Sensörler (Algılayıcılar)

[SagoP@]

1 GIRIS
Algilayicilar ("duyarga" da denmektedir) fiziksel ortam ile endüstriyel amaçli elektrik/elektronik cihazlari birbirine baglayan bir köprü görevi görürler. Bu cihazlar endüstriyel proses sürecinde kontrol , koruma ve görüntüleme gibi çok genis bir kullanim alanina sahiptirler.


Günümüzde üretilmis yüzlerce tip algilayicidan söz edilebilir. Mikro elektronik teknolojisindeki inanilmaz hizli gelismeler bu konuda her gün yeni bir bulus ya da yeni bir uygulama tipi gelistirilmesine olanak saglamaktadir
Teknik terminolojide Sensor ve Transducer terimleri birbirlerinin yerine sik sik kullanilan terimlerdir. Transducer genel olarak enerji dönüstürücü olarak tanimlanir. Sensor ise çesitli enerji biçimlerini elektriksel enerjiye dönüstüren cihazlardir. Ancak 1969 yilinda ISA (Instrument Society of America) bu iki terimi es anlamli olarak kabul etmis ve "ölçülen fiziksel özellik, miktar ve kosullarin kullanilabilir elektriksel miktara dönüstüren bir araç" olarak tanimlamistir.
Endüstride en sik kullanilan algilayicilar için ölçülen büyüklükler ve çikis büyüklüklerine ait bilgiler Tablo 1'de verilmistir.

2 ALGILAYICILARIN SINIFLANDIRILMASI
Algilayicilari birbirinden farkli birçok sinifa ayirmak mümkün. Ölçülen büyüklüge göre, çikis büyüklügüne göre, besleme ihtiyacina göre vb… Asagida bu siniflardan bazilarina deginilecektir.
2.1 Giris Büyüklüklerine Göre
Algilayicilarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrilabilir. Bunlar;
1. Mekanik : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akis, kuvvet, tork (moment), Basinç, Hiz, Ivme, Pozisyon, Ses dalgaboyu ve yogunlugu
2. Termal : Sicaklik, isi akisi
3. Elektriksel : Voltaj, akim, çarc, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayisi, polarizasyon, elektrik alani ve frekans
4. Manyetik : Alan yogunlugu, aki yogunlugu, manyetik moment, geçirgenlik
5. Isima : Yogunluk, dalgaboyu, polarizasyon, faz, yansitma, gönderme
6. Kimyasal : Yogunlasma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hizi, pH miktari
2.2 Çikis Büyüklüklerine Göre
Öte yandan analog çikislara alternatif olan dijital çikislar ise bilgisayarlarla dogrudan iletisim kurabilirler. Bu iletisimler kurulurken belli bazi protokoller kullanilir. Bunlardan seri iletisim protokollerine, asagida kisaca deginilmistir.

RS232C: Bu protokol baslangiçta telefon veri iletisimi için tasarlanmistir. Daha sonra birçok bilgisayar sistemi bunu sikça kullanmaya baslamis ve sonuçta RS232 standart bir iletisim protokolu haline gelmistir. RS232C'nin çalismasi tek sonlamalidir(single ended). Lojik 1 = -15,-3 arasinda ve lojik 0 = +3,+15 arasindadir. Algilayicilar verileri bitler halinde ve seri iletisim protokoluna uygun olarak bilgisayara gönderir. RS232C bir single ended arayüze oldugundan alici ve gönderici arasindaki uzaklik dis çevreden gelen olumsuz faktörlerin (EMI,RFI enterferanslar) azaltilmasi açisindan kisa tutulmalidir.
RS422A : Bu protokol Differantial ended bir arayüze sahiptir. Alici verici arasindaki uzaklik yeterince en uzak seviyededir. Hatlarda bu mesafe sebebiyle olabilecek zayiflama 200mV seviyesine kadar azalsa da sistem iletisime devam eder. Diferansiyel ara birim sayesinde sinyaldeki zayiflama ihmal edilebilir düzeye çekilir ve oldukça yüksek bir veri hiziyla haberlesme saglanabilir. Algilayici ve bilgisayar arasindaki iletisimde Twisted Pair (Bükülmüs kablo) kullanildigindan dis etkilerden etkilesim azdir.
RS485 : Standart 422A protokolu genisletilerek olusturulmus bir protokoldür. Bu protokol ile birlikte çalisabilen 32 adet alici vericinin tek bir kabloyla veri iletisimi saglanabilir. RS485 protokolü kablodaki iletisim problemlerini ortadan kaldirmaktadir.
Çikis AraBirim Tipi Max Kablo Uzunlugu Max Veri hizi Iletisim Tipi
RS232C Single Ended Voltage 15 mt 20Kbps Point to point
RS422A Differantial Voltage 1,2 Km 10Mbps Point to point
RS485A Differantial Voltage 1,2 Km 10Mbps MultiDrop (32 Node)
Table 2: Seri iletisim protokollerinin karsilastirilmasi
2.3 Besleme Ihtiyacina Göre
Algilayicilar besleme ihtiyacina göre iki sinifa ayrilabilir. Bunlar ;
2.3.1 Pasif Algilayicilar
Hiçbir sekilde disardan harici enerji almadan (besleme gerilimine ihtiyaç duymadan) fiziksel ya da kimyasal degerleri bir baska büyüklüge çevirirler. Bu algilayici tipine örnek olarak Termocouple (T/C) ya da anahtar gösterilebilir. T/C asagida etraflica anlatilacaktir. Anahtar ise bilindigi gibi mekanik bir hareketi elektriksel bir kontaga dönüstürmektedir.
2.3.2 Aktif Algilayicilar
Çalismalari için harici bir enerji beslenmesine ihtiyaç duyarlar. Bu algilayicilar tipik olarak zayif sinyalleri ölçmek için kullanilirlar. Aktif algilayicilarda dikkat edilmesi gereken nokta giris ve çikislardir. Bu tip algilayicilar dijital ya da analog formatta elektriksel çikis sinyali üretirler. Analog çikislilarda, çikis büyüklügü gerilim ya da akimdir. Gerilim çikisi genellikle 0-5V araliginda oldukça yaygin kullanilmaktadir. Ancak 4-20mA akim çikisi da artik endüstride standart haline gelmistir. Bazi durumlarda 0-20mA akim çevrimi kullanilmaktadir Ancak endüstride çogu zaman hatlarda meydana gelen bozulma kopma gibi durumlarda sistemin bu durumu kolay algilamasi ve veri iletisiminin saglikli yapilabilmesi için 4-20mA daha yaygin kullanilir. Çok eski algilayicilar 10-50 mA akim çikislarina sahiptirler. Endüstride en yaygin kullanilan 4-20 mA çevrim tipinin kullanimi bazi özel durumlar gerektirmektedir. Bu noktalar;
" Algilayicilarin yerlestirildigi uzak noktalarda elektrik besleme geriliminin olmamasi gereklidir.
" Algilayicilar gerilim sinyalinin sinirli olabilecegi durumlarda tehlikeli uygulamalarda kullanilmalidirl
" Algilayiciya giden kablolar iki ile sinirlanmalidir.
" Akim çevrimsinyali göreceli olarak gürültü geriliminin ani siçramalarina karsi korumalidir. Ancak bunu uzun mesafe veri aktarimininda yapamaz.
" Algilayicilar, ölçüm sisteminden elektriksel olarak izole edilmelidir.
Dünyada en yaygin kullanim alani bulan sicaklik ve titresim ölçümleri hakkinda kisa bilgiler vererek algilayici konusuna devam edelim.
3 DINAMIK ÖLÇÜMLER IÇIN ALGILAYICILAR
3.1 Ivme Ölçerler

