YAPILARDA OTOMASYON ve ENERJİ YÖNETİMİ OTOMATİK KONTROL
II. Bölüm ALGILAYICILAR ÖLÇME ve DEĞERLENDİRME
Hatırlayalım SİSTEM: Genel anlamda; bir bütün oluşturacak şekilde karşılıklı olarak birbirine bağlı elemanlar toplamıdır. Fiziksel anlamda ise; bir amacı gerçekleştirmek için düzenlenmiş ve bütün bir birim olarak hareket etmek üzere birleştirilen etkileşimli ya da ilişkili fiziksel elemanlar düzenidir. Sistemin sınırı Girişler Dinamik Sistem Çıkışlar
DENETİM [KONTROL] ÇEVRİM TÜRLERİ Kontrol sistemleri denetim etkisi açısından iki ana sınıfa ayrılır: Açık çevrimli kontrol sistemleri Kapalı çevrimli kontrol sistemleri
AÇIK ÇEVRİMLİ DENETİM [KONTROL]
Örnek:
KAPALI ÇEVRİMLİ DENETİM [KONTROL]
DENETİM ÇEVRİMİ Blok (İşlev) Şeması
BİNA OTOMASYONU Bina otomasyonu, yüksek modern yapılarda, lüks villalarda, çalışmakta olan elektrikli sistemlerin otomatikleştirilmesi için yapılan yazılım ve donanım işlerini kapsayan bir kavramdır. Genel yapısı üç aşamalıdır:
BİNA OTOMASYONU 1. Bina otomasyonunda, kumanda edilecek fiziksel ekipmanlar ile temas halinde olan "Saha Ekipmanları" bulunur. Bunlar elektrikli kumanda ve ölçüm elemanları olarak adlandırılır. Kumanda elemanlarına örnek olarak "Vana Motoru", "Damper Motoru" gibi analog sinyaller ile kumanda edilen cihazlar örnek gösterilebilir. "Sıcaklık Algılayıcı", "Nem Algılayıcı", "Basınç Algılayıcı", "Aydınlık Seviye Algılayıcısı" gibi saha ekipmanları da analog giriş sinyallerine örnek olarak verilebilir.
BİNA OTOMASYONU 2. Saha ekipmanlarından alınan ve saha ekipmanlarına gönderilen bilgilerin elektriksel sinyallere çevrilmesine yardımcı olan "Giriş-Çıkış Modülleri"dir. Kontrol cihazlarında yorumlanacak giriş-çıkış bilgileri "Analog" ve "Dijital" olmak üzere iki ana grupta toplanır. Dijital sinyaller 0 ve 1'ler ile ifade edilen kesin değerleri ifade etmek için kullanılır.
BİNA OTOMASYONU Örneğin Bir havalandırma kanalında hava akışı olupolmadığını ölçmek için kullanılan "Fark basınç anahtarı" ilgili kanalda hava akışı var ise 1, yok ise 0 bilgisi üretmektedir. Farklı olarak bir hava kanalında statik hava fark basıncını ölçmeye yarayan "Fark basınç algılayıcısı" o anda hava kanalının ölçüm yapılan iki noktası arasındaki statik basınç farkını örneğin 40 Pa olarak ölçmektedir. Dolayısıyla Analog sinyaller bir aralıkta sürekli değerler verir.
Elektronik Denetimin Akış Şeması Fiziksel değişken Algılayıcı cihaz (sensör) Analog sinyal Kontrol devresi Kontrol eylemi Dönüştürücü ve hareketlendirici Elektronik referans sinyali
BİNA OTOMASYONU "Giriş-çıkış modülleri" saha ekipmanları ile bilgi alışverişi yaparken "0-10 VDC", "2-10 VDC" veya "4-20 ma" gibi standartlaşmış farklı sinyal tiplerini kullanır. Saha ekipmanları ile bağlantıları her bir cihaz için ayrı elektrik hat kabloları ile gerçekleştirilir. Her bir modül tek bir cihaz için kullanılabileceği gibi bir modüle birden fazla cihaz da bağlanabilir.
BİNA OTOMASYONU 3. Aşamada Denetim cihazı yer alır. Denetleyici, giriş çıkış birimleri [modülleri] ile tek bir haberleşme kablosu ve haberleşme protokolü kullanarak haberleşir ve kısa zaman çevrimlerinde aldığı bilgileri yorumlayıp, önceden programlandığı şekilde çıkışlar üretir.
