BİLGİSAYAR DESTEKLİ ÖLÇME UYGULAMASI 1. AMAÇ Teknolojideki gelişmeyle birlikte fiziksel büyüklüklerin hızlı, kolay ve doğru ölçümü için birçok mühendislik uygulamasında artık algılayıcılar yani sensörler vazgeçilmez bir tercih haline gelmiştir. Sensör bir ölçüm sistemine giriş sinyali gönderen cihaz olarak tanımlanmaktadır. Fiziksel büyüklüklerin doğru ölçümü, ölçümlere bağlı olarak verilecek kararlarda ve yapılacak değerlendirmelerde hayati önem taşımaktadır. Bu nedenle fiziksel büyüklüklerin doğru ölçümü için ölçmede kullanılacak sensörlerin de doğru seçilmesi gerekmektedir. Yapılacak deneyde bir hidroşekillendirme presindeki kuvvet, basınç ve mesafe (konum) değerlerinin sensörler ile nasıl ölçüldüğü ve sonuçların nasıl değerlendirilmesi gerektiği konusunda bilgi verilecektir. 2. SENSÖRLERİN KARAKTERİSTİKLERİ Mekanik, elektrik ve ısıl sistemlerdeki ölçmeler için çok değişik sensör çeşitleri mevcuttur. Sensörler, ölçüm kabiliyetlerini ve ölçülecek fiziksel büyüklüğe göre uygunluğunu etkileyen birçok karaktere sahiptir. Bu nedenle sensörlerin seçiminde aşağıdaki kavramlara göre özellikleri dikkatle ele alınmalıdır: 2.1. Ölçüm Aralığı bir sensörün gerçek çıkış değeri veren maksimum ve minimum giriş değerleri arasındaki fark olarak tanımlanır. 2.2. Doğrusallık (Lineerlik): Bir sensörün veya ölçme sisteminin lineerliği, girdi ve çıktı sinyallerinin düzenli rejim değerlerinden elde edilen ilişkiyi yansıtan grafiktir. Bunun doğrusal olması durumunda ilgili sistem veya sensör lineerdir; aksi halde lineer değildir. Çoğu sensörün giriş büyüklüğü ve çıkış sinyali arasındaki ilişki özellikle ölçüm aralığında lineerliğe yakın olsa da Şekil 1 de görüldüğü gibi lineerlikten bir miktar sapma bulunur. Bu sapma değeri ile de sensörün doğruluğu belirtilir.
Şekil 1. Sensörlerin lineerliği 2.3. Doğruluk ve Tekrarlanabilirlik: Bir sensörün doğruluğu (accuracy), sensörün ölçtüğü değerin, gerçek değerine olan uzaklığını ifade eder. Sensörün tekrarlanabilirliği (repeatability) ya da kesinliği (certainty) ise tekrarlı ölçümlerde aynı giriş için aynı sonucu verme derecesidir. Tekrarlı ölçümlerde ölçmelerin ortalaması gerçek değere ne kadar yakın ise, sensörün doğruluğu o kadar yüksektir. Ölçümler arasındaki fark da birbirine ne kadar yakın ise, sensörün kesinliği o kadar yüksektir (Şekil 2). Bu fark tekrarlı ölçmelerin standart sapması alınarak belirlenir ve standart sapma ne kadar küçükse sensörün belirsizliği (uncertainty) o kadar azdır. Şekil 2. Doğruluk ve kesinlik
