II. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ BİLDİRİLER KİTABI

tmmob makina mühendisleri odası II. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ BİLDİRİLER KİTABI 23-24 EKİM 1997 Sanayi Odası / ESKİŞEHİR MMO Yayın No: 196

IŞINIM (RADYASYON) TERMOMETRİ Sevilay Uğur, Seda Oğuz TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME) ÖZET Yoğun durumdaki maddeler (katı veya sıvı) sıcaklıkları nedeniyle sürekli spektruma sahip termal radyasyon yayınlar. Yayınlanan spektrumun karakteristiği cismin yapıldığı maddeden hemen hemen bağımsız, fakat büyük oranda cismin sıcaklığına bağlıdır. Evrensel karakterde bir cisim vardır ki üzerine düşen bütün radyasyonu soğurur. Termal denge durumunda bu cisimden yayılan termal radyasyon da evrensel karakterdedir. Bu cisimlere siyah cisim denir. Planck, siyah cisimden yayılan radyasyonun spektral dağılanını aşağıdaki eşitlikle tanımlanmıştır. Spektral ışıma (Lj), bir cisimden birim alanda, birim dalga boyunda, birim katı açıda yayınlanan enerji miktarmm ölçüsüdür. Planck kanunu ideal termal radyasyonu tanımlar. Bütün gerçek cisimler ise belli bir T sıcaklığında, siyah cismin yaydığı radyasyon yoğunluğunun sadece bir kısmını yayarlar. Yayınlanan bu radyasyon yoğunluğunun maksimum radyasyon yoğunluğuna oranı emissivite olarak tanımlanır. Planck kanununda siyah cisim kaynaklarının emissivite değeri 1 olarak kabul edilir. Gerçek yüzeylerin emissivite değerleri ise 0 ile 1 arasında değişir. Bu şekilde gerçek sıcaklığı ve emissivitesi ne olursa olsun bir cisimden gelen termal radyasyona Planck kanunu uygulanarak bir sıcaklık tayini yapılabilir. Bu sıcaklık radyasyon (ışıma) sıcaklığı olarak bilinir. 1. GİRİŞ Radyasyon termometri bir yüzeyden gelen ışınım enerjisi kullanılarak bir cismin sıcaklığının, uzaktan ölçülmesi tekniğidir. Hareketli cisimlerin, tehlikeli ortamların veya uzaktaki cisimlerin sıcaklıkları, hızla değişen veya çok yüksek sıcaklıklar fiziksel dokunma olmadığı için bu teknikle ölçülebilir. 203

2. TEORİK ALTYAPI 2.1 Isıl Işınım ve Planck Kanunu Bütün cisimler atomlannın ısıl hareketleri nedeniyle enerji yayarlar. Cismin sıcaklığı nedeniyle yayılan bu enerji ısıl ışınım olarak adlandınlır. Bütün cisimler çevrelerine ısıl ışınım verirler ve çevrelerinden gelen ısıl ışınımı soğururlar. Yoğun haldeki maddelerin (katı veya sıvı) yaydıklan ışınım, spektrumda süreklilik gösterir. Bu spektrumun aynntılan maddeden bağımsız ve tamamıyla cismin sıcaklığına bağlıdır. Genelde ise sıcak bir cisim tarafindan yayılan ısıl ışınım spektrumunun aynntılan cismin yapısına belli ölçüde bağlıdır. Fakat bir çeşit cisim vardır ki yaydığı ısıl ışınım evrensel karakterdedir. Bu cisimler siyah cisim olarak adlandınlır ve yapılanndan bağımsız olarak aynı sıcaklıkta aynı spektruma sahip ısıl ışınım yayarlar. Siyah cisim tarafindan yayılan spektrum aşağıdaki özelliklere sahiptir. Uzun dalga boylannda yayılan ışınım azdır. Kısa dalga boylanna doğru gidildikçe yayılan ışınım hızlı bir şekilde artar Her sıcaklıkta ışınımın en yüksek olduğu belli bir dalga boyu vardır. Bu en yüksek noktaya ulaşılan dalga boylanndan daha kısa dalga boylanna gidildikçe ışınım çok hızlı bir şekilde azalır. En yüksek ışınımın olduğu dalga boyu sıcaklık arttıkça daha kısa dalga boylanna doğru kayar. Bütün dalga boylannda yayılan ışınım sıcaklık arttıkça artar. Bu özellikler şekil 1. de görülmektedir. E * fi a(w/(ı Spektı 5800 K 1OE+8 j 2800 K 1OE+7-1300 K 1OE+6 -- 800 K 1OE+5 -- 300 K 1OE+4-1OE+3-1OE+2 -- 1OE+1-1OE+0-1 OE-l-- 1.OE-2-- 1.OE-3-- 1.0E+1 1.0E+2 1.0E+3 1.0E+4 1.0E+5 Dalga Boyu (nm) Şekil 1. Farklı sıcaklıklarda siyah cisim spektrumu 204

