MEKATRONĐK EĞĐTĐMĐNDE KULLANILMAK ÜZERE BASINÇ-KAYIP SĐSTEMĐNĐN VERĐ-EDĐNĐM KONTROL KARTI VE BĐLGĐSAYAR KULLANARAK KONTROLÜ CONTROLLING PRESSURE-LOSSES SYSTEM BY USING DATA-ACQUISITION CONTROL CARD AND COMPUTER TO USE IN MECHATRONIC EDUCATION Rıza GÜRBÜZ, Çankırı Karatekin Üniversitesi, ÇANKIRI Fevzi DAŞ, Çankırı Karatekin Üniversitesi, ÇANKIRI Đsmail TOPALOĞLU, Çankırı Karatekin Üniversitesi, ÇANKIRI Mehtap YAVUZ, Çankırı Karatekin Üniversitesi, ÇANKIRI ÖZET Mekatronik genel olarak, bilgisayar kontrollü sistemlerin veya elektromekanik sistemlerin, ürün tasarım ve üretiminde görev alan mühendisler, teknikerler ve teknisyenler tarafından kullanılmasıyla uygulanır. Günümüzde sadece mekanik olarak çalışan sistemler yok denecek kadar azdır. Bütün alanlarda bilgisayar kontrollü sistemlerin kullanımı yaygınlaşmıştır. Tasarımda, üretimde, bakım ve onarımda yapay zekâ tekniklerinin uygulamasına geçilmiştir. Mekatronik eğitimi alan kişilerin de bu gerçekler doğrultusunda yetiştirilmesi ve kazanımlar elde etmesi son derece önemlidir. Mesleki ve teknik eğitimdeki önemli konulardan birisi derslerde teorik olarak verilen bilginin laboratuvar deneyleri ile desteklenmesidir. Bu çalışmada mekatronik eğitiminde uygulamalı laboratuvar derslerinde kullanılmak üzere tasarlanan basınçkayıp deney sisteminin veri-edinim kontrol kartı üzerinden veri toplama ve kontrol uygulaması bilgisayar yardımı ile gerçekleştirilmiştir. Bilgisayar ile kontrol edilecek sistem arasındaki veri dönüşümleri analog/dijital ADAM-4011 ve ADAM-4021 kartları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. ABSTRACT In general Mechatronics, computer-controlled systems, electromechanical systems, involved in product design and manufacturing engineers, technicians, and technicians who applied in field to systems. Today, only negligible mechanical systems work. Computer-controlled systems are widespread use of in all areas. Design, manufacture, maintenance and repair of artificial intelligence techniques have been applied. Mechatronics education and training of the people in line with the gains that these facts are extremely important. One of the important issues in vocational and technical education courses in theory and laboratory experiments to support the information provided. In this study, practical training of mechatronics laboratory courses designed to be used in the experimental pressure-loss data-acquisition system; the control card was carried out with the aid of a computer data acquisition and control application. Transformations of data between the computer system to be controlled by the analog / digital ADAM-4011 and ADAM-4021 were carried out using the cards. 1
1. GĐRĐŞ Teknolojide yaşanan gelişmeler ile birlikte birçok teknolojinin bir arada kullanılması zorunluluğu ortaya çıkmıştır. Bu kapsamda ortaya çıkan ve mekatronik sistemler olarak adlandırılan yeni bir çalışma alanı oluşmuştur. Günümüzde sadece mekanik olarak çalışan sistemler yok denecek kadar azdır. Bütün alanlarda bilgisayar kontrollü sistemlerin kullanımı yaygınlaşmıştır. Tasarımda, üretimde, bakım ve onarımda yapay zeka tekniklerinin uygulamasına geçilmiştir [1]. Gelişen bu teknolojiler sayesinde insan gücüne dayalı üretim yerini bilgisayar veya mikrokontrolör kontrollü makinelere bırakmıştır [2]. Mekatronik sistemler endüstride hızla yaygınlaşmaktadır. Mekatronik sistemlerde, mekanik, elektronik ve bilgisayar teknolojisi kullanılmaktadır [3]. Değişik yapı ve işlevlere sahip mekatronik sistemlerin bilgisayar destekli tasarım ve analizi ile hareket ve kontrolü değişik programlarla yapılabilmektedir. Bilgisayar destekli sistemler kullanım ve işlev konusunda kullanıcıya esneklik sağlamaktadır. Mesleki ve teknik eğitimdeki önemli noktalardan birisi derslerde verilen eğitimin laboratuvar deneyleriyle desteklenmesi ve elde edilen sonuçların azami seviyede açık bir biçimde anlaşılır ve yorumlanmaya açık olmasıdır. Bu çalışmada mekatroniğin temel kullanım alanları olan; mekanik, basınç ve kayıp olarak, elektronik, inverter ve sinyal dönüştürücüler olarak, bilgisayar, kontrol ara yüzü olarak sırasıyla kullanılmıştır. Đnverter sistemde motor hızının otomatik veya manuel ayarlanmasında hız kontrol birimi olarak kullanılmıştır. Đnverterin özellikleri çizelge 1 de sunulmuştur. Çizelge 1. Inverter özellikleri Inverter özellikleri Giriş gerilimi (Volt) 220/230 Volt Giriş Frekansı (Hz) 50 Hz Çıkış Frekansı (Hz) 5 Hz/50 Hz Gücü (Watt) 0.75 kw Faz sayısı 1 Veri alış verişinde RS232 veri iletim kartından faydalanılmıştır. Bu kart belirlenen seri porttaki veri akışını gerçek zamanlı olarak bilgisayar belleğine kayıt aktarmaktadır. Sistemin bilgisayar tarafından kontrolü ise Adwantech Visidaq programı kullanılarak hazırlanan arayüz yardımı ile gerçekleştirilmiştir. 2. BASINÇ- KAYIP SETĐ ve TANIMLAMALAR Akış kayıpları faydalı enerjinin kaybı olduğundan, kayıpların en aza indirilmesi çok önemlidir. Buna rağmen borular, bağlantı elemanları ve tesisat üzerindeki akış kayıplarının en aza indirilmesi için oldukça büyük bir masraf yapılması kaçınılmaz olacaktır. Akış kayıpları şu yollarla azaltılabilir: 1. Akış hızının düşürülmesi. Basma kayıpları katmanlı (laminer) akışta hıza eşit olarak değişirken türbülanslı akışta hızın karesiyle orantılı değişir. Akış hızı bir sistemde hız düşürülerek veya verilen bir debi için boru çapı büyültülerek düşürülür. 2. Sıvının viskozitesinin düşürülmesi. Bu genelde pratik bir uygulama değildir. Ancak fuel-oil gibi viskozitesi çok yüksek olan sıvılarda onları ısıtmak akışkanlıklarını arttırır. Diğer bütün durumlarda basınç kayıplarının düşürülmesi ısıtma masraflarından ucuza gelecektir. 2
3. Girdap ve türbülansların en aza indirilmesi. Bu, boru ve elemanlarında keskin köşelerden, ani kesit değişimlerinden pürüzlü iç yüzeylerden kaçınmak suretiyle dikkatli sistem tasarımıyla sağlanabilir. Buna rağmen, standart boru ve bağlantı elemanlarının kullanılması ekonomik olacaksa bunları basınç kayıplarını en aza indirecek şekilde seçmek gerekir. Sıvı akışkanların devrelerde akım şekli laminer (kararlı) ya da türbülanslı (kararsız veya karmaşık) olmak üzere iki şekilde olmaktadır. Laminer akış biçiminde sıvı, boru içinde düzenli tabakalar halinde hareket etmesine karşın, boru eksenine yakın yerlerde bu akışın hızı borunun çeperlerine göre daha yüksektir. Şekil 1. Basınç-Kayıp deney seti genel görünüşü Ancak bu hızın değeri, kritik hız adı verilen değeri aştıktan sonra sıvının akım şekli düzenli olmaktan çıkmakta ve yanlara doğru yön değiştirmeye başlayarak türbülans adı verilen karmaşık veya kararsız akış şekline dönmektedir. Bu durum sıvı akışında basınç kayıplarına neden olmaktadır. Bu kritik değer, bu çalışma için yapılan deneysel çalışmalarda 30 Hz e karşılık gelen 900 d/dk kritik hıza karşılık gelmektedir. Bu kritik hız aşıldıktan sonra sistem kararlı bir şekilde çalışabilmektedir. Bu duruma ait grafik şekil 2 de görülmektedir. 3