BİNA OTOMASYONU Çalışma mekanizması: Büyük ve birden fazla denetleyici gerektiren sistemlerde bir üst basamak olarak, denetleyiciler arası haberleşme hattı mevcuttur. Bu seviyede denetleyiciler aralarında bilgi alışverişi yapmaktadırlar. Ayrıca bu hatta yerleştirilecek bir Merkezi Bilgisayar da, uygulama mühendisinin hazırlayacağı arayüzler sayesinde kullanıcılara, tüm sistemi gruplar halinde bir arada görme ve kumanda etme fırsatı verir.
BİNA OTOMASYONU Bu tip uygulamaları yapan çok sayıda, çok uluslu firma mevcuttur ve genelde her firma kendine has programlama dili, kullanıcı arayüzü programı ve haberleşme protokolüne sahiptir. Sektördeki yeni eğilimler doğrulusunda firmalar artık "LON-Bus", "BACNet" gibi belirli başlı bir takım standart haberleşme protokollerini desteklemektedir. Ayrıca yeni çıkan kullanıcı arayüzü programları "Web" tabanlı grafikler ile internet üzerinden ulaşımı da desteklemektedir.
Tanımlamalar Algılayıcılar (duyarga da denmektedir) fiziksel ortam ile endüstriyel amaçlı elektrik/elektronik cihazları birbirine bağlayan bir köprü görevi görürler. Bu cihazlar endüstriyel proses sürecinde kontrol, koruma ve görüntüleme gibi çok geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Teknik terminolojide Sensör ve Transducer terimleri birbirlerinin yerine sık sık kullanılan terimlerdir. Transducer genel olarak enerji dönüştürücü olarak tanımlanır. Sensör ise çeşitli enerji biçimlerini elektriksel enerjiye dönüştüren cihazlardır.
Tanımlamalar Ancak 1969 yılında ISA (Instrument Society of America) bu iki terimi eş anlamlı olarak kabul etmiş ve ölçülen fiziksel özellik, miktar ve koşulların kullanılabilir elektriksel miktara dönüştüren bir araç olarak tanımlamıştır. Mühendislikte ölçme, fiziksel bir büyüklüğün niceliğinin, miktarının, sayısal değerlerle belirlenmesini sağlar. Değerlendirme olmadan yapılan ölçümlerin bir anlamı yoktur.
Algılayıcılar Temel amacı: Bir değişimi izleme / gözlemleme Bir değişimi kontrol etme
Algılayıcıların özellikleri Kalibrasyon (ayarlama) Duyarlık Ölçülen büyüklüğün birim değişimine karşılık gelen cihaz ya da duyarga çıkışının değişimidir. Standartlar Okunabilirlik Bir büyüklüğü doğruya en yakın okuma derecesidir. Sayısal ölçme cihazında en küçük sayma adımına eşittir. En küçük sayı Sayısal bir aygıtın virgülden sonra gösterdiği en küçük birimdir. Analog bir cihazın gösterge tablosundaki çizgiler arasındaki en küçük farktır.
Algılayıcıların özellikleri Başlangıç Değişkeni hangi değerden ölçmeye başlayacağını ifade eder. Doğruluk Ölçüm aygıtının bilinen bir büyüklüğü ölçerken gösterdiği sapma miktarıdır. Çalışma aralığı Değişkeni hangi aralıkta ölçebileceğini ifade eder. Çalışma karakteristikleri) Tekrar tekrar ölçmesi sırasında gösterdiği değişim aralığıdır.
Ölçme Statik ölçme: Zamanla çok yavaş değişen veya değişmeyen fiziksel büyüklüklerin ölçülmesidir. Bir ölçme cihazının ölçme süresi, fiziksel büyüklüğün değişme süresinden daha kısa ise ölçme statiktir. Örnek: Sabit yük altında bir kirişin deformasyonunun ölçülmesi v.b. Dinamik ölçme: Ölçme esnasında ölçülen fiziksel büyüklüğün değişimi söz konusu iken yapılan ölçümdür. Dinamik ölçüm sistemleri, 0., 1. ve 2. mertebeden diferansiyel denklemlerle ifade edilebilecek şekilde davranış gösterir. Örnek: Bir borudan akan akışkanın hızı; titreşen bir kirişin deformasyonunun ölçülmesi v.b.