Eğer bir oyuk varsayarsak ve bu oyuk dışanya küçük bir delikle açılıyorsa delikten içeriye giren ışınım yansıyarak oyuğun duvarlarına çarpacak ve eninde sonunda soğurulacaktır. Eğer deliğin alanı oyuk iç alanına oranla çok küçük ise oyuğa gelen ışınımın ihmal edilebilir. Bir kısmı ise delikten yansımalar nedeniyle kaçacaktır. Fakat temel olarak oyuğa gelen bütün ışınım soğurulacaktır. Şimdi oyuğun çeperlerinin her yerde aynı olacak şekilde, T sıcaklığına ısıtıldığını varsayalım. O zaman çeperler, bütün oyuğu dolduran bir ışınım yaymaya başlayacaktır. Bu ışınımın küçük bir parçası delikten dışarı çıkacak, böylece delik ısıl ışınım kaynağı olarak davranacaktır. Delik, siyah cisim ışınımının özelliklerine sahip olduğu için delikten yayılan ışınım siyah cisim spektrumuna sahiptir. Işınım sıcaklığı tanımlarında ve ölçümlerinde kullanılan nicelik Spektral Işıma 'dır. Spektral ışıma mutlak T sıcaklığında, dx dalga boyu aralığında, birim zamanda, birim katı açıda kaynağın birim alanından yayılan enerjidir. T sıcaklığındaki siyah cismin, X, dalga boyunda spektral ışıması L % dx Planck eşitliği ile verilir. U dx = (cı / 7i) X' 5 [exp (c 2 /XT)-\Y ı dx (1.1) cı =2jchc 2 =3.7418*10' ı6 Wm 2 c 2 =hc/k = 1.4388 *W 2 mk Böylece eğer eşitlik (l.l)'deki değişkenler biliniyorsa cismin termodinamik sıcaklığı, L*. ölçülerek belirlenebilir. k Boltzman sabiti, h Planck sabiti, c ışık hızıdır. Şekil l'de Planck eşitliği kullanılarak farklı sıcaklıklar için spektral ışınım çizilmiştir. Şekilde eğriler logaritmik ölçekte çizilmiştir. Düşey ölçek, belli bir dalga boyunda ışınlanan enerjiyi gösterir. Yatay ölçek ise dalga boyudur. En yüksek ışımanın olduğu dalga boyu um olarak ifade edilir. XT «1 ise genellikle sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki Wien kanunu (veya Planck kanununa Wien yaklaşımı) ile ifade edilir. U dx = (cı/ît) X 5 [exp(c 2 /XT)]- 1 dx (1.2) Planck eşitliğiyle verilen spektral ışıma bütün dalga boylarında toplanarak (şekil l'de eğrilerin kapsadığı alan) toplam enerji elde edilir. Toplam enerji Stefan eşitliği ile ifade edilir. E=( /TC)T 4 (1.3) 205

Bu eşitliklerde Lj, spektral ışıma (spectral radiance), E toplam ışıyan enerji, cı ve C2 birinci ve ikinci ışıma sabitleri olarak bilinir ve a Stefan-Boltzman sabitidir. a =27t 5 k 4 /15c 2 h 3 = 5.67051*l()- 8 Wm" 2 K 4 Bu eşitliklerde sıcaklık birimi Kelvin'dir. Celcius sıcaklığı ve Kelvin arasında T/K = t/c+ 273.15 bağıntısı vardır. 2.2. Uluslararası Sıcaklık Ölçeği ITS-90 Genelde sıcaklık termodinamik kanunları ile tanımlanır. Pratikte, termodinamiğin kanunlarına dayandırılan termometreler hem yeterince doğru hem de uygun değildir. Bunun yerine uluslararası ölçüm komitesi, endüstri ve bilimin ihtiyaçlarını karşılayabilmek için yeterince kendini tekrarlayabilen ampirik bir sıcaklık ölçeği tanımlamıştır. Bu ölçek, uygulanabilecek kadar geniş bir aralık içermesi ve termodinamik ölçeğe yakın olması açısından periyodik olarak tekrar gözden geçirilir. En yakın düzeltme, 1990 yılında yapılan ve 1990 Uluslararası Sıcaklık Ölçeği olarak bilinen ITS-90'dır. L*. dx değerinin mutlak ölçümü çok detaylı ve genellikle yeterince kesin değildir. Bu sorunun üstesinden gelmek için L x bir standardın spektral ışımasına karşı ölçülüp, radyasyon (ışıma) sıcaklık ölçeği birisi standart olarak seçilmiş iki kaynağın spektral ışımalarının oranına bağlı olarak tanımlanabilir. ITS-90 Uluslararası Sıcaklık Ölçeği tarafindan uygulanması gereken işlem budur. ITS-90 gümüşün donma noktası 1234.93 K (961.78 C) üstündeki sıcaklıkları aşağıdaki eşitlikle tanımlar. (T x ) (1.4) T* gümüş, altın veya bakırdan herhangibirinin donma noktası, L x ÇT90) ve Lx (T x ), k dalga boyunda, T90 ve T x sıcaklıklarında siyah cismin boşluktaki spektral ışıması ve c 2 = 0.014388 m.kdir. Eşitlik (1.4) gümüşün donma noktasının üstündeki sıcaklıklarda ITS-90 Uluslararası Sıcaklık Ölçeğini tanımlar. Bu tanım sadece ikinci ışınım sabiti C2'nin değerinin bilinmesiyle yapılmıştır ve c 2 = 1.4388*10" 2 m.k alınarak ITS-90 sıcaklık ölçeği sabitlenmiştir. Araştırmalar sonucunda c 2 sabiti daha doğru ölçülse bile ITS-90 c 2 değeri kolaylıkla değiştirilemez. 206

