STRAIN GAUGELER VE UYGULAMALARI 1 Ali SARI 1 Araştırma Görevlisi Bahtiyar DURSUN 2 Öğretim Görevlisi Hayrettin GÖKOZAN ÖZET Günümüzde teknolojik alanda her geçen gün yeni teknikler gelişmekte olup bu çerçevede ağırlıklı olarak ölçme sistemlerinde de büyük gelişmeler kaydedilmiştir. Ağırlığın ölçümünde temelde hareket edinilen nokta ağırlığın, uygulandığı cisme yaptığı etki olmuştur. Bu çalışmada bir cisme kuvvet olarak etkiyen ağırlığın, cisimde meydana getirdiği şekil değişikliği incelenmiş ve meydana gelen bu değişikliği ölçen strain gauge ve tipleri hakkında genel bir bilgi verilmiştir. Ayrıca strain gaugeler ile ölçme sistemlerinin temelini oluşturan Wheastone köprü devreleri üzerinde durulmuş ve strain gaugeler ile laboratuar ortamında yapılan deneyler vasıtasıyla ağırlığın cisimler üzerindeki etkisi görsel olarak sunulmuştur. Anahtar Kelimeler: Strain gauge, Ağırlık Ölçümü, Wheastone Köprüsü STRAIN GAUGES AND ITS APPLICATIONS Abstract There has been new techniques developed in the field of technology, in this frame, has been great development achieved in the mass measurement systems, too. The point which is basically focused on measuring the mass is the effect of mass on a given substance. In this study, the role of mass exerted to the substance is searched for the shape deformation of a substance caused by mass and the general information about the strain gauge devices and its types measuring this deformation is given. Added to this, it is pointed to the strain gauge and Wheastone brigde, which forms the basics of the instrumentation the effect of mass on a substances visually is presented through the experiments performed in the laboratory environment by using strain gauges. 1 Gebze Yüksek teknoloji Enstitüsü Mühendislik Fakültesi, Enerji Sistemleri Müh. Böl. Gebze-KOCAELİ 2 Celal Bayar Üniversitesi Turgutlu Meslek Yüksekokulu Elektrik Programı. Turgutlu-MANİSA
Keywords: Strain gauge, Measuring the mass, Wheastone brigde 1.GİRİŞ Bir cisim bir kuvvete maruz bırakıldığı zaman cisimde şekil değişikliği meydana gelir. Meydana gelen bu şekil değişikliğini strain gauge denilen cihazlarla ölçmek mümkündür. Strain gauge (SG) elemanları kuvvet, ağırlık, moment (tork), basınç gibi büyüklüklerin ölçümünde yaygın olarak kullanılmaktadır. Strain gauge teknolojisi küçük ölçüm hataları, çok yüksek kritik frekans, ivmelenme ile ilgili olarak aşırı hassasiyet, düşük dirençlilik, ısının etkilerini kısıtlama olanağı gibi önemli avantajlar sunar ve oldukça da ekonomiktir. Uygulanan kuvvet ile şekil değişikliği arasındaki ilişkiyi elektriksel olarak nicelendirebilmek için strain gauge de oluşan direnç değişimi, Wheastone köprü devresi kullanılarak gerilim formuna dönüştürülür. Strain gauge elemanlarının kullanıldığı bir uygulamada; şehirler arası ulaşımda sıklık ile kullanılan otobüslerin, çeşitli hızlarda ve mesafelerde üzerinde oluşan gerilmeler ölçülmüştür. 2. STRAIN GAUGELER Bir cisim bir kuvvete maruz kaldığı zaman şekil değişikliği meydana gelir. Bu uzunluk ölçümünün bir özel hali, uzama oranının, bir başka değişle kuvvetin etkisi altındaki katı cisimlerin boyutlarında oluşan küçük değişmelerin belirtilmesidir. Gerilim (birim alana düşen kuvvet) ve uzama oranı (boyutlarda oluşan küçük değişim) arasında genelde üç boyutu içeren ilişki, (özellikle ele alınan malzeme izotropik değilse, yani her yönde aynı özelliklere sahip değilse), karmaşıktır. Basit bir gerilim / uzama oranı kavramı, young modülünün belirtilmesi için kullanılır. Bu amaçla üniform bir çubuk boyuna gerdirilir. Young modülü; çubuk kesitinin birim alanına düşen kuvvetin, çubuk boyunda meydana gelen uzama oranına bölünmesiyle; yani gerilim / uzama oranı alarak tanımlanır. Bir işe yaraması için kuvvet ile şekil değişikliği arasındaki ilişki nicelendirilmelidir (Gül,2000,4).
