtarının kesiti ( II tip ) Teknik Özellikler İndüktif Yaklaşım Anahtarının Özellikleri İndüktif Sensörlerin Mekanik anahtarlara Göre Üstünlükleri Montaj Metale gömülebilir tip yaklaşım sensörlerinin montajı Metale gömülemeyen tip yaklaşım sensörlerinin montajı Quasi Flush tip yaklaşım sensörlerinin montajı (qb) Algılama Mesafesi Hedef Büyüklüğü Anahtarlama Frekansı Histerizis Uygulama Alanları KAPASİTİF SENSÖRLER Tanımı Kapasitif Yaklaşım Anahtarlarının Çalışma İlkesi Kapasitif sensörün elektromanyetik alanı Kapasitif Yaklaşım Anahtarının Özellikleri

4 4.4 Özellikleri Uygulama Örnekleri ENDÜKTİF VE KAPASİTİF SENSÖRLER İÇİN ORTAK TANIMLAMALAR Sinyal İşleme Ve Çıkışlar Programlanabilir anahtarlama fonksiyonu ( normalde açık / normalde kapalı ) Kısa devre veya aşırı yük durumunda çıkışın tepkisi Yapı Şekilleri Ve Mekanik Montaj Çeşitli yaklaşım anahtarı bağlantı yöntemleri Uygulamada Dikkat Edilecek Noktalar Algılama mesafesi ve algılanabilir cisimler Hedef genişliği düzeltme katsayısı Malzeme düzeltme katsayısı Malzeme kalınlığı düzeltme katsayısı Montaj Silindirik tiplerin montajı Silindirik tiplerin montajı Çevre koşulları Ortam sıcaklığı : Darbe ve vibrasyon kuvvetleri : Yabancı cisimler ve toz : Nem ve su : Kimyasal etkiler : Elektromanyetik etkiler : Diğer etkenler : Elektriksel Veriler Güç kaynağı ve yük Elektriksel koruma Seri ve paralel bağlantı Üç kablolu switchlerin paralel bağlanması Üç kablolu switchlerin seri bağlanması İki kablolu switchlerin paralel bağlanması İki kablolu switchlerin seri bağlanması Anahtarlama zamanları ve çalışma frekansları Tipik uygulamalar OPTİK (IŞIMA) SENSÖRLER Algılama Mesafesi Bazı Optik Sensör Çeşitleri Foto Direnç (LDR) Foto Diyot LED Diyot İnfrared Diyot (IR Diyot, Kızıl Ötesi Diyot) Foto Pil (Işık Pili, Güneş Pili) Optokuplör Fototransistörler Engel Algılama Sensörleri Mesafe Algılama Sensörleri PIR (Passive Infra Red veya Pyroelectric Infra Red) Sensörler Encoderler (Şaft Pozisyon Algılayıcı) Optik Sistemlerle İlgili Önemli Noktalar Optik Algılamanın Temel İlkesi Karşılıklı Sensörler Reflektörden Yansıtıcılı Sensörler Cisimden Yansımalı Sensörler Fiber Optikler

5 6.3.6 Renk Seçici Optik Sensörler Algılama Uzaklıkları Kuvvetlendirici (Harici Değerlendirme) Elektronikle İlgili Önemli Noktalar Sinyal İşleme Ve Değerlendirme Işık Var Ve Yok Konumu Işık var anahtarlaması Işık yok anahtarlaması Elektronikle İlgili Özellikler Akım ve gerilim değerleri Kaçak akım, enaz yük akımı ve gerilim düşümü Çalışma Güvenilirliği Uygulamalar Önerilen tipler Uygulama örnekleri SES SENSÖRLERİ Ultrasonik Sensörler Çalışma Prensibi: Teknik ve Fiziksel Bilgiler: Ultrasonik Uzaklık Sensörünün Kullanım Avantajları: Tipik Bazı Uygulama Alanları: Mikrofon (Ses Sensörü) Mikrofon çeşitleri Dinamik (Bobinli - Manyetik) Mikrofonlar Kapasitif (Kondansatör) Mikrofonlar Şeritli (Bantlı) Mikrofonlar Kristal (Piezoelektrik kristalli) Mikrofonlar Karbon Tozlu Mikrofonlar Hoparlör Dinamik (Hareketli Bobinli) Hoparlörler Piezoelektrik (Kristal) Hoparlörler KİMYASAL SENSÖRLER Lpg Gaz Sensörü Madde IV. 2. DOKÜMAN TEMEL TERİMLER

6 Madde I. GİRİŞ 1. TANIM Algılayıcılar ("duyarga" da denmektedir) fiziksel ortam ile endüstriyel amaçlı elektrik/elektronik cihazları birbirine bağlayan bir köprü görevi görürler. Bu cihazlar endüstriyel proses sürecinde kontrol, koruma ve görüntüleme gibi çok geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Günümüzde üretilmiş yüzlerce tip algılayıcıdan söz edilebilir. Mikro elektronik teknolojisindeki inanılmaz hızlı gelişmeler bu konuda her gün yeni bir buluş ya da yeni bir uygulama tipi geliştirilmesine olanak sağlamaktadır. Teknik terminolojide Sensor ve Transducer terimleri birbirlerinin yerine sık sık kullanılan terimlerdir. Transducer genel olarak enerji dönüştürücü olarak tanımlanır. Sensor ise çeşitli enerji biçimlerini elektriksel enerjiye dönüştüren cihazlardır. Ancak 1969 yılında ISA (Instrument Society of America) bu iki terimi eş anlamlı olarak kabul etmiş ve "ölçülen fiziksel özellik, miktar ve koşulları kullanılabilir elektriksel miktara dönüştüren bir araç" olarak tanımlamıştır. Çevremizdeki bu değişiklikleri algılayan cihazlara sensör denir. Sensörlerin algıladıkları bu bilgileri bizim kullanmamız için uygun hale getiren ve algılanan bilgiyi elektrik enerjisine dönüştüren cihazlara transdüser denir. 1.1 Algılayıcı Teknolojisinin Anlam ve Önemi Kompleks üretim türlerinde artan otomasyonlaşma, üretim sürecine ilişkin veri ve bilgileri elektronik olarak temin etmeye ve uygun bir şekilde iletmeye olanak tanıyan elemanların kullanımını öngörmektedir. Algılayıcılar bu gerekleri yerine getirdikleri için ölçme, kontrol ve regülasyon teknolojisinin, son yıllarda sıklıkla kullanılan önemli bir elemanı haline geldiler. Algılayıcılar takip eden işlemciye her proses büyüklüğü hakkında bilgi verirler. Proses büyüklüklerine örnek olarak sıcaklık, basınç, kuvvet, uzunluk, dönme açısı, sıvı seviyesi, debi gibi fiziksel büyüklükler verilebilir. Birçok fiziksel büyüklüğün belirlenmesi amacıyla, bu büyüklüklere hassasiyetle tepki veren ve uygun sinyalleri ileten algılayıcılar kullanılır. 1.2 Kavramlar Bir algılayıcının karakteristik özellikleri şu şekilde belirtilebilir: Algılayıcı Algılayıcı bir fiziksel büyüklüğü (sıcaklık, uzaklık, basınç gibi) daha iyi değerlendirilebilen bir fiziksel büyüklüğe çeviren bir dönüştürücüdür. Algılayıcılar için kullanılan diğer gösterimler şunlardır: Ölçüm değerleri alıcısı, ölçüm anteni, ölçüm dönüştürücüsü, detektör, transdüktör (Ölçüm değeri vericisi tanımından kaçınılmalıdır. Örneğin "yol vericisi" yol üretmez, aksine bir yolun büyüklüğünü saptamaya yarar). Bir algılayıcı her zaman elektrik sinyali üretmek zorunda değildir. Örneğin Pnomatik limit valfleri bir pnomatik çıkış sinyali üretir (basınç değişimi şeklinde). Algılayıcılar ya temasla, örneğin, limit valfi, kuvvet algılayıcı, ya da temassız, örneğin, ışık engeli, hava engeli, kızıl ötesi anteni, ses üstü algılayıcı, manyetik algılayıcılar, çalışan cihazlardır. 1

7 Basit bir sınır anahtarı da algılayıcı olarak kabul edilebilir. Algılayıcılar kontrol edilen bir proseste, prosesi gözeten, arızaları bildiren, konumları saptayan ve bu bilgileri diğer proses elemanlarına ileten "göz"lerdir. Örneğin insanlarda: Göz Beyin (görüş merkezi) Uzuvlar Bir algılayıcı bir işlem ile yani bir değerlendirme ile bağlantılı olarak kullanıldığı zaman değerlidir. göz + görüş merkezi objenin tanınması, renk, 3 boyutlu görüş, hareket seyri Algılayıcı Elemanı Algılayıcı elemanı dendiği zaman, genellikle bir algılayıcı sisteminin, gelen ölçüm büyüklüklerini alan ancak ilave bir sinyal işleminin ve kullanılacak bazı hazır parçaların (gövde ve bağlantılar) öneminden dolayı tek başına yeterli bir eleman olduğu kabul edilmeyen bölümü anlaşılır Algılayıcı Sistemi Bir algılayıcı sistemi, genellikle sinyal gönderme fonksiyonlarının önemli parçaları olan ölçme ve değerlendirme elemanlarından oluşur. Bu elemanlar modülerdir ve bir üretim sistemi içinde değiştirilebilir. Sinyal hazırlama işlemleri için algılayıcıların yanı sıra sinyal işlemcileri, mikro işlemciler ve verilerle çalışan ara birimler de kullanılır. Örnekler: CCD görüntü algılayıcılı görüntü işleme sistemleri, lazer ölçüm sistemleri, saptama sistemleri. Sinyal gönderme yetenekleri geliştirilmiş algılayıcılara akıllı algılayıcılar ya da "smartsensors" denir Çoklu Algılayıcı Sistemi Aynı ya da birbirinden farklı algılayıcılardan meydana gelen algılayıcı sistemidir. Sıcaklık ve nem algılayıcı ya da basınç ve sıcaklık algılayıcı, her iki örnekte de algılayıcılar aynı cihazda kullanılır. İş parçalarının şekil ve malzeme özelliklerini ayırt etmek amacıyla kullanılan temassız algılayıcı kombinasyonları. Birçok kimyasal algılayıcının gazlar için oluşturdukları sistem. Bu sistemde algılayıcılar birbirleri ile çakışan cevap alanlarına sahiptir ve birlikte kullanılmalarından dolayı tek olarak kullanılan algılayıcılara göre, daha doğru değerlendirmeler yaparak, daha çok bilgi iletir. İnsanda beslenme esnasında birçok duyu organının bir arada kullanılması (koku, tat, optik etki, dilin teması). 1.3 Algılayıcıların Tipik Çıkış Sinyalleri Algılayıcıların kullanımında önemli olan çeşitli türdeki elektrik çıkış sinyallerinin tanınmasıdır A Tipi: Anahtarlama sinyali çıkışlı algılayıcılar (ikili sinyal çıkışlı): Normalde bu algılayıcılar dolaysız yoldan programlanabilir lojik kontrol organlarına (SPS) bağlanır. Örnekler: Temassız algılayıcılar, Basınç, Sınır seviye, Çift metal anahtarları. 2

8 1.3.2 B Tipi: Darbe frekansı çıkışlı algılayıcılar: Genellikle SPS uyumlu ara birimler bulunur. SPS'de olması gereken özellikler, büyük kelime uzunluklu donanım ve yazılım sayıcılarıdır. Örneğin; Artan uzunluk ve dönme açısı algılayıcıları C Tipi: Çok küçük, dolaylı yoldan istifade edilen sürekli çıkış sinyallerini ileten ya da devrenin dışarıdan kapatılması ile yararlanılabilir bir sinyal ileten, yükseltici ve dönüştürücü elektroniksiz, analog çıkışlı algılayıcı elemanlarıdır. Fazla parça olduğu zaman kullanıcı kendi elektronik çözümlerini seçer. Örneğin; Piezorezistif ya da pizoelektriksel algılayıcı elemanları, Pt-1OO- ya da termo elemanlar, Alan levhası ve Hall algılayıcı elemanları, ph ve iletkenlik test sondaları, Doğrusal potansiyometreler D Tipi: Dolaysız yoldan yararlanabilen çıkış sinyalleri ileten, yükseltici ve dönüştürücü elektroniği monte edilmiş, analog çıkışlı algılayıcılardır. Tablo 1 Tipik çıkış sinyali örnekleri 0.10V 0.20mA V mA 1..5V 4. 20mA E Tipi: Standart sinyal çıkışlı (örneğin:rs-232-c, RS-422-A, RS-485) ya da veriyolu arabirimli (örneğin: fieldbus, profibus, sensor aktifbus) algılayıcılar ve algılayıcı sistemleri. İkili ve Analog Algılayıcılar: İkili algılayıcılar ayrık bir fiziksel ölçüm değerini ikili bir sinyale (genelde açık ya da kapalı konumlarının yardımıyla elektriksel anahtarlama sinyaline) dönüştüren algılayıcılardır. İkili Algılayıcı Örnekleri ; Limit valfi, Temassız algılayıcı, Basınç anahtarı, Sınır seviye anahtarı, Sıcaklık anahtarı Analog algılayıcılar fiziksel bir ölçüm değerini analog bir sinyale (normalde gerilim ya da akım gibi elektriksel analog sinyale) dönüştüren algılayıcılardır. Analog Algılayıcı Örnekleri aşağıdaki gibidir: Uzunluk, uzaklık ve yol ölçümleri için kullanılan algılayıcılar Doğrusal hareket ve dönme hareketi için kullanılan algılayıcılar Yüzey, şekil ve geometri için kullanılan algılayıcılar Kuvvet algılayıcılar Ağırlık algılayıcılar Basınç algılayıcılar Dönme momenti algılayıcıları Debi algılayıcılar (sıvılar ve gazlar için) İşlenme miktarı algılayıcıları (katılar için) Seviye algılayıcılar Sıcaklık ve diğer termik büyüklükler için kullanılan algılayıcılar Optik büyüklükler için kullanılan algılayıcılar Akustik büyüklükler için kullanılan algılayıcılar Elektromanyetik büyüklükler için kullanılan algılayıcılar Fiziksel ışınlar için kullanılan algılayıcılar Kimyasal maddeler için kullanılan algılayıcılar Fiziksel malzeme özellikleri için kullanılan algılayıcılar 3

9 2. ALGILAYICILARIN SINIFLANDIRILMASI Algılayıcıları birbirinden farklı birçok sınıfa ayırmak mümkün. Ölçülen büyüklüğe göre, çıkış büyüklüğüne göre, besleme ihtiyacına göre vb Mekanikteki en temel ölçü uzunluk ölçüsüdür. Konum, hareket, yer değişimi terimleri birbirine çok yakın durmaktadır. Konum sensörü (Position Sensor) ya da hareket transdüseri (Motion Transducer) terimlerine sık sık rastlanmaktadır. Yer değişimi transdüseri (Displacement Transducer), teknik olarak en doğru ifade sayılabilir. Temel olarak lineer ve açısal yer değişimi sensörü olarak ikiye ayrılırlar. Yer değişim transdüserleri ölçme teknikleri açısından aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir. Kapasitif, Endüktif, Relüktans, Potansiyometrik, Strain Gage, Elektro Optik, Açısal ve Doğrusal Enkoderler, Ultrasonik, Konum Şalterleri Endüstride en sık kullanılan algılayıcılar için ölçülen büyüklükler ve çıkış büyüklüklerine ait bilgiler aşağıda verilmiştir: Tablo 2 Ölçülen büyüklükler ve çıkış büyüklükleri Aşağıda bu sınıflardan bazılarına değinilecektir. 2.1 Giriş Büyüklüklerine Göre Algılayıcılarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrılabilir. Bunlar; Mekanik : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), Basınç, Hız, İvme, Pozisyon, Ses dalga boyu ve yoğunluğu Termal : Sıcaklık, ısı akısı Elektriksel : Voltaj, akım, charge, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı ve frekans Manyetik : Alan yoğunluğu, akı yoğunluğu, manyetik moment, geçirgenlik Işıma : Yoğunluk, dalga boyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme Kimyasal : Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, ph miktarı 4

10 2.2 Çıkış Büyüklüklerine Göre Öte yandan analog çıkışlara alternatif olan dijital çıkışlar ise bilgisayarlarla doğrudan iletişim kurabilirler. Bu iletişimler kurulurken belli bazı protokoller kullanılır. Bunlardan seri iletişim protokollerine, aşağıda kısaca değinilmiştir. RS232C: Bu protokol başlangıçta telefon veri iletişimi için tasarlanmıştır. Daha sonra birçok bilgisayar sistemi bunu sıkça kullanmaya başlamış ve sonuçta RS232 standart bir iletişim protokolü haline gelmiştir. RS232C'nin çalışması tek sonlamalıdır(single ended). Lojik 1 = -15,-3 arasında ve lojik 0 = +3,+15 arasındadır. Algılayıcılar verileri bitler halinde ve seri iletişim protokolüne uygun olarak bilgisayara gönderir. RS232C bir single ended ara yüze olduğundan alıcı ve gönderici arasındaki uzaklık dış çevreden gelen olumsuz faktörlerin (EMI,RFI enterferanslar) azaltılması açısından kısa tutulmalıdır. RS422A : Bu protokol Differantial ended bir ara yüze sahiptir. Alıcı verici arasındaki uzaklık yeterince en uzak seviyededir. Hatlarda bu mesafe sebebiyle olabilecek zayıflama 200mV seviyesine kadar azalsa da sistem iletişime devam eder. Diferansiyel ara birim sayesinde sinyaldeki zayıflama ihmal edilebilir düzeye çekilir ve oldukça yüksek bir veri hızıyla haberleşme sağlanabilir. Algılayıcı ve bilgisayar arasındaki iletişimde Twisted Pair (Bükülmüş kablo) kullanıldığından dış etkilerden etkileşim azdır. RS485 : Standart 422A protokolü genişletilerek oluşturulmuş bir protokoldür. Bu protokol ile birlikte çalışabilen 32 adet alıcı vericinin tek bir kabloyla veri iletişimi sağlanabilir. RS485 protokolü kablodaki iletişim problemlerini ortadan kaldırmaktadır. Tablo 3 Seri iletişim protokollerinin karşılaştırılması Çıkış Ara Birim Tipi Max Kablo Uzunluğu Max Veri hızı İletişim Tipi RS232C Single Ended Voltage 15 mt 20Kbps Point to point RS422A Differantial Voltage 1,2 Km 10Mbps Point to point RS485A Differantial Voltage 1,2 Km 10Mbps MultiDrop (32 Node) 2.3 Besleme İhtiyacına Göre Algılayıcılar besleme ihtiyacına göre iki sınıfa ayrılabilir. Bunlar; Pasif Algılayıcılar Hiçbir şekilde dışarıdan harici enerji almadan (besleme gerilimine ihtiyaç duymadan) fiziksel ya da kimyasal değerleri bir başka büyüklüğe çevirirler. Bu algılayıcı tipine örnek olarak Thermocouple (T/C) ya da anahtar gösterilebilir. T/C aşağıda etraflıca anlatılacaktır. Anahtar ise bilindiği gibi mekanik bir hareketi elektriksel bir kontağa dönüştürmektedir Aktif Algılayıcılar Çalışmaları için harici bir enerji beslenmesine ihtiyaç duyarlar. Bu algılayıcılar tipik olarak zayıf sinyalleri ölçmek için kullanılırlar. Aktif algılayıcılarda dikkat edilmesi gereken nokta giriş ve çıkışlardır. Bu tip algılayıcılar dijital ya da analog formatta elektriksel çıkış sinyali üretirler. Analog çıkışlılarda, çıkış büyüklüğü gerilim ya da akımdır. Gerilim çıkışı genellikle 0-5V aralığında oldukça yaygın kullanılmaktadır. Ancak 4-20mA akım çıkışı da artık endüstride standart haline gelmiştir. Bazı durumlarda 0-20mA akım çevrimi kullanılmaktadır Ancak endüstride çoğu zaman hatlarda meydana gelen bozulma kopma gibi durumlarda sistemin bu durumu kolay algılaması ve veri iletişiminin sağlıklı yapılabilmesi için 4-20mA daha yaygın kullanılır. Çok eski algılayıcılar ma akım çıkışlarına sahiptirler. Endüstride en yaygın kullanılan 4-20 ma çevrim tipinin kullanımı bazı özel durumlar gerektirmektedir. Bu noktalar; 5

11 Algılayıcıların yerleştirildiği uzak noktalarda elektrik besleme geriliminin olmaması gereklidir. Algılayıcılar gerilim sinyalinin sınırlı olabileceği durumlarda tehlikeli uygulamalarda kullanılmalıdır! Algılayıcıya giden kablolar iki ile sınırlanmalıdır. Akım çevrim sinyali göreceli olarak gürültü geriliminin ani sıçramalarına karşı korumalıdır. Ancak bunu uzun mesafe veri aktarımında yapamaz. Algılayıcılar, ölçüm sisteminden elektriksel olarak izole edilmelidir. 2.4 Algılama Şekillerine Göre Temaslı Algılayıcılar Sensörün algıladığı cisme temas etmesi ile gerçekleşen değişimin algılanmasıdır. Temas eylemi genelde mekaniktir Temassız Algılayıcılar Ayrık konum büyüklükleri için kullanılan, ya kısaca ifade etmek gerekirse, bir nesnenin belirlenen bir konumda bulunup, bulunmadığını saptayan algılayıcılardır. Bu algılayıcılar temassız algılayıcı adı altında gösterilmektedir. Nesnenin konumunu belirleyen ya da belirleyemeyen bu algılayıcılar, duruma göre ya evet ya da hayır şeklinde bir uyarı verirler. Bu tip, yani sadece iki durumu bildiren algılayıcılar ikili algılayıcı ya da seyrek de olsa initiyatör şeklinde gösterilir. Birçok üretim donanımında belirlenen hareketlerin geri besleme işareti için mekanik konum anahtarları kullanılır. Bu anahtarların diğer gösterim şekilleri mikro anahtar, sınır anahtarı ya da limit valfidir. Burada hareket temas edilerek algılanır ve daha önceden tasarlanan şartlar bu şekilde yerine getirilir. Ayrıca bu anahtarlar aşınmaya karşı dayanıklıdır. Temassız algılayıcılar bu anahtarlardan farklı olarak elektroniksel ve temassız çalışır. Temassız algılayıcıların getirdiği avantajlar şunlardır: Geometrik konumların hassas ve otomatik olarak saptanması Nesnelerin ve hareketlerin temassız olarak saptanması; elektronik temassız algılayıcının yardımıyla iş parçası ve algılayıcı arasında kontak kurulması gerekmez Anahtarlama hızlılığı algılayıcılar elektronik çıkış sinyallerinin yardımıyla gerilim tepe değerleri ve hata impulsları üretmez. Aşınmaya dayanımlı fonksiyon elektronik algılayıcılar hareketlilikten dolayı aşınan parçalar içermez Sınırsız sayıdaki anahtarlama çevrimleri Ağır çevre koşullarında da kullanılabilen tasarımlar mevcuttur (örneğin patlama tehlikesi bulunan ortamlar). Bu sebeplerden dolayı, temassız algılayıcılar endüstrinin birçok kolunda kullanılmaktadır. Temassız algılayıcılar teknik birimlerin çalışmalarının kontrol edilmesini sağlar. Bu yüzden de prosesin çalışma kontrolünün ve güvenliğinin sağlanması amacı ile kullanılır. Böylece üretim sırasında ortaya çıkan arızalar önceden, hızlı ve güvenli bir şekilde saptanır. İnsan ve makinenin başına gelebilecek zararların önlenmesi, önemli bir görüş noktasıdır. Makinelerin durma süre ve sayılarının azaltılması, arızaları hızlı bir şekilde saptayan ve bildiren algılayıcıları kullanılması ile mümkündür. Temassız çalışan çeşitli konum algılayıcıların ayırımı, fiziksel özelliklerine ve çalışma şekillerine göre şekil 2.1 de yapılmıştır. Her algılayıcı çeşidinin ikili ve Analog tipi vardır. Şekil 2.1 de sadece ikili tasarım şekillerine değinilmiştir. 6

12 Şekil 2.1 Algılayıcı Çeşitleri (LWL= Fiber optik kablo) 7

13 Madde II. TEMASLI ALGILAYICILAR 1. MEKANİK KONUM ANAHTARLARI (TOUCH (DOKUNMA) SENSÖRLERİ, LIMIT SWITCH) Robot çalışmalarında sıklıkla kullanılan touch sensörler aslında basit anahtarlardır. Touch sensör robotun bir cisme temas edip etmediğini ya da sınırlandırılması gereken bir hareketin tamamlanıp tamamlanmadığını algılamak için ( limit switch ) kullanılır. Touch sensörler robot cisme temas ettiği zaman sensörün bağlı olduğu devreyi açar ya da kapatır (dıştan gelen bir kuvvetin etkisi ile elektrik kontağı kurulur ya da kesilir). Açma ve kapama sinyalleri lojik 0 ve lojik 1 değerleri ile mikrodenetleyiciye gönderilir ve böylece robot programına göre bu değerleri işleyerek yapılması gereken işlemleri yerine getirir. (motor çıkış sinyalleri gönderme, led yakma, buzzer çalıştırma... vb.) Alttaki resimde bir touch sensörün limit switch olarak kullanıldığı bir düzenek örneği gösterilmiştir. Bu düzenekte motorun dönüş miktarı bir touch sensör kullanılarak sınırlandırılmıştır. Motora bağlı olan parça gerekli dönüş miktarı tamamlandığında touch sensöre temas ederek anahtarlama yapar ve motorun durması sağlanır. Elektrik kontağının ömrü yaklaşık 10 milyon anahtarlama çevrimidir. Kontağın yapısına göre yüksek elektrik gerilimlerini ve akımlarını iletmek mümkün olur. Kontak aralığı dendiği zaman, farklı kutupların açık iki kontağını ayıran aralık kastedilir. Mikro sınır anahtarlarının tersindirme süreleri 1-15 ms aralığındadır. Özellikle sayım olaylarında, anahtarlama çevrimi sırasında kontak dillerinde meydana gelebilecek tepe gerilimlerine dikkat edilmelidir. 8

14 1.1 Teknik özellikler Mekanik-elektrik konum anahtarlarının farklı tasarım şekilleri şunlardır: Küçük konum anahtarları, minyatür ve subminyatür mikro anahtarlar Basmalı düğme, sınır anahtarları Sprungschalter öder Schleichschalter ausführungen (snap-eylem anahtarı veya yavaş hareket modelleri) Kapsüllenmeyen konum anahtarları Plastik ile kapsüllenen konum anahtarları Metal ile kapsüllenen konum anahtarları Güvenlik konum anahtarları Hassasiyet konum anahtarları Bir mikro sınır anahtarını oluşturan en önemli elemanlar kontaklardır. Kullanılan kontak malzemeleri şunlardır: altın-nikel, toz altın, gümüş, gümüş-kadmiyumoksit, gümüş-paladyum ve gümüş-nikel. Kontak malzemelerinin doğru ve uygun biçimde seçilmesiyle, sınır anahtarları için bütün kullanım alanlarında sağlıklı çalışma koşulları elde edilir. Tablo 4 Bir mikroanahtar örneğindeki teknik özellikler Kontak Gücü (Direnç Yükü) Anahtarlama Noktası Doğruluğu Anahtarlama Frekansları Çalışma Ömrü Koruma Sınıfı (DIN40050) 24V=, 6A 250V ~, 6A 0,01 mm 0,1 mm (hassas anahtar, 0,001 mm ye kadar) anahtarlama / dakika 10 milyon anahtarlama çevrimi IP00 dan IP67 ye kadar 1.2 Kullanım Bilgileri Sınır anahtarlarında hassas mekanik elemanlar kullanıldığı için sınır anahtarını monte ederken şunlara dikkat edilmelidir: Montaj doğru bir şekilde yapılmalıdır (anahtar kumanda elemanı ve nesne arasında uygun ve doğru bir mesafe bulunmalıdır) Sınır anahtarı monte edilecek yere rijit olarak bağlanmalıdır Kumanda yönü doğru olarak saptanmalıdır (yandan ya da önden) Elektrik bağlantıları çok itinalı bir şekilde hazırlanmalıdır. Sıkıştırma ya da vida bağlantılarında, bağlantıların, izole edilmemesi gerekir. Kablolar lehimlendiği zaman, lehimleme esnasında sınır anahtarının yuvasında meydana gelebilecek termik problemlere dikkat edilmelidir, ekli değişen bir yuva sınır anahtarının hatalı çalışmasına sebep olabilir. Sınır anahtarına bağlanan kablolar herhangi bir gerilime ya da çekmeye maruz kalmamalıdır. Sınır anahtarı, hareketi esnasında (normal kullanımda) son konum durdurucusu olarak kullanılmamalıdır. Birçok kullanımda sınır anahtarlarının temaslı çalışması, kontaklarda meydana gelen tepe gerilimleri ya da aşınması gibi dezavantajları göz önüne alınmaz. Bu tip durumlarda sınır anahtarlarının fiyatlarının uygun olması önemli bir avantaj sağlar. Mekanik sınır anahtarlarının tipik kullanım yerlerine örnek olarak, elektromanyetik alanların etkisiyle oluşan güçlü çevresel yüklerin hakim olduğu alanlar verilebilir. Bu duruma örnek olarak kaynak bölümlerine yakın olan yerler gösterilebilir. Bu tip yerlerde elektronik temassız algılayıcılar kullanılmaz. Örneğin 0,001 mm gibi çok yüksek anahtarlama noktası doğruluğu olan hassas basmalı düğmeler mevcuttur. Bu düğmeler hassas konumlama görevini yerine getirir. 9