2.3. Pratik Siyah Cisimler Eşitlik (1.4) ile spektral ışıması belirlenen fiziksel sistem, metal donma noktasıdır. Bu sistemde sensör, yüksek saflıktaki grafitten oluşturulmuş oyuktur (Şekil 2). Tipik oyuk boyu 50-80 mm, oyuk (aperture) açıklığı ise 1-6 mm arasındadır. oyuk gözlem açıklığı siyah cisim oyuğu referans metal Şekil 2. Işınım standardı için uygun bir siyah cisim oyuğu Metal ile grafit arasında çok iyi bir ısıl iletim olması gerekir. Oyuk yüzeyi, ısıl enerjiyi Planck kanununa göre ışınım enerjisine dönüştürür. Oyuk ve oyuk açıklığı, oyuktan ışınlanan enerjinin mümkün olduğunca Planck kanunuyla ifade edilebilmesine olanak verecek şekilde tasarlanmıştır. Siyah cisim ışımasını, seçilen dalga boyunda yüksek kesinlikle ölçebilmek için bir radyometreye gereksinim vardır. Ölçek, eşitlik (1.4) ile tek bir dalga boyunda tanımlanmasına rağmen pratik radyometreler sonlu bir band genişliğine sahiptir. Radyometrenin bütün dalga boylarındaki tepkisi belirlenerek, radyometrenin ölçtüğü toplam ışınıma bir Planck eğrisi uydurularak etkin dalga boyu belirlenir. Işınım termometreleri (pyrometreler) radyometreden okunan fiziksel değerleri (akım, voltaj), bir düzeltme faktörü de içererek, sıcaklık bilgisine dönüştüren cihazlardır. 2.4. Emissivite (ışınlama) Pratikte yüzeyden yayılan ışınım yukarıdaki eşitliklerden hesapladığımız ışınımdan farklıdır. Emissivite (ışınlama) olarak bilinen bir etkeni bu eşitliklere katmak gerekir. Bu Planck ve Wien eşitliklerinde spektral emissivite Sj,, Stefan eşitliğinde toplam emissivite 8'dur. U. dx = s x (CI/TC) X"5 [exp(c 2 AT)-l]- 1 dx «(d/ti)^" 5 exp(-c2/xt) dx (1.5) ve E = 8 (a/n) T 4 Emissivite belli bir sıcaklıkta bir cisim tarafından ışınlanan ışınımın, aynı sıcaklıktaki siyah cisim veya bütün ışınlayıcı (fiili radiator) tarafından ışınlanan ışınıma oranıdır. Bu nedenle emissivite değerleri 0 (mükemmel yansıtıcı) ile 1 (siyah cisim) arasında olmalıdır. Bir yüzey için emissivite 207

dalga boyuna ve sıcaklığa bağlıdır. Aynca yüzeyin nasıl olduğuna ve nasıl hazırlandığına da bağlıdır ve bu nedenle zamanla da değişebilir. Görüldüğü gibi siyah cisim olmayan yüzeylerin sıcaklıklarının kestirilebilmesinde yüzeyin emissivitesinin bilinmesi, en azından yaklaşık olarak bilinebilmesi ve bu düzeltmenin yapılan ölçümlere yansıtılması şarttır. 3. IŞINIM TERMOMETRELERİ Şekil 4, bir ışınım termometresinin basitleştirilmiş şemasını göstermektedir. Işınım termometrelerinin ana çalışma prensibi yüzeyden ışınımı toplamak, filtreleyerek istenen dalga boylarını seçmek, dedektör ve sinyal toplama sistemiyle ölçmektir. Sistemde bulunan iki açıklık (aperture), hedef alanını (target size) veya görüş alanını (field of view, f.o.v) ve termometrenin ışınım kabul açısını belirler. Mercek hedef alanının görüntüsünü, hedef alanı belirleyen açıklık üzerine odaklar. Mercek uygun bir şekilde odaklanmadan hedef alanın sınırlarının belirlenmesi mümkün değildir. Dedektör çıkışındaki sinyal, açıklıkların geometrisinin, farklı optik parçaların optik geçirgenliğinin ve dedektörün duyarlılık fonksiyonunun karmaşık bir toplamıdır. Işıyan Hedef Açı belirleyen açıklık Yükseltici Filtre Dedektör Mercek A \J \ I I I Detektörü hedefleyen açıklık Emissivite ayarlayıcı Şekil 4. Spektral band ışınım termometresinin yapım ve çalışmasındaki ana elemanlar Termometre tarafından ölçülen spektral ışıma, (1.5) sx yüzeyin çalışılan dalga boyunda spektral emissivitesi ve T s yüzeyin gerçek sıcaklığıdır. Sıcaklığı ölçebilmek için emissiviteyi belirlemek veya ölçmek gerekir. Pek çok ışınım termometresine emissivite ayan konmuştur. 208