Ivme ölçerler, genel amaçli mutlak hareket ölçümlerinde, sok ve titresim ölçümlerinde kullanilirlar.Bir yapinin ya da bir makinanin ömrü,çalisma sirasinda maruz kaldigi ivmenin siddeti ile orantilidir. Bir yapinin çesitli noktalarindaki titresimin genligi ve fazi, bir modal analiz yapilabilmesine izin verir. Yapilacak olan bu analiz sonucunda dinamik olarak çalisacak parçalarin çalisma modlari belirlenerek tüm sistemin dinamik karakteri ortaya konabilmektedir.
Sismik ivmeölçerler ile yer, bina, köprü üzerinde deprem, insaat, madencilik çalismalari, büyük nakliye vasitalarin yol açtigi titresimler ölçülebilir. Yüksek frekansli ivmeölçerler ile çarpma testleri, çok yüksek devirli motorlarin testleri yapilabilir. Ivmeölçerler ölçme teknigine görede farkli siniflara ayrilirlar. Konuyla ilgili ayrinti ilerki sayfalarda belirtilmistir.

3.1.1 Piezoelektrik Ivme ölçerler
Piezoelektrik ivmeölçerler çok düsük frekansli sismik uygulamalardan, çok yüksek frekansda dogrusal çalisma araligi gerektiren çarpma testlerine kadar birçok ölçme uygulamasinda kullanilan, küçük boyutlu, yüksek sicaklik araliginda çalisabilen, endüstriyel standartlarda kilif içinde yapilandirilmis transdüserlerdir.
Kuvarz ya da seramik kristaller bir kuvvet altinda kaldiginda picocoulomb seviyesinde elektrik yükü üretirler. Bu elektrik yükünün kristal üzerindeki degisimi yer çekimi ivmesinin degisimi ile dogru orantilidir. Ivmeölçerlerdeki sismik kütlenin ivme altinda maruz kaldigi atalet kuvveti piezoelektrik kristale etkir ve ivme ile dogru orantili bir elektrik sinyali çikisi verir. Bir yongaya (Mikro Elektronik devre/chip) sahip Piezoelektrik ivmeölçerlerin içinde sinyali tasinabilir voltaj sinyaline çeviren bir sinyal kosullayici devre vardir (Integrated Electronics Piezoelectric - IEPE). Bu tip Algilayicilar gürültüden minimum etkilenirler. Üzerinde çevirici elektronik devre olmayan (Charge Mode) Algilayicilar harici bir çevirici (Charge Amplifier) ile kullanilirlar. Charge Mode Algilayicilar yüksek sicakliktaki uygulamalarda kullanilmak için idealdirler.
3.1.2 Kapasitif Ivmeölçerler
Kapasitif ivmeölçerler düsük seviyeli ve düsük frekansli titresimleri, statik ivmeleri ölçmede kullanilirlar. Karsilikli yerleitirilmis kapasitör seklinde çalisan iki plaka arasindaki kapasitansin degismesi prensibi ile ölçüm yaparlar. Bu plakalar arasindaki mesafe ve dolayisi ile kapasitans ivme altinda degisir ve ivme ile dogrusal bir sinyal dogururlar. Bu tip Algilayicilar özel bir sinyal kosullama gerektirmezler. 12VDC ya da 24 VDC ile beslenmek sureti ile çalisirlar. Özellikle robotik, otomotiv sürüs kalite testleri, bina dinamigi ölçümü gibi yerlerde kullanilirlar.
3.2 Basinç Algilayicilari

