Group ASIST - 2005 BASINÇ SENSÖRLERİ VE ENDÜSTRİYEL UYGULAMA ALANLARI.

... konulu sunumlar: "Group ASIST - 2005 BASINÇ SENSÖRLERİ VE ENDÜSTRİYEL UYGULAMA ALANLARI."— Sunum transkripti:

1 group ASIST - 2005 BASINÇ SENSÖRLERİ VE ENDÜSTRİYEL UYGULAMA ALANLARI

2 group ASIST - 2005 BASINÇ ÖLÇÜMÜ Basınç ölçümü genellikle bilinen bir basınç değeri ile veya mutlak basınç ile ölçülecek basıncın karşılaştırılması ilkesine dayanır. Basınç ölçümü genellikle bilinen bir basınç değeri ile veya mutlak basınç ile ölçülecek basıncın karşılaştırılması ilkesine dayanır. Bu iki değer arasında bulunan piston veya diyaframın konum bilgisi ölçülen basınç hakkında bilgi verir, daha sonra bu bilgi çeşitli yöntemlerle işlenerek transdüser çıkışının bilinen standartlara uygunluğu sağlanır. Bu iki değer arasında bulunan piston veya diyaframın konum bilgisi ölçülen basınç hakkında bilgi verir, daha sonra bu bilgi çeşitli yöntemlerle işlenerek transdüser çıkışının bilinen standartlara uygunluğu sağlanır.

3 group ASIST - 2005 BASINÇ ÖLÇÜMÜ NASIL YAPILIR? Basınç bulunduğu ortamın çeperlerine dik bir kuvvet olarak etkir. Bu kuvvet çeperlerde bir mekanik değişime veya deformasyona sebep olur. Basınç ölçümünde bu deformasyon kontrol edilebilecek bir alanda ve geri dönüşümlü olarak gerçekleştirilebilirse ve deformasyonun miktarı lineer olarak ölçülüp elektriksel büyüklüğe çevrilebilirse basınç bilgisi elektriksel olarak ölçülmüş olur. Bu deformasyon bir diyaframdaki şişme veya bir pistonun yer değiştirmesi olacağı gibi yarıiletken yük algılayıcılarındaki kuvvet olarak da ölçülebilir.

4 group ASIST - 2005 BASINÇ ÖLÇÜMÜ NASIL YAPILIR? Şekilde basınç etkisinin nasıl kontrol edilebilecek alanda gerçekleştirildiği ve bu değişimin nasıl gözlemlenebileceği temsil edilmektedir. Yay ile desteklenen bir piston kullanmak basınç ölçüm teorisinde kullanılan yöntemlerden biridir. Şekildeki sistemde kadran yerine değişken bir direnç yerleştirilip pistonun konumu (dolayısı ile basınç miktarı) kolayca elektriksel veriye çevrilebilir.

5 group ASIST - 2005 BASINÇ ÖLÇÜMÜ NASIL YAPILIR? Şekilde kapalı ve açık tip barometreler görülmektedir. Bu yöntemler düzeneğin konumuna bağlı olduklarından elektriksel ölçüm için uygun değillerdir. Ve kullanılmazlar.

6 group ASIST - 2005 BASINÇ ÖLÇÜMÜ İŞLEM SIRASI Basıncın başlangıcı Ayrım diyaframı ve kuplaj  Mekanik çevrim Yaylar, diyafram, piston, bourdon tüpü ve yarıiletken malzemeler  Elektriksel Çevrim Kondansatör, direnç, LVDT, yarıiletken malzemeler  Sinyal üretimi ve Alıştırması Wheatstone köprüsü, LVDTçıkışı, kapasite değişimi  Sinyal işlemi Analog kalibrasyon veya seri dijital çıkış (Mikro İşlemciler ile)  Sinyal çıkışı Analog, seri çıkışlar, anahtarlama çıkışı (kontak) ve dahili göstergeler