15 Mekanik-elektrik konum anahtarlarından çok yüksek bir akım geçebildiğinden, geçen akım sınırlandırılmalıdır. Akım sınırlandırmadığı takdirde, anahtarın açılması ya da kapanması sırasında deşarj oluşmasına ve bununla beraber kontakların yanmasına sebep olabilir. Bu yüzden devreye bir direnç bağlanmalıdır. Bu direnç akımı sınırlandırarak kontakların ömrünü uzatır. İndüktif yüklerin bağlanmasında, anahtarlama anında çok yüksek bir gerilim tepe değeri oluşur. Bu sebepten dolayı konum anahtarına bir koruma devresi bağlanmalıdır. Koruma devresi ya bir RC-elemanından ya da buna benzer bir diyottan, özellikle varistörden oluşabilir (devre planına bakınız). Bu elemanların elektriksel büyüklükleri çıkış tarafına bağlanan iş elemanlarına (örneğin röle, kontaktör, vb.) bağlıdır. Bir röle veya kontaktör bağlandığı zaman, anahtarın ve röle ya da kontaktörün teknik verilerine kesinlikle dikkat edilmelidir. Bir röle ya da kontaktörün çekme kuvveti, tutma kuvvetinin yaklaşık 8-10 katıdır. Bu yüzden tutma anından sonra sabit kalmalarının sağlanması önemlidir. Şekil 1.1 Koruma devresi Şekil 1.2 Fren lambası kontağı 10

16 2. BASINÇ SENSÖRLERİ Her türlü fiziki kuvvet ve basınç değişimini algılayan ve bu değişimi elektriksel sinyale çeviren elemanlara basınç sensörü denir. Burada 4 tanesinden bahsedilecektir. Yandaki şema bir basınç sensörünün çalışma mantığını basitçe açıklamaktadır. Basınç sensörleri robotun bir yere çarpması ya da teması durumunda doğan basıncın ölçülmesini sağlar. Robot kol uygulamaları gibi projelerde basınç sensörleri robot kol ile tutulan cisme uygulanan basıncın kontrol edilmesi için kullanılabilir. Basınç sensörleri basıncı elektriksel sinyallere çeviren bir devre ile kullanılır. Bu basınç sensörü 1-30 k.ohm arasında değişebilen direnç değerlerinin ölçülebildiği bir değişken (variable) direnç gibi düşünülebilir. Basınç sensörünü kullanmak için yapılan devreye basınç sensörüne seri olacak şekilde bir başka direnç bağlanır ve elde edilen değerlerin LM339 kullanılarak karşılaştırılması sonucunda LM339' dan basınç miktarına bağlı olarak değişen gerilimlerde çıkışlar alınır. 2.1 Kapasitif Basınç Ölçme Sensörleri Kondansatörler yapıları gereği elektrik yükü depolayabilir. Kondansatörlerin yük depolayabilme kapasiteleri ise kondansatör plakalarının boyutlarına, bu plakalar arasındaki mesafenin uzaklığına ve iki plaka arasındaki yalıtkan malzemenin özelliğine bağlıdır. Sonuç olarak kondansatör plakaları birbirinden uzaklaştırılırsa ya da esnetilirse veya iki plaka arasındaki dielektrik malzeme hareket ettirilirse, kondansatörün kapasitesi değişir. Kondansatörün kapasitesi ile beraber alternatif akıma gösterdiği direnç de değişir. İşte bu prensipten hareketle kapasitif basınç sensörleri üretilmiştir. Şekil a da esnek plakalı bir kapasitif sensör gösterilmiştir. Plakanın biri sabit diğeri esnektir. Esnek plakaya bir basınç uygulandığında basınçla orantılı olarak kondansatörün kapasitesi ve kapasitif reaktansı (kondansatörün AA a karşı direnci) değişecektir. Bu direnç değişimi ile orantılı olarak basınç büyüklüğünü tespit edebiliriz. Şekil 2.1 Kapasitif basınç ölçme sensörleri Diğer şekillerde de kondansatör plakalarının uzaklaşıp yaklaşması gösterilmiştir. Az önce bahsettiğimiz gibi plakaların uzaklığı da kondansatörün AA direncini değiştirdiğinden bu direnç değişimi ile hareketin miktarını bulabiliriz. Kapasitif prensiple çalışan sensörler basınç sensörü olarak kullanıldığı gibi yaklaşım ve pozisyon sensörü olarak da kullanılmaktadır. 11

17 2.2 Load Cell (Yük Hücresi) Basınç Sensörleri Şekil 2.2 Load cell in iç yapısı Yük hücresi (load cell) daha çok elektronik terazilerin yapımında kullanılan basınç sensörüdür. Asıl çalışma prensibi strain gage gibidir. Yukarıda 4 noktadan ölçme yapan bir yük hücresi görülmektedir. Tek noktadan ya da iki noktadan ölçüm yapanları da bulunmaktadır. Şekil 4.6 da A, B, C, D noktalarındaki strain gagelerin dirençleri basınca bağlı olarak değişir. Bu değişim ile orantılı olarak da basınç miktarını tespit edebiliriz. Şekil 2.3 Load cell örnekleri 2.3 Piezoelektrik Basınç Ölçme Sensörleri Basıncın elektrik akımına dönüştürülme yollarından biri de piezoelektrik olayıdır. Piezoelektrik özellikli algılayıcılarda kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılır. Bu elemanlar üzerlerine gelen basınca göre küçük değerli bir elektrik gerilimi ve akımı üretir. Bu elektrik akımının değeri basıncın değeri ile doru orantılıdır. Piezoelektrik özellikli elemanlar hızlı tepki verdiklerinden ani basınç değişikliklerini ölçmede yaygın olarak kullanılır. Şekil 2.4 Piezoelektrik basınç sensörleri 12

18 Piezoelektrik basınç algılayıcıları ile iç basınç, darbe, balistik ölçümler, patlama, içten yanmalı motorlarda, şok ve patlama dalgaları, yüksek şiddetli ses ve diğer akustik ve hidrolik prosesler gibi 0,001 psi'den 100 psi'ye kadar dinamik basınç ölçümleri yapılabilir. Piezoelektronik Basınç Algılayıcılarının bazı Karakteristikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir. Diyaframlar yüksek frekanslı ve rezonant olmayan darbe ve patlama dalgalarının cevaplarını yüksek doğruluk ile ölçer. ICP basınç Algılayıcıları kirli ortamlarda, sualtında, uzun standart koaksiyel kablolar yolu ile herhangi bir sinyal kaybına uğramadan ve parazit almadan sinyal gönderebilirler. Kuvarz basınç Algılayıcılarının dinamik çalışma aralığı çok geniştir. Bir piezoelektrik kuvarz algılayıcının ölçme aralığına ulaşması için dar bantlı birçok gerilme ya da piezodirençli tip algılayıcı gerekecektir. Çalışma sıcaklıkları yaklaşık -240 C' dan 300 C' a kadar geniş bir aralıktadır. Dayanıklı ve rijit konstrüksiyonu sayesinde, şiddeti yerçekimi ivmesinin on binlerce katına ulaşan şok darbelerine ve titreşimlere dayanabilir. Metrik ya da İngiliz ölçme sistemine göre konfigürasyon yapılabilir. 2.4 Strain Gage (Şekil Değişikliği) Sensörler Temel olarak strain gageler esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından oluşmuştur. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi ile birlikte iletken şeridin de gerilerek uzamasına sebep olacaktır.bu uzama esnasında telin boyu uzayarak kesiti azalacaktır. Bilindiği gibi iletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde değişme olacaktır. Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin miktarını tespit edilebilir. Şekil 2.5 Çeşitli strain gage tipleri Şekil 2.6 Strain gagenin iç yapısı 13

19 Şekil 2.7 Bisikletin sağlamlık testinde kullanılan strain gage Şekil 2.8 Pervane esnemesinin algılanmasında kullanılan strain gageler 14

20 2.5 Basınç Sensörlerinin Endüstriyel Kullanımı Basınç sensörleri için, farklı pazarlarda değişik önemler taşıyan pek çok uygulama vardır. Şekilde kimya endüstrisiyle ilgili bir kullanım görülmektedir. Şekil 2.9 Mutlak Basınç Şekil 2.10 Seviye ölçümü Şekil 2.11 Akış Ölçümü Örnekler çoğaltılabilir. Bir dizi sensör ve ölçüm aleti fonksiyonları dışında pek çok farklı uygulamada kullanılabilir. Aşağıda, var olan sensör tipleri ve tipik uygulamalarla ilgili bir diyagram bulunmaktadır. Yapılan çalışmalar, basınç sensörlerinin sensör teknolojisinin en önemli alanı olduğunu göstermektedir. 15

21 Günümüzde hala mekanik ürünler kullanılmaktadır. Örneğin BASF yılda manometre kullanmaktadır. Otomasyonun yayılması halinde bunlar elektronik ürünlerle değiştirilecekler ve bu da büyük bir potansiyel olacaktır. İki karakteristik özellik vardır: 1. Mekanikler tamamen devre dışı bırakılamaz. Basınç, basınç sensörlerinin bazı parçalarında mekanik deformasyona yol açmaktadır. Değerlendirme ve sinyal koşullaması elektronik olarak yapılmaktadır. 2. Basınç sensörleri için anahtarlama noktasının ayarlanabilmesinin yanında o andaki akımın da görüntülenmesi istenir. Bu halde ikili sensör yerine bir ölçüm aleti kullanılır. Bu uygulama çeşitleri göz önüne alınırsa, en baştan itibaren tümünün sensörlerle değiştirilmesi mümkün değildir. Detaylı bir pazar araştırmasından sonra ifm öncelikle hidroliklerde kullanılmak üzere bir sensör tasarlamaya karar vermiştir Dinamik Basınç Algılayıcılarının Tipik Uygulama Alanları İçten yanmalı motorlar Akış kaynaklı gürültüler Balistik ölçmeler Kavitasyon Kompresörler Darbeler Pompa ve valf dinamik davranışları Hidrolik ve pnömatik uygulamalar Su darbesi Türbülans Rüzgar tünelleri 16

22 Gaz ve buhar türbinleri Genel Amaçlı Kuvarz Basınç Algılayıcıları (General Purpose Quartz Pressure Sensors) Bu algılayıcılar ile sıkıştırma, yanma, patlama, darbe, kavitasyon, pnömatik ve hidrolik basınçların ölçülmesi mümkündür. Endüstriyel pompa basıncı izlenmesi Hidrolik ve pnömatik basınç hattı izlenmesi Akış kaynaklı titreşimler Darbeler, dalgalanmalar, su darbesi, kavitasyon Yüksek Hassasiyetli Basınç Algılayıcıları (High Sensitivity Pressure Sensors) Bu bölümdeki tüm algılayıcılar, akustik, türbülans ve yüksek yoğunluklu ölçmeler için mikrofonlar ve basınç algılayıcılar. titreşim hassasiyetini azaltmak üzere ivme kompensasyonu elemanları ile donatılmıştır. Akustik Türbülans, Yüksek şiddetli ses, Uçuş testleri, Valf dinamiği Yüksek Frekans Şok/Dalga/Patlama Basınç Algılayıcıları (High Frequency Shock Wave/Blast/Explosion Pressure Sense) Bu tip basınç Algılayıcıları seramik ya da turmalin duyaç elemanlara sahip çok yüksek frekansları ölçmek için tasarlanmaktadır. şok dalgaları, yanma, patlama ölçümleri; yörünge hızı tespiti, açık alan ve sualtı patlatma testleri tipik kullanım alanlarıdır.tüm bu uygulamalar yüksek frekans cevabı ve dayanıklılık gerektirmektedir Balistik Basınç Algılayıcıları (Ballistic Pressure Sensors) Bu algılayıcılar cephane ve silah testlerinde, patlayıcı testlerinde, silahlardaki geri tepmenin ölçüldüğü testlerde ve çok yüksek frekanslı patlamaların testinde kullanılan çok dayanıklı basınç ölçerlerdir İçten Yanmalı Motorlar İçin Basınç Algılayıcıları (Engine combustion Pressure Sensors) Bu tip basınç Algılayıcıları ile motordaki yanma olayının inceleyenmesi mümkündür Yanma sürecinin izlenmesi, sıkışma, vuruntunun izlenmesi, termodinamik analizler ve tepe basıncının izlenmesi tipik uygulama alanlarıdır Yüksek Sıcaklık ve Çok Düşük Sıcaklık Basınç Algılayıcıları (High Temperature and Cryogenic Pressure Sensors) Bu tip basınç Algılayıcıları reaktörlerdeki, kompresörlerdeki, motorlardaki, türbinlerdeki, ısı değiştiricilerindeki, buhar borularındaki ve yanma odalarındaki dinamik basınçları ölçmektedir. Çok düşük sıcaklık (cryogenic) basınç Algılayıcılarının rijid yapıları şoklara ve aşırı yüklenmelere karşı dayanıklıdır. İçerdiği özel düşük sıcaklık mikroelektronik elemanlar ile gaz ve akışkan dinamiğinde, akışkan dengesizliklerinin ölçülmesinde, darbelerin ve akış kaynaklı gürültülerin izlenmesinde kullanılmaktadır Minyatür Basınç Algılayıcıları (Miniature Pressure Sensors) Bu alt gruptaki algılayıcılar sınırlı monte alanının olduğu ya da diyafram çapının kritik olduğu uygulamalarda kullanılmaktadır. Isıl dengenin olduğu akışkan dinamiği uygulamalarında kullanılırlar Roket Motoru Basınç Algılayıcıları (Rocket Motor Pressure Sensors) Bu algılayıcılar roket motorunun çıkışındaki ısıl akış kaynaklı dinamik basınçların ölçülmesi amacı ile özel olarak üretilmiştir. Soğuk helyum gazı akışı kullanılarak algılayıcı soğutulmaktadır. Bu şekilde tasarlanan bu algılayıcı çıkışındaki yüksek sıcaklığa dayanabilmektedir. 17

23 2.5.2 Basınç nedir? Fiziksel tanım: Genel tanımı alan başına düşen kuvvet tir. (1) F P = A P [Pa] : basınç F [N] : kuvvet A [m²] : alan F nin yönü vardır (kuvvet bir vektördür). Basıncın ise yönü yoktur, skaler büyüklüktür. Bu sonuç, basınç sensörü uygulamaları için önemlidir: Basınç sensörünün montaj pozisyonu bile önemli değildir. Sensörün, basıncı tespit etmek için konteynerin dibine yüzü yukarı dönük yerleştirilmesi şart değildir (Şekil 3.4). Bir başka önemli nokta ise toplam basınçtır; örneğin açık konteynerin dibinde bulunan komponentler, yerçekimi ve hava basıncı toplanarak kolayca bulunabilir. F vektörken P değildir ve hesaplar için bir formül olmalıdır. (2) F = P A P [Pa] : basınç F [N] : kuvvet A [m²] : alan Alan bir vektör olarak tanımlanmıştır. Alan vektörü alana diktir. (2) denklemi düz yüzeyler ve sabit basınçlar içindir. ( küçük sensörler için sorun değildir.) Şekil 2.12 Konteynerdeki basınç çeperlere dik bir kuvvet uygular. Bu basit bilgi basıncın nasıl ölçüldüğünü gösterir. Ortama koyulacak bir sensörle ölçüm yapılabilir. Eğer bu kuvvet mekanik deformasyona sebep oluyorsa basınç lineer olarak ölçülebilir. Elektronik ürünlerde uzunluktaki değişim elektrik sinyallerine dönüştürülebilir. Basınç kuvvet mekanik deformasyon uzunluktaki değişim Piston basit bir ölçüm aleti olabilir. Bir tarafta ölçülecek basınç, diğer tarafta da bir yay. Yay basınca göre az veya çok sıkışır. Basınç yayın boyuna göre ölçülür. Hidroliklerde sistem basıncının görüntülenmesi için kullanılan mekanik piston basınç switchleri bu prensibe göre çalışır. 18

24 Şekil 2.13 Şu da görülür ki kuvvet bileşenini alana dik almak önemlidir. Eğer, örneğin Şekil 5 teki gibi, piston kolu pistona belli bir açıyla monte edilirse, yay sadece dik yönde değil paralel yönde de deformasyon gösterecektir. Eğer sadece dik yönde ölçüm yapılıyorsa bir ölçüm hatası oluşacaktır. Aynı problem, kuvvet bir dişli yardımıyla iletildiğinde de ortaya çıkar. Modern ekipmanlarla bu problemin önüne geçilmiştir. Şekil Birimler SI birimleri m, kg ve sn dir. Basınç gibi birimler de bunların türevleridir. Almanya da bu birimler DIN 1314 standardına dahildir. Basınç birimi: 1 Pascal 1 Pa N 1 m 2 Hava durumu tahmini için kullanılan birim ise: 1 Hectopasca l 1 hpa 100 Pa Pascal birimi otomasyon teknolojisinde sık kullanılmaz. Otomasyon teknolojisinde daha çok 1 Bar 105 Pa kullanılır. 19

25 Örnek: 70 kg lık bir cismin 1 cm² lik alanda oluşturduğu basınç ne kadardır? (1) denklemine göre: m 10 70kg 2 s P m Pa Bar (NOT: Kuvvet (ağırlık) de yerçekimine göre kütle * yerçekimi ivmesi dir. Bu ve bundan sonraki örneklerde yerçekimi ivmesi yuvarlatılmış, 9,81 m 2 değil, 10 m 2 olarak alınmıştır.) s s Bazen farklı birimler de gerekebilir. At atm mws mmhg Torr psi Pa hpa 980,7 1013,3 98,07 1,333 1,333 0, ² 1 mbar Kısaltmalar: At : Teknik atmosfer atm : Fiziksel atmosfer mws : Metre su yüksekliği mmhg : Milimetre civa psi : İnç kareye düşen pound (Resmi dili İngilizce olan ülkeler tarafından kullanılır.) Eskiden kullanılan birimler, at veya atm, atmosfer basıncına dayanıyordu. (atü de atmosferin üstündeki basınçtı). Pek çok teknik uygulamada basıncı atmosfer basıncı olarak almak iyidir. 1 at = 0 atü 0.9 at = atü 1 at = 980,7 mbar mws ve mmhg birimleri ise kullanılan ölçüm aletlerinden elde edilmiştir. Eğer bir ucu kapalı bir ucu açık ve içi su dolu U şekilli bir tüp kullanılıyorsa, açık uçtan hava basıncı uygulanıyorsa kollardaki seviye farkı ölçülen hava basıncını mws biriminde verir. Bu tür ölçüm aletleri genelde düşük basınç tespitleri için kullanılırdı. Şekil

26 Eğer tüp cıvayla doluysa ve bir ucu kapalıysa vakum elde ederiz (cıvanın buhar basıncı hariç). Tüpün diğer ucu açıksa, kollardaki seviye farkı atmosfer basıncını mmhg biriminde verir. Bu tür cıva barometreleri hala bulunmaktadır. Hassas ölçüler için kullanılırlar. Endüstriyel uygulamalar için zehirli cıva büyük bir sorundur. Sağlık alanında, kan basıncını ölçmek için cıva manometreleri hala kullanılmaktadır. Şekil Basınç tipleri Yukarıdaki örnekler gösteriyor ki; basınç ölçümü genelde bağıl basıncın ölçülmesi demektir. Ölçüm aleti Şekil 2.16 da gösterilen suyla dolu U-şekilli tüp gibi diferansiyel bir basınç alır. Basınçlar p1 ve p2 olarak adlandırılabilir. p1 ve p2 herhangi bir değere sahip Ayrım: İki yönlü diferansiyel basınç (ayrıca Vented Gauge (oluklu ölçü, VG) özel durum: p2 = hava basıncı Ayrımlar: bağıl basınç aşırı basınç(pozitif veya negatif) p2 sabit referans basıncı Ayrım: tek yönlü diferansiyel basınç (ayrıca Sealed Gauge (mühürlü ölçü, SG) özel durum: p2 = 0 (vakum) Ayrımlar: Mutlak basınç Basınç altı terimi kullanılmaz. Elektriksel basınç göstergeleri için olan DIN standardı bunu negatif aşırı basınç olarak belirtir. 21

27 2.5.5 Kanunlar Karakteristik özellikler Basınç sıvı ve gazlar için tanımlanan fiziksel bir büyüklüktür. Sıvı ve gazların aralarındaki fark şu karakteristiğe bağlıdır: Sıkışabilen Hacim ve yoğunluk basınca bağlıdır. Gazlar için bu önemlidir. Aşağıdaki kanunlarda aralarındaki ilişki karışıklaşacağı için bu hesaba katılmayacaktır Sıkışmayan Su veya hidrolik yağ gibi sıvılar hemen hemen hiç sıkışmazlar, hacim basınca bağlı değildir. Bunu belirlemek için hidrostatikte olduğu gibi hidro öneki kullanılır Ayrımlar Aşağıdaki birkaç terimin kullanıldığı bazı olaylar diğerlerinden ayrılır: Statik Bu terim, kuvvetlerin dengede olduğu, hiçbir hareketin olmadığı özel bir durumu anlatır. Bu demektir ki; basınç farkı oluşmadığı gibi akış bile yoktur. Akışın olduğu bir ortam için şunlar önemlidir: Durağan akış Eğer ortamda üniform bir akış varsa, yani akış hızı her zaman için sabitse bu akışa durağan akış denir. Bu demek değildir ki akış her noktada aynı hızdadır. Durağan akış halinde, örneğin bir tüpte, merkezdeki hız duvarlardakinden daha fazla olacaktır. Durağan olmayan durumlarda ise örneğin bir girdap oluşumunda veya bir valfin açılmasından sonra olan proseste, hesap yapmak oldukça zordur ve burada konu edilmeyecektir Laminer akış Bu terim girdaplı olmayan akışları ifade eder. Bu akış, birbirinden farklı hızlarda akan ve birbirlerini geçen ince tabakalar olarak düşünülebilir Sürtünme İç çeperlerdeki sürtünmeyle, partiküllerin birbirleriyle aralarında olan sürtünme farklıdır. Laminer akışta bu, ince tabakaların birbirleriyle sürtünmesidir. Bunun için geçerli parametre ortamın viskozitesidir. Sürtünme kuvvetlerinin akışa etkisinin ölçülmesi de kolay değildir ve şu parametrelere dayanır: Duvarın sertliği Akış hızı Hız profili Yoğunluk Viskozite Viskozitenin de sürtünmeye etkisi vardır ve sıcaklığa bağlıdır. 22

28 3. DENGE VE EĞİM SENSÖRLERİ (CIVALI SENSÖRLER) Bazı otomasyon sistemlerinde ya da robot projelerinde eğimin algılanması gerekebilir. Bu durumlarda eğimi algılayabilmek için içlerinde civa damlacığı ya da metal bilye bulunan eğim sensörleri kullanılır. Bu sensörler bulundukları konuma göre içlerindeki civa damlacığının ya da metal bilyenin sensör içerisindeki anahtarları açması ya da kapamasıyla çalışır. Bu çalışma şekli şemada basitçe gösterilmiştir. Şekil 3.1 Civalı sensörler 23

29 Madde III. TEMASSIZ ALGILAYICILAR 1. TERMAL SENSÖRLER (ISI SENSÖRLERİ) Ortamdaki ısı değişimini algılamamıza yarayan cihazlara ısı veya sıcaklık sensörleri denir. Birçok maddenin elektriksel direnci sıcaklıkla değişmektedir. Sıcaklığa karşı hassas olan maddeler kullanılarak sıcaklık kontrolü ve sıcaklık ölçümü yapılır. Sıcaklık ile direnci değişen elektronik malzemelere; term (sıcaklık), rezistör (direnç), kelimelerinin birleşimi olan termistör denir. Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden imal edilmektedir. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı kullanılır. Termistörler ikiye ayrılır sıcaklıkla direnci artan termistöre PTC, sıcaklıkla direnci azalan elemana da NTC denir. Sıcaklık en sık ölçülen çevresel değerdir. Çünkü fiziksel, elektronik, kimyasal, mekanik ve biyolojik tüm sistemler sıcaklıktan etkilenir. Bu nedenle kontrol sistemlerinde sıcaklığın ölçülmesi ve belli değerlerde tutulması önemlidir. En çok kullanılan sıcaklık sensörleri: dirençsel sıcaklık sensörleri (RTD- Resistance Temperature Detector), ısıl çiftler (termokupl - thermocouple), termistörler (NTC) ve entegre devre sıcaklık sensörleridir (IC - LM35, LM134, LM56, LM75... vb.). 1.1 Dirençsel sıcaklık sensörleri (RTD) Bir metalin direncinin sıcaklık ile artması dirençsel sıcaklık sensörü RTD lerin temelidir. Metal iletkenlerden yapılmış olan elemanların dirençleri sıcaklık ile doğru orantılıdır. (PTC). Alaşım ve yarıiletkenlerde ise durum farklıdır. Pek çok yarıiletkenin direnci sıcaklık ile ters orantılıdır. RTD lerin dirençleri ne kadar yüksekse sistemdeki hata payı da o kadar düşük olacaktır. Demir, platin, nikel, 0.7 nikel-0.3 demir ve bakır gibi maddeler RTD imalatında en çok kullanılan maddelerdir. Bu malzemeler içerisinde en doğrusal sonuçları veren ve en ideal olanı platindir. RTD ler hassas sıcaklık algılayıcılardır. Hassaslık, uzun süreli elektriksel direnç kararlılığı, eleman doğrusallığı ve tekrarlanabilirliği gibi özellikler isteyen uygulamalarda kullanılırlar. Çok geniş bir sıcakılık aralığında ölçüm alabilirler (Bazı platin algılayıcılar -164 C ; +650 C arasında çalışabilir). RTD'lerde bulunan algılama elemanı genellikle bir platin tel sargısı veya seramiğe uygulanmış ince bir metalik tabakadır. Platin RTD'lerin direnç değerleri, tel sarımlı laboratuar RTD'lerinde 10 ohm'dan, ince plakalı RTD'lerde birkaç bin ohm'a kadar değişmektedir. En çok bilinen değer 0 C'ta 100 ohm'dur (PT100). RTD'ler 0 C'taki direnç değerleri ve kullanılan elemente göre adlandırılmıştır. (PT100, PT ). RTD kendinden beslemeli bir aygıt değildir ve RTD üzerinden geçen akım da ısınmaya yol açacağından sistemde hatalara neden olabilir. Bu hataları en aza indirgenmesi ve doğru ölçümün yapılabilmesi için mümkün olan en küçük uyarma akımı kullanılmalıdır. Günümüzde C kararlılığa sahip hassas termometre üretilebilmektedir. Endüstriyel modeller yılda (<0.1 C) civarında kayma gösterebilirler. Platin ve bakır elemanlara sahip RTD'ler T/Clara ve pekçok termistöre göre daha doğrusal bir davranış gösterirler. T/C'dan farklı olarak bir RTD cihaz bağlantıları için bakır kullanır ve dolayısıyla "cold junction compensation" gerektirmez. Bu da sistem maliyetinin düşmesini sağlar. RTD nin dezavantajları ise, daha yavaş tepki, şok ve vibrasyona duyarlılık, sıcaklık değişimlerinde küçük direnç değişimi (düşük duyarlılık), ve düşük taban direncidir. Bu sorunu üstesinden gelebilmek için 3 veya 4-kablolu devreler kullanılır. Bu yöntem sıcaklığa bağlı direnç değişimlerini ölçmede bir çeşit köprü devresi etkisi yaratır. Tel uzunluğuna bağlı hatalar da en aza indirilir; çünük direnç değişimi RTD algılama noktasında oluşur. Ölçümün hassaslığı öncelikle kontrol veya ölçüm 24