3.2.1 DINAMIK BASINÇ ALGILAYICILARI
Dinamik basinç algilayicilari, piezoelektrik etkiyi kullanirlar. 400kHz gibi çok yüksek bir frekans araliginda dogrusal çikis verebilir ve büyük statik basinç degerlerinin üzerindeki yüksek frekansli fakat küçük genlikli dalgalanmalari ölçebilirler.
Endüstride pompa basicinin, hidrolik ve pnömatik basinç hatlarinin izlenmesi ve kontrolü; akis kaynakli titresimlerin incelenmesi, kavitasyon, su darbesi, pulsasyon, akustik ölçümler, havacilik testleri, valf dinamigi, patlayici ve silah testleri, içten yanmali motor testleri bu algilayicilar kullanilarak yapilabilmektedir.

3.2.2 STATIK BASINÇ ALGILAYICILARI
Hassas rezistif diyaframi kullanan bu Algilayicilar endüstride statik basincin sürekli olarak izlenmesi gereken uygulamalar için gelistirilmistir. Tank seviyelerinin izlenmesinde, endüstriyel proseslerin geri besleme kontrol sistemlerinde ve isitma sogutma klimatizasyon sistemlerinde kullanilmaktadir.
3.3 Dinamik Kuvvet Algilayicilari
Piezoelektrik etkiyi kullanan kuvars kuvvet algilayicilari, sikisma, çekme gerilmeleri, darbe, tepki ve etki kuvvetlerini ölçen saglam, uzun ömürlü, dinamik algilayici elemanlardir. Uygulama alanlari arasinda; tüm soguk ve sicak plastik sekil verme islemleri, pres kuvveti ölçümü, talasli imalatlar, kaynak islemleri ve test islemleri gelmektedir.
Üzerine uygulanan kuvveti birbirine dik üç eksende ayri ayri veren üç bilesenli kuvvet algilayicilari özellikle takim tezgahlarinin kesici uçlarinin uyguladigi kuvvetin ölçülmesinde, kuvvet dinamometresi uygulamalari, biyomekanik uygulamalarinda kullanilmaktadir.
3.3.1 PIEZOELEKTRIK ÖZELLIK
"Piezo" kelimesi Yunanca sikmak anl----- gelmektedir. Piezoelektrik elemanlar bir dis kuvvet altinda kaldiklari zaman, karsilikli yüzeyleri üzerinde bir elektrik yükü olusur.
Sekil 1'de gösterilen büyük daireler silikon atomlarini, küçük olanlar ise oksijen atomlarini belirtmektedir. Dogal ya da islenmis kuvartz kristali en hassas ve kararli piezoelektrik malzemelerden biridir. Dogal malzemelerin yani sira yüksek teknolojilerle üretilen polikristalin ve piezoseramik gibi malzemeler de yüksek elektrik alana maruz birakildiklarinda piezoelektrik özellik kazanmalari saglanabilmektedir. Bu kristaller çok yüksek degerde yük çikisi üretirler. Bu özellikleri sayesinde de özellikle düsük genlikli sinyallerin ölçülemesinde kullanilirlar. Tablo 1'de piezoelektrik malzemelerin karsilastirmasi verilmistir.

Sekil 1

Tablo 1

Sekil 2'de gözüktügü gibi piezoelektrik Algilayicilarda farkli boyut ve sekillerde piezoelektrik malzemeler kullanilabilir.

1. Basma kuvvetini temel alan tasarim yüksek bir rijitlik göstermektedir. Bu özelligi sayesinde yüksek frekansli basinç ve kuvvet ölçümlerinde kullanilmaktadir. Olumsuz bir özelligi sicaklik degisimlerine gösterdigi hassasiyettir.
2. Basit bir tasarim olan egilmeli (flexural) tasarim, düsük frekans araligi ve düsük darbe dayanimi nedeni ile dar bir kullanim sahasina sahiptir.
3. Kayma gerilmesi (shear) tasarimi genis frekans araligi, düsük eksen kaçikligi hassasiyeti, isil degisimlerden az etkilenmesi gib olumlu özellikleri sayesinde ivmeölçerlerde yaygin olarak kullanilmaktadir.

Sekil 2

104 E9 [N/m2] gibi birçok metale yakin bir sertlik derecesine sahip olan piezoelektrik malzemeler, çok küçük bir yerdegisimi altinda bile büyük bir çikis verirler. Bir diger deyisle piezoelektrik malzemeler fiziksel olarak kalici bir degisime ugramazlar. Bu sebeple piezoelektrik algilayicilar çok saglam bir kilifta korunur ve genis bir genlik araliginda mükemmel bir dogrusallik gösterirler. Dogru seçilmis bir sinyal kosullama sistemi ile birlikte kullanildiginda, bu tip algilayicilar 120 dB gibi çok genis bir genlik araligina sahip olmaktadirlar. Uygulama açisindan bu özellik, ayni piezoelektrik ivm ölçer ile 0,0001 g'den 100 g'e kadar genis bir aralikta ölçüm yapilabilir anl----- gelmektedir:
Piezoelektrik malzemlerden bahsederken üzerinde önemle durulmasi gereken diger bir nokta da bunlarin sadece dinamik ya da diger bir degisle degisen durumlari ölçebildigidir. Piezoelektrik algilayicilar, yerçekimi ivmesi, barometrik basinç, agirlik kuvveti gibi statik, yani zamanla degismeyen büyüklükleri ölçemezler. Bu sabit olaylar ilk anda bir çikis dogururlar fakat bu sinyal, piezoelektrik malzemenin ve algilayicinin bagli oldugu elektronik devrenin zaman sabitine bagli olarak, zamanla yok olacaktir. Bu zaman sabiti, cihazin üzerindeki kapasitans ve direncin olusturdugu, birinci dereceden yüksek frekans geçiren filtreden kaynaklanmaktadir. Bu filtre cihazin ölçebilecegi en düsük frekansi belirlemektedir.