2.4. Hata: Ölçülen değer ile gerçek giriş değeri arasındaki fark hata olarak tanımlanır. Hatalar sistematik (bias) ve rasgele (precision) hatalar olarak sınıflandırılır. Rasgele hatalar bir büyüklüğün tekrarlı ölçümünde, önceden tahmin edilemeyecek şekilde değişir ve ölçüm değerlerinin bir ortalama etrafında sapmasını gösterir. Rasgele hata için düzeltme yapmak mümkün değildir. Sistematik hata ise bir büyüklüğün tekrarlı ölçümünde, ölçüm boyunca sabit kalan veya önceden tahmin edilebilen değişimler gösteren hata bileşenidir. Sistematik hatanın düzeltilmesi mümkündür. 2.5. Sinyal Şekli ve Arabirim Devreleri: Sensörler verdikleri sinyalin şekline göre analog ve dijital sensörler olarak ayrılırlar. Analog sinyal kesintisiz ve süreklidir. Dijital sinyal ise sayısallaştırılmış bir sinyal formatıdır. Sensörlerin çoğunluğu 4 20 ma, 0 10 V, 10 50 ma, 1 5 V ve 0 20 ma aralığında analog sinyal üretirler. Bilgisayar gibi dijital ortamda çalışan cihazlara analog bir bilgi aktarılmak istendiğinde bu bilginin öncelikle dijitale çevrilmesi gerekmektedir. Bu iki sinyal çeşidi arasındaki çevrim ADC (Analog to Digital Converter) analog bir sinyali dijital sinyale çevirmeye yarayan ünite veya DAC (Digital to Analog Converter) dijital sinyali analog sinyale çevirmeye yarayan arabirim devresi ile Şekil 3 deki gibi sinyalin belirli aralıklarda örneklenmesi yoluyla gerçekleştirilir. ADC ve DAC sinyal kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle bu tip cihazların son derece özenli bir şekilde seçilip sinyal zincirine dâhil edilmeleri gerekmektedir. Şekil 3. Analog sinyalin dijital sinyale dönüştürülmesi
2.6. Çözünürlük: Bir sensörün çözünürlüğü güvenilir bir şekilde algıladığı en küçük girişin artımıdır. Çözünürlük genellikle sensörün algıladığı en küçük değer olarak da bilinir. Sayısal sinyalde çözünürlük genellikle 8, 12, 16, 24 bit gibi değerlerde ifade edilir. Örneğin 12 bit çözünürlükteki bir sinyalde okunacak en küçük değer ölçüm aralığının 2 12 = 4096 da biri kadardır. Analog sensörlerin çözünürlüğü genellikle düşük seviyeli elektrik gürültüsü ile sınırlandırılır ve denk bir sayısal sensörden çok daha iyidir. 2.7. Hassasiyet: Sensörün hassasiyeti, giriş değeri değişimi başına çıkış sinyalinin değişimi olarak tanımlanır. Sayısal sensörlerin hassasiyeti, çözünürlüğü ile yakından ilişkilidir. Analog sensörlerin hassasiyeti girişe karşılık çıkış doğrusunun eğimidir. 2.8. Histerezis: Ölçme elemanlarının en önemli karakteristiğinden birisi de girdi değerlerinin artışı veya eksilişi sırasında çıktı değerlerinin değişimini yansıtan karakteristiğin aynı kalmaması, yani histerezli olmasıdır. Şekil 4 de bir kontrol vanasının açma ve kapama karakterstikleri arasındaki histerezis görülmektedir. Şekil 4. Histerezis oluşumu 3. HİDROŞEKİLLENDİRME PRESİNDEKİ KUVVET, BASINÇ VE KONUM ÖLÇÜMELERİ Deneyde kullanılacak hidroşekillendirme presinin sistem şeması Şekil 5 de görülmektedir. Preste stampanın ve baskı plakasının kuvvet değerleri, basınç kabındaki sıvının basıncı ve stampanın konumu ile hızı parametreleri sensörler aracılığıyla ölçülerek, sinyaller Hidrolik Nümerik Kontrol (HNC) kartına aktarılmakta, bu kart yardımıyla analog sinyaller sayısal değerlere dönüştürülmekte ve değerler bilgisayarda okunmaktadır. Preste ayrıca bahsedilen parametrelerin kontrolü, sabit değerlerde ayarlanabildiği gibi, bir eğri şeklinde
