1

SENSÖRLER ve TRANSDÜSERLER

1. Giriş

Günümüzde üretilmiş yüzlerce tip algılayıcıdan söz edilebilir. Mikro elektronik

teknolojisindeki inanılmaz hızlı gelişmeler bu konuda her gün yeni bir buluş ya da yeni bir

uygulama tipi geliştirilmesine olanak sağlamaktadır.

Teknik terminolojide Sensor ve Transducer terimleri birbirlerinin yerine sık sık

kullanılan terimlerdir. Transducer genel olarak enerji dönüştürücü olarak tanımlanır. Sensor

ise çeşitli enerji biçimlerini elektriksel enerjiye dönüştüren cihazlardır. Ancak 1969 yılında

ISA (Instrument Society of America) bu iki terimi eş anlamlı olarak kabul etmiş ve "ölçülen

fiziksel özellik, miktar ve koşulların kullanılabilir elektriksel miktara dönüştüren bir araç"

olarak tanımlanmıştır.

Endüstride en sık kullanılan algılayıcılar için ölçülen büyüklükler ve çıkış

büyüklüklerine ait bilgiler Tablo 1'de verilmiştir.

2

2. Sensör ve Transdüser Nedir?

Sensör = Algılayıcılar ("duyarga" da denmektedir) fiziksel ortam ile endüstriyel

amaçlı elektrik/elektronik cihazları birbirine bağlayan bir köprü görevi görürler. Bu cihazlar

endüstriyel proses sürecinde kontrol , koruma ve görüntüleme gibi çok geniş bir kullanım

alanına sahiptirler.

Transdüser = Fiziksel ortam değişikliklerini (ısı, ışık, basınç, ses, vb.) algılayan

elemanlara “sensör”, algıladığı bilgiyi elektrik enerjisine çeviren elemanlara transdüser denir.

Transdüserler, teknolojinin gelişmesiyle birlikte birçok iş makinasının

kumandasında ,kapıların otomatik açılıp kapatılmasında ,bir çok aygıtın istenildiği zaman

devreye sokulup çıkartılmasında gibi bir çok yerde transdüserlerkullanılırlar.Bu sayede hem

günlük hayatımızı hem de endüstriyel üretim süreçlerini çok daha kolaylaştırmış oluruz. Biz

bu modül de hep birlikte başlıca sensör ve transdüserleri tanıyarak kullanım alanlarını

göreceğiz.

3. Sensörlerin Sınıflandırılması

Algılayıcıları birbirinden farklı birçok sınıfa ayırmak mümkün. Ölçülen büyüklüğe

göre, çıkış büyüklüğüne göre, besleme ihtiyacına göre vb… Aşağıda bu sınıflardan bazılarına

değinilecektir.

3.1 Giriş Büyüklüklerine Göre

Algılayıcılarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrılabilir. Bunlar;

1. Mekanik : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), basınç, hız, ivme,

pozisyon, ses dalgaboyu ve yoğunluğu

2. Termal : Sıcaklık, ısı akışı

3. Elektriksel : Voltaj, akım, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon,

elektrik alanı ve frekans

4. Manyetik : Alan yoğunluğu, akı yoğunlugu, manyetik moment, geçirgenlik

5. Işıma : Yoğunluk, dalgaboyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme

3

6. Kimyasal : Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, pH miktarı

3.2 Çıkış Büyüklüklerine Göre

Öte yandan analog çıkışlara alternatif olan dijital çıkışlar ise bilgisayarlarla doğrudan

iletişim kurabilirler. Bu iletişimler kurulurken belli bazı protokoller kullanılır. Bunlardan seri

iletişim protokollerine, aşağıda kısaca değinilmiştir.

RS232C: Bu protokol başlangıçta telefon veri iletişimi için tasarlanmıştır. Daha sonra

birçok bilgisayar sistemi bunu sıkça kullanmaya başlamış ve sonuçta RS232 standart bir

iletişim protokolu haline gelmiştir. RS232C'nin çalışması tek sonlamalıdır(single ended).

Lojik 1 = -15,-3 arasında ve lojik 0 = +3,+15 arasındadır. Algılayıcılar verileri bitler halinde

ve seri iletişim protokoluna uygun olarak bilgisayara gönderir. RS232C bir single ended

arayüze olduğundan alıcı ve gönderici arasındaki uzaklık dış çevreden gelen olumsuz

faktörlerin (EMI,RFI enterferanslar) azaltılması açısından kısa tutulmalıdır.

RS422A : Bu protokol Differantial ended bir arayüze sahiptir. Alıcı verici arasındaki

uzaklık yeterince en uzak seviyededir. Hatlarda bu mesafe sebebiyle olabilecek zayıflama

200mV seviyesine kadar azalsa da sistem iletişime devam eder. Diferansiyel ara birim

sayesinde sinyaldeki zayıflama ihmal edilebilir düzeye çekilir ve oldukça yüksek bir veri

hızıyla haberleşme sağlanabilir. Algılayıcı ve bilgisayar arasındaki iletişimde Twisted Pair

(Bükülmüş kablo) kullanıldığından dış etkilerden etkileşim azdır.

RS485 : Standart 422A protokolu genişletilerek oluşturulmuş bir protokoldür. Bu

protokol ile birlikte çalışabilen 32 adet alıcı vericinin tek bir kabloyla veri iletişimi

sağlanabilir. RS485 protokolü kablodaki iletişim problemlerini ortadan kaldırmaktadır.

3.3 Besleme İhtiyacına Göre

Algılayıcılar besleme ihtiyacına göre iki sınıfa ayrılabilir. Bunlar ;

3.3.1 Pasif Algılayıcılar

Hiçbir şekilde dışardan harici enerji almadan (besleme gerilimine ihtiyaç duymadan)

fiziksel ya da kimyasal değerleri bir başka büyüklüğe çevirirler. Bu algılayıcı tipine örnek

4

olarak Termocouple (T/C) ya da anahtar gösterilebilir. T/C aşağıda etraflıca anlatılacaktır.

Anahtar ise bilindiği gibi mekanik bir hareketi elektriksel bir kontağa dönüştürmektedir.

3.3.2 Aktif Algılayıcılar

Çalışmaları için harici bir enerji beslenmesine ihtiyaç duyarlar. Bu algılayıcılar tipik

olarak zayıf sinyalleri ölçmek için kullanılırlar. Aktif algılayıcılarda dikkat edilmesi gereken

nokta giriş ve çıkışlardır. Bu tip algılayıcılar dijital ya da analog formatta elektriksel çıkış

sinyali üretirler. Analog çıkışlılarda, çıkış büyüklüğü gerilim ya da akımdır. Gerilim çıkışı

genellikle 0-5V aralığında oldukça yaygın kullanılmaktadır.

Ancak 4-20mA akım çıkışı da artık endüstride standart haline gelmiştir. Bazı

durumlarda 0-20mA akım çevrimi kullanılmaktadır Ancak endüstride çoğu zaman hatlarda

meydana gelen bozulma kopma gibi durumlarda sistemin bu durumu kolay algılaması ve veri

iletişiminin sağlıklı yapılabilmesi için 4-20mA daha yaygın kullanılır. Çok eski algılayıcılar

10-50 mA akım çıkışlarına sahiptirler. Endüstride en yaygın kullanılan 4-20 mA çevrim

tipinin kullanımı bazı özel durumlar gerektirmektedir. Bu noktalar;

a) Algılayıcıların yerleştirildiği uzak noktalarda elektrik besleme geriliminin olmaması

gereklidir.

b) Algılayıcılar gerilim sinyalinin sınırlı olabileceği durumlarda tehlikeli uygulamalarda

kullanılmalıdır

c) Algılayıcıya giden kablolar iki ile sınırlanmalıdır.

d) Akım çevrimsinyali göreceli olarak gürültü geriliminin ani sıçramalarına karşı

korumalıdır. Ancak bunu uzun mesafe veri aktarımında yapamaz.

e) Algılayıcılar, ölçüm sisteminden elektriksel olarak izole edilmelidir.

