PROJE RAPORU. Sıvılar İçin Yüzey Gerilimi Ölçüm Cihazı

Transkript

1 PROJE RAPORU Sıvılar İçin Yüzey Gerilimi Ölçüm Cihazı İçindekiler 1 Giriş Yüzey Gerilimi Sıvılarda Yüzey Gerilimi Oluşumu Yüzey Gerilimini Etkileyen Faktörler Yöntem Yüzey Geriliminin Ölçüm Yöntemleri Kapiler Yükselme Yöntemi Wilhelmy Levha Yöntemi Damla Ağırlığı Yöntemi Asılı Damla Yöntemi Salınımlı Fıskiye Yöntemi Halka-Koparma Yöntemi (Du Noüy Tensiyometresi) Yüzey Gerilimi Ölçme Cihazının Parçaları Arduino UNO R Ultrasonik Uzaklık Sensörü (HC-SR04) Step Motor (28BYJ-48) ve Sürücü Board ı (ULN2003) LCD Ekran (TC1602D-02WB0) Buton ve Zil Sıvılar İçin Yüzey Gerilimi Ölçüm Cihazı nın Çalışma Prensibi Kod ve Açıklaması Bulgular 14 4 Sonuç ve Tartışma 15 5 Öneriler 15 Kaynakça 16 1

2 1 Giriş Bu projedeki amacımız Arduino mikrodenetleyicisini kullanarak sıvıların yüzey gerilimini hesaplayabilen bir cihaz geliştirmektir. Yaptığımız literatür araştırmalarının sonucunda yüzey gerilimi ölçme yöntemleri arasında geliştirilmeye en uygun yöntemin Du Noüy Tensiyometresi(halka koparma yöntemi) olduğunu fark ettik. Cihaz, belirli eşik değerler arasında olan sıvıların yüzey gerilimleri üzerinde ölçüm yapabilmektedir. Yüzey gerilimini ölçen cihazların ana probleminin maliyetlerinin yüksek olması sebebiyle cihazımızı düşük maliyetli olacak şekilde tasarladık. 1.1 Yüzey Gerilimi Suda yüzen bir gemi, suyun kaldırma kuvvetinden dolayı dengesini koruyabilmektedir. Şekil 1 deki gibi suda yüzen bir yaprağın dengede kalmasının, ya da Şekil 2 deki gibi su yüzeyine dikkatlice bırakılan bir ataşın yüzeyde batmadan durabilmesinin nedeni suyun kaldırma kuvveti değildir. Bahsedilen bu iki durumda suyun yüzey geriliminin etkisi gözlenmektedir. Şekil 1: Yaprağın suyun yüzey gerilimi sayesinde batmaması. Yüzey gerilimi, sıvı yüzeyinin esnek bir tabakaya benzer özellik göstermesi şeklinde düşünülebilir. Bilimsel bir tanım yapacak olursak: açık sıvı yüzeylerinde, sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinden kaynaklanan gerilmeye yüzey gerilimi denir. Sıvı moleküllerinin bir arada durmasını sağlayan en önemli etken moleküller arasındaki çekim kuvvetleridir. Sıvı molekülleri ile çevredeki maddelerin molekülleri arasında da çekim kuvvetleri oluşur. Bunlar yüzey gerilimini etkileyen faktörlerdir. Adezyon birbirinden farklı iki madde arasında oluşan çekim kuvveti olarak tanımlanabilir. Bir maddeyi oluşturan atomların, iyonların ve moleküllerin bir arada tutulması için gerekli olan kuvvet kohezyon kuvvetidir. Bu kuvvet sayesinde madde dağılmadan durabilmektedir. Günlük hayatta sıkça karşılaştığımız örneklerden biri ise su damlacıklarının bulundukları yüzey üzerinde dağılmadan durabilmesidir. Su damlasını oluşturan her taneciğe diğer tanecikler kohezyon kuvveti uygular. Tanecikler öteleme hareketi yapabilme yeteneğine sahip olduğundan kendilerine etki eden bu kuvvetler nedeniyle birbirlerine yaklaşırlar ve böylece yüzey alanları küçülür. Şekil 2: Yüzey gerilimi sayesinde batmadan durabilen bir ataş. Örneğin bir test tüpüne konulan iki farklı sıvının yüzeyinde meydana gelen değişimler farklı olacaktır. Bunun nedeni adezyon ve kohezyon kuvvetleri arasındaki farktır. İki farklı sıvı için su ve cıvayı ele almak gerekirse civanın yüzeyinde meydana gelen şekil dış bükey, suyun yüzeyinde meydana gelen şekil iç bükeydir. Civa molekülleri arasında meydana gelen çekim kuvveti (kohezyon), civa ile tüp arasında meydana gelen çekim kuvvetinden (adezyon) büyüktür. Su içinse adezyon ile kohezyon kuvvetleri arasındaki durum bunun tam tersidir. Buna bağlı olarak oluşan şekil farklılık gösterir. (Bolat, Aydoğdu, and Evgi 1 ) 1 Ortaöğretim 9. Sınıf Fizik Ders Kitabı. 2