7 group ASIST - 2005 1- BASINÇ KUPLAJI VE AYRIM Kuplaj diyaframları aracıyı (akışkanı) basıncı ölçülecek malzemeden ayırır. Bu diyaframın asıl amacı basınç ölçüm düzeneğini basıncı ölçülecek maddeden korumaktır. Unutulmamalıdır ki su veya hava gibi tepkimeye girme veya korozyon oluşturma eğilimi olmayan akışkanların yanısıra çok ağır gazların ve asidik özellikteki sıvıların da basınç kontrolleri yapılmaktadır. Bu tip kimyasallardan ölçü düzeneğini korumak gereklidir. Kuplaj diyaframları aracıyı (akışkanı) basıncı ölçülecek malzemeden ayırır. Bu diyaframın asıl amacı basınç ölçüm düzeneğini basıncı ölçülecek maddeden korumaktır. Unutulmamalıdır ki su veya hava gibi tepkimeye girme veya korozyon oluşturma eğilimi olmayan akışkanların yanısıra çok ağır gazların ve asidik özellikteki sıvıların da basınç kontrolleri yapılmaktadır. Bu tip kimyasallardan ölçü düzeneğini korumak gereklidir.

8 group ASIST - 2005 2 MEKANİK DÖNÜŞÜM ELEMANLARI Mekanik dönüşüm elemanları genellikle kuvvetle şekli veya konumu değişen bir düzenekten oluşur. Bu düzenek belirli basınç değerleri için geri dönüşümlü olmalıdır. Yani basınç etkisi bu düzenekte kalıcı etki oluşturmamalıdır. Mekanik dönüşüm elemanı olarak yay ile desteklenmiş pistonlar, ters basınç ile desteklenmiş diyaframlar veya BOURDON TÜPÜ denilen düzenek kullanılır. Ölçülecek basıncın etkisini gözlemlemek için yerleştirilen ve ölçülecek basınca ters bir basınç oluşturan yay, basınçlı akışkanlar vb tüm yapılara BASINÇ DİRENCİ adı verilir. Bu yapıların oluşturulacağı malzemeler tamamen sensörün kullanım amacı ile paralellik göstermektedir.

9 group ASIST - 2005 BOURDON TÜPÜ Şekilde BOURDON TÜPÜ olarak anılan ölçü düzeneği görülmektedir. Bu düzenek yay şeklinde kıvırılmış ve bir ucu kapalı bir borudan ibarettir. Basınçlı akışkan boru içine girdiğinde boru açılmaya başlar. Bu etki bir direncin değerini değiştirebilir veya analog bir kadran üzerinde basınç değeri okunabilecek şekilde kalibre edilebilir.

10 group ASIST - 2005PİSTON Bu ölçü düzeneği ise basınç etkiyen pistonun basınç etkisi ile yayın gerilme etkisi eşit olana kadar hareket etmesi esasına göre çalışır. Yayın gerilme kuvveti dış basınca eşitlenince piston durur ve konum bilgisi alınarak elektriksel veriye çevrilir.

11 group ASIST - 2005 KAPASİTİF ÖLÇÜM ELEMANLARI Şekilde iki farklı amaca yönelik kapasitif algılayıcı eleman görülmektedir. Üstteki algılayıcı üzerine etkiyen basıncı algılarken alttaki sensör iki basınç arasındaki farkı ölçmektedir. (Diferansiyel basınç ölçümü) Sensörün algılama yüzeyine ölçülecek basınç etkimekte ve bu diyafram hava basıncı ile desteklenmektedir.

12 group ASIST - 2005 PİEZOELEKTRİK ÖLÇÜM ELEMANLARI Piezoelektrik elemanlar bir dış kuvvet altında kaldıkları zaman, karşılıklı yüzeyleri üzerinde bir elektrik yükü oluşur. Bu özellikleri sayesinde ağırlık, burkulma, kayma ve basınç gibi fiziksel büyüklükleri ölçmede sıklıkla kullanılırlar. Piezoelektrik özellik istenen yapılarda genellikle KUVARTZ kristali kullanılır.

