T.C. MİLLÎ EĞİTİM BAKANLIĞI MEGEP (MESLEKİ EĞİTİM VE ÖĞRETİM SİSTEMİNİN GÜÇLENDİRİLMESİ PROJESİ) ELEKTRİK ELEKTRONİK TEKNOLOJİSİ ELEKTRONİK ENSTRÜMANTASYON VE KONTROL ANKARA 2007
Milli Eğitim Bakanlığı tarafından geliştirilen modüller; Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığının 02.06.2006 tarih ve 269 sayılı Kararı ile onaylanan, Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında kademeli olarak yaygınlaştırılan 42 alan ve 192 dala ait çerçeve öğretim programlarında amaçlanan mesleki yeterlikleri kazandırmaya yönelik geliştirilmiş öğretim materyalleridir (Ders Notlarıdır). Modüller, bireylere mesleki yeterlik kazandırmak ve bireysel öğrenmeye rehberlik etmek amacıyla öğrenme materyali olarak hazırlanmış, denenmek ve geliştirilmek üzere Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında uygulanmaya başlanmıştır. Modüller teknolojik gelişmelere paralel olarak, amaçlanan yeterliği kazandırmak koşulu ile eğitim öğretim sırasında geliştirilebilir ve yapılması önerilen değişiklikler Bakanlıkta ilgili birime bildirilir. Örgün ve yaygın eğitim kurumları, işletmeler ve kendi kendine mesleki yeterlik kazanmak isteyen bireyler modüllere internet üzerinden ulaşabilirler. Basılmış modüller, eğitim kurumlarında öğrencilere ücretsiz olarak dağıtılır. Modüller hiçbir şekilde ticari amaçla kullanılamaz ve ücret karşılığında satılamaz.
İÇİNDEKİLER AÇIKLAMALAR...iii GİRİŞ...1 ÖĞRENME FAALİYETİ 1...3 1. ELEKTRONİK ENSTRÜMANTASYON VE KONTROL SİSTEMLERİ...3 1.1. Fiziksel Özellikler ve Ölçümleri...3 1.1.1. Hız ve İvme Ölçümü...3 1.1.2. İş, Güç ve Enerji Ölçme...4 1.1.3. Bir Sıvının Özellikleri ve Sıvının Viskozitesi...6 1.1.4. Sıcaklık Değerlerinin Dönüşümü...7 1.2. Ölçüm Aletleri ve Sinyal İşleme...9 1.2.1. Sabit Mıknatıslı Ölçü Aletlerinin Çalışma Esasları...13 1.2.2. Gösterme, Kaydetme ve Entegre Etme Cihazları...14 1.2.3. Ölçü Aleti Hareket Yapısındaki Temel Parçalar...15 1.3. Dönüştürücüler (Transducers)...16 1.3.1. Transduserlerin Temel Tipleri...16 1.3.2. Transduserlerin Çalışma Esasları...18 1.3.3. Değişik Tip Transduserlerin Karakteristikleri ve Uygulamaları...18 1.3.4. Belirli Endüstriyel Uygulamalar İçin Transduser Tipleri...23 1.4. Kontrol Sistemlerine Giriş...29 1.4.1. Kontrol Sistemlerinin Temel Elemanları...31 1.4.2. Kontrol Sistemlerinin Çeşitleri...31 1.4.3. Mikroişlemci Parçalarının (Elemanlarının) Fonksiyonu...34 1.5. Kontrolörler...35 1.5.1. Proses Kontrol Sisteminde Kontrolörlerin Rolü...36 1.5.2. Kontrolörlerin Çeşitleri...36 1.5.3. Kontrolör Devrelerinde Kullanılan Semboller...37 1.6. Kontrol Sistem Yöntemleri...42 1.6.1. Endüstriyel Kontrol Uygulamalarında Kullanılan Lojik Sistemler...43 1.6.2. Kontrol Sistemlerindeki Bellek Birimlerinin Rolü...45 1.6.3. Programlanabilir Kontrolörlerin Kullanım Alanları...47 1.7. Veri Kaydı, İletim ve Gösterge (Gösterimi)...51 1.7.1. Enstrümantasyon ve Kontrol Sistemleri İçin Gerekli Data Çeşitleri...51 1.7.2. Data Toplama Sistemlerinin Çeşitleri (Yöntemler)...51 1.7.3. Endüstriyel Uygulamalar İçin Ana Kontrol Merkezinin Fonksiyonu...54 1.7.4. Ekipman Kullanımı ile İlgili Genel Hükümler...54 UYGULAMA FAALİYETİ...56 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...57 PERFORMANS DEĞERLENDİRME...59 ÖĞRENME FAALİYETİ-2...60 2. KONTROL UYGULAMALARINDA BAKIM VE ONARIM...60 2.1. Bakım ve Arıza Tespit Prosedürleri...61 2.1.1. Arıza Çıktıkça Bakım...61 2.1.2. Koruyucu Bakım...61 2.1.3. Kestirimci Bakım...62 2.1.4. Proaktif Bakım...62 2.1.5. Güvenilirlik Esaslı Bakım...62 i
2.2. Enstrümantasyon ve Kontrol Sistemleri İçin Tesisatta Dikkat Edilmesi Gerekenler..62 2.3. Arıza Gidermede Blok Şema ile Çalışma...62 UYGULAMA FAALİYETİ...65 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...66 PERFORMANS DEĞERLENDİRME...67 MODÜL DEĞERLENDİRME...68 CEVAP ANAHTARLARI...71 ÖNERİLEN KAYNAKLAR...73 KAYNAKÇA...74 ii