3.4 Algılama Şekillerine Göre

3.4.1.1 Temaslı Algılayıcılar

Sensörün algıladığı cisme temas etmesi ile gerçekleşen değişimin algılanmasıdır.

Temas eylemi genelde mekaniktir.

5

3.4.1.2 Temassız Algılayıcılar

Ayrık konum büyüklükleri için kullanılan, ya kısaca ifade etmek gerekirse, bir

nesnenin belirlenen bir konumda bulunup, bulunmadığını saptayan algılayıcılardır. Bu

algılayıcılar temassız algılayıcı adı altında gösterilmektedir. Nesnenin konumunu

belirleyen ya da belirleyemeyen bu algılayıcılar, duruma göre ya “evet” ya da “hayır”

şeklinde bir uyarı verirler. Bu tip, yani sadece iki durumu bildiren algılayıcılar ikili

algılayıcı ya da seyrek de olsa initiyatör şeklinde gösterilir.

Birçok üretim donanımında belirlenen hareketlerin geri besleme işareti için mekanik

konum anahtarları kullanılır. Bu anahtarların diğer gösterim şekilleri mikro anahtar, sınır

anahtarı ya da limit valfidir. Burada hareket temas edilerek algılanır ve daha önceden

tasarlanan şartlar bu şekilde yerine getirilir. Ayrıca bu anahtarlar aşınmaya karşı

dayanıklıdır.

Temassız algılayıcılar bu anahtarlardan farklı olarak elektroniksel ve temassız çalışır.

Temassız algılayıcıların getirdiği avantajlar şunlardır:

Geometrik konumların hassas ve otomatik olarak saptanması

Nesnelerin ve hareketlerin temassız olarak saptanması; elektronik temassız

algılayıcının yardımıyla iş parçası ve algılayıcı arasında kontak kurulması

gerekmez

Anahtarlama hızlılığı – algılayıcılar elektronik çıkış sinyallerinin yardımıyla

gerilim tepe değerleri ve hata impulsları üretmez.

Aşınmaya dayanımlı fonksiyon – elektronik algılayıcılar hareketlilikten dolayı

aşınan parçalar içermez

Sınırsız sayıdaki anahtarlama çevrimleri

Ağır çevre koşullarında da kullanılabilen tasarımlar mevcuttur (örneğin patlama

tehlikesi bulunan ortamlar).

Bu sebeplerden dolayı, temassız algılayıcılar endüstrinin birçok kolunda

kullanılmaktadır.Temassız algılayıcılar teknik birimlerin çalışmalarının kontrol edilmesini

sağlar. Bu yüzden de prosesin çalışma kontrolünün ve güvenliğinin sağlanması amacı ile

6

kullanılır. Böylece üretim sırasında ortaya çıkan arızalar önceden, hızlı ve güvenli bir

şekilde saptanır. İnsan ve makinenin başına gelebilecek zararların önlenmesi, önemli bir

görüş noktasıdır. Makinelerin durma süre ve sayılarının azaltılması, arızaları hızlı bir

şekildesaptayan ve bildiren algılayıcıları kullanılması ile mümkündür.

4. Sensör Çeşitleri

4.1. Temaslı Sensörler

4.1.1. Mekanik Konum Anahtarları

Şekil 1: Örnek bir konum anahtarı

Robot çalışmalarında sıklıkla kullanılan touch sensörler aslında basit anahtarlardır.

Touch sensör robotun bir cisme temas edip etmediğini ya da sınırlandırılması gereken bir

hareketin tamamlanıp tamamlanmadığını algılamak için ( limit switch ) kullanılır.

4.1.2. Basınç Sensörleri

Her türlü fiziki kuvvet ve basınç değişimini algılayan ve bu değişimi elektriksel

sinyale çeviren elemanlara basınç sensörü denir.

4.1.2.1. Piezoelektrik Basınç Ölçme Sensörleri

7

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

doğru orantılıdır.

Piezoelektrik özellikli elemanlar hızlı tepki verdiklerinden ani basınç değişikliklerini

ölçmede yaygın olarak kullanılır.

Şekil 2: Piezoelektrik basınç sensörünün yapısı

4.1.2.2. Load Cell (Yük Hücresi) Basınç Sensörleri

Yük hücresi (load cell) daha çok elektronik terazilerin yapımında kullanılan basınç

sensörüdür. Asıl çalışma prensibi strain gauge gibidir.

8

Şekil3: Load Cell ve iç yapısı

4.1.2.3. Strain Gauge (Şekil Değişikliği) Sensörleri

Temel olarak strain gaugeler 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

olacaktır.Bu 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.

9

Şekil 4: Strain Gauge

4.1.2.4. Kapasitif Basınç Ölçme Sensörü

Kondansatörler 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 ki

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.

Şekil 5: Kapasitif Basınç Ölçme Sensörünün Yapısı

10

4.1.3. Denge ve Eğim Sensörleri (Civalı Sensörler)

Bazı otomasyon sistemlerinde ya da robot projelerinde eğimin algılanması gerekebilir.

Bu durumlarda eğimi algılayabilmek için içlerinde civa damlacığı ya da metal bilye bulunan

eğim sensörleri kullanılır. Bu sensörler bulundukları konuma göre içlerindeki civa

damlacığının ya da metal bilyenin sensör içerisindeki anahtarları açması ya da kapamasıyla

çalışır.

Şekil 6: Civalı Eğim Sensörleri

4.2. Temassız Sensörler

4.2.1. Termal Sensörler

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.

4.2.1.1. Dirençsel sıcaklık sensörleri (RTD)

Bir metalin direncinin sıcaklık ile artması dirençsel sıcaklık sensörü RTD lerin

temelidir. Metal iletkenlerden yapılmış olan elemanların dirençleri sıcaklık ile doğru

11

orantılıdır. (PTC). Alaşım ve yarıiletkenlerde ise durum farklıdır. Pek çok

yarıiletkenin direnci sıcaklık ile ters orantılıdır. RTD lerin dirençleri ne kadar

yüksekse sistemdeki hata payı da o kadar düşük olacaktır.

Demir, platin, nikel, 0.7 nikel-0.3 demir ve bakır gibi maddeler RTD

imalatında en çok kullanılan maddelerdir. Bu malzemeler içerisinde en doğrusal

sonuçları veren ve en ideal olanı platindir. RTD’ler hassas sıcaklık algılayıcılardır.

Hassaslık, uzun süreli elektriksel direnç kararlılığı, eleman doğrusallığı ve

tekrarlanabilirliği gibi özellikler isteyen uygulamalarda kullanılırlar. Çok geniş bir

sıcakılık aralığında ölçüm alabilirler (Bazı platin algılayıcılar -164 C ; +650 C

arasında çalışabilir).

RTD'lerde bulunan algılama elemanı genellikle bir platin tel sargısı veya

seramiğe uygulanmış ince bir metalik tabakadır. Platin RTD'lerin direnç değerleri, tel

sarımlı laboratuar RTD'lerinde 10 ohm'dan, ince plakalı RTD'lerde birkaç bin ohm'a

kadar değişmektedir. En çok bilinen değer 0°C'ta 100 ohm'dur (PT100). RTD'ler 0

°C'taki direnç değerleri ve kullanılan elemente göre adlandırılmıştır. (PT100,

PT1000...).

Şekil 7: Örnek Bir RTD

4.2.1.1.1. PTC (Positive Temperature Coefficient)

Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel

direnci artan devre elemanıdır.

12

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.

Şekil 8: Çeşitli PTC ‘ler ve karakteristiği

4.2.1.1.2. NTC (Negative Temperature Coefficient)

Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel

direnci azalandevre 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.

13

Şekil 9: Çeşitli NTC ‘ler ve karakteristiği

4.2.1.2. Termistörler

Termistörler, RTD ler gibi termistörler de sıcaklığa duyarlıdirençlerdir ancak

RTD lerden daha yüksek dirence sahiptirler ve bu daonları daha hassas yapan bir

özelliktir. Çünkü yüksek dirençlerindendolayı bağlantı uçlarının dirençlerinden

kaynaklanan ölçüm hatasıRTD'lerinkinden çok daha küçük olur. Sonuç olarak

termistörler RTD ler ileölçülemeyecek küçük sıcaklık değişimlerini ölçmek için

kullanılabilir.

