Sensörler Ve Transdüserler Kullanım Yerleri Nerelerdir? Sensörler Ve Transdüserler

Sensörler Ve Transdüserler Kullanım Yerleri Nerelerdir? Sensörler Ve Transdüserler
Sensörler Ve Transdüserler Kullanım Yerleri Nerelerdir? Sensörler Ve Transdüserler

Ölçüm Sistemleri, Sensör ve Transdüserler

Mehmet Yılmaz

Bir olay hakkında ölçüm yapmak, onun sonucu hakkında bilgiye ulaşmak, sonucunu bilmek ve takdir etmektir
Ölçüm sistemlerini, ölçme sistemleri kontrol noktaları alanında inceleyecek olursak, çeşitli alt gruplara ayrılabiliriz Ölçmeden ziyade, ölçülecek işlem değişkenin ne olduğu, niceliği, zamana bağlı değişim özellikleri, fiziksel ve kimyasal niteliklerinin bilinmesi gerekir Bu bilgiler bize, ölçüm yöntemi geliştirmede ve uygulamada yardımcı olur
Ölçmüm sistemlerini şöyle sınıflandırabiliriz:
1 Isı ölçümü
2 Işık ölçümü
3 Akış (Debi) ölçümü
4 Basınç ölçümü
5 Yer değiştirme ölçümü
6 Hız ve ivme ölçümü
7 Moment ve tork ölçümü
8 Kalite ölçümü
9 Adet, birim ölçümü
10 Frekans ölçümü
12 Pals ölçümü
13 Lojik seviye ölçümü
14 Elektriksel Değerlerin (volt, amper) ölçümü
15 Diğer fiziksel, kimyasal ve elektriksel büyüklüklerin ölçümü
Bütün bu grupları da çeşitli alt gruplara ayırarak incelemek mümkündür
Ölçme sistemlerinde kullanılan ölçüm cihazları ise iki ana gruba ayırabiliriz:
1 Sadece ölçen cihazlar,
2 Ölçen ve kontrol sinyali üreten cihazlar
Bu cihazları meydana getiren öğeleri parçalarsak, sensörlerin ilk ölçüm noktası olduğunu görürüz Sensörlerden sonraki adım, elde edilen değerin işleneceği devreye uygun hale getirilmesi ve işlenerek göstergelerde veya otomasyonda kullanılmasıdır
Sensör (Algılayıcı)
Sensör sözlük anlamı olarak, enerjiyi hisseden, enerjiyi algılayan, fiziksel nicelikleri algılayan hisseden devre elemanları olarak tanımlanır Genel manada düşünüldüğünde bu anlam çerçevesinde çeşitli tanımlamalar da yapılabilir
Sensör bir ölçüm sisteminin ilk elemanıdır Sensörler fiziksel bir niceliği algılar ve bunun sonucunu ikinci bir fiziksel nicelikle ifade eder Kimi zaman ikinci fiziksel nicelik birincinin cinsinden olur Örneğin açısal yer değiştirme sensörü algılama sonucu yine mekanik bir hareketle ifade eder Tek fark açısal değişim doğrusal değişime döşümü olur Diğer bir örnek elektrik akımının varlığını hisseden sensör sonucu yine elektriksel olarak verir Kimi zaman ölçülmek istenen nicelik tek bir sensör ile ölçülemez Bu gibi durumlarda ardışık sensör sistemi kullanılır Örneğin borudaki basıncın bir körük ile yardımı ile algılanıp daha sonra elde edilen mekanik yer değiştirme hareketinin LTDV ile elektrik sinyaline çevrilmesi gibi

Transdüser (Dönüştürücü)

Transdüser genellikle sensörden alınan sinyallerin işlenip iyileştiği kısım olarak tanımlanabilir Fakat bu iki kavram iç içe girmiş bir şekilde zaman zaman kullanılmaktadır Her sensör bir transdüser değildir, fakat her transdüser bir sensör içerir Yani transdüser algılama işinin sonucunu iş edindiklerinden önlerinde mutlaka bir sensör bulunur Kimi transdüserlerde sensör ayrık bir öğe değil beraber halde bulunur Bu türden durumlarda sensör yerine sadece transdüser kullanılır Transdüserlerde sensörlerde olduğu gibi algılanan nicelik analog olarak ifade edilir
Değişik fiziksel büyüklükler arasındaki dönüşümler ile ilgili tablo:
Çıkış
Giriş