3 1.2 Sıvılarda Yüzey Gerilimi Oluşumu Sıvıyı oluşturan moleküller, çevredeki moleküller tarafından eşit şekilde çekilmektedir. Ancak sıvının dış kısmındaki moleküller sadece yanlara ve sıvının iç kısmına doğru çekilirler. Bu nedenle, sıvı yüzeyi küresel bir şekil alır. Sıvılar yüzey alanlarının küçülmesine eğilimli haldedirler. Bu, havada asılı durumdaki su damlacığının yüzeyinin küresel şekil almasından da anlaşılmaktadır. Tanecikler arasındaki çekim kuvveti nedeniyle sıvı yüzeyinde oluşan gerilmeye yüzey gerilimi denir. Oluşan yüzey gerilimi sıvı yüzeyinde bir zar bulunuyormuş gibi sıvı yüzeyinin gergin olmasına neden olur. Bir maddenin sıvı yüzeyinden sıvının iç kısmına doğru geçiş yapabilmesi ya da sıvı yüzeyini delerek iç kısımdan dış kısma geçebilmesi için yani sıvının yüzeyindeki gerilmeye karşı gelebilmesi için yüzey gerilimini yenmesi gerekir. Oluşan yüzey gerilimi sıvı yüzeyinin her doğrultusu ve noktasında aynıdır. (Serway 2 ) Şekil 3: Moleküller arası kuvvetlerin moleküllere etkisi. 1.3 Yüzey Gerilimini Etkileyen Faktörler Yüzey gerilimine etki eden önemli faktörler; sıcaklık, çözünmeyen madde ilavesi, çözünen madde ilavesi ve basınçtır. Sıvı bir maddenin sıcaklığı arttırıldığında sıvı moleküllerinin genleşme ile birlikte tanecikleri arasındaki çekim kuvvetleri giderek azalır. Böylece yüzey gerilimi de azalmış olur. Sıcaklık arttırılmaya devam ettirilirse de moleküller arası çekim kuvvetlerinin neredeyse yok sayılabileceği kritik bir sıcaklık değerine ulaşıldığında yüzey gerilimi çok küçük bir değer alır. Tablo 1 de bazı sıvıların farklı sıcaklıklardaki yüzey gerilimi değerleri verilmiştir. Sıvı bir maddeye, bu sıvıda çözünmeyen başka bir sıvı eklendiğinde yüzey gerilimi azalma gösterir. Çünkü çözünmeyen sıvı molekülleri ile diğer sıvı molekülleri arasında oluşacak zayıf etkileşimler ilk durumdaki kuvvetli etkileşimleri azaltıcı yönde bir etkide bulunacaktır. Sıvı bir maddeye, bu sıvıda çözünen başka bir sıvı eklendiğinde yüzey gerilimi çözünen sıvının cinsine bağlı olarak değişim göstereceği için kesin bir şey söylenemez. Fakat bazı maddeler suya eklendiği zaman yüzey geriliminin azalmasına neden olurlar. Örneğin; suya deterjan veya sabun eklenmesi sonucu suyun yüzey gerilimi azalır. Bazı maddeler ise suya eklendiğinde yüzey gerilimini etkilemezler. Örneğin; suya şeker veya gliserin eklenmesi sonucu suyun yüzey gerilimi değişmez. Yüzey gerilimini etkileyen bir diğer faktör ise basınçtır. Sıvı bir yüzey üzerindeki gaz yoğunluğu arttırılırsa yüzey geriliminde azalma gözlemlenir. Tablo 1: Bazı sıvıların farklı sıcaklıklardaki yüzey gerilim değerleri (N/m) Sıcaklık ( C) H 2 O CCl 4 C 6 H 6 C 2 H 5 OH CH 3 COOH 0 7,56 x10-4 2,90 x10-4 3,16 x10-4 2,40 x10-4 2,95 x Fen Ve Mühendislik Için Fizik. 3

