SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER

SENSÖR VE TRANSDÜSER KAVRAMLARI Tüm bu fiziksel ortam değişikliklerini (ısı, ışık, basınç, ses, vb.) bizim yerimize algılayan cihazlara “sensör”, algıladığı bilgiyi elektrik enerjisine çeviren cihazlara transdüser denir. Sensörlerden alınan veriler elektrik sinyaline dönüştürüldükten sonra elektronik devreler tarafından yorumlanarak mekanik aletlere kumanda edilebilir. Çoğu zaman sensörler; elektronik devrelerden yapıldığı için sensör- transdüser kavramları eş anlamda kullanılır.

a. Çeşitleri: Ortamda oluşan fiziksel bir değişiklikten dolayı mekanik bir makineyi veya elektronik bir devreyi çalıştırmamız gerektiğinde sensörleri kullanırız. Ancak tespit edeceğimiz değişikliğe uygun sensör kullanmalıyız. Sensör çeşitlerini şöyle sıralayabiliriz. 1. Sıcaklık (Isı) Transdüser ve Sensörleri 2. Manyetik Transdüser ve Sensörler 3. Basınç (gerilme) Transdüserleri 4. Optik Transdüser ve Sensörler 5. Ses Transdüser ve sensörleri Çalışma şekillerine göre sensörler; aktif ve pasif sensörler olarak sınıflandırılır. Pasif sensörler çalışırken dışardan enerjiye ihtiyaç duyan elemanlardır Aktif sensörler ise çalışmak için dışardan bir enerjiye ihtiyaç duymayan elemanlardır.

Sensörlerin Avantajları: 1. Güvenlik: Metalik olmayan yapısı 2 Sensörlerin Avantajları:   1. Güvenlik: Metalik olmayan yapısı   2. Küçük Kablo Boyutu Ve Ağırlığı:   3. Elektromanyetik Girişimden Etkilenmez: Elektrik enerji kabloları ile diğer yüksek elektrik alanları ( trafo yanı gibi) içinde beraber döşenebilir.   4. Pasif Radyo Frekansı: RF yayılımları olmaz, RF kapsamı içinde kalır.   5. Düşük Termal Ve Atalet Kütlesi: Bir uzunluk boyunca toplam ölçüm, sıcaklık sezişme ve hızlı tepkime için (1μsn den daha az ) kullanışlıdır. Örneğin, ivme metreye uygulanabilir, fakat termal etkilerden etkilenebilir.

Sensörlerin Dezavantajları: 1 Sensörlerin Dezavantajları:   1. Kolay Kırılma:Sağlamlıktan emin olmak için sıcaklıkla paketlemede çok dikkatli olunması gerekir.   2. Optik Elemanların Küçük Skalası: Optik fiberlerin küçük boyutları,montaj ve saha onarımları boyunca özel teknikler, kullanımlar isteyen hizalama,cihaz işletme problemlerine sebep olabilir.   3.Çoklu Çevre Parametrelerine Hassasiyet: Isıl ve akustik /titreşimli girişimler yüksek hassasiyetli cihazlarda bir problem olabilir. Özel paketleme ve sinyal işleme gerekli olabilir.   4. Sınırlı Optik Band Genişliği: Spektroskobik uygulamalar,kızıl ötesi transmisyon fiberlerinin mevcudiyeti ile sınıflandırılır. (dalga boyu =3μm) Kızıl ötesi fiberler için özel kaplama kullanılmaktadır.   5. Maliyet: Özel fiyatlıdırlar. Çoğu mevcut fiber elemanı ve tekniği haberleşme gereklerinden türer. Bu yüzden bütün sensörler için en uygun değildir.

TERMAL SENSÖRLER

SICAKLIK VE ISI SENSÖRLERİ VE TRANSDÜSERLERİ Ortamdaki ısı değişimini algılamamıza yarayan cihazlara ısı veya sıcaklık sensörleri diyoruz. Birçok maddenin elektriksel direnci sıcaklıkla değişmektedir. Sıcaklığa karşı hassas olan maddeler kullanılarak sıcaklık kontrolü ve sıcaklık ölçümü yapılır. Sıcaklık en sık ölçülen çevresel bir büyüklüktür. Çünkü fiziksel, elektronik, kimyasal, mekanik ve biyolojik tüm sistemler sıcaklıktan etkilenir. Bu nedenle kontrol sistemlerinde sıcaklığın ölçülmesi ve belli değerlerde tutulması önemlidir.

