1 ELEKTRİKSEL ÖLÇÜ ALETLERİ
Elektriksel Ölçmeler Durum ne olursa olsun, elektrik tesisatlarının düzgün bir biçimde çalışmalarını kontrol için elektrikte kullanılan büyüklüklerin (akım, gerilim, direnç, güç, frekans ve elektrik işi gibi.) ölçülerek bilinmesi gereklidir. Bunun için de bu büyüklükleri ölçmeye yarayan ölçü aletlerine ihtiyaç vardır. Böylece, elektrik devrelerinde meydana gelen olaylar kolaylıkla anlaşılmış olur. Ölçme işlemi; Cihazların onarımına, Arıza yerlerinin bulunmasına Devrenin çeşitli kısımlarının çalışıp çalışmadığının kontrol edilmesine yardımcı olur. 2
Elektrik ölçmelerinde, değişik tip ve şekillerde aletler kullanılır. Uygulamada en çok kullanılan ölçü aletlerinin isim ve sembolleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. ELEKTRİKSEL BÜYÜKLÜK İŞARETİ BİRİMİ SEMBOLÜ ÖLÇEN ALET Akım şiddeti I Amper A Ampermetre Gerilim V Volt V Voltmetre Direnç R Ohm Ω Ohmmetre Aktif güç P Watt P Wattmetre Reaktif güç Q Var Var Varmetre Elektrik enerjisi E Kilowatt.saat Kwh Elektrik sayacı Frekans f Hertz Hz Frekansmetre Güç faktörü, güç katsayısı cosφ cosφmetre Faz farkı φ Derece Fazmetre 3 Elektrik Ölçü Aletleri İsim ve Sembolleri Tablosu
BİLİMADAMI BİRİMİ AÇIKLAMA ÇALIŞMALARI Isaac Newton (İngiliz) Newton Kuvvet Charles Augustin de Coulomb (Fransız) Yer çekimi kanunu, optik, hareket kanunları Coulomb Elektrik Yükü Elektrik yükleri James Watt (İskoç) Watt Güç, ısı akışı Buhar makinesinin mucidi Alessandro Volta (İtalyan) Volt Potansiyel fark Volta pili Andre Marie Ampere (Fransız) Amper Elektrik akımı Elektromanyetizma (Elektrodinamik) Joseph Henry (Amerikan) Henry Elektriksel self Özindüktans olgusu George Simon Ohm (Alman) Michael Faraday (İngiliz) Ohm Faraday Elektriksel direnç 1 Mol elektron yükü Akım, gerilimi ve direnç arasındaki ilişki Elektromanyetik indüksiyon, elektrik motorları Wilhelm Eduard Weber (Alman) Weber Manyetik akı Manyetizma Ernst Werner von Siemens (Alman) James Prescott Joule (İngiliz) Nicola Tesla (Sırp) Siemens Joule Tesla Elektrik iletkenliği İş, enerji, ısı miktarı Manyetik akı yoğunluğu Siemensin kurucusu Enerjinin korunumu, joule kanunu Alternatif akım, indüksiyon motoru, radyo, elektriğin kablosuz iletimi Heinrich Rudolf Hertz (Alman) Hertz Frekans Radyo dalgaları Carl Friedrich Gauss (Alman) Gauss Manyetik akı yoğunluğu Matematik, elektrik, manyetizma James Clerk Maxwell (İskoç) Maxwell Manyetik akı Elektrik ve manyetizma Elektrikte kullanılan önemli birimler 4
Elektriksel Ölçü Aletlerinin Tanıtılması Elektriksel büyüklüklerin ölçülmesinde kullanılan ölçü aletleri çok çeşitli tip ve modellerde olmasına karşılık, bazı ortak özellikleri yönü ile aynı çatı altında gruplandırılabilirler. Bu gruplandırmalar, Yapısına göre Ölçtüğü büyüklüğün doğruluk derecesine göre, Ölçü aletlerinin gösterme şekline göre Kullanma yerine göre yapılmaktadır. Yapısına Göre Ölçü Aletleri Yapısına göre elektriksel ölçü aletleri, kendi aralarında ikiye ayrılır. Bunlar; Analog ölçü aletleri Dijital ölçü aletleridir. 5