4 Sıcaklık ( C) H 2 O CCl 4 C 6 H 6 C 2 H 5 OH CH 3 COOH 25 7,19 x10-4 2,61 x10-4 2,82 x10-4 2,18 x10-4 2,71 x ,79 x10-4 2,31 x10-4 2,50 x10-4 1,98 x10-4 2,46 x ,35 x10-4 2,02 x10-4 2,19 x ,20 x Yöntem 2.1 Yüzey Geriliminin Ölçüm Yöntemleri Yüzey gerilimini ölçebilmek için kullanılan birçok yöntem mevcuttur. En çok kullanılan ve bilinen yöntemlerin bazıları: Kapiler Yükselme Yöntemi Bir cam kılcal tüp sıvı içine daldırıldıktan sonra sıvı, tüp içinde belirli bir seviyeye kadar yükselme gösterir. Buna sebep olan, sıvı ile kılcal tüp arasında meydana gelen adezyon kuvvetinin, sıvı molekülleri arasında meydana gelen kohezyon kuvvetinden büyük olmasıdır. Yüzey gerilimi ile yerçekimi kuvveti dengelendiğinde yükselme hareketi son bulur. Eğer temas açısı 90 den küçük ise sıvı tüp çeperlerini ıslatır. Çeperlerin sıvı tarafından tamamen ıslatıldığı durumda, tüp içindeki sıvı ile sıvı yüzeyi arasında oluşan yükseklik farkı göz önüne alınarak aşağıda belirtilen denklem ile yüzey gerilimi hesaplanabilir. Hesaplanan yüzey gerilimi, tüp içindeki sıvının havaya karşı yüzey gerilimidir. (DÜZYOL 3 ) Şekil 4: Kılcalda yükselme yöntemiyle yüzey geriliminin hesaplanması. γ = 1 2 phg h: sıvı yüksekliği(cm) r: kılcal tüp yarıçapı(cm) p: sıvı yoğunluğu(g/ml) g: 9,81 cm/s 2 3 CEVHER Hazirlama Işlemlerinde Yüzey Gerilimi Ve Temas Açisi ölçümünün Genel Bir Değerlendirmesi. 4

5 2.1.2 Wilhelmy Levha Yöntemi Wilhelmy Levha yöntemi uygulanma şekline göre ikiye ayrılmaktadır. Bunlar; 1. Ayırma(koparma) Yöntemi 2. Statik Yöntemi Bu yöntemde kullanılan sistem genel olarak bir terazi ve ince bir mika levha ya da lamdan oluşmaktadır. Terazinin bir kolunun ucuna levha ya da lam asılır ve daha sonra sıvının içine daldırılır. Şekil 5: a) koparma yöntemi b) statik yöntemi Koparma-Ayırma Yöntemi Yüzey gerilimi belirlenecek olan sıvının bulunduğu kaba levha daldırılır ve kap yavaşça alçaltılır. Terazinin diğer koluna eklenen ağırlıklardan koptuğu anda oluşan çekim kuvveti terazide belirlenir. Bu yöntemle sıvının yüzey gerilimi aşağıda belirtilen denklem ile bulunur. Değme açısı sıfır olarak kabul edilir. W koparma W = 2(x + y)γ x: plak uzunluğu y: plak genişliği w: plak ağırlığı Statik Yöntem Wilhelmy Levha Yöntemi, yüzey geriliminde meydana gelen değişimlerin ölçümü için statik bir yöntem olarak da uygulanabilir. (Gönül 4 ) Damla Ağırlığı Yöntemi Şekil 6: Damla ağırlığı. Bu yöntemde yarıçapı bilinen bir pipet kullanılır(şekil 6). Sıvının yüzey geriliminin hesaplanması, pipet ucundaki damlanın kendi ağırlığından dolayı kopması esasına dayanmaktadır. Aşağıda belirtilen eşitlikten sıvının yüzey gerilimi hesaplanır. (DÜZYOL 5 ) γ = ϕmg 2πr ϕv pg = 2πr m: damlanın kütlesi r: pipet yarıçapı v: damlanın hacmi (ml ya da cm 3 ) p: sıvı yoğunluğu(g/ml) ϕ: düzeltme faktörü r V 1/3 4 ÇOK Fazli Sistemler I Yüzey Kimyasi Ve Kolloidler. 5 CEVHER Hazirlama Işlemlerinde Yüzey Gerilimi Ve Temas Açisi ölçümünün Genel Bir Değerlendirmesi. 5

