ALGILAYICILAR (SENSÖRLER) MAK4030 ENDÜSTRİYEL KONTROL SİSTEMLERİ VE ÖLÇME ÖLÇME 2007-2008 BAHAR Sensör kelimesi hissetmek anlamına gelen İngilizce to sense kelimesinden gelmektedir. Türkçe'de sensör yerine algılayıcı, duyarga kelimeleri de kullanılmaktadır. Algılayıcı, bir ölçüm sistemine giriş sinyali gönderen cihaz olarak tanımlanmaktadır. Bu tanıma göre basit bir limit şalteri, bir akım ölçer, bir gerilim bölücü ya da karmaşık bir kütle spektrometresi algılayıcı olmaktadır Transdüser; ölçülen bir büyüklüğü, özelliği ya da durumu kullanılabilir bir elektriksel büyüklüğe çevirir. Transdüser, algılayıcıların bir alt grubu olarak görülebilir. Transmiter; petrokimya gibi proses endüstrilerinde (örneğin basınç transmiteri) transdüser yerine kullanılan bir terimdir. Dedektör terimi özellikle elektro-optik transdüserler (örneğin IR dedektörü) yerine kullanılmaktadır. Prob terimi, bir akışkan içine daldırılabilen (örneğin sıcaklık probu) transdüserler için kullanılmaktadır. Metre eki, ölçülen bazı büyüklüklerin sonuna eklenebilmektedir. (örneğin debimetre, takometre). ALGILAYICILARIN SINIFLANDIRILMASI Algılayıcıları birbirinden farklı birçok sınıfa ayırmak mümkündür. Ölçülen büyüklüğe göre, çıkış büyüklüğüne göre, besleme ihtiyacına göre vb. Aşağıda bu sınıflardan bazılarına değinilecektir. 1. Giriş Büyüklüklerine Göre Mekanik : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), Basınç, Hız, İvme, Pozisyon, Ses dalgaboyu ve yoğunluğu Termal : Sıcaklık, ısı akısı Elektriksel : Voltaj, akım, şarz, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı ve frekans Manyetik : Alan yoğunluğu, akı yoğunlugu, manyetik moment, geçirgenlik Işıma : Yoğunluk, dalgaboyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme Kimyasal : Yoğunlaşma ALGILAYICILARIN SINIFLANDIRILMASI 2. Çıkış Büyüklüklerine Göre Öte yandan analog çıkışlara alternatif olan dijital çıkışlar ise bilgisayarlarla doğrudan iletişim kurabilirler. Bu iletişimler kurulurken belli bazı protokoller kullanılır. Bunlardan seri iletişim protokollerine, aşağıda kısaca değinilmiştir. RS232C RS422A RS485 3. Besleme İhtiyacına Göre Pasif Algılayıcılar Hiçbir şekilde dışardan harici enerji almadan (besleme gerilimine ihtiyaç duymadan) fiziksel ya da kimyasal değerleri bir başka büyüklüğe çevirirler. Bu algılayıcı tipine örnek olarak Termocouple (T/C) ya da anahtar gösterilebilir. T/C aşağıda etraflıca anlatılacaktır. Anahtar ise bilindiği gibi mekanik bir hareketi elektriksel bir kontağa dönüştürmektedir.