Analog Ölçü Aletleri Ölçtüğü değeri skala taksimatı üzerinden ibre ile gösteren ölçü aletleridir. Analog ölçü aletleri çok değişik yapı ve skala taksimatlarına sahip olarak imal edilirler. Bu ölçü aletlerinde değer okumak daha zor gibi görünse de analog ölçü aletleri daha hassas ölçümlere olanak sağlarlar. 6 Analog ölçü aletleri
Dijital Ölçü Aletleri Ölçtüğü değeri dijital bir gösterge de sayılarla gösteren ölçü aletleridir. Bu ölçü aletlerinin kullanımı olay olup özellikleri analog ölçü aletlerine göre daha fazladır. Günümüzde dijital ölçü aletleri ile ayarlanan değer aşıldığında sinyal alma, ölçülen değerlerin bilgisayar ortamına taşınması ve kullanılması gibi ilave işlemler yapılabilmekte olup yeni özellik ve nitelikler ilave edilerek geliştirilen ölçü aletleridir. Dijital ölçü aletleri 7
Ölçtüğü Büyüklüğü Gösterme Şekline Göre Ölçtüğü büyüklüğü kişiye çeşitli şekillerde yansıtan ölçü aletleri kendi aralarında üçe ayrılır. Bunlar; Gösteren ölçü aletleri, Kaydedici ölçü aletleri, Toplayıcı ölçü aletleridir. 8
Gösteren Ölçü Aletleri Bu ölçü aletleri ölçtükleri elektriksel büyüklüğün o andaki değeri skalasından veya göstergesinden gösteren, başka bir ölçüme geçildiğinde eski değeri kaybedip yeni ölçüm değerini gösteren ölçü aletleridir Bu ölçü aletlerinin ölçtükleri değerleri geriye dönük kendi belleğine kaydetme özelliği yoktur, ancak son zamanda gösteren ölçü aletlerinde ölçü aletleri ile bilgisayar arasında yapılan bağlantı ve bilgisayara yüklenen yazılım ile bu ölçü aletlerinin istenen gün, saat ve dakikada kaydettikleri değerler bilgisayar ortamında görüntülenebilmektedir. 9 Gösteren ölçü aletlerine örnekler
Kaydedicili Ölçü Aletleri Kaydedici ölçü aletleri, ölçülen büyüklüğün değerini zamana bağlı olarak grafik kağıdı üzerine çizerek kayıt ederler. Bu ölçü aletlerinde geriye dönük ölçülen değerlerin okunması ve incelenmesi mümkündür. Bu tip ölçü aletleri genellikle elektrik santrallerinde üretilen enerjinin takibi için kullanılır. 10 Kaydedicili ölçü aletlerine örnekler
Toplayıcı Ölçü Aletleri Toplayıcı ölçü aletleri, ölçtükleri elektriksel büyüklük değerini zamana bağlı olarak toplarlar. Bu ölçü aletlerinin ekranında okunan değer, ölçüme başladığı andan itibaren ölçtüğü değerdir. Yani ölçtüğü değeri bir önceki değerin üstüne ilave ederek ölçüm yaparlar. Enerji kesildiğinde ölçülen değer sıfırlanmaz. Elektrik sayaçları bu tip ölçü aletlerine verilebilecek en iyi örneklerden biridir. Toplayıcı ölçü aletlerine en iyi örnek sayaçlardır 11
Kullanım Yerlerine Göre Ölçü Aletleri Kulanım şekline göre ölçü aletleri taşınabilir ve pano tipi olmak üzere ikiye ayrılır. Taşınabilir Ölçü Aletleri Bu tür ölçü aletleri çoğunlukla atölye, işletme ve laboratuvar ortamlarında pratik ölçüm yapmak amacı ile kullanılan sabit bir yere monte edilmeyen ölçü aletleridir. Bu tip ölçü aletleri kendine ait bir kapalı kap içerisine alınmış taşınmaya uygun ölçü aletleridir. Ancak çarpma ve darbelere karşı hassas olduklarından kullanımında gerekli özen gösterilmelidir. Taşınabilir ölçü aletleri 12