Işık

Mekanik

Termik

Elektrik

Magnetik

Kimyasal

IşıkFiltre

Fotodiyot

Mekanik

Dişli kutusu

Piezo kristal

Termik

Sıcaklık değiştirici
Seeback etkisi

Elektrik
Led, ampul
Piezo kristal
Peltier etkisi
Transistör
Bobin
Elektrod elektrolit
Magnetik

Magnetik direnç
Magnetik devre

Kimyasal

PH metre

Kimyasal reaksiyon
Tabloda değişik fiziksel büyüklükler arasındaki dönüşümler, gösterilen elemanlar ile yapılmaktadır Bu tabloda gösterilen elemanlar örnek olarak verilmiştir Günlük hayatta kullandığımız pekçok eleman bu tabloda yerini almaktadır
Transdüserler, farklı enerjiler arasında dönüşüm yapan elemanlardır
Elektriksel Devrelerde Kullanımı: Elektriksel açıdan transdüser, herhangi bir fiziksel büyüklüğü elektriksel işarete dönüştüren eleman olarak tanımlanabilir Çok çeşitli tipleri vardır Bunların bir kısmı; herhangi bir sıvıdaki konsantrasyonunun ölçümü (sıvı veya gazdaki akış hızı ölçümü) mekanik hız (ivme-dönme, basınç ve kuvvet ölçümü) sıcaklık, ses şiddeti ve frekans ölçümü yapan transdüserler şeklinde özetlenebilirKontrol ve ölçme alanında transdüser kullanmadan bir iş yapmak mümkün değildir Transdüserlerin tasarımları kolay, fakat yapım ve kalibrasyonları zordur Transdüserler, özellikle elektronik cihazların önemli bir elemanıdırÇeşitli fiziksel büyüklükleri elektriksel işaretlere çeviren transdüserler daha çok tercih edilir Çünkü, elektriksel işaretlerin ölçülmesi, işlenmesi ve bir yerden başka bir yere iletilmeleri kolaydır Transdüser çıkışında elde edilen elektriksel işaret analog, dijital veya modülasyonlu olabilir
Elektriksel Olmayan Değerlerin Ölçümünde Kullanımı: Elektriksel olmayan büyüklüklerin ölçümünde temaslı ve temassız ölçme yapılır Temaslı yöntemlerde transdüser fiziksel olayın cereyan ettiği ortamın içerisindedir Bu yöntemle yapılan ölçmeler basit ve yüksek hassasiyetlidir ve ölçülecek teknolojik parametreler hakkında tam bilgi elde etmek mümkündür Bu yöntemin eksikliği ise, transdüserin ilgili ortama veya olaya etki etmesi ve ölçme sonuçlarının hatalı olmasıdır Temassız yöntemlerde transdüserler incelenen olayın cereyan ettiği ortamın dışındadır ve bu ortama etkisi yoktur en çok etki transdüser ile incelen olay arasındaki ortamın özelliklerinin etkisidir Dolayısı ile fiziksel olmayan büyüklüklerin ölçümünde ölçme aletlerinin hatası ile birlikte ölçme yöntemlerinin hataları da göz önüne alınmalıdır
Transdüser Çeşitleri: Transdüserler in bir kısmı pasif birer eleman olup, çalışmaları için dışarıdan uygun bir enerjinin verilmesi gerekir Fotodirenç, termistör, strain gage, transistör mikrofon ve diferansiyel transformatör gibi transdüserler bu sınıfa girer Diğer bir kısım transdüserler ise ölçülecek olan büyüklük ile uyarılır Çalışmaları içim dışarıdan herhangi bir enerjinin uygulanmasına gerek yoktur Bunlara örnek olarak; ısılçift, fotovoltaik ve piezoelektrik gibi transdüserler verilebilir Transdüserler kendinden uyarımlı ve dışarıdan uyarımlı olarak temel iki sınıfa ayrılabilir Uygulama alanlarına göre de sınıflandırılabilirler Aralarında kesin bir ayırım yapmak mümkün değildir Önemli olan fiziksel büyüklüklerin dönüştürme yöntemlerine ait ilişkiler aşağıdaki tabloda gösterilmiştir
Fiziksel büyüklüklerin dönüştürme yöntemlerine ait ilişkiler ile ilgili tablo:

Direnç değişimi
Reaktans değişimi
Elektro magnetik
Yarı iletken
Dijital
Termo elektrik
İvme
X
X
X
X
X