Dedektör bir ışınım termometresinin önemli bir parçasıdır. Şekil l'de görüldüğü gibi, sıcaklığa göre ışık şiddetinin değişme oranı kısa dalga boylarında daha büyüktür. Bu nedenle en kesin sıcaklık ölçümü için mümkün olduğunca kısa dalga boylarında çalışan monokromatik termometreler tercih edilmelidir. En uygun spektral çalışma aralığı, ölçülmek istenen sıcaklık aralığına uygun olmalı ve dedektör de buna göre seçilmelidir. Spektral aralık belirlenirken dikkat edilecek diğer bir faktör ise, hedef ve cihaz arasında bulunan atmosfer tarafindan bazı dalga boylarının soğurulmasıdır. Özellikle karbondioksit ve su buharının soğurduğu dalga boylarından kaçınılmalıdır. Aksi takdirde nem oranı ve ölçüm uzaklığı sonucu etkiler. Tipik olarak kullanılan dalga boylan 0.65(j.m - lum, 3um - 5um ve 8um - 14u.m'dir. Göz önüne alınması gereken en önemli parametrelerden birisi hedef boyutudur (target size). Hedef boyutu gelen ışınınım dedektörü tamamen doldurması için yeterli büyüklükte olmalıdır. Eğer mutlak sıcaklık ölçümünden daha çok sıcaklıktaki dalgalanmalarla ilgileniyorsak veya tekrarlanabilirlik mutlak değerden daha önemli ise emissivite sorunu büyük ölçüde ortadan kalkabilir. Emissivitenin sabit olması veya sıcaklık ve dalga boyuyla fazla değişmemesi yeterli olabilir. Eğer mutlak sıcaklığı bilmek istiyorsak hedefin emissivitesinin bir şekilde belirlenerek yapılan ölçümlere katılması gerekir. 6. SONUÇ Işınım termometrelerinin en büyük üstünlüğü cihaz ile sıcaklığı ölçülen ortam arasında fiziksel dokunmanın olmamasıdır. Bu nedenle cevap hızı cihazın dedektörü tarafindan belirlenir ve mikro saniyeler düzeyinde bile olabilir. Böylece çok hızlı değişen sıcaklıklar veya hareketli cisimlerin sıcaklıklarını ölçmek olasıdır. Isılçiftlerin ve direnç termometrelerinin yüksek sıcaklıklarda uzun süre kalmalarının onların kalibrasyonlannda dolayısıyla ölçüm hatalarında büyük değişimlere neden olabildiği gözönüne alınırsa bu çok önemli bir noktadır. Oysa ışınım termometreleri sadece ortam sıcaklığının değişiminden ve elektronik parçalarının uzun dönemdeki kaymasından etkilenir. Eğer yüzey emissivitesi kararlı kalıyorsa böylece biliniyor veya ölçülebiliyorsa veya sıcaklık kaynağı bir şekilde siyah cisme benzetilebiliyorsa radyasyon termometreleri ile yüksek doğruluklara, 1500 C de ± 1 C veya daha iyiye ulaşılabilir. 209

ITS-90 IŞINIM (RADYASYON ) SICAKLIĞI ÖLÇEĞİ ve UME'de İZLENEBİLİRLİK Sevilay Uğur, Seda Oğuz, M. Özgür Dumlu TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME) ÖZET ITS-90 Uluslararası Sıcaklık Ölçeği ışınım (radyasyon) sıcaklık ölçeğini gümüşün donma noktası 1234.93 K (961.78 C) üstündeki sıcaklıkları aşağıdaki eşitlikle tanımlar. x gümüş, altın ve bakırdan herhangibirinin donma noktası Lx (TÇQ) ve Lx (TJ, X dalga boyunda, T90 ve T x sıcaklıklarında siyah cismin boşluktaki spektral ışımasıdır. C2=0.014388m.K'dir. Bu eşitlikte görüldüğü gibi ışınım sıcaklığı ölçeğinde izlenebilirlik zincirinin en üst noktası gümüş, altın veya bakırın donma noktalarından birisidir. Gümüşün donma noktasının altındaki sıcaklıklarda da ışınım termometreleri yaygın olarak kullanılır. Bu nedenle ölçeğin bu sıcaklık aralığında da izlenebilir olması gerekir. Bu aralıkta ITS- 90 'a izlenebilirlik sabit noktalar ve pt-termometreleri ile sağlanır. Son yıllarda ışınım termometri için de sabit noktalar yapılmakta ve kontak sıcaklığındaki pt-termometrelerin kullanılması gibi bu sabit noktalar arasındaki sıcaklıklar için enterpolasyon cihazı olarak kullanılabilecek ışınım termometreleri konusunda araştırmalar devam etmektedir. UME, ITS-90 tanımına uygun olarak ışınım sıcaklığı laboratuvarmı kurmaktadır. Işınım sıcaklığı konusunda bilimsel ve endüstriyel çalışmalarını Ocak 1996'dan itibaren sürdürmektedir. Bu makalede UME 'de yapılan çalışmalar anlatılacak, ITS-90 'a uygun UME Işmım Sıcaklığı Ölçeği tanıtılacak, Işınım Sıcaklığı Ölçeğinin iyileştirilebilmesi için yürümekte olan bilimsel çalışmalar özetlenecektir. 1. GİRİŞ ITS-90 Uluslararası Sıcaklık Ölçeği'nin belirttiği gibi ışınım sıcaklığı ölçeğinde gereken sabit noktalar gümüş, altın ve bakırın donma noktalandır. Bu nedenle 1997 yazında MST (ABD) ile ortak proje kapsamında gümüş ve altın siyah cisim sabit noktalan yapılacaktır. Bu iki siyah cisim oyuğu tek bir ısıtıcı kullanmaktadır ve özellikleri aşağıdaki gibidir. 210

ÖZELLİKLERİ Emissivite Açıklık (Aperture) Çapı Belirsizlik Donma platosunun süresi ALTIN ve GÜMÜŞ SİYAH CİSİMLER 0.9998 3 mm 20 mk 15-30 dakika. Bu tabloda görüldüğü gibi 15-30 dakikalık donma platosu ölçeğin daha alt seviyelere taşınabilmesi için yeterli değildir. Bu nedenle siyah cisim donma noktası sıcaklığı yüksek kararlıkta tungsten flaman lambalara taşınarak ölçek lambalar üzerinden saklanır ve sürdürülür. UME, Işınım Sıcaklığı Laboratuvan'nda toplam 4 adet yüksek karalılıkta tungsten flaman lamba bulunmaktadır. Bunlar, 600 C - 1700 C 1600 C -2200 C sıcaklık aralığında ve 660 + 20 nm dalga boyunda çalışırlar. İlk olarak NPL tarafından kalibre edilerek UME laboratuvanna gelen bu lambalar, kısa dönem kararlılıkları, doğrulukları, hizalanması ve yansıtmaları gözönüne almarak karakterize edilmiş ve Ulusal standart ve çalışma standartları olarak seçilmişlerdir. İstenen ışınım sıcaklığını elde edbilmek için lambadan geçen akımın 0.5 ma'den daha iyi kontrol edilmesi gerekir. 0.5 ma 1000 C'de 40mK belirsizlik anlamına gelir. UME şu anda lambalarını 0.25 ma'den daha iyi kontrol edebilmektedir. Ölçeğin altın veya gümüş siyah cisimden tungsten şerit lambalara taşınabilmesi için hedef çapı 1.5 mm'den küçük ve keskin, kararlı bir transfer standart ışınım termometresine gereksinim vardır. 211