Pano Tipi Ölçü Aletleri Bu tür ölçü aletleri sanayide, fabrikalarda ve atölyelerde, elektriki büyüklüklerin sık sık kontrol edilmesi istenen yerlerde kullanılır. Pano veya tablo üzerine özel montaj malzemeleri kullanılarak sabitlenen bu ölçü aletleri dik çalışacak şekilde tasarlanır. Günlük ölçümlerde ve deney masalarında kullanım için uygun değildir. Pano tipi ölçü aletleri sipariş edilirken gösterme şekli ne olursa olsun bazı standart ölçülerde imal edilirler. Bu ölçüler 48x48, 72x72, 96x96, 144x144mm şeklindedir. Bu boyutlar arasında teknik olarak bir farklılık olamayıp görünüş ve okuma kolaylığı dikkat alınarak seçim yapılır. Pano tipi ölçü aletleri 13
Doğruluk Derecesine Göre Birinci sınıf ölçü aletleri: Daha çok laboratuarlarda ve kontrol merkezlerin etalon aletler olarak kullanılırlar. Hassas ölçüm yapan ölçü aletleridir. İkinci sınıf ölçü aletleri: Hassas ölçüm istenmeyen yerlerde kullanılırlar. Elektriksel büyüklüklerin ölçülmesinde kullanılan ölçü aletleri kullanıldıkları yere ve doğruluk derecelerine (imalat hataları) göre genel olarak 0,1-0,2-0,5 1,0 1,5 2,5 gibi altı sınıfa ayrılırlar. 0,1-0,2 Sınıfı: Ölçü aletleri yapımında kullanılan hassas ölçü aletleri. 0,5-1 Sınıfı: Genellikle hareketli (seyyar) kullanılan ölçü aletleri. 1,5-2,5 Sınıfı: Endüstriyel ölçmelerde kullanılan tablo tipi ölçü aletleri. 14
Elektrik Ölçü Aletleri İle İlgili Temel Terimler Elektrik ölçü aletlerinin üzerinde, bir yuvarlak veya kare içerisinde kullanılan ölçü aletinin yapısı hakkında bize fikir veren bazı özel işaretler vardır. Bütün elektrik ölçü aletlerinin üzerinde, bu ölçü aletini yapan fabrikanın ismi veya sembolü, ölçtüğü akım cinsi, ölçüm yaparken aletin nasıl duracağı, aletin duyarlılığı, aletin sembolü ve ölçme hatası ile daha bazı bilgiler verilmiştir. Doğruluk derecesi: Doğruluk, ölçülen değerin gerçek değere ne kadar yakın olduğudur. Ölçü aleti imalatçıları imal ettikleri ölçü aletinin yapabileceği en büyük hatayı alet üzerinde % olarak ifade ederler. Buna bağıl hata denir. Hassasiyet: Ölçü aletinin ölçme sınırının skala sayısına bölümüdür. Ölçü aletinin ne kadar küçük bir değişimi ölçebildiğinin ölçüsüdür. Ölçme Alanı: Ölçü aletinin skalasındaki en küçük 15 değer ile en büyük değerin arasına denir.
Ölçme Sınırı: Ölçü aletinin skalasındaki en büyük değeridir. Ölçü aletinin sarfiyatı: Analog ölçü aletleri ölçme yaptığı devrede I 2.R kadar bir güç harcar. Bu güç ölçülen büyüklük veya U 2 /R ile doğru orantılıdır. Dijital ölçü aletlerinde çalışma ve ölçüm için harici kaynak kullanıldığından devredeki ölçümü etkilemezler. Giriş empedansı: Ölçü aletleri devreye bağlandığında devreye yükleme etkisi yapar. Voltmetrenin duyarlılığı ohm/volt ampermetrenin duyarlılığı ise ohm/amper şeklinde verilir. Ohm/volt oranı yüksek olan bir voltmetrenin giriş direnci yüksek olduğundan devreye olan etkisi az olur. Devreye seri bağlanacak olan ampermetrede ise giriş direncinin mümkün olduğunca küçük olması istenir. Lineerlik(Doğrusallık): Skalası eşit aralıklarla bölünmüş ölçü aletleridir. 16 Lineersizlik(Doğrusal Olmayan): Skalası eşit aralıklarla bölünmemiş ölçü aletleridir.