14

Şekil 10: Örnek Bir Termistör

4.2.1.3 Isıl Çiftler (thermocouple, termokupl)

Yüksek sıcaklıkların ölçülmesinde termometreler kullanılamaz. Termokupllar

eksi 200°'den 2320°C' ye kadar çeşitli proseslerde yaygın olarak kullanılır.

Termokupullar demir konstantan ve bakır konstantan gibi iki farklı metalin

birleşme noktası ısıtıldığında bu iki metal uçları arasında potansiyel bir fark meydana

gelir, prensibine göre çalışır. Oluşan potansiyel farkın değeri , iki ayrı metalin

ısınma sonucundaki sıcaklık ve soğukluk farkına bağlıdır.İşte oluşan bu potansiyel

fark kullanılarak istenilen sıcaklık değerleri ölçülür. (Şekil 11)

Şekil 11: Termokuplun yapısı ve çeşitleri

15

4.2.1.4. Entegre devre sıcaklık sensörleri

Yarı iletken entegre devrelerin gelişmesi ile tümdevre sıcaklık sensörleri ortaya

çıkmıştır. Germanyum ve silisyum içerisine karıştırılan kristaller ile üretilen sıcaklık

sensörleri kullanılmaktadır.

Germanyum kristal malzemelerin dirençleri sıcaklık ile ters orantılıdır.

Silisyum kristal malzemelerin dirençleri ise sıcaklıkla doğru orantılıdır. Germanyum

silisyum malzemelerin sıcaklık sensörü olarak çalışma mantığı; normal germanyum

silisyum PN birleşmeli diyotlarda oluşan nötr bölgenin sıcaklık arttırılarak aşılması

sonucu bu bölgeden akım geçmesinin sağlanmasıdır. Sıcaklık arttıkça bu bölgeden

geçen akım da artar.

Şekil 12: Örnek lm35 ısı sensörü (entegresi)

4.2.2. Manyetik Sensörler

4.2.2.1. Reed Sensörü

Manyetik temassız algılayıcılar kalıcı mıknatısların ve elektromıknatısların

oluşturdukları manyetik alanlara etkirler.Reed-anahtarlarında ferromanyetik

malzemeden yapılan (Fe-Ni karışımı, Fe=demir, Ni=nikel) kontak dilleri eritilerek

cam bir pistona bağlanır. Pistonun içinde reaksiyona girmeyen ve yanmayan bir gaz

16

(örneğin azot) bulunur. Reed-temassız algılayıcının yakınına bir manyetik alan

yaklaştığı zaman, kontak dilleri manyetiklenir. Manyetiklenen kontak dilleri

birbirlerini çeker ve kontak kapanır.

Şekil 13: Örnek bir reed kontak

4.2.2.2. Hall (Alan)Etkili Sensör

Başka bir tür manyetik sensör ileyarı iletkenden yapılmış “hall sensörü” denir.

Yarı iletkenden elektronlar aktığı zaman akım yönüne dik manyetik alan

uyguladığımızda elektronlar belli yerde toplanır. Toplanan elektronlar yarı iletkenin

öbür uçlarında gerilimi meydana gelmesine sebep olur. Buna hall etkisi adı verilir.

Gerilim ile manyetik alanın şiddeti ve varlığı ile algılanır.

Şekil 14: Alan etkili sensör

4.2.3. Endüktif Sensörler

Manyetik alanlarına giren metal nesneleri, hareket etseler de, etmeseler de

temassız olarak algılar.

17

Şekil 15: Endüktif sensörünün yapısı ve bağlantısı

Şekil 16: Endüktif sensörün metal cisimi algılaması

4.2.4. Kapasitif Sensörler

Metallerin yanı sıra plastik, tahta, kağıt, kumaş vb. malzemeleri algılayan

sensör çeşididir. Bu sensörler ilke olarak indüktif sensörlere benzer. Fiyatları indüktif

sensörlerden daha pahalı, optik sensörlere göre hemen hemen aynıdır. Algılama

mesafeleri indüktifsensörlere göre daha fazladır.

Şekil 17: Kapasitif sensörünün yapısı ve bağlantısı

18

Şekil 18: Kapasitif sensörün metal cisimi algılaması

4.2.5. Optik Sensörler

4.2.5.1. LDR

Işığa karşı öz direnci değişen üzerinden geçen akımı değiştiren elemanlara

optik sensör denir. Işık miktarındaki değişmeleri elektriksel olarak dönüştürürler.

Optik sensörler küçük akımlı cihazlardır. Optik sensörler büyük akımları taşımaz,

yalnız kumanda devrelerini çalıştırırlar.

Şekil 19: LDR

4.2.5.2. 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

19

ışık düştüğünde ise birleşim yüzeyindeki elektron ve oyuklar açığa çıkar ve bu şekilde

foto diyot üzerinden akım geçer. Buakımın 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.Eğer Foto diyot, avometre çıkış polaritesine ters olarak bağlanıp üzerine

ışık tutulursadirencinin azaldığı ve üzeri karartıldığında direncinin arttığı

gözlemlenirse foto diyot sağlamdır.

Şekil 20: Foto Diyot Örnekleri

4.2.5.3. Foto Pil

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 arsenid, 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

20

pilleri seri bağlanarak daha büyük gerilim, paralel bağlanarak daha büyük akım elde

edilebilir. Güneş enerjisiyle çalışan hesap makinelerinde kullanılan eleman ışık pilidir.

Şekil 21: Foto Pil Elemanı Görünümü

4.2.5.4. Optokuplör

Optokuplör kelime anlamı olarak optik kuplaj anlamına gelir. 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.

Şekil 22: Optokuplör görünümü ve yapısı

21

4.2.5.5. Foto Transistörler

Fototransistörler diğer transistörlerden farklı olarak base bacağı yerine base ile

kollektörün birleşim yüzeyine düşen ışıkla tetiklenirler. Genellikle led ile birlikte

yansıma sensörü olarak kullanılırlar.

Şekil 22: Fototransistör görünümü ve yapısı

4.2.5.6. Engel Algılama Sensörleri

Engel tanıma sensörleri gelişmiş yansımalı sensörlerdir. Bu sensörler bir IR

verici led tarafından yayılan IR ışığın IR alıcı modül ile toplanması mantığıyla

çalışırlar. IR ışınların yayılımı kodlanmıştır ( uzaktan kumandalardaki gibi ) ve kesik

kesiktir. Sensörün kullanıldığı robot bir engelle karşılaştığında yayılan IR ışın geri

yansır ve alıcı tarafından algılanır.

Sensörün hassasiyeti IR ışığın gücüne, yansımanın olduğu yüzeyin rengine,

şekline , yapısına, yansıma açısına ve alıcının hassasiyetine bağlı olarak değişebilir.

Şekil 23: TSOP1738 IR Alıcı Modül

22

4.2.5.7. Mesafe Algılama Sensörleri

Robot ve otomasyon projelerinde bazen sadece engeli algılamak yeterli

olmayabilir. Mesafe algılaması gerektiren durumlardan SHARP mesafe algılayıcı

sensörler kullanılır. SHARP sensörün yaydığı IR ışık engele çarpıp geri yansır ve

yansıyan IR ışık SHARP sensörün alıcısı tarafından algılanır. Engel ile SHARP sensör

arasındaki mesafeye bağlı olarak IR ışığın yansıma açısı ve ışığın dedektör üzerinde

düştüğü nokta değişir. Dedektör bu veriyi okur ve mesafeyi hesaplar.

Şekil 24: Sharp mesafe algılama sensörü

4.2.5.8. PIR Sensörler

PIR sensörler görüş alanlarındaki insanların ve sıcak kanlı canlıların yaydıkları

IR ışıkları algılayabilen sensörlerdir. Genellikle hareket sensörü olarak kullanılırlar

(hırsız alarmları, otomatik aydınlatma üniteleri gibi yerlerde).