AÇIKLAMALAR KOD 523EO0088 ALAN Elektrik Elektronik Teknolojisi DAL/MESLEK Endüstriyel Bakım Onarım MODÜLÜN ADI Elektronik Enstrümantasyon ve Kontrol MODÜLÜN TANIMI Faksların çalışması ve çeşitleri ile ilgili temel bilgi ve becerilerin kazandırıldığı öğrenme materyalidir. SÜRE 40/24 ÖN KOŞUL YETERLİK MODÜLÜN AMACI EĞİTİM ÖĞRETİM ORTAMLARI VE DONANIMLARI ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME AÇIKLAMALAR Elektronik Devreler ve Sistemleri 1-2 modüllerinde başarılı olmak Elektronik enstrümantasyon ve kontrol sistemlerini kullanmak ve arızalarını gidermek. Genel Amaç Gerekli ortam sağlandığında, elektronik enstrümantasyon ve kontrol sistemlerini verimli kullanabilecek, bunların arızalarını giderebileceksiniz Amaçlar 1. Elektronik enstrümantasyon ve kontrol sistemlerini tanıyacak ve kullanabileceksiniz. 2. Elektronik enstrümantasyon ve kontrol sistemlerinin bakım ve onarımını yapabileceksiniz. Atölye ve laboratuvar, analog ve dijital ölçü aleti. Her faaliyet sonrasında o faaliyetle ilgili değerlendirme soruları ile kendinizi değerlendireceksiniz. Öğretmen, modül sonunda size ölçme aracı (uygulama, sorucevap, test, çoktan seçmeli, doğru yanlış vb.) uygulayarak modül uygulamaları ile kazandığınız bilgi ve becerileri ölçerek değerlendirecektir. iii
iv
GİRİŞ GİRİŞ Sevgili Öğrenci, Günümüzde otomatik üretim, modern sanayinin temelidir. Enstrümantasyon ve kontrol konusunda mekanik, hidrolik ve elektronik bir araya gelmekte ve otomasyon araçları olarak kuvvet, basınç, hız iletme sistemleri, röleler, yükselticiler, sinyal dönüştürücüler, elektriksel hidrolik ve pnomatik harekete geçiriciler kullanılmaktadır. Ölçüm işlemlerinde ve tezgâhların ayarında otomatik kontrolden yararlanılmakta; otomatik torna, freze, matkap ve taşlama otomasyonun bir kısmını oluşturmaktadır. Otomasyon, Henry Ford un 20. yüzyılın başında ilk kez kitle üretim tesisini gerçekleştirdiği zamanki kadar önemli bir teknolojik değişmedir. Tam otomasyona örnekler verirsek, modern bir petrol rafinerisi ya da tek bir denetim sisteminden elektronik darbelerle yönlendirilen petrolün içinden aktığı boru hattı sistemi bugünkü uygulamalardandır. Otomatik kontrol sistemlerinde sistem kendi kendini düzenleyici ve düzeltici özelliğe de sahip olmalıdır. Yarı otomasyonlu sanayilerin dışında tam otomasyonla çalışan iki sanayi dalı vardır, biri elektrik gücü üretimi, ikincisi ise petrol rafinerisidir. Ama tüm gelecek otomasyona, otomatik kontrole aittir ve otomasyonun birçok uygulama imkânı çok kısa sürede gerçekleşecektir. Yarının düğmelerle çalışacak fabrikasında, belki de üretim sahasında hiç işçi olmayacaktır. Pratik olarak bugünkü otomasyonla güç üretim santralinde ve petrol rafinerisinde hiç işçi yoktur. Ama aynı anda makineye bilgi hazırlayan ve onu makineye veren programcılar, makine yapımcıları, makine yerleştiricileri, onarımcılar vb. gibi yüksek beceri isteyen işlerde çalışan inanılmaz çoklukta insan vardır. Ayrıca makinenin tasarımcıları, çizimcileri, sistem mühendisleri, matematikçiler ya da mantıkçılar gibi büyük sayıda eğitilmiş insan potansiyeline ihtiyaç vardır. Bu modülü tamamladığınızda, elektronik enstrümantasyon ve kontrol sistemlerinin yapısını tanıyacak, verimli kullanabilecek ve arızalarını giderebileceksiniz. 1
2