Algılayıcıların Ölçme Düzeneği Duyarlı ölçü elemanı (Detector): Fiziksel değişkeni algılayarak kullanışlı bir sinyal haline dönüştürür. Sinyal çevirici (Transducer): Fiziksel değişken değerlerini, eşdeğer elektrik sinyallerine dönüştüren cihazlardır.
Analog sinyal (sürekli): f(t) Dijital sinyal (sürekli olmayan): Δt
Düzenleyici kısım: Alınan sinyali amplifikasyon, filtreleme gibi değişiklikler ile daha kullanışlı hale getirir. Değerlendirme kısmı: Ölçülen değerin kaydedilmesi, kontrol cihazına verilmesi, göstergeden okunması için gerekli donanımdan oluşur.
Transducer [Sinyal (Güç) Çevirici, Duyarga] Değişken dirençli transducer (açısal ve lineer yer değiştirme, kuvvet, basınç) Potansiyometre: Açısal yada lineer yer değiştirmeyi elektrik sinyaline dönüştürür. Basınç ya da kuvvet, mekanik yöntemlerle yer değiştirme olarak algılanabileceğinden bu tip duyargalar basınç ve kuvvet ölçümleri için kullanılabilir.
Kapasitif transducer (sıvıların seviye tespiti)
Piezoelektrik transducer
Piezoelektrik özellik: "Piezo" kelimesi Yunanca sıkmak anlamına gelmektedir. Piezoelektrik elemanlar bir dış kuvvet altında kaldıkları zaman, karşılıklı yüzeyleri üzerinde bir elektrik yükü oluşur. Şekil de gösterilen sarı daireler silikon atomlarını, kırmızı olanlar ise oksijen atomlarını göstermektedir. Doğal ya da işlenmiş kuvartz kristali en hassas ve kararlı piezoelektrik malzemelerden biridir. Doğal malzemelerin yani sıra ileri teknolojilerle üretilen polikristalin ve piezoseramik gibi malzemeler de yüksek elektrik alanın etkisi altında kaldıklarında piezoelektrik özellik kazanmaları sağlanabilir. Bu kristaller çok yüksek değerde yük çıkışı üretirler ve bu özellikleri nedeni ile de özellikle düşük genlikli sinyallerin ölçülmesinde kullanılırlar.
Fotoelektrik transducer (ışık şiddetinin ölçülmesi) Bir ışık kaynağından gelen ışık ışınlarını elektrik sinyali olarak algılamamızı sağlar. Asal gazla dolu bir cam yada kristal bir odacığın içinde anod ve katod bulunmaktadır. Katoda çarpan ışık ışınları elektronların serbest kalmasını sağlar. Bu elektronlar anoda doğru çekileceğinden devrede bir elektrik akımının oluşmasına neden olurlar.
Fotokondüktif transducer (radyasyon / ışıma ölçmeleri) Yarı iletken malzeme üzerine voltaj uygulanır. Işık ışınları yarı iletkenin direncini değiştirerek akım ölçerden geçen akım şiddetinin değişmesine sebep olurlar. Bu tip transducer tüm dalga boylarındaki radyasyon ölçümlerinde kullanılır.
Fotovoltaik transducer (LED Light Exposure Meter) Bir metal plaka üzerindeki yarı iletken malzeme, ince ve saydam bir metal tabaka ile kaplanmıştır. Işık ışınları bu tabakaya çarptıklarında iki metal arasında bir potansiyel farkı oluşur.
Algılayıcıların Sınıflandırılması Ölçülebilen (giriş) büyüklüğe göre, Çıkış büyüklüğüne göre, Besleme ihtiyacına göre v.b.
Tablo: En sık kullanılan algılayıcılar için ölçülen (giriş) ve çıkış büyüklükleri
Algılayıcı Tipleri Algılayıcı eleman, kontrol edilen fiziksel değişkendeki değişmeleri ölçen ve kontrol cihazının kullanması için orantılı etki veya sinyal gönderen cihazlardır. Bunlar: 1. Sıcaklık algılayıcı elemanlar 2. Nem algılayıcı elemanlar 3. Basınç algılayıcı elemanlar 4. Sıvı akışını algılayıcı elemanlar 5. Diğer algılayıcı elemanlar olarak adlandırılabilirler.