Şekil 2. Kritik hıza ait grafik Bir pompa tarafından basılan akışkan, devredeki borularda akış halindeyken aşağıdaki faktörlerden etkilenmektedir. Akışkanın viskozitesi, yoğunluğu ve hızı, Akışkanın viskozite ve yoğunluğunu değiştirecek olan akışkan sıcaklığı, Borunun uzunluğu ve çapı, Borunun iç pürüzlülüğü ve dolayısıyla akışın laminer veya türbülanslı (karmaşık) olup olmadığı, Emme ve basma tanklarının pompa pozisyonuna göre konumlan, Pompa devresindeki ilave yükselme (boru çapındaki büyüme) ve düşüşler (boru çapındaki küçülmeler), Devre borularındaki dirseklerin sayısı, Devredeki valf ve diğer fittinglerin (bağlantı elemanlarının) sayısı, Boruların tanklara giriş ve çıkışındaki şekilleri, Boru malzemesi, Akışkanın türü, Debi miktarı. Akışkan sistemlerde, devreden geçen akışkanın akış biçimini akışkanın hız ve viskozitesi ile boru çapına bağlı olarak tanımlayan değere Reynolds Sayısı adı verilmekte ve Reynolds Sayısı aşağıdaki gibi ifade edilmektedir. Re = Reynolds Sayısı v = Akışkanın hızı, m/s D = Boru çapı, m ѵ = Kinematik viskozite, m 2 /s Re=v.D/ѵ Reynolds Sayısının 2300 den küçük olduğu durumlar için akışın laminer, 2300-4000 arasının kritik bölge, 4000 den büyük olduğu durumlar için de akışın türbülanslı (karmaşık) olduğu bilinmelidir. Akışkan, içinde bulunduğu borunun kesitinin küçülmesiyle hızı arttığı için laminer akıştan türbülanslı akışa, kesitin büyümesiyle ise hızı azalacağı için tekrar laminer akışa geçmektedir. Ancak akış şekillerinin bu değişimleri hemen olmamakta, akışkanın belli bir mesafe yol alması sonrasında gerçekleşmektedir. Reynolds Sayısı ve dolayısıyla devredeki basınç kaybı, 4
en çok akışkanın hızıyla ilgili olduğu için hidrolik sistemlerde basınç, dönüş ve emme devrelerinde aşağıdaki hız değerleri önerilmektedir. Akışkan sistemlerde türbülanslı akış nedeniyle oluşan sürtünme ve sürtünme nedeniyle de meydana gelen ısı, sistemde basınç kayıplarına neden olmaktadır. Bu kayıplar hızın karesiyle doğru orantılı artmaktadır. Sürtünme kayıpları, kayıpların oluştuğu yere (elemana) göre ikiye ayrılmaktadır. Bunlardan borularda meydana gelen kayıplara boru kayıpları veya büyük kayıplar : dirsek, T, redüksiyon gibi bağlantı elemanları ve valilerde meydana gelen kayıplara ise bölgesel kayıplar veya küçük kayıplar adı verilmektedir. 3. BASINÇ-KAYIP SĐSTEMĐNĐN VERĐ EDĐNĐM KARTI ĐLE BĐLGĐSAYAR KONTROL YAPISI Basınç-kayıp sisteminin veri edinim kartı ile bilgisayar kontrol yapısı aşağıdaki elemanlardan oluşmaktadır. Bu elemanlar; Analog/dijital dönüştürücü kartlar RS232 veri aktarım kartı Diferansiyel basınç transmitteri Orifis plate Valfler Vanalar Bilgisayar Inverter Vısıdaq kontrol ve arayüz yazılımı Yukarıda anılan elemanlar şekil 3 de gösterilen akış şeması mantığına göre çalışmaktadır. Şekil 3. Basınç-kayıp deney sisteminin akış şeması Bilgisayardan girilen hız değeri ADAM kartları aracılığıyla inverter e iletilir. Đnverter motorunun hızını bilgisayardan girilen hız değerine göre ayarlamaktadır. Diferansiyel basınç transmitterleri ve orifis plate tarafından ölçülen analog basınç ve kayıp değerleri ADAM kartları ile dijital değerlere dönüştürülerek RS232 kartı üzerinden bilgisayara aktarılmaktadır. Bilgisayar hafızasında depolanan bu bilgiler VĐSĐDAQ yazılımı ile hazırlanan arayüzde gösterilmektedir 5