[SagoP@]

3.3.2 Algilayicinin yapisi
Kuvvet, basinç ve ivme algilayicilarinin yapilari Sekil 3'te görülmektedir. Bu sekil üzerinde gösterilen gri renkli kisimlar test edilen cismi, mavi renkli kisimlar algilayici muhafazasini, kirmizi kisimlar piezoelektrik malzemeyi, siyah kisimlar sekil degisimi gösteren kristalin üzerinde olusan yükün toplandigi elektrodlari ve sari renkli kisim da elektrik yükü seklindeki sinyalin voltaj sinyaline çevrildigi mikro-devreyi belirtmektedir. Ivmeölçerde ayrica yesil renkle gösterilen sismik kütle vardir. Görüldügü gibi, bu üç tip algilayicinin iç yapilari birbirinden çok farkli degildir. Hareket ölçen ivme ölçerledeki kristallerin üzerine oturan sismik kütle, algilayicinin üzerine takildigi cismin hareketini izlemek zorundadir. Kristallerin üzerine etkiyen kuvvet Newton'un Ikinci Hareket Kanunu uyarinca, ( F=m * a ) kolayca hesaplanir. Kuvvet ve basinç algilayicilari neredeyse ayni özellikleri tasirlar. Aralarindaki temel fark basinç algilayicilarinin basinci toplamak için bir diyafram kullanmasidir.