Yerdeğiş
X
X
X
X
X

Akış
X
X
X

Kuvvet
X
X

X

Rutubet
X
X

Seviye
X
X

X

Basınç
X
X
X
X

Sıcaklık
X

X
X
X
Kalınlık

X

Hız
X
X
X
X
X

Bu tabloda fiziksel büyüklüklerin direkt dönüşümleri imkanı tablo halinde gösterilmiştir
Yukarıda kısaca anlatılan sensörler ve trandüserler, hayatımızın büyük bir bölümünde arka planda sürekli olarak iş görmektedirler Otomobillerin çalışmasında motorların temel ihtiyaçlarının yanında, bizlere sunduğu konforların hepsi sensörler ile algılanan verileri kullanmaktadır Evlerimizde, mutfakta kullandığımız buzdolabı, fırın, çamaşır makinası gibi cihazlar işlerini sensörler ve transdüserler kullanarak görmektedir Yine evlerde kullanılan su sayaçları da bir ölçüm sistemidir Kısaca, işlerimizi sensörler ve transdüserler yardımı ile başlatıp çeşitli yükselteçler kullanarak işlenebilir hale getirip, amacımıza uygun noktada işlemimizi sonuçlandırıyoruz

Sensör ve Transdüser

İnsanlar çevrelerindeki değişiklikleri duyu organları vasıtası ile algılarlar Çevremizdeki bu değişiklikleri algılayan cihazlara sensör denir Sensörlerin algıladıkları bu bilgileri bizim kullanmamız için uygun hale getiren ve algılanan bilgiyi elektrik enerjisine dönüştüren cihazlara transdüser denir

Sensörlerin bir çok çeşidi vardır Bizim en çok işimize yarayacak olanları şöyle sıralanabilir;

Manyetik sensörler ,
Isı sensörleri ,
Optik sensörler ,
Basınç sensörleri

Manyetik Sensörler

Bir tel bobin haline getirilip içinden akım geçirilirse, bu bobinin içinde ve çevresinde manyetik alan oluşur Bu manyetik alan gözle görülmez Ancak bu bobinin içerisindeki nüvenin hareketi ve bobinin çevresinden yaklaştırılan metaller bobinin indüktansını değiştirir İşte bu prensipten hareketle manyetik sensörler geliştirilmiştir Bu sensörler genellikle güvenlik gerektiren yerlerde kullanılır

Bu sensörlerde kendi aralarında ikiye ayrılır

Elektronik Devreli Manyetik Sensörler



İçinden akım geçen bir bobinin çevresinde manyetik alan oluşur Bu manyetik alanın içine metal bir cisim girerse bu bobinin indüktansı değişir Bu indüktans değişimi sensörün içinde bulunan devrenin dengesini bozar Sensörün içinde bulunan ölçüm yapan devre sayesinde metalin yaklaştığını ve ne kadar yakın olduğunu tespit edebiliriz

Alan (Hall) Etkili Transdüserler

Alan etkili transdüserler hassas mesafe, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır İletken ya da yarı iletken malzemeden yapılmış bir levha şekilde görüldüğü gibi bir manyetik alan içindeyken, A ve B uçlarından DC gerilim uygulandığında, C ve D noktaları arasında bir potansiyel fark oluşur Bu gerilimin değeri manyetik alana levhanın yakınlığı ile değişir Bu prensipten yararlanılarak alan etkili transdüserler doğmuştur



Isı Sensörleri

Ortamdaki ısı değişimini algılamamıza yarayan cihazlara ısı veya sıcaklık sensörleri denir Birçok maddenin elektriksel direnci sıcaklıkla değişmektedir Sıcaklığa karşı hassas olan maddeler kullanılarak sıcaklık kontrolü ve sıcaklık ölçümü yapılır 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

PTC

Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci artan devre elemanıdır
PTC’ler 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışır Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılır Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde kullanılabilir

NTC

Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci azalan devre elemanıdır
NTC’ler - 300 Cº ile +50 Cº arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışırlar Daha çok elektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerin de, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda kullanılırlar

Termokupl

Bütün iletkenler ısıtıldıklarında içlerinde bulunan elektronlarda bir hareketlenme meydana gelirAncak bu hareketlenme çeşitli iletkenler arasında farklılık göstermektedirBu maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir Biz de iletkenlerin bu farklarından yararlanarak sıcaklık ölçümü yapabilirizİki farklı iletkenin birer uçları birbirine kaynak edilip ya da sıkıca birbirine bağlanıp boşta kalan uçlarına hassas bir voltmetre bağlandığında, eğer birleştirdiğimiz ucu ısıtırsak, sıcaklıkla orantılı olarak voltmetrede mV‘lar mertebesinde bir DA gerilim elde ederiz Elde ettiğimiz gerilimin değeri kullandığımız metallerin sıcaklığa verdiği tepki ile orantılıdır Termokupllar -200 ºC ile +2300 ºC arasında çalışabildiklerinden endüstride en çok tercih edilen ısı kontrol elemanlarıdır Genellikle endüstri tesislerindeki yüksek sıcaklıkta çalışan kazanların ısı kontrolünde kullanılır