(Şekil 4). Buna ek olarak elde edilen veriler Excel programı kullanılarak grafik haline dönüştürülebilmektedir. Şekil 4. Visidaq Bilgisayar arayüzü Hazırlanan programda hesaplanan değerler aşağıda sıralanmıştır. Debi Kayıp Hız Reynold sayısı Diferansiyel fark basıncı Orifis plate fark basıncı Frekans 4. DENEYSEL ÇALIŞMA Bağlantı elemanlarındaki basma kayıpları sıklıkla ikincil kayıplar olarak adlandırılırsa da yanlış kullanım olduğunda bağlantı elemanlarından kaynaklanan basma kayıpları boruların kendisinden kaynaklanan kayıpları geçebilir [5]. Đdeal alanı enerji kayıplarının düşürülmesi ve sıvı akış sisteminin fiyatının arttırılmasıdır. Maksat, birçok durumlarda (hatta büyük tesisatlarda bile) mühendislik tecrübelerine dayanan çok ekonomik sistem tasarım hesaplarına teşebbüs edilmez, geçmiş tecrübelerden yararlanarak pratik kurallardan yararlanılır.borularda akış kayıplarını hesaplamak için en kullanışlı formüllerden biri Darcy-Weisbach denklemidir (Darcy eşitliği olarak da bilinir). Burada; HL = basma kaybı (m akışkan akışı) L = borunun uzunluğu (m) u = ortalama anma akış hızı (m/s) g = yer çekim ivmesi (m/s2) 6
f = boyutsuz sürtünme faktörü Şekil 5 ve şekil 6 da basınç kayıp setinde diskli vana ve kosva-vana için bölgesel kayıplar ölçülmüş ve deneye ait debi-kayıp grafikleri verilmiştir. Şekil 5: Diskli-vana-20mm için debi-kayıp grafiği Şekil 6: Kosva-vana için debi-kayıp grafiği 4. SONUÇ Bu çalışmada mekatronik eğitiminde uygulamalı laboratuvar derslerinde kullanılmak üzere tasarlanan basınç-kayıp deney sisteminin veri-edinim kontrol kartı üzerinden veri toplama ve kontrol uygulaması bilgisayar yardımı ile gerçekleştirilmiştir. Bilgisayar ile kontrol edilecek sistem arasındaki veri dönüşümleri analog/dijital ADAM-4011 ve ADAM-4021 kartları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Mekatroniğin temel kullanım alanları olan; mekanik, basınç ve kayıp olarak, elektronik, inverter ve sinyal dönüştürücüler olarak, bilgisayar, kontrol ara yüzü olarak sırasıyla kullanılmıştır. Đnverter sistemde motor hızının otomatik veya manuel ayarlanmasında hız kontrol birimi olarak kullanılmıştır. Sonuç olarak deneyler sonucunda elde edilen verileri daha anlaşılır bir yapıda ifade eden bir yapı oluşturulmuştur. KAYNAKÇA [1] Karayel, D., Mekatroniğe giriş ders notu, Sakarya Üniversitesi, Sakarya, (2005). [2] H. Çimen, S. Taşkın, Đ.Yabanova, Eğitim Amaçlı Esnek ve Modüler Üretim Sistemlerinin Teknik Eğitimde Kullanılması, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (3) 43-53. [3] C. W. de Silva, 2005, Mechatronics: An Integrated Approach, USA, CRC Press. [4] Internet: Veli Zengin Hidrolik Sistemlerde Basınç Kayıpları http://www.velizengin.com/muhendislik/hidrolik-sistemlerde-basinc-kayiplari (2012). [5] Bulgurcu, H., Özmen, G., Yaygın olarak kullanılan bazı sıhhi tesisat elemanlarındaki basınç kayıplarının kuramsal ve deneysel olarak hesaplanması, X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 13-16 Nisan 2011, Đzmir. 7