zamana göre değişken olarak da ayarlanabilmektedir. Genellikle preste stampa konumu-baskı plakası kuvveti grafiği ve stampa konumu-sıvı basıncı grafiği ayarlanarak sac malzemenin hidromekanik derin çekme prosesi gerçekleştirilmektedir. Şekil 5. Hidroşekillendirm presinin sistem şeması
3.1. Hidroşekillendirme Presinde Kuvvet Ölçümü Hidroşekillendirme presinde stampanın kuvvet değeri bir adet 60 tonluk yük hücresi ile, baskı plakasının kuvveti de 40 ar tonluk 2 adet yük hücresinin seri bağlanması ile ölçülmektedir. Şekil 6 da preste kullanılan yük hücresi görülmektedir. Yük hücresinin çalışma prensibi strain gage yani uzama teline dayanır. Uzama teli yük hücresi içerisinde özelikleri belirli bir çeliğin üzerine yapıştırılır ve kuvvet ile birlikte boyu elastik olarak değişen çelik uzama telinin direncinde bir değişiklik meydana getirir. Bu direnç elektrik sinyali olarak ölçülerek kuvvet belirlenmiş olur. Şekil 6. Hidroşekillendirme presinde kullanılşan yük hücresi Preste kullanılan yük hücresine ait karakteristik özellikler Tablo 1 de verilmiştir. HNC kartının ara yüz yazılımında, yük hücresinin verdiği 4-20 ma aralığındaki analog sinyalin sınırları 4 ma de 0 kg, 20 ma de 60.000 kg şeklinde Şekil 7 deki gibi ayarlanmaktadır. Tablo 1. Yük hücresinin özellikleri Maksimum kapasite (Emaks) 60.000 kg Hassasiyet sınıfı C3 (OIML R 60 standardına göre) 20 kg Minimum ölçüm aralığı (Emaks/6750) 8 kg Doğrusallık % 0.005 Toplam hata % ±0,02 Sıfıra dönüş hatası (% 0.0039.Emaks) 2.3 kg Çıkış 4-20 ma
Şekil 7. Yük hücresinin HNC ara yüz yazılımında tanıtılması 3.2. Hidroşekillendirme Presinde Basınç Ölçümü Hidroşekillendirme presinde baskı plakası ve stampa silindiri ile basınç yükselticinin pompa ve tank hatlarında toplam 6 adet 250 bar kapasitede basınç sensörü kullanılmaktadır. Şekillendirmede kullanılan sıvının basıncı 1000 bar kapasitede basınç sensörü ile ölçülmektedir. Basınç sensörleri piezoelektrik basınç ölçerlerdir. Piezoelektrik basınç ölçerler Şekil 8 de görüldüğü gibi kuvars kristaline uygulanan basınç sonucunda elektrik şarjı üretmektedir. Oluşan elektrik şarjı uygulanan kuvvet ile orantılı olup gerilim E=g.t.p formülünden hesap edilir. Burada Şekil 8. Basınç sensörü ve elemanları
E kristalde oluşan gerilim (V), g kristalin voltaj hassasiyeti (V.m/N), t kristalin kalınlığı (m) ve p de kristale uygulanan basınç (Pa) dır. Preste kullanılan 1000 barlık basınç sensörüne ait özellikleri Tablo 2 deki gibidir. Tablo 2. Basınç sensörünün özellikleri Kapasite (Emaks): 1000 bar Doğruluk (% ±0.1 Emaks): ±1 bar Tekrarlanabilirlik (% ±0.03 Emaks): ±0,3 bar Histerezis (% ± 0.1 Emaks): ±1 bar Çıkış 0-10 Volt Basınç sensörü, HNC kartının ara yüz yazılımında 0 barda 0 volt, 1000 barda 10 volt analog sinyal gönderdiği belirtilerek tanıtılmıştır (Şekil 9). Şekil 9. Basınç