Sekil 3

3.3.3 Sinyal Kosullama


Algilayici eleman elektriksel bir çikis ürettikten sonra, bu sinyalin osiloskop, analizör, kayit edici, gibi bir cihaz tarafindan okunabilmesi için kosullanmasi gerekmektedir. Bu sinyal kosullama temel olarak asagidaki islevlere sahiptir.
" Sinyalin tasinabilir ve ölçülebilir düsük empedansli voltaj sinyaline çevrilmesi
" Sinyal güçlendirilmesi ve zayiflatilmasi
" Filtreleme
Bu sinyal kosullama iki farkli sekilde yapilabilir. (Sekil 4)
" IEPE algilayicilarda algilayicinin içindeki mikroelektronik devre yardimiyla
" Yük modu algilayicilarda algilayicinin disinda takilan bir çevirici yardimiyla
IEPE olarak tanimlanan algilayicilar ICP® tescil markasiyla PCB Piezotronics firmasi tarafindan1967 yilinda gelistirilmistir. Algilayicinin içindeki minyatür devreler yük ya da voltaj amplifikatörleridir. 18-30 VDC arasinda degisen bir besleme voltaji ve 2mA sabit akim kaynagi ile beslenirler. Bu sistemin temel özellikleri asagida siralanmistir.
" Algilayiciya monte edilmis mikroelektronik devreler, birçok sinyal okuma cihazi ile uyumlu, düsük empedansli voltaj sinyali üretmektedir.
" Kanal basina maliyeti düsüren, kullanimi kolay sabit akim sinyal kosullayicisi gerektirirler.
" Sinyal uzun kablolama ile zorlu ortamlardan, sinyal
kalitesinde bir düsme yasanmadan aktarilabilir.
" Çalisma sicakligi tipik olarak 120 °C, (en fazla 155 °C) ile sinirlandirilmistir.
" Kolay bulunabilen koaksiyel kablolar ile çalisabilir. Ekonomiktir.
" Hassasiyet ve frekans araligi gibi özellikleri besleme gerilminden bagimsiz olarak her algilayici için sabittir.
Yük tipi algilayicilar, mekanik ve algilayici eleman olarak ICP® algilayicilardan farkli degildir. Tek farkliliklari sinyal kosullama devresinin algilayicinin disinda olmasidir. Yük tipi algilayicilar genellikle yüksek sicakligin var oldugu uygulamalarda kullanilirlar. Bu algilayicilarin özellikleri asagida siralanmistir.
" Algilayicinin çikisi mutlaka kosullanmasi gereken yüksek empedansli bir çikistir.
" Harici bir sinyal kosullama gerekmektedir.
" Algilayicinin çikisindaki sinyal, kablolarin hareket etmesinden, elektromanyetik sinyallerden, radyo frekans dalga girisimlerinden kaynaklanan gürültülere açiktir.
" 540 °C gibi yüksek sicakliklarda çalisabilirler.
" Düsük gürültülü özel kablolara ihtiyaç duyulur.
" Algilayicinin hassasiyet, frekans araligi gibi özellikleri degiskendir. Bu özellikler kablo uzunlugu ya da sinyal kosullayicinin ayarlari ile degisebilir.
4 YER DEGISIMI VE HAREKET ALGILAYICILARI
Mekanikteki en temel ölçü uzunluk ölçüsüdür. Konum, hareket, yerdegisimi terimleri birbirine çok yakin durmaktadir. Konum algilayici (Position Sensor) ya da hareket transdüseri (Motion Transducer) terimlerine sik sik rastlanmaktadir. Yer degisimi transdüseri (Displacement Transducer), teknik olarak en dogru ifade sayilabilir. Temel olarak lineer ve açisal yerdegisimi algilayici olarak ikiye ayrilirlar.
Yerdegisim Algilayicilari ölçme teknikleri açisindan asagidaki gibi siniflandirilabilir.
1. Kapasitif
2. Endüktif
3. Relüktans
4. Potansiyometrik
5. Strain-Gage
6. Elektro-Optik
7. Açisal ve Dogrusal Enkoderler
8. Ultrasonik
9. Konum Salterleri
4.1 Takometreler ve Hiz Algilayicilari
Elektromanyetik Dogrusal Hiz Algilayicilari genellikle periyodik olarak degisen hizlari ölçmekte kullanilir. Bu cihaz bir sargi içinde hareket edebilen sabit bir miknatistan olusur. Bu saft hareketettikçe bir elektromanyetik kuvvet (emf) endüklenir. Hareket ne kadar hizli olursa o kadar yüksek bir emf olusur.
4.1.1 Elektromanyetik Takometre Jeneratörler
Takometre olarak üç farkli jeneratör kullanilabilir. DC takometre jeneratörler, AC endüksiyon takometreler ve AC sabit miknatisli takometreler
4.1.2 Disli Rotorlu Elektromanyetik Takometreler
Üzerinde disliye benzeyen, ferromanuetik malzemeden çikintilar olan bir rotora sahiptir. Hall etkisi, eddy-current ya da endüktif tip bit yaklasim algilayicisi ile beraber kullanilirlar. Hissedici sistem olarak en çok elektromanyetik etki kullanilir. Bu sistemde bir bobin kullanilir. Disli rotor bobinin önünden geçtikçe manyetik akinin siddeti degismektedir. Bu aki degisikligi bobinde bir elektromotor kuvvet endüklemektedir. Bu emk bir puls seklinde olusmaktadir. Bu pulslarin sayilmasi sonucunda açisal hiz bilinebilmektedir.
4.1.3 Elektro-optik Takometre
Elektro optik bir algilayiciden bir isik hüzmesi gönderilir. Dönen cismin üzerindeki bir noktadan periyodik olarak geri dönen isik toplanir. Bu isigin periyodu dönen cismin periyodu ile aynidir.
4.2 Ivmeölçerler
Ivmeölçerler, ivme, titresim ve mekanik sok degerlerini ölçmede kullanilirlar. Tüm ivmeölçerlerde bir sismik kütle, yay ve damper sistemi vardir. Sismik kütlenin üzerine etkiyen atalet kuvvetinin yarattigi ivme ölçülür.
Kapasitif Ivmeölçer de kapasitif iletim prensibi kullanilir. Sismik kütle olarak bir diyafram kullanilir. Bir ivme etkidigi zaman sabit elektrod ile sismik elektrod arasindaki mesafe degisir. Mesafenin degismesiyle kapasitans degisir ve ivme ile oratili bir çikis elde edilir
Piezoelektrik Ivmeölçer Piezoelektrik etkinin kullanildigi bu tip algilayicilarda, sismik kütle bir piezo kristal malzeme üzerine bir kuvvet uygular ve bunun neticesinde bir elektrik yük olusturulur. Piezoelektrik ivmeölçerler hakkinda daha detayli bilgiyi "Dinamik Ölçümler" bölümünde bulabilirsiniz.
4.3 Kuvvet Algilayicilari
Kuvvet Algilayicilari genellikle uygulanan kuvveti elastik bir elemanin deformasyonuna çevirirler. En yaygin olarak kullanilan kuvvet Algilayicilari Strain Gage Kuvvet Algilayicilaridir. Yük hücresi ( load cell ) olarak da adlandirilirlar. Bu transdüserler hem basma hem d çekme yönünde çalisabilirler. Ölçme aralilari 10 N ile 5MN arasinda degisebilir. Gelismis tasarimlarda mekanik olarak asiri yük sinirlamalari bulunmaktadir.
Piezoelektrik Kuvvet Algilayicilari özellikle dinamik olaraka degisen kuvvetlerin ölçülmesinde kullanilmaktadir. Bu transdüserler hakkinda ayrintili bilgi Dinamik Ölçümler bölümünde bulunabilir.
4.4 Tork Algilayicilari
Tork ölçen elemanlar genellikle güç üreten saft ile gücü tüketen saft arasina seri olarak baglanirlar. Tork bu silindirik yapidaki transdüserün üzerine etkidiginde bir buruluma etkisi yaratacaktir ve tork ile dogru orantili bir açi olusacaktir. Ikinci tip tork Algilayicilari ise tepki torkunu ölçer. Bu sistemde tork üreten rotorun dönmesi engellenir ve olusan tork bir kuvvet transdüserinin yardimiyla ölçülür.

4.4.1 Fotoelektrik Tork Transdüseri
Burulma sonucu olusan açisal degisim miktari, optik kaynaklar ve optik Algilayicilari vasitasi ile okunur. Yapi olarak optik enkoderlere benzerler.