Optik Sensörler

Işık etkisi ile çalışan elektronik devre elemanlarına genel olarak optik elemanlar denir

Foto Direnç (LDR)

Kalsiyum sülfat ve kadmiyum selenid gibi bazı maddeler üzerlerine düşen ışık ile ters orantılı olarak direnç değişimi gösterir Bu maddelerden yararlanılarak foto direnç adı verilen devre elemanları yapılmıştır Üzerine ışık düştüğünde direnci azalan, karanlıkta ise yüksek direnç gösteren devre elemanına foto direnç denir

Işık değişimi ile kontrol etmek istenilen tüm devrelerde kullanabilir Özellikle gece lambaları ve sokak lambalarında kullanılmaktadır

Foto Diyot

Foto diyotlar ışık etkisi ile ters yönde iletken olan diyotlardır Ters polarma altında kullanılır Doğru polarmada normal diyotlar gibi çalışır, ters polarmada ise N ve P maddelerinin birleşim yüzeyine ışık düşene kadar yalıtkandır Birleşim yüzeyine ışık düştüğünde ise birleşim yüzeyindeki elektron ve oyuklar açığa çıkar ve bu şekilde foto diyot üzerinden akım geçer Bu akımın boyutu yaklaşık 20 mikroamper civarındadır Üzerine ışık düştüğünde katotdan anota doğru akım geçiren elemanlara foto diyot denir

Foto diyot televizyon veya müzik setlerinin kumanda alıcılarında yaygın olarak kullanılır

LED Diyot

LED ismi, ingilizce Light Emitting Diode (ışık yayan diyot) kelimelerinin baş harflerinden oluşmaktadır LED’e doğru polarma uygulandığında P maddesindeki oyuklarla N maddesindeki elektronlar birleşim yüzeyinde nötrleşir Bu birleşme anında ortaya çıkan enerji ışık enerjisidir Bu ışığın gözle görülebilmesi için ise P ve N maddelerinin birleşim yüzeyine "galyum arsenid" maddesi katılmıştır LED diyotlar doğru polarmalandırıldıklarında ışık yayan elektronik devre elemanlarıdır

Bu ışıklı diyotlar, kullanışlı ve pratik olmalarının yanı sıra oldukça ucuz olmaları nedeniyle gösterge olarak diğer tip lambaların yerini almışlardır LED diyotların kullanım alanları çok geniştir Çok az enerji harcadıkları için elektronik devrelerin testlerinde, tüm elektronik cihazların üzerinde çalıştığını gösteren ışık olarak kullanılmaktadır Genellikle LED diyotların bacakları karıştırılmaktadır Şekil 53’ te görüldüğü gibi kısa bacak katot, uzun bacak ise anotdur LED’in bacakları aynı boyda ise içindeki plakalara bakarak küçük olanı anot büyük olanı katottur diyebiliriz Bunun yanında LED diyotların katot ucunun olduğu tarafta bir kesik bulunmaktadır

İnfrared Diyot (IR Diyot, Kızıl Ötesi Diyot)

İnfraruj LED, normal LED’in birleşim yüzeyine galyum arsenid maddesi katılmamış halidir İnfrared diyot görünmez (mor ötesi, kızıl ötesi) ışık yayar

İnfraruj LED’ler televizyon veya müzik setlerinin kumandalarında, kumandanın göndediği frekansı televizyon veya müzik setine iletmek için kullanılır Televizyon veya müzik setinde ise bu frekansı alan devre elemanına "foto diyot" denir İnfraruj LED ile normal LED’in sembolleri aynıdır

Foto Pil (Işık Pili, Güneş Pili)

Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır Güneş pilleri transistörler, doğrultucu diyotlar gibi yarı iletken maddelerden yapılmaktadır Yarı iletken özellik gösteren birçok madde arasından güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir Bu maddeler güneş pilleri için özel olarak hazırlandıktan sonra PN eklemine güneş enerjisi geldiğinde fotonlardaki elektron yükü PN maddeleri arasında bir potansiyel fark yani gerilim oluşturur Bu gerilim 0,15-0,5 volt civarındadır Işık pilleri seri bağlanarak daha büyük gerilim, paralel bağlanarak daha büyük akım elde edilebilir Güneş enerjisiyle çalışan hesap makinelerinde kullanılan eleman ışık pilidir