ÖĞRENME FAALİYETİ 1 AMAÇ ÖĞRENME FAALİYETİ 1 Elektronik enstrümantasyon ve kontrol sistemlerini tanıyacak ve kullanabileceksiniz. ARAŞTIRMA Bu faaliyet öncesinde yapmanız gereken öncelikli araştırmalar şunlardır: Elektronik enstrümantasyon ve kontrol sistemlerini araştırınız. Elektronik enstrümantasyon ve kontrol sistemlerinin önemi, fiziksel özellikler ve ölçümleri, ölçüm aletleri ve sinyal işleme, değiştiriciler (transducers), kontrol sistemleri, kontrolörler, kontrol sistem metotları, veri kaydı, iletim ve gösterge (gösterimi) hakkında bilgi edininiz. Araştırma işlemleri için internet ortamında araştırma yapmanız ve elektronik enstrümantasyon ve kontrol sistemleri ile ilgili çalışmalar yapan firmaları gezmeniz, bu sistemleri kullanan kişilerden ön bilgi almanız gerekmektedir. 1. ELEKTRONİK ENSTRÜMANTASYON VE KONTROL SİSTEMLERİ 1.1. Fiziksel Özellikler ve Ölçümleri Enstrümantasyon ve kontrol sistemleri temel işlev olarak herhangi bir ortamdaki bir büyüklüğü algılayıp, elektronik ortama uygun hâle dönüştürür, işledikten sonra bunu bir ekranda gösterir ve elde edilen bu değerle bir makinenin denetimini yapan sistemlerdir. Hız, ivme, eğim, basınç, sıcaklık vb. gibi niceliklerin hassas bir şekilde ölçülmesi, bunların denetimi bu kapsama girmektedir. Bu bölümde bazı temel fiziksel büyüklükler ve özellikleri incelenecektir. 1.1.1. Hız ve İvme Ölçümü Hız bir hareketli parçacığın birim zamanda kat etmiş olduğu yoldur. Matematiksel olarak hız (Alınan yol / Geçen zaman; V= S/t (m/sn) ) olarak ifade edilir. Hız bir cismin dinamik karakteristiğidir, Newton un ikinci kanununa göre hız, bir kuvvetin uygulanmasını gerektirir. Aslında yer değişimi, hız, ivme birbiri ile ilişkilidir. Hız yer değişiminin birinci türevi, ivme ise ikinci türevidir. Bir cismin ivmesi, o cismin hızının zamana göre değişim miktarına denir. Hız ve ivme pozisyon veya yaklaşım dedektörleri ile çıkartılmaz, bunun yerine özel algılayıcılarla ölçülür. Hız veya ivme dönüşümü için herhangi bir algılayıcının dayandığı referans noktasına göre cismin yer değişimi ölçülür. Hız ve ivme ölçümlerinde 3
elektromanyetik hız algılayıcıları ve çeşitli ivme ölçerler (kapasitif, piezo-rezistif, piezoelektrik, ısıl) kullanılır. 1.1.2. İş, Güç ve Enerji Ölçme Elektrik enerjisi ile çalışan alıcıya elektrik enerjisi uygulandığında ısı, ışık, hareket vb. şekilde elde edilir. Bir kuvvet altındaki cismin, kuvvetten etkilenerek yer değiştirmesine iş denir. Parçacık dinamiğinin temel problemlerinden biri de parçacığın üzerine etkiyen kuvvet biliniyorsa, parçacığın nasıl hareket edeceğini bulmaktır. Birim iş bir cisme birim uzunlukta bir hareket sağlayan birim kuvvetin yaptığı iştir. SI birim sisteminde iş, 1 Newton metre veya 1 Joule'dür. Şekil 1.1: İş ve kuvvet Bir cisme iş yaptırabilme kabiliyetine ise o cismin enerjisi denir. Diğer bir deyimle iş yapabilme kapasitesi olarak tanımlanır. Mekanik enerji, kimyasal, nükleer, ısı ve elektrik enerjisi gibi enerji çeşitleri de bulunmaktadır. Belli başlı enerji çeşitleri aşağıdaki tabloda gösterilmiştir. Tablo 1.1: Enerji çeşitleri 4
Elektrik enerjisi bir iş yaptırdığına göre bir güce sahiptir. Buradan da görüldüğü gibi birim zamanda yapılan işe güç denir. Gücün birimi watt tır. Bu güç devreye uygulanan gerilim ve çekilen akımla doğru orantılıdır. Elektriksel güç: P = V x I şeklinde ifade edilir. P = Elektriksel güç (Watt), V= Gerilim (Volt), I= Akım (Amper) Örnek: 220 volt gerilimle çalışan bir ütü 4.8 amper akım çekmektedir bu ütünün gücünü hesaplayınız. P= V x I = 220 x 4,8 = 1056 watt Alıcılar genellikle standart gerilimlerde çalıştıklarından aynı gerilimle çalışan alıcılardan fazla akım çekenler daha fazla güç harcayacaktır. Elektrik devrelerinde güç ampermetre-voltmetre kullanılarak veya wattmetreler kullanılarak ölçülür. 1.1.2.1. Ampermetre ve Voltmetre Yardımı ile Güç Ölçmek P = V x I formülünde görüldüğü gibi elektrik devrelerinde akım ve gerilimin çarpımı elektriksel gücü verir. Burada elektrik devresinin çektiği gücün bulunabilmesi için akım ve gerilim değerlerinin ölçülmesi gereklidir. Ancak alternatif akımda omik dirençlerin çektiği güç aktif, bobin ve kondansatörlerin çektiği güç reaktiftir. Bu yüzden P= V x I formülü ile gücün hesaplanması, yalnız DC devrelerde ve omik dirençli AC devrelerinde mümkündür. 