4.4.2 Strain Gage Tork Transdüseri
Uygulanan torkun yarattigi birim sekil degisiminin strain gageler ile okunmasi ve tork bilgisinin elde edilmesi prensibine dayanir. En sik kullanilan tork Algilayicilaridir.
4.5 Akis Algilayicilari

4.5.1 Diferansiyel Basinç Akis Ölçümü
Debi yaygin olarak bir akiskanin bir boru içerisindeki kisitlanmis bölmeden geçirilmeye zorlanmasi ile ölçülür. Bu zorlanma ile hiz degisir ve debi ile orantili basinç olusur.Borunun yari kesiti büyüdükçe akiskanin hizi azalir ve basinç artar. Yari kesit küçüldükçe hizi artar basinç azalir. Iki basinç farki diferansiyel basinç algilayiciü ile ölçülür.
4.5.2 Mekanik Akis Ölçümü
Mekanik elemanlar sivi akisina yer degistirerek yada belli bir hiz oraninda dönerek cevap verecek sekilde dizayn edilmislerdir. Viskozitesi 500 Cp'a kadar olan temiz akiskanlarin, asitlerin, bazlarin, solventlerin ölçümünde kullanilir.
4.5.3 Isil Akis Ölçümü
Hareket eden sivi içerisinde 2 nokta arasinda tasinan isi miktari akan kütle ile dogru orantilidir.
4.5.4 Magnetik Akis Ölçümü
Elektromotor güce sahip olan manyetik alan içerisinden geçen iletken sivi, hiziyla artan bir elektromotor kuvvet indükler. Magnetik akis ölçerler, ölçüm sirasinda debi düsümü yaratmazlar, akiskanin viskozite, basinç, sicaklik degisimden etkilenmezler. Yatay ve dikey sekilde montaja uygundurlar ve ölçüm sirasinda akisi engellemediginden kimya, ilaç, gida, kagit hamuru, su ve benzeri uygulamalar için uygundurlar.
4.5.5 Salinimli Akis Ölçer
Salinimli akis ölçümünde akisin içine yerlestirilen bir engel üzerinde olusan vorteks kaynakli titresimler algilanir ve Titresimin frekansi akiskanin hizi ile dogru orantilidir.
4.5.6 Ultrasonik Akis Ölçümü
Ultrasonik akis transdüserler Dopler efektinden faydalanir. Akiskanin içine gönderilen frekansi bilinen bir ultrasonik ses, akiskanin içindeki partiküller, hava kaparciklarindan yansiyarak geri döner. Dönen sinyalin frekansindaki degisiklik akiskanin hizi ile orantilidir. Bir diger yöntemde, bir ultrasonik dalga sivi içerisinden gönderilir. Alici algilayici bu dalgayi alir almaz ikinci bir dalga gönderir. Iki dalganin arasindaki varis süresi farkindan akiskanin hizi çikarilabilir
4.6 Nem Algilayicilari
Nem algilama için 4 tip metod kullanilir. Higrometreler direkt olarak %RH ile kalibre edilen bir çikis verir. Psikometreler iki sicaklik degeri ölçüp bir grafik araciligi ile bu degerlerini nem veya %RH ile iliskilendirmek zorundadirlar. Yogunlasma noktasi algilayiciü eger gösterilmesi istenen özellik yogunlasma noktasi degil ise nem oraninin bir tablo araciligiya sicaklik ölçümünden çikarilmasini saglar. Son olarak uzaktan algilama sistemleri nemi kütle ya da hacim olarak ölçebilir.
4.7 Seviye Algilayicilari
Sivi seviveyi çogunluk uzunluk boyutuyla, sivi yüzeyinin her hangi bir referans noktasina göre yüksekligi olarak verilir. Sivi seviye ölçümleri ile ilgili hesaplar rahatlikla bir mikroçip tarafindan yapilabilir. Böylece eger tankin geometrisi ve ölçüleri biliniyorsa sivinin hacmi, eger agirligi da biliniyorsa özkütlesi bulunabilir.
Iletkenlik ile Seviye Ölçümü:
Elektrigi ileten bir sivinin seviye ölçümü kontakt halindeki iki elektrodun arasindaki resistans degisimi izlenilerek ölçülebilir. Bu yol ile sürekli seviye ölçümleride de ayrik seviye ölçüleri gibi ölçülebilir. Hatta eger tankin duvarlari metal ise Iki elektrot olarak kullanilabilir.
Kapasitif Seviye Ölçümü :
Bir sivinin dielektrik sabiti hava, gaz veya diger sivilardan farklidir. Eger bir veya daha çok çift elektrot bir siviya batilirsa, dielektrik sivi seviyesindeki artma veya azalmalara bagli olarak çesitlilik gösterir ve bu elektrot çiftleri arasinda kapasitans farki olusturur. Bu prensip ile hem sürekli seviye hem nokta seviye algilanmasi yapilir. Eger birden fazla çift elektrot kullanildiysa algilayici element alternatif tüplü iki ya da dört koaksiyel tüp ile beraber çalistirilabilir Çogunlukla bir kolu seviye algilamayi yapan bir element ile olusturulan dört kollu ac köprü network kullanilir.

