KAPASİTİF ALGILAYICILARIN TASARIMI VE DENETİM SİSTEMLERİNDEKİ YERİ Mesut ŞENGİRGİN * İbrahim YÜKSEL * Gürsel ŞEFKAT * Tuncay ŞAHİN ** ÖZET Bu çalışmada, endüstriyel alanda yaygın olarak kullanılan kapasitif seviye, basınç ve debi algılayıcılarının tasarımı, imalatı ve bunların denetim sistemlerindeki yeri ele alınmıştır. Kapasitif algılayıcıların tasarımı ve imalatı oldukça basit olup fazla hassas olmayan denetim sistemlerinde, özellikle seviye ve basınç denetim sistemlerinde rahatlıkla kullanılabilmektedir. Endüstriyel alanda hassasiyet kadar önemli olan diğer bir etken de maliyettir. Dolayısıyla imalattaki basitliğin maliyeti de düşüreceği aşikardır. ABSTRACT In this study, the design, fabrication and application field of capacitive level, pressure and flow rate sensors that are widely used in industry are investigated. Design and fabrication of capacitive sensors are quite simple and they can be used easily in the inaccurate control systems such as level and pressure control systems. Cost is another important factor as well as accuracy. So, it is clear that the simplicity in the fabrication decreses the cost.. GİRİŞ Ölçme işlemi kısaca, bilinmeyen bir niceliğin bilinen benzer bir nicelik ile karşılaştırılmasından ibarettir. İnsanoğlu ölçü aleti kullanmadan duyu organları yardımı ile fiziksel nicelikleri yaklaşık olarak belli bir doğrulukta ölçebilir. Parmaklarını (karış), ayaklarını (adım), kollarını (kulaç) kullanarak her zaman belli bir doğrulukta karşılaştırma yolu ile bir uzunluğun kaç karış, adım veya kulaç olduğunu belirleyebilir. Böyle bir işlem için yanında özel bir ölçü aleti taşımaya gerek yoktur. Bu tür ölçmelerde tam sayısal değerler ortaya koymak mümkün olmayıp sadece bağıl değerler ortaya konabilir. Bu çalışmada U.Ü. Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Laboratuvarında imalatı gerçeklenen bir adet seviye algılayıcısı, bir adet basınç algılayıcısı ve bir adet debi algılayıcısının testleri yapılmış ve karekteristikleri çıkarılmıştır. Ayrıca bu algılayıcılar ile birlikte kullanılan kapasitif algılayıcı elektronik devresi gerçeklenmiş ve ölçümlerde kullanılmıştır. * U.Ü. Müh.-Mim. Fakültesi Makina Mühendisliði Bölümü BURSA ** BAY-ÞAH LTD.ÞTÝ. BURSA
. KAPASİTİF ALGILAYICILAR Kapasitif algılayıcılar, mekaniksel etkiler ile kapasitörlerin kapasitelerinin değişimlerini algılama esasına göre çalışırlar. Çeşitli biçimlerde kapasitörler yapılmasına rağmen, genel olarak mekaniksel büyüklüklerin ölçülmesinde (i) plaka ve (ii) silindirik kapasitörler kullanılmaktadır. Şekil a da verilen plaka tipi kapasitörde kapasite bağıntısı, A C = εo ε r () d şeklinde tanımlanır. Burada, ε o =0.089 pf/cm ε r = Bağıl dielektrik sabiti A= Kapasitör kesit alanı d= Plakalar arası mesafe dir. () ifadesinden görüldüğü gibi plaka tipi kapasitede C'nin değişimi A ve d nin değişimine bağlıdır. C A C = d A + d () Şekil b de silindirik kapasite eleman için kapasite bağıntısı, L C = πεo ε r (3) ln(d/ d) şeklinde tanımlanır. Burada, dır. ε o =0.089 pf/cm ε r = Bağıl dielektrik sabiti D= Dış silindir çapı d= İç silindir çapı A d D d L a) Plaka b) Silindirik Şekil. Kapasite elemanları 3. KAPASİTİF SEVİYE ALGILAYICILARI Kapasitif seviye algılayıcıları, belli koşullar altında seviye değişimini elektriksel işarete dönüştüren elemanlardır. Bu algılaıycılarda ilk önce seviye değişimi kapasite değişimine, bu kapasite değişimi daha sonra bir elektronik devre yardımı ile elektriksel işarete dönüştürülür.