Güneş pilleri gelişmiş ülkelerde Şekil 57 ve 58’ de görüldüğü gibi hayatın her alanına girmiş durumdadır Günlük hayatımızda ise daha çok hesap makinelerinde karşılaştığımız elemanlardır

Optokuplör

Optokuplör kelime anlamı olarak optik kuplaj anlamına geliyor Kuplaj bir sistem içindeki iki katın birbirinden ayrılması ama aralarındaki sinyal iletişiminin devam etmesi olayıdır Ayrılma fiziksel olarak gerçekleşir ama iletişim manyetik veya optik olarak devam eder Bu durumun faydası, katlardan birinde olan fazla akım, yüksek gerilim gibi olumsuz, sisteme zarar verecek etkilerden diğer katları korumaktır Işık yayan eleman ile ışık algılayan elemanın aynı gövde içinde birleştirilmesiyle elde edilen elemanlara optokuplör denir Bu elemanlarda ışık yayan eleman olarak "LED", "Enfraruj LED" kullanılırken ışık algılayıcı olarak "foto diyot", "foto transistör", "foto tristör", "foto triyak" vb gibi elemanlar kullanılır Optokuplörler daha çok, iki ayrı özellikli devre arasında elektriksel bağlantı olmadan, ışık yoluyla irtibat kurulmasını sağlayan devrelerde kullanılır Şöyle ki; düşük gerilimleçalışan bir devreyle yüksek gerilimli bir güç devresine optokuplör aracılığıyla kumanda edilebilir Optokuplörler 2000 ile 5000 voltluk gerilimlere dayanıklı olduğundan en hassas kontrol sistemlerinde güvenle kullanılır

Basınç Sensörleri

Her türlü fiziki kuvvet ve basınç değişimini algılayan ve bu değişimi elektriksel sinyale çeviren elemanlara basınç sensörü denir
Kapasitif basınç ölçme sensörleri
Strain gage (şekil değişikliği) sensörler
Load cell (yük hücresi) basınç sensörleri
Piezoelektrik özellikli basınç ölçme sensörleri

Kapasitif Basınç Ölçme Sensörleri



Kondasatörler yapıları gereği elektrik yükü depolayabilir Kondansatörlerin yük depolayabilme kapasiteleri ise kondansatör plakalarının boyutlarına, bu plakalar arasındaki mesafenin uzaklığına ve iki plaka arasındaki yalıtkan malzemenin özelliğine bağlıdır Sonuç olarak kondansatör plakaları birbirinden uzaklaştırılırsa ya da esnetilirse veya iki plaka arasındaki dielektrik malzeme hareket ettirilirse, kondansatörün kapasitesi değişir Kondansatörün kapasitesi ile beraber alternatif akıma gösterdiği direnç de değişir İşte bu prensipten hareketle kapasitif basınç sensörleri üretilmiştir

Strain Gage (Şekil Değişikliği) Sensörler

Temel olarak strain gageler esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından oluşmuştur Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi ile birlikte iletken şeridin de gerilerek uzamasına sebep olacaktırBu uzama esnasında telin boyu uzayarak kesiti azalacaktır Bilindiği gibi iletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde değişme olacaktır Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin miktarını tespit edilebilir

Load Cell (Yük Hücresi) Basınç Sensörleri













Yük hücresi (load cell) daha çok elektronik terazilerin yapımında kullanılan basınç sensörüdür Asıl çalışma prensibi strain gage gibidir Yukarıda 4 noktadan ölçme yapan bir yük hücresi görülmektedir Tek noktadan ya da iki noktadan ölçüm yapanları da bulunmaktadır Şekil 46’da A, B, C, D noktalarındaki strain gagelerin dirençleri basınca bağlı olarak değişir Bu değişim ile orantılı olarak da basınç miktarını tespit edebiliriz

Piezoelektrik Basınç Ölçme Sensörleri

Basıncın elektrik akımına dönüştürülme yollarından biri de piezoelektrik olayıdır Piezoelektrik özellikli algılayıcılarda kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılır Bu elemanlar üzerlerine gelen basınca göre küçük değerli bir elektrik gerilimi ve akımı üretir Bu elektrik akımının değeri basıncın değeri ile doru orantılıdır Piezoelektrik özellikli elemanlar hızlı tepki verdiklerinden ani basınç değişikliklerini ölçmede yaygın olarak kullanılır

Sensör, Transdüser ve Transmetter uygulama alanları




Uydu Haberleşme ve Uzaktan Kontrol Sistemleri




ROBOT Teknolojisi ve Kontrol




Kimya Sanayi ve Kontrol Üniteleri




Uzaktan Kontrol Sistemleri