Aktif Algılayıcılar Çalışmaları için harici bir enerji beslenmesine ihtiyaç duyarlar. Bu algılayıcılar tipik olarak zayıf sinyalleri ölçmek için kullanılırlar. Aktif algılayıcılarda dikkat edilmesi gereken nokta giriş ve çıkışlardır. Bu tip algılayıcılar dijital ya da analog formatta elektriksel çıkış sinyali üretirler. Analog çıkışlılarda, çıkış büyüklüğü gerilim ya da akımdır. Gerilim çıkışı genellikle 0-5V aralığında oldukça yaygın kullanılmaktadır. Ancak 4-20mA akım çıkışı da artık endüstride standart haline gelmiştir. Bazı durumlarda 0-20mA akım çevrimi kullanılmaktadır Ancak endüstride çoğu zaman hatlarda meydana gelen bozulma kopma gibi durumlarda sistemin bu durumu kolay algılaması ve veri iletişiminin sağlıklı yapılabilmesi için 4-20mA daha yaygın kullanılır. Çok eski algılayıcılar 10-50 ma akım çıkışlarına sahiptirler. Endüstride en yaygın kullanılan 4-20 ma çevrim tipinin kullanımı bazı özel durumlar gerektirmektedir. Bu noktalar; Algılayıcıların yerleştirildiği uzak noktalarda elektrik besleme geriliminin olmaması gereklidir. Algılayıcılar gerilim sinyalinin sınırlı olabileceği durumlarda tehlikeli uygulamalarda kullanılmalıdır! Algılayıcıya giden kablolar iki ile sınırlanmalıdır. Akım çevrim sinyali göreceli olarak gürültü geriliminin ani sıçramalarına karşı korumalıdır. Ancak bunu uzun mesafe veri aktarımının da yapamaz. Algılayıcılar, ölçüm sisteminden elektriksel olarak izole edilmelidir. 3. ALGILAYICI SEÇİMİ Bu kadar çok algılayıcı çeşidi varken yapılacak uygulama için uygun algılayıcının belirlenmesi büyük önem kazanır. Algılayıcı seçimi statik ve dinamik karakteristikler yanında ortam etkileri ve işlevsellik gibi birkaç önemli faktöre de bağlıdır. Algılayıcı seçimi ile ilgili bilgiler aşağıda sunulmuştur. 1. Ölçüm Koşulları 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? Algılayıcı nereye ve nasıl monte edilecektir? Algılayıcının maruz kalacağı çevresel etkiler nelerdir 3. ALGILAYICI SEÇİMİ 2. Veri Toplama Sistemi Koşulları Veri toplama sistemi analog mu yoksa dijital mi? Veri toplama sisteminin sinyal koşullama, çoğullaştırma, analog-dijital çevirme özelliği, Transfer öncesi tampon bellek (buffering) özellikleri Veri kaydı ve işleme özellikleri Veri toplama sisteminin doğruluk, frekans cevabı özellikleri 3. ALGILAYICI SEÇİMİ 3. Bulunabilirlik Koşulları Tüm istekleri yerine getiren algılayıcı piyasadan bulunabiliyor mu? Aksi taktirde; Varolan bir algılayıcı küçük değişiklikler yapmak yeterli olacak mı? Yeni bir tasarım yapmak mı gerekecek? Bu işi üstlenebilecek üreticiler kimlerdir? Algılayıcı zamanında teslim edilebilecek mi?
4. ALGILAYICI VE EYLEYİCİ KARAKTERİSTİKLERİ 3. ALGILAYICI SEÇİMİ 4. Maliyet Faktörleri Önerilen algılayıcı maliyeti göstereceği fonksiyon ile orantılı mı? Seçilen algılayıcı sebep olacağı test, periyodik kalibrasyon, kurulum gibi ekstra masraflar nelerdir? Veri toplama sisteminde yapılması gerekecek olan düzenlemeler nelerdir? Günümüz sistemleri, mekanik, elektrik ve ısıl sistemlerin yönlendirme ve ölçüm için çok değişik algılayıcı ve eyleyici kullanır. Algılayıcılar ölçüm kabiliyetlerini ve her bir uygulama için uygunluğunu etkileyen birçok karaktere sahiptirler. Analog algılayıcılar, girişin sonlu bir bölgesi için sürekli bir çıkış sinyali sağlarlar. Potansiyometreler, LVDT (doğrusal değişkenli yer değiştirme dönüştürmeci), yük hücresi ve termistör, analog algılayıcıların tipik örnekleridir. Sayısal algılayıcılar farklı çıkış değerlerinin sayılabilir sayıları veya sabite sahiptirler. En yaygın örneği artımlı