UME'nin ışınım termometresi aşağıdaki özelliklere sahiptir. ÖZELLİKLERİ TRANSFER STANDARD IŞINIM TERMOMETRESİ Sıcaklık Aralığı Odak uzaklığı En küçük hedef boyutu Ayrım / Kısa dönem kararlılık 600 C-1700 C for A^= 900 nm 900 C-2500 C for Ks= 650 nm 400 mm- 1100 mm 0.6x0.8 mm 30 mk den daha iyi Uzun dönem karalılık 600 C - 900 C sıcaklık aralığında 900 C -1400 C sıcaklık aralığında 1400 C - 2500 C sıcaklık aralığında 0.1 % 0.05 % 0.03 % İstenmeyen ışınımı ret İO" 6 Tungsten şerit lambalar sadece 660 nm ± 20 nm dalga boyunda çalışırlar. Oysa endüstrinin kullandığı ışınım termometreleri başka dalga boylarında veya belli bir dalga boyu aralığında çalışıyor olabilir. Bu nedenle tungsten şerit lambalar endüstriyel ışınım termometrelerinin çok büyük bir tasımının kaübrasyonu için uygun değildir. Bu termometrelerin kaübrasyonu için değişken sıcaklık siyah cisimler kullanılır. UME Işınım Sıcaklığı Laboratuvan'nda Haziran 1997 itibariyle iki tane değişken sıcaklık siyah cisim kaynağı bulunmaktadır. Bu cihazların özellikleri aşağıda verilmiştir. ÖZELLİKLERİ Belirsizlik Ayırım (Resolution) Kararlılık (Stability) Oyuk çapı Emissivite VTBB 50 C - 750 C ± 0.05 % okuma ± 0.1 basamak 0.1 C 0.05 C her 8 saatlik peryot 25.0 mm ile 2.0 mm arası (değişken) 0.999 ± 0.003 VTBB 600 C - 2600 C ± 0.25 % okuma + 1 basamak 1 C Hedef sıcaklığını istenen sıcaklıkta tutmak için PED kontrol 25.0 mm 0.995 ± 0.003 212

600 C - 2600 C arasındaki değişken sıcaklık siyah cisim sırt sırta iki oyuğa sahiptir. T) X Işınım sıcaklığı sensörü Referans ve test termometresi Çift tip siyah cisim oyuğu Birinci oyuğun karşısındaki termometre siyah cismin ışınım sıcaklığını izleyerek siyah cismin istenen sıcaklıkta tutulmasını sağlar. İkinci oyuk ise ışınım termometrelerinin kalibrasyonu içindir. Şekil l'de UME Işınım Sıcaklığı Ölçeği gösterilmektedir. ITS-90, Işınım Sıcaklık Ölçeğini sadece gümüşün donma noktasının üstündeki sıcaklıklar için tanımlamıştır. Oysa bu sıcaklığın altında hatta 0 C'nin altındaki sıcaklıklarda çalışan ışınım termometreleri vardır ve bu termometrelerin izlenebilir olarak kalibre edilmeleri gerekmektedir. Bugün için ITS bu sıcaklık aralığında sabit noktalar ve platin termometreler ile tanımlanmaktadır. Bu durum şekil 1 'de sol tarafta görülmektedir. 213

UME IŞINIM SICAKLIĞI ÖLÇEĞİ ITS-90 Uluslararası Sıcaklık Ölçeği ITS-Sabit noktalar Altın ve Gümüş Siyah Cisim Platin Direnç Termometre Transfer Standart Termometre 650 nm - 900 nm )eğişken Sıcaklık Siyah Cisim Referans Işınım Termometre Standart Tungsten Şerit Lambalar Değişken Sıcaklık Siyah Cisim Referans Işınım Termometre 660 nm Test Termometre ve Siyah Cisim Kalibrasyonlary Lamba ve Görsel Ibynym Termometre Kalibrasyonlary Test termometre ve Siyah Cisim Kalibrasyonlary Gümüşün donma noktasının altındaki sıcaklıklar Gümüşün donma noktasının üstündeki sıcaklıklar Sekil 1. UME Işınım Sıcaklığı Ölçeği 214