1.1.2.2. Wattmetreler ile Güç Ölçmek Doğrudan doğruya güç ölçen aletlere wattmetre denir. Wattmetrelerin dijital ve analog tipleri bulunmakta olup, genelde W ve KW seviyelerinde sınıflandırılır. Wattmetreler ile doğru ve alternatif akımda güç ölçülebilir. Ancak AC ve DC wattmetre seçimine, AC ve DC de güç ölçebilen wattmetre de ise AC-DC kademe seçimine dikkat edilmelidir. Güç akım ve gerilimin çarpımına eşit olduğundan wattmetreye alıcının akım ve gerilim değerleri aynı anda girilmelidir. Bu ihtiyaç wattmetrenin akım bobini güç ölçümü yapılacak devreye seri, gerilim bobini paralel olacak şekilde bağlanarak karşılanır. Wattmetrelerde küçük güç ölçülecekse akım bobinin, sonra büyük güç ölçülecek ise akım bobininin önce bağlanması ölçme hatasını azaltacaktır. 1.1.2.3. İş Ölçmek Elektrik enerjisinin zaman içerisinde kullanımı işi oluşturur. W =P.t formülü ile iş hesaplanır. Elektriksel işi ölçen aletlere elektrik sayaçları denir. Elektrik sayaçları abonenin harcadıkları elektrik enerjisini kilowatt saat (KWh) cinsinden ölçer. Elektrik sayaçları, harcanan elektrik enerjisini KWh cinsinden ölçen, bir ve üç fazlı alternatif akım devrelerinde kullanılan indüksiyon tipi ve elektronik tip olarak üretilen ölçü aletleridir. Son yıllarda elektronik elektrik sayaçları olarak isimlendirilen elektrik sayaçları, günün farklı saatlerinde ve hafta sonları farklı ücretlendirme yapabildiklerinden kullanımı zorunlu olmuştur. Analog sayaçlarda akım ve gerilim bobini mevcut olup sayaca bağlı devreden akım geçtiğinde oluşan manyetik alan sayaç içerisindeki alüminyum diskin dönmesini sağlar. Diskteki hareket bağlı olduğu bir numaratöre aktarılır, böylece harcanan 5
elektrik enerjisi miktarı numaratör ile ifade edilir. Elektronik sayaçlarda ölçülen iş dijital bir ekrandan okunur. Bu sayaçlarda ölçülen değer, tarih, gerçek zaman saati dönüşümlü olarak dijital ekranda ifade edilir. Elektronik sayaçlar farklı tarifeler üzerinden ücretlendirme yapmanın yanında optik port vasıtası ile okuma kolaylığı sağlamaktadır. Kalibrasyona analog sayaçlara göre daha az ihtiyaç göstermektedir. Resim 1.1: Dijital ve analog elektrik sayaçları ve bağlantı şeması 1.1.3. Bir Sıvının Özellikleri ve Sıvının Viskozitesi Akışkan (sıvı likit) madde denince aklımıza hemen akan madde gelir. Çünkü maddeler tabiatta katı, sıvı ve gaz hâlinde bulunur. Bunlardan sıvı ve gaz hâlindeki maddeler akışkandır. Akışkan maddede maddenin molekülleri birbiri üzerinde kayar. Su, yağ, cıva gibi maddeler akışkanlık özelliğine sahiptir. Bu akma, madde moleküllerinin birbiri üzerinde kaymasıdır. Bazı maddelerin akışkanlığı az iken bazı maddelerinki ise yüksektir. Örneğin, suyun akışkanlığı yağın akışkanlığından fazladır. Akışkan maddelerin belli biçimleri yoktur. Konuldukları kabın biçimini alırlar. Buna biz sıvıların esnekliği diyoruz. Bütün maddeler gibi sıvılar da yerçekimine maruz kaldıkları için ağırlıkları vardır. Bu yüzden bulundukları kaba bir kuvvet uygularlar. Bir bardak suyu yere döktüğümüzde su etrafa doğru yayılır. Çünkü sıvı maddenin molekülleri, birbiri üzerinde kayar. Bir torba içine su doldurduğumuzda bir parmağımızla bir yerine bastıralım. Diğer parmaklarımızla da başka bir yerine dokunalım. Dokunduğumuz parmağımızın itildiğini hissederiz. Buradan şu sonucu çıkarabiliriz: Sıvılar, üzerine uygulanan basıncı aynen iletirler. Bir kaptaki suya kabın ağzını tam olarak kapatacak şekilde bir cisimle bastırdığımızda kapağı itemediğimizi görürüz. Demek ki sıvıların bir özelliği de sıkıştırılamamalarıdır. Gazlarda ise akışkanlık özelliği sıvılara göre biraz farklıdır. Gazların belli hacimleri olmadığı için bulundukları ortama yayılırlar. Molekülleri sürekli hareket hâlinde ve birbirlerine çarpmaktadırlar. Fakat gazlar sıvılardan farklı olarak sıkıştırılabilir. 6