enkoderdir. Analog algılayıcı çıkışı, Şekil 4.1 de gösterildiği gibi ADC (analog to digital) dönüştürücü ile dijital algılayıcı çıkışına benzetilir. Analog ve sayısal algılayıcı çıktısı 4. ALGILAYICI VE EYLEYİCİ KARAKTERİSTİKLERİ 1. Ölçüm Aralığı (Range) Bir algılayıcının ölçüm aralığı, gerçek çıkış değerini veren minimum (genellikle negatif) ve maksimum giriş değerleri arasındaki farktır. Algılayıcıların ölçüm aralığı genellikle üretici tarafından belirlenir. Örnek olarak, yaygın bir sıcaklık algılayıcısı olan K tipi termokouple 800 C (-50 den 750 C) ölçüm aralığına sahiptir. 2 Çözünürlük (Resolution) Bir algılayıcının çözünürlüğü, güvenilir bir şekilde algıladığı en küçük girişin artımdır. Çözünürlük, sıklıkla algılayıcının en küçük okuduğu değer olarak da bilinir. Sayısal algılayıcıların çözünürlüğü kolayca belirlenir. A1024 dar/dev (devir başına darbe) artımsal enkoderi; 1 1024 devir darbe 360 1 derece = 0.3516 devir derece darbe Analog algılayıcıların çözünürlüğü, genellikle düşük seviyeli elektrik gürültüsü ile sınırlandırılır ve çoğunlukla denk bir sayısal algılayıcıdan çok daha iyidir. 4. ALGILAYICI VE EYLEYİCİ KARAKTERİSTİKLERİ 3 Hassasiyet (Sensitivity) Algılayıcının hassasiyeti, giriş değişimi başına çıkış değişimi olarak tanımlanır. Sayısal algılayıcıların hassasiyeti, çözünürlüğü ile yakından ilişkilidir. Analog algılayıcının hassasiyeti girişe karşılık çıkış doğrusunun eğimidir. Bir algılayıcı, bütün giriş aralığında tamamen sabit bir hassasiyete sahip davranış gösterebilir. Diğer algılayıcılarda giriş değiştiğinde ya artan ya da azalan doğrusal olmayan hassasiyet gösterirler (Şekil 4.2).
4. ALGILAYICI VE EYLEYİCİ KARAKTERİSTİKLERİ 3. Hassasiyet (Sensitivity) Algılayıcının hassasiyeti, giriş değişimi başına çıkış değişimi olarak tanımlanır. Sayısal algılayıcıların hassasiyeti, çözünürlüğü ile yakından ilişkilidir. Analog algılayıcının hassasiyeti girişe karşılık çıkış doğrusunun eğimidir. Bir algılayıcı, bütün giriş aralığında tamamen sabit bir hassasiyete sahip davranış gösterebilir. Diğer algılayıcılarda giriş değiştiğinde ya artan ya da azalan doğrusal olmayan hassasiyet gösterirler (Şekil 4.2). 4. ALGILAYICI VE EYLEYİCİ KARAKTERİSTİKLERİ 4. Hata (Error) Hata, ölçülen değer ile gerçek giriş değeri arasındaki farktır. Hatalar, sistematik (bias) hatalar ve rasgele (precision) hatalar olarak sınıflandırılır. Sistematik hatalar, verilen bir algılayıcı ile yapılan tüm ölçümlerde görülür ve istatistikî yöntemlerle saptanamaz ve kaldırılamaz. Sistematik hatalar da kendi içinde alt gruplara ayrılabilir. Kalibrasyon hataları (sıfır veya boş nokta hatası olan ve sıfır girişe karşılık sıfırdan farklı bir çıkış veren tipik sistematik hata en yaygınıdır). Yükleme hataları (sisteme sistem değişimlerini ölçmek için algılayıcı eklemek) İstenenin dışındaki değişkenlerin algılayıcı hassasiyetinden ötürü oluşan hatalar (yani strain gauge üzerine sıcaklık etkisi). 4. ALGILAYICI VE EYLEYİCİ KARAKTERİSTİKLERİ 5. Tekrar Edilebilirlik (Repeatability) Algılayıcılarda tekrar edilebilirlik, aynı girişler için tıpatıp aynı çıktıları verme kabiliyetini tanımlar. Rasgele hatalar, tekrar edilebilirlik kabiliyetini azaltır. Neyse ki, rasgele hatalar birkaç ölçümün ortalamasının alınmasıyla veya düşük geçirgenli filtre gibi diğer işlemlerle açıklanabilir. Elektriksel gürültü ve histerezisin her ikisi de tekrar edilebilirliğim kaybına katkıda bulunur. 