13 group ASIST - 2005 PİEZOELEKTRİK ÖLÇÜM ELEMANLARI Birçok metale yakın bir sertlik derecesine sahip olan piezoelektrik malzemeler, çok küçük bir yerdeğişimi altında bile büyük bir çıkış verirler. Bir diğer deyişle piezoelektrik malzemeler fiziksel olarak kalıcı bir değişime uğramazlar. Bu sebeple piezoelektrik algılayıcılar çok sağlam bir kılıfla korunur ve geniş bir genlik aralığında mükemmel bir doğrusallık gösterirler. Fakat piezoelekrik malzemelerin çıkışları belirli bir frekansta titreşim şeklindedir. Bu da sinyal devresinde bir filtre tasarlama ihtiyacı doğurmaktadır. Zaman üzerinde çok yavaş değişen fiziksel büyüklüklerin (hava basıncı gibi) bu kristallerle ölçümü imkansızdır.

14 group ASIST - 2005 3 – ELEKTRİKSEL ÇEVRİM Sensörlerde elektriksel çevrim genellikle kapasite, direnç yada indüktif etkideki değişimler üzerinden; dinamik ölçüm yapılıyorsa piezo etkisi tarafından üretilen gerilimin yükseltilmesiyle gerçeklenir. Bunun yanı sıra mekanik dönüşüm yapan sensörlerde konum bilgisinin alınması gereklidir. Bu dönüşüm şaft enkoderlerde yapıldığı gibi optik olarak kodlanmış bir disk ile veya çoğu basınç sensöründe olduğu gibi LVDT kullanılarak gerçekleştirilir. LVDT analog çalıştığı için sensör teknolojisinde daha güvenilirdir. Ama LVDT düzeneğini çalıştırabilmek için genliği ve frekansı bilinen kaliteli bir sinüs oidal sinyal osilatörüne ihtiyaç vardır. Günümüz yarıiletken teknolojisi bu osilatörlerin maliyetini oldukça düşürmüştür.

15 group ASIST - 2005 LVDT (Linear Variable Differential Transformer) LVDT elemanı, belirli sınırlar içinde konum bilgisi alınmak istendiğinde sıklıkla tercih edilen bir elektriksel düzenektir. LVDT elemanı, belirli sınırlar içinde konum bilgisi alınmak istendiğinde sıklıkla tercih edilen bir elektriksel düzenektir. LVDT temel olarak nüvesi hareketli olan ve nüve konumuna göre kuplaj katsayısı (m) değişebilen bir transformatördür. Bipolar veya unipolar olarak üretilebilirler. LVDT temel olarak nüvesi hareketli olan ve nüve konumuna göre kuplaj katsayısı (m) değişebilen bir transformatördür. Bipolar veya unipolar olarak üretilebilirler. LVDT manyetik kuplaj ve lenz kanunu ilkelerine göre çalışır, nüve sargı düzeneğine temas etmediğinden sürtünme problemi yoktur. Bu özellik sensör üretiminde LVDTnin seçilme sebebidir. LVDT manyetik kuplaj ve lenz kanunu ilkelerine göre çalışır, nüve sargı düzeneğine temas etmediğinden sürtünme problemi yoktur. Bu özellik sensör üretiminde LVDTnin seçilme sebebidir.

16 group ASIST - 2005 LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Şekilde LVDT elemanı basitçe gösterilmiştir. Giriş sargısına genliği bilinen bir sinüs dalgası uygulanır, çıkış işaretinin genliği nüve konumu hakkında bilgi verir. Şekildeki LVDT bipolar (çift kutuplu) olduğundan Nüve tam ortadayken çıkış gerilimi sıfırdır. Soldaki şekilde LVDT elemanı ile pistonun konum bilgisinin nasıl alınacağı açıkça görülmektedir.

17 group ASIST - 2005 4 – SİNYAL ÜRETİMİ ve ENDÜSTRİ STANDARTLARI Endüstride kullanılmak için tasarlanmış bir transdüserin sinyal çıkışının, kumanda sistemi ile haberleşebilmesi için çeşitli standartlara uyması gereklidir. Endüstride kullanılmak için tasarlanmış bir transdüserin sinyal çıkışının, kumanda sistemi ile haberleşebilmesi için çeşitli standartlara uyması gereklidir. Sinyal çıkışı Analog veya Sayısal olabilir. Veya yeni nesil sensörlerde olduğu gibi ASI networklerine bağlanabilir, Sinyal seçimi tamamen uygulamaya yöneliktir. Sinyal çıkışı Analog veya Sayısal olabilir. Veya yeni nesil sensörlerde olduğu gibi ASI networklerine bağlanabilir, Sinyal seçimi tamamen uygulamaya yöneliktir.