30 cihazındaki sinyal koşullama devresine bağlıdır. Nokta ölçümler genel olarak rağbet görse de hatalara sebep olmaktadır. RTD'ler geniş bir alana yayılarak pekçok noktadan ölçüm alabilirler ve bunların ortalamasını vererek dah az hatalı sonuçlar eldesini sağlarlar. T/C'larla bunun uygulanması pek mümkün değildir. RTD üzerindeki gerilim düşüşü T/C çıktısından çok daha kuvvetli bir işaret üretir PTC (Positive Temperature Coefficient) Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci artan devre elemanıdır. PTC ler 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışır. Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılır. Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde kullanılabilir NTC (Negative Temperature Coefficient) Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci azalan devre elemanıdır. NTC ler Cº ile +50 Cº arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışırlar. Daha çok elektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerin de, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda kullanılırlar. 1.2 Termistörler Termistörler, RTD ler gibi termistörler de sıcaklığa duyarlı dirençlerdir ancak RTD lerden daha yüksek dirence sahiptirler ve bu da onları daha hassas yapan bir özelliktir. Çünkü yüksek dirençlerinden dolayı bağlantı uçlarının dirençlerinden kaynaklanan ölçüm hatası RTD'lerinkinden çok daha küçük olur. Sonuç olarak termistörler RTD ler ile ölçülemeyecek küçük sıcaklık değişimlerini ölçmek için kullanılabilir. Termistörler yarı iletken maddelerden yapılıdırlar ve yarıiletken maddelerin dirençleri sıcaklık ile ters orantılıdır (NTC). Termistörlerin sıcaklık değişimlerine cevap verme hızı RTD lerden daha fazladır. Fiziksel boyutları küçüktür. Nokta tipi algılayıcılar için boyutları bir iğne ucu kadar olabilir. Termistörler kullanıldıkça daha kararlı hale gelirler. Termistörün derecesine ve fiyatına bağlı olarak performansı düşük doğruluktan kaliteli RTD'lerle boy ölçüşebilecek yüksek doğruluğa kadar değişebilir. Termistörler bir işlem değişkeninin yarım veya bir dereceye kadar olan sıcaklık aralığındaki kontrolüne olanak tanırlar. Pekçok termistör RTD'lerden daha ucudur; ancak koruyucu kılıflarla bu fiyat aralığı daralır. Termistörlerin ana direnci binlerce ohm olabilir. Bu da aynı ölçüm akımı ile RTD'lerden daha büyük bir gerilim değişikliği sağlar; ve kablo direnci problemlerini ortadan kaldırır. Termistörlerle çalışırken akıma dikkat edilmelidir çünkü termistörler sıcaklığa RTD'lerden daha duyarlıdırlar. Yeni termistörlerden bazıları bunu engellemek için farklı bazı düzeneklere sahiptirler ancak fiyatları da ona göre yüksektir. Bu avantajlarının yanı sıra algılayıcının kırılgan yapısı, kullanım aralığının birkaç yüz derece ile sınırlı olması ve üst sınır sıcaklıklarına yakın sıcaklıklara uzun süre maruz kaldıklarında yeniden kalibrasyon gerektirmeleri (yüksek sıcaklıklarda dekalibrasyon) gibi dezavantajları da vardır. Termistörler birbirleriyle değiştirilebilirler ve ek bir devre eklenmediği sürece devre açmalarına karşı bir güvenlik sağlayamazlar. Ayrıca termistörler RTD'ler ve thermocouple'larla aynı seviyede endüstri standartlarına sahip değildirler. 25

31 1.3 Isıl Çiftler (thermocouple, termokupl) Bütün iletkenler ısıtıldıklarında içlerinde bulunan elektronlarda bir hareketlenme meydana gelir. Ancak bu hareketlenme çeşitli iletkenler arasında farklılık göstermektedir. Doğru alaşım seçimi ile ölçülebilir ve kestirilebilir bir sıcaklık gerilim ilişkisi elde edilir. Bu maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir. İletkenlerin bu farklarından yararlanarak sıcaklık ölçümü yapılabilir. Thomas Seebeck tarafından 1821 yılında icat edilen ısıl çiftler (termokupl), iki farklı iletkenin birer uçları birbirine kaynak edilerek ya da sıkıca birbirine bağlanarak elde edilir. Seebeck Etkisi olarak adlandırılan "Farklı iki iletken bir devre oluşturuyorsa ve devrenin iki noktası arasında bir sıcaklık farkı var ise bu devreden bir akım geçer" prensibini kullanır. Boşta kalan uçlarına hassas bir voltmetre bağlandığında, birleştirilen uç ısıtılırsa, sıcaklıkla orantılı olarak voltmetrede mv lar mertebesinde bir DA gerilim elde edilir. Elde edilen gerilimin değeri kullanılan metallerin sıcaklığa verdiği tepki ile orantılıdır. Resimde de görülen J1 noktasına sıcak nokta ya da ölçüm eklemi, diğer noktaya ise soğuk nokta ya da referans noktası denir. Thermocouple'larla ilgili en sık yanlış anlaşılan konulardan biri de gerilimin tam olarak nerede oluştuğudur. Çoğu kimse bu gerilimin iki metalin birleşim noktasında var olduğunu düşünür; ancak gerçekte çıkış gerilimi bimetal üzerinde uzunlamasına (sıcaklık değişimi yönünde) oluşur. Thermocouple ların ürettiği gerilim seçilen metallerin cihaz bağlantı noktasında var olan termoelektrik enerjilerinin farkıdır. Bu kestirilebilir gerilim gerçek işlem (Proses) sıcaklığıyla ilişkilendirilebilir. Bu tip bir T/C de tel haline getirilmiş metal alaşımlar yalıtım malzemesiyle kaplanır; bu malzeme thermocouple alaşımları arasında hem fiziksel hem de elektriksel yalıtım sağlar. Yalıtım malzemeleri 1260 C'a kadar olan sıcaklıklarda işlevlerini sürdürebilirler. Termocouple'lar kısa dönemli ölçümler için ekonomiktir. Termokupllar -200 ºC ile ºC arasında çalışabildiklerinden endüstride en çok tercih edilen ısı kontrol elemanlarıdır. Genellikle endüstri tesislerindeki yüksek sıcaklıkta çalışan kazanların ısı kontrolünde kullanılır. T/C lar özellikle minyatür algılayıcı tasarımları için de idealdir. Basit yapıları olumsuz ortam koşullarına (aşırı şok, vibrasyon gibi) dayanıklı olmalarını sağlar. Thermocouple'lar sıcaklık değişimlerine ani değişiklik göstermek üzere küçük boyutlarda düzenlenebilirler. T/C'lar pekçok şekil ve boyutta olabilirler. Yalıtımlı en çok kullanılan tiptir. 26

32 Sıcaklık farkı, Seebeck etkisi adı verilen sıcaklık farkıyla orantılı bir elektromotor kuvveti oluşturur ve soğuk nokta uçlarında milivolt seviyesinde bir gerilime yol açar. Bu olay ısıl çiftlerin çalışma mantığıdır. Ayrıca termokupullar gerilim ürettikleri için aktif transdüserlerdir. PTC ve NTC ise pasif transdüserlerdir. Çıkış gerilimleri çok düşük olduğundan, daha çok çıkışına bir gerilim yükseltici bağlanarak kullanılır. En çok kullanılan ısıl çift tipleri ise şöyledir: Tip Malzemeler Normal Değer Aralığı J Demir-Konstantan -200 C ile 1190 C arası T Bakır-Konstantan -260 C ile 390 C arası K Kromel-Alumel -260 C ile 1370 C arası E Kromel-Konstantan -260 C ile 990 C arası S %90 Platin + %10 rodyum-platin -40 C ile 1760 C arası R %87 Platin + %13 rodyum-platin -40 C ile 1760 C arası B %70 Platin + %30 Rh-platin 0 C ile 1810 C arası N Nikrosil-Nisil -260 C ile 1290 C arası Isıl çiftlerde en çok kullanılan alaşımlar; constantan (bakır-nikel), chromel (nikel-krom), alumel (nikel-alüminyum), nikrosil (nikel-krom-silisyum) nisil (nikel-silisyum). 1.4 Entegre devre sıcaklık sensörleri Yarı iletken entegre devrelerin gelişmesi ile tümdevre sıcaklık sensörleri ortaya çıkmıştır. Germanyum ve silisyum içerisine karıştırılan kristaller ile üretilen sıcaklık sensörleri kullanılmaktadır. Germanyum kristal malzemelerin dirençleri sıcaklık ile ters orantılıdır. Silisyum kristal malzemelerin dirençleri ise sıcaklıkla doğru orantılıdır. Germanyum silisyum malzemelerin sıcaklık sensörü olarak çalışma mantığı; normal germanyum silisyum PN birleşmeli diyotlarda oluşan nötr bölgenin sıcaklık arttırılarak aşılması sonucu bu bölgeden akım geçmesinin sağlanmasıdır. Sıcaklık arttıkça bu bölgeden geçen akım da artar. Bu ilkeye göre çalışan yarı iletken sıcaklık sensörleri ( LMXXX ) ; sıcaklığa bağlı gerilim üreten ve sıcaklığa bağlı akım üretenler olmak üzere iki tiptir. Sıcaklığa bağlı gerilim üreten sensörler LM135 - LM235 - LM335 ( Kelvin ), LM35 - LM45 ( Celcius ), LM34 ( Fahrenheit ) gibi sensörlerdir. Bu sensörler kırılma gerilimi sıcaklıkla orantılı olan bir zener diyot gibi çalışan monolitik sıcaklık sensörleridir. Sıcaklığa bağlı akım üreten sensörler ise LM134, LM234, LM334 sensörleridir. Bu sensörlerin akım çıkışları sıcaklık ile orantılıdır. Bu sensörlerin hassaslıkları bir dış direnç kullanımı ile ayarlanabilir. Hassasiyetleri 1 µa / C ile 3 µa / C arasında değişir 27

33 2. MANYETİK ALGILAYICILAR Bir tel bobin haline getirilip içinden akım geçirilirse, bu bobinin içinde ve çevresinde manyetik alan oluşur. Bu manyetik alan gözle görülmez. Ancak bu bobinin içerisindeki nüvenin hareketi ve bobinin çevresinden yaklaştırılan metaller bobinin indüktansını değiştirir. İşte bu prensipten hareketle manyetik sensörler geliştirilmiştir. Bu sensörler genellikle güvenlik gerektiren yerlerde kullanılır. İçinden akım geçen bir bobinin çevresinde manyetik alan oluşur. Bu manyetik alanın içine metal bir cisim girerse bu bobinin indüktansı değişir. Bu indüktans değişimi sensörün içinde bulunan devrenin dengesini bozar. Sensörün içinde bulunan ölçüm yapan devre sayesinde metalin yaklaştığını ve ne kadar yakın olduğunu tespit edebiliriz. Şekil 2.1 İçinden bir akım geçen bobinin çevresinde manyetik alan oluşur. Manyetik sensör ve transdüserler, günlük hayatta daha çok güvenlik gerektiren yerlerde metallerin (silah, bıçak gibi) aranmasında, hazine arama dedektörlerinde kullanılır. Sanayide ise kumanda ve kontrol sistemlerinde, tıp elektroniğinde, fabrikalarda, otomatik kumanda kontrol uygulamalarında, yer değişimlerinin hassas olarak ölçülmesinde kullanılır. 2.1 Reed Temassız Algılayıcılar Çalışma şekli Manyetik temassız algılayıcılar kalıcı mıknatısların ve elektromıknatısların oluşturdukları manyetik alanlara etkirler. Reed-anahtarlarında ferromanyetik malzemeden yapılan (Fe-Ni karışımı, Fe=demir, Ni=nikel) kontak dilleri eritilerek cam bir pistona bağlanır. Pistonun içinde reaksiyona girmeyen ve yanmayan bir gaz (örneğin azot) bulunur. Reed-temassız algılayıcının yakınına bir manyetik alan yaklaştığı zaman, kontak dilleri manyetiklenir. Manyetiklenen kontak dilleri birbirlerini çeker ve kontak kapanır. Şekil 2.2 Reed kontak 28

34 2.1.2 Teknik özellikler Aşağıdaki tabloda önemli teknik özellikler Reed-kontaklı bir temassız algılayıcı örnek alınarak gösterilmiştir. Tablo 5 Reed-kontaklı temassız algılayıcıların teknik özellikleri Reed temassız algılayıcılarda, genellikle çalışma durumu göstergesi olarak kullanılan bir ışıklı diyot bulunur. Şekil 2.3'de iç ve dış devreler görülmektedir. Ön direnç ile bağlantılı olan ışıklı diyot aynı zamanda indüktif yükler için kullanılan koruma devresinin fonksiyonlarını yerine getirir. Şekil 2.3 Işıklı diyot bulunduran bir Reed-temassız algılayıcının ilkesel devre şeması 29

35 Reed-temassız algılayıcılar, önlerinde kalıcı bir mıknatıs hareket ettiği zaman birçok anahtarlama aralığına sahip olur (Şekil 2.4). Anahtarlama aralıklarının özellikleri mıknatısın kutup yönüne bağlıdır. Şekil 2.4 Bir Reed-temassız algılayıcının cevap verme davranışı Kullanım Bilgileri Reed-kontaklı temassız algılayıcıların montajı sırasında anahtarın çevresinde bozucu etki yapan, alan şiddeti 0,5 mt'dan (T = Tesla) büyük olan bir manyetik alan bulunmamalıdır. Eğer böyle bir manyetik alan mevcut ise, temassız algılayıcı itinalı bir şekilde korunmalıdır. Reed-temassız algılayıcıların monte edildiği pnömatik silindirlerde, temassız algılayıcı ile silindirin dış yüzü arasında minimum 60 mm'lik bir uzaklık bulunmalıdır. Daha küçük uzaklıklarda, anahtarlama noktalarında kaymalar meydana gelir. Reed-temassız algılayıcılarda çok yüksek bir akım geçebildiğinden geçen akım sınırlandırılmalıdır. Akim, sınırlandırmadığı takdirde, anahtarın açılması ya da kapanması sırasında deşarj oluşmasına ve bununla beraber kontakların yanmasına sebep olabilir. Bu yüzden devreye bir direnç bağlanmalıdır. Bu direnç akımı sınırlandırarak kontakların ömrünü uzatır. İndüktif yüklerin bağlanmasında, anahtarlama anında çok yüksek bir gerilim tepe değeri oluşur. Bu sebepten dolayı temassız algılayıcıya daha önceden monte edilmemiş ise, bir koruma devresi monte edilmelidir. Koruma devresi ya bir RC elemanından ya da buna benzer bir diyottan, özellikle varistörden oluşur (Şekil 2.5'teki devre planına bakınız). Bu elemanların elektriksel büyüklükleri çıkış tarafına bağlanan iş elemanlarına (örneğin röle, kontaktör vb.) bağlıdır. Bir röle ya da kontaktör bağlandığı zaman, temassız algılayıcının ve röle ya da kontaktörün teknik verilerine kesinlikle dikkat edilmelidir. Bir röle ya da kontaktörün çekme kuvveti, tutma kuvvetinin yaklaşık 8-10 katıdır. Bu yüzden tutma anından sonra sabit kalmalarının sağlanması önemlidir. 30

36 Şekil 2.5 Reed-kontakları için hazırlanan koruma devreleri Uygulama Örnekleri Şekil 2.6 Manyetik temassız algılayıcılarla çalışan pnömatik silindir. Temassız algılayıcılar yaklaşık 10 mm'den başlayan strok uzunluklarında, iki tarafın son konum sorgulamasını sağlamaktadır. (En bilinen ve yaygın uygulama: Silindir anahtarı). Manyetik temassız algılayıcılar ile diğer birçok algılayıcı problemi ortadan kaldırılabilir. Bunun için algılanan nesne yapısında mıknatıs bulundurmalıdır. Örneğin: Ne tür malzemeden meydana geldiği önemli olmayan dönen parçaların dönüş sayılarının ölçümünde Aynı tür iş parçalarının tek tek seçilerek tanınmasında Artan yol ölçüm sistemlerinde Sayım ayarlarında Kapı anahtarlarında Malzeme konumlamalarında 31

37 Şekil 2.7 Manyetik temassız algılayıcıların, silindir konumlarının sorgulanmasında kullanımı a) Temassız algılayıcı kumanda edilmiyor, anahtarlama kontakları açık. b) Bir manyetik alanın yaklaşması sonucunda anahtarlama kontakları kapanıyor. 2.2 Manyetik kontaksız Temassız Algılayıcılar İndüktif Manyetik Temassız Algılayıcılar İndüktif temassız algılayıcılarda olduğu gibi bir osilatör (LC-rezonans devresi) bulunur. İndüktif temassız algılayıcılardan farklı olarak, rezonans devresi bobini, etki alanı oluşturabilmek için yarı açık olarak tasarlanmamıştır. Aksine kapalı bir manyetik alana sahip bir bobin kullanılır (örneğin, permeabilitesi yüksek olan halka çekirdekli bir bobin). Kalıcı bir mıknatısın yaklaşması sonucunda rezonans devresi bobininin çekirdek malzemesi doyar. Böylelikle temassız algılayıcının osilatör akımı değişir. Çıkış tarafına bağlanan bir yükseltici bu değişimi değerlendirir ve tanımlı bir çıkış sinyaline dönüştürür. Bu tip temassız algılayıcılar sadece manyetik alanlara etkirler, metallere etkimezler. İndüktif-manyetik temassız algılayıcılarda manyetik kutup ekseni yönünün temassız algılayıcı eksenine göre hangi konumda bulunduğuna dikkat edilmelidir. 32

38 Şekil 2.8 İndüktif-manyetik temassız algılayıcı Aşağıdaki tabloda indüktif-manyetik temassız algılayıcılar için teknik özellikler görülmektedir. Tablo 6 Bir indüktif manyetik temassız algılayıcıya ilişkin teknik veriler (örnek) İndüktif-manyetik temassız algılayıcılar, Reed-temassız algılayıcılara göre şu önemli avantajlara sahiptir: Kontak problemleri ortaya çıkmaz (örneğin gerilim tepe değerleri) Metal kontaklardaki gibi aşınmalar meydana gelmez. Manyetik kutup ekseni uygun ve itinalı bir şekilde yönlendirildiği zaman sadece tek bir anahtarlama aralığı meydana gelir (bakınız şekil 3.9) 33

39 Şekil 2.9 Bir indüktif-manyetik temassız algılayıcının cevap verme davranışı İndüktif manyetik temassız algılayıcıların kullanımında, algılayıcının çevresel koşullar altında asimetrik bir anahtarlama davranışı gösterdiğine dikkat edilmelidir. Bu yüzden söz konusu olan her durumda güvenilir bir anahtarlama yapıp yapmadığı kontrol edilmelidir. Temassız algılayıcının yakınında ferromanyetik bir malzeme varsa, bu durum temassız algılayıcının karakteristik değerlerinin değişmesine veya arızaların oluşmasına sebep olabilir. Aynı şekilde kuvvetli yabancı manyetik alan etkilerinin hakim olduğu ortamlarda da (örneğin kaynak atölyeleri ve alüminyum eritme ocakları) karakteristik değer değişimleri ve arızalar meydana gelebilir. Manyetik temassız algılayıcı monte edilmiş birçok pnömatik silindirlerde, temassız algılayıcı ile silindirin dış yüzü arasında minimum 60 mm'lik bir uzaklık bulunmalıdır. indüktif-manyetik temassız algılayıcılar indüktif yüklerin bağlanması için ve transient gerilimlere karşı entegre koruma devrelerine sahiptir. Bu yüzden ek bir koruma devresinin kullanılmasına gerek yoktur. Manyetik-kontaksız temassız algılayıcılar, Reed temassız algılayıcılar gibi genellikle pnömatik silindirlerin konumlarının belirlenmesi amacıyla kullanılır (Şekil 2.6). Bu algılayıcılar Reed-temassız algılayıcılar gibi birçok uygulama alanında da kullanılabilirler (Bölüm 2.1.4) Manyetorezistif Temassız Algılayıcılar Küçük direnç levhaları (örneğin Wi- ya da InSb, Wi=bizmut, In=indiyum, Sb=antimon) manyetik alanlarda elektrik dirençlerini değiştirirler. Bu manyetorezistif etkiden çeşitli algılayıcı tipleri için yararlanılabilir Hall Temassız Algılayıcılar Eğer bir yarı iletkene (örneğin InSb) bir manyetik alan uygulanırsa, geçen akımın düşey yönünde Hall gerilimi denilen bir gerilim oluşur. Burada belirli geometrik oranlar göz önünde bulundurulmalıdır. Levhanın kalınlığı boyuna ve enine göre küçük olmalıdır. Bu etkiyle 1.5 V'a kadar olan gerilimler oluşabilir. Burada belirtilen fiziksel etki Amerikalı fizikçi E. Hail tarafından Hall etkisi adı altında gösterilmiştir. 34

40 Şekil 2.10 Alan etkili transdüserler Alan etkili transdüserler hassas mesafe, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır. İletken ya da yarı iletken malzemeden yapılmış bir levha şekilde görüldüğü gibi bir manyetik alan içindeyken, A ve B uçlarından DC gerilim uygulandığında, C ve D noktaları arasında bir potansiyel fark oluşur. Bu gerilimin değeri manyetik alana levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensipten yararlanılarak alan etkili transdüserler doğmuştur. Şekil 2.11 Alan etkili transdüserlerin yapıları ve araçlarda alan etkili sensörlerin kullanılması 35

41 2.2.4 Wiegand Temassız Algılayıcılar Wiegand-teli dendiği zaman vanadyum, kobalt ve demirden oluşan bir karışım anlaşılır. Eğer tele yaklaşan bir manyetik alanın alan şiddeti belirli bir değeri aşarsa, telin elemanter mıknatıslarının yönü sürekli olarak değişir. Wiegand teli bir bobinin içine konduğu zaman, telde 3 V'a kadar olan bir gerilim impulsu indüklenir. Wiegand-algılayıcılar ilkesel olarak dışsal bir besleme geriliminin kullanılmasını gerektirmezler. 2.3 Manyetik Pnomatik Temassız Algılayıcılar Çalışma şekli Bir pnömatik valf kalıcı bir mıknatısın etkisi ile çalışır. Böylelikle algılayıcı tarafından bir kontrol sinyali gönderilir. Şekil 2.12 Bir manyetik-pnömatik temassız algılayıcının silindir pozisyonlarını sorgulama amacıyla kullanımı. a) Temassız algılayıcı kumanda edilmiyor. Bir anahtarlama dili P'nin hava akımını kesiyor. b)kontak dilinin bir manyetik alan tarafından çekilmesi sonucu P'den A'ya doğru bir hava akımı oluyor. 36

42 2.3.2 Teknik özellikler Tablo 7 Bir manyetik-pnömatik temassız algılayıcının teknik özellikleri (örnek) Manyetik-pnömatik temassız algılayıcı çalışma ilkesi olarak hava engeline benzer. Bu algılayıcılarda bir anahtarlama dili devamlı olarak sürekli bir sinyalin hava akımını keser. Bir manyetik alanın yaklaşması sonucunda (örneğin bir silindir pistonunun üzerindeki kalıcı mıknatıs) anahtarlama dili çekilir ve hava akımını dışarı verir. Böylelikle çıkışta bir sinyal oluşur Kullanım Bilgileri İki manyetik-pnömatik temassız algılayıcının arasında minimum 50 mm'lik bir uzaklık bulunmalıdır. Mevcut manyetik alanın, temassız algılayıcının güvenli bir şekilde kumanda etmesi için yeterli olup olmadığı kontrol edilmelidir. Düşük basınçlı sinyallerden daha ileriki işlemlerde yararlanmak üzere çıkış tarafına bir basınç yükseltici bağlanmalıdır Uygulama Örnekleri Manyetik-pnömatik temassız algılayıcılar esas olarak pnömatik silindirlerin konumlarının sorgulanması amacı ile kullanılır. Bu algılayıcılar her şeyden önce saf pnömatik çözümlerin elde edilmesine yarar, yani gerekli olan yardımcı enerji sadece basınçlı havadan temin edilir. 2.4 Bobinli manyetik sensörler Bir bobinin içinde bulunan nüvenin konumu Şekil'de görüldüğü gibi hareket ettirildiği zaman bobinin indüktansı değişmektedir. İşte bu prensipten yola çıkılarak bobinli manyetik sensörler geliştirilmiştir. Şekil 2.13 Bobinli endüktif sensör 37

43 2.5 Elektronik Devreli Manyetik Sensörler Şekil 2.14 Elektronik devreli manyetik sensörün iç yapısı İçinden akım geçen bir bobinin çevresinde manyetik alan oluşuğundan bahsedildi. Bu manyetik alanın içine metal bir cisim girerse bu bobinin indüktansı değişir. Bu indüktans değişimi sensörün içinde bulunan devrenin dengesini (rezonansını) bozar. Sensörün içinde bulunan ölçüm yapan devre sayesinde metalin yaklaştığı ve ne kadar yakın olduğu tespit edilebilir. Şekil 2.15 İki farklı firmanın elektronik devreli yaklaşım sensörü Şekil 2.16 Hazine arama cihazı ve metal dedektörü Şekil 2.17 El tipi metal dedektörü ve koli arama dedektörü Hazine arama cihazlarında sürekli manyetik alan yayılır, metal bir cisim cihazın manyetik alanı içine girdiğinde cihaz uyarı verir. Büyük alışveriş merkezlerinde bulunan metal arama cihazları da aynı prensiple çalışmaktadır. 38

44 3. ENDÜKTİF SENSÖRLER Manyetik alanlarına giren metal nesneleri, hareket etseler de, etmeseler de temassız olarak algılar. Şekil 3.1 İndüktif Sensörün Sembolü ve bağlantı uçları İndüktif sensörler endüstriyel kullanımlar için ideal şartları sağlar. İndüktif anahtarlar ECKO (Eddy curreent killed osicillator) tip anahtarlardır. Şekilde görüldüğü gibi 4 temel bölümden oluşur. Osilatör, bobin üzerinden sensörün ön yüzüne yayılacak olan bir manyetik alan oluşturur. Bu alana metal bir çisim girerse eddy akımları bu metal üzerinde dolaşır. Osilatörün eddy akımını metal üzerinde dolaştırabilmek için enerjiye ihtiyacı vardır. Metal cisim sensöre yaklaştıkça bu akımın değeri artar ve osilatör üzerinde bir yük oluşturur. Yük osilatör için büyük olduğunda, osilatör durur. Tetikleme devresi osilasyonun durduğunu algılar ve yükü kontrol eden çıkış devresinin durumunu değiştirir. 3.1 Çalışma şekli İndüktif temassız algılayıcının meydana geldiği önemli parçalar şunlardır: Osilatör (LCrezonans devresi), demodülatör, kippverstarker ve çıkış modülü. Şekil 3.2 Bir indüktif temassız algılayıcıya ait temel devre planı 39

45 Manyetik alan, osilatör bobinine ait ferrit tabakası çekirdeğinin ve ilave koruyucuların yardımıyla dışarıya doğru yönlendirilir. Bu sebepten dolayı indüktif temassız algılayıcın aktif yüzeyi üzerinde aktif anahtarlama aralığı denen, sınırlı bir aralık oluşur. İşletme geriliminin uygulanması ile osilatör salınır ve tanımlı durağan durum akımı geçer. İletken bir malzeme aktif anahtarlama aralığına girdiği zaman, bu malzemede girdap akımları oluşur. Böylelikle osilatör enerji kaybeder. Salınımlar sönümlenir ve temassız algılayıcının akım tüketiminde bir değişim meydana gelir. Osilatörün iki durumu - osilatörün zayıflatılmış ve zayıflatılmamış olduğu durumlar- elektronik olarak değerlendirilir. İndüktif yaklaşım anahtarı, iletken malzeme içerisinde girdap akımı kayıplarının neden olduğu bir rezonans devresinin kalite faktöründeki değişikliğin fiziksel etkisinden yararlanır. Bir LC osilatörü 100 khz. ile 1 MHz. arasında yüksek frekanslı bir elektromanyetik alan oluşturur (Şekil 3.3). Şekilden görüldüğü gibi alan herhangi bir yöne yönelmeden sargı eksenine göre simetrik biçimlenir. Bununla beraber gerçekte, yalnızca akım taşıyan iletkenden oluşan bir sargı kullanılmaz ve yüksek geçirgenliği olan Ferit malzeme yardımıyla elektromanyetik alana istenilen doğrultuda bir yön vermeye çalışılır. Şekil 3.4 ve 3.5). Ferit çekirdek üzerine yerleştirilen sargının manyetik alanı sensör etrafında yoğunlaşmış olur (özellikle duyarlı bir hale gelen sensörün etkin alanının ön tarafında). Eğer sargı ve Ferit çekirdek ayrıca bir metal ekranla çevrilmiş ise (Şekil 3.5) manyetik alan tümüyle sensörün ön tarafındaki alanda sınırlanmış olur. Böylece sensörün kenarları anahtarlama özelliğini etkilemeden tümüyle metalle çevrilebilir (gömülebilir montaj özelliği). Şekil 3.3 Şekil 3.4 Şekil 3.5 Şekil 3.6 İndüktif Sensörün İç Yapısı Eğer bir iletken malzeme, yaratılan elektromanyetik alan içine girerse, indüksiyon yasasına göre malzeme içinde girdap akımları oluşur ve osilatör devresinden enerji çeker. 40