2. ARAŞTIRMA KONULARI UME Işınım sıcaklığı Laboratuvan'nda, ışınım sıcaklığı ölçümlerinde belirsizliği düşürmek, ölçeğin dağıtımı ve saklanmasında daha kolay ve güvenilir yöntemler bulma konusunda araştırmalar sürmektedir. Bu araştırmalar Çoklu dalga boyu ışınım termometresi çalışmaları Sabit noktaların yapımı Altının donma noktası sıcaklığının cryogenic radyometreye izlenebilir olarak ölçülmesi Platin termometrelere benzer şekilde filtre dedektörlerin enterpolasyon cihazları olarak kullanılabilmesi gibi çalışmalardır. Işınım termometreleri, belli bir dalga boyundaki veya belli bir dalga boyu aralığındaki toplam ışınımı dikkate alarak sıcaklık bilgisine dönüştürürler. UME'de yürütülen çoklu dalga boyu ışınım termometri çalışmalannda ışınımın aynı sıcaklıkta birden fazla dalga boyunda ölçülerek Planck eşitliğinde tek bilinmeyen T değişkeninin birden fazla noktada bulunması amaçlanmaktadır. Bu amaçla şu anda kullanılan düzenek şekil 2'de görülmektedir. Burada ölçüm cihazı foto-diyot spektroskopik array sistemidir. Spektroskopik array sistemiyle yapılan ölçümler sonucunda bu yöntemin ±2 K'den daha iyi bir doğruluk, 1 K'den daha iyi bir duyarlılık ve 0.1 K'den daha iyi bir çözünürlülük sağladığı görülmüştür. İleride daha iyi bir spektroskopik sistem kullanarak, izlenebilirliğin böyle bir sistemle saklanıp sürdürülebilmesi için UME'de çalışmalar devam edecektir. Siyah Cisim Kaynağı Optik Işıma Diffraction Grating Shutter Spektroskopik Array Sistemi 380 nm 780 nm Dedektör Array Şekil 2. Çoklu dalga boyu ışınım termometri sistemi 215

İMALAT METROLOJİSİNDE LASER KULLANARAK YAPILAN ÖLÇME TEKNİKLERİ Tanfer Yandayan TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME) ÖZET Işık kaynağı kullanarak yapılan ölçümlerde, mekanik değerlerin elektronik değerler cinsinden ifade edilip bilgisayara aktarımı kolayca yapılabilir. Ayrıca mekanik olarak ulaşılması, güç olan yerlerde ölçüm yapmak bu sistemlerin kullanımını zorunlu kılmıştır. Bu bildiride lazer f esaslı ölçme tekniklerinin kullanıldığı imalat metrolojisinin çeşitli alanlarında geniş bir literatür *-' çalışması yapılmış, endüstride kullanılan teknikler detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Çap ölçümlerinde, laser mikrometresi olarak bilinen lazer tarama (scanning) sistemleri, yeni geliştirilmiş LDIMS metodu ile işlem esnasında CNC torna tezgahlarında dönen iş parça çaplarının hassas bir şekilde ölçümü ve mekanik yöntem ile ölçmenin mümkün olmadığı su içindeki hava kabarcıklarının ve atomize edilmiş partiküllerin çap ölçümleri anlatılmıştır. Kalınlık, mesafe ölçümleri için kullanılan interferometrik ve üçgenleme (triangulation) metodlarının temel prensipleri açıklanıp örneklerle pekiştirilmiştir. Açı ölçümlerinin lazer interferometresi kullanarak nasıl yapıldığı, bilinen basit su terazisinde yine lazer ışığı j kullanarak ölçülen değerlerin elektronik değerlere dönüştürülüp bilgisayara aktarılması / açıklanmış ve sonuç olarak lazer kullanımının ölçme teknolojisine getirdiği faydalar özetlenmiştir. 1. GİRİŞ İmalat metrolojisinde boyut ölçümlerinin ışık kaynağı kullanarak yapılması birtakım zorunluklardan ortaya çıkmıştır. Bazen mekanik olarak ulaşılması imkansız yerlerde ölçüm yapmak, bazende ölçülen obje ile ölçme cihazı arasında bir temas olmaması istenmiştir. Bunun yanında 1983 yılında metrenin vakumda l/c saniyede (c: Işık hızı) He-Ne/k stabilize lazer ışığının aldığı yol olarak tanımlanması, ışık kaynağı kullanarak boyutsal ölçümler yapılmasını teşvik etmiştir. Günümüzde en yaygın ışık kaynağı olarak lazer kullanılmaktadır. LASER (lazer) kelimesi ingilizcede 'Light Amplification by Ştimulated Emission of Radiation' kelimelerinin başharflerinden çıkartılmıştır. Tek dalga boyunda ve farklı güçlerde günümüzde ucuza elde edilebilmesi özellikle interferometrik ölçümlerde lazeri popüler kılmıştır. Bunun yanında uzun mesafelerde coherent yani eş fazda yayılabilmesi ve dalga boyunun kararlılığı (stabilitesi) lazer ışığınının en önemli üstünlükleri arasında yer alır. Günümüzde mekanik ölçme yöntemlerinin, elektronik ölçme yöntemlerine çevrilip, bilgisayara rahatça aktarılması ve yazılım ile hem zaman kaybının hemde kullanıcıya olan 216

bağımlılığın azaltılması için çalışmalar yapılmaktadır. Lazer kullanımında, ölçme değerleri elektronik değerlere direk olarak aktanlarak bilgisayara alınabilir. Bu yüzden bazı mekanik ölçüm cihazlannda lazer kullanımına yönelinen çalışmalar yapılmaktadır. Bu bildirinin amacı imalat metrolojisinde lazer kullanarak yapılan en popüler ölçümlerin prensiplerini açıklayarak okuyucuyu bu konuda bilgilendirmektir. 2. ÇAP VE PROFİL ÖLÇÜMLERİ 2.1 Lazer ışığı ile tarama yaparak ölçüm yapan cihazlar Şematik olarak bu tip cihazların genel çalışma prensibi Şekil 1 de gösterilmektedir. Laser ışığı döner ayna yardımıyla ölçümü yapılacak iş parçasını tarar. Tarama esnasında laser ışığının geçişi iş parçasının boyut sınırlan boyunca engellenir. Bu engellemenin başlangıç ve bitişi arasındaki zaman periyodu lazer ışığının geçişinin bir detektör tarafından takip edilmesiyle bulunur. Döner aynanın hızı, diğer bir deyişle laser ışığının taranmasının hızı bilindiği için (şekilde görüldüğü gibi hız ayan üretilen sinyal ile kontrol ediliyor) ışığın bloke edildiği zaman kullanılarak parçanın profili hesablanabilir. Özellikle küçük çaplann ve profillerin hassas bir şekilde ölçümü mümkün olmaktadır [1]. Temassız ölçüm olması bilhassa haddeden geçen sıcak parçalann profillerinin ölçümü için geçerli bir yöntemdir [2]. Ölçümlerde parçanın gelen ışığa dik bir şekilde yerleştirilmesi kritiktir. Tam dik yerleştirilemediği taktirde hassas ölçümlerde hata oranı artar. Büyük çap ve profillerin ölçümleri iki adet tarama ünitesi kullanarak gerçekleştirilebilinir. Özellikle seri üretimde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu cihazlarla mikrometrenin altında bir çözünürlüğe inilir ve ölçme doğruluğu ünitelerin doğru konumda yerleştirilmesine bağlıdır. Döner Ayna Şekil 1 Lazer Tarama Cihazı 217