18 group ASIST - 2005 ANALOG STANDARTLAR Bilginin analog iletimi için en çok kullanılan endüstri standartları 0-5V 0-10V 0-20mA ve 4-20mA standartlarıdır. Bilginin gerilimle mi yoksa akımla mı iletileceği sensörün kullanılacağı sahanın özelliklerine bağlıdır. Eğer sinyal uzak mesafeye hassas iletilmek isteniyorsa akım ile taşınmalıdır. Eğer sinyal kablolarının bağlı olup olmadığı onaylanmak isteniyorsa standart kaçınılmaz olarak 4-20mA seçilmelidir. Çünkü 4-20mA standardında sinyalin sıfır seviyesi için bile 4mAlik bir akım akmaktadır. Bilginin analog iletimi için en çok kullanılan endüstri standartları 0-5V 0-10V 0-20mA ve 4-20mA standartlarıdır. Bilginin gerilimle mi yoksa akımla mı iletileceği sensörün kullanılacağı sahanın özelliklerine bağlıdır. Eğer sinyal uzak mesafeye hassas iletilmek isteniyorsa akım ile taşınmalıdır. Eğer sinyal kablolarının bağlı olup olmadığı onaylanmak isteniyorsa standart kaçınılmaz olarak 4-20mA seçilmelidir. Çünkü 4-20mA standardında sinyalin sıfır seviyesi için bile 4mAlik bir akım akmaktadır. Çoğu kontrol sisteminde analog-dijital dönüşüm 12 bit yapılmaktadır. 12 bitlik çözünürlük çoğu endüstriyel uygulama için yeterlidir. Çoğu kontrol sisteminde analog-dijital dönüşüm 12 bit yapılmaktadır. 12 bitlik çözünürlük çoğu endüstriyel uygulama için yeterlidir. Algılayıcı elemandan alınan elektriksel bilginin standartlara uygun hale getirilmesi işlemi Sinyal Alıştırma olarak adlandırılır. Algılayıcı elemandan alınan elektriksel bilginin standartlara uygun hale getirilmesi işlemi Sinyal Alıştırma olarak adlandırılır.

19 group ASIST - 2005 Sinyalin dijital iletilmesi için genellikle seri protokoller tercih edilir. Çünkü sinyalin paralel iletilmesi için çok sayıda iletken gereklidir. Seri haberleşme yapabilen yeni nesil sensörler genellikle bir adres bilgisi tutabilmekte ve dolayısı ile Field Bus DP networklerine bağlanabilmektedirler. Sinyalin dijital iletilmesi için genellikle seri protokoller tercih edilir. Çünkü sinyalin paralel iletilmesi için çok sayıda iletken gereklidir. Seri haberleşme yapabilen yeni nesil sensörler genellikle bir adres bilgisi tutabilmekte ve dolayısı ile Field Bus DP networklerine bağlanabilmektedirler. Seri haberleşme genellikle ölçülen analog bilginin sensör içinde sayısala çevrilmesi ve 16 bitlik paketler halinde kumanda sistemine iletmesi ilkesine dayanır. Bu işlemler genellikle sensör içine yerleştirilen mikrodenetleyiciler yardımı ile yapılır. Seri haberleşme genellikle ölçülen analog bilginin sensör içinde sayısala çevrilmesi ve 16 bitlik paketler halinde kumanda sistemine iletmesi ilkesine dayanır. Bu işlemler genellikle sensör içine yerleştirilen mikrodenetleyiciler yardımı ile yapılır. Sayısal sinyaller iletilirken genellikle RS 232 / RS 485 seri haberleşme protokolleri veya PROFIBUS DP, ASI-BUS gibi network altyapıları kullanılır. Sayısal sinyaller iletilirken genellikle RS 232 / RS 485 seri haberleşme protokolleri veya PROFIBUS DP, ASI-BUS gibi network altyapıları kullanılır. SAYISAL STANDARTLAR