6. Doğrusallık ve Doğruluk (Linearity and Accuracy) Bir algılayıcının doğruluğu hatasıyla ters orantılıdır, yani yüksek doğruluklu bir algılayıcı düşük hata üretir. Çoğu imalatçı algılayıcıcının doğrusallığı bakımından doğruluğu belirtirler. Tüm çıkış ölçümleri ve ilişkili girişleri arasında en küçük kareler doğru uydurma ile algılayıcının nominal çıkışı tanımlanır. Doğrusallık (veya tamlık) Şekil 4.3 de gösterildiği gibi tüm skalanın (girişin maksimum değeri) veya Şekil 4.4 de gösterildiği gibi algılayıcı okumasının bir yüzdesi olarak belirlenir. Şekil 4.3 ve Şekil 4.4 ün her ikisi de çoğu gerçek algılayıcıdan çok daha büyük olan %10 doğrusallık için gösterilmiştir. Tam ölçekte doğrusallık belirleme Okumada doğrusallık belirleme
Doğruluk ve kesinlik sık sık karıştırılan iki terimdir. Şekil 4.5, sabit 100rad/s de dönen bir eyleyicinin açısal hızının on ölçümü için dört farklı histogram grafik grubunu gösterir. 7. Doğrusalsızlık (Nonlinearities) Doğrusal sistemler üst üste katlama (süperpozisyon) özelliğine sahiptir. Sistemin A girişine cevabı A çıkışı ve B girişine cevabı B çıkışı ise C girişine (=Giriş A+Giriş B) karşılık C çıkışı (= Çıkış A +Çıkış B) olur. Çoğu gerçek sistem, çalışma bölgesi civarında doğrusal veya doğrusala yakın bir davranış sergiler. Bundan dolayı, en azından sistemin çalışma zarfının bu kısımlarında doğrusal sistem analizi doğrudur. Ne yazık ki, çoğu gerçek sistem bu doğrusal bölgenin dışında işletilmeleri sonucu doğrusalsızlıklara sahiptirler ve sistem davranışı hakkında çoğu yaygın süperpozisyon gibi kabuller uygulanmaz. Statik ve coulomb sürtünmesi, eccentrity, histerezis, doyma ve ölü bölge içeren mekatronik sistemlerde yaygın olarak bulunan birkaç doğrusalsızlıktır. 8. Statik ve Coulomb Sürtünmesi Klasik doğrusal sistem analizinde, sürtünme kuvvetleri hızla orantılı olduğu kabul edilir, yani viskoz sürtünme. Eyleyici hızı sıfırsa, sürtünme yok demektir. Gerçekte, küçük bir statik veya Coulomb sürtünmesi bilyeli veya rulmanlı antisürtünme yataklarında bile her zamanda vardır. Tipik bir hıza karşılık sürtünme kuvveti eğri Şekil 4.6 da verilmiştir. Dikkat edilmelidir ki statik sürtünme kuvveti sıfır hızda üst ve alt sınırlar arasında bir değerde kabul edilmiştir statik sürtünme, Mekatronik sistemlere öncelikli iki etkiye sahiptir: Statik ve Coulomb sürtünmesi 1. Bazı eyleyicilerin moment veya kuvvetleri enerji açısından verimsizlik olan sürtünme kuvvetlerinin etkisine harcanır. 2. Eyleyici hareket ettiğinden sistemin nihaiyi değerinde, hız yaklaşık sıfırdır ve eyleyici kuvvet/momenti sürtünme ve ağırlık yüklerini tam dengeleyen yaklaşık bir değer alacaktır. Statik sürtünme sıfır hızda herhangi bir değerde olduğu kabul edilebildiğinden, eyleyici statik sürtünmenin nihaiyi değerine bağlı olarak her zaman nihaiyi oturma konumundan hafif farklı olacaktır. Bu etki mekatronik sistemlerde tekrar edilebilirliğin bazı kayıplarını telafi eder. 9. Eksantriklik (Eccentricity) Dişliler, makaralar ve zincir sürücüleri için ideal ilişki, dişli temas noktasının, her bir dişli dönüş merkezinden sabit bir fark kaldığı kabulüdür. Gerçekte, dişli taksimat dairesinin doğru merkezi ve dönme merkezi eksantriklik olarak bilinen, küçük bir miktar ile ayrılacaktır. Küçük diş-diş hataları taksimat dairesi yarıçapında yerel değişimlere neden olur. Bu iki etkinin kombinasyonu Şekil 4.7 deki gibi iki dişli arasındaki doğrusal olmayan geometrik ilişkiye sebep olur, buradaki doğrusal olmayan davranış açıklamak için oldukça abartılıdır. Dişli eksantrikliği Eksantriklik etkisi ile dişli çiftinin giriş tarafından tam konum ölçümü yapılır, çıkış dişlisi tarafından algılayıcının gösterdiği ölçüm tam değildir.