4.8 Basinç Algilayicilari
Basinç elastik bir mekanik eleman üzerinden ölçülür.
4.8.1 Kapasitif Basinç Transdüseri
Basinç statik bir diyafram üzerine etkir
4.8.2 Endüktif Basinç Algilayicilari

Üzerine basinç düsen metalik diyaframin bir bobinin öz endüktansini degistirme etkisi kullanilir.
4.8.3 Relüktif Basinç Algilayicilari
iki temel tip relüktif element içerir. LDVT ve çift bobinli endüktans köprüsü. Ilki algilama elementleri olarak körükleri, kapsülleri ve Bourdon tüplerini kullanirken digeri diyaframlari ya da Bourdon tüplerini kullanir.
4.9 Sicaklik Algilayicilari
Sicaklik hissedici elemanlar genellikle sicakligi ölçülecek olan yüzeye temas etmek suretiyle çalisirlar. Temassiz sicaklik transdüserler de mevcuttur.
4.9.1 Termoelektrik Sicaklik Algilayicilari
Seebeck Etkisi olarak adlandirilan "Farkli iki iletken bir devre olusturuyorsa ve devrenin iki noktasi arasinda bir sicaklik farki var ise bu devreden bir akim geçer." Prensibini kullanir. Bu algilayicilar termik çift ( thermocouples ) olarak da adlandirilir.
4.9.2 Rezistif Sicaklik Algilayicilari
Iletkenlerin iletkenligi sicaklik ile degisir. RTD olarak da bilinen bu transdüserler bu prensibi kullanmaktadir. Yariiletkenlerin kullanildigi tiplerine genellikle termistör denir. Pirometreler temassiz olarak sicaklik ölçen cihazlardir. Cisimlerin sicakliklarini yaydiklari isidan ölçer. Ölçme araliklari 3000 °C dereceye kadar çikabilmektedir.