6 2.1.4 Asılı Damla Yöntemi Sıvı bir maddenin asılı halde bulunan damlasının fotoğrafı alınır ve alınan bu fotoğrafın şekli grafik kağıdına aktarılır. Elde edilen grafikten yüzey ve arayüzey gerilimi hesaplanır. Bu yöntem sayesinde hem temiz hem de kirli yüzeylerde ölçüm gerçekleştirilebilir Salınımlı Fıskiye Yöntemi Yüzey oluşumu gerçekleştikten hemen sonra (yaklaşık olarak 0.01 saniye) yüzey geriliminin belirlenebildiği dinamik bir yöntemdir. Eliptik bir kesit alanına sahip bir delikten sıvı geçirilir. Daha sonra dairesel bir şekle bürünen sıvının salınımının fotoğrafı alınarak akış hızından (fıskiye gibi davranan) yüzey gerilimi fotoğrafın boyutlarına göre belirlenir Halka-Koparma Yöntemi (Du Noüy Tensiyometresi) Halka-koparma(Şekil 7) yönteminde yüzeydeki ya da ara yüzeydeki halkanın koparılması için gerekli olan kuvveti ölçmenin iki farklı yolu bulunmaktadır. Bunlar; 1. Halkanın terazi kolundan asılması 2. Du Noüy tensiyometresinin kullanılması (Bükülme-tel düzeneği) Koparmak için gereken kuvvet, yüzey ya da ara yüzey gerilimi şu denklem ile ifade edilir: Şekil 7: Halka koparma yöntemi ile yüzey geriliminin hesaplanması. γ = βf 4πr β: düzeltme faktörü F : Halkayı çekmek için gereken kuvvet r: Halkanın ortalama çapı Sıfır sabit değme açısının ölçülebilmesi için kuvvetli bir asitle veya alevle temizlenmiş bir platin halka kullanılması gerekmektedir. Platin halkanın durgun bir yüzeyde bulunması ve bu yüzeye düz ve paralel olacak şekilde temas etmesi gereklidir. (Noüy 6 ) 6 An Interfacial Tensiometer for Universal Use. 6