Bir maddenin birim hacminin kütlesine yoğunluk denir. Yoğunluğun diğer adı özkütledir. Kütle, yerçekiminden bağımsız olduğundan özkütle de yerçekiminden bağımsızdır. Yoğunluk, maddelerin ayırt edici bir özelliğidir. Örneğin, suyun yoğunluğu 1g/cm 3, demirin yoğunluğu 7,8 g/cm 3 tür. Bir kap içinde bir sıvı düşünelim. Kabın kenarından bir delik açalım. Sıvı akmaya başlar. İşte sıvıların dar bir boğazdan akabilmesine o sıvının akıcılık derecesi denir. Peki aynı miktarda sıvılar aynı delikten eşit zamanda mı akar? Yapılan deneylerde her sıvının farklı zamanlarda aktığını göstermiştir. Akıcılık derecesi teknik dilde viskozite kavramıyla ifade edilmektedir. Bir litrelik herhangi bir sıvı madde, bir kaptaki delikten 10 sn.de akıyorsa; aynı miktarda başka bir sıvı da 5 sn.de akıyorsa bu ikinci sıvının akışkanlığı daha yüksektir deriz. Akışkanlığı iyi olan sıvıların viskozitesi düşük, akışkanlığı kötü olan sıvıların viskozitesi ise yüksektir. Viskozite: Sıvıların akmaya karşı direncini gösteren bir terimdir. Akış hızının karşıtıdır. Örneğin su düşük, bal yüksek viskostur. Motor yağları için sınıflandırmada önemlidir. 1.1.4. Sıcaklık Değerlerinin Dönüşümü Enerji kaynağımız olan Güneş, Dünya mıza gönderdiği ışınlarla bizleri ısıtmaktadır. Yazın hava ısındığı için sıcaklık değeri artar. Kışın ise hava soğuduğu için sıcaklık düşer. Isı ile sıcaklık kavramlarını çok kullanırız. Bu kavramlar aynı gibi görünse de aslında çok temel farklılıkları vardır. Bunun için bu kavramların farklarını öğrenmek zorundayız. Isı bir enerji çeşididir. Maddeyi oluşturan atom ve moleküller sürekli hareket hâlindedir. Bu atom ve moleküllerin hareketlerinden dolayı oluşan enerjiye ısı enerjisi diyoruz. Fakat sıcaklık, maddenin ortalama hareket (kinetik) enerjisini gösteren bir değerdir. Bir maddenin sıcaklığı dendiğinde maddedeki bir molekülün ortalama kinetik enerjisi söylenmiş olur. Hatta bu değeri duyu organlarımızla algılayabiliriz. Maddenin ısısı dendiğinde ise o maddedeki toplam kinetik (hareket) enerjisi anlaşılır. Bu anlatılanlara göre sıcaklığın tanımını şöyle yapabiliriz: Sıcaklık bir maddedeki tanecik başına düşen ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsüdür. Buradan şu sonucu çıkarabiliriz: Sıcaklık maddenin ne kadar olduğuna bağlı değildir. Ama ısı, madde miktarına bağlıdır. Biri diğerinin sonucunda değişikliğe uğrar. Aşağıda ısı ve sıcaklığın farkları gösterilmiştir. ISI SICAKLIK Kalorimetre kabı ile ölçülür. Enerji çeşididir. Enerji birimleri (kalori, joule) Fahrenheit kullanılır. Termometre ile ölçülür. Enerji değildir. Birimi derecedir. Santigrad, Fahrenhayt, Kelvin, Reaumur dereceleri kullanılır. Sıcaklık birimleri dört farklı şekilde gösterilir. Bunlar Santigrad, Fahrenheit (Fahrenhayt), Kelvin ve Reaumur (Reomür) dereceleridir. Santigrad derecesi en çok kullanılan sıcaklık birimidir. Amerika ve İngiltere gibi bazı ülkelerde ise Fahrenayt derecesi çoğunlukla kullanılır. Kelvin ve Reomur derecelerinin kullanım alanı daha azdır. Santigrad derecesini 1742 yılında İsveçli fizikçi Celcius, 1 atm. basınç altında suyun donma sıcaklığını 7