Seviye değişiminin kapasite değişimine dönüşmesi, kapasiteyi oluşturan farklı iki dielektrik malzemenin değişimi ile sağlanmaktadır. Sıvını seviyesi yükseldikçe paralel C ve C kapasitans değerlerinde değişim olur. Böylece ölçülmek istenen sıvı yüksekliği değişimi ile kapasite değişimi arasında bir ilişki kurulur. Elektronik kuvvetlendirici yardımı ile birim yerdeğiştirme başına bir elektrik işareti elde edilir. Elde edilen bu işaret kapalı döngü seviye denetim sisteminde geribesleme işareti olarak kullanılır. Kapasitif seviye algılayıcısının hassasiyeti, elektronik devrede kullanılan kazanç elemanı ile ayarlanabilmektedir. 3.. Silindirik Kapasitörler İle Seviye Ölçümü Şekil de silindirik kapasitör ile seviye ölçümü gösterilmektedir. Burada da kapasitör paralel kapasitörlerden meydana gelmiştir. (h-) C = πεo εr C = πε o (4) ln(d/ d) ln(d/ d) π C= lεoh+ εo( εr ) q (5) ln(d/ d) dc = π o r π ε ε ε o = K K = K (6) d ln(d/ d) ln(d/ d) C= K (7) şeklinde doğrusal bir değişim gösterir. İmalatı gerçekleştirilen kapasitör, iki adet birbirinden yalıtılmış ve içi içe geçmiş bakır borudan ibarettir. İki bakır boru arasına akışkan girebilmesi için delikler açılmıştır. Bakır borulardan birisi (+) pozitif, diğeri (-) negatif uçtur. Şekil 3 te belli bir kazanç değeri için (K=.4 mm/volt) kapasitif seviye algılayıcısı karakteristik eğrisi verilmiştir D d 6 5 4 3 h 0 0 4 6 8 0 Şekil. Silindirik kapasitör ile seviye ölçümü Şekil 3. Kapasitif seviye algılayıcısı karakteristiği 4.KAPASİTİF BASINÇ ALGILAYICILARI Kapasitif basınç algılayıcıları, basınç değişimlerinin kapasite değişimlerine dönüştürüldüğü elemanlardır. Kapasitif basınç algılayıcılarının en basit uygulamalarından biri diyafram tipi algılayıcılardır. Bu tip algılayıcılarda bir diyafram ve sabit bir plaka elemanı mevcuttur. Şekil 4 de görüldüğü gibi diyafram sabit plakaya doğru hareket ettikçe mesafe
değişimi bir kapasite değişimine neden olmaktadır. Bu tip algılayıcılar ile -00 kpa (0.0- bar) arasında ölçüm yapılabilmektedir. Bu ise hidrolik sistemler gibi yüksek basınçlı sistemlerde yetersiz kalmaktadır. P Diyafram Elektrot Şekil 4. Diyaframlı kapasitif basınç algılayıcısı C Bu çalışmada, yüksek basınçlarda çalışabilecek bir kapasitif basınç algılayıcısının tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Şekil 6 da görüldüğü gibi kapasite değişimi ve nolu odacıkların arasındaki basınç farkının değişiminden elde edilmektedir. nolu odacık hatta, nolu odacık tanka bağlanmaktadır. nolu odacık tanka açık olduğudan burada sadece atmosfer basıncı mevcuttur. ve nolu odacık arasında oluşan basınç farkından piston sağa doğru hareket etmektedir. nolu odacıkta biri sabit, diğeri pistona bağlı iki adet kapasite plakası mevcuttur. nolu odacıkta bulunan birbirine paralel plakalar arasındaki "" mesafesi değişimi bir kapasite değişimine neden olmaktadır. Böylece basınç değişimleri ile kapasite değişimleri arasında bir ilişki kurulmuş olmaktadır. A K C = εo εr = K = εo ε r A (8) dc K C K = = (9) d (9) nolu ifadeden görüldüğü gibi, yerdeğiştirme, ile kapasite değişimi C arasında parabolik bir bağıntı mevcuttur. Bunun için çalışma aralığına göre bu değişimin doğrusallaştırılması gerekmektedir. Geniş çalışma aralıklarında uygun sonuçlar vermeyeceği aşikardır. Basınç algılayıcısı blok şeması Şekil 5 de verilmiştir. P N/m Plaka Α P f N Yay Κ mm Algýlayýcý - Κ C pf Elektronik devre K C E Şekil 5. Basınç algılayıcısı blok şeması
0.3 0.5 0. 0.5 0. 0.05 Basınç azalması Basınç artması 0 0 5 0 5 0 5 30 35 40 45 Şekil 6. Kapasitif basınç algılayıcısı Şekil 7. Kapasitif basınç algılayıcısı karakteristiği Piston çapı 6 mm, 45 bar basınç altında çalışabilecek bir kapasitif basınç algılayıcısı için oluşan kuvvet, F=P.A=45 0 5 π(6 0-3 ) /4 F=7.3 N dur. Geri dönüş yayı 35N kuvvet karşısında 5 mm yerdeğiştirme yapacak şekilde tasarlanmıştır. Buna göre, F=k.L 35=k 5 0-3 k=7 000 N/m lık bir yay gereklidir. 45 bar için yay sıkışma miktarı L=F/k=7.3/7 000 L=4.7 mm dir. Bu da bar basınç değişimi için 0. mm yerdeğiştirme demektir. Şekil 7 de kapasitif basınç algılayıcısı deneysel sonuçları verilmiştir. Şekil 7 de basınç değişimi ile kapasiye değişimi arasındaki parabolik bağıntı görülmektedir. 5.KAPASİTİF DEBİ ALGILAYICILARI Kapasite plakaları, piston, yay ve ölçüler bakımından basınç algılayıcısı ile tamamen aynıdır. Basınç hatları seri olarak kullanıldığından kapasite plakaları arasında yalıtımın iyi yapılması gerekir. Şekil 8 de görülen debi algılayıcısı, akış lülesindeki hız değişiminden dolayı oluşan basınç farkının algılanması esasına göre çalışmaktadır. Süreklilik denkleminden A = D π = 78.54 mm A = d π = 9.63 mm D: Lüle giriş çapı 4 4 d: Lüle çıkış çapı V A 78. 54 V AV = AV = = 4 V A 9. 63 V
Giriþ Çýkýþ Şekil 8. Kapasitif debi algılayıcısı 0. 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.0 0.0 0 0 5 0 5 0 Şekil 9. Kapasitif debi algılayıcısı karakteristiği Lüledeki artış hızı dört kattır. Akış hızın artmasıyla lüle önü ile arkasında bir basınç farkı oluşmaktadır. Bu basınç farkının oluşturduğu kuvvet pistonu hareket ettirmekte, pistona bağlı levhalarda "" yerdeğiştirmesi meydana gelmektedir. Bu yerdeğiştirme kapasite değişimine neden olmaktadır Şekil 9 da kapasitif debi algılayıcısı karakteristik eğrisi verilmiştir. Benzer şekilde debi algılayıcısı için blok şeması Şekil 0 da verilmiştir. Q m 3 /s Debi Orifis v /A Κo m /s P N/m Plaka Α P f N Yay Κ mm Algýlayýcý - Κ C pf Elektronik devre K C E Şekil 0.Debi algılayıcısı blok şeması 6.KAPASİTE GERİLİM ÇEVİRİCİ Bu çalışmada, çeşitli etkiler sonucu oluşan kapasite değişimini