7 2.2 Yüzey Gerilimi Ölçme Cihazının Parçaları Arduino UNO R3 Arduino, kullanımı kolay donanım ve yazılım üzerine kurulmuş açık-kaynaklı bir elektronik platformdur. Arduino kartları sensörlerden gelen bilgiyi okuyabilen ve bunlara uygun işlemler yapabilen cihazlardır. Arduino kartlarına farklı veri girişlerine nasıl tepkiler vermesi gerektiğini kart üzerindeki mikro denetleyiciye birtakım talimatlar göndererek belirleyebilirsiniz. Bunu yapmak için de Arduino programla dili ve Arduino entegre yazılım geliştirme ortamı kullanılır. (LLC 7 ) Ultrasonik Uzaklık Sensörü (HC-SR04) HC-SR04, kendisi ile en yakınındaki engelin arasındaki mesafeyi ölçmek için insan kulağının duyamadığı 40 khz lik bir ses dalgası gönderir ve bu dalga geri dönene kadar geçen zamanı çıktı olarak verir. (Freaks 8 ) t 2v Geçen zaman ses hızına ve ikiye bölündüğünde(hem gidişi, hem dönüşü içerdiğinden) mesafeyi elde etmiş oluruz. (Freaks 9 ) Step Motor (28BYJ-48) ve Sürücü Board ı (ULN2003) Step motorlar, tam bir turları eşit büyüklükteki adımlar a bölünmüş fırçasız doğru akım motorlarıdır. Step motorlar bu adımlarla hareket ettikleri gibi, bir adımda -karşı kuvvet uygulanmasına rağmen- sabit de kalabilirler. 28BYJ-48, tam adım modunda 32, yarım adım modunda 64 adımda bir tur tamamlayan iç motoru, çarklarının 1/24 lük oranı sayesinde yarım adım modunda = 2048 adıma sahip bir step motordur. Düşük maliyeti sebebiyle çeşitli alanlarda kullanılır. (Kiatronics 10 ) ULN2003, step motorların kullanımı kolaylaştıran bir motor sürücüsüdür. (Kiatronics 11 ) LCD Ekran (TC1602D-02WB0) Kullandığımız LCD ekranın pinlerinden 8 tanesi veri, 2 si güç kaynağı, 2 si arka ışık, biri kontrast, biri RS(register select), biri R/W(read/write), biri başlatma pini olmak üzere 16 pini var. Ekran kullanmamızın sebebi herhangi bir bilgisayara bağlı kalmadan veriyi kolayca görebilmek ve sistemin portatif olmasını sağlamak. (LLC 12 ) 7 Arduino - Introduction. 8 Ultrasonic Ranging Module Hc-Sr04. 9 HC-Sr04 User Guide BYJ-48 5v Stepper Motor Phase Uln2003 Stepper Motor Driver Pcb. 12 Arduino - Helloworld. 7

8 Şekil 8: Sistemin önden bir fotoğrafı. Şekil 9: Sistemin yandan bir fotoğrafı Buton ve Zil Butonlar aracılığıyla sistemimizin kalibrasyonu yapılmakta ve ölçüm işlemleri başlatılmaktadır. İki butonun amacı motorun ölçüm öncesi ayarlanması, birisinin amacıysa gerekli kalibrasyon yapıldıktan sonra ölçümü başlatmaktır. Zil(Buzzer) ise ölçüm bittiğinde haber vermek için kullanılır. 2.3 Sıvılar İçin Yüzey Gerilimi Ölçüm Cihazı nın Çalışma Prensibi Sistemimizin çalışma mantığı halka koparma metodundan ilhamla ortaya çıkmıştır. Yeterince geniş bir yüzeye sahip dairesel bir cisim(şekil 8) -ihtiyacımız gereğince 3D yazıcı kullanarak uygun bir cisim üretimini gerçekleştik- yatay şekilde yavaşça ölçümün yapılacağı sıvının yüzeyine indirilir. Daire, yüzey gerilimine yakalandıktan sonra ölçüm işlemi başlar. Ölçüm boyunca motor yavaşça dönerek ipi sarmaya başlar, ancak cisim yükselmek yerine yüzey gerilimi sebebiyle yüzeye yapışık kalır. Motorun uyguladığı kuvvet ise elastik ipin gerilmesiyle depolanır. Elastik ipin uyguladığı kuvvet, yüzey geriliminin cisme uyguladığı kuvveti aşana kadar artmaya devam eder. Bu anda serbest kalan cisim, yayın uyguladığı kuvvet sayesinde kısa süreliğine hızlanır ve dikey doğrultuda ani kabul edilebilecek bir hareket yaparak uzaklık sensörünü tetikler ve sistem durur. Ölçüm bitmiştir. Ölçüm başladığı andan itibaren sayılan motor adımları sayesinde de yüzey gerilimini aşmak için gerekli olan kuvvet bulunmuş olur. 8