0, kaynama sıcaklığını 100 kabul ederek ve 100 eşit parçaya bölerek elde etmiştir. Bir diğer ölçeklendirme sistemi olan Kelvin ölçeğini ise Lord Kelvin geliştirmiştir. Kelvin, teorik olarak erişilebilecek en düşük sıcaklık olan 273 C yi mutlak 0 noktası kabul etmiştir. Yapılan araştırmalarda hiçbir maddenin sıcaklığı -273 ºC nin altına düşürülememiştir. İşte Kelvin bu sıcaklığı referans kabul etmiştir. Fahrenhayt referans olarak yine aynı şartlar altında suyun donma ve kaynama noktalarını almış olup donma noktası 32 F, kaynama noktası 212 F alınarak 212-32=180 eşit parçaya bölünmüştür. Reomür ölçeğinde 0 Roemür donma noktası, 80 Roemür kaynama noktası alınarak 80 eşit parçaya bölünmüştür. Bir önceki sayfada bu dört derecenin birbirleri ile olan bağıntısını daha iyi görmektesiniz. Yukarıda belirlenen bu dört ölçeğin birbirine dönüşümünü sağlamak için aşağıdaki eşitlik yazılabilir. ÖRNEK: 250 Kelvin derece kaç santigrad derecedir? ÇÖZÜM:Yukarıdaki bağıntıdan, Celcius ile Kelvin birimleri arasında C=K-273 bağıntısı olduğu görülüyor. Buradan değerleri yerine yazarsak; C=K-273 C=250-273 Sıcaklığın kendisi direkt olarak ölçülemez. Sıcaklık ölçümünde kullanılan araçların çalışma prensipleri fiziğin ve termodinamiğin temel yasalarına dayanmaktadır. Sıcaklık temel olarak termometre ile ölçülür. Cıvalı termometreler ise sıcaklığa bağlı olarak maddedeki hacimsel değişim esasına dayalı olarak çalışırlar. 76 mm cıva basıncında iki sabit sıcaklık seçilerek, kılcal boru içerisindeki cıvanın iki sıcaklık arasındaki hacimsel farkı lineer olarak bölümlendirilir. Bu işlem için suyun donma ve kaynama sıcaklıkları seçilir. Sıcaklık ölçümünde kullanılan üç çeşit termometre vardır: Cıvalı ya da alkollü termometre Madeni ya da metal termometre İnfrared termometre Yaygın olarak kullanılan termometreler cıvalıdır. Bunların çalışma esası sıvıların genleşme esasına dayanır. Bildiğimiz gibi ısınan bir telin boyu uzar, ısınan bir sıvı ya da gaz genleşir. Dolayısıyla bir sıvıyı ölçeklendirilmiş bir tüp içerisine koyarsak basit termometre yapmış oluruz. Cıvalı termometrede cıva, cam hazne içindedir. Sıvılar sıcaklık arttıkça genleştiği için haznenin devamı olan kılcal boru içindeki sıvı sütunu seviyesi yükselir. Ya da sıcaklık düştüğü zaman sıvı seviyesi düşer. Seviyenin yanı taksimatlı bir şekilde 8
ölçeklendirilmiş olduğundan sıcaklık bu ölçek sayesinde okunur. Düşük sıcaklıkların olduğu yerlerde ise donma sıcaklığı düşük olan alkollü termometreler kullanılır. Madeni (metal) termometreler ise bi-metal elemanlıdır. Bi-metal eleman uzama katsayısı farklı iki metalin birleştirilmesi ile oluşan elemandır. Sıcaklığı algılayan kısım bi-metalden yapılmış helezon şeklinde bir yay olduğu için uzama farkından dolayı eğilen metalin bir değer göstermesi ile ölçüm gerçekleşir. Aşağıda bazı termometrelerin şekilleri gösterilmiştir. Şekil 1.2: Cıvalı ve metal termometreler Resim 1.2: İnfrared termometreler 1.2. Ölçüm Aletleri ve Sinyal İşleme Ölçme, bilinen bir birimle, aynı cinsten, bilinmeyen bir boyutun karşılaştırılması işlemidir. Ölçmede sonuç sayısal olarak ifade edilir. Fiziksel büyüklüklerin ölçülmesinde çok değişik yöntemler kullanılmaktadır. Bazı fiziksel büyüklükler mekanik yöntemlerle ölçülürken, bazıları elektriksel, bazıları ise elektronik yöntem ve cihazlarla ölçülür. 9
Ölçme, bugün gündelik hayatımızda çokça kullandığımız bir işlem olup uzunluğu metre, ağırlığı kilogram, sıcaklığı santigrat ve sıvı hacimlerini litre ile ölçmekteyiz. Herhangi bir uzunluk miktarı ölçülürken, dünyada herkes tarafından kabul edilen 1 metrelik uzunluğun ölçülecek uzunluk içerisinde ne kadar bulunduğunun karşılaştırılması yapılır. Diğer tüm ölçme işlemlerinde mantık aynıdır. Günlük hayatta ölçüm yapmak ve herhangi bir büyüklüğü, o büyüklüğün birimi ile karşılaştırmak işlemi ile farkında olarak veya olmadan çoğu kez karşılaşıp ölçme yapmadan birçok işlemlerimizi sonuçlandıramamaktayız. Alacağımız ürünü standart birimi ile karşılaştırıp miktarını ve fiyatını tespit etme ihtiyacı, ölçme işlemini zorunlu kılan bir faktördür. Elektriksel büyüklüklerinin ölçülmesi yani kendi birimi ile