20 group ASIST - 2005 Çeşitli Basınç Transdüserleri PiezoRezistif Basınç Alg. Besleme = 8-28 V DC Çıkış sinyali = 4-20 mA Ölçüm Aralığı=0-50 Bar Doğruluk = ±%0,25 (25°) Statik ve Dinamik ölçüm=1KHz (Max)

21 group ASIST - 2005 Çeşitli Basınç Transdüserleri PCB tipi Basınç Alg. Besleme = 5 V DC Çıkış sinyali = 0,5- 4,5 VDC

22 group ASIST - 2005 BASINÇ SENSÖRÜ NERELERDE KULLANILIR? Basınç transdüserlerini petro-kimya endüstrisinde, tekstil ve boya üretim proseslerinde, hidrolik enerji santrallerinde, basınçlı akışkan kullanan pnömatik-hidrolik hareket sistemlerin denetlenmesinde, korunmasında, sıvı seviyesi tespitinde, coğrafi rakım hesabında, tansiyon takibi gibi medikal uygulamalarda ve basınç kontrolünün yapıldığı hemen her noktada görebiliriz.

23 group ASIST - 2005 ÖRNEK UYGULAMA - 1 SIVI SEVİYESİ ÖLÇÜMÜ Tank içinde bulunan sıvı basıncının ortam basıncı ile karşılaştırılması sonucu elde edilen fark bize sıvı seviyesi hakkında bilgi verir. Uygulamamızda bu fark basıncı ANALOG çıkışlı bir basınç transdüseri ile alınıp A/D arabirim vasıtasıyla 12 bitlik sayısal değere dönüştürülecek ve LCD ekrana % sıvı seviyesi yazdırılacaktır.

24 group ASIST - 2005 ÖRNEK UYGULAMA - 1 SIVI SEVİYESİ ÖLÇÜMÜ 12 bitlik analog - dijital dönüşüm işlemi sonunda 2 12 =4096 farklı seviye bilgisi hesaplanabilir. Bunun anlamı eğer doğru sensör seçimi yapılırsa 4 metre boyundaki bir tanktaki sıvının seviyesi 1mm çözünürlükle incelenebilir.

25 group ASIST - 2005 ÖRNEK UYGULAMA - 2 KOMPRESÖR KUMANDA SİSTEMİ Çıkıştaki akışkan basıncının sabit tutulması istendiğinde benzer bir düzenek yardımı ile kapalı çevrim basınç kontrolü yapılabilir. Sistem çıkışı basınç transdüseri ile ölçülüp istenen referans değeri arasındaki hata sinyali AC frekans inverterine uygulanmaktadır.

26 group ASIST - 2005 ÖRNEK UYGULAMA - 2 KOMPRESÖR KUMANDA SİSTEMİ Sistem çalışması şekildeki blok diyagram ile çok daha net anlaşılacaktır. Sistemin kararlı çalışmasında en önemli unsurlar, AC sürücünün kararlılığı, ölçme sisteminin hassasiyeti ve karşılaştırıcının mümkün olan en düşük offset değeriyle çalıştırılabilmesidir.

27 group ASIST - 2005 KAYNAKLAR… Programmable Logic Controllers And Sensors – PRANTICE HALL PRESS – ISBN 34465557-5 Programmable Logic Controllers And Sensors – PRANTICE HALL PRESS – ISBN 34465557-5 Sensör Teorisi – www.voltam.com.tr Sensör Teorisi – www.voltam.com.tr Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi EMÜ204 Ölçme Laboratuvarı Deney Föyleri Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi EMÜ204 Ölçme Laboratuvarı Deney Föyleri

28 group ASIST - 2005 TEŞEKKÜR… Bizleri sabırla dinleyen “KONTROLCÜLERE” ve bu çalışmamıza rehberlik eden değerli hocamız Fırat HARDALAÇ’a sonsuz teşekkürler. Bizleri sabırla dinleyen “KONTROLCÜLERE” ve bu çalışmamıza rehberlik eden değerli hocamız Fırat HARDALAÇ’a sonsuz teşekkürler. Abdullah SUİÇER Ömer Faruk ERBAY Çağlar ÜZEL