9 Şekil 10: Devre şeması. 2.4 Kod ve Açıklaması #include <LiquidCrystal.h> #include <CheapStepper.h> LiquidCrystal, LCD ekranımızı kontrol etmek için kullandığımız dahili bir Arduino kütüphanesi. CheapStepper, 28BYJ-48 step motoru için yazılmış özel bir kütüphane. Standart Stepper kütüphanesi yerine tercih etmemizin sebebi, 28BYJ-48 motorunun kütüphane ile tam olarak uyumlu olmaması. /********************************** Ayarlar ***********************************\ \******************************************************************************/ #define UP_PIN 10 // manuel ayarlama sırasında ipi yukarı çeker #define DOWN_PIN 9 // manuel ayarlama sırasında ipi aşağı salar #define START_PIN 8 // otomatik ölçüme başlar #define BUZZER_PIN 13 // ölçüm bittiğinde ses çıkarmak için buzzer 9

10 #define TRIG_PIN 11 #define ECHO_PIN 12 // uzaklık sensörü tetik pini // uzaklık sensörü yankı pini #define STEP_DELAY 1400 // manuel ayarlamada stepler arası gecikme (ms) #define JUMP_LIMIT 12 // yüzeyden kurtulma anında beklenen atlama(mm) #define STEP_NO 1 // motorun tek seferde döneceği step sayısı #define MOTOR_RPM 8 // motor dönüş hızı #define CLOCKWISE false // dönüş yönü float FACTOR = 0.088; // Katsayı /******************************************************************************\ \******************************************************************************/ Yorumun başında yazıldığı gibi, bunlar kodu doğrudan etkilemeyen ve ihtiyaç duydukça değiştirilebilecek ayar değerleri. Kısaca açıklamaları yanlarında yazılıdır. // Değişken Tanımlamaları ve Cihazlar LiquidCrystal lcd(7, 6, 5, 4, 3, 2); CheapStepper mystepper(a1, A2, A3, A4); unsigned int step_count = 0; long duration, mm; long jump, dist_new, dist_pre = 0; float surface_tension; //LCD ekran //Step motor //sarkac pozisyonunu //uzaklık ölçümü için değişkenler Bu kısımdaysa LCD ve step motor gibi cihazları yazılıma tanımlıyoruz. Ayrıca kod boyunca kullanılacak değişkenler de burada tanımlanmıştır. void setup() Serial.begin(9600); lcd.begin(16, 2); lcd.print("booting..."); delay(500); //Serial veri çıkışı //LCD'yi başlat //başlama mesajı //kullanıcıya mesajı görmesi için zaman tanı pinmode(up_pin, INPUT_PULLUP); pinmode(down_pin, INPUT_PULLUP); pinmode(start_pin, INPUT_PULLUP); pinmode(buzzer_pin, OUTPUT); pinmode(trig_pin, OUTPUT); pinmode(echo_pin, INPUT); lcd.clear(); lcd.print("ready!"); Bu kısımda buton, buzzer ve uzaklık sensör pinleri gerekli modlara sokulur. Ayrıca kullanıcı sistemin açılışı hakkında kısaca bilgilendirilir. 10

11 } mystepper.setrpm(motor_rpm); while (digitalread(start_pin)!= LOW) //Sıvı yüzeyine manuel indirme if (digitalread(up_pin) == LOW) mystepper.move(clockwise, STEP_NO); } else if (digitalread(down_pin) == LOW) mystepper.move(!clockwise, STEP_NO); } delay(2); } lcd.clear(); lcd.print("start!"); //başlama mesajı Motor hızının ayarlanmasından sonra, sarkaçı doğru pozisyona getirmek için manuel ayar moduna girilir. START_PINe bağlı olan butona basılana kadar ölçüm başlamaz, diğer butonlarla pozisyon ayarlanır. Ölçüme geçilince kullanıcı Start! mesajıyla bilgilendirilir. void loop() mystepper.move(clockwise, STEP_NO); step_count + = STEP_NO; Bu andan itibaren ölçüm başlamıştır. Motor ayarlarda belirtilen adım sayısınca döner ve step_count değişkeninde de dönme sayısı saklanır. mm = microsecondstomilimeters(distance_in_microseconds()); dist_new = mm; lcd.clear(); lcd.print(step_count); serialinfo(); distance_in_microseconds fonksiyonu ile sensör ile ölçüm diski arasındaki mesafe sesin gidip gelmesi boyunca geçen süre şeklinde ölçülür. Elde edilen değer microsecondstomilimeters fonksiyonu ile milimetre cinsine çevrilir. Elde edilen bu değer mm değişkenine atanır. Ayrıca aynı değer dist_new değişkenine de güncel mesafe olarak atanır. jump = dist_pre - dist_new; if (jump < JUMP_LIMIT) dist_pre = mm;} 11