46 Şekil 3.7 Bir indüktif temassız algılayıcının çalışma şekli İndüktif temassız algılayıcılar ile sadece iletken (elektrik) malzemeler saptanabilir. 3.2 İndüktif sensörün elektromanyetik alanı Şekil 3.8 Bu sistem birincil sargısının indüktans L, ikincil sargısının ve yükün iletken malzeme ile gösterildiği bir transformatör ile karşılaştırılabilir. Birincil ve ikincil sargılar arasındaki tek bağlantı havada oluşturulan alandır. Oluşan girdap akımı kayıplarının çokluğu bir takım etkenlere bağlıdır: sensörün önündeki malzemenin uzaklığı ve konumu cismin boyutları ve şekli cismin iletkenliği ve geçirgenliği Osilasyon devresini sınırsız bir enerji ile beslemek olası olmadığı için yaklaşım anahtarının etkin alanının içine bir iletken malzeme girdiği zaman osilasyon bozulur. İki durum arasındaki bu fark: 1. cisim kritik mesafenin dışında - osilatör büyük bir genlikle salınır 2. cisim kritik mesafenin içinde - osilatör küçük bir genlikle salınır veya hiç salınmaz kolaylıkla değerlendirilebilecek bir sinyale dönüştürülebilir. 41

47 yaklaşım anahtarı sönmemiş çözücüden sonra kullanılabilecek sinyal yaklaşım anahtarı sönmüş Aktif anahtarlama aralığında bir metal varsa çıkış modülü anahtar tipine göre (kapatıcı, açıcı ya da dönüştürücü) ya anahtarlanır ya da engellenir. Çıkış sinyalinde bir sinyal değişiminin meydana geldiği, nesne ile aktif yüzey arasındaki uzaklığa anahtarlama aralığı denir. İndüktif temassız algılayıcılarda, temassız algılayıcı başında kullanılan bobin ne kadar büyük olursa o kadar büyük anahtarlama aralıkları elde edilir. 250 mm'ye kadar olan değerler gerçekleştirilmiştir. İndüktif temassız algılayıcılarda anahtarlama aralığı bir standart ölçüm levhasının yardımıyla hesaplanır. Ancak bu şekilde çeşitli indüktif temassız algılayıcıların anahtarlama aralıkları arasında bir karşılaştırma yapılabilir. Standart ölçüm levhası çelikten Çe37 meydana gelir ve 1 mm kalınlığındadır. Bu levha kare şeklindedir ve kenar uzunluğu; Aktif temassız algılayıcı yüzeyinin oluşturduğu dairenin çapına, ya da Anma anahtarlama aralığının üç katına eşittir. Bu değerlerden büyük olanı standart ölçüm levhasının kenar uzunluğu olarak kullanılır. Yüzey alanı daha büyük olan levhaların kullanımı ölçülen anahtarlama aralıklarında anlamlı değişikliklere yol açmaz. Buna karşılık daha küçük ölçüm plakalarının kullanımı bulunan anahtarlama aralığında bir azalmaya sebep olur. Ayrıca değişik malzemelerin kullanımı da yararlanılabilir anahtarlama aralığının küçülmesine yol açar. Aşağıdaki tabloda çeşitli malzemelerin indirgeme katsayıları verilmiştir. Aşağıdaki tabloda büyük anahtarlama aralıklarının manyetik malzemeler ile elde edildiği görülmekledir. Manyetik olmayan malzemeler (pirinç, alüminyum, bakır) daha küçük anahtarlama aralıkları meydana getirir. Algılanacak cismin malzemesine göre yaklaşım sensörlerinin algılama mesafeleri de değişmektedir. Her malzemenin düzeltme faktörü farklıdır ve hangi malzeme algılanacaksa o malzeme için algılama mesafesi, yaklaşım sensörünün algılama mesafesi ile düzeltme faktörünün çarpımına eşittir. Katalog değerleri çeliğe göre verilmektedir. Örnek olarak; kataloga göre algılama mesafesi 2 mm olan bir yaklaşım sensörü ile çelik en fazla 2 mm den algılanırken, alüminyum en fazla 0,6 0,9 mm den algılanacaktır. 42

48 Tablo 8 Düzeltme faktörü için referans değerleri Malzeme Düzeltme faktörü Çelik ST37 1,0 Krom Nikel 0,70 0,90 Pirinç 0,35 0,50 Alüminyum 0,35 0,50 Bakır 0,25 0, İndüktif yaklaşım anahtarının kesiti ( II tip ) Şekil 3.9 indüktif sensörün iç yapısı Şekil 3.8, bir yaklaşım anahtarının iç yapısını göstermektedir. İlke olarak aşağıdaki parçalardan oluşur: muhafaza, kablo veya soket, devre kartı veya esnek filmde SMD (yüzeye monte edilen) parçalardan oluşan elektronik devre, Ferit çekirdekli sargı ve son olarak mekanik darbelere karşı daha dayanıklı olması için ve tümüyle sızdırmazlık için dolgu maddesi reçine. Bu, sensöre vibrasyon ve darbelere karşı ayrıca aynı oranda da neme karşı iyi bir koruma sağlar. Böylece endüstrinin her yerinde kullanılabilir ve sağlam switch gereksinimini karşılar. Şekil 3.10 indüktif sensörün kesiti 43

49 3.4 Teknik Özellikler Aşağıdaki tablolarda indüktif temassız algılayıcıların en önemli teknik özellikleri yer almaktadır. Tablodaki özellikler tipik bilgiler olduğundan, tabloya sadece bir göz atılması yeterlidir. Şekil 3.11 İndüktif sensörün yapısı Tablo 9 Doğru akımla çalışan indüktif temassız algılayıcılara ait teknik veriler Piyasaya sunulan birçok indüktif temassız algılayıcıya, kullanımı kolaylaştırmak ve güvenli bir çalışma sağlayabilmek için, aşağıdaki koruma önlemleri ilave edilmiştir: Kutuplama koruması (bağlantı değişimlerinden kaynaklanan zararlara karşı) Kısa devre koruması (toprak çıkışlarında meydana gelen kısa devrelere karşı) Gerilim tepe değerlerine karşı koruma (tansient yüksek gerilimlere karşı) Tel kopmasına karşı koruma (Bir telin kopması ile çıkış bloke edilir) 44

50 Şekil 3.12 Dişli yapıdaki indüktif temassız algılayıcı 3.5 İndüktif Yaklaşım Anahtarının Özellikleri Yukarıda verilen indüktif sensörün çalışma ilkesinden aşağıdaki temel özellikler çıkarılabilir: Bir indüktif yaklaşım anahtarı tüm iletken malzemeleri algılayabilir. çalışması ne mıknatıslana-bilir malzemelerle ne de metallerle sınırlıdır. Salınan elektromanyetik alana dayalı çalışma ilkesinden dolayı yaklaşım anahtarı, cisimlerin hareket edip etmemelerine bakmadan onları algılar. İndüktif yaklaşım anahtarı birkaç mikrovat' lık bir elektrik enerjisi ile çalıştığından yarattığı yüksek frekanslı alan radyo gürültüsünü artırmaz. Ayrıca hedef cisim üzerinde ölçülebilecek kadar çok ısınma olmaz. Sensörün cisim üzerinde manyetik bir etkisi yoktur. Tüm pratik uygulamalarda hedef cisim her türlü etkiden uzaktır. Şekil 3.13'de hedef cismin enerji harcaması, osilasyon devresindeki direnç değişimi olarak gösterilmektedir. Aradaki ilişkinin açıkça doğrusal olmadığı görülebilir. Bu nedenle indüktif anahtar, uzaklık ile orantılı bir sinyal iletmede yalnızca sınırlı bir kullanıma sahiptir. Sonuç olarak asıl uygulama alanı bir sayısal anahtar olarak kullanılmasıdır. Şekil 3.13 Sensörün ucundan hedef plakaya olan uzaklığın (S) bir fonksiyonu olarak direnç değerindeki (R) (hedef plakada harcanan güce bağlı görünür direnç) değişimin tipik eğrisi İndüktif yaklaşım anahtarını olası rakibi mekanik switch ile karşılaştırdığımız zaman, mekanik switchin aşağıdaki özelliklerini görürüz: Şekil 3.14 Mekanik limit switch 45

51 1. Anahtarlama işlemi için kuvvet gerekliliği 2. Düşük anahtarlama frekansı 3. Açılar ve yaklaşımları hesaplama zorunluluğu 4. Mekanik olarak hareketli parçalarda aşınma 5. Aşınma sonucu anahtarlama noktasında kayma 6. Kontak değişiminde geçiş direnci 7. Anahtarlama işlemi sayısına bağlı ömür Öte yandan, dokunmaksızın bir cismin yaklaşımını anahtarlama sinyaline dönüştüren yaklaşım anahtarı aşağıdaki özelliklere sahiptir. Şekil 3.15 Yaklaşım anahtarı yaklaşım anahtarı dokunmaksızın bir cismin yaklaşımını anahtarlama sinyaline dönüştürür. 1. Hedef cisimlerin hareketlerinde serbestlik 2. Kısa tepki ve anahtarlama süresi 3. Yüksek anahtarlama frekansı 4. Aşınma yok, anahtarlama noktasında değişme yok 5. Anahtarlama işlemi sayısına bağlı olmayan ömür 6. Kirlenme veya oksitlenme sonucu arızalanma yok 7. Elektronik çıkış ( tranzistör tristör, tiryak nedeni ile kontak çırpması yok ) 8. Elektronik devrelerde işlem yapmaya uygun sinyal Bu özellikleri karşılaştırdığımız zaman mekanik switchlere karsı indüktif yaklaşım anahtarlarının tüm bu özelliklerinin avantaj olduğunu açıkça görürsünüz. Yani, kontaksız sensörleri her tür durumda kullanmak, kullanıcıya avantaj sağlar. Sistemin güvenilirliği artar ve ayni zamanda işletme giderleri azalarak daha fazla verimlilik sağlanır. 3.6 İndüktif Sensörlerin Mekanik anahtarlara Göre Üstünlükleri a. Boyutlarının küçük olması nedeniyle mekanik anahtarların kullanılmayacağı yerlerde kullanılır. b. Her türlü konumda çalışabilir. c. Yüksek frekanslarda güvenle çalışma imkanı sunar, anahtarlama yapabilir. d. PLC lere doğrudan bağlanabilir. e. Mekanik aşınma ve temas olmadığı için uzun ömürlüdür. f. Nemli ve kirli ortamlarda çalışabilir. g. Mekanik anahtarlarda görülen kontakların kirlenmesi ve aşınması sonuçu oluşan kontak direnci, kontak kapanması sırasındaki titreşmelerin yarattığı sorunlar yoktur. Şekil 3.16 İndüktif Sensörün Metal Bir Cismi Algılaması 46

52 3.7 Montaj Metale gömülebilir tip yaklaşım sensörlerinin montajı Metal parçalara indüktif temassız algılayıcı monte ederken, temassız algılayıcının özelliklerinin, özellikle karakteristik değerlerinin değişmemesine özen gösterilmelidir. Birbirinden farklı iki temassız algılayıcı yapı şekli vardır: tek başına ve bir arada monte edilen temassız algılayıcılar. Şekil 3.17 Metale gömülebilir tip indüktif sensör Metale gömülebilir tip yaklaşım sensörlerinin yan yana montajı sırasında metal olmayan bir boşluğa gerek yoktur. Yan yana montaj sırasında, algılanacak metalin genişliği d < b < da olmalıdır. Metallere bir arada monte edilen temassız algılayıcılarda, elektromanyetik alanın aktif bölgeden sadece öne doğru dışarı çıkması, alınan konstrüksiyon tedbirleri ile sağlanır. Böylelikle temassız algılayıcının karakteristik özellikleri montaj etkilerinden korunur. Temassız algılayıcıların seri montajında, iki temassız algılayıcı arasında, en az her temassız algılayıcının çapına eşit olan bir uzaklık bulunmalıdır. Bu uzaklığın bulunması, temassız algılayıcıların karşılıklı olarak birbirlerini etkilemelerinin önlenmesi bakımından önemlidir. Temassız algılayıcının aktif yüzeyinin önündeki serbest bölge, kullanılan temassız algılayıcının anma anahtarlama aralığının en az üç katı olmalıdır (Üst taraftaki metale minimum uzaklık hem tek hem yan yana durumda en az 3 Sn olmalıdır). Serbest bölge temassız algılayıcı ile arka planda bulunan nesne arasında kalan aralıktır. Temassız algılayıcıların bir arada monte edilmesinin getirdiği avantaj, algılayıcıların, tertibatlarda çok kolay ve yer kazandıracak şekilde monte edilebilmeleridir. Bir arada montajın, tek başına montaja göre dezavantajı ise temassız algılayıcı gövdesinin dış çapının her iki durumda da aynı olmasına rağmen algılayıcıların bir arada montajda daha küçük bir anahtarlama aralığına sahip olmalarıdır. Bir arada monte edilmeyen temassız algılayıcılar, metal gibi karakteristik değerlerini değiştiren malzemelere monte edildikleri zaman, aktif yüzeyin tamamını çevreleyen bir serbest bölgeye ihtiyaç duyar. Bu tip temassız algılayıcılar plastik, tahta ya da metal olmayan diğer malzemelere, karakteristik değerlerinde herhangi bir değişim meydana gelmeyecek üzere bir arada monte edilebilir. Tek başına monte edilen temassız algılayıcılar genellikle bobin başının, gövdeden dışarı doğru durmasının yardımıyla tanınır. 47

53 3.7.2 Metale gömülemeyen tip yaklaşım sensörlerinin montajı Metale gömülemeyen tip yaklaşım sensörlerinin yan yana montajı sırasında metal olmayan bir boşluğa gerek vardır. Yan yana montaj sırasında, algılanacak metalin genişliği d < b < da olmalıdır. Şekil 3.18 Metale gömülemeyen tip indüktif sensör Minimum mesafeler TEK YAN YANA Algılama yüzeyinin üzerinde 3 Sn 3 Sn Algılama yüzeyinin yanında 2 Sn d Yandaki sensöre uzaklık 2d Yanal uzaklık d d Quasi Flush tip yaklaşım sensörlerinin montajı (qb) Quasi-flush ( kısmen metale gömülebilir ) ya da paralel montaj durumlarında aşağıdaki mesafelere uymanız önerilir: Boyut Mesafe [ mm ] a b c d Ø6, Ø M M M M

54 3.8 Algılama Mesafesi İndüktif anahtarların algılama mesafesi, sensör içindeki bobinin boyutu ile doğru orantılıdır. Bu da daha fazla algılama mesafesi için, daha büyük boyutlarda sensör demektir. Algılama mesafesi hedefin büyüklüğü, malzemesi ve ortam sıcaklığına bağlıdır. Ayrıca hedef cismin hissetme yüzeyine yaklaşım açısı, sensörün besleme gerilimi ve yük direnci de bu mesafeyi etkiler. Şekil 3.19 İndüktif Sensörün Yapısı 3.9 Hedef Büyüklüğü Hedef cismin ideal büyüklüğü, sensör çapına eşit yada algılama mesafesinin üç katı büyüklüğünde olmadır. Bu iki değerden büyük olanı hedef büyüklüğü olarak seçilir. Hedef kalınlığı 1 mm olarak kabul edilir Anahtarlama Frekansı Anahtarlama frekansı, hertz (hz) olarak ölçülür ve sensörün saniyede kaç kez on-off olabileceğinin ölçüsüdür. Özellikle hızlı algılama gereken uygulamalarda dikkate alınması gerekir Histerizis Hedefin sensöre yaklaşırken algılama yaptığı nokta ile, uzaklaşırken algılamanın sona erdiği nokta arasındaki mesafeye (Sensörün anahtarlama yaptığı aralıkla, hedef cisim geriye alınırken anahtarlamayı bıraktığı aralık arasındaki mesafeye) Histerezis denmektedir. Bu değer normal algılama mesafesinin (efektif algılama aralığının) yüzdesi olarak verilir. Histerezis +23 C ve çalışma geriliminin ±5V üzeri koşullar altında belirlenir. Efektif algılama aralığının %20 sinden küçük olmalıdır. H 0.2 Sr 49

55 3.12 Uygulama Alanları Düzeltme faktörü sayesinde analog sensörlerle aynı boyutlardaki farklı metalleri birbirinden ayırt etmek mümkündür. Her metalin düzeltme faktörü farklı olduğundan, her metalin algılandığı mesafe de farklıdır. Bu durum analog sensörlerin her metal için farklı bir gerilim değeri vermesine sebep olur ve çıkış gerilimindeki bu farklılık ile metalin cinsi bulunur. Şekil 3.20 Baw analog çıkışlı endüktif sensörler Parçaların izlenmesi, konum kontrolü Somunların doğru konumda olup olmadığının kontrolü. (montaj robotları) Şekil 3.21 Eğim Kontrolü Şekil 3.22 Boyut kontrolü 50

56 Şekil 3.23 Double Sensör Şekil 3.24 Makine takımlarında kullanılan BES Endüktif Sensörler 51

57 Şekil 3.25 Montaj ve Tezgahlar Şekil 3.26 Gıda ve Ambalaj Endüstrisinde kullanılan sensörler Bu makine otomatik olarak tanelerin boyutlarına göre sınıflandırılması için kullanılmakta.platform X ve Y eksenlerinde hareket ederek, parçaların çeşitli boyutlardaki oluklardan aşağı düşmesini sağlamaktadır. Amaç, Parçaların boyutlarına göre sınıflandırılarak derecelendirilmesi ve algılanan parçanın yerine yeni parçanın gönderilmesidir. Eskiden bu işlem platformun başında oturan bir operatör tarafından manuel olarak yapılmaktaydı. Testin hız ve doğruluğu operatörün parçayı güvenli bir şekilde platformdan uzaklaştırması ile sınırlanıyordu. Kullanılan çeşitli endüktif ve kapasitif sensörler derecelendirme işlemi için geri besleme sağlamak zorundaydı ve çalışma ortamı titreşimlerden dolayı oldukça zor şartlara sahipti, zorlu şartlara dayanabilecek sensörler seçildi. 52

58 Şekil 3.27 Bir taşıma bandı üzerinde yürüyen metal iş parçası taşıyıcısının saptanması Şekil 3.28 Bir kam kontrol biriminin indüktif temassız algılayıcılarla sorgulanması 53

59 Şekil 3.29 Dönüş sayısının ve dönüş yönünün saptanması (Kaynak: Fa. Turck) Şekil 3.30 İki adet indüktif temassız algılayıcı bir pnomatik döner tahrikin her iki son konumunu saptıyor. 54

60 Şekil 3.31 Valf yuvalarının yanal aktif bölgeli bir indüktif temassız algılayıcıyla sorgulanması Şekil 3.32 İki indüktif temassız algılayıcı bir sürgünün, sürme ekseni üzerindeki her iki son konumdan birinde bulunup, bulunmadığını kontrol ediyor. Temassız algılayıcılar sürgü plakasının altında yer alıyor. Şekil 3.33 Bir pnömatik ya da hidrolik silindirin piston kolunun sorgulanması 55

61 Şekil 3.34 Bir pres tablasının son konumunun sorgulanması Şekil 3.35 Bir robot kolunda olası iki sınır konumu indüktif yaklaşım anahtarı ile dokunmasız izlenir. 56

62 Şekil 3.36 Boru üretiminde daha sonraki işlemler için borunun gelişi indüktif yaklaşım anahtarı tarafından algılanır. Şekil 3.37 İndüktif yaklaşım anahtarı ile makine hızı izleme. Diskteki her diş dokunmadan ve doğrudan algılanır ve böylece ayrıca ek mekanik bağlantıya gerek kalmaz. 57

63 Şekil 3.38 Otomobil Montaj hattında kullanılan indüktif yaklaşım anahtarı Şekil 3.39 İndüktif yaklaşım anahtarı ile devir ölçümü 58

64 Şekil 3.40 Otomobil montaj hattında kullanılan indüktif yaklaşım anahtarı Şekil 3.41 İndüktif yaklaşım anahtarının limit switch olarak kullanılması 59

65 Şekil 3.42 İndüktif yaklaşım anahtarı ile metal kapak kontrolü Şekil 3.43 İkili indüktif yaklaşım anahtarı ile küresel vanada pozisyon kontrolü 60

66 Şekil 3.44 indüktif yaklaşım anahtarı ile elevatörde kayma ve dönme hızı tespiti 61

67 4. KAPASİTİF SENSÖRLER 4.1 Tanımı Metallerin yanı sıra plastik, tahta, kağıt, kumaş vb. malzemeleri algılayan sensör çeşididir. Bu sensörler ilke olarak indüktif sensörlere benzer. Fiyatları indüktif sensörlerden daha pahalı, optik sensörlere göre hemen hemen aynıdır. Algılama mesafeleri indüktif sensörlere göre daha fazladır. Otomasyon sistemlerinde mekanik temas sonucu sinyal gönderen anahtarlardan kaçınılmalıdır. Çünkü; temas sonucu aşınma oluşur. Buda problemlerin artması sonucunu doğurur. Şekil 4.1 Kapasitif Sensörün Sembolü Bu sensörler de dört temel bölümden oluşur. Bunlar: a. Sensör (di elektrik plaka) b. Osilatör ünitesi c. Dedektör devresi d. Solid-state çıkış devresi 4.2 Kapasitif Yaklaşım Anahtarlarının Çalışma İlkesi Kapasitif yaklaşım anahtarı, bir kapasitörün elektrik alanına yaklaşan cismin neden olduğu kapasite değişikliğini algılayan switch tir. Şekil 4.2 de bir plaka kondansatör elektrik alanı görülmektedir. Elektrik alanının en yoğun olduğu kısım sadece hedefin giremeyeceği bölgedir. Yoksa, birbirine bakan iki plakadan oluşan yapı gerekli olacaktır. Fakat bu plakaların çalışma ilkesinden yararlanabilmek için plaka kapasitör, Şekil 4.3 veya şekil 4.4' de görüldüğü gibi geliştirilmiş ve sensörün bir tarafında toplanmıştır. Bu durumda, elektromanyetik alan içine yaklaşan bir cismin yarattığı 0.1 pf dolaylarındaki çok küçük kapasite değişimleri uygun olan bir yöntemle değerlendirilmeli ve bir sayısal anahtarlama sinyaline dönüştürülmelidir. Şekil 4.2 Şekil

68 Şekil 4.4 Bu kapasitif, bir osilatör devresinin parçası olarak geliştirilmiştir ve kapasitörün değeri öyle bir şekilde seçilmiştir ki bir cisim olmadığı için etkilenmeden salınıma geçemeyecek büyüklüktedir. Fakat bir cisim elektromanyetik alan içine girerse, kapasite hafifçe artar ve osilasyon koşulu gerçekleşir. Osilatör yüksek genlikle salınmaya başlar. İndüktif yaklaşım anahtarlarında olduğu gibi düşük ve yüksek salınım genliği arasındaki fark veya bozulan salınım devre tarafından değerlendirilir ve sayısal çıkışa dönüştürülür. Normal çevre koşullarında ve açık alanda, etkin yüzey üzerinde nem yoğuşması veya toz birikmesi önlenemez. Bu nedenle kapasitif yaklaşım anahtarlarında birleştirilmiş iki elektroda ek olarak ( Şekil 4.2, 4.3 veya 4.4) yoğuşmanın veya kirlenmenin oluşturacağı kapasite değişimlerini kompanze etmek için devreye bir de kompanzasyon elektrotu konulmuştur Kapasitif sensörün elektromanyetik alanı Kapasite değişikliğinin büyüklüğü aşağıdaki etkenlere bağlıdır: Etkin yüzey önündeki cismin uzaklığı ve konumu Cismin boyutları ve şekil Cismin di elektrik katsayısı Bu nedenle, kapasitif yaklaşım anahtarı, plastik, cam, seramik veya su, yağ- gibi sıvı kötü. İletken veya iletken olmayan malzemeleri algılayabilir. Ayrıca, şüphesiz ki topraklanmış veya topraklanmamış tüm iletken malzemeleri algılar. Bir potansiyometre yardımı ile yapılan ince hassasiyet ayarı belirli malzemeleri algılayabilmesini sağlar (Şekil 4.5). 63

69 Şekil 4.5 Kapasitif yaklaşım anahtarının kesiti ( KI tip) 4.3 Kapasitif Yaklaşım Anahtarının Özellikleri Yukarıda anlatılan Çalışma ilkesinden kapasitif yaklaşım anahtarının şu önemli özellikleri çıkarılabilir: Dielektrik katsayısına bağlı olarak kapasitif yaklaşım anahtarı iletken olmayan veya iyi iletken olmayan tüm malzemeleri algılayabilir. İndüktif yaklaşım anahtarlarında olduğu gibi çalışma ilkesi hedefin hareket etmesinden etkilenmez. Belirleyici olan uzaklıktır, hedef cismin yüzeyi önemli değildir. Kapasitif yaklaşım anahtarı plakalar arası sadece birkaç volt gerilimle çalışabildiğinden ve yalnızca birkaç mikro watt enerji harcadığından switch yakınlarında hiçbir statik elektriklenme yapmaz ve RF gürültüsüne neden olmaz. Pratik olarak hedefe hiç bir etki yapmadan çalışır. Uzaklıkla kapasite değişimi arasındaki ilişki, İndüktif yaklaşım anahtarları için görünür direnç değişimini gösteren Şekil 4.6 daki gibi, açıkça doğrusal değildir. Bu nedenle kapasitif sensörde ideal olarak bir sayısal anahtar için uygundur. Şekil 4.6 Sensörün ucu ile hedef plaka arasındaki mesafenin (S) bir fonksiyonu olarak sensör kapasitesi değişiminin (C) tipik eğrisi 64

70 Şekil 4.7 Kapasitif sensörler Şekil 4.8 Kapasitif sensörün hedef cismi algılaması 4.4 Özellikleri a. Metal olmayan parçaları da algılayabilir. b. Cam ve plastik gibi metal olmayan kapların diğer tarafındaki cisimleri algılayabilir (seviye kontrol işlemleri vb.) c. Sayma işlemlerinin gerektirdiği hızlı anahtarlama fonsiksiyonlarını sağlar. d. Solid-state çıkış devreleri, temassız algılamayla çıkış sinyali üretir. e. Mekanik sınır anahtarlarının algılayamayacağı kadar küçük yada hafif parçaları algılayabilir. f. Sınırsız sayıda operasyon çevrimi ile yüksek çalışma ömürlerine sahiptir. Belirtilen özelliklere nazaran kapasitif sensörler nem ve rutubetten etkilenir. Bu sensörlerde etkili algılama mesafesi sensör üzerindeki bir ayar vidası yardımıyla ayarlanabilir. Sensör Çapı İndüktif Algılama Kapasitif Mesafesi Algılama Mesafesi Şekil 4.9 Algılama Mesafesine Göre Çekilen akım Değeri 65

71 4.5 Uygulama Örnekleri Şekil 4.10 Kapasitif sensörün çeşitli maddelerin (sıvı, toz)seviye kontrolünde kullanılması Şekil 4.11 Rollar üzerindeki cam plakayı algılayan bir kapasitif yaklaşım anahtarı Şekil 4.12 İki kapasitif yaklaşım anahtarı PVC cidarların arkasından tank seviyesini algılar ve kontrol eder. 66

72 Şekil 4.13 İki kapasitif yaklaşım anahtarı ile silo seviye kontrolü. Şekil 4.14 kapasitif yaklaşım anahtarı ile siloda dolum kontrolü 67

73 Şekil 4.15 kapasitif yaklaşım anahtarı ile seviye kontrolü Şekil 4.16 manyetik yaklaşım anahtarı ile pnomatik silindirin pozisyon kontrolü 68

74 5. ENDÜKTİF VE KAPASİTİF SENSÖRLER İÇİN ORTAK TANIMLAMALAR 5.1 Sinyal İşleme Ve Çıkışlar Şekil 5.1 ve 5.2 nin sol tarafında ana indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları gösterilmiştir. Bu sensörler osilatör devresinin bir parçası olarak sırasıyla yüksek ve çok düşük genlikli osilasyon frekansı üretirler. Bundan faydalı bir anahtarlama sinyali elde etmek için aşağıda kısaca anlatıldığı gibi başka işlemlere gerek vardır. Şekil 5.1 İndüktif yaklaşım anahtarı blok çizimi Şekil 5.2 Kapasitif yaklaşım anahtarı blok çizimi 69