5.1.1 Thermocouple

Bir thermocouple iki farkli metalin birlestirilmesiyle olusturulur. Dogru alasim seçimi ile ölçülebilir ve kestirilebilir bir sicaklik-gerilim iliskisi elde edilir. Thermocouple'larla ilgili en sik yanlis anlasilan konulardan biri de gerlimin tam olarak nerede olustugudur. Çogu kimse bu gerilimin iki metalin birlesim noktasinda var oldugunu düsünür; ancak gerçekte çikis gerilimi bimetal üzerinde uzunlamasina (sicaklik degisimi yönünde) olusur. Thermocouple larin ürettigi gerilim seçilen metallerin cihaz baglanti noktasinda var olan termoelektrik enerjilerinin farkidir. Bu kestirilebilir gerilim gerçek islem (Proses) sicakligiyla iliskilendirilebilir.
Bu algilayicilarin genis bir çalisma araligi vardir ve yüksek sicaklik uygulamalari için idealdirler. Soy metal alasimlarindan yapilmis olan thermocople'lar 1700 C a kadar olan sicakliklari izleme ve kontrol için kullanilabilirler. T/C lar özellikle minyatür algilayici tasarimlari için de idealdir. Basit yapilari olumsuz ortam kosullarina (asiri sok, vibrasyon gibi) dayanikli olmalarini saglar. Thermocouple'lar sicaklik degisimlerine ani degisiklik göstermek üzere küçük boyutlarda düzenlenebilirler.
T/C'lar pekçok sekil ve boyutta olabilirler. Yalitimli en çok kullanilan tiptir
Bu tip bir T/C de tel haline getirilmis metal alasimlar yalitim malzemesiyle kaplanir; bu malzeme thermocouple alasimlari arasinda hem fiziksel hem de elektriksel yalitim saglar. Yalitim malzemeleri 1260 C'a kadar olan sicakliklarda islevlerini sürdürebilirler. Termocouple'lar kisa dönemli ölçümler için ekonomiktir
5.1.2 RTD
Bunlar hassas sicaklik algilayicilardir. Hassaslik, uzun süreli elektriksel direnç kararliligi, eleman dogrusalligi ve tekrarlanabilirligi gibi özellikler isteyen uygulamalarda kullanilirlar. Çok genis bir sicakilik araliginda ölçüm alabilirler (Bazi platin algilayicilar -164 C ; +650 C arasinda çalisabilir)
RTD' lerde bulunan algilama elemani genellikle bir platin tel sargisi veya seramige uygulanmis ince bir metalik tabakadir.
Bu gün 0.0025 C kararliliga sahip hassas termometre üretilebilmektedir. Endüstriyel modeller yilda (<0.1 C) civarinda kayma gösterebilirler. Platin ve bakir elemanlara sahip RTD'ler T/Clara ve pekçok termistöre göre daha dogrusal bir davranis gösterirler. T/C'dan farkli olarak bir RTD cihaz baglantilari için bakir kullanir ve dolayisiyla "cold junction compensation" gerektirmez. Bu da sistem maliyetinin düsmesini saglar. RTD nin dezavantajlari ise, daha yavas tepki, sok ve vibrasyona duyarlilik, sicaklik degisimlerinde küçük direnç degisimi (düsük duyarlilik), ve düsük taban direncidir. Bu sorunu üstesinden gelebilmek için 3 veya 4-kablolu devreler kullanilir. Bu yöntem sicakliga bagli direnç degisimlerini ölçmede bir çesit köprü devresi etkisi yaratir. Tel uzunluguna bagli hatalar da en aza indirilir; çünük direnç degisimi RTD algilama noktasinda olusur. Ölçümün hassasligi öncelikle kontrol veya ölçüm cihazindaki sinyal kosullama devresine baglidir. Nokta ölçümler genel olarak ragbet görse de hatalara sebep olmaktadir. RTD'ler genis bir alana yayilarak pekçok noktadan ölçüm alabilirler ve bunlarin ortalamasini vererek dah az hatali sonuçlar eldesini saglarlar. T/C'larla bunun uygulanmasi pek mümkün degildir. RTD üzerindeki gerilim düsüsü T/C çiktisindan çok daha kuvvetli bir isaret üretir.
5.1.3 Termistörler
Bu algilayicilar küçük sicaklik degisikliklerine karsi duyarlidirlar. Düsük sicaklik uygulamalari için (sinirli sicaklik araliklarinda) uygundurlar. Fiziksel boyutlari küçüktür. Nokta tipi algilayicilar için boyutlari bir igne ucu kadar olabilir. Termistörler kullanildikça daha kararli hale gelirler. Termistörün derecesine ve fiyatina bagli olarak performansi düsük dogruluktan kaliteli RTD'lerle boy ölçüsebilecek yüksek dogruluga kadar degisebilir. Termistörler bir islem degiskeninin yarim veya bir dereceye kadar olan sicaklik araligindaki kontrolüne olanak tanirlar. Pekçok termistör RTD'lerden daha ucudur; ancak koruyucu kiliflarla bu fiyat araligi daralir. Termistörlerin ana direnci binlerce ohm olabilir. Bu da ayni ölçüm akimi ile RTD'lerden daha büyük bir gerilim degisikligi saglar; ve kablo direnci problemlerini ortadan kaldirir. Termistörlerle çalisirken akima dikkat edilmelidir çünkü termistörler sicakliga RTD'lerden daha duyarlidirlar. Yeni termistörlerden bazilari bunu engellemek için farkli bazi düzeneklere sahiptirler ancak fiyatlari da ona göre yüksektir.
Termistörlerin dezavantajlarina gelince bunlar algilayiciün kirilgan yapisi, sinirli sicaklik araligi, yüksek sicakliklarda dekalibrasyondur. Termistörler birbirleriyle degistirilebilirler ve ek bir devre eklenmedigi sürece devre açmalarina karsi bir güvenlik saglayamazlar. Ayrica termistörler RTD'ler ve thermocouple'larla ayni seviyede endüstri standartlarina sahip degildirler.
5.2 Temassiz Algilayicilar
Bir IR cihazi nesne tarafindan yayilan enerjinin bir kismini toplar ve onu nesnenin bilinmeyen sicakligi ile iliskilendirir. IR algilayicilar birçok avantaja sahiptirler ve temasli algilayicilarin uygun olmadigi her yerde kullanilabilirler. IR algilayiciü isi kaynaklarindan uzaga monte edilerek bunlarin ölçüm degerlerini etkilemesi önlenebilir, kirli veya patlayici ortamdan izole edilmeleri tavsiye edilmektedir. Bazi IR Algilayicilari özel IR sicaklik kontrolleri ile kullanilabilir. Bu seri veri iletisimi ve kaydi seçenekleri ile kapali devre temassiz bir sicaklik kontrol sistemi saglar.
Bir tip bir algilayici secimi gerektiginde asagidaki noktalara dikkat edilmesi gereklidir
" Sicaklik okuma hassasiyeti
" Ölçüm yapilacak sicaklik araligi
" Maksimum sicaklik seviyesine karsi duyarlilik siniri
" Sicaklik degisikligine karsi verilen tepki hizi ve algilama dogrulugu
" Kararlilik ve dogrulugun devam etme süresi
" Ortam sinirlamalarinin düzeyi
Dogru sicaklik algilayiciünü seçmekte dikkate alinmasi gereken bir baska nokta uygulamainin dogruluk derecesine ve cihazin monte edilis sekline göre farklilik gösteren bütçe ve fiyattir.
Yukarida belirtildigi gibi fiziksel büyüklüklerdeki degisimler herbiri farkli yapiya sahip algilayicilar tarafindan algilanirlar. Algilanan bu degisimler gerektiginde uygun bir sinyal kosullama cihazi tarafindan bilgisayarin algilayabilecegi seviyeye gelebilmesi için bir dizi islemden geçirilir. Bilgisayardaki veri toplama karti tarafindan algilanan bu tür büyüklükler uygun analiz yazilimi tarafindan islenerek amaca uygun elektriksel isaretlere çevrilir. Sayisal ya da Isaretsel olarak üretilen bu çikis isaretleri otomasyonun amacina uygun olarak seçilen ve elektriksel isaretleri fiziksel büyüklüklere dönüstüren cihazlara gönderilir. Servo ya da Step motoru, Direnç, Ampul, Piezoelektrik, Kati hal isik kaynagi, elektro miknatis vb tanimlanan bu tip cihazlar Actuator olarak tanimlanir. Bu cihazlara ait detay bilgi Hareket kontrolu bölümünde verilmistir.
Endüstride Endüktif, Kapasitif ya da Ultrasonik yaklasim anahtari, Foto Elektrik algilayici, T/C (Termocouple) Yük hücresi (LoadCell), Gaz ya da sivi akis miktari algilayicilari (Flow meters), Mekanik anahtarlar gibi onlarca algilayici tipi siklikla kullanilmaktadir. Bu algilayicilarin kullanilmasi ve uygulanmasi diger bazi algilayiciya göre daha basit sayilir.
Endüstride kullanim alani bulan algilayicilara diger tip bir örnek olarak kullaniminin biraz daha karmasik ve önemli olmasi ve bir miktar özel bilgi gerektirmesi açisindan Piezoelektrik yapisalligindaki Ivme ölçerler verilebilir. Asagida bu tip algilayicilara ait bilgiler yer almaktadir.

[Poster]

Elektrik-Elektronik > Elektronik Bölümü > Sensörler (Algılayıcılar)