2.2 Lazer Doppler esaslı, işlem esnasında çap ölçümü yapan cihaz (LDEMS) CNC torna tezgahlarında dönen iş parçalarının çaplarının temassız bir şekilde yüksek çözünürlükte ölçümü Yandayan [3] tarafından dizayn edilen bir cihaz ile gerçeleştirildi. Sistemin çalışma prensibi Şekil 2 de gösterilmektedir. He-Ne laser ışık kaynağından, ışık ayıracı ve 45 derecelik ayna kullanarak 2 adet paralel ışın elde edilir. Bu iki ışın akromatik dış bükey mercek yardımıyla dönen silindirik iş parçasının üzerine fokuslamr. İş parçasının üzerinden geriye yansıyan ışık demeti küçük bir mercek yardımıyla toplanıp, detektör üzerine fokuslamr. İş parçasının dönmesiyle, çevresel hıza bağlı olarak, toplanan ışık demetinin frekansı Doppler kaymasına maruz kalır ve detektör çıktısı rastgele aralıklarla faz kaybına uğramış, amplütüdü değişken fakat periyodu bu çevresel hıza bağlı olan bir anolog Doppler sinyaldir. Sinyalin frekansı veya periyodunun direk olarak dönen iş parçasınm çapına ve dakikadaki devrine bağlı olması nedeniyle parça çapı aşağıdaki açıklamalar yardımıyla kolayca bulunur. Doppler sinyalin frekansı, /d = 2FSin(o/2) / X 1 dır. Burada; V: çevresel hız, a: iki laser ışınının arasındaki açı, X: He-Ne laser ışığının dalga boyu. V yerine çap ve devir ile ilgili formül konulduğunda, aşağıdaki eşitlik elde edilir: / d - 27iZWSin(a/2) / 60A. = rczwsin(a/2) / 30X 2 Denklemdede görüldüğü gibi, a açısı sabit olduğu için devir (N) ve frekans bilindiğinden parça çapı kolayca bulunur. Bu felsefeden yola çıkarak bir devir boyunca (iş parçasının çevresi boyunca) kümüle edilen sinyal sayısının o silindirik iş parçasının çapını vereceğini söyleyebiliriz. Parçanın çevresinin taranmasında başlangıç ve bitiş noktası, bir optosiviç yardımıyla tesbit edilirse, otomatik olarak N (Dev/dak) ve birim zamandaki sinyal sayısı (sinyal frekansı fî) denklemde yerlerine konur ve D çapı elde edilmiş olur. Başka bir deyişle, 1 devirdeki (periyodu optosviç ile belirlenen) toplam sinyal sayısı, o iş parçasına ait parça çapını temsil eder. Yukarıda anlatılan sistem ikinci bir alternatif yaklaşımla da açıklanabilir. İki lazer ışınının iş parçası yüzeyinde çakıştığı bölge Şekil 3 te gösterilmiştir. İş parçası bu interferans çizgilerinin oluşturduğu ölçme hacminden geçtiğinde, interferans çizgilerinin arasındaki mesafeye ve parçanın çevresel hızına bağlı olarak yine aynı anolog Doppler sinyali verecektir. İnterferans çizgileri arasındaki mesafe, 5 = A./{2Sin(a/2)} 3 dir. İş parçası üzerindeki küçük bir yüzey biriminin (parçacığın) bu interferans çizgileri arasından geçme süresi, t = s/v 4 olursa, bu süreye karşılık gelen frekans 1 218

fi=\lt = 2FSin(a/2) / X 5 olur ki bu da denklem 1 in aynısıdır. Böylece parça çevresi, aralıkları interferans çizgilerinden oluşan sanal bir cetvel ile ölçülmüş gibi olur. Aynı zamanda da dönen iş parçasının çapı, K sabitinden dolayı, bu interferans çizgilerinin aralıkları ile bölüntülenmiş olur. Bir devirdeki çözünürlük çevrenin interferans çizgileri arasındaki mesafeye bölünmesinden elde edilen değerin n sabitine bölünmesiyle veya parça çapının toplam sinyal sayısınına bölünmesi ile bulunur. Bir devirdeki çözünürlük 0.5 um dir. Ölçüm on devir boyunca gerçekleşirse sayılan sinyal sayısı on kat artar ve çözünürlükte on kat değişerek 0.05 um olur. Şekil 2 de açıklandığı gibi, anolog sinyal sayılmadan önce kare dalgaya çevrilir, gürültü ve faz kaybından dolayı ortaya çıkan boşluklar, bir önceki sinyal çiftinin periyodu esas alınarak sinyal prosösörü ile doldurulur ve sayılmak üzere sayıcıya gönderilir. Sayıcı bilgisayar ile yönlendirilir ve optosiviçten gelen devir sinyaline göre kare dalgaya çevrilmiş, sinyal prosösörde boşlukları doldurulmuş Doppler sinyallerini sayar. Sayım sonucu bilgisayara aktanlılır ve yazılım yardımıyla dönen iş parçasının çapı hesaplanır. Komparator Ünitesi Kare dalgaya çevrilmiş Doppler sinyal jırın ruuı Sinyal Prosösörü Boşlukları doldurulmuş Doppler sinyal juuınjıruın. Sayıcı Ünitesi 1 Devir Filtre ve Yükseltici Ünitesi Optosvic ~ Sensor [\Ayna 1şm[2] Lazer (He-Ne) LDIMS Ölçme Probu şık AyıracıA 1 Detektör Dönen İş parçası Bölüntüleme Diski -o B- Bilgisayar DS Şekil 2 LDIMS laser ölçme sisteminin şematik görünüşü 219