1. Sıcaklık Algılayıcı Elemanlar Bimetal Eleman Rot ve Tüp Eleman Contalı Körük Eleman Rezistans Termistör Termokupl Sıvılı Termometreler
Yüksek Sıcaklık İnfrared termometre Isıl çiftler ( 0 2000 C) (-50 3000 C) (Radyasyon Sıcaklığı WP9) RTDs Düşük Sıcaklık (-250 1000 C) Termistörler
Bimetal Eleman Farklı genleşme katsayılarına sahip iki metalin ince şerit levhalar halinde yapıştırılması ile oluşturulur. Sıcaklık değiştikçe eleman eğilerek konumunda bir değişiklik meydana getirir. Kaba sıcaklık ölçümleri için uygun olup ölçüm aralığı -20/260 0 C'dir. Gecikmeli çalıştığından uzaktan kullanım için uygun değildir.
Termistör 1. NTC termistörü Özel bir çeşit yarı iletken olup sıcaklık değişimi ile elektriksel direnci değişir. Genellikle sıcaklık arttıkça direnci azalan tipleri (NTC, negatif sıcaklık katsayılı) kullanılır. Ayrıca direnci sıcaklıkla artan (PTC, pozitif sıcaklık katsayılı) ve özel amaçlar için kullanılan termistörler de vardır. Termistörler, genellikle termo-elaman ile sıcaklık ölçümlerinde referans sıcaklığının ayarlandığı elektronik sıcaklık ayarlama devrelerinde kullanılırlar. Hassasiyeti yüksek ve sınırlı çalışma aralıklarına sahip uygulamalarda da sıklıkla uygulanırlar. Örnek olarak split klima sistemleri verilebilir.
Termokupl Bir termokupl iki farklı metalin birleştirilmesiyle oluşturulur. Doğru alaşım seçimi ile ölçülebilir ve kestirilebilir bir sıcaklık-gerilim ilişkisi elde edilir. Çıkış gerilimi bimetal üzerinde uzunlamasına (sıcaklık değişimi yönünde) oluşur. Termokuplların ürettiği gerilim seçilen metallerin cihaz bağlantı noktasında var olan termoelektrik enerjilerinin farkıdır. Bu kestirilebilir gerilim gerçek işlem (proses) sıcaklığıyla ilişkilendirilebilir. Sıcaklık ölçümlerinde termokuplların platin / nikel dirençli ölçüm cihazlarına göre hassasiyetleri daha azdır. Termokupllar, düşük maliyetleri, kullanım kolaylıkları ve orta derece güvenlikleri ile oldukça yaygın kullanılırlar.
Termokupl örnekleri
Termometre örnekleri Cep tipi termometre Elektronik termometreler Termometre probları Kapiler termometre
2. Nem Algılayıcı Elemanlar Higroskopik Saç, ahşap, kağıt, hayvan zarı gibi organik malzemeler veya naylon gibi yapay malzemelerin boyutsal ve şekilsel değişerek mekaniksel bir sapmaya neden olması ile nem algılanır. Elektriksel Yarı iletken eleman, higroskopik yapısından dolayı direnç veya kapasitansını değiştirerek nemi algılar.
Nem algılayıcı örnekleri Nem kaydedici Elektronik nem ölçer Çalışma Sahası : 0-95% RH ; 0-50 C Çıkış: 0-10 V, 4-20 ma
Nem algılayıcı örnekleri Çiğ noktası transmitteri Higrostat Termo-higrometre Çiğ noktası monitörü
3. Basınç Algılıyıcı Elemanlar 1. Basınç ve vakum değerleri kg/cm 2 veya mmhg cinsinden ölçüldüğünden, algılayıcı eleman genellikle körük, diyafram veya Bourdon tüpüdür. Ölçüm elemanının bir tarafı atmosfere açık olabilir. Bu durumda eleman, atmosferik seviyenin üstündeki veya altındaki basınçları gösterir. 2. Hava kanalındaki statik basınç genelde su sütunu cinsinden ölçüldüğünden ölçüm elemanı, yağ içine daldırılmış ters bir çan, geniş bir diyafram veya geniş esnek bir metal körüktür. Orifislerle bağlantılı olarak kullanılırsa fark basınçlarını da ölçebilir. Örneğin Pitot tüpleri ile hem statik hem de dinamik basınclar ölçülebilir. 3. Üzerindeki basınca bağlı olarak direnci veya kapasitansı değişen yarı iletkenler hassas kontrol sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Dinamik Basınç Algılayıcıları: Bu basınç algılayıcıları, piezoelektrik etkiyi kullanırlar. 400 khz gibi çok yüksek bir frekans aralığında doğrusal çıkış verebilir ve büyük statik basınç değerlerinin üzerindeki yüksek frekanslı fakat küçük genlikli dalgalanmaları ölçebilirler. Endüstride pompa basıncının, hidrolik ve pnömatik basınç hatlarının izlenmesi ve kontrolü; akış kaynaklı titreşimlerin incelenmesi, kavitasyon, su darbesi, pulsasyon, akustik ölçümler, havacılık testleri, valf dinamiği, patlayıcı ve silah testleri, içten yanmalı motor testleri bu algılayıcılar kullanılarak yapılabilmektedir.