elektriksel işarete dönüştüren kapasite gerilim çevirici tasarlanmıştır. Burada kullanılan kapasite gerilim çevirici, bir kapasitenin sabit bir akımla doldurulması durumunda kapasite algılayıcısısın uçlarındaki gerilimin belli bir değere ne kadar sürede ulaştığının tespiti prensibine dayanır. Bir kapasitenin uçlarındaki gerilim, z V(t) c = i(t)dt + V c (0) (0) C dır. i(t) geçen akım, V c (0) ilk gerilim değeridir. Eğer i(t)=i gibi bir değerde sabit kalırsa ve ilk gerilim değeri sıfırsa, I V(t) C t c = () Kullanılan devrede sabit bir frekansa sahip osilatör ile kondansatör belli peryotlar boyunca doldurulmakta, kapasitenin uçlarındaki gerilim değere çıkana kadar darbe üreten tek kararlı devreye bu osilatörden tetikleme verilmektedir. Kapasite değeri ne kadar büyük olursa
V k Kare Dalga Üreteci Tetikleme Tek Kararlý Devre Kapasitif Algýlayýcý Akým Kaynaðý V Boþaltma - + Gerilim Karþýlaþtýrýc Alçak Geçiren Filtre DC Gerilim Çýkýþý (filtre çýkýþý) Şekil 9. Kapasite-gerilim çevirici blok şeması elde edilen darbe/peryot oranı o kadar büyük olmaktadır. Bu kare dalga işaret, bir alçak geçiren RC filtreden geçirilince darbe/peryot oranı doğru gerilime dönüşmekte yani iaşretin ortalaması çıkış işareti olarak alınmaktadır. Kapasite-gerilim çevirici blok şeması Şekil 9 da verilmiştir. Buradaki kare dalga üretecinin periyodu, kapasitenin en küçük değeri için tek kararlı devre çıkışında elde edilen darbe/peryot oranı 'e eşit olacak şekilde seçilmiştir. Tank tamamen boşken kapasite algılayıcısı en küçük değerindedir ki bu yaklaşık olarak 0 pf civarındadır. Tank dolmaya başladıkça bu kapasite oransal olarak artmakta ve tam dolu halde 00 pf değerine çıkmaktadır. Tanktaki sıvı seviyesine bağlı olarak tek kararlı devrenin çıkışındaki kare dalganın darbe/peryot oranı artmaktadır. Alçak geçiren filtrenin kesim frekansı osilatör frekansının /00 'den küçüktür. Bu ise filtre çıkışındaki ortalama dc gerilimindeki dalgalanmayı azaltmaktadır. Filtre çıkış gerilimi bir toplama devresi ile toplanarak tank boşken elde edilen 0 pf lık değere tekabül eden ofset ortadan kaldırılmaktadır. Yani tank tamamen boşken çıkış gerilimi sıfır değerine oturtulmaktadır. Bu değer daha sonra dışarıdan bir potansiyometre ile kazancı ayarlanabilen kuvvetlendiriciye verilmektedir. Böylece kazanç kalibrasyonu da yapılabilmektedir. Kazanç ve ofset (sıfırlama) ayarı blok şeması Şekil 0 da verilmiştir. Kapasite-Gerilim Dönüþtürücü Çýkýþý + (Filtre çýkýþý) - Ofset (Sýfýrlama) K Ýstenen DC Gerilim (Kazanç ve ofset ayarý yapýlmýþ) Şekil 0. Kazanç ve ofset (sıfırlama) ayarı blok şeması 7.DENETİM SİSTEMLERİNDEKİ YERİ Geribeslemeli denetim sistemlerinin en önemli organlarından birisini ölçme elemanı oluşturur. İster elle, ister otomatik olsun ölçme olmadan denetim yapmak mümkün değildir.