Şekil 1. Çekme ve Sıkıştırma Deformasyonu(a) Çekme Deformasyonu Sıkıştırma Deformasyonu (b) Şekil 1 a da görüldüğü gibi bir çekme kuvveti enine kesiti A ve uzunluğu L olan bir çubuğa uygulanmıştır. Bu kuvvet L uzunluğunda bir şekil değişikliği meydana getirir. Boyuna uzama ile beraber enine de bir büzülme olur. Yani kuvvetin etkisinin çubuğun enine kesiti boyunca eşit olarak dağıldığı varsayılır. Bunun doğal sonucu olarak, söz konusu kuvvetin etkilediği alan ne kadar genişse, o kadar az şekil değişikliği meydana gelir. Bu kuvvetin oluşturduğu etkiye gerilme adı verilir ve aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi birim alan başına düşen kuvvet olarak tanımlanır. Gerilme = F/A (1) Gerilme birimi N/m 2 olup, basınçla aynı birime sahiptir. Şekil değişikliğine strain adı verilmekte ve uzunlukta meydana gelen kesirli değişiklik olarak aşağıdaki denklemde tanımlanmaktadırlar. Strain = L/L (2) L ve L uzunluklarının her ikisi de uzunluk boyutu olduklarından, strain boyutsuz bir niteliktir. Bu sebeple, çoğu kez boyutsuz birim için mikrostrain terimi kullanılır. Örneğin, gerilmeden ileri gelen 4,5.10-5 m lik uzunluk değişmesi sergileyen 10 metrelik bir çubuk 45µ strain birimi sergilemiş olmaktadır. 2.1. Strain Gauge Tipleri Cisimlerde meydana gelen şekil değişikliğini ölçen strain gaugeler değişik prensiplerde üretilirler.
Bunlar; 1- Mekanik Strain gaugeler, 2- Optik Strain gaugeler, 3- Elektriksel Strain gaugeler, 4- Akustik Strain gaugeler dir. Bu grupların içerisinde pratikte en çok kullanılan grup elektriksel gruptur. Elektriksel strain gaugelerde kullanma prensiplerine göre kendi içlerinde üç gruba ayrılmaktadırlar. 1- İndüktif Strain gaugeler, 2- Kapasitif Strain gaugeler, 3- Rezistif Strain gaugeler. Bunlar, şekil değiştirme sonucu, strain gauge elemanının bağlı olduğu devrede indüktans, kapasitans ve rezistans değişimi verecek şekilde tasarlanmışlardır. Yüksek sıcaklıklarda (600 C a kadar ) ve hassasiyetin önemli olduğu yerlerde kapasitif tip strain gaugeler (Şekil 2.a) kullanılır. Ancak yapısının karmaşık olması nedeniyle rezistif tiplere göre daha az kullanım alanına sahiptirler. Bunların dışında nokta civarında değişik doğrultularda birim uzamaları ölçebilmek için aynı türden birden çok strain gauge kullanılarak meydana getirilen strain gaugeler e rozet strain gauge adı verilmiştir. Özellikle delta tipi rozet strain gaugeler (Şekil 2.b) hesap makinesi ve bilgisayarlarda kullanılmaktadır. Strain gauge lerden beklenen doğrusallık, hassasiyet, düşük maliyet, mikron boyutunda ve noktasal ölçüm yapabilme, uygulama kolaylığı, dinamik ve statik ölçümlerde kullanılabilirlik gibi parametreler göz önüne alındığında en uygun strain gauge tipi rezistif tip elektriksel strain gauge lerdir (Taşkın,2001,20). (a) (b) Şekil 2. (a) Kapasitif Tip Strain Gauge (b) Delta Tipi Rozet Strain Gauge Bunlar; Strain gauge ler yapıldığı direnç telinin kesitine göre de ikiye ayrılırlar.