Basınç transmitterleri
5. Diğer Algılayıcı Elemanlar Yangın algılama ve duman yoğunluğu, iç hava kalitesi, rüzgar yönü / şiddeti, iletkenlik, seviye, yer çekim kuvveti, akım, CO 2, CO v.b. değerleri ölçme gibi çeşitli amaçlar için kullanılan algılayıcı elemanlar; ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme sistemlerinin v.b. kontrolü için kullanılırlar.
Akış algılayıcılar Akış transmitteri Deplasmanlı debi ölçer
Digital Anemometreler Hava akım hızı / hava debisi ölçen Hava akımı ölçen Hava akımı ve sıcaklık ölçen
Elektromanyetik akış ölçerler Termal kütlesel debimetreler Rotametre tipi debi ölçerler
Soğutucu gaz kaçak dedektörü Industrial Scientific M40-2 li gaz ölçer
Seviye ölçümleri
Seviye Algılayıcıları Kapasitif seviye sensörü Seviye ölçer Ultrasonik seviye ölçümü Seviye Transmitteri Seviye limitörü
Seviye Algılayıcıları
Ultrasonik seviye ölçümü Ultrasonik seviye kontrol cihazı Desibelmetre
Manyetik seviye ölçer
VIP Protokollü analog adresli yangın alarm santrali ve sabit sıcaklık dedektörleri
Otomatik Sprinkler
Dedektör, Buton ve Siren Yerleşimi Örneği
Yer Değiştirme ve Hareket Algılayıcıları Temel olarak lineer ve açısal yerdeğişimi algılayıcı olarak ikiye ayrılırlar. Yerdeğişim Algılayıcıları ölçme teknikleri açısından aşağidaki gibi sınıflandırılabilir: 1. Kapasitif 2. Endüktif 3. Redüktans 4. Potansiyometrik 5. Strain-Gage 6. Elektro-Optik 7. Açısal ve Doğrusal Enkoderler 8. Ultrasonik 9. Konum Şalterleri
Algılayıcı Seçimi 1. Ölçüm Koşulları (Kavramsal ve Fiziksel): Ölçümün temel amacı nedir? Ölçülen büyüklük nedir? Ölçüm aralığı nedir? Ölçümün doğruluk seviyesi ne olacaktır? Ölçülen büyüklüğün dinamik karakteristiği nedir? Ölçüm sırasında ölçüm aralığının aşılması ne ölçüde olacaktır? Ölçülen büyüklük bir akışkan ise fiziksel ve kimyasal özellikleri nedir? Transdüser nereye ve nasıl monte edilecektir? Transdüserin maruz kalacağı çevresel etkiler nelerdir?
Algılayıcı Seçimi 2. Veri Toplama Sistemi Koşulları: Veri toplama sistemi analog mu yoksa dijital mi? Veri toplama sisteminin sinyal koşullama, çoğullaştırma, analog - dijital çevirme özelliği nedir? Transfer öncesi tampon bellek özellikleri nedir? Veri kaydı ve işleme özellikleri nedir? Veri toplama sisteminin doğruluk, frekans cevabı ve özellikleri nedir?
Algılayıcı Seçimi 3. Bulunabilirlik Koşulları: Tüm istekleri yerine getiren transdüser piyasadan bulunabiliyor mu? Aksi taktirde; Varolan bir transdüsere küçük değişiklikler yapmak yeterlimidir? Yeni bir tasarım yapmak gereklimidir? Bu işi üstlenebilecek üreticiler kimlerdir? Transdüser zamanında teslim edilebilecek midir?
Algılayıcı Seçimi 4. Maliyet Faktörleri: Önerilen transdüserin maliyeti göstereceği fonksiyon ile orantılı mıdır? Seçilen transdüserin sebep olacağı test, periyodik kalibrasyon ve kurulum gibi ek masraflar nelerdir? Veri toplama sisteminde yapılması gereken düzenlemeler nelerdir?