sensörünün HNC kartına tanıtılması 3.3. Hidroşekillendirme Presinde Konum Ölçümü Hidroşekillendirme presinde stampa silindirinin konumu ve hızı Şekil10 da görülen pozisyon sensörü ile ölçülmektedir. Manyetik bir parça sensörün klavuz borusu üzerinde hareket ederken konum bilgisi üretilmektedir. Burada özel olarak dizayn edilmiş kılavuz borusu içindeki tele uyarma puls u gönderilir ve kronometre başlar. Bu puls doğrusal bir manyetik alan yaratarak tel boyunca ilerler, pozisyon mıknatısının yarattığı manyetik alanla karşılaşınca kılavuz borusu üzerinde sensör kafasına doğru ses hızı ile ilerleyen bir ultrasonik puls meydana gelir. Bu puls sensör kafası içindeki puls alıcısına ulaşınca kronometre durur. Uyarma pulsu ile dönüş pulsu
Şekil 10. Stampa silindirinin konumunu ve hızını ölçmede kullanılan konum sensörü arasında geçen zaman çok hassas olarak hesaplanır ve uzaklık hiçbir temas olmadan büyük bir doğrulukla bulunur. Pozisyon sensörü mutlak konum bilgisi vermektedir. Preste kullanılan pozisyon sensörünün özellikleri Tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3. Pozisyon sensörünün özellikleri Ölçme Uzunluğu 300 mm Çözünürlük 0.15 mm Lineerlik ± 40 µm Tekrarlanabilirlik ±2.5 µm Histerezis 2 µm Data uzunluğu 26 bit Pozisyon sensörü HNC kontrol kartına Şekil 11 de görüldüğü gibi çözünürlük ve data uzunluğu bilgileri girilerek tanıtılmıştır. Şekil 11. Pozisyon sensörünün HNC kontrol kartına tanıtılması
4. DENEY Hidromekanik derin çekme prosesinde bilgisayarlı ölçüm uygulaması için 1. Sac malzemeyi kalıplar arasına yerleştiriniz. 2. Şekil 12 deki pencereden prosesin gerçekleştirileceği stampa konumuna göre sıvı basıncı ve baskı plakası kuvveti eğrilerini (Tablo 4) giriniz. 3. Baskı plakasını kapatınız. 4. Basınç kabına şekillendirmeyi gerçekleştirecek sıvıyı doldurup, boşaltma vanasını kapatınız. 5. Verileri kaydetmek için Şekil 13 deki görüldüğü gibi ölçme yani measurement penceresini açıp, ölçmeyi başlatınız. 6. Önce basınç yükselticiyi sonrada stampayı hareket ettirme tuşlarına basarak şekillendirmenin tamamlanmasını bekleyiniz. 7. Şekillendirme işlemi bitince baskı plakasını ve stampayı geriye çekip verileri kaydediniz. 8. Microsoft Excel yazılımında uygulanan stampa pozisyonuna göre sıvı basıncı ve baskı plakası kuvveti eğrileri ile deney sonrasında elde edilen eğrileri çizdiriniz. 9. İstenilen ve gerçekleşen eğriler arasındaki maksimum, minimum ve ortalama sapma değerlerini bulunuz. Şekil 12. Stampa konumuna göre sıvı basıncı ve baskı plakası kuvveti eğrilerinin girildiği pencere
Tablo 4. Prese girilecek sıvı basıncı ve baskı plakası kuvveti eğrileri Stampa Basınç (bar) Kuvvet (kgf) deplasmanı (mm) 0.00 25 4489 0.14 30 4987 3.09 50 6174 6.32 240 23798 13.65 270 24734 17.09 290 28787 22.19 310 30429 25.49 330 32147 27.40 400 39275 39.40 400 39831 41.15 400 40623 54.90 400 43331 Şekil 13. Kayıt işleminin yapıldığı pencere