10. Boşluk (Backlash) Diğer taraftan iki ideal dişli olsa bile taksimat yarıçaplarının toplamı tam olarak tutmadığından merkezden merkeze monte edilemezler, dişler arasında küçük açıklık veya boşluk oluşur. Giriş dişlisi ters yönde dönerken bu boşluğu kat etmesi için küçük bir dönüş gerekir ve çıkış dişlisi bundan sonra dönmeye başlar. Dişli boşluğu, Şekil 4.8 de gösterildiği gibi histerezis olarak karakterize edilebilen çoğu olaydan biridir. Mil ve yatak arasındaki açıklık ta histerezis etkisine sebep olabilir. Boşluğun sergilediği etkiler eksantrikliğinkine benzer, yani tekrar edilebilirlik, özellikle farklı yönlerden ölçüm noktasına yaklaşırken kayıplar açısından. Dişli boşluk problemi, yaygın ve potansiyel zararları olduğundan, çoğu imalatçı büyük uzunlukları minimize etmeye veya bu etkiyi azaltmaya giderler: Dişliler teorik ideal boşluktan daha yakın monte edilirler. Anti-boşluk dişlilerde bir yay yükü ile her zaman temas sağlanabilir Dış yay yükü kuvveti sağlayan dişlilerden birine bağlanır Anti-boşluklu özel tasarlanmış dişli Dişli boşluğu 11. Doyma (Saturation) Tüm gerçek eyleyiciler, girişe bakmaksızın maksimum çıkış kapasitesine sahiptir. Bu bozulma, Şekil 4.9 da görüldüğü gibi, giriş komutu bazı noktalarda çıkışı önemsiz değişikliklerle artırabildiğinden doğrusal kabul edilir. Bu tip doğrusalsızlıklar maksimum hız ve kuvvet veya moment sınırlamaları sistem başarımını etkilediğinden mekatronik kontrol sistem tasarımında dikkate alınmalıdır. Doğrusal sistem teorileri ile modellenmiş kontrol sistemleri, sistem başarımı üzerine doymanın etkisini belirlemek için dikkatlice test veya analiz edilmelidir. Doyma 12. Ölü Bölge (Deadband) Bazı eyleyicilerin ve algılayıcıların diğer bir doğrusal olmayan karakteristiği ölü bölge olarak bilinir. Tipik olarak ölü bölge, sıfıra yakın giriş bölgesinde çıkışın sıfırda kalmasıdır. Giriş ölü bölgenin dışına çıktığında çıkış Şekil 4.10 da gösterildiği gibi girişle değişir. Analog joistik girişleri, insan girişlerinden gelen gürültü etkilerini azaltmak için ölü bölgenin küçük miktarlarını sıklıkla kullanır. Joistiğin çok küçük hareketleri bir çıkış üretmez, ancak joistik büyük girişlerle normal çalışır. Ölü bölge evde kullanılan termostatlarda ve diğer proses türü kontrollerde Şekil 4.11 de gösterildiği gibi yaygın olarak kullanılır. Ölü Bölge Termostat ölü bölge Oda ısındığında ve termostat üzerindeki sıcaklık ayar değerine (veya arzulanan değere) ulaştığında çıkış OF konumuna geçer. Oda sıcaklığı ayar değeri artı ölü bölge yarısı sıcaklığa kadar artar, sonra soğutma sistem çıkışı tam açık olur. Oda soğuduğunda, çıkış sıcaklık ayar değeri eksi ölü bölge yarısı değerine ulaşıncaya kadar tam açık konuma gelir. Bu noktadan sonra soğutma sistemi tamamen devreden çıkar.
Kimyasal Algılayıcılar (Analizörler): gaz ve sıvıların (tür ve/veya konsantrasyon) analizi Otomotiv Sektörü Örnekleri: Oksijen Algılayıcı λ Sensörü Figaro Bosch Sıcaklık ve Vuruntu Algılayıcı Bosch Hız: - Çevrim -Açısal Basınç
Açısal Hızın Üç Eksen Algılayıcısı Çevrim hareketinin ivmesi Mikromakineleştirilmiş Algılayıcı Eleman Yüzeyi Tekerlek Hız Algılayıcıları Şok; Jerk=d 3 x/dt 3 Tekerlek Hız Algılayıcıları Bosch Bosch Gergi, Uzama, Gerilim Dokunma Algılayıcıları- Strain Gauge