SICAKLIK VE ISI SENSÖRLERİ VE TRANSDÜSERLERİ Sıcaklık: Isı enerjisi ile orantılı bir büyüklüktür,Termometre ile ölçülür birimleri ;Santigrat,Fahrenhayt ve Kelvin dir. Bilinen en düşük sıcaklık ,maddenin molekül(Elektron,proton,Atom ) hareketinin durduğu herhangi bir ısı enerjisinin akışı olmadığı ‘Mutlak Sıcaklık’ Noktası olarak ifade edilen sıfır Kelvin (0 K) derecesidir. 0 K= -273,15 C dir. ISI : Termik enerji olarakta ifade edilen bir enerji çeşididir Birimi kalori veya Joul’dür. Sıcaklık ısı enerjisinin etkisiyle ortaya çıkar , fakat, iki ortam arasında bir sıcalık farkı varsa, bir ısı enerjisinin akışı söz konusu olabilir. Aksi taktirde, Faklı iki ortam arasında sıcaklık aynı ise ısı akışı sıfırdır. Sıcaklık elektrikteki Potansiyel fark(Gerilim) , Isı ; Elektrikteki Akım gibi düşünülebilir.

Sıcaklık Birimleri arasındaki Geçiş Denklemleri: C/100=(F-32)/180 =(K-273)/100 Suyun Donma Noktası : 0 C=+32 F =+273 K Suyun Kaynaması: 100 C = 212 F = 373 K

1-Mekanik 2-Pnömatik 3-Elektrik SICAKLIK VE ISI SENSÖRLERİ VE TRANSDÜSERLERİ 1-Mekanik 2-Pnömatik 3-Elektrik Enerjisi ile çalışan sıcaklık sensörleri vardır.

SICAKLIK İLE İLGİLİ SENSÖRLER. 1 SICAKLIK İLE İLGİLİ SENSÖRLER 1.Bimetal Termometreler Kullanarak Sıcaklık Ölçmek İlk çift metalli sıcaktan etkilenmiş olan termostat, 1726'da saatin çeşitli sıcaklık şartlarında çalışması sırasında hassasiyetini korumak için kullanılmıştır. Termostat kelimesiyse 1830'da, bimetal şeridin sıcaklıkta farklı uzamadan dolayı bükülüp ısıtma ve soğutma sistemlerini kontrol etmesinde ortaya atılmıştır. Değişik termostat türleri ortaya çıkmasına rağmen, geliştirilmiş bimetal şeritli termostatlar günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Şekil 1.2’de görüldüğü gibi, iki farklı genleşme kat sayısına sahip bimetal malzeme sıcaklık etkisi altında genleşmek isteyecektir. Bu metal malzemeler birbirleri ile birleştirildiğinden (perçin, kaynak vs.) ve farklı genleşme kat sayılarına sahip olduklarından,yüksek genleşme özelliğine sahip olan diğerinin üzerine doğru eğim yaparak genleşecektir. Şekil 1.2: Bimetal malzeme

1.2.1 Çift Metalli Termometreler Genleşmedeki yer değişim, açısal bir yer değişimdir. bimetal malzemelerin farklı yapılarda tasarlanması ile bu yer değişim doğrusal da olabilir. Bu yer değiştirmeler bir sistem kontrolünü sağlayabileceği gibi ölçüm amaçlı da kullanılabilir. Elektrikli ısıtıcı türlerinin bir çoğunda güvenli bir şekilde kullanılır. Bunlardan bazıları buzdolabı, elektrikli semaver, elektrikli su ısıtıcısı …vb. yerlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 1.3’te görüldüğü gibi iki bimetal malzeme, demir-nikel alaşımı ve pirinç birbirlerine yapıştırılmış ve bir ısıtıcı devresini kontrol etmektedir.