- Dairesel Kesitli (Tel tipi) Strain gaugeler, - Yaprak Tipi Strain gaugeler dir. Şekil 3. Tel Strain Gauge, Yaprak Strain Gauge Son yıllarda üretici firmalar genellikle yaprak tipi strain gaugeler üretmektedirler. İnce yalıtkan bir malzeme üzerine ~ 0,0025 mm. kalınlığında kaplama yapılır. Genellikle kimyasal yöntemlerle ızgara şekli verilir. Yaprak tipi strain gaugelerin tel tipi strain gaugelere olan üstünlükleri aşağıdaki gibi sıralanabilir. a. Tespiti ( uygulaması ) kolaydır. b. Daha büyük akım geçmesine müsaade eder. c. Aynı karakteristiğe sahip tel strain gaugelere oranla (G) Gauge faktörü % 5 10 daha büyüktür. d. Kesit alanının yüzey alanına oranı daha büyük olduğundan iyi bir ısı dağılımı sağlanır. 2.2. Strain Gauge Seçimi Değişik uygulamalarda, değişik amaçlarda kullanılmak üzere çok çeşitli tip ve boyutlarda strain gaugeler üretilir. Ölçümü yapılacak her problemin kendi özel şartlarına uygun strain gaugenin seçilmesi gerekir. Strain gauge seçimi yapılırken şu noktalar dikkate alınmalıdır: Basit ölçümlerde ve asal doğrultuların bilindiği, (hangi doğrultuda ölçme yapılacağı bilinen) ölçümlerde klasik tip basit strain gaugeler kullanılır. Strain gauge in büyüklüğü, ölçümü yapılacak cismin büyüklüğüne ve şekil değiştirme gradyanına bağlı olarak seçilir. Gerilme şekil değiştirme noktadan noktaya büyük ölçüde değişiyorsa, bu durumda mümkün olduğu kadar küçük boyutlarda strain gauge seçilir. Eğer gerilme ve şekil değiştirme oranı karmaşık ise, cismin geometrisine ve kuvvet sistemine bağlı olarak birden fazla strain gauge elemanının oluşturduğu rozet adı verilen elemanlar kullanılır. Strain gauge malzemesi, taban malzemesi ve yapıştırıcı ölçüm yapılan cismin ve çevrenin sıcaklığına uygun olarak seçilmelidir.
Uzun süreli ölçümlerde ve bilhassa dinamik kuvvetlerin uygulandığı problemlerde taban malzemesinin ve yapıştırıcının yıpranma ömrüne uygun seçilmesi gerekir. Taban malzemesi ve yapıştırıcı malzemesi kimyasal reaksiyonlara karşı uygun seçilmelidir. Strain gauge telinin termal genleşme katsayısı ile ölçüm yapılan cismin termal genleşme katsayısı birbirine uygun seçilmelidir. Ancak yarım köprü veya tam köprü ile sıcaklık kompanzasyonu sağlanıyorsa bu nokta pek önemli değildir. Ölçüm şartlarına uygun en ucuz strain gauge seçilmelidir. Strain gauge üreten firmalar strain gauge in tip ve büyüklüğünü tanımlayan kod numaraları kullanırlar. Bu kod numaralarında her harf ve sayı bir özelliği tanımlar. Örneğin; EA 06 250 BF 350 Optıon LE 1 2 3 4 5 6 Kod numarasında, 1. Strain gauge serisi E: Taban malzemesi (E-Poliamid ) A: Metal tel alaşımı (A-Konstantan) 2. Termal kompanzasyonla ilgili katsayı (Self Temperature Compensation S- T-C) (ppm/f) 3. Gauge uzunluğu (1/1000 inch) 4. Gauge şekli (Tek ızgaralı, eksensiz) 5. Direnç (ohm) 6. Özel koşul bilgileri (Sıcaklık sınırı, sarmal alan genişliği) tanımlanır (www.vishay.com,2004). 2.3. Terminal Seçimi Ölçüm esnasında veya daha sonra bağlantı kabloların hareketi ve zorlanması sonucu strain gauge nin uçlarından kopmaması için starin gauge uçları önce terminal adı verilen ve hemen strain gauge in yanına yapıştırılan elemana lehimlenir. Bağlantı kabloları daha sonra terminalin diğer uçlarına lehimlenir. Bu şekilde kablolara gelen zorlamalar strain gauge tellerine zarar vermezler. Şekil 4. Strain Gauge Terminal Bağlantısı
3. STRAIN GAUGE DEKİ DİRENÇ DEĞİŞİMİNİN WHEASTONE KÖPRÜSÜ İLE GERİLİME DÖNÜŞTÜRÜLMESİ Bunlar, Strain gaugelerde ölçme yaparken iki tip elektrik devresinden biri kullanılır. 1-) Wheastone köprüsü 2-) Potansiyometre devresi Küçük direnç değişimlerini ölçmek için genellikle Wheastone köprüsü kullanılır. Bu köprü devresi DC enerji ile beslenebilir. Ancak khz düzeyindeki frekanslarda AC kullanımı da yaygındır. Şekil 5. Wheastone Köprü Devresi En genel haliyle Wheastone köprü devresi ne ait çıkış gerilimi Vo aşağıdaki gibi olur. R3 R2 V 0 = VEX. (Volt) (3) R3 + R4 R1+ R2 4. STRAIN GAUGE DENEYLERİ 4.1. Çekme Çubuğu Deneyi
Çekme deney çubuğu (Şekil 6) üzerine ince folyolar uygun şekilde yerleştirilmiş olan çelik bir çubuktan ibarettir. Şekil 6. Çekme Deney Çubuğu Şekil 7 de çekme deneyi ile ilgili bağlantı şeması görülmektedir. Çekme çubuğunun panele olan elektriki bağlantısı 8 pinli konnektörler ile yapılmaktadır. Bu durumda çubukta herhangi bir değişiklik olursa bundan folyo göstergeler etkilenir. Böylece folyo göstergelerdeki değişikliğe göre köprü çıkışı değişiklik gösterir. Oluşturulan bu düzenek sayesinde çubuğa etki eden büyüklük hakkında bilgi sahibi olunur. Şekil 7. Çekme Deneyi Bağlantı Şeması Aşağıdaki tabloda çekme deneyine ait değerler verilmiştir. Grafik 1 de ise bu veriler ışığında ağırlık ile köprü çıkışı arasındaki ilişki görülmektedir.