karşılaştırmasını da zorunlu kılan faktörler mevcuttur. Bunlar; harcanan elektrik enerjisini ölçmek, alıcının çalışma standartlarına uygun elektriksel büyüklükler ile çalışıp çalışmadığını kontrol ederek sürekli ve kesintisiz çalışmayı sağlamak, ölçülen elektriksel büyüklüğün değerine göre istenmeyen durumlar için tedbir almak, elektrik ve elektronik elemanlarının sağlamlık kontrolünü yapmak, devre veya devrelerde arıza tespiti yapmak ve enerji olup olmadığını kontrol etmek bu zorunluluğu meydana getiren faktörlerden bazılarıdır. Fiziksel büyüklüklerin ölçülmesinde, her büyüklük için bir ölçü birimi kullanıldığı gibi, elektriksel büyüklüklerin ölçülmesinde de elektriksel birimler kullanılır. Resim 1.3: Bazı ölçü aletleri Elektriksel büyüklüklerin ölçülmesinde kullanılan ölçü aletleri çok çeşitli tip ve modellerdedir. Yapısına göre elektriksel ölçü aletleri, kendi aralarında ikiye ayrılır. Bunlar analog ölçü aletleri ve dijital ölçü aletleridir. Ölçtüğü değeri skala taksimatı üzerinden ibre ile gösteren ölçü aletleri analog grubundadır. 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 imkân sağlar. Aşağıdaki şekilde bazı analog ölçü aletleri görülmektedir. 10
Resim 1.4: Analog ölçü aletleri Ölçtüğü değeri dijital bir gösterge de sayılarla gösteren ölçü aletleri ise dijital ölçü aletleridir. Bu ölçü aletlerinin kullanımı kolay 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. Resim 1.5: Dijital ölçü aletleri 11
Aşağıdaki tabloda ise ölçü aletlerinde kullanılan semboller gösterilmiştir. Tablo 1.2: Ölçü aletlerinde kullanılan semboller 12
1.2.1. Sabit Mıknatıslı Ölçü Aletlerinin Çalışma Esasları Analog ölçü aletlerinde gösterge elemanı olarak kullanılan skala üzerindeki ibrenin hareketi için mıknatıs sistemi kullanılır. Sabit mıknatıslı ölçü aletlerine döner çerçeveli ölçü aleti de denmektedir. Döner çerçeveli ölçü aletleri ölçme işlemini, içinden ölçü akımı geçen ve kuvvetli bir daimi mıknatısın alanı içinde dönen bir bobin sayesinde yapar. Aletin en büyük parçası çelikten yapılmış (U) şeklinde bir daimi mıknatıstır. Bu mıknatısın uçlarına yumuşak demirden ve boyuna kesilmiş silindir parçası şeklinde iki kutup pabucu tespit edilmiştir. Aletin döner kısmını oluşturan bakır veya alüminyum çerçeve üzerine ince bakır telle sarılmış bir bobin, bu kutup pabuçlarının ortasına konmuştur. Düzgün ve kuvvetli bir manyetik alan sağlayabilmek için bu bobinin ortasına yumuşak demirden bir göbek, aletin gövdesine sabit olarak tutturulmuştur. Bobinin serbest bir şekilde dönebilmesi için demir göbekli kutup pabuçları arasına bir miktar hava aralığı bırakılmıştır. Döner bobine akım, birbirine zıt yönde sarılı iki spiral yay yardımı ile verilir. Bu yaylar aynı zamanda göstergeyi dengede tutmaya yarar. Döner çerçeve, spiral yaylar ve gösterge aynı mil üzerine tespit edilmiştir. Aşağıdaki şekilde bu tip bir ölçü aletinin önden görünüşü verilmiştir. Şekil 1.3: Sabit mıknatıslı ölçü aletinin iç yapısı Kısacası döner çerçeveli ölçü aletleri, güçlü bir mıknatıs alanı ile bakır veya alüminyum çerçeve üzerine sarılmış bobinden meydana gelmiştir. Burada mıknatıs, sabit olarak aletin gövdesine tutturulmuştur. Çerçeve bobin çok hassas yataklanmış bir mil üzerinde ve kendi ekseni etrafında dönebilecek şekilde yapılmıştır. Bilindiği gibi mıknatıslarda aynı kutuplar birbirini iter, zıt kutuplar ise birbirini çeker. Bu itme ve çekme kuvveti, mıknatısın alan kuvvetine bağlıdır. Bu durum sabit mıknatıslarda olduğu gibi elektromıknatıslarda da geçerlidir. İtme ve çekme kuvvetinin ortaya çıkması için iki mıknatısa ihtiyaç vardır. Bu ölçü aletinde bu mıknatıslardan biri U mıknatısı, diğeri ise alüminyum çerçeveye sarılmış bobinden oluşan elektromıknatıstır. Bobinin içinden geçen akımın şiddetine ve yönüne göre elektromıknatısın alan etkisi ve kutuplarının yönü değişmektedir. Dönebilir durumdaki bu bobine, akım iki spiral yay yardımı ile verilir. Bobinde meydana gelen elektromanyetik alan kuvveti ile daimi mıknatısta bulunan manyetik 13