Örnek: 0,2 sınıfı ölçü aletinin son skala taksimatı 50A dir. Aletin yapabileceği maksimum hatayı bulunuz. 0,2 sınıfı bir ölçü aleti %0,2 kadar bir hatalı ölçüm yapacağına göre; aletin yapabileceği en büyük hata: 50.0,2/100 = 0,1 A olur. 17
18 ÖLÇME HATALARI
Ölçme Hataları Ölçme işlemi ne kadar dikkatli yapılırsa yapılsın hatasız ölçme yapılması mümkün olmaz. Ancak meydana gelecek olan hata bilinirse ölçme daha anlamlı hale gelir. Ölçüm sırasında elde edilen değer ile ölçülmesi gereken gerçek değer arasındaki farka hata denir. Genel olarak hatalar üç grupta incelenir. Ölçü aletinden kaynaklanan hatalar Ölçmeyi yapan kişiden kaynaklanan okuma hataları Dış kaynaklı hatalar. Ölçü Aletinden Kaynaklanan Hatalar Bu hatalar tekrar tekrar ölçüldüğünde değişmeyen sabit olan hatalardır. Bu hataya ölçme aletinin hatası denir. İmalat sırasında cihazın yapım hatası, ayar ve kalibrasyon hatası, 19 sıfır ayarı hatası, skala hatası, aletin eskimesi, sürtünme, cevap zamanı ve yükleme hatası şeklinde söylenebilir.
Ölçmeyi Yapan Kişiden Kaynaklanan Hatalar Bu hata genellikle analog göstergeli (ibreli) ölçü aletlerinde olur. Bunlar yanlış okuma, yanlış skala seçimi, cihaz ayarının yanlış yapılması, yanlış bağlantı ve hesaplamaların yanlış yapılması gibi etkenler olabilir. Dış Kaynaklı Hatalar Gürültü, rutubet, yüksek sıcaklık, karanlık ortam, elektrik ve manyetik alan gibi dış etkilerin oluşturduğu hatalardır. 20
Ölçme Hatalarının İstatistiksel Analizi Ölçü aletleri ile ölçüm yapılırken iç veya dış etkilerden dolayı aynı ölçme işlemi birkaç kez yapıldığında farklı sonuçlar alınabilir. Bu etkenlerin değişimi belirsiz olduğundan oluşan hataların analizi istatistik yöntemlerle yapılır. Ortalama veya Aritmetik Ortalama Değer Bir büyüklüğün n adet ölçümünde elde edilen değerlerin aritmetik toplamının ölçüm sayısına (n) bölümüdür. X 0 = X 1+X 2 +.X n n Sapma Ölçülen her bir değer ile ortalama değer arasındaki farka denir. D 1 = X 1 X o, D 2 = X 2 X o,.. D n = X n X o şeklinde bulunur. 21 Sapmaların artimetik ortalaması sıfırdır.