Sıcaklık etkisinde prinç malzeme daha fazla genleşerek demir-nikel alaşımı üzerine doğru açısal bir hareket sağlayacaktır. Bir ucu sabitlendiği için bu sabit uç, açısal hareketin merkezi olacaktır. Bu genleşmenin etkisi ile kontaklar birbirinden ayrılacak ve sitemin elektriği kesilecektir. Şekil 1.3: Termostat kontrol ve tipik ev ütüsü

1.2.2 Helisel çift metalli termometreler Şekil 1.4’te görüldüğü gibi bimetal malzeme helezon şeklinde hazırlanmış sıcaklığın etkisi ile büzülmekte, helezonun uç kısmında bağlı olan bir ibrede bu büzülmenin meydana getirdiği açısal hareketle göstergede bir ölçü değeri okunmaktadır. Göstergedeki bu ibre değişimi ve ibrenin göstermiş olduğu sıcaklık gösterge çizelgesi değeri, bimetal helezonun açısal hareketi ve bu açısal hareketi sağlayan sıcaklık değeri ile doğrudan ilişkilidir. Skala bu sıcaklık değişimine göre kalibre edilmiştir. Şekil 0.4: Helisel bimetal malzeme ile sıcaklık ölçümü

1.2.3 Çubuk Termostatlar Diğer bir tür genleşme kat sayısı, düşük bir çubukla genleşme kat sayısı yüksek bir tüpün birer uçlarının birleştirilmesinden meydana gelir. Tüpteki kısalma çubuğun serbest ucunun hareket edip bir vanayı veya bir elektrik düğmesini kapatmasını sağlar. Değişik bir türse, kolay buharlaşan bir sıvının sıcaklığa bağlı olarak değişik basınç meydana getirmesiyle çalışır. Buzdolaplarındaki termostat bu tiptendir. Şekil 1.5: Çeşitli çubuk termometre (termostat) resimleri

(PTC ve NTC- Entegre devreler 2. SICAKLIKLA DİRENÇİ DEĞİŞEN YARI İLETKEN MALZEMELER (PTC ve NTC- Entegre devreler (Dirençleri Sıcaklıkla Değişir) Sıcaklık ile direnci değişen elektronik malzemelere; term (sıcaklık), rezistör (direnç), kelimelerinin birleşimi olan termistör denir. Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden imal edilmektedir. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı kullanılır. Termistörler ikiye ayrılır sıcaklıkla direnci artan termistöre PTC, sıcaklıkla direnci azalan elemana da NTC denir.

2.1. PTC(Positive Temperature Coefficient) a. Çalışma Prensibi: Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci artan devre elemanıdır. b. Kullanım Alanları: PTC’ler - 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışır. 0.1 ºC’ ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılır. Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde kullanılabilir.

2.2. NTC a. Çalışma Prensibi: Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci azalan devre elemanıdır. b. Kullanım Alanları: NTC’ler - 30 Cº ile +50 Cº arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışırlar. 0.1 Cº’ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerin de, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda kullanılırlar. PTC’lere göre kullanım alanları daha fazladır.

2. 3. YARI İLETKEN VE ENTEGRE SICAKLIK SENSÖRLERİ Silisyum Diyot 2.3. YARI İLETKEN VE ENTEGRE SICAKLIK SENSÖRLERİ Silisyum Diyot Günümüzde yarı iletken sıcaklık sensörlerinin kullanımı oldukça artmıştır. Bu sensörler genellikle entegre yapılar şeklindedir. Bunu anlamak için temel yapı silisyum diyottur. Isı, enerji olarak valans elektronların iletim bandına geçmesine yardımcı olur.Böylece eşik gerilimi azalır iletim akımı artar. Silisyum diyotlar için genel olarak 0 C başına-2mV’luk bir değişim söz konusudur. Silisyum diyotlar -40C ile +100C arasında sıcaklık ölçümünde kullanılabilir. Endüstriyel amaçlı pek kullanılmaz. Çünkü bozulmaya karşı emniyetli değildir. Belirtilen sıcaklık aralığının dışında sıcaklığa maruz kalırsa bozulur.

2. 4. Sıcaklık Duyarlı Entegreler 2.4. Sıcaklık Duyarlı Entegreler Eğer çok geniş bir aralıktaki sıcaklığı ölçmek istiyorsanız ve termometreniz ile geniş ölçekli veya hızlı tepki almanız gerekiyorsa yarı iletken üreticileri imdadınıza yetişir. Basit bir kural olan zener diyodunun kırılma voltajının mutlak sıcaklığa oldukça geniş bir aralıkta orantılı olması gereğine dayanarak pek çok sayıda entegre devre üretilmiştir. Şekil 2.1: LM 35 ve LM335 serisi sıcaklık algılayıcıları

Şekil 2.2: Direnç termometresi