Şekil 3 İki lazer ışığının çakıştırılması ile elde edilen interferans çizgileri Ölçme sistemi 2-eksenli eğik yataklı CNC torna tezgahında uygulamaya tabi tutulmuştur. Sistemin çalışması için CNC torna tezgahı ile bağlantı kurulmuş ve ölçme cihazının dışandan bilgisayar kontrolü yardımıyla ölçme pozisyonu alması sağlanmıştır. 101.6 mm lik hassas işlenmiş, çapı yüksek doğrulukta bilinen bir master silindirden alınan sonuçlar cihazın kalibrasyonu için kullanılmış ve bunu takiben 3 değişik çapa sahip iş parçasının ölçümleri yapılmıştır. Alınan sonuçlann mikrometre ölçümleri ile karşılaştınlması Tablo 1 de verilmiştir. LDIMS ölçme sisteminin tekraredilebilirliği ±4 um, doğruluğuda ±10 um olarak verilmiştir. Sinyal prosösörün geliştirilmesi ile bu değerin mikrometre altında bir seviyeye inmesi beklenmektedir. Tablo 1 Lazer ölçme sistemi (LDIMS) sonuçlan Çap [1] Çap [2] Çap [3] Mikrometre sonuçları (mm) 79.900 89.895 98.927 1 79.887 89.911 98.943 LDEMS sonuçları (mm) 2 79.891 89.910 98.946 3 79.892 89.909 98.947 4 79.891 89.909 98.943 5 79.894 89.910 98.942 2.3 Temassız partikül çapı ölçümleri Özellikle akışkanlar mekaniğinde su içerisindeki partiküllerin, hava kabarcıklannın, spray teknolojisinde püskürtülen dropletlerin (kabarcık) temassız bir şekilde çaplannın ölçümlerine gereksinim vardır. Bu ölçümler Laser Doppler Anemometry (LDA) tekniklerinin değişik konfigürasyonlannı kullanarak yapılmaktadır. İki lazer ışınının kesiştiği noktadaki interferans çizgileri üzerinden geçen bir dropletin yaydığı ışınlann detektöre aktanlmasıyla elde edilen Doppler sinyallerini işleyerek dropletlerin çaplan bulunur. Dropletlerin çaplan bunlann üzerinden yayılan ışınlann yoğunluğuna, alınan Doppler sinyalin amplitüdüne ve birden fazla detektör ile elde edilen sinyaller arasındaki bağıntılara göre hesaplanmaktadır. 220

Şekil 4 te Wigley [4] tarafından gerçekleştirilen 0.1 ile 1 mm arasında çap ölçümlerinin yapıldığı düzenek sunulmaktadır. İki ışının kesiştiği ölçme bölgesinden geçen droplet, öncelikle 1 nolu ışını yansıtarak, detektör 2 de ölçümün başladığını belirten bir sinyal üretir. Droplet bölgeyi terkederken bu sefer 2 nolu ışını yansıtarak geçişin tamamlandığını belirten sinyali verir. Bu iki sinyal ile belirlenen geçiş zamanı ve interferans çizgilerinden geçerken 1 nolu detektör tarafından üretilen, droplettin hızını belirleyen Doppler sinyalini kullanarak droplet çapı bulunur. Eğer çap, ölçüm bölgesinin çapından büyük ise, geçiş esnasmda bir ara sinyal daha alınır. Bu üç zamanlı sinyal ve Doppler sinyal yardımı ile büyük droplet çaplan bulunur. Wigley' nin ölçüm sonuçlan Tablo 2 de verilmiştir. Frekans Traken Dijital hız değeri Geçiş zamanı Sinyalleri Hız Sinyali Geriye yansıyan ışığı toplama merceği înterferans çizgilerinden oluşan ölçüm bölgesi Lazer -D Detektör 2 Işık ayıracı Fokuslama merceği Apertürel Yansıyan ışığı toplama merceği Şekil 4 Partükül çapı ölçümü yapan düzenek Tablo 2 Wigley tarafından lazer kullanarak alınan sonuçlar Malzeme Su kabarcıklan Fotografik ölçme sonuçları (mm) 1.0 0.43 Lazer ölçme sonuçları (mm) 1.0 ±0.05 0.47 ±0.03 Tel (Kablo) Mikrometre ölçme sonuçları (mm) 0.965 0.514 0.404 0.178 0.099 0.045 Lazer ölçme sonuçları (mm) 0.976 ±0.05 0.508 ±0.03 0.424 ±0.03 0.182 ±0.02 0.094 ±0.01 0.031+0.015 221