75 İlk olarak osilasyon genliğindeki değişim bir anahtarlama sinyaline dönüştürülmelidir. Bu, osilasyonun doğrultulması ve süzülmesi ile yapılır, daha sonra eşik tetikleme ( Schmitt trigger) devresine iletilir. Bu, hedefin yaklaşması ile akımın akması veya akmaması gibi iki olası anahtarlama konumu sağlar. Eğer cisim tam olarak anahtarlama noktasında olursa, çıkışın iki anahtarlama konumu arasında gidip gelme tehlikesi olacaktır. Bu, elektronik olarak üretilen kesin olarak belirlenmiş bir histerisis tarafından önlenir. Programlama aşaması çoğu switchte değerlendirme aşamasına bağlanmıştır. Bir switchte normalde açık veya normalde kapalı anahtarlama fonksiyonu vardır. Ayrıca gerilimin ilk uygulanışında yanlış bir sinyal almamak için gereken önlem alınmalı ve doğru çalışma garanti edilmelidir. Kontaksız yarıiletken switch, çıkış sinyalinin anahtarlanması için piyasadaki en yaygın çözüm olmuştur. Ömür, açma kapama sayısı, çalışma frekansı ve kontak kayıpları açısından mekanik switchlere karşı önemli avantajları vardır. Önemsiz dezavantajları olan; açık konumundaki kaçak akım, kapalı konumundaki gerilim düşümü ile aşırı gerilim ve akıma karşı hassasiyetleri tolere edilebilir ve uygun koruma yöntemleri ile önlenebilir. Kullanılan yarı iletken anahtar tipleri : transistör, tristör ve triyaktır. Öte yandan varistör veya zener diyot gibi ani gerilim darbelerini sınırlayabilen özel elemanlarla gerilim darbe koruması da eklenen korumalara dahil edilir. Daha da ötesinde yanlış bağlantıya karşı switchi korumak için gerekli olan ters polarite koruması da vardır. Eğer switch 55 VDC Çalışma gerilimine sahipse standart uygulamada yarı iletken, yanlış bağlantı veya yetersiz izolasyondan oluşabilecek aşırı akıma karşı da korunmuştur Programlanabilir anahtarlama fonksiyonu ( normalde açık / normalde kapalı ) Şekil 5.3 Jumper ile Programlama 70

76 Şekil 5.4 Kablo ile programlama Şekil 5.5 Bağlantı terminalinden programlama Kısa devre veya aşırı yük durumunda çıkışın tepkisi Çoğunlukla Şekil 5.6' da detaylı gösterilen otomatik bakma biçiminde, tam otomatik kısa devre koruması olan darbe çözümlemesi kullanılır. Kısa devre veya aşırı yük kalkar kalkmaz yada birkaç milisaniye sonra sensör yeniden çalışır. Şekil 5.6 Otomatik bakma yöntemi ile aşırı yük ve kısa devreye karşı darbeli koruma Sensörün işlevini yerine getirebilmesi için ana sensör ve elektronik devrenin enerjisi iki farklı yöntemle sağlanabilir. Tablo 10 da gösterildiği gibi 3 veya 4 kablo ilkesini kullanarak; burada enerji, anahtarlama konumundan bağımsız olarak ve yükten etkilenmeden ek bir bağlantı tarafından sağlanır. Öte yandan, Tablo 10 da gösterilen iki kablo teknolojisi, mekanik switch yerine doğrudan kolayca yaklaşım anahtarı bağlama avantajını kullanma çabasını yansıtır (yani switchi çalıştırmak için hiçbir ek güç kaynağı gerektirmeyen kolay bağlantı). indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarlarının ana sensörlerinin sadece çok az bir enerji harcamalarından dolayı, sürekli olarak açık konumda çok az bir kaçak akım ve kapalı konumda az bir gerilim düşümü ile anahtarlama özelliği ve yük etkilenmeden sensöre yeterli gücü sağlamak olasıdır. 71

77 Tablo 10 Bağlantı şekilleri iki kablo teknolojisi üç kablo teknolojisi dört kablo teknolojisi eşlenik anahtarlama 5.2 Yapı Şekilleri Ve Mekanik Montaj Endüstride kullanılan indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları sıklıkla zor çevre koşulları ile karşılaşırlar. Bu nedenle, sensörlerin güvenle çalışabilmeleri sıcaklık, soğuk, toz, vibrasyon, nem, aşındırıcı sıvılar ve gazlar gibi çevre etkilerine karşı alınan önlemlere bağlıdır. Dolayısıyla bu tür çevre koşullarına dayanıklı muhafaza içine yerleştirilmeleri gerekir. Kural olarak, muhafaza için kullanılan malzeme yüksek kimyasal dayanımı ve yüksek yalıtkanlık kalitesi olan cam elyafı ile kuvvetlendirilmiş plastiktir. Vidalı tiplere sıklıkla bağlantı ve montaj için muhafazayı güçlendiren bir metal ceket (nikel kaplı pirinç) giydirilmiştir. Bugün üretilen ve kullanılan yaklaşım anahtarlarının büyük bir yüzdesi ya mekanik switch yerine doğrudan bağlanabilecek bir yapıya sahip yada CENELEC adı verilen 72

78 uluslararası bir standarda uygun olan özel yaklaşım anahtarı tasarımı yapı şekilleridir. Diğerlerinin yanında bu, aynı çalışma ilkesine sahip fakat geleneksel anlamda yaklaşım anahtarı olmayan yarık sensör veya yüksük sensörleri de içerir. Elektromanyetik alanın özel dağılımı nedeniyle yüksek frekansın istendiği yerlerde tercihli olarak kullanılırlar. Yüksük sensörler özellikle bilye, çivi, vida gibi küçük cisimleri algılayabilirler. Özel uygulamaya ait özel bir tasarım örneği de yaya geçidi trafik lambaları için aşınmayan kapasitif sensördür. Elektriksel bağlantı sistemleri acısından üç grup vardır: kablolu tipler bağlantı terminalli tipler hazır çok sayıda uygun soket olan fiş bağlantılı tipler Çeşitli yaklaşım anahtarı bağlantı yöntemleri Şekil 5.7 Kablolu, soketli ve terminal bağlantılı tipler Bir yaklaşım anahtarının sinyal işleme devresi ve ana sensörü, ya elektronik elemanlarla geleneksel baskılı devre üzerinde yada yüzeye monte edilen elemanlarla (SMD) esnek veya seramik taşıyıcı üzerinde oluşturulmuştur. Elektronik devre muhafaza içine yerleştirildikten sonra yaklaşım anahtarının tüm işlevleri test edilir ve geride kalan tüm boş1uk reçine ile doldurulur. Reçine doldurulduktan sonra muhafaza mekanik olarak daha dayanıklı olur, elektronik devreyi vibrasyona karşı korur, toz ve nem girişini önler. Bu önlemler aşırı çevre koşullarında emniyetli çalışmayı garantiler. 73

79 5.3 Uygulamada Dikkat Edilecek Noktalar Algılama mesafesi ve algılanabilir cisimler Daha önce belirtildiği gibi İndüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları dokunma olmadan çalışırlar. Hedef cisim sadece sensöre yaklaşmalıdır. Fakat "sensöre yaklaşmak" ne demektir? Yaklaşım anahtarının emniyetli bir biçimde cismi algılayabileceği bu mesafe (yani algılama mesafesi) aşağıda detayları açıklanacak koşullara bağlı olan, yaklaşım anahtarının bir parametresidir. İndüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarının algılama mesafesi hedef cismin boyutları, kalınlığı ve malzemeye bağlıdır. Ek olarak, algılama mesafesi çalışma koşullarının değişmesi (Sıcaklık farklılığı, çalışma gerilimindeki değişimler) ve aynı tipten farklı sensörlerde ortaya çıkabilecek farklılıklara (bireysel değişimler) bağlıdır. Karşılaştırılabilir algılama mesafesi değerleri elde etmek amacıyla indüktif yaklaşım anahtarları için standart bir hedef plaka tanımlanmıştır. Şekil 5.8 Euro-Norm 'a göre bir plaka yaklaşım anahtarı algılama mesafesi Bu hedef plaka standardı ve ölçüm yöntemi Avrupa Standardı EN 50010'da tanımlanmıştır. Standart hedef plaka dikdörtgen şeklinde ve 1 mm kalınlıktadır. Hedef plakanın kenar uzunluğu, en az sensör etkin yüzeyinin çapı kadar veya daha büyük ise nominal algılama mesafesinin 3 katı kadardır. Yumuşak çelik, hedef plakanın malzemesi olarak tanımlanmıştır. Bu nedenle her bir sensörün yalnızca algılama mesafesi belirlenen çevre koşulları altında verilmiştir. Yaklaşım anahtarları üretiminde üreticiler kesin belirli sınırlamalara (EURO-Norm' da tanımlanan) uymak zorundadır. Tüm Sensörler çevre koşullarının değişmesi durumunda veya bireysel değişimlerde bunlara kesin bağlı kalmalıdır. Teknik verilerde gösterilen nominal algılama mesafesi Sn sadece karakteristik bir değer olup üretim toleranslarının veya sıcaklık ve gerilim gibi diğer etkenlerin etkisini hesaba katmaz. Gerçek algılama mesafesi Sr daha önemlidir. Bu mesafe nominal çalışma geriliminde ve yaklaşık 20 oc ortam sıcaklığında 74

80 belirlenmiştir ve nominal algılama mesafesinden + % 10 değişebilir. Gerçek algılama mesafesi tipik bireysel değişimleri hesaba alır. Ayrıca, eğer gerilim ve sıcaklık değişimleri olursa yani teknik verilerde garanti edilen ortalama sıcaklık ve gerilim değerinde değişiklik olursa yaklaşım anahtarının algılama mesafesi yine en fazla gerçek algılama mesafesinden + % 10 değişebilir. Bu algılama mesafesi faydalı algılama mesafesi olarak adlandırılır ve nominal algılama mesafesinin katı arasındadır. Çoğunlukla alt limit (yani 0.81xSn) kullanıcı için daha önemlidir. Örneğin en kötü koşullar altında 10 mm olan nominal algılama mesafesi 8.1 mm olacaktır. Bu nedenle kullanıcı için elde edilebilen minimum çalışma algılama mesafesi Sn verilmiştir. Her yaklaşım anahtarı bu çalışma algılama mesafesi içerisinde çalışmalıdır. Yaklaşım anahtarının emniyetli bir şekilde açıp kapaması için hedefin yapması gereken hareket, açma noktası ile kapama noktası arasındaki farkın (histerisis) sonucu olan birkaç mm'lik kurs mesafesidir. Eğer cisim eksenel değil de açısal olarak, örneğin yan taraftan, yaklaşırsa kesin açma ve kapama noktası elektromanyetik alanın dağılımına bağlıdır. Üretici firmalar kataloglarında genellikle şekil 20'dekine benzer bir açma-kapama eğrisi verirler. Kolaylıkla görü1ebileceği gibi açma noktası ile kapama noktası arasındaki kurs mesafesi, hedef plaka açısal olarak yaklaşırsa önemli ölçüde kısalır. Çalışma frekansı da artar. Bu nedenle, örnek olarak konumlandırma işlemleri için tercih edilen yön bu olmalıdır. Şekil 5.9 Hedef plakanın açısal yaklaşımında 1- açma ve 2- kapama eğrisi 75

81 5.3.2 Hedef genişliği düzeltme katsayısı Şekil 5.10 Standart olmayan hedef plaka için düzeltme katsayısı K r eğrisi EN de belirtilen standart plaka yerine daha küçük veya kare olmayan başka bir şekilde hedef kullanılırsa çalışma mesafesi şekil katsayısı ile düzeltilmelidir. Aşağıdaki şekil Standarttan ayrılan kare şekiller için bu düzeltme katsayılarını gösterir tipik eğriden görüleceği gibi daha plakalar için algılama mesafesi oldukça kısalırken daha büyük plakalar için çok az bir artış olur Malzeme düzeltme katsayısı Şekil 5.11 Çeşitli malzemelerin iletkenliklerinin x bir fonksiyonu olarak düzeltme katsayısı K.(İndüktif switch, osilatör frekansı 200 khz.) 76

82 Hedef plaka, Standartta belirtilen yumuşak çelik yerine başka bir malzeme olursa da algılama mesafesi düzeltilmelidir. İndüktif yaklaşım anahtarlarında düzeltme katsayısı doğrudan doğruya malzemenin iletkenliğine bağlıdır. Hedef malzeme içinden girdap akımları aktığı için kayıplar doğrudan iletkenliğe bağlıdır. Şekil 5.11, bakır ve alüminyum gibi iyi iletken malzemelerin daha kısa algılama mesafelerine sahip olduklarını göstermektedir. Granitteki iletkenlik ve demirdeki ferromanyetizm, osilatör devresinde daha fazla girdap akımı kayıplarına neden olduğu için elde edilebilir algılama mesafesi de daha fazla olur. İndüktif yaklaşım anahtarları için algılama mesafesiyle malzeme arasındaki bağıntı şekil 5.11' de görülmektedir. Eğri, farklı diamanyetik ve para manyetik malzemeler için teorik değerleri gösterir. Gösterilen noktalar ise gerçekte ölçülen değerlerdir. Görüleceği gibi yaklaşık / m iletkenlikte düzeltme katsayısı en büyük değerdedir. Daha az iletkenlik daha kısa algılama mesafesi sağar. Bunun anlamı, iletkenliği yaklaşık olarak / m olan su veya daha az iletken malzemeler algılanamaz. Demir bir ferromanyetik malzeme o1duğu için en büyük katsayıya sahip noktaya yakındır. Ferromanyetizm sensör alanının yayılma derinliğini birkaç mikronda sınırladığı için malzemenin iletkenliği azalmış gibi görülür, Sonuç olarak demir,çelik veya ferritimsi alaşımlar daha kolayca algılanabilirler. Kapasitif yaklaşım anahtarlarında, malzeme katsayısı sensör ucundaki kapasitörün değer değişimine bağlıdır. Bu kapasite ne kadar çok değişirse malzeme o kadar kolay algılanır. Bu nedenle düzeltme katsayısı doğrudan doğruya malzemenin bağıl dielektrik katsayısına bağlıdır (Şekil 5.12). Şekil 5.12' de metaller gibi iletken malzemeler dikkate alınmamıştır. İletkenlerin düzeltme katsayıları her zaman 1' dir, yani olası en büyük algılama mesafesine ulaşılır. (Farklı malzemelerin bağıl di elektrik katsayısının r bir fonksiyonu olarak düzeltme katsayısı K w (kapasitif switch osilatör frekansı yaklaşık 300 khz.)) Şekil 5.12 Farklı malzemelerin bağıl di elektrik katsayısının r bir fonksiyonu olarak düzeltme katsayısı K w (kapasitif switch osilatör frekansı yaklaşık 300 khz.) 77

83 5.3.4 Malzeme kalınlığı düzeltme katsayısı İndüktif yaklaşım anahtarları için EN 50010' da Standart plaka kalınlığı 1 mm olarak tanımlanmıştır. Fakat malzeme, metal folyo gibi ince olursa malzeme düzeltme katsayısına göre beklenenden daha uzun algılama mesafeleri elde edilebilir. Bunun nedeni den etkisi adi verilen sensör elektromanyetik alanının malzeme içindeki yayılma derinliğidir. Tablo 11 Osilatör frekansı 100 khz. de indüktif sensör alanının yayılma derinliği Malzeme [mm] Demir (dinamo sacı) yaklaşık 0.02 Gümüş 0.2 Bakır 0.2 Alüminyum 0.3 Çinko 0.4 Pirinç 0.4 Kurşun 0.7 Farklı iletken malzemeler için sınır kalınlık değerleri, bu değerlerin altında beklenen algılama mesafesi daha uzundur Montaj Çalışma ilkesi manyetik veya elektromanyetik alanın sensör ön tarafında biçimlenmesi olayına bağlıdır. Her zaman için bu alanın sadece hedef cisimden etkilenmesi ve switche yakın diğer cisimleri algılamaması önlenemez. Yaklaşım anahtarının doğru çalışması için sensör kafa tarafının etrafında algılanabilir malzeme olmamasının garanti edilmesi gerekir. Yani indüktif yaklaşım anahtarlarında bu alanda iletken malzeme olmamalı ve kapasitif yaklaşım anahtarlarında bağıl dielektrik katsayısı yüksek hiçbir malzeme olmamalıdır Silindirik tiplerin montajı EURO-Norm' una göre indüktif yaklaşım anahtarının metal içine gömülebilir veya gömülemez (flush veya nonflush) montajında aşağıdaki noktalara dikkat edilmesi gerekir. Tablo 12 Silindirik tiplerin montajı gömülebilir montaj (f) Yaklaşım anahtarının etkin yüzeyi metal içine gömülebilir 78

84 gömülemez montaj (nf) d=yaklaşım anahtarının çapı s n =nominal algılama mesafesi Yaklaşım anahtarının etkin yüzeyi etrafında en az çizimde gösterildiği kadar boş alan bırakılmalıdır. En çok yaygın olan silindirik tip indüktif yaklaşım anahtarına ilişkin montajı gösteren Tablo 12, sensörün kenarlarında bırakılması gereken boş alanı verir. Yukarıdaki açıklığın sağlanamayacağı her yerde gömülebilir (flush) tip switchler kullanılmalıdır. Bu tiplerde yaklaşım anahtarının etkin yüzeyi metal içine gömülü monte edilebilir. Daha önce gösterildiği gibi bu tiplerin elektromanyetik alanları öyle bir şekilde ekranlanmışlardır ki sadece göz ardı edilebilir bir miktarı etkin yüzeyin kenarlarına taşar. Bu nedenle, bu tipler yanal yaklaşımlara duyarlı değildir. Avantaj olan bu ekranlamanın aynı zamanda bir de dezavantajı vardır: aynı boyuttaki gömülemez tiple karşılaştırıldığında gömülebilir yaklaşım anahtarları daha kısa algılama mesafelerine sahiptir. Switchin tipine bağlı olarak algılama mesafesindeki bu azalma nominal algılama mesafesinin % 50' sine kadar çıkabilir. Eğer birkaç tane ayni tip yaklaşım anahtarı birbirine yakın olarak montaj edilecekse sensörler arasında bırakılması gereken minimum açıklık vardır. Burada da Tablo 12' de gösterilen açıklıklar bir kural olarak alınmalıdır. Şüphe durumunda üreticinin kataloglarına başvurulabilir. 79

85 Silindirik tiplerin montajı -2 Aynı tip yaklaşım anahtarları karşılıklı veya yan yana bağlanacaksa bırakılması gereken en az mesafelere uyulmalıdır. Tablo 13 Silindirik tiplerin montajı -2 İndüktif indüktif (gömülemez) indüktif (gömülebilir) D=yaklaşım anahtarının çapı s=nominal algılama mesafesi Kapasitif Ayrıca ortak etki mesafesi üretimden kaynaklanan osilatör frekansındaki rasgele farklılıklara bağlıdır. Genellikle çok özel bir durumda açığa çıkmadıkça veya switch değiştirilmedikçe bu etki fark edilmez. Eğer şekilde Gösterilen minimum açıklıklara uyulamayacaksa üreticiler osilatör frekansı belli bir miktar değiştirilmiş özel switchler sağlayabilirler. 80

86 5.3.6 Çevre koşulları Sensörler normal olarak üretim hatlarındaki makinelerin daha az korunmuş yerlerinde kullanıldıkları için sıcaklık, soğuk, darbe, vibrasyon, toz, nem, kimyasal aşındırıcı sıvılar gibi zor çevre koşullarına doğrudan maruz kalırlar. Bu nedenle böyle zor koşulların yol açtığı bozukluklara karşı korunmaları gerekir. Üretici firma katalogları sorun olmadan sensörlerin kullanılabileceği çevre koşullarını ve uygulama bilgilerini verir Ortam sıcaklığı : Ortam sıcaklığı deyimi yaklaşım anahtarının etrafının sıcaklığı için kullanılır. Genel olarak yaklaşım anahtarları için izin verilen ortam sıcaklığı - 25 ile + 80 oc arasıdır. Bu sınırlar dışına taşan kısa süreli küçük değişimler switch tarafından tolere edilebilir Darbe ve vibrasyon kuvvetleri : Daha önce sözü edildiği gibi yaklaşım anahtarlarında hareketli hiçbir parça yoktur ve tümüyle reçine ile doldurulmuştur. Bu nedenle tüm darbelere ve vibrasyona karşı aşırı bir dayanımı vardır. Yer çekiminin (g) neden olduğu ivmenin 30 katı izin verilen maksimum darbe kuvveti ve 1 mm genliğinde 55 Hz. 'e kadar olan frekanslardaki vibrasyon maksimum vibrasyon kuvveti olarak alınabilir Yabancı cisimler ve toz : İndüktif yaklaşım anahtarları hiçbir şekilde iletken olmayan malzeme tozu birikiminden etkilenmez. Hatta girdap akimi kayıplarına yol açan küçük metal kıymıkları bile switchin hatalı çalışmasına neden olmaz. Kapasitif switchlerde ise çok küçük toz parçaları bile hatalı çalışmaya neden olabilir. Bu nedenle toz ve nemin etkisini kompanze eden kompanzasyon elektrotu bulunan sensörler vardır. Bu tip kapasitif yaklaşım anahtarları çok fazla kirlenmenin olduğu yerlerde de kullanılmaya uygundur. Uluslararası Standart (EN 40050) elektrikli araçların koruma derecesini tanımlamakta kullanılır ve yaklaşım anahtarı üreticisi firmalar bu standarda göre switchlerin koruma sınıfını belirler (örneğin IP 67). IP "International Protection"in (Uluslararası Koruma) kısaltmasıdır. ilk rakam yabancı cisimlerin girişine ve temasına karşı koruma derecesini gösterir. Örneğin 6 rakamı, en ince tozun girişine ve tümüyle temasa karşı koruma anlamındadır. Koruma sınıfı tanımlama yöntemi IP 'nin ikinci rakamı, switchin ne derecede sulu bir ortamda çalışabileceğini gösterir Nem ve su : Yukarıda sözü edildiği gibi indüktif yaklaşım anahtarının algılama işlevi su, nem, sis veya buhardan etkilenmez. Öte yandan kapasitif yaklaşım anahtarı suyun yüksek di elektrik katsayısı nedeni ile su ve tüm su içeren cisimleri algılar. Sadece kompanzasyon elektrotu bulunan tipler, çalışmalarında sorun olmadan bir film şeklinde nem yoğuşmasını kompanze edebilir. Bununla birlikte emniyet acısından Yaklaşım anahtarının nem girişine karşı ne derecede korunduğu önemlidir. Bu, koruma sınıfı tanımlama yöntemi IP' nin ikinci rakamında gösterilir. örneğin; 7 rakamı, 30 dakika süreyle 1 m derinliğindeki su içerisine yaklaşım anahtarı daldırıldığında zarar verecek miktarda suyun switche giremeyeceğini gösterir. Genellikle yaklaşım anahtarları elektrik bağlantı şekillerine (kablolu, soketli, terminal bağlantılı) bağlı olarak IP65 ve IP67 koruma sınıfında olurlar Kimyasal etkiler : Katı, sıvı veya gaz biçimindeki kimyasal maddelerin yaklaşım anahtarının içinde bulunduğu ortamı etkilediği her yerde switch muhafazası ve kablosunun bu maddelere karşı yeterince dirençli olup olmadığının çok iyi bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. Çok yaygın olan cam elyafı ile güçlendirilmiş plastik ve metal ceketle kaplanmış tipler bile kimyasal maddelerden etkilenmiş ortamlarda kullanılmaya uygundur. Özellikle zor koşullardaki uygulamalar için korozyona dayanımlı paslanmaz çelik veya teflon özel muhafazalar da vardır. 81

87 Elektromanyetik etkiler : Yaklaşım anahtarlarının kullanıldığı endüstriyel ortamlarda, elektromanyetik etkiler değişebilir ve yüksek enerji seviyelerinde olabilir. Örneğin; radyo vericileri, enerjideki anahtarlama işlemleri indüktif yükleri anahtarlama veya yıldırım. Radyo dalgalarının dalga boyu ile karşılaştırıldığında sensörün küçük boyutları nedeni ile bu tür periyodik etki çok az bir tehlike oluşturur. kısa süreli geçici etkiler yaklaşım anahtarlarına yüksek bağışıklık veren devreler yardımı ile süzülebilir. Etkinin olabileceği diğer bir noktada kablodur. Eğer switch kablosu uygun bir şekilde çekilmemiş ise kablo, radyo dalgalarını alan bir anten gibi davranabilir veya kendisine paralel çekilen diğer kablolardaki geçici gürültüleri kapabilir. Bu durumda süzücü devreler kullanılabilir Diğer etkenler : Çoğu diğer tip sensörlerle karşılaştırıldığında indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları ses ve ışıktan etkilenmez. Yaklaşım anahtarının bağışık olmadığı tek etki X ışını ve radyasyondur. Elektrik kaynağının yarattığı gibi çok yakındaki güçlü manyetik alan indüktif yaklaşım anahtarının işlevini zorlaştırabilir. Bu tür uygulamalar için kaynağa (akıma) dayanıklı tipler vardır. 5.4 Elektriksel Veriler Güç kaynağı ve yük Yaklaşım anahtarları iki kablolu, üç kablolu veya dört kablolu teknoloji adı verilen tiplerde bulunur (Tablo 10). Üç kablolu ve dört kablolu switchlerde çalışma gerilimi L+ ve L- (UB ve 0 V) arasına uygulanır ve anahtarlama sinyali çıkışa ek bir kablo üzerinden iletilir. İki kablolu switchlerde çalışma gerilimi, yaklaşım anahtarı ve ona seri bağlı yüke ortak uygulanan gerilimdir. Bu durumda yük iç direnciyle orantılı gerilim düşümü dolayısıyla yaklaşım anahtarı uçları arasında daha az gerilim vardır. Endüstriyel sistemlerde yaygın çalışma gerilimleri 24 V, 110 V ve 220 V dur. DC ve AC tipler vardır. 12, 48 veya 60 V gibi diğer çalışma gerilimleri çok yaygın değildir. Bir fabrikada tam çalışma gerilimini sağlamak oldukça zordur ve uygulamada büyük oynamaların olması normaldir. Bu nedenle yaklaşım anahtarları için yaygın uygulama, switchin doğru olarak çalışacağı, olabildiğince geniş bir çalışma gerilimi aralığı vermektir (10-55 VDC veya VAC gibi). Genel olarak DC tiplerde, verilen çalışma gerilimi değeri sınırları içinde olduğu takdirde gerilimdeki oynamalara ve kaçak akıma izin verilebilir. AC tiplerde harmonik içeriği yaklaşık % 10 u aşmamalıdır Elektriksel koruma Çoğu DC yaklaşım anahtarında kısa-devre, ters polarite ve aşırı yük koruması vardır. Ters polarite ye karşı koruma, yaklaşım anahtarına zarar vermeden uçlarının ters çevrilebi1eceği anlamındadır. Fakat her türlü yanlış bağlantıda switchin doğru olarak çalışması beklenemez. Ek olarak ters polarite koruması olan tüm switchlerde üç kablolu tipler için kısa devre korumasının olması gerekir yoksa 0 V ile çıkış ucunun karıştırılması durumunda switch yanar. Günümüzde çağdaş teknoloji tamamıyla otomatik çalışan kısa devre koruması (Bkz. şekil 16) kullanmaktır ve bu, çıkışın aşırı yüklendiği sürece kapamamasını sağlar. Eğer kısa devre kalkarsa switch otomatik olarak işlevini yerine getirir. Yaklaşım anahtarının çalışabileceği maksimum akım ile kısa devre korumasının etkili olacağı akım arasında değişken bir fark vardır. Bu fark veya "aşırı yük aralığı" malzeme toleranslarından dolayıdır. Eğer bu gerilim aralığında, her tür zaman sürecinde ve tüm çalışma sıcaklığı aralığında çalışabilirse yaklaşım anahtarı aşırı yük korumalıdır. 82

88 5.4.3 Seri ve paralel bağlantı Programlanabilir mantık denetleyicilerin (PLC) kullanımının hızla yaygınlaştığı günümüzde bile bir kaç tane yaklaşım anahtarını birbirine seri yada paralel bağlama çoğu uygulama için oldukça faydalıdır. Örneğin; çok büyük bir fabrikada switchler lokal olarak lojik oluşturacak şekilde bağlanırsa kablolama çok büyük oranda azaltılmış olur. Ayrıca bir fabrikadaki geliştirmelerde bazı switchlerin birbirine bağlanmasını gerektirebilir Üç kablolu switchlerin paralel bağlanması 20 veya 30'a kadar üç kablolu switchleri paralel olarak bağlamak kesinlikle olasıdır (Şekil 5.13). Yalnızca dikkat edilmesi gereken konu açık konumdaki tüm switchlerin çok küçük olan kaçak akımları toplanır. Şekilde gösterilen yalıtım diyotları sadece switch çıkışlarının open-collector olmaması durumunda gerekir. Şekil 5.13 Üç kablolu switchlerin paralel bağlanması Üç kablolu switchlerin seri bağlanması Üç kablolu switchler seri olarak bağlandığında üzerlerindeki V 'luk gerilim düşümleri toplanır. Bu gerilim düşümünden sonra da yükün sorunsuz çalışması konusunda gereken özen gösterilmelidir. Ayrıca ilk yaklaşım anahtarı diğer tüm switchlerin çektiği akımı karşılayabilmelidir. Alt taraftaki yaklaşım anahtarlarının çalışma gerilimleri açılıp kapatıldığı için gecikme zamanının (birkaç 100 ms' ye kadar) olacağı göz önünde bulundurulmalıdır. Bu noktalara özen gösterildiği takdirde 5 10 yaklaşım anahtarı seri olarak bağlanabilir. 83