PIR sensörlerdeki algılama mesafesinin arttırılması ortamdan gelen ışığın

Freshnel lens (mercek filtre) ile IR ışınların kırılma açılarının tam sensör üzerine

düşürülüp odaklanmasıyla sağlanır. Canlı hareket ettiğinde sensörün çokgen

yapısından dolayı algıladığı ışığın anlık olarak kesilip yeniden sensör üzerine düşmesi

ile PIR sensör hareketi algılar. Yangın alarmlarında alev algılayan pyroelectric Infra

red sensor kullanılır.

23

Şekil 25: PIR sensörü

4.2.5.9. Encoderler (Şaft Pozisyon Algılayıcı)

Encoderler robot ve otomasyon projelerinde açısal dönme hızını ve düzeneğin

açısal pozisyonunu belirlemek amacıyla kullanılır.

Encoder diskinin üzerinde belirli aralıkla delikler vardır. Encoder diski

dönerken IR ledin yaydığı ışık deliklerden geçer ve karşı taraftaki fototransistörü

tetikler. Delik olmayan kısımlarda ise IR ışık fototransistörü tetikleyemez. Bu şekilde

alınan sinyaller sayılabilir ve mikrodenetleyiciye gönderilebilir. Mikrodenetleyicide

yazılı program ile sinyaller işlenerek gerekli işlemlerin gerçekleştirilmesi sağlanır.

Bir diğer encoder diskide üzerinde delikler yerine siyah ve beyaz renkte

dilimler olan encoder diskleridir. Bu tip encoder disklerinde sensör olarak yansımalı

sensörler kullanılır. Beyaz ve siyah renklerin algılanması sayesinde açısal dönem hızı

ve pozisyon belirlenir.

24

Şekil 26: Encoder şekli ve yapısı

4.2.6. Ses Sensörleri

4.2.6.1. Ultrasonik Sensörler

Ultrasonik sensörler genellikle robotlarda engellerden kaçmak, navigasyon ve

bulunan yerin haritasını çıkarmak amacıyla kullanılmaktadır.Bu türden çalışmaları ilk

olarak,Polaroid firması ultrasonik sensörü kullanarak ve bunu bir aletin içine koyup

kamera uzaklığını anlayan sistem geliştirmiştir.

Ultrasonik ses dalgaları 20.000 Hz ile 500.000 Hz arasında frekanslara sahip

ses dalgalarıdır. Bizim duyabildiğimiz 300 Hz-14.000 Hz bandının üzerindedirler.

Ultrasonik sensörler ultrasonik ses dalgaları yayan ve bunların engellere çarpıp geri

dönmesine kadar geçen süreyi hesaplayarak aradaki uzaklığı belirleyebilen

sensörlerdir.

Bu sensörlerde bu kadar yüksek frekanslarda ses dalgalarının yayılmasının

nedeni ; bu frekanslardaki dalgaların düzgün doğrusal şekilde ilerlemeleri ,

enerjilerinin yüksek olması ve sert yüzeylerden kolayca yansımasıdır.

Ultrasonik sensörlerin algılama menzili uygun koşullarda 30 metreye varabilir.

Ultrasonik sensörlerde iki adet transducer bulunur. Bunlardan biri ultrasonik speaker

diğeri de ultrasonik mikrofondur. Elektronik devre ile ultrasonik speaker'dan ses

dalgasının yayılma anı ile bu ses dalgasının engele çarpıp yansıyarak ultrasonik

mikrofon tarafından algılanması arasındaki zaman ölçülür ve bu zamanın ikiye

25

bölünüp ses hızı ile çarpılması sonucunda da engel ile ultrasonik sensör arasındaki

mesafe hesaplanır. Robotlarda genellikle 40 kHz'lik ultrasonik sensörler

kullanılmaktadır.

Çalışma Prensibi:

Ultrasonik uzaklık sensörü, piezoelektrik transducerden gelen 40khz ultrasonik

sesin kısa darbelerini yayarak çalışmaktadır. Ses enerjisinin küçük bir kısmı sensörün

önündeki cisimlerden yansıyarak dedektöre yani farklı bir piezoelektrik transducere

gelir (Şekil 7.1). Alıcı yükselteci yansıyan işareti (ekoları) sinyal dedeksiyon sistemine

veya mikrokontrolöre gönderir. Sinyalin havadaki hızına bağlı olarak mikrokontrolör,

cisimlerin ne kadar uzakta olduklarını zamanlama prosesi koşarak belirler.

Şekil 27: Örnek bir ultrasonik

4.2.6.2. Mikrofon (Ses Sensörü)

Biz konuştuğumuzda havayı titreştirerek hava da bir basınç değişikliği

oluşturuyoruz.

Duyma işleminde ise bu basınç değişikliğini kulaklarımızdaki zar ile

algılıyoruz. Mikrofonlar da tıpkı kulaklarımız gibi havadaki basınç değişikliğinin

yarattığı etkiden yararlanarak sesi algılıyor ve elektrik sinyaline çeviriyor. Sesi elektrik

sinyallerine çeviren cihazlara “mikrofon” denir.

26

Şekil de görüldüğü gibi, ağzından çıkan veya herhangi bir şekilde yayınlanan

ses havada basınç değişimi yaratmakta ve bu basınç değişimi, suya atılan taşın

yarattığı dalgaya benzer şekilde havada bir dalga iletimi şeklinde yayılmaktadır. Ses

aslında hava basıncındaki değişimdir.

Bütün mikrofonların yapısı, ses dalgalarının bir diyaframı titreştirmesi esasına

dayanmaktadır. Her sesin belirli bir şiddeti vardır. Bu ses şiddetinin havada yarattığı

basınç ses şiddeti ile doğru orantılıdır. Gelen hava basıncının büyüklük ve

küçüklüğüne göre ileri geri titreşen diyaframın bu titreşimini, elektrik enerjisine

çevirmek için değişik yöntemler kullanılmaktadır. Kullanılan yöntemlere göre de

mikrofonlara isim verilmektedir.

Ses algılaması gerektiren robot ve otomasyon projelerinde mikrofon kullanarak

yapılan ses sensörü devreleri kullanılır.

Mikrofonlarda önemli olan unsur diyaframdır. Diyafram ses dalgalarıyla

titreşir ve bu titreşimler mikrofonun çeşidine ve yapısına göre farklı biçimlerde

elektrik sinyallerine dönüştürülür. Mikrofonların frekans, empedans, duyarlılık ve alış

yönü gibi karakteristik özellikleri vardır. Bu karakteristik özellikler mikrofonun

çeşidine ve kalitesine göre farklılık gösterir ve uygulamaya göre mikrofon seçiminde

rol oynar.

Mikrofonlara sağlamlık testi uygularken öncelikle mikrofonun özelliğine göre

direncine bakılır. Katalogda ya da üzerinde belirtilen direnç değerleri avometre ile

kontrol edilir. Mikrofonun çıkışına bir preamplifikatör (çok küçük sinyalleri yükselten

yükseltici) bağlanır. Preamplifikatörün çıkışına da bir osilaskop bağlayarak mikrofona

ses dalgası verilir. Uyguladığımız seslere göre osilaskop ekranında AC titreşimler

oluşuyorsa mikrofon sağlamdır.

Mikrofon çeşitleri:

Dinamik (bobinli - manyetik) mikrofonlar

Kapasitif (kondansatör) mikrofonlar

Şeritli (bantlı) mikrofonlar

27

Kristal (Piezoelektrik kristalli) mikrofonlar

Karbon tozlu mikrofonlar

Elektret mikrofonlar

Şekil 28: Mikrofon

4.2.6.2.1. Dinamik (Bobinli - Manyetik) Mikrofonlar

Dinamik mikrofonlar ses dalgaları ile hareket eden diyaframa bağlı bobinin

sabit bir mıknatıs içinde hareket etmesinden dolayı bobin uçlarında oluşan gerilim

değişimine bağlı olarak çalışır.

Ses dalgalarıyla titreşen diyafram, bağlı bulunduğu bobini, sabit mıknatıs

içerisinde ileri-geri hareket ettirir. Sabit mıknatısın kutupları arasında manyetik alan

hatları vardır. Bobin iletkenleri hareket sırasında bu manyetik alan hatlarını

kesmektedir. Manyetik alan içerisinde hareket eden iletkenin uçları arasında bir

gerilim oluşur.