12 } else delay(2); finalfunc();} dist_pre(eski mesafe) ve dist_new(yeni mesafe) değişkenlerinin farkı jump isimli değişkene atanır. Eğer döngü ilk kes çalışıyorsa jump değişkeninin değeri negatif olur ve JUMP_LIMIT küçük olduğundan o anki uzaklık dist_preye atanır ve döngü devam eder. Eğer bu döngünün ilk çalışma seferi değilse ve eğer jump değeri JUMP_LIMIT değerinden büyükse döngü son bulur ve finalfunc çağrılır. long distance_in_microseconds() digitalwrite(trig_pin, LOW); delaymicroseconds(2); digitalwrite(trig_pin, HIGH); delaymicroseconds(10); digitalwrite(trig_pin, LOW); } duration = pulsein(echo_pin, HIGH); return duration; Temiz bir ölçüm sağlamak için TRIG_PINe giden akım olmadığından emin olunur, ardından 10 mikrosaniye süren bir ses dalgası göncerilir. pulsein ile sensöre geri yankılanan ses dalgasının ulaşma süresi ECHO_PIN aracılığıyla okunur. long microsecondstomilimeters(long microseconds) return microseconds / 3 / 2; } Sesin havadaki hızı 340m/s ya da milimetre başına yaklaşık 3 mikrosaniyedir. Ölçülen süre hem gidiş hem dönüş için geçen süre olduğundan da elde edilen değer ikiye bölünür. void serialinfo() Serial.print(step_count); Serial.print(" steps"); Serial.print("\t"); Serial.print(mm); Serial.println("mm"); } Ölçüm boyunca kullanıcıya Serial üzerinden veri iletir. 12

13 void finalfunc() Serial.println(); Serial.println("Son Deger: "); serialinfo(); surface_tension = step_count * FACTOR; Serial.print("Yüzey gerilimi: "); Serial.println(surface_tension); lcd.clear(); lcd.print(surface_tension); lcd.print(" dyn/cm"); lcd.setcursor(0, 1); lcd.print("bitti."); tone(buzzer_pin, 1000); delay(500); notone(buzzer_pin); while (1); } Ölçümün bittiği anda çağrılan bu fonksiyonda step_count(motorun attığı adım sayısı), yaptığımız ölçümler sonucu belirlediğimiz FACTOR(katsayıyla) çarpılarak yüzey gerilimi elde edilir. Bu sonuç hem Serial üzerinden hem de LCD ile kullanıcıya bildirilir. Ölçümün bittiğini kullanıcıya duyurmak için de zil(buzzer) ile yarım saniyeliğine bir ses oynatılır. 13

14 3 Bulgular Geliştirmiş olduğumuz sıvılar için yüzey gerilimi ölçüm cihazı ile 20 sıcaklıkta bazı sıvılar için elde etmiş olduğumuz yüzey gerilimi değerleri ile teorik olarak hesaplanan yüzey gerilimi değerlerinin karşılaştırılması Tablo 2 de verilmiştir. (Dean and others 13 ) Tablo 2: Bazı sıvılar için ölçüm sonuçları sonucunda elde etmiş olduğumuz yüzey gerilimi değerleri ile teorik olarak hesaplanan yüzey gerilimi değerleri. No. Madde Yüzey Gerilimi (dyn/cm) Teorik Yüzey Gerilimi (dyn/cm) Ölçülen 1 Asetik Asit 27,60 26,49 2 Aseton 23,70 23,90 3 Ethanol 22,27 22,26 4 Glyserol 63,00 62,92 5 İzopropanol 21,70 21,61 6 Metanol 22,60 21,91 7 n-hekzan 18,40 18,39 8 Su 72,80 72,80 9 Dietil Eter 17,00 17,02 10 Civa 485 Ölçülemedi Lange s Handbook of Chemistry, Cihazımızın yüzey gerilimi ölçüm aralığı dyn/cm olduğundan dolayı Civanın yüzey gerilimi değerinin ölçümünü gerçekleştiremedik. 14