89 Şekil 5.14 Üç kablolu switchlerin seri bağlanması İki kablolu switchlerin paralel bağlanması İki kablolu switchler paralel bağlandıkları zaman kaçak akımları toplanır. Kaçak akımların toplamı yük için gerekli olan en az akımın çok altında olmalıdır. Ayrıca bir yaklaşım anahtarı anahtarladığı zaman diğer switchler üzerindeki çalışma gerilimini kaldırır ve bu switchler kendi konumlarını gösteremez. Çok küçük kaçak akımdan (yaklaşık 0.5 ma) dolayı daha fazla sensörün paralel bağlanabileceği dört fonksiyonlu switchler dışında, optimum koşullar altında 5 10 yaklaşım switchi paralel olarak bağlanabilir. Şekil 5.15 İki kablolu switchlerin paralel bağlanması 84

90 İki kablolu switchlerin seri bağlanması Normal olarak iki kablolu switchlerin seri bağlanması önerilmez. Dikkat edilirse yaklaşım anahtarları üzerindeki gerilim düşümü toplanarak yük üzerine uygulanan gerilimi azaltır. İndüktif yükler anahtarladığı zaman faz farkları etkili olur. Optimum koşullar altında bile, 220 VAC gibi, sadece 2-3 yaklaşım anahtarı seri olarak bağlanabilir. Şekil 5.16 İki kablolu switchlerin seri bağlanması 85

91 5.4.4 Anahtarlama zamanları ve çalışma frekansları Hedef cismin elektromanyetik alan içine girmesi ile yaklaşım anahtarının çıkış sinyalini anahtarlaması arasındaki zaman genellikle sadece birkaç milisaniye dolaylarındadır. Mekanik switchlere göre anahtarlama zamanları çok kısadır. Modern hızlı çalışan fabrikalarda sensörlerin kullanımı için bu çok önemlidir. Anahtarlama zamanlarını etkileyen çeşitli etkenler vardır. Bir tarafta osilatör frekansı ve tipi kadar kalite faktörü, kapasite ve indüktansa bağlı olarak enerji depolayan osilatör devresi bir etkendir. Diğer taraftan osilasyon devresi içindeki girdap akımı kayıpları anahtarlama zamanını etkiler. Bu bilindiği gibi hedef cismin boyutları, malzemesi ve uzaklığına bağlıdır. Sonuç olarak bir yaklaşım anahtarında bu zamanlar cisim yaklaşıyorken ms ve uzaklaşıyorken 1 15 ms arasındadır (yapı şekline bağlı olarak). Anahtarlama zamanları, maksimum çalışma frekansı ve cismin emniyetli bir şekilde algılanabileceği maksimum cisim geçiş hızını etkiler. Tüm bu etkenlere karşın maksimum çalışma frekanslarını belirlemede karşılaştırılabilir değerler elde etmek için EN 50010' da bir test yöntemi standartlaştırılmıştır. Standart plaka, kenar uzunluğu m olan ve aralarındaki boşluk 2m olan dişlerden oluşan disktir ve nominal algılama mesafesinin yarısı kadar uzaktan geçer. Bu yöntemle belirlenen çalışma frekansı normal olarak üretici firmaların kataloglarında yer alır. Şekil 5.17 EN 50010'a göre çalışma frekansı belirleme ölçüm yöntemi 86

92 5.4.5 Tipik uygulamalar Yaklaşım anahtarlarının yaygın bir uygulaması mekanik konum switchleri yerine kullanımıdır. Mekanik switchin daha ekonomik olduğu doğrudur, fakat daha önce sözü edildiği gibi belirli mekanik aşınmalara maruzdur. Arızalanmaları durumunda üretim hattının, konveyör sisteminin veya benzerlerinin saatlerce durmasına neden olur. Bu nedenlerle mekanik switch yerine dokunmasız, aşınmasız ve yıpranmasız yaklaşım anahtarlarını kullanmak daha karlı olabilir. Yaklaşım anahtarları devir ölçümü içinde ideal bir çözümdür. Burada yüksek çalışma frekansları gerekir ve kontrol sisteminin tam olarak çalışması için daha fazla sinyal bir zorunluluktur. Doğru bir değerlendirme için tanımlanan anahtarlama sinyali de önemlidir. yaklaşım anahtarları yüksek çalışma frekansı yarı iletken çıkış ve tanımlanmış, çabuk çıkış sinyali ile iyi bir çözümüdür. İzleme ve sayma işlemlerinde Ürün dorudan algılanır. Dokunmasız switchlerin kullanımı ile algılanması güç olan cam, gıda, kağıt vb. gibi cisimlerin algılanması da olasıdır. Özellikle kapasitif yaklaşım anahtarları paketleme sanayinde seviye algılama ve izlemede kullanılabilir. Boru hatlarındaki (değirmende) blokaj kadar tank ve silo seviyeleri de gösterilebilir. Uygun montaj ve kapasitif switchin iyi ayarlanması ile paketleme sanayinde paketler içindeki miktarın doğruluğu kontrol edilebilir (karton kutulardaki deterjan gibi). Yaklaşım anahtarlarının en eski uygulaması kimya sanayi, değirmenler ve tank alanları gibi tehlikeli bölgelerde kullanımıdır. Böyle bölgelerde sadece çok düşük gerilimin kullanılabilmesinden ötürü bu tür uygulamalar için ek emniyetli yaklaşım anahtarları vardır. Çok yaklaşım anahtarı Ex-bölge diye adlandırılan bu alanlarda kullanılmak üzere onaylanmıştır. Bu tip switchler DIN altında standartlaştırılmıştır ve sıklıkla NAMUR switch adıyla bilinir. Mekanik darbe gibi çeşitli nedenlerle yaklaşım anahtarının bozulmaması gereken uygulamalarda kullanılmak üzere kendi kendini İzleme (self-monitoring) sistemi olarak adlandırılan yaklaşım anahtarının işlevselliğinin sürekli izlendiği sistemler vardır. Yukarıdakiler, indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarlarının genel uygunluğu hakkında sadece kısa bir özettir. Çoğu açıkça belirgin olmayan yerlerdeki uygulamalar yalnızca montaj sırasında görülebilir. Er yada geç, indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarlarının özellikleri ve çalışması hakkındaki bilgiler böyle uygulamaların çözümünde yardımcı olur. 87

93 6. OPTİK (IŞIMA) SENSÖRLER Işık etkisi ile çalışan elektronik devre elemanlarına genel olarak optik elemanlar denir. Bir ışık kaynağından çıkan ılın, alıcı tarafından algılanır. Işın demetinde bir kesinti oluşursa, sensör sinyal gönderir. Alıcı ve vereci karşılıklı olabileceği gibi, bir gövde üzerinde de bulunabilir. Bu tip sensörler metal olmayan parçaların algılanmasında, uzun mesafelerde algılama istenen yerlerde, yüksek sıcaklıklara dayanım gereken yerlerde kullanılır. Günümüzde kullanım alanları otomasyon sistemlerine paralel alarak yaygınlaşmaktadır. Şekil 6.1 Bir Optik Sensörün Sembölü 6.1 Algılama Mesafesi Optik sensörlerin seçimi yapılırken, çalışma ortamları göz önünde bulundurulmalıdır. Özellikle tozlu ortamlarda bu konu önem kazanmaktadır. Sensörün önündeki optik kısım kirlendiğinde, algılama mesafesi kirliliğin durumuna göre orantılı olarak azalır. Bu tip ortamlar için gerekenden daha fazla algılama mesafesine sahip sensörler kullanılmalıdır. Optik sensörler çok değişik çeşitlerde yapılmaktadır. Aşağıda bu sensörlerin maddeler Halide sınıflandırılması yapılmıştır: Karşılıklı Optik Sensörler Reflektörlü optik sensörler Cisimden yansımalı optik sensörler Fiber-optik kablolu optik sensörler Renk algılayıcılı optik sensörler 6.2 Bazı Optik Sensör Çeşitleri Foto Direnç (LDR) Fotodirençler ışığa bağlı olarak değeri değişen dirençlerdir. LDR (light dependent resistor ) üzerine düşen ışık şiddeti ile LDR'nin direnç değeri ters orantılıdır. Yani ışık şiddetinin artması direnç değerinin düşmesine, ışık şiddetinin azalması ise direnç değerinin artmasına sebep olur. LDR, AC ve DC akımda aynı özellikleri gösterir. LDR ışık ile kontrol gerektiren robot projelerinde ve otomasyonlarda basitçe kullanılabilecek bir sensördür, robotların ışık algılayıcı sensörleri olarak kulanılırlar. 88

94 Şekil 6.2 Foto direnç ve sembolü Kalsiyum sülfat ve kadmiyum selenid gibi bazı maddeler üzerlerine düşen ışık ile ters orantılı olarak direnç değişimi gösterir. Bu maddelerden yararlanılarak foto direnç adı verilen devre elemanları yapılmıştır. Ayrıca LDR'ler CdS (kadmiyum sülfür), CdSe (kadmiyum selenür), selenyum, germanyum, silisyum gibi ışığa duyarlı maddelerden üretilebilen dirençlerdir. LDR'lerin üretildikleri madde algılayıcının hassasiyetini ve algılama süresini belirler. LDR'lerin üst kısmı LDR'ye gelen ışığın odaklanmasını sağlamak için cam veya şeffaf plastik ile yapılır. LDR'lerin gövde boyutları büyüdükçe taşıyabilecekleri akım ve buna bağlı olarak güç değerleri artar. LDR'lerin sağlamlığını kontrol etmek için ohmmetre ile LDR'nin direncini karanlıkta ve aydınlıkta ölçerek, aydınlıkta az, karanlıkta ise çok direnç gösterdikleri gözlenmelidir. Şekil 6.3 LDR ler Aşağıdaki örnek devrede ışık yokken LDR nin direnci yüksek olduğundan transistörün base bacağı tetiklenmemekte ve led sönük durumda kalmaktadır. LDR üzerine ışık geldiğinde ise direnç değeri düştüğünden transistörün base bacağının tetiklenmesine ve ledin yanmasına sebep olmaktadır. 89

95 (Diğer bir tanım: Kalsiyum sülfat ve kadmiyum selenid gibi bazı maddeler üzerlerine düşen ışık ile ters orantılı olarak direnç değişimi gösterir. Bu maddelerden yararlanılarak foto direnç adı verilen devre elemanları yapılmıştır. Üzerine ışık düştüğünde direnci azalan, karanlıkta ise yüksek direnç gösteren devre elemanına foto direnç denir. Işık değişimi ile kontrol etmek istenilen tüm devrelerde kullanabilir. Özellikle gece lambaları ve sokak lambalarında kullanılmaktadır.) Foto Diyot Foto diyotlar ışık etkisi ile ters yönde iletken olan diyotlardır. Ters polarma altında kullanılır. Doğru polarmada normal diyotlar gibi çalışır, ters polarmada ise N ve P maddelerinin birleşim yüzeyine ışık düşene kadar yalıtkandır. Birleşim yüzeyine ışık düştüğünde ise birleşim yüzeyindeki elektron ve oyuklar açığa çıkar ve bu şekilde foto diyot üzerinden akım geçer. Bu akımın boyutu yaklaşık 20 mikroamper civarındadır. Üzerine ışık düştüğünde katotdan anota doğru akım geçiren elemanlara foto diyot denir. Foto diyot televizyon veya müzik setlerinin kumanda alıcılarında yaygın olarak kullanılır. Eğer Foto diyot, avometre çıkış polaritesine ters olarak bağlanıp üzerine ışık tutulursa direncinin azaldığı ve üzeri karartıldığında direncinin arttığı gözlemlenirse foto diyot sağlamdır. Şekil 6.4 Çeşitli foto diyotlar ve sembolü LED Diyot LED ismi, ingilizce Light Emitting Diode (ışık yayan diyot) kelimelerinin baş harflerinden oluşmaktadır. LED e doğru polarma uygulandığında P maddesindeki oyuklarla N 90

96 maddesindeki elektronlar birleşim yüzeyinde nötrleşir. Bu birleşme anında ortaya çıkan enerji ışık enerjisidir. Bu ışığın gözle görülebilmesi için ise P ve N maddelerinin birleşim yüzeyine "galyum arsenid" maddesi katılmıştır. LED diyotlar doğru polarmalandırıldıklarında ışık yayan elektronik devre elemanlarıdır. Bu ışıklı diyotlar, kullanışlı ve pratik olmalarının yanı sıra oldukça ucuz olmaları nedeniyle gösterge olarak diğer tip lambaların yerini almışlardır. LED diyotların kullanım alanları çok geniştir. Çok az enerji harcadıkları için elektronik devrelerin testlerinde, tüm elektronik cihazların üzerinde çalıştığını gösteren ışık olarak kullanılmaktadır. Genellikle LED diyotların bacakları karıştırılmaktadır. Şekil 6.5 te görüldüğü gibi kısa bacak katot, uzun bacak ise anottur. LED in bacakları aynı boyda ise içindeki plakalara bakarak küçük olanı anot büyük olanı katottur diyebiliriz. Bunun yanında LED diyotların katot ucunun olduğu tarafta bir kesik bulunmaktadır. Şekil 6.5 LED diyot ve sembolü Multimetre ohm kademesinde iken diyotun anoduna eksi(-), katoduna artı(+) gerilim uygulandığında sonsuz direnç göstermelidir. Diğer durumda ise bir miktar direnç gösterip ışık vermelidir. Test, anlatıldığı şekilde sonuçlanıyor ise, diyot sağlam, bunun dışındaki durumlarda arızalıdır İnfrared Diyot (IR Diyot, Kızıl Ötesi Diyot) Enfraruj LED, normal LED in birleşim yüzeyine galyum arsenid maddesi katılmamış halidir. İnfrared diyot görünmez (mor ötesi, kızıl ötesi) ışık yayar. Şekil 6.6 İnfraruj LED sembolü Enfraruj LED ler televizyon veya müzik setlerinin kumandalarında, kumandanın gönderdiği frekansı televizyon veya müzik setine iletmek için kullanılır. Televizyon veya müzik setinde ise bu frekansı alan devre elemanına "foto diyot" denir. Enfraruj LED ile normal LED in sembolleri aynıdır. İnfrared diyotun sağlamlık kontrolünü normal bir diyotun sağlamlık kontrolü gibi yapılır Foto Pil (Işık Pili, Güneş Pili) Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır. Güneş pilleri transistörler, doğrultucu diyotlar gibi yarı iletken maddelerden yapılmaktadır. Yarı iletken özellik gösteren birçok madde arasından güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenid, kadmiyum tellür gibi maddelerdir. Bu maddeler 91

97 güneş pilleri için özel olarak hazırlandıktan sonra PN eklemine güneş enerjisi geldiğinde fotonlardaki elektron yükü PN maddeleri arasında bir potansiyel fark yani gerilim oluşturur. Bu gerilim 0,15 ~ 0,5 volt civarındadır. Işık pilleri seri bağlanarak daha büyük gerilim, paralel bağlanarak daha büyük akım elde edilebilir. Güneş enerjisiyle çalışan hesap makinelerinde kullanılan eleman ışık pilidir. Şekil 6.7 Güneş pili ve sembolleri Güneş pilleri gelişmiş ülkelerde Şekil 6.7 ve 6.8 de görüldüğü gibi hayatın her alanına girmiş durumdadır. Günlük hayatımızda ise daha çok hesap makinelerinde karşılaştığımız elemanlardır. Şekil 6.8 Şebekeye enerji veren güneş pilleri ve güneş enerjisi ile cep telefonu şarjı 92

98 Şekil 6.9 Güneş pilleri ile sokak aydınlatması ve çatısı güneş pili kaplı ev Optokuplör Optokuplör kelime anlamı olarak optik kuplaj anlamına gelir. Kuplaj bir sistem içindeki iki katın birbirinden ayrılması ama aralarındaki sinyal iletişiminin devam etmesi olayıdır. Ayrılma fiziksel olarak gerçekleşir ama iletişim manyetik veya optik olarak devam eder. Bu durumun faydası, katlardan birinde olan fazla akım, yüksek gerilim gibi olumsuz, sisteme zarar verecek etkilerden diğer katları korumaktır. Işık yayan eleman ile ışık algılayan elemanın aynı gövde içinde birleştirilmesiyle elde edilen elemanlara optokuplör denir. Bu elemanlarda ışık yayan eleman olarak "LED", "Enfraruj LED" kullanılırken ışık algılayıcı olarak "foto diyot", "foto transistör", "foto tristör", "foto triyak" vb. gibi elemanlar kullanılır. Şekil 6.10 Çeşitli optokuplör yapıları Şekil 6.11 de görüldüğü gibi bir adet LED ve tam karşısına milimetrik olarak yerleştirilmiş bir fototransistörden oluşmuştur. LED yandığı zaman transistör iletime geçer. LED sönük ise transistör yalıtımdadır. Şekil 6.11 Bir optokuplor ve içyapısı Optokuplörler daha çok, iki ayrı özellikli devre arasında elektriksel bağlantı olmadan, ışık yoluyla irtibat kurulmasını sağlayan devrelerde kullanılır. Şöyle ki; düşük gerilimle çalışan bir devreyle yüksek gerilimli bir güç devresine optokuplör aracılığıyla kumanda edilebilir. 93

99 Optokuplörler 2000 ile 5000 voltluk gerilimlere dayanıklı olduğundan en hassas kontrol sistemlerinde güvenle kullanılır. Uygulamadaki optik kuplörler yukarıdaki şekildeki gibi entegre kılıf içindedir. Bir optik kuplörün sağlamlığı kontrol edilmek istenirse, öncelikle o optokuplorün katalogunu ve iç bağlantı şemasını bulmak gerekir. Daha sonra içerisindeki LED diyodu doğru polarma ederek, foto transistor ün iletken olup olmadığı multimetre ile kontrol edilir Fototransistörler Fototransistörler diğer transistörlerden farklı olarak base bacağı yerine base ile kollektörün birleşim yüzeyine düşen ışıkla tetiklenirler. Genellikle led ile birlikte yansıma sensörü olarak kullanılırlar Engel Algılama Sensörleri Engel tanıma sensörleri gelişmiş yansımalı sensörlerdir. Bu sensörler bir IR verici led tarafından yayılan IR ışığın IR alıcı modül ile toplanması mantığıyla çalışırlar. IR ışınların yayılımı kodlanmıştır ( uzaktan kumandalardaki gibi ) ve kesik kesiktir. Sensörün kullanıldığı robot bir engelle karşılaştığında yayılan IR ışın geri yansır ve alıcı tarafından algılanır. Sensörün hassasiyeti IR ışığın gücüne, yansımanın olduğu yüzeyin rengine, şekline, yapısına, yansıma açısına ve alıcının hassasiyetine bağlı olarak değişebilir. TSOP1738 IR Alıcı Modül TSOP1738 IR alıcı modül sitemizdeki engel algılama sensör devrelerinde kullanılan sensörlerdir. TSOP1738 IR alıcı modüller diğer engel algılama sensörleri gibi IR verici ledler ile birlikte kullanılır. IR ledler 38 khz lik bir sinyal kaynağı ile sürülür. Sinyal kaynağı olarak 555'li devreler ya da donanımsal PWM çıkışı bulunan mikrodenetleyiciler ile (PIC16F628A) hazırlanan devreler kullanılabilir. IR ledlerden yayılan ışınlar engel yüzeyinden geri yansıyarak TSOP1738 IR alıcı modül tarafından algılanır Mesafe Algılama Sensörleri Robot ve otomasyon projelerinde bazen sadece engeli algılamak yeterli olmayabilir. Mesafe algılaması gerektiren durumlardan SHARP mesafe algılayıcı sensörler kullanılır. Aşağıdaki şema SHARP sensörlerin mesafeyi nasıl algıladıklarını göstermektedir. SHARP sensörün yaydığı IR ışık engele çarpıp geri yansır ve yansıyan IR ışık SHARP sensörün alıcısı tarafından algılanır. Engel ile SHARP sensör arasındaki mesafeye bağlı olarak 94

100 IR ışığın yansıma açısı ve ışığın dedektör üzerinde düştüğü nokta değişir. Dedektör bu veriyi okur ve mesafeyi hesaplar. Yukarıdaki grafik SHARP GP2D12 sensörünün mesafeye göre değişen çıkış voltajı değerlerini göstermektedir. Grafiğin doğrusal olmaması yukarıdaki şemada gösterilen üçgensel bölgenin trigonometrik hesaplarından kaynaklanır. SHARP GP2XX serisinde farklı algılama alanlarına sahip farklı sensörler bulunmaktadır. SHARP sensörler algılanan mesafeye göre farklı çıkış voltajlarında sinyaller verirler. Uzun Menzilli Bariyer Sensörü 95

101 PIR (Passive Infra Red veya Pyroelectric Infra Red) Sensörler PIR sensörler görüş alanlarındaki insanların ve sıcak kanlı canlıların yaydıkları IR ışıkları algılayabilen sensörlerdir. Genellikle hareket sensörü olarak kullanılırlar (hırsız alarmları, otomatik aydınlatma üniteleri gibi yerlerde). PIR sensörlerdeki algılama mesafesinin arttırılması ortamdan gelen ışığın Freshnel lens (mercek filtre) ile IR ışınların kırılma açılarının tam sensör üzerine düşürülüp odaklanmasıyla sağlanır. Canlı hareket ettiğinde sensörün çokgen yapısından dolayı algıladığı ışığın anlık olarak kesilip yeniden sensör üzerine düşmesi ile PIR sensör hareketi algılar. Yangın alarmlarında alev algılayan pyroelectric Infra red sensor kullanılır Encoderler (Şaft Pozisyon Algılayıcı) Encoderler robot ve otomasyon projelerinde açısal dönme hızını ve düzeneğin açısal pozisyonunu belirlemek amacıyla kullanılır. Encoderin çalışma düzeneği yandaki şemada basitçe gösterilmiştir. Encoder diskinin üzerinde belirli aralıkla delikler vardır. Encoder diski dönerken IR ledin yaydığı ışık deliklerden geçer ve karşı taraftaki fototransistörü tetikler. Delik olmayan kısımlarda ise IR ışık fototransistörü tetikleyemez. Bu şekilde alınan sinyaller sayılabilir ve mikrodenetleyiciye gönderilebilir. Mikrodenetleyicide yazılı program ile sinyaller işlenerek gerekli işlemlerin gerçekleştirilmesi sağlanır. Bir diğer encoder diskide üzerinde delikler yerine siyah ve beyaz renkte dilimler olan encoder diskleridir. Bu tip encoder disklerinde sensör olarak yansımalı sensörler kullanılır. Beyaz ve siyah renklerin algılanması sayesinde açısal dönem hızı ve pozisyon belirlenir. 96

102 97

103 6.3 Optik Sistemlerle İlgili Önemli Noktalar Optik Algılamanın Temel İlkesi Tam olarak opto-elektronik, optik ve elektronik kelimelerinin birleştirilmesi ile oluşturulmuştur. Bir cismi dokunmadan, ışık (optik) yardımıyla algılama, sonra elektronik olarak değerlendirme ve sinyale dönüştürme demektir. Şekil 6.12 Elektromanyetik ışıma (radiation) dağılımı (Spektrum) Bir cisimi algılamak için fotosele gerekli olan ışık 1 mm ile 10 nm arasındaki elektromanyetik ışıma aralığındaki dalgalardan oluışur Bu aralık UV ışık, görülebilir ışık (insan gözü ile) ve IR ışık bölgelerine ayrılmıştır. Tablo 14 DIN 5031 'e göre optik spektrum sınıflandırması Dalga boyu aralığı Işınım tanımlama 100 nm nm UV - C 280 nm nm UV - B 315 nm nm UV - A 380 nm nm Açık mor 440 nm nm Açık mavi 495 nm nm Açık yeşil 558 nm nm Açık sarı 640 nm nm Açık kırmızı 750 nm nm IR - A 1.4 mm - IR - B 3.0 mm - IR - C Bölgeler arasındaki geçiş ve görülebilir ışığın renkleri arasındaki geçiş süreklidir (gökkuşağı). Genellikle ışık kaynağı olarak dalga boyu 880 nm olan kızıl ötesi (infrared) ışık kullanılır. Fakat bazı özel durumlarda dalga boyu 660 nm olan kırmızı ışık da kullanılır. 98

104 Şekil 6.13 Spektral dağılım (standartlaştırılmış) güneş ışığı göz duyarlılığı spektral duyarlılık Si alıcı spektral ışınım kırmızı LED GaAs P spektral ışınım GaAlAs spektral ışınım GaAs Kızıl ötesi ışık, olası dış kaynakların etkilerine karşı olabildiğince çok bağışıklık kazandırmak için çeşitli nedenlerle kullanılır. alıcı olarak kullanılan transistör en yüksek duyarlılığa kızıl ötesi ışıkta sahiptir. çok küçük toz parçalarının çapından daha uzun dalga boyu olan ışığın hiçbir sorunla karşılaşmadan bu parçacıkları geçmesi olayından yararlanılır. Kirlenme ve toza karşı koruma sağlamak uzun dalga boylu ışınım (UV değil IR) kullanımının nedeni budur. kızıl ötesi ışık kullanımıyla sensörler görülebilir aralıktaki dış ışık kaynaklarından daha az etkilenir Karşılıklı Sensörler Kızıl ötesi ışınım yöntemiyle cisimlerin optik algılanması nasıl olur? İlk yöntem belli konumda bir kızıl ötesi diyotun verici olarak ve ikinci konumda alıcı olarak (duyarlı) fototransistör (veya fotodiyot) yerleştirilmesidir. Bir cismin alıcı ile verici arasındaki düz yolu kestiği her zaman, alıcı transistörün elektriksel tepkisi değişir. Vericiden çıkan kızılötesi ışınlar alıcıya gider. Işık sütununda bir kesilme olursa, sensör sinyal gönderir. Saydam nesnelerde hassasiyet belirli sınırlar içinde bir potansiyometre yardımıyla ayarlanabilir. 99

105 Şekil 6.14 Karşılıklı sensör Şekil 6.15 Karşılıklı Optik Sensörün Hedef Cismi Görerek Sinyal Üretmesi Şekil 6.16 Karşılıklı optik sensörün algılama mesafesi ve iki farklı sembolü 100

106 Şekil 6.14 verici ışının yapısını ve alıcının duyarlılığını göstermektedir. Montaj yapılırken verici alıcının yolunda olmalı (ışın yolu, sensörün algılama mesafesine ve ±1.3 ile ± 10 arasındaki bakış açısına bağlıdır) ve alıcı vericinin yolunda olmalıdır. Alıcı ile verici öyle bir şekilde ayarlanmalıdır ki bir optik eksen üzerinde aralarında doğrudan kesişme olmalıdır. Alıcıya giden ışını tümüyle kesmek için algılanacak cismin boyutları en az bu etkin bölge (optik eksen) kadar olmalıdır. Göz önünde bulundurulması gereken nokta; algılama alanının (etkin bölge) sürekli olarak faydalı alandan daha küçük olmasıdır. En uzun mesafe ve toza/kirlenmeye karşı en büyük aşırı kazanç, (çalışma güvenilirliği için) verici ile alıcının optik eksen üzerinde olası en iyi şekilde ayarlanmasıyla sağlanır. İki ayrı üniteden oluşması nedeniyle daha uzun algılama mesafelerinde çalışabilir. Ancak, yine aynı nedenle fiyatı diğer tiplerden daha fazladır. Ayrıca, iki tarafa da elektriksel bağlantı ve montaj gerektirir. İki veya daha fazla karşılıklı sensörün yan yana bağlanması durumunda, birbirlerinden etkilenmemelerine özen gösterilmelidir. Bunun için sensörler arasında bırakılması gereken en az uzaklık, verici ile alıcı arasındaki uzaklığa ve ışın yollarının bakış açısına bağlıdır. Birkaç sensör yan yana bağlanacağı zaman alıcı ile vericinin değişimli montajı iyi bir çözüm olabilir. Karşılıklı sensörlerin özellikleri aşağıda özetlenmiştir. ışık vericiden alıcıya tek yönlü yol aldığı için uzun algılama mesafesi. Optik eksen başından sonuna kadar geniş çalışma aralığı Optik eksen boyunca kesin anahtarlama noktası Montajı ve bağlantısı gereken iki ayrı birim Şeffaf cisimlerde emin olmayan algılama Mat cisimlerde emin algılama Emniyetli çalışma için kesinlikle doğru ayarlama gerekli Reflektörden Yansıtıcılı Sensörler Diğer bir tip fotosel, yansıtıcılı sensör olarak adlandırılır. Verici ile alıcı ünite aynı yerde, bir kılıf içine yerleştirilmiştir ve izlenecek alanın bir tarafına monte edilir. Diğer tarafta ışık bir yansıtıcı (reflektör) yardımıyla yansıtılır. Vericiden çıkan kızıl ötesi ışınlar bir reflektöre çarparak yansır. Yansıyan ışınlar alıcı tarafından algılanır. Işın sütununda bir kesinti olursa anahtarlama sağlanır. Bir LED göstergesi, sensörün ayarlanmasını kolaylaştırır. Bu sensörler tek tarafta elektriksel bağlantı yapıldığından, montajı daha kolay ve daha ucuzdur. Polarizasyon filtresine sahip refrektörlü fotosellerle, parlak yüzeyli cisimler de algılanabilir. Bu filitre algılayıcıya gelen yabancı ışıkları süzer. Şekil 6.17 Reflektörden yansıtıcılı sensör sembolü 101