28

Şekil 29: Dinamik mikrofon örnekleri

Sürekli ileri-geri titreşim halinde bulunan bobinde de ses frekans ına uygun

olarak değişen bir gerilim oluşur. Mikrofon bobini uçlarında oluşan gerilim, bir ses

frekans yükseltecine verildiğinde, hoparlörden aynı frekansta çıkış alınır. Böylece

mikrofona yapılan konuşma veya melodi kuvvetlendirilmiş olarak sese dönüştürülür.

Dinamik mikrofon bobininin direnci birkaç ohm "Ω" kadardır.

Şekil 30: Dinamik mikrofonun yapısı

Dinamik mikrofon, Şekil de görüldüğü gibi şu bölümlerden oluşmaktadır:

Diyafram

Diyaframa bağlı hareketli bobin

29

Bobinin içerisinde hareket ettiği sabit mıknatıs

Empedans uygunluğu sağlayan küçük bir transformatör (Bazı dinamik

mikrofonlarda bulunur).

Dinamik mikrofonlar kullanım sırasında, elektriksel alandan uzak tutulmalıdır.

En çok kullanılan mikrofon türüdür.

4.2.6.2.2. Kapasitif (Kondansatör) Mikrofonlar

Kapasitif mikrofonlar statik elektriklenme esasına göre çalışan mikrofonlardır.

Kapasitif mikrofonların diyaframı gelen ses dalgalarıyla titreşir ve bu titreşim

mikrofonun kapasitesinin değişimine neden olur. Kapasitedeki bu değişim sesin

özelliğine uygun olarak mikrofonun çıkışında elektrik sinyallerini oluşturur.

Şekilde görüldüğü gibi bir sabit levha ve bir de hareketli iletken levha arasında

hava boşluğu bırakılarak kapasite elde edilir. Hareketli levha aynı zamanda diyafram

görevi de yapar. Kapasitif mikrofonlar şarjlı bir kondansatörün yükü değiştirildiğinde

elektrik akımının elde edilmesi esasına dayalı olarak çalışır. UCC bataryası (1,5-45V)

sürekli olarak beslediği için kondansatörlü mikrofon sürekli şarjlıdır. Ses dalgalar

diyaframa çarptığı nda mekanik titreşimler meydana gelir.

Titreşimin plakalar arasındaki hava aralığını daralıp genişletmesiyle kapasite

değişimi sağlar. Kapasitenin değişmesi ile devreden küçük bir akım geçer. Devreden

geçen akım direnç üzerinde bir gerilim düşümü meydan getirir. Bu gerilim küçük

olduğu için bir yükselteç devresiyle yükseltilerek kullanılır.

30

Şekil 31: Kapasitif mikrofonun yapısı

Kapasitif mikrofonların yüksek seslerde az distorsiyonlu olduklar için çok

tercih edilir. Fakat fiyatları da kaliteleri gibi yüksektir. Başlıca şu üstünlüklere sahiptir:

50 - 15000 Hz arasında oldukça geniş bir frekans karakteristiği vardır.

Distorsiyon azdır.

Empedansı büyüktür (10 - 50 MΩ).

Bu özelliklere karşın şu tip dezavantajları vardır:

Diğer mikrofonlardan farklı olarak, bir besleme kaynağına ihtiyacı vardır.

Yükselteç ile mikrofon arası kablonun kapasitif etkisi mikrofon kapasitesini

etkileyerek parazite neden olur.

Bu etkiyi azaltmak amacıyla mikrofon içine bir yükselteç konur.

Kapasitif mikrofonların devreye bağlantısı DC beslemeli olarak yapılır.

Mikrofonun plâkalarına uygulanan DC, modele göre 1,5 - 48 V arasında

değişmektedir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan kapasitif mikrofonların DC

beslemesinde bir ya da iki adet kalem pil bulunur. DC akım ile beslenerek

kullanıldıkları ve küçük boyutlarda üretilebildikleri için robotik çalışmalar için

uygundur.

31

4.2.6.2.3. Şeritli (Bantlı) Mikrofonlar

Çalışmaları dinamik mikrofonlar gibi manyetik alan esasına dayalı

mikrofonlardır. Şekil de görüldüğü gibi manyetik alan içine yerleştirilmiş ince bir

alüminyum ya da kalay levhaya ses sinyalleri çarpınca, manyetik alan içinde hareket

eden levhada ses frekanslı akım oluşur.

Şeritli mikrofonların empedeansı çok düşük, kaliteleri yüksektir. Sarsıntıdan,

rüzgârdan olumsuz etkilendiklerinden kapalı ortamlarda kullanılır.

Şekil 32. Şeritli mikrofonun yapısı

4.2.6.2.4. Kristal (Piezoelektrik kristalli) Mikrofonlar

Kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı

maddelere basınç uygulandığında üzerlerinde elektrik akımı oluşur. Bu akım, basıncın

kuvvetine ve frekansına göre değişir. İşte bu esastan yararlanarak kristal mikrofonlar

yapılmıştır. Kristalli mikrofonlarda, kristal madde Şekil 7.9' da görüldüğü gibi çok

ince iki metal elektrot arasına yerleştirilmiş ve bir pin (küçük çubuk) ile diyaframa

32

tutturulmuştur. Ses titreşimleri diyaframı titreştirince kristal de titreşmektedir.

Kristaldeki titreşim ise AA özellikli elektriksel sinyallerin oluşmasını sağlamaktadır.

Şekil 33. Kristal mikrofonun yapısı

4.2.6.2.5. Karbon Tozlu Mikrofonlar

Karbon tozlu mikrofonlar Şekil 7.10’de görüldüğü gibi bir hazne içinde

doldurulan karbon tozu zerrecikleri ve esnek diyaframdan oluşmuştur. Ses dalgaları

alüminyum diyaframa çarpınca titreşerek karbon zerreciklerinin sıkışıp gevşemesine

yol açar. Tozlar sıkışınca akımın yolu kısalacağından direnç azalır. Tozlar gevşeyince

ise akımın yolu uzayacağından direnç yükselir. İşte bu işlem esnasında sesin şiddetine

göre karbon tozlarından geçen akım değişken özellik gösterir.

Karbon tozlu mikrofonların çalışabilmesi için bir DA besleme kaynağına

gereksinim vardır. Bu tip mikrofonların empedansları 50 ohm dolayında olup çok

küçüktür. Ayrıca, kömür tozları zamanla özelliğini kaybettiğinden mikrofonun

hassasiyeti bozulmaktadır. İşte bu nedenle günümüzde çok kullanılan bir mikrofon tipi

olmayıp, eski tip telefonlarda vb. karşımıza çıkmaktadır.

33

Şekil 34: Karbon tozlu mikrofonun yapısı

4.2.6.3. Hoparlör

Elektriksel sinyalleri insan kulağının duyabileceği ses sinyallerine çeviren

elemanlara “hoparlör” denir. Sağlamlık testi yapılırken Avometre Ohm konumuna

(200 ohm) alınır. Yapılan ölçümde üzerinde yazılı olan direnç değeri (4,8,16 Ohm

gibi) okunmalıdır. Bunun yanında ölçüm esnasında hoparlör bobini, membranı bir

miktar titreştirmelidir. Çok küçük bir ses çıkarmalıdır.

Şekil 35: Hoparlör

4.2.6.3.1. Dinamik (Hareketli Bobinli) Hoparlörler

34

Dinamik hoparlörlerde yükselteçten gelen AC özellikli sinyaller hoparlör

içindeki bobinin etrafında değişken bir manyetik alan oluşturur. Bu alan ile sabit

mıknatısın alanı birbirini itip çekerek diyaframın titreşimine sebep olur. Diyaframın

ses sinyallerine göre titreşimi havayı titreştirir. Kulak zarı da buna bağlı olarak

titreşerek sesleri algılamamızı sağlar.