alan kuvveti birbirini etkileyerek sabit bir mil üzerinde bulunan bobine dönme kuvveti meydana getirirler. Söz konusu olan dönme kuvvetinin büyüklüğü ise bobinden geçen akımın şiddetine bağlıdır. Bu tip ölçü aletlerinde sıfır noktası genellikle sol taraftadır. Bu tip ölçü aletlerinde eğer ek devreler yoksa sadece DC akım ölçülebilir. Ek devreler yardımı ile ampermetre, voltmetre, ohmmetre gibi ölçmelerde yapılabilir. Günümüzde bu tip analog tabir edilen skalalı, ibreli ölçü aletlerinin yerini birçok büyüklüğü ölçme özelliğine sahip olan ve dijital bir ekran ile değerleri kullanıcıya direkt olarak gösteren dijital multimetreler kullanılmaktadır. Aşağıdaki şekilde bu tip bir multimetre, A.V.O. metre (amper, volt, ohm ölçebilen ölçü aleti) yer almaktadır. Resim 1.6: Dijital multimetrenin ön görüntüsü 1.2.2. Gösterme, Kaydetme ve Entegre Etme Cihazları Ölçü aletleri ölçtükleri değerleri anlayabilmemiz için farklı şekillerde göstergeler kullanırlar. Sabit mıknatıslı ölçü aletlerinde ölçülen değeri göstermek için ibrenin alt kısmına yerleştirilmiş olan ve üzeri çizgiler ve sayılarla bölmelenmiş, işaretlenmiş olan bir skala kullanılmaktadır. Dijital ölçü aleti olarak nitelendirilen ölçü aletlerinde ise bu işlem için sonucu bize sayısal olarak gösteren dijital bir ekran (7segment display veya LCD ekran gibi) kullanılmaktadır. Osilaskoplar veya spektrum analizörler gibi gelişmiş ve ileri seviye cihazlarda ise ölçülen değeri göstermek için CRT (katot ışınlı tüp) veya günümüzde renkli LCD ekranlar kullanılmaktadır. 14
Ayrıca bazı ölçü aletlerinde ölçülen büyüklükler veya sinyaller çeşitli şekillerde işlendikten sonra istenirse daha sonra tekrar incelemek veya başka ölçümlerle karşılaştırmak amacı ile kaydedilebilmektedir. Kaydetme işlemi ölçü aletinin özelliğine göre ölçü aletinin kendi iç hafızasına yapılabileceği gibi, bazı ölçüm aletleri üzerinde kayıt işlemleri için disket yuvaları bulunmakta ve kayıtlar disketlere yapılabilmektedir. Günümüzde ölçü aletleri, anlattığımız birçok özelliği (ölçme, sinyal işleme, gösterme, kaydetme, karşılaştırma) bir arada bulundurmaktadır. Bu tip ölçü aletleri entegre bir yapıya sahiptir. Örneğin gelişmiş bir osilaskop üzerinde hem sinyaller gösterilmekte, hem sinyallerin genlik ve frekansları izlenebilmekte, hem de bu sinyaller kaydedilebilmektedir. Sayısal ölçü aletlerinde sayısal olarak sinyal işleme, sinyallerin bir sayı dizisi ile temsil edilmesi ve içlerindeki özel bilgilerin çeşitli işlemlerle çıkartılmasıdır. Bu tip işlem yapabilen ölçü aletleri ile sayısal sinyaller ve sistemler üzerinde simülasyonlar ve deneyler yapılabilmektedir. Osilaskop veya spektrum analizör bu tip bir ölçü aletidir. Resim 1.7: Skalalı bir ölçü aleti ve spektrum analizör 1.2.3. Ölçü Aleti Hareket Yapısındaki Temel Parçalar Sabit mıknatıslı ölçü aletlerinde daha öncede bahsettiğimiz gibi temel parçalar bir sabit mıknatıs, alüminyum üzerine sarılı, serbest hareket edebilecek şekilde yerleştirilmiş bir bobin, buna bağlı bir mil (ibre) ve skaladan oluşmaktaydı. Eğer bu temel yapıya seri ve paralel direnç devreleri eklenirse bir multimetre ortaya çıkacaktır. Multimetrelerde ise değişik ölçümlerin yapılabilmesi için ölçülecek büyüklüğe göre değiştirilen bir kademe switch ünitesi bulunmaktadır. Bu kademe seçme anahtarı ile ölçülecek büyüklük (direnç, gerilim, akım) seçilmektedir. Aşağıdaki şekillerde sabit mıknatıslı bir ölçü aletinin iç yapısı ve bir multimetrenin kademe switch i yer almaktadır. 15