Denetim hassasiyetini ise ölçme elemanının hassasiyeti belirler. Otomatik denetim sistemlerinde kullanılan ölçme elemanları, elle ölçme elemanlarına göre bazı farklılıklar gösterirler. Denetim sistemlerinde yer alan ölçme elemanlarının herşeyden önce denetlenen çıkışı algılayabilmesi ve bunu işleyip güçlendirdikten sonra geribesleme işareti olarak üretebilmesi gerekir. Ölçme ve denetim sistemlerinde kullanılan algılayıcıların kendileri kadar bunlardan elde edilen sinyallerin iletimi, kuvvetlendirilmesi ve işlenmesi de çok önemlidir. Burada algılanıp işlenen ölçme işaretinin gerçek işareti çok yakından temsil etmesi gerekir. Bunun için de elektronik sinyal işleme devrelerini çok iyi tasarlamalı ve ölçme sistemlerine çok iyi kalibre edilmelidir. Günümüzde denetim organı ve sinyal işleme hattının bir çoğu elektronik olup motor eleman ise yerine göre elektromekaniksel, elektropnömatik, elektrohidrolik yapılarda olabilmektedir. Elektronik alanında ortaya çıkan hızlı gelişmeler sonucu mekanik denetim organları artık yerini elektronik denetim organlarına bırakmaktadır. Bugün elektronik denetim organları deyince hem analog, hem de sayısal denetim organları anlaşılmaktadır. Analog denetim organları kuvvetlendirici, transistör ve benzeri elemanlardan meydana gelmiş olup sinyal işleme ve değerlendirilmesi analog olarak gerçekleştirilir. Sayısal denetim organlarında ise en basit bir mikroişlemcili ve mikrodeneticili devreden, bilgisayarlı kontrola kadar değişiklik göstermektedir. Sayısal denetim organlarında sinyal işleme ve değerlendirme işlemleri sayısal olarak yerine getirilmektedir. Elektronik denetim organlarının mekanik denetim organlarına göre üstünlüklerinden bahsedilebileceği gibi sayısal denetim organlarının da analog denetim organlarına göre üstünlüklerinden söz edilebilir. Mikroişlemci ve özellikle mikrodenetici alanında ortaya çıkan gelişmeler sonucu günümüzde bu elemanlar basit denetim döngülerinde kullanılabilir hale gelmiştir. Endüstriyel alanda gelişim ise mikrodeneticili denetim organları yönündedir. Gelecekteki tüm denetim organlarının mikrodeneticiler ile donatılacağı söylenebilir. 8.SONUÇ Oldukça geniş kullanma alanı bulunan bu algılayıcılar, fiyatlarının yüksek olmasından dolayı yeterince kullanılamamaktadır. Biz bu çalışmada, bu tip algılayıcıların daha basit tasarımları ve imalatını gerçekleştirerek fazla hassas olamayan denetim sistemlerinde kullanılabileceğini göstermek istedik. Üniversitemiz laboratuvar şartlarında yapılan seviye ve basınç algılayıcılarında oldukça iyi sonuçlar elde edilmiştir. Debi algılayıcısında bazı problemler ortaya çıkmıştır. Bu problemlerin başında yalıtım problemi gelmektedir. Hareketli kondasatör plakasını gövdeden tam olarak yalıtamamamız, bütün gövdenin bir kapasite elemanı gibi çalışmasına neden
olmuştur. Ayrıca yalıtım elemanı olarak kullanılan malzemelerin yüksek basınca dayanıklı olması gerekir. İleriki çalışmalarda yukarıda belirtilen problemlerin giderilmesi ile çok kullanışlı algılayıcılar yapmak mümkün olacaktır. KAYNAKLAR [] ŞAHİN, T., " Basınç ve Debi Algılayıcısı Tasarımı ve İmalatı", Lisans Tezi, U.Ü.Müh.- Mim. Fakültesi, 994 [] BARNEY, G.C., " Intelligent Instrumentation", Prentice Hall, 988. [3] PARR, E.A., Çev. BEREKETLİOĞLU, E., " Endüstriyel Kontrol El Kitabı", MEB yayınları, 994.,