Şekil de görüldüğü gibi dinamik hoparlörler, bobin, mıknatıs, kon (diyafram)

gibi elemanların birleşiminden oluşmuştur. Bu elemanlarda demirden yapılmış bir

silindirin ortasına doğal mıknatıs yerleştirilmiştir. Mıknatısla yumuşak demir

arasındaki hava aralığına ise hoparlör diyaframının uzantısı üzerine sarılmış bobin

konmuştur.

Bobinin sarıldığı diyaframın alt kısmı bir süspansiyon (esnek taşıyıcı) ile

gövdeye tutturulmuştur. Bobin, süspansiyonlar sayesinde hava aralığında rahatça

hareket edebilmektedir. Hoparlörlerde kon iki tanedir. Geniş çaplı olan dışarıda, küçük

çaplı olan ortadadır. Büyük kon kalın (bas) sesleri, küçük kon ise ince (tiz) sesleri

oluşturur.

Şekil 36: Hoparlörün yapısı

4.2.6.3.2. Piezoelektrik (Kristal) Hoparlörler

35

Şekil de yapıları görülen piezoelektrik hoparlörler çizgi biçiminde, birbirine

karşı polarize edilmiş, bükülgen piezooksit (kurşun, elmas, titan karışımı) maddeden

yapılmıştır.Şeritlere akım uygulandığında, boyut uzayıp kısalır ve karşıdakini itip

çeker. Bu titreşim ise esnek membranı hareket ettirerek ses oluşur.

Piezoelektrik hoparlörler daha çok yüksek frekanslı seslerin elde edilmesinde

(kolonların tivitırlarında) ve kulaklıklarda kullanılmaktadır. Aynı zamanda dijital

saatlerde kullanılan hoparlörlerde buzzer olarak piezoelektrik esasına göre çalışır.

Şekil 37: Piezoelektrik hoparlörler

4.2.7. Kimyasal Sensörler

4.2.7.1. LPG Gaz Sensörleri

Otomasyon projelerinde sıkça kullanılangaz sensörüdür.

Algılama hassasiyeti =>100-10,000 ppm

Tespit edilen gazlar => izobutan, propan

Özellikleri =>10 Sn'de tepki süresi

Şekil 38:LPG gaz sensörü

5. Diğer sensörler

36

1-)Akış ölçüm sensörleri

Akış transdüserleri kalorimetrik algılama metoduna uygun olarak çalışırlar

( sıcaklık transferi/soğutma davranışı ).Sıcaklığa bağımlı olarak değişen iki direnç bir

ölçüm köprüsü olarak sensörün içine yerleştirilmiştir.

Dirençlerden biri akışkan sıvı etrafındaki sıcaklığı ölçen aygıttır diğeri ise

ısıtıcı elemana termal bağlantılıdır. Isıtıcı elemana gerilim uygulandığında her iki

direnç arasındaki ölçüm sonucu bir sıcaklık farkı yaratır.Sıvı akmadığı müddetçe bu

fark sabit bir değerdir.

2-)Yoğunluk ölçüm sensörleri

Yoğunluk ölçüm cihazları sıvıların ve katı maddelerin yoğunluğunu yüzdürme

yöntemi ile belirler. Aslında yoğunlukölçüm cihazları kesin doğruluğa sahip

37

elektriksel teraziler olarak görülebilirler. Plastik, kauçuk sıvılar, sinterli metaller,

seramik, cam ve diğer A-metallerin yoğunluk ölçümleri için uygundurlar. Bu

yoğunluk belirleme tarzı yüksek doğruluk oranı ve hızlı ölçüm sonucu imkanı ile öne

çıkmaktadır. Yoğunluk ölçümü yüzdürme yönteminde kullanılan camdan bir bob ile

yapılmaktadır.

Katı maddelerde ise yoğunluk tespiti kitle probun ağırlık ve hacminin

ölçülmesi ile gerçekleşmektedir. Bu esnada yoğunluk ölçüm cihazları mevcut olan

terazi ile nesnenin ağırlığı belirlenirken probun yüzme seviyesinden yola çıkarak

hacim ölçüm gerçekleşmektedir ki bunun için kullanılan sıvının hacmi bilinmelidir.

Sıvıların hacminin sıcaklığa bağlı olması sebebiyle yoğunluk ölçüm cihazları ölçüm

sonuclarının manüel veya otomatik bir sıcaklık kompenzasyonuna sahiptir. Yüzdürme

kuvveti uzaklaştırılan sıvının ağırlığına eşittir. 

3-)Ph ölçüm sensörleri

Ph, elektrik sinyali üreten bir araç (elektrot) kullanılarak Ph metre cihazı

sayesinde bu elektriksel sinyali, Ph birimine çeviren potansiyometrik bir ölçümdür.

Üretilen ve ölçülen sinyal bir voltajdır. pH ölçümünü yapabilmek için iki gerilime

ihtiyaç vardır, Ph ölçümü için gerekli olan elektriksel sinyal bu iki gerilim

arasındaki fark ile oluşur.Bu iki gerilim şunlardır:

38

1- Algılama elektrotu ürün içindeki hidrojen iyon aktivitesinin logaritmasına

oransal bir gerilim sağlar,

2- Referans elektrot ideal olarak ürünün aktivitesinden bağımsız sabit ve

sürekli bir gerilim sağlar.

Referans ve algılama elektrotu arasındaki bu gerilim farkı ph metre

tarafından ölçülür ve pH değerine çevrilir.

4-)360o eğim sensörü

FTA18 Açı sensörünü bir çok farklı amaç için kullanabilirsiniz. 0-180 derece

ölçme aralığında 0,04 derece hassasiyetinde 0-10 volt, 0-20 ma. veya 4-20 ma. kısa

devre korumalı çıkışı vardır. Hatalı bağlantı koruması mevcuttur. Bu sensör ile

dairesel hareketlerin posizyon ölçümünü ve açısal ölçümünü yapabilirsiniz.

Potansiyometre gibi sürtünmesi olmadığı için sensör çok uzun ömürlüdür.

Vibrasyondan etkilenmez, Su geçirmez (waterproof). 0,333 milisaniye ölçüm zamanı

ile son derece hızlı ve hatasız olarak posizyon bilgisini analog çıkışa aktarır.

Endüstriyel uygulamalarda linear cetvel, potansiyometre, enkoder ile yapılan

bir çok ölçme işlemini FTA18 açı sensörü ile yapabilirsiniz. Enkoder elektrik yok iken

posizyonu değiştiğinde konumunu kaybeder, oysa FTA18 açı sensörü enerjilendiğinde

bulunduğu açıyı tespit eder. Potansiyometre ve lineer potansiyometre ile yapılan

39

ölçüm işlemlerinde kısa ömürlü oluşları en büyük dezavantajdır. Ayrıca lineer

potansiyometreler oldukça pahalıdır. Potansiyometre için 10 volt kaynak ihtiyacı

vardır, kolaylıkla temin edilemez. Oysa açı sensörü 12-30 volt ile çalışır. Aşağıdaki

örnek de lineer cetvel ile açı sensörü karşılaştırılmıştır.

Lineer Potansiyometre Karşılaştırması:

Bu örnekte dairesel hareket eden bir kol ve bu hareketi ölçen Lineer cetvel ve

Açı sensörü görülmektedir. Kolun toplam uzunluğu 100 cm olmasına rağmen lineer

cetvel maaliyetini azaltmak için kolun yarısında 70 cm. mesafe’ye bağlanmıştır.

Lineer cetveller potansiyometre tipi ve manyetik tipleri mevcuttur. Manyetik tipleri

çok pahalı olduğundan örneğimizde potansiyometre tipi kullanılmıştır. Okuma

hassasiyeti 1 mm’dir. Cetvel kullanıldıkça bu hassasiyet bozulacaktır. Açı sensöründe

ise sürtünme olmadığından kullanım ömrü sonderece uzundur.

Cetvel 1 mm hareket ettiğinde kolun en ucundaki hareket 2 mm olacaktır. Açı

sensörü ise 0,04 derece ölçüm kaabiliyetine sahip olduğundan kolun en ucundaki

hareketi daha hassas okuyacaktır. Yarı çapı 100 cm olan dairenin çevresin 628 cm’dir.