107 Şekil 6.18 Reflektörlü Optik Sensör ve Sembolü Şekil 6.19 Reflektörlü Optik Sensörlün Algılama Mesafesi Şekil 6.20 Prizmatik yansıtıcının yapısı 102

108 Şekil 6.21 Bir prizmada yansıma Eğer yansıtıcı yüzeyi düz olursa ve optik eksene tam dik olarak yerleştirilmemişse yansıyan ışık asla alıcıya ulaşmaz. Hatta dik ayarlamada bile alıcıya doğru sadece küçük bir ışık yansır. (Şekil 6.21). Buna engel olmak için özel yansıtıcı olan prizmatik yansıtıcı kullanılır. Prizmatik yansıtıcıda gelen ışık ışını sürekli olarak ışığın yayıldığı yöne doğru geri yansıtılır. Bu yansıtıcılar büyük yansıma kayıpları olmadan verici ışınına 15 lik açıyla yerleştirilebilir. Normal düz yansıtıcılarda durum oldukça farklıdır. Çünkü ışın sürekli olarak dik açısına göre yansıtıcıya çarptığı açıyla geri yansıtılır. Bu durum yansıtıcılı sensörlerle düz yansıtıcı kullanılırsa büyük sorunlarla karşılaşılacağını gösterir. Şekil 6.22 Yansıtıcılı sensör Şekil 6.22, yansıtıcılı sensörün alıcı özelliğini gösterir. Etkin alan, yansıtıcı çapına eşit olana kadar yansıtıcıya yaklaştıkça büyür. Eğer cisim yansıtıcıya yakın bir noktada algılanacaksa en azından yansıtıcı alanın tümünü kaplamalıdır. Cisim sensöre yakın olacaksa daha küçük olabilir. Yansıtıcılı sensör aşağıdaki özelliklere sahiptir : Bazen sadece alıcının duyarlılığı değiştirilerek şeffaf cisimler algılanabilir. Olası en yüksek çalışma güvenilirliğini sağlamak için mat cisimleri algılamada alıcı (karşılıklı veya yansıtıcılı) duyarlılığı maksimuma ayarlanmalıdır. Normal olarak yansıtıcı cisimler algılanamaz. 103

109 Ancak, yansıtıcılı sensörler çok iyi ayarlandıkları zaman yansıtıcı cisimleri algılayabilir. Sensörü ve yansıtıcıyı cisme göre çapraz ayarlayarak, cismin yansıttığı ışının alıcıya gelmemesi sağlanabilir. Böylece yansıtıcı cisimler emniyetli olarak algılanabilir. Böyle zor cisimler için polarizasyon filtreli yansıtıcılı sensörler daha uygun olurlar. Bu tür yansıtıcılı sensör vericisinin yaydığı ışık, normal olarak rastgele yönlendirilmiş dalga yapısına (osilatör yönü) sahiptir. Şekil 6.23 Polarizasyon filtreli yansıtıcılı sensör Polarizasyon filtresi sadece belli doğrultuda yönlendirilmiş ışığın yayılmasını sağlar. Eğer bu ışık yansıtıcı bir cisme (paket folyosu, cam, ayna) çarparsa yansıma yönlendirmeyi değiştirmez. Yansıyan ışık alıcı yönüne yol alır. Fakat alıcının ön tarafında ilk filtreye göre dikey ayarlanmış ikinci bir polarizasyon filtresi (çözümleyici) aynı kılıf içine yerleştirilmiştir. Bu, ışının alıcıya ulaşmasına engel olur. Sensör cismi algılar (yani "geri gelen yansıyan ışın yok"). Fakat ışın bir prizmatik yansıtıcıya çarparsa depolarize edici etkisinden dolayı iletilen ışığın polarizasyonu yaklaşık 90 derece döndürülür. Böyle değiştirilmiş ışık yansıtıcıdan alıcıya giderken ikinci polarizasyon filtresinden geçerek alıcıya ulaşır. Bunun anlamı yansıtıcılı sensörün algılama alanı içinde hiçbir cisim (yansıtıcı yada yansıtıcı olmayan) yoktur. Polarizasyon filtreli yansıtıcılı sensörlerle kullanılmak üzere özel olarak üretilen yansıtıcı kağıt da depolarize edicilik özelliğine sahiptir. Fakat algılama mesafesini optimize etmek ve aşırı kazanç sağlamak için kağıt sürekli olarak lens sistemine (polarizasyon filtreleri) dik olarak yerleştirilmelidir. 104

110 Normal olarak, polarizasyon filtreli sensörler kızıl ötesi ışık değil de kızıl ışık diyotu ile çalışırlar. Çünkü kullanımdaki polarizasyon filtreleri ancak görülebilir ışık spektrumunda yeteri kadar iyi çalışırlar. Filtreler ve kızıl ışık yayan diyot nedeni ile sensör algılama mesafesi ayni tip normal sensörlere göre %50 kısalır. Yansıtıcılı sensörlerin (standart ve polarizasyon filtreli) çok önemli özellikleri aşağıda özetlenmiştir: verici ve alıcıyı barındıran tek elktrikli birim gürültülerden etkllenmediği için kolay yansıtıcı montajı optik eksen başından sonuna kadar kesin anahtarlama (algılama) noktası yarı algılama mesafesi (ışınım yolunun iki katı olmasından dolayı karşılıklı sensörlere göre yaklaşık yarı algılama mesafesi) polarizsyon filtreli olanlar dışında yansıtıcı cisimlerde emin olmayan algılama şeffaf cisimlerde emin olmayan algılama mat cisimlerde kesin algılama Cisimden Yansımalı Sensörler Cisimleri opto-elektronik olarak algılamanın üçüncü yöntemi, cisimden yansımalı tip sensörlerdir. Burada da verici ve alıcı aynı kılıf içine yerleştirilmiştir. Reflektörlü sensörlere benzerler. Fakat cisimden yansımalı sensörler, bir prizmatik yansıtıcı veya yansıtıcı kağıttan yansıyan ışıkla değil de hedef cisimden yansıyan ışıkla çalışır, reflektöre gerek yoktur. Bu, indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarları çalışma ilkelerine benzeyen tek opto-elektronik algılama ilkesidir. Onlar da cismi doğrudan algılar : cisim var (yansıma var) yaklaşım anahtarı algılar cisim yok (yansıma yok) yaklaşım anahtarı algılamaz. Cisimden yansımalı sensörlerin önemli avantajları şunlardır: monte edilecek sadece bir sensör yanlış ayarlama ve yansıtıcı kirlenmesi yok seffaf cisimler karşılıklı ve yansıtıcılı sensörlerden daha iyi algılanabilir. Alıcının doğru duyarlılık ayarı, şeffaf cisimlerden az miktardaki yansımaların değerlendirilmesini sağlar. Cisimden yansımalı sensörlerin de bazı dezavantajları vardır: Cisimden yansıyan ışığın değerlendirilmesi ve algılanması nedeni ile cismin algılanması büyük oranda cisim yüzeyinin özelliklerine bağlıdır (pürüzsüz,yansıtıcı beyaz gri siyah genel olarak cisimlerin yansıtma oranının daha düşük olmasından dolayı, verici ile alıcı arasındaki ışının açıkça kesildiği (alıcıda kızıl ötesi ışık var /yok) karşılıklı ve yansıtıcılı sensörlere göre olası maksimum algılama mesafesi daha kısadır. Cisimden yansımalı sensörde, alıcıya ulaşan kızıl ötesi ışık anahtarlama noktasına doğru artar, yani; önce çok az, az, biraz, biraz daha... ve anahtarlama noktası. Hassasiyeti arttırmak için ışın algılama mesafesine odaklanır. Yansıma cisim tarafından yapıldığından, cismin rengi, yüzeyinin durumu önem kazanır. Yansıması %6 dan az olan siyah cisimlerin algılanması çok güçtür. Algılama mesafesi yüzeyin yansıtma açısına bağlı olarak değişebilir. 105

111 Şekil 6.24 Cisimden yansımalı sensör (kapatma eğrisi) Şekil 6.24, cisimden yansımalı sensörün tipik alıcı eğrisini gösterir. Şekilde görülen eğriler hedef cismin (gri kodak kartının beyaz arka tarafı), indüktif ve kapasitif yaklaşım anahtarlarındakine benzer olarak yandan veya önden yaklaşması ile elde edilmiştir. Şekil 6.25 Cisimden yansımalı OU tip sensörün anahtarlama eğrisi Açma / kapama eğrisi de diğer yaklaşım anahtarlarının eğrisine benzer. Emniyetli anahtarlamayı sağlamak için herhangi bir boyuttaki cismin yandan ve önden yaklaşımında histerisiz açıkça belirlenebilir. Kolaylıkla anlaşılabileceği gibi, daha büyük bir cisim küçük 106

112 olandan ve yansıtıcı beyaz olan Cisim mat siyah olandan daha fazla ışık yansıtır. Dolayısıyla algılama mesafesi cismin boyutlarına ve rengine bağlıdır (Şekil 6.26 ve 6.27). Şekil 6.26 Cisimden yansılamalı sensörün algılama mesafesinin değişimi Şekil 6.27 Cisimden yansılamalı sensörün algılama mesafesinin değişimi Özet olarak; cisimden yansımalı sensörlerin önemli özellikleri şunlardır: a. Algılama mesafesi büyük oranda algılanacak cismin yüzey özelliklerine ve rengine bağlıdır. b. Cisimden yansımalı sensörler öyle bir şekilde yerleştirilmelidir ki; arka taraf değil de sadece cisim kolaylıkla algılanmalıdır. Bu aşağıdaki durumlarda gerçekleşir: Cismi normal algılama mesafesi içine yerleştirin. Duyarlılığı potansiyometre ile cismi algılayıncaya kadar artırın ve bu noktayı unutmayın. Cismi alın ve duyarlılığı arka tarafı algılayıncaya kadar artırın. 107

113 Potansiyometreyi algılama gecene kadar geri çevirin. Şimdi, olası ise, bu uygulama için optimum algılama mesafesi için potansiyometreyi 2 ve 4 deki konumlarının ortasına ayarlayın. c. Algılama mesafesi dışındaki yansıtıcı veya çok parlak cisimler kolaylıkla cisimden yansımalı sensörün çalışmasını etkileyebilir. Peki, bu tür sorunlar cisimden yansımalı sensörlerde nasıl çözülebilir? Şekil 6.28 Cisimden Yansımalı Optik Sensör Şekil 6.29 Geri bastırmasız cisimden yansımalı sensör Şekil 6.30 Geri bastırmalı cisimden yansımalı sensör (odaklanmış ışın ilkesi) 108

114 Şekil 6.31 Geri palan bastırmalı cisimden yansımalı sensör Şeklin üst kısmı cisimden yansımalı sensörün çalışma ilkesini gösterir.alt taraftaki şekilde görüldüğü gibi,verici ve alıcının konumundaki değişiklik bir çeşit arka tarafın etkisini bastırmaya neden olur.arka tarafın nasıl olduğundan bağımsız olarak, verici ile alıcı kesişen alanının dışındaki cisim çok zor algılanacaktır.bu yöntem tasarım biçiminden dolayı odaklanmış ışın ilkesi olarak adlandırılır. Bu.çoğu kısa mesafeli cisimden yansımalı sensörler için kullanılır. (Not: alıcı duyarlılığı fabrikada özel algılama mesafesi değerine göre ayarlanmıştır ve değiştirilmemelidir.) verici ile alıcı arasındaki ışının açısı özel lens yapım yöntemiyle ile sağlanır.aynı tip normal cisimden yansımalı sensörle karşılaştırıldığında, bu ilkeden dolayı bu tiplerde % 70 algılama mesafesi kaybı olur. Fakat algılama mesafesi neredeyse tümüyle cismin rengi ve yüzey özelliklerinden (beyaz kağıt, kara keçe ) bağımsızdır. Aynı zamanda,bu tip sensör yukarıda anlatılan arka tarafın etkisinden daha az etkilenir. Cisimden yansımalı sensörün kısaca tipik özellikleri : Cismin doğrudan algılanması, dolayısı ile yansıtıcı veya ikinci bir birime gerek yoktur. Şeffaf cisimler iyi algılanır. Karşılıklı / yansıtıcılı sensörlerle karşılaştırıldığında algılama mesafesi kısadır. Algılama mesafesi algılanacak cismin yansıtıcılık kalitesine bağlıdır (rengi, yüzeyi) (daha da kısa algılama mesafeleri olan kısa mesafeli cisimden yansıtmalı sensörler hariç). Arka taraftan etkilenme olasıdır (ayna, metal, beyaz ) (kısa mesafeli cisimden yansımalı sensörler yine hariç). Opto elektronik sensörler algılama mesafeleri ile karşılaştırıldıklarında çok küçük boyutlardadır. Dış etkilere karşı büyük oranda bağışıklıkları vardır. Toz, nem girişine (IP67) ve tümüyle reçine ile doldurulduklarından harici vibrasyona karşı da korunmuşlardır. Ancak, kolayca ulaşılamayan, çok küçük, çok sıcak veya çok sulu yerlerde kullanılamazlar. 109

115 Şekil 6.32 Cisimden yansımalı optik sensörün kullanılacağı yere montajı Fiber Optikler Bu sensörlerde de ışın verici ve alıcı aynı ünite içerisindedir. Ancak üniteden çıkan kızılötesi ışın bir fiber-optik kablo ile uzağa taşınabilir. Böylece ışık kaynağı ile algılamanın yapılmadığı yer, birbirinden bağımsız olabilir. Dar mekanlarda, yer sıkıntısının olduğu durumlarda tercih edilir. Diğer bir tercih nedeni de yüksek sıcaklığa dayanım gerektiren durumlardır. Polimer veya fiber-optik olan bu kablolar, yüksek sıcaklıklara (300 0C) dayanıklılık için, krom kaplı prinç boruların içerisindedir. Bu tip sensörler aşırı titreşim olan ortamlar için çok uygundur. Fiber-optikler, çok küçük cisimlere ve çok sıcak veya çok sulu ortamlara ışığı iletebilir. Şekil 6.33 Fiber-Optik Kablolu Sensör Yayılan ve yansıyan ışık, fiber optik içinde çok fazla sayıdaki toplam yansımalarla iletilir. Aşağıdaki şekillerden görülebileceği gibi karşılıklı veya cisimden yansımalı sensörler olarak çalışabilirler. Şekil 6.34 Fiber Optik 110

116 Şekil 6.35 Fiber Optik Şekil 6.36 Şeffaf bir ortamdan daha mat bir ortama geçen ışık ışınının kırılması Gerçekte, ışınların yansımasından daha çok kırılması olan toplam yansımayla ilgili daha detaylı bilgi aşağıda verilmiştir. Bir şeffaf ortamdan daha mat bir ortama geçen ışık ışını, 111

117 kırılma yasalarına uygun olarak kırılır. yani,ışın artık doğrusal değildir (n1 ve n2, malzemeye ve dalga boyuna bağlı olan ortamın kırılma katsayısıdır.) n 1 / n 2 = sin µ 2 /sin µ 1 Kırılma, aynı zamanda geliş açısına bağlı olmakla birlikte ışınlar sürekli olarak geliş açısının dikine (temas noktasında ortam sınır yüzeyine dik çizgi ) doğru kırılır. Kırılma ters yönde de benzer şekilde olur. Yani, mat bir ortamdan daha şeffaf bir ortama geçen ışın dikten uzaklaşarak kırılır. Sonra çok ilginç bir şey olur: bir kez kritik açıya ( brewster açısı) ulaşınca, ışık artık şeffaf ortam içine daha fazla kırılmaz ve tümüyle daha mat olan ortam içine yansır (sınır yüzeyine çarptığı açıyla). Bu açı, ortamlara bağlıdır ve cam-hava için 42 derece dolaylarındadır. Basit olarak, bu ilkeden yararlanarak opto-elektronik sensörlerin ışığı otomatik olarak fiber-optik içinde tutulur. fiber optiğin kendisi çok ince bir camdan veya plastik fiberden oluşur ve etrafını saran ortam havadır. Eğer ışık,böyle bir fibere çarparsa (çok geniş bir açıda olmamak koşulu ile) toplam yansıma yöntemi ile sınır yüzeyi boyunca iletilir ve fiberin sonunda, başta çarptığı şekilde yayılır. Tam bir fiber optik, fiberlerin kırılmaması için kaygan yağla kaplanmış binlerce bunun gibi fiberden oluşur. Bu, fiber optiği esnek ve genel kullanımlara uygun yapar. Fiber optiği kaplamaları normal olarak PVC veya esnek alüminyumdan yapılır. Plastik kaplamalar normal çevre koşullarında (+80 C ye kadar ve nemli ortamlarda) kullanılmaya uygundur ve alüminyum kaplamalar yüksek sıcaklıktaki ( +290 C ye kadar) uygulamalarda kullanılabilir. Ayrıca, yüksek sıcaklık ve ıslak ortamların birlikte bulunduğu özel uygulamalar için de silikon koruyucu tüp içinde alüminyum kaplamalı fiber optik bir çözümdür. Genel olarak, fiber optikler cam fiberlerden oluşur. Çünkü cam sıcaklığa, asit ve alkali gibi kimyasal maddelere karşı dayanıklıdır, plastikten daha az yıpranır ve böylece bastırma daha azdır. Fakat dezavantajı yüksek fiyatıdır. Ayrıca, camdan güzel fiber optikler yapmak plastikten yapmaktan daha zordur. Cam veya plastikten yapıldığına bakılmaksızın fiber-optik kullanırken aşağıdaki noktalara özen göstermek gerekir: Fiber optikleri bükmeyin (bazı fiberlerin veya hepsinin kırılma tehlikesi en az bükme yarıçapı=fiber-optik çapının üç katı). Fiber optikleri aşırı sıkmayın. Çok aşındırıcı ortamlara yaklaşımda dikkatli olun. Fiber optikleri aşırı gerilme altında bırakmayın. Asla baskı altında iken monte etmeyin. Fiber optikleri aşırı kıvırmayın. Uç parçasını çok fazla sıkmayın, sürekli olarak uç parçasını değil somunu sıkın. Bir cisim üzerindeki birkaç fiber-optik, birbirini etkileyebilir, aralarındaki uzaklığa dikkat edin. Fiber optikler ışık iletimi için özel birimlerdir. Kullanıcı tarafından geliştirme girişimi yapılmamalıdır. Karşılıklı çalışma için verici ile alıcı arasındaki ışın en azından tüm etkin alanda kesilmelidir ki cisim algılanabilsin. Cisimden yansımalı çalışmada cisim geleneksel yöntemle algılanır. Maksimum algılama mesafesi yine cismin yüzey özelliklerine (tüm cisimden yansımalı sensörlerde olduğu gibi), fiber optiğin kesitine ve ışının yüzeye geliş açısına (optimum 90 derece yüksek yansıma) bağlıdır. Fiber optiğin diğer ucu, verici ve alıcıdan fiber optiğe iyi bir geçiş sağlamak için uygun bir kuvvetlendiriciye (amplifier) bağlanır ( takılır ve sıkılır). Özetlersek; uygun fiber optikli sensörler, çok küçük cisimlerde iyi ve emin algılama olanağını sağlar. Cisimden yansımalı tipler kullanıldığında göreceli olarak daha kısa algılama mesafesi (cisim çapına bağlı olarak) elde edilir. 112

118 6.3.6 Renk Seçici Optik Sensörler Bu sensörler cisimden yansımalı sensör gibi çalışır ve siyah işe beyaz arasındaki 15 değişik gri skala değerini algılama yeteneğine sahiptir. Bu ambalaj kağıdı üzerindeki renk işaretlerine algılamak için gereklidir. Her rengin bağıl skala değerleri farklıdır. Dolayısıyla gri skala değerlerinin algılanması ile renk farkları da algılanabilir. Bir ışık kaynağından çıkan ışınlar, algılama mesafesine odaklanır ve cismin yüzeyinde bir ışık demeti oluşur. Bu yüzeyden dönen ışınlar ile yüzeyin yansıtması (bağıl gri skalası) gözlenir. Sürekli gözlenen bu değer bir tetikleme seviyesi ile karşılaştırılır. Eğer tetikleme değerine ulaşırsa, ünite çıkış verir. Bu nedenle bu sensörler ayarlanırken, önce algılanması istenen renk üzerine getirilir ve ünite çıkış verinceye kadar ışık seviyesi ayarlanır. Şekil 6.37 Alıcı verici üniteli optik sensör ve fiber-optik kablolu optik sensörün uygulanması Algılama Uzaklıkları Opto elektronik sensör kullanımı için en önemli kıstas sensörle algılanacak cisim arasındaki uzaklıktır. Çalışma ilkesine bağlı olarak kesin faklılıklar vardır. Aynı çalışma ilkesine bağlı farklı tipler için karşılaştırılabilir değerler elde etmek için verilen değerlerde bir referans olmalıdır. Karşılıklı sensörler için bu, alıcının maksimum duyarlığında emin olarak verici ile alıcı arasında bırakılabilecek uzaklıktır. Yansıtıcılı sensörler için, kataloglarda verilen, sensör ile yansıtıcı arasındaki uzaklıktır. Referans, tanımlanan yansıtıcıya (yani, çapı 80 mm olan daire prizmatik yansıtıcı) göre yapılır. Cisimden yansımalı sensörlerde referans olarak %90 yansıtma oranı olan 200 x 200 mm lik kodak gri kartın beyaz arka tarafı kullanılır. Bu değerler, algılama uzaklığı olarak kataloglarda yer alır. Verilen değerlerden uygulama için gereken algılama uzaklığı belirlenebilir. 113

119 6.3.8 Kuvvetlendirici (Harici Değerlendirme) Ayrı kuvvetlendiricili tip optik sensörler, kolayca ulaşılamayan yerlerde (makinede, tesiste) kullanım için diğer bir olanak sağlar. Verici ve/veya alıcı küçük bir kılıf içine (m8 veya dikdörtgen, mikroswitche benzer) yerleştirilir. Ayrı bir kuvvetlendirici (amplifier) birimi enerjiyi sağlar ve sinyal değerlendirme işlemini yapar. Çoğu kuvvetlendiriciler farklı ek işlevlere programlanabilir (yani ışık var /yok konumu, zaman gecikmesi, kirlenme göstergesi). Şekil 6.38 Kuvvetlendiricili tip karşılıklı sensör 114

120 6.4 Elektronikle İlgili Önemli Noktalar Sinyal İşleme Ve Değerlendirme Gerçekte bir opto elektronik sensör içinde neler oluyor? Şekil 6.39 Karşılıklı sensör blok çizimi Yukarıda bir karşılıklı sensörün blok çizimi görülmektedir. Dalga üretici ve verici güç kaynağı tarafından beslenir (yani verici diyot her dalga periyodunda kızıl ötesi ışık yayar). Periyodik çalışma uzun Led ömrü sağlar ve aynı zamanda çok az akım harcamasına karşın yüksek performans elde edilir (dalga frekansı 5 10 khz, oran : var/yok = 1 / 100). Bu ışık, fototransistör veya foto diyot alıcıya gelir. Burada elektriksel olarak kuvvetlendirilir ve değerlendirme aşaması üzerinden çıkış sinyalinin oluşturulduğu çıkış aşmasına (çoğu tipte programlama olanağı var) ulaştırılır. Gürültü bastırma devresi deyiminin anlamı: örnek olarak; dış etkenlerden dolayı oluşan yüksek frekanslı elektromanyetik alana karşı devreyi ekranlamaktır. Bunun bir parçası olarak özenli baskılı devre taraması ile devre içindeki etkilenmeler de engellenir. Karşılıklı sensörlerde alıcıdaki yüksek geçiren süzgeç sadece yüksek frekanslı sinyallerin (dalga üretecinden gelen) geçmesini sağlar ve alıcıya ulaşarak kuvvetlendirilir. Böylece dışarıdan gelen ışık etkileri engellenir. (örneğin; flüoresan lambanın 100 Hz. lik göz kırpması.) Çoğu opto-elektronik sensörde alıcının doğru duyarlılık ayarı için sarmal potansiyometre vardır. (örneğin; şeffaf cisimlerin algılanmasında alıcı yoğunluğundaki çok küçük değişimde çıkışın anahtarlanması için.) 115

121 6.4.2 Işık Var Ve Yok Konumu Bir çıkış sinyali nasıldır ve örneğin karşılıklı sensörde ne anlama gelir? Cisim Işık Çıkış Deyim Yok Verici alıcı kesilmedi Yok Işık yok anahtarlaması Var Verici alıcı kesildi Var Işık yok anahtarlaması Yok Verici alıcı kesilmedi Var Işık var anahtarlaması Var Verici alıcı kesildi Yok Işık var anahtarlaması Optik alanda ışık yok anahtarlaması (dark on switching ) ve ışık var anahtarlaması ( light on switching ) olmak üzere anahtarlara işlevi için iki deyim kullanılır: Eğer verici - alıcı arasındaki ışın kesilmişse (yani ışın alıcıya ulaşmaz) çıkış anahtarlar ise bu, ışık yok anahtarlara birimidir. Eğer verici - alıcı arasındaki ışın kesilmemişse (yani ışık alıcıya ulaşır) çıkış anahtarlar ise bu, ışık var anahtarlara birimidir. Yansıtılıcı sensörlerde de durum aynıdır: Cisim varken alıcıya ışık ulaşmaz, çıkış anahtarlar = ışık yok anahtarlaması veya tersi. Peki, üçüncü çalışma ilkesi, cisimden yansılamalı sensörde ne olur? Cisim Işık Çıkış Deyim Yok Verici alıcı Kesildi Yok Işık var anahtarlaması Var Verici alıcı kesilmedi Var Işık var anahtarlaması Yok Verici alıcı kesildi Var Işık yok anahtarlaması Var Verici alıcı kesilmedi Yok Işık yok Anahtarlaması anahtarlara işlevi karşılıklı ve yansıtıcılı sensörlere göre tam tersidir. Yani, alıcıya ışık ulaşır alıcıya ışık ulaşmaz cisim var demektir, çıkış anahtarlar, ışık var anahtarlamasıdır. cisim yok demektir, çıkış anahtarlar, ışık yok anahtarlamasıdır. anahtarlara özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir : Işık var anahtarlaması Karşılıklı ve yansıtıcılı sensörlerde: Verici ve alıcı arasındaki veya verici / alıcı birim ile prizmatik yansıtıcı arsındaki ışın kesilmeden, çıkış anahtarlar veya röle çeker. Cisimden yansımalı sensörlerde: Algılanacak cisim tarafından ışın alıcıya yansıtılır, çıkış anahtarlar veya röle çeker Işık yok anahtarlaması Karşılıklı ve yansıtıcılı sensörlerde: Verici ve alıcı arasındaki ışın kesilir, çıkış anahtarlar veya röle çeker. Cisimden yansımalı sensörlerde: Işın alıcıya geri yansıtılmaz, çıkış anahtarlar veya röle çeker. Yansıtıcılı tip sensörün blok çiziminde (Şekil 6.40) açıkça görüleceği gibi her şey bir yerde toplanmıştır ve bunun, karşılıklı sensörlerin devresine göre gürültü bastırma açısından büyük avantajları vardır. 116

122 Şekil 6.40 Yansıtıcılı sensör blok çizimi Sinyal sırası adım adım izlendiği zaman, daha iyi gürültü bastırması olduğu açıkça ortaya çıkar: Güç kaynağı, Senkronizasyon üretici, verici periyodik ışığı gönderir ve sonra iki olasılık vardır: 1. Cisim yok = alıcıya ışık ulaşır, ön kuvvetlendirici aynı periyotta (gate devresi) güçlendirir, alınan sinyal değerlendirilir, çıkış yok. 2. Cisim var = ( başka bir şey / fazlalık yok ) alıcıya ışık ulaşmaz, fakat yine yayılan sinyalle aynı periyotta alıcı kuvvetlendiricisi güçlendirme yapar, alınan sinyal programlama olasılığı (ışık var / ışık yok) ile değerlendirme aşamasına iletilir, normalde açık veya normalde kapalı çalışmaya göre çıkış anahtarlar (açık / kapalı). Şekil 6.41 Cisimden yansımalı sensör blok çizimi İki blok çizimi karşılaştırıldığı zaman tek fark ışığın prizmatik yansıtıcıdan değil de cismin kendisi tarafından yansıtılmasıdır. Fakat bir şey farklıdır: ışık var anahtarlamasının 117