15 4 Sonuç ve Tartışma Cihaz ile yapılan ölçüm sonuçları, literatürdeki verilerle karşılaştırıldığında cihazın ortalama yüzde hata payının %0,56 olduğu belirlenmiştir. Genel olarak bu hata payının nedenleri; ortam sıcaklığında değişimin sıvıları etkileyebilmesi, cihazın her ölçümde aynı kalibrasyonu yakalayamaması, ultrasonik uzaklık sensörünün hassasiyetinin neredeyse sınır değerlerine kadar kullanılması olarak düşünülebilir. Sıvılar için yüzey gerilimi ölçüm cihazının avantajları ve dezavantajları Tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3: Avantaj ve dezavantajlar. Avantajlar Düşük maliyet Kısa sürede hassas ve yüksek doğruluklu ölçüm elde edebilme Taşınabilir Pratik kullanım Geliştirilmeye açık Bilgisayar ile uyumlu dyn/cm aralığında ölçüm yapabilmesi (Du Noüy Tensiyometre 0-90 dyn/cm aralığında ölçüm yapabilmektedir.) Dezavantajlar Çok gürültülü ortamda hatalı sonuçlar vermesi dyn/cm aralığında ölçüm kısıtlaması Proje çalışması olarak geliştirmiş olduğumuz bu cihaz, günlük hayatta uygulamaya geçirildiği takdirde, yüzey gerilimi ölçümlerinde kullanılacak en büyük adaylardan biri olacaktır. Cihazın özellikle düşük maliyetli olması ve kod değişiklikleriyle geliştirilmeye açık olması da AR-GE ve laboratuvar çalışmalarında kullanılabilirliğini de arttıracaktır. 5 Öneriler Ölçüm cihazı birçok yönden geliştirilmeye açık durumdadır. Daha verimli çalışma sağlayacak bir güç kaynağı eklenebilir. Ölçümler açısından daha güvenilir sonuç alınabilmesi ve endüstriyel kullanımda daha uygun hale gelebilmesi için cihaz üzerinde kalibrasyonu arttıracak mekanik ve yazılımsal değişiklikler istenildiği takdirde kolaylıkla yapılabilir. Ölçümleri yapılacak sıvıların aşındırıcı vb. özelliklerine karşı farklı materyaller(sarkıtılan dairesel yüzey) kullanılabilir. Sürecin tamamı otomatikleştirilebilir. 15

16 Kaynakça Bolat, M., Y. Aydoğdu, and İ. Evgi. Ortaöğretim 9. Sınıf Fizik Ders Kitabı. Ankara: Mega Yayıncılık, Dean, John A, and others. Lange s Handbook of Chemistry, McGraw-Hill, Inc. New York, n.d. DÜZYOL, Selma. CEVHER Hazirlama Işlemlerinde Yüzey Gerilimi Ve Temas Açisi ölçümünün Genel Bir Değerlendirmesi. Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi, 2016, 21. Freaks, Elec. HC-Sr04 User Guide, Ultrasonic_Module_User_Guide.pdf.. Ultrasonic Ranging Module Hc-Sr04, uploads/2013/07/hcsr04-datasheet-version-1.pdf. Gönül, Dr. Nurşin. ÇOK Fazli Sistemler I Yüzey Kimyasi Ve Kolloidler. Ankara Üniversitesi Basımevi: ANKARA ÜNİVERSİTESİ ECZACILIK FAKÜLTESİ YAYINLARI, Kiatronics. 28BYJ-48 5v Stepper Motor, Stepper%20Motor.pdf.. 4 Phase Uln2003 Stepper Motor Driver Pcb, pdf. LLC, Arduino. Arduino - Helloworld, Arduino - Introduction, Noüy, P Lecomte du. An Interfacial Tensiometer for Universal Use. The Journal of General Physiology 7, no. 5 (1925): Serway, R. A. Fen Ve Mühendislik Için Fizik. Ankara: Palme Yayıncılık,