0,04 derece ise 0,0696 cm’dir. Böylece kolun ucundaki hareketi 0,696 mm

hassasiyetinde okuyabiliriz.

5-)Seviye ölçüm sensörleri

40

Seviye Ölçüm Yöntemleri

Seviye Kontrolü uygulamalarında, bir çok eski ve geleneksel metodlar halen kullanılıyor olmasına rağmen, biz burada seviye ölçümüne genel bir bakış oluşturmak ve farklı yöntemler de olduğunun bilinmesini sağlamak istiyoruz.

Seviye ölçüm uygulamalarında öncelikli olarak yapılması gereken, müşterinin tek noktada mı yoksa sürekli olarak mı veya her iki şekilde birden mi seviyeyi kontrol etmek istediğinin belirlenmesidir. Var olan çok çeşitli ölçüm metodları arasından, uygulama için en uygun olanını belirlemek en kritik noktadır.Yukarıda da belirtildiği gibi; seviye sensörleri iki ana kategoriye ayrılabilir.

 *Noktasal seviye kontrolünde kullanılan seviye şalterleri

Seviye şalterleri genellikle temaslı enstrümanlardır ve kabın içerisindeki ürünün belirli bir noktadaki varlığının veya yokluğunun belirlenmesi için kullanılır. Nereye monte edildiklerine bağlı olarak, kabın, tankın, deponun dolu, boş veya aradaki bir seviyede olduğunun sinyalini verirler. Bu tip seviye şalterlerinin bazıları, ultrasonik şalterler, kuru ve katı malzemeler için pedallı seviye şalterleri, kapasitif problar, iletkenlik probları, hem sıvı hem katı malzemelerde kullanılan titreşim probları, yatay veya dikey olarak monte edilen tekli veya çoklu şamandıralı seviye şalterleridir.

41

 *Sürekli tip seviye sensörleri

 Temaslı veya temassız enstrümanlardır. Temaslı enstrümanların içerisinde, yük hücreleri (load-cell), hidro-statik basınç sensörleri, kapasite probları, rölelerin çekilip bırakılması prensibi ile çalışan elektro-mekanik cihazlar, radar ve magnetostrictive prensibi ile çalışan cihazlar bulunur. Temassız sürekli seviye sensörleri ise ultrasonik, açık hava radarları, lazerli veya nükleer seviye sensörlerini içermektedir.

Seviyenin ölçülmesinden sonra ölçülen bilginin nasıl değerlendirileceğidir.(PLC , özel yazılımlar ,Dijital göstergeler….)

  1.Görüntülü Seviye Ölçüm Yöntemleri

 Cam Tüp

Temelde tanktaki sıvı seviyesini görebilmek için birleşik kaplar prensibi kullanılır. Tank kenarına monte edilen cam borudaki seviye, tank içerisindeki malzemenin seviyesi ile aynı olduğundan, seviye tank dışarısından kolaylıkla dışarıdan izlenebilir. Bu yöntemle, sisteme herhangi bir mekanik veya elektronik müdahale olmadığından, yalnızca görsel olarak seviye kontrolü yapılabilmektedir.

 Yansıtıcı (Refleks) Cam

Malzemelerin çeşitli fazlarında ışığın farklı kırılması prensibine göre çalışan bir yöntemdir. Sıvılar, ışığı yuttukları için, refleks camda koyu renkli, gazlar ise ışığı daha az absorbe ettiklerinden daha açık renkte görülürler.

Kuvvetle Seviye Ölçüm Yöntemleri Diyafram

42

Genellikle içerisinde mıknatıs bulunan kolun, malzemenin baskısı ile içerisinde reed kontak veya micro-switch bulunan gövdeye yaklaşması sonucu alınan kontak ile malzemenin seviyesi kontrol edilir. Şamandıra prensibine benzer ancak katı malzemelerin seviye kontrolünde kullanılması avantajıdır.

 Tilt Şalter

Genellikle kablolu seviye şalteri olarak anılan, cıvalı switch veya özel bir eğimli yol yardımıyla hareket eden bilyalı bir mekanizma ihtiva eden ve micro-switch yardımıyla kontak alınan seviye şalterleridir. Eğim açısına bağlı olarak, alt, üst veya her iki seviye kontrolü için kullanılması mümkündür. Ekonomikliği ve her türlü sıvı veya katı malzemede ve yanıcı – patlayıcı özellikli ortamlarda kullanılabilirliği nedeniyle tercih edilen bir noktasal seviye kontrol yöntemidir.

 2.3. Şamandıra

Sıvı seviyesine göre paslanmaz çelik tüp boyunca hareket eden mıknatıslı şamandıra ve tüp içerisine yerleştirilmiş reed rölelerden oluşur. Şamandıra, reed röleye yaklaştığında, içerisindeki mıknatısın manyetik kuvveti ile reed röle açılır veya kapanır. Reed rölelerin sıralı dizilmesiyle, sürekli seviye ölçümü de yapılabilir. Tankın yanından, üstünden kolaylıkla monte edilmesi ve herhangi bir kalibrasyon gerektirmemesi ve ekonomikliği sayesinde, kullanıcıya kolaylıklar sağladığından en çok tercih edilen seviye ölçüm metotlarından biridir. Ancak, sıvı viskozitesinin yüksek olduğu durumlarda temassız ölçüm yöntemlerine göre zayıf kaldığı bir gerçektir.

 2.4. Manyetik Seviye Göstergeleri

Temel olarak sıvının kaldırma kuvvetinin kullanıldığı görüntülü ölçüm yöntemidir. Birleşik kaplar prensibi gereği, tank ile manyetik seviye göstergesi içerisindeki sıvı seviyeleri aynıdır. Gösterge gövdesi içine yerleştirilen ve her sıvının yoğunluğuna bağlı olarak, kaldırma kuvvetine göre dizayn edilen şamandıranın içerisindeki mıknatıs, ana gövdenin dış yüzeyine yerleştirilmiş gösterge içerisindeki, mıknatıs ihtiva eden sezgi elemanlarını etkiler ve seviyenin yükselmesi veya alçalması sırasında sezgi elemanlarının sıra ile dönmesini sağlar. Sezgi elemanlarının farklı renklerde olan iki yüzü sayesinde de seviye bilgisi tank dışarısından kolaylıkla

43

izlenebilir. Gövdenin üzerine yerleştirilen sıralı reed röleler yardımıyla sürekli seviye bilgisi analog sinyale dönüştürülebilirken, yine gövde üzerine istenen noktalara yerleştirilecek reed kontaklar sayesinde noktasal seviye kontrolü de yapılabilmektedir.

Yüksek basınçlı tanklarda ve kazanlarda seviye ölçümü uygulamalarında kullanılabilecek en ekonomik ve sık rastlanan yöntemlerden biridir.

 Magnetostrictive Sensörler:

Cihaz, temel olarak, gövde içerisine yerleştirilmiş bir magnetostrictive telden ve, içerisinde mıknatıs ihtiva eden bir şamandıradan oluşmaktadır. Şamandıra, cihazın gövdesi üzerinde dikey olarak hareket eden tek oynar parçasıdır. Magnetostrictive telden geçirilen pulse akımı sırasında, tel etrafında manyetik alan oluşur. Şamandıranın hareketi sırasında, şamandıranın manyetik alanının magnetostrictive telin etrafındaki manyetik alan ile etkileşimi sonucu, telde burulmadan kaynaklanan bir titreşim oluşur. Şamandıranın pozisyonu, burulmadan kaynaklanan titreşimin sensöre ulaşmasına kadar geçen zaman ile belirlenir.

 Basınç İle Seviye Ölçümü 3.1. Hidrostatik Basınç

Sıvı seviyesinin sürekli ölçümünde en eski ve sık kullanılan yöntemlerden biri de kabın içerisindeki sıvının tabana uyguladığı hidrostatik basıncın ölçümüdür. Tankın alt yüzeyinde bulunan sensör, hidrostatik basıncı sıvı seviyesi ile orantılı bir akım sinyaline çevirir. İçerisinde silikon yağı ve metal veya seramik diyafram ihtiva eden yarı iletken transduser, hassasiyet ve sürekliliği arttırmak için kullanılır. Daldırma tip (submersible) seviye transmitterlerinde atmosferik basınç ile kompanzasyonun sağlanması amacıyla, hidrostatik basınç transmitteri kablosu içerisinde bir de hava tüpü bulunur. Hidrostatik basınç, sıvı sütununun yüksekliği ve sıvının özgül ağırlığının çarpımıdır.