123 şimdi anlamı cisim var, çıkış vardır (karşılıklı ve yansıtıcılı sensörde ışık var anahtarlaması, cisim yok, çıkış vardır.) Bu cisimden yansımalı sensörün ters anahtarlama özelliğidir Elektronikle İlgili Özellikler Belli tip optik sensörlerde bazı ek özellikler vardır. Örneğin; çalışma güvenirliğini daha da artırmak için sayısal gürültü bastırmalı tipler. Şekil 6.42 Sayısal gürültü bastırma Şekil 6.43 Alıcıdaki olası darbe çizimi Gönderilen darbeli ışık dolayısıyla cisim var veya cisim yok sinyali alıcıya darbeler şeklinde ulaşır. Genel olarak bu sinyaller, değerlendirme aşamasında belli bir süre için entegre edilir ve bir eşik değeri (potansiyometre ile ayarlanabilir) ile karşılaştırılır, sonra duruma göre çıkış anahtarlar (veya anahtarlamaz). Sayısal gürültü bastırmalı tiplerde bu işlem sayısallaştırılmıştır. Değerlendirme aşaması, diğer anahtarlara konumu için 6 peş peşe gelen sinyali bekler ve o zaman çıkışı değiştirir. 118

124 Dolayısıyla dış etkenlerden kaynaklanan yakalanmış optik veya elektriksel gürültüler en az peş peşe 6 kez aynı frekansta (neredeyse olanaksız) olmalıdır ki anahtarlara konum değiştirsin. Bu şekilde yapılan sensörlerde aynı zamanda özel anahtarlara durum göstergesi vardır. Bu gösterge sadece çıkışın durumunu göstermez, bununla birlikte 2 Hz. Veya 10 Hz de yanıp söner. Yanıp sönme, emniyetli çalışma uzaklığını bulmaya bir yardımcı olarak görev yapar ve lenslerin kirlenmesi veya etkilenme durumunda uyarır. Dört değişik sinyal şu anlama gelir: 10 Hz de yanıp sönme sürekli olarak emniyetsiz çalışma bölgesini gösterir, fakat çıkış anahtarlanmıştır. 2 Hz Sürekli olarak etkilenme alanı anlamındadır, çıkış henüz anahtarlanmamıştır. Sürekli yanan veya sönük LED, çıkışa karşılık gelen algılama uzaklığı emniyetli alan içinde anlamındadır (ışık var veya ışık yok anahtarlara işlevine bağlı olarak). Şekil 3.34, bir cismin, ışık var anahtarlara konumunda olan cisimden yansımalı sensöre yaklaşırken ve uzaklaşırken yanıp sönme sinyalini gösterir. Cisimden yansımalı sensörün histerisiz alanı da kolaylıkla görülebilir. Şekil 6.44 Sayısal gürültü bastırmada yanıp sönme göstergesi ve anahtarlara noktası SA - emniyetli bölge SR - etkileyici yansıma - faydalı yansıma - açma bölgesi başlangıcı SPE - kapama noktası TW - algılama bölgesi - emniyetli bölge - yansıma yok SPA - açma HY - histerisiz Kapama bölgesinde faydalı yansıma Ayarlanabilir zaman işlevi olan sensörler başka bir özelliktir. Böyle bir sensör kullanıldığında çıkış sinyalinde açma / kapama zamanı sağlamak veya potansiyometre yardımı ile çıkış sinyalini belirlenen süre için darbe şeklinde elde etmek olasıdır. 119

125 Akım ve gerilim değerleri Opto elektronik sensörler DC, AC veya çift gerilimli birimler olarak sağlanır. Çok genişbir gerilim aralığında kullanılabilirler ve böylece tüm kullanıcı gereksinimlerine yanıt verirler. Örneğin ;10-55 VDC veya VAC aralığı Kaçak akım, enaz yük akımı ve gerilim düşümü İki kablolu, çift gerilimli veya AC tiplerde açık konumlarında bile çalışmaya hazır bulunmak için sürekli olarak birkaç ma lik kaçak akımın olması normaldir. Böyle iki kablolu bir sensörün kullanımında, kapamada iken birkaç voltluk gerilim düşümü olduğu hesaba katılmalıdır. Geri kalan gerilimin yüke yetmediği, kaçak akımdan etkilendiği veya sensöre yeterli gerilimi sağlayamayacak kadar yüksek değerde direnç olması durumlarında çıkış sinyali için ayrı bir kablonun bulunduğu 3 kablolu DC veya AC tiplerin kullanılmasına çalışılmalıdır Çalışma Güvenilirliği Çalışma güvenilirliği normalde seçilen algılama uzaklığına, uygulamaya ve seçilen tipe bağlıdır. Tip seçiminde iyi bir yardımcı olarak aşağıda gösterilen aşırı kazanç eğrisi verilir. Şekil 6.45 OS tip yansıtıcılı sensörün Aşırı kazanç eğrisi Örnek yolu ile böyle bir eğriden ne tür faydalı bilgilerin elde edilebileceği görülebilir. Eğri gerçekte alıcıya ulaşan ışın ile deneylerle belirlenmiş emniyetli anahtarlama için gereken en az ışın arasındaki oranı gösterir. Bu oran eğride tipe özel olarak gösterilmiştir. OS eğrisi, maksimum değerin prizmatik yansıtıcıdan yaklaşık 2 m uzaklıkta olduğunu açıkça gösterir. Bu noktada emniyetli anahtarlara için gereken ışıktan 60 kez daha fazla ışık alıcıya ulaşır. Yani, bu özel algılama uzaklığı için aşırı kazanç bir zorunluluktur. Tablodan açıkça görüleceği gibi tozlu, buharlı ortamlardaki, kirlenmiş lenslerin ve / veya aynaların olduğu veya ışın yolunun hafifçe yanlış ayarlandığı uygulamalarda böyle aşırı kazanç katsayıları gerçekten gereklidir. 120

126 Dolayısıyla bir uygulama için sensör seçerken aşırı kazanç eğrisine bakmak yararlıdır. Ne yazık ki potansiyometre ile duyarlılık ayarlandığında eğri sola doğru (kısa algılama uzaklıklarına doğru )kaymaz, fakat aşağı çok küçük aşırı kazançlara doğru kayar. Bu nedenle, olası ise sensörler maksimum duyarlılıkta çalıştırılmalıdır. Aşağıdaki tablo, çeşitli çevre koşullarında aşırı kazanç azalmalarını gösterir. Tablo 15Çeşitli uygulamalar için aşırı kazanç katsayıları referans değerleri sınıf Uygulama Cisimden yansımalı Yansıtıcılı sensör Karşılıklı sensör 1 Temiz ortam, laboratuar Büro 2 Bir taraf 2 = 4 Bir taraf 1.4 = 2 3 Normal sanayi ortamı, depolar, atölyeler 4 Bir taraf 4 = 20 Bir taraf 2 = 4 4 Tozlu, dumanlı, sisli endüstriyel işlemler - Bir taraf 60 = 3000 Bir taraf 8 = 60 5 Yoğun kirlenme, kum püskürtme makinası - - Bir taraf 25 = Aşırı kirlenme madencilik - - Bir taraf 100 = Uygulamalar Önerilen tipler Genel olarak, olası olan her yerde karşılıklı sensörlerin kullanılması söylenebilir. bu tip maksimum algılama aralığında özellikle emniyetli anahtarlamayı sağlar. Eğer karşılıklı tip kullanılamıyorsa veya monte edilemiyorsa normal olarak ikinci olasılık, yansıtıcılı tip sensördür (çoğu malzeme için emniyetli anahtarlara, yarı algılama uzaklığı malzeme için emniyetli anahtarlama, yarı algılama uzaklığı, kolay yerleştirme, kolay ayarlama v.s.) şeffaf cisimler algılanacaksa bu, alıcı duyarlılığını ayarlayarak yapılabilir. Çok fazla yansıtma özelliği olan cisimler için polarizasyon filtreli yansıtıcılı tip sensörler kullanılabilir (etkilere karşı bağışıklığı artırmak için). Çok küçük cisimler için veya sınırlı yer olan durumlarda fiber optikli veya kuvvetlendiricili tipler iyi bir çözümdür. Cisimden yansıtmalı sensörler, karşılıklı veya yansıtıcılı tip sensörlerin algılamadığı cisimler için kullanılmalıdır. Bu durum, örnek olarak; cismin sadece bir taraftan algılanabileceği veya vericiden yayılan ışığı kıramayacak kadar şeffaf olması olabilir. Arka tarafın yansıtmasının sensörün çalışmasını etkilediği durumlarda kısa algılama uzaklığı olan cisimden yansımalı tipler uygundur. Daha önce de belirtildiği gibi alıcının duyarlılığı potansiyometre ile ayarlanabilir. Fakat, çalışma güvenilirliğindeki kabul edilmesi gereken değişim dolayısıyla sensörlerin duyarlılığı sadece şeffaf cisimler algılanacağı zaman düşürülmelidir. (Ancak cisimden yansımalı sensörlerde, sensörün emin bir şekil de cismi algılaması için bu ayarlama neredeyse sürekli olarak gerekli olur.) 121

127 Çoğu sensörde çıkış sinyalinin ışık var veya ışık yok anahtarlaması sağlamak için programlama olanağı vardır Uygulama örnekleri Şekil 6.46 Fiber optik algılama kafalı opto elektronik Sensörlerin çeşitli besleyicilerde kapakları Saymada ve konumlarının kontrolünde kullanımı Şekil C ye kadar sıcaklıklarda kullanıma uygun olan zırhlı fiber optik kabloların sıcak cisimleri algılama uygulaması 122

128 Şekil 6.48 Fiber optik sensör ile entegre bacaklarının sayılması Şekil 6.49 Karşılıklı ve cisimden yansımalı sensörler kenar ve sarkma kontrolunda kullanımı. 123

129 Şekil 6.50 Yansıtıcılı sensör ile vinçlerde aşırı yaklaşım ve çarpışmanın engellenmesi Şekil 6.51 Yansıtıcılı sensör ile palet yüksekliğinin tespiti 124

130 a Şekil 6.52 a: Ürün üzerinde yapılan işlemin kontrolünde kullanılan optik sensör b: Ürün bandında ilerleyen parçaların sağlamlık kontrolünde kullanılan optik sensör b Şekil 6.53 LDR li karanlıkta çalışan devre Şekil 6.53 teki devrede LDR nin üzerine ışık düştüğü zaman T1 transistörü iletime geçer. T1 transistörünün iletime geçmesi T2 transistörünün base gerilimini şase gerilimine yaklaştıracağından T2 transistörü kesimde kalır ve röle ve buna bağlı olarak lamba yanmaz. LDR nin üzerine ışık düştüğünde ise T1 transistörü kesime gider. T2 transistörü base gerilimini pozitif gerilimden alır ve iletime geçer. Buna bağlı olan röle kontakları kapanır ve lamba yanar. Sonuç olarak karanlıkta lamba yanar, aydınlıkta ise sönüktür. Burada dikkat edilmesi gereken nokta lamba ile LDR nin ışık iletiminin kesilmesidir. Şekil 6.54 Optokuplör ile tetiklenen devre Şekil 6.54 teki devrenin çalışması Şekil 6.53 teki devrenin çalışmasına çok benzemektedir. Tek farkı tetiklenmesi optokuplör vasıtası ile gerçekleşmektedir. 125

131 7. SES SENSÖRLERİ 7.1 Ultrasonik Sensörler Ultrasonik sensörler genellikle robotlarda engellerden kaçmak, navigasyon ve bulunan yerin haritasını çıkarmak amacıyla kullanılmaktadır.bu türden çalışmaları ilk olarak,polaroid firması ultrasonik sensörü kullanarak ve bunu bir aletin içine koyup kamera uzaklığını anlayan sistem geliştirmiştir. Ultrasonik ses dalgaları Hz ile Hz arasında frekanslara sahip ses dalgalarıdır. Bizim duyabildiğimiz 300 Hz Hz bandının üzerindedirler. Ultrasonik sensörler ultrasonik ses dalgaları yayan ve bunların engellere çarpıp geri dönmesine kadar geçen süreyi hesaplayarak aradaki uzaklığı belirleyebilen sensörlerdir. Bu sensörlerde bu kadar yüksek frekanslarda ses dalgalarının yayılmasının nedeni ; bu frekanslardaki dalgaların düzgün doğrusal şekilde ilerlemeleri, enerjilerinin yüksek olması ve sert yüzeylerden kolayca yansımasıdır. Ultrasonik sensörlerin algılama menzili uygun koşullarda 30 metreye varabilir. Ultrasonik sensörlerde iki adet transducer bulunur. Bunlardan biri ultrasonik speaker diğeri de ultrasonik mikrofondur. Elektronik devre ile ultrasonik speaker'dan ses dalgasının yayılma anı ile bu ses dalgasının engele çarpıp yansıyarak ultrasonik mikrofon tarafından algılanması arasındaki zaman ölçülür ve bu zamanın ikiye bölünüp ses hızı ile çarpılması sonucunda da engel ile ultrasonik sensör arasındaki mesafe hesaplanır. Robotlarda genellikle 40 khz'lik ultrasonik sensörler kullanılmaktadır Çalışma Prensibi: Ultrasonik uzaklık sensörü, piezoelektrik transducerden gelen 40khz ultrasonik sesin kısa darbelerini yayarak çalışmaktadır. Ses enerjisinin küçük bir kısmı sensörün önündeki cisimlerden yansıyarak dedektöre yani farklı bir piezoelektrik transducere gelir (Şekil 7.1). Alıcı yükselteci yansıyan işareti (ekoları) sinyal dedeksiyon sistemine veya mikrokontrolöre gönderir. Sinyalin havadaki hızına bağlı olarak mikrokontrolör, cisimlerin ne kadar uzakta olduklarını zamanlama prosesi koşarak belirler. 126

132 Şekil 7.1 Ultrasonik ses dalgalarının yayılımı Ultrasonik uzaklık sensörleri fiziksel olarak iki çeşitte piyasada bulunmaktadır. Buna rağmen temel işlevleri aynıdır. Hitechnic sensör tipi: Ultrasonik ses dalgalarının yayılması verici transducer, dalgaların algılanması ise alıcı transducer tarafından yapılır.bu tipteki uzaklık dedeksiyon işleminde 2 tane transducer kullanılır (Şekil 7.a). Polaroid sensör tipi: Ultrasonik ses dalgalarının yayılması ve algılanması tek bir piezoelektrik transducer tarafından yapılır (Şekil 7.b). Şekil 7.a: Hitecnic sensör tipi Şekil 7.b:Polaroid sensör tipi Yalnızca ultrasonik alıcı ve verici (Rx- Tx) komponentleridir. Her iki elemanda da dış gövdeye değen bacak toprak (-) bacağıdır. Ultrasonik sensörlerde yansıyan işaretin dönme süre bilgisine göre işlem yapıldığında bazı anlaşılmazlıktan kaynaklanan yorum hatası yapılabilmektedir.örneğin sensörün yüzü kendine daha yakın düz bir cisim ile paralel olsun.bu cismin arkasında ise yansıtıcı yüzeyi olan çok geniş bir duvar olduğunda, 127

133 sensör tarafından algılanan bilgi sensörün önünde bulunan yakın cisme göre yorumlanır.buna rağmen bazen yansıyan işaretin dönme süre bilgisi anlamlı cismi algılamamızda bizi yanıltabilir.eğer cismin bulunduğu yüzey, sensörün gerçek yüzeyi ile açısal olarak ölçeklendirilirse, informasyon bilgisi 30 derece konisi (Şekil 7.2) içinde bulunan en yakın noktaya göre kaydedilir. Şekil 7.2 Ultrasonik sensörün tipik ışıma paterni Şekil 7.3 Ultrasonik sensörün iç yapısı Teknik ve Fiziksel Bilgiler: TEKNİK BİLGİLER Rezonans Frekansı (KHz) 40 Ses Basınç Düzeyi (db) 115< Hassasiyet (db) -64< Ölçüler (mm) Yarıçap 16,2 Yükseklik 12,2 Terminal Aralığı 10,0 128

134 7.1.3 Ultrasonik Uzaklık Sensörünün Kullanım Avantajları: Kontaksız Ölçüm: Hedef cismi dokunmadan havayı kullanarak nispeten geniş mesafelerden ölçer. Cisim Menzilleme: Cisim mesafesini çoğunlukla görünüş veya yakınlık analizine göre ölçebilir. Uzaklıkla Orantılı Çıkış: Sensörün elektriksel çıkışları ölçülen hedef uzaklığıyla orantılı veya bu uzaklığa bağımlıdır. Yüksek Çözünürlük: Hedef cisimle ilgili informasyonu doğru ve ince farkları gösterebilme yeteneğine sahiptir. Hedefin Optik Karakteristiklerinden Etkilenmeme: Ultrasonik sensörlerin algılaması ortamın ışık seviyesinden, hedefin renginden veya hedefin optik geçirgenlik/yansıtıcılık özelliklerinden etkilenmez. Hassasiyet: Büyük veya küçük cisimleri algılayabilir Tipik Bazı Uygulama Alanları: a) Yaklaşım Uygulaması: Cisimlerin belirli bir yerde bulunmalarını algılayıp,sayma işlemi yapılarak veya hareketlerini kontrol etmek amacıyla endüstride kullanılırlar. b) Boyutlandırma: Cisimlerin ölçü bilgilerini, cisimlerin genişliklerine veya hacimlerine göre belirmekte kullanılırlar. c) Seviye ölçümü: Enventör ve diziler için tankların veya kutuların içerisindeki sıvıların veya sıvı halde bulunan malzemelerin seviyesini ölçmek için endüstride kullanılmaktadır. 129

135 d) Rulo Çapı Ölçümü: Endüstride ruloların kontrol gerginliğini veya hızını, veya dolu/boş durumunu ölçmek için kullanılırlar. e) Sınıflandırma / Seçme: Cisimlerin sınıflandırılması veya seçimi işlemi cisimlerin fiziksel ölçülerine farklılıklarına bağlı olarak ölçülmektedir. f) Bağlantı Kopma Belirlenmesi / Döngü Kontrolü: Matbaacılıkta, kağıt makinelerinin kopan ağ bağlantılarının prosesin hızlıca devam etmesi için hızlıca ve algılanmasında kullanılmaktadır. Bu uygulamalara ek olarak ultrasonik sensörler; Araç alarm sistemleri Işıklandırma kontrolü Park destek sistemleri Otomatik kapı kontrolü gibi endüstriyel uygulamalarda da sıkça kullanılmaktadır. 7.2 Mikrofon (Ses Sensörü) Biz konuştuğumuzda havayı titreştirerek hava da bir basınç değişikliği oluşturuyoruz. Duyma işleminde ise bu basınç değişikliğini kulaklarımızdaki zar ile algılıyoruz. Mikrofonlar da tıpkı kulaklarımız gibi havadaki basınç değişikliğinin yarattığı etkiden yararlanarak sesi algılıyor ve elektrik sinyaline çeviriyor. Sesi elektrik sinyallerine çeviren cihazlara mikrofon denir. Şekil 7.4 Mikrofon 130

136 Şekil 7.4 te görüldüğü gibi, ağzından çıkan veya herhangi bir şekilde yayınlanan ses havada basınç değişimi yaratmakta ve bu basınç değişimi, suya atılan taşın yarattığı dalgaya benzer şekilde havada bir dalga iletimi şeklinde yayılmaktadır. Ses aslında hava basıncındaki değişimdir. Bütün mikrofonların yapısı, ses dalgalarının bir diyaframı titreştirmesi esasına dayanmaktadır. Her sesin belirli bir şiddeti vardır. Bu ses şiddetinin havada yarattığı basınç ses şiddeti ile doğru orantılıdır. Gelen hava basıncının büyüklük ve küçüklüğüne göre ileri geri titreşen diyaframın bu titreşimini, elektrik enerjisine çevirmek için değişik yöntemler kullanılmaktadır. Kullanılan yöntemlere göre de mikrofonlara isim verilmektedir. Ses algılaması gerektiren robot ve otomasyon projelerinde mikrofon kullanarak yapılan ses sensörü devreleri kullanılır. Mikrofonlarda önemli olan unsur diyaframdır. Diyafram ses dalgalarıyla titreşir ve bu titreşimler mikrofonun çeşidine ve yapısına göre farklı biçimlerde elektrik sinyallerine dönüştürülür. Mikrofonların frekans, empedans, duyarlılık ve alış yönü gibi karakteristik özellikleri vardır. Bu karakteristik özellikler mikrofonun çeşidine ve kalitesine göre farklılık gösterir ve uygulamaya göre mikrofon seçiminde rol oynar. Mikrofonlara sağlamlık testi uygularken öncelikle mikrofonun özelliğine göre direncine bakılır. Katalogda ya da üzerinde belirtilen direnç değerleri avometre ile kontrol edilir. Mikrofonun çıkışına bir preamplifikatör (çok küçük sinyalleri yükselten yükseltici) bağlanır. Preamplifikatörün çıkışına da bir osilaskop bağlayarak mikrofona ses dalgası verilir. Uyguladığımız seslere göre osilaskop ekranında AC titreşimler oluşuyorsa mikrofon sağlamdır. 7.3 Mikrofon çeşitleri Dinamik (bobinli - manyetik) mikrofonlar Kapasitif (kondansatör) mikrofonlar Şeritli (bantlı) mikrofonlar Kristal (Piezoelektrik kristalli) mikrofonlar Karbon tozlu mikrofonlar Elektret mikrofonlar Dinamik (Bobinli - Manyetik) Mikrofonlar Dinamik mikrofonlar ses dalgaları ile hareket eden diyaframa bağlı bobinin sabit bir mıknatıs içinde hareket etmesinden dolayı bobin uçlarında oluşan gerilim değişimine bağlı olarak çalışır. Ses dalgalarıyla titreşen diyafram, bağlı bulunduğu bobini, sabit mıknatıs içerisinde ilerigeri hareket ettirir. Sabit mıknatısın kutupları arasında manyetik alan hatları vardır. Bobin iletkenleri hareket sırasında bu manyetik alan hatlarını kesmektedir. Manyetik alan içerisinde hareket eden iletkenin uçları arasında bir gerilim oluşur. 131

137 Şekil 7.5 Dinamik mikrofon örnekleri Sürekli ileri-geri titreşim halinde bulunan bobinde de ses frekansına uygun olarak değişen bir gerilim oluşur. Mikrofon bobini uçlarında oluşan gerilim, bir ses frekans yükseltecine verildiğinde, hoparlörden aynı frekansta çıkış alınır. Böylece mikrofona yapılan konuşma veya melodi kuvvetlendirilmiş olarak sese dönüştürülür. Dinamik mikrofon bobininin direnci birkaç ohm "Ω" kadardır. Şekil 7.6 Dinamik mikrofonun yapısı Dinamik mikrofon, Şekil 5.3'de görüldüğü gibi şu bölümlerden oluşmaktadır: Diyafram Diyaframa bağlı hareketli bobin Bobinin içerisinde hareket ettiği sabit mıknatıs Empedans uygunluğu sağlayan küçük bir transformatör (Bazı dinamik mikrofonlarda bulunur). Dinamik mikrofonlar kullanım sırasında, elektriksel alandan uzak tutulmalıdır. En çok kullanılan mikrofon türüdür Kapasitif (Kondansatör) Mikrofonlar Kapasitif mikrofonlar statik elektriklenme esasına göre çalışan mikrofonlardır. Kapasitif mikrofonların diyaframı gelen ses dalgalarıyla titreşir ve bu titreşim mikrofonun kapasitesinin değişimine neden olur. Kapasitedeki bu değişim sesin özelliğine uygun olarak mikrofonun çıkışında elektrik sinyallerini oluşturur. Şekilde görüldüğü gibi bir sabit levha ve bir de hareketli iletken levha arasında hava boşluğu bırakılarak kapasite elde edilir. Hareketli levha aynı zamanda diyafram görevi de yapar. Kapasitif mikrofonlar şarjlı bir kondansatörün yükü değiştirildiğinde elektrik akımının 132

138 elde edilmesi esasına dayalı olarak çalışır. UCC bataryası (1,5-45V) sürekli olarak beslediği için kondansatörlü mikrofon sürekli şarjlıdır. Ses dalgalar diyaframa çarptığında mekanik titreşimler meydana gelir. Titreşimin plakalar arasındaki hava aralığını daralıp genişletmesiyle kapasite değişimi sağlar. Kapasitenin değişmesi ile devreden küçük bir akım geçer. Devreden geçen akım direnç üzerinde bir gerilim düşümü meydan getirir. Bu gerilim küçük olduğu için bir yükselteç devresiyle yükseltilerek kullanılır. Şekil 7.7 Kapasitif mikrofonun yapısı Kapasitif mikrofonların yüksek seslerde az distorsiyonlu olduklar için çok tercih edilir. Fakat fiyatları da kaliteleri gibi yüksektir. Başlıca şu üstünlüklere sahiptir: Hz arasında oldukça geniş bir frekans karakteristiği vardır. Distorsiyon azdır. Empedansı büyüktür (10-50 MΩ). Bu özelliklere karşın şu tip dezavantajları vardır: Diğer mikrofonlardan farklı olarak, bir besleme kaynağına ihtiyacı vardır. Yükselteç ile mikrofon arası kablonun kapasitif etkisi mikrofon kapasitesini etkileyerek parazite neden olur. Bu etkiyi azaltmak amacıyla mikrofon içine bir yükselteç konur. Kapasitif mikrofonların devreye bağlantısı DC beslemeli olarak yapılır. Mikrofonun plâkalarına uygulanan DC, modele göre 1,5-48 V arasında değişmektedir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan kapasitif mikrofonların DC beslemesinde bir ya da iki adet kalem pil bulunur. DC akım ile beslenerek kullanıldıkları ve küçük boyutlarda üretilebildikleri için robotik çalışmalar için uygundur. 133

139 7.3.3 Şeritli (Bantlı) Mikrofonlar Çalışmaları dinamik mikrofonlar gibi manyetik alan esasına dayalı mikrofonlardır. Şekil 7.8 de görüldüğü gibi manyetik alan içine yerleştirilmiş ince bir alüminyum ya da kalay levhaya ses sinyalleri çarpınca, manyetik alan içinde hareket eden levhada ses frekanslı akım oluşur. Şeritli mikrofonların empedeansı çok düşük, kaliteleri yüksektir. Sarsıntıdan, rüzgârdan olumsuz etkilendiklerinden kapalı ortamlarda kullanılır. Şekil 7.8 Şeritli mikrofonun yapısı Kristal (Piezoelektrik kristalli) Mikrofonlar Kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı maddelere basınç uygulandığında üzerlerinde elektrik akımı oluşur. Bu akım, basıncın kuvvetine ve frekansına göre değişir. İşte bu esastan yararlanarak kristal mikrofonlar yapılmıştır. Kristalli mikrofonlarda, kristal madde Şekil 7.9' da görüldüğü gibi çok ince iki metal elektrot arasına yerleştirilmiş ve bir pin (küçük çubuk) ile diyaframa tutturulmuştur. Ses titreşimleri diyaframı titreştirince kristal de titreşmektedir. Kristaldeki titreşim ise AA özellikli elektriksel sinyallerin oluşmasını sağlamaktadır. Şekil 7.9 Kristal mikrofonun yapısı 134

140 7.3.5 Karbon Tozlu Mikrofonlar Karbon tozlu mikrofonlar Şekil 7.10 de görüldüğü gibi bir hazne içinde doldurulan karbon tozu zerrecikleri ve esnek diyaframdan oluşmuştur. Ses dalgaları alüminyum diyaframa çarpınca titreşerek karbon zerreciklerinin sıkışıp gevşemesine yol açar. Tozlar sıkışınca akımın yolu kısalacağından direnç azalır. Tozlar gevşeyince ise akımın yolu uzayacağından direnç yükselir. İşte bu işlem esnasında sesin şiddetine göre karbon tozlarından geçen akım değişken özellik gösterir. Karbon tozlu mikrofonların çalışabilmesi için bir DA besleme kaynağına gereksinim vardır. Bu tip mikrofonların empedansları 50 ohm dolayında olup çok küçüktür. Ayrıca, kömür tozları zamanla özelliğini kaybettiğinden mikrofonun hassasiyeti bozulmaktadır. İşte bu nedenle günümüzde çok kullanılan bir mikrofon tipi olmayıp, eski tip telefonlarda vb. karşımıza çıkmaktadır. Şekil 7.10 Karbon tozlu mikrofonun yapısı 7.4 Hoparlör Elektriksel sinyalleri insan kulağının duyabileceği ses sinyallerine çeviren elemanlara hoparlör denir. Sağlamlık testi yapılırken Avometre Ohm konumuna (200 ohm) alınır. Yapılan ölçümde üzerinde yazılı olan direnç değeri (4,8,16 Ohm gibi) okunmalıdır. Bunun yanında ölçüm esnasında hoparlör bobini, membranı bir miktar titreştirmelidir. Çok küçük bir ses çıkarmalıdır. Şekil 7.11 Hoparlör ve sembolü 135