Ölçme No Ağırlık (Gr) Çıkış Gerilimi (mv) 1 0 0 2 100 0,4 3 300 0,6 4 800 0,8 5 1000 1,1 6 1500 2 7 1800 2,9 8 2000 3,2 9 2500 4,8 10 3000 5,2 11 3500 6,4 12 3800 7,5 Tablo 1.Çekme Deneyine Ait Değerler Grafik 1. Çekme Deneyine Ait Grafik
4.2. Germe Çubuğu Deneyi Şekil 8 de germe deneyi ile ilgili bağlantı şeması görülmektedir. Germe çubuğunun panele olan elektriki bağlantısı 8 pinli konnektörler ile yapılmaktadır. Şekil 8. Germe Çubuğu Deneyi Bağlantı Şeması Aşağıdaki tabloda germe deneyine ait değerler verilmiştir. Grafik 2 de ise germe deney çubuğunun ağırlığa karşı köprü çıkışına verdiği tepki görülmektedir. Ölçme No Ağırlık (Gr) Çıkış Gerilimi (mv) 1 0 0 2 100 0,5 3 300 0,65 4 800 0,9 5 1000 1,2 6 1500 2,4 7 1800 3,2 8 2000 3,5 9 2500 5,2 10 3000 6,9 11 3500 8,3 12 3800 9,1 Tablo: 2.Germe Deneyine Ait Değerler
Grafik 2. Germe Deneyine Ait Grafik 5. SONUÇ Cisimlere uygulanan kuvvetin cisimlerde oluşturduğu değişiklik, kuvvetin büyüklüğü, şekli, cinsi gibi kriterlere bağlı olduğu gibi; kuvvete maruz kalan cismin yapısı, özellikleri gibi durumlara da bağlıdır. Meydana gelen bu değişiklik strain gaugeler aracılığıyla ölçülebilir. Cismin üzerindeki strain gaugelerin Wheastone köprü devresine irtibatlandırılmasıyla meydana gelen değişiklik elektriksel bir büyüklüğe dönüştürülebilir. Strain gaugeler, ağırlık ve kuvvet ölçümü, moment (tork), basınç, basküller, işlem kontrol sistemleri, tek raylı tartma, bantlı tartıcılar, bagaj ölçümleri ve mekanik bir büyüklüğü elektriki büyüklüğe dönüştürmeyi de içerecek şekilde bir çok kullanım alanına sahiptirler.
Strain gaugeler eğilme ve burulma momentlerini, deplasmanı vs. ölçen algılayıcıların tasarımında da kullanılır.burada dikkat edilecek en önemli nokta ölçüm yapılacak sisteme ait en uygun strain gauge tipini belirlemektir. Ayrıca ölçüm yapılacak yerin temizliği ve strain gauge in bu yere yapıştırılması da diğer önemli noktalardandır. Yapılan deneylerde, çekme ve germe deney çubuklarına çeşitli ağırlıklar uygulanmıştır. Bu ağırlıkların çubuklar üzerinde meydana getirdiği şekil değişiklikleri Wheastone köprüsü yardımı ile ölçülmüştür. Aynı zamanda bu değişiklikler grafiksel olarak ifade edilmiştir. 6.KAYNAKLAR 1. Gül S.,Başer D., Strain Gaugelerin İncelenmesi, Bitirme Tezi, Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, İstanbul 2000 2. Taşkın, S., Otomotiv Sektöründe Yapılan Elektriksel Ölçümler, Testler ve Çözüm Önerileri, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2001. 3. http://www.vishay.com/brands/measurements_group Erişim Tarihi:[29.09.2004] 4. http://www.efunda.com/designstandards/sensors/strain_gages/strain_ga ge_selection_pattern.cfm Erişim Tarihi [29.09.2004]