Örnek: Bir devrede gerilim dört defa ölçülüyor. Aşağıda verilen ölçüm değerleri için aritmetik ortalamayı, her bir değerin sapmasını ve sapmaların aritmetik ortalamasını bulunuz. X 1 = 100V, X 2 = 103V, X 3 = 97V, X 4 = 99V Aritmetik ortalama; X 0 = X 1+X 2 +.X n n = 100+103+97+99 4 = 99, 75 V Ölçüm Sayısı Ölçüm Değeri 1 100V 2 103V 3 97V 4 99V D 1 = 100 99, 75 = 0, 25V D 3 = 97 99, 75 = 2, 75V D 2 = 103 99, 75 = 3, 25V D 4 = 99 99, 75 = 0, 75V Sapmaların aritmetik toplamı; D t = 0, 25 + 3, 25 2, 75 0, 75 = 0 olarak bulunur. 22
Standart Sapma Elde edilen verilerin değerlendirmesinde ortalama değerden daha iyi sonuç veren istatistik analizdir. S = D 1 2 +D 2 2 + +D n 2 n Standart sapma ortalama değerin civarındaki değişim miktarını yüzde olarak gösterir. Veri sayısı n<20 için daha doğru sapma elde etmek için n yerine n 1 konur. Herhangi bir ölçü verisinde elde edilen ortalamanın gerçek ortalamaya yakınlığı bulunan standart sapmanın yüzde değerinin elde edilen ortalamanın %10 dan küçük olması ile anlaşılır. 23
Örnek: X 1 = 100V, X 2 = 103V, X 3 = 97V, X 4 = 99V değerleri için standart sapmayı hesaplayınız. NOT: Veri sayısı 20 den az olduğu için n yerine n-1 yazılır. S = D 1 2 +D 2 2 + +D n 2 n 1 = 0,252 +3,25 2 + 2,75 2 +( 0,75) 2 n 1 S = 0,0625+10,5625+7,5625+0,5625 n 1 = Standart sapmanın % değişimi 18,75 3 2,5 99,75 = 2, 5 V = 0, 0250 = %2, 5 olarak bulunur. Bulunan bu değer ortalama değerin %10 undan (%10. 99, 75 = 9, 975V) küçük olduğu için bulunan ortalama 24 değer gerçek değere yakındır.
Örnek: Bir devreden geçen akımın ölçümü için gerekli istatistik analizin yapılması için devre çalıştırılarak peş peşe yapılan ölçümler aşağıdaki gibidir. I 1 = 2,182A I 2 = 2,179A I 3 = 2,18A I 4 = 2,186A I 5 = 2,182A I 6 = 2,177A Ölçüme ait istatistik değerlendirmeyi yapınız. Aritmetik ortalama; X 0 = X 1+X 2 +.X n n X 0 = 2, 181 V = 2,182+2,179+2,18+2,186+2,182+2,177 6 D 1 = 2, 182 2, 181 = 0, 001A D 3 = 2, 18 2, 181 = 0, 001A D 5 = 2, 182 2, 181 = 0, 001AV D 2 = 2, 179 2, 181 = 0, 002A D 4 = 2, 186 2, 181 = 0, 005A D 6 = 2, 177 2, 181 = 0, 004A 25
D 1 = 0, 001A D 2 = 0, 002A D 3 = 0, 001A D 4 = 0, 005A D 5 = 0, 001A D 6 = 0, 004A NOT: Veri sayısı 20 den az olduğu için n yerine n-1 yazılır. S = S = S = D 1 2 +D 2 2 + +D n 2 n 1 0,0012 +( 0,002) 2 + 0,001 2 +0,005 2 +0,001 2 +( 0,004) 2 0,000048 5 6 1 = 0, 0030984 A Standart sapmanın % değişimi 0,0030984 = 0, 00142 = 2,181 %0, 142 olarak bulunur. Bulunan bu değer ortalama değerin %10 undan (%10. 2, 181 = 0, 02181) küçük olduğu için bulunan ortalama değer gerçek değere yakındır. 26
KAYNAKLAR 1. NACAR, A. Mahmut; Elektrik-Elektronik Ölçmeleri ve İş Güvenliği 2. ANASIZ, Kadir; Elektrik Ölçü Aletleri ve Elektriksel Ölçmeler; MEB Yayınları 3. MEGEP; Fiziksel Büyüklüklerin Ölçülmesi; Ankara 2011 4. MEGEP; Elektriksel Büyüklüklerin Ölçülmesi; Ankara 2011 5. www.transcat.com New International Safety Standards for Digital Multimeters 6. www.wikipedia.org 27