 

Fark Basınç

44

Hidrostatik basınç yardımıyla seviye ölçümü ile aynı prensiptedir. Ancak, kapalı tanklarda oluşan, statik basıncın etkisi fark basınç yönteminde yok edilebilmektedir.

 Bubbler

Basınç yöntemi ile temelde aynıdır. Basınç transmitterinin proses ile temasının istenmediği durumlarda kullanılır.

Boruya verilen P hava basıncı nedeniyle borunun alt ucundan hava kabarcıkları yüzeye çıkar. Hava basıncı, sıvı hidrostatik basıncından küçük veya eşit ise kabarcıklanma durur. Bu noktada hava basıncı hidrostatik basınca eşittir.

Elektriksel Yöntemlerle Seviye Ölçümü Isıl Kütle

Bu cihazlar, ısının sıvı içerisinde yayılımı ile havadaki yayılımını karşılaştırarak, sıvının varlığını veya yokluğunu belirler. Sensör, termistor formu ile bir direnç ihtiva eder. Termistör, kendisine gerilim uygulandığında ısıtıcı gibi davranır ve aynı zamanda ısıyı algılar ve elektrik sinyaline dönüştürür. Termistör tarafından yaratılan ısı sıvı içinde yayıldığı anda switch çıkışı elde edilir.

 

Kapasitif

45

Kapasitif seviye sensörleri genellikle radyo frekansı teknolojisini kullanır. Kap içerisindeki sıvının, granüllerin, çimento benzeri malzemelerin seviyesinin tespit edilmesi için kapasitörlerin elektriksel karakteristiklerini kullanır. Giydirilmiş veya çıplak haldeki elektrot (prob) kapasitörün birinci iletken kısmı olarak tankın içerisine daldırılır. Tankın metal gövdesi ise diğer iletken olarak davranacaktır. Metal olmayan ve plastik tanklarda ise, çift elektrotlu sistemler kullanılmalıdır ki, ikinci elektrot diğer kapasitör iletkeni görevini görebilsin. Kapasitif seviye sensörü, tank içerisindeki malzemenin sensör probu boyunca hareket etmesi (artması veya azalması) sırasında meydana gelen kapasite değişimini ölçer. Bu kapasite değeri lineer bir ölçüm için de, belli bir noktadaki seviye bilgisinin kontak çıkışı olarak elde edilebilmesi için de kullanılabilir.

 İletkenlik

İletkenlik tip seviye şalterleri, temel olarak, düşük voltaj kaynağı ile (genellikle < 20 V) elektrik akımını iletebilen malzemelerin iletkenliği üzerine kurulmuştur. 2, 3 veya daha fazla elektrottan oluşan seviye şalteri, algılanacak sıvı seviyesine yerleştirilir. Sıvı elektrotlara ulaştığında elektrotlar ile temas eder ve elektrotlar arasındaki elektrik devresi kapanmış olur. Bu sayede switch çıkışı elde edilir. Bu tip seviye sensörleri noktasal seviye kontrolünde kullanılır. İletken ve iletken olmayan iki sıvının ara yüzeyinin seviyesinin tespitinde de kullanılabilir.

 Endüktif

Kapasitif ölçümüm manyetik alan versiyonudur. Bu yöntemde manyetik alan geçirgenliği (permabilite) ölçülür. Laboratuar çalışmaları dışında pek görülmez. Tank selfinin[1] değişimini izlemek için pek pratik değildir, büyük miktarlarda enerji gerektirir. Öte yandan, tankın oluşturduğu sistemin sağladığı çalışma frekansının (rezonans frekansı) değişimi ile de en azından şalter olarak ölçüm yapmak mümkündür. Metal detektörlerinin de çalışma prensibi budur. Ancak, seviye ölçümünde uygulanabilirliği zayıftır.

 

Elektromekanik Yöntemlerle Seviye Ölçümü 

46

Motorlu

Motor ve halat ucundaki seviye ağırlığından oluşur. Gövdeye halat ile bağlanmış ağırlık, motor vasıtası ile aşağıya doğru hareket eder. Silo içerisindeki katı malzemeye temas ettiğinde is başlangıç pozisyonuna döner. Geriye doğru sarılan halat uzunluğu, toplam uzunluktan çıkarıldığı zaman tank içerisindeki malzemenin seviyesi elde edilmiş olur. Tozdan etkilenmemesi ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilmesi motorlu seviye şalterlerinin avantajlarıdır.

 5.2. Mekanik Rotor (Pedallı Seviye Şalteri)

Rotor pedalları, en eski seviye sensörlerinden biridir. Bu sensörler, kullanımı kolay, güvenilir ve her tür kuru yığının (talaş, tahıl, bakliyat, vs.) seviye ölçümünde uygulanabilirliği ile göze batar. Bu üniteler temel olarak 3-4 pedala bağlanmış şaftı çeviren küçük bir motordan oluşur. Şaft rahatlıkla dönebiliyorken, malzeme ile temas yoktur. Pedallar malzeme ile temas ettiğinde şaft yavaşlar veya tamamen durur. Bu sayede, cihazın takılı olduğu noktadaki seviyeye kadar malzeme ulaşmış demektir. Daha gelişmiş modelleri, malzemenin varlığını veya yokluğunu algılamanın yanında elektrik bağlantı hatası veya elektrik kesintisi gibi durumlarda kullanıcıyı uyarır.

 5.3.Titreşim

Prob, sonunda bulunan piezo-elektrik elemanı kullanarak titreşir. Bu piezo-elektrik eleman belirli bir vibrasyon frekansına set edilmiştir. Probun herhangi bir malzeme ile teması halinde, titreşim malzeme tarafından emilir. Vibrasyondaki bu değişim sensör tarafından hissedilir ve röle çıkışına dönüştürülür. Tek çubuklu cihazlar sadece katı malzemelerde kullanılırken, çift problu cihazlar, hem sıvı hem de katı malzemelerde kullanılabilir. Vibrasyon probları tipik olarak deponun üst kısmına veya yan tarafına monte edilir. Bu tamamen elektronik seviye şalterlerinin iki önemli avantajı vardır. Birincisi, farklı malzemeler için herhangi bir kalibrasyona ihtiyaç duymamalarıdır. İkincisi ise, bu probların çok düşük yoğunluklu malzemelerde bile sorunsuz çalışabilmeleridir.

  Optik Yöntemlerle Seviye Ölçümü 

47

6.1. Işıklı (Optik) Beam Breaker

Basit optik anahtarlama kullanılır. Sensördeki ışık miktarının değişimi, seviyenin bu noktada olduğunu belirtir. Bakım (özellikle temizlik) ihtiyacının fazlalığı nedeniyle seviye ölçümlerinde sık kullanılmaz. Referans ışık değişimine (kirliliğe) duyarsız ölçüm de mümkündür ancak maliyeti oldukça yüksektir. Bu ölçüm metodu seviye ölçümünden çok kirlilik ölçümü uygulamalarında daha kullanışlıdır.

 Radyasyon (Nükleer)

Kaynaktan sensöre aktarılabilen tanecik sayısı (özellikle gamma izotopu) , radyoaktif ışınımın geçtiği ortamın kütlesi ile ters orantılıdır. Dolayısıyla, bu yöntemde kaynak – sensör arasındaki mesafe miktarı doğrudan ölçülüp buradan seviye bulunur. Daha çok yoğunluk ölçümüne uygun olan bir yöntemdir. Seviye ölçümü için ise maliyeti oldukça yüksektir. Dikkat edilmesi gereken bir başka nokta ise, seviyesi ölçülmek istenen malzemenin radyoaktif özellikli olmaması gerektiğidir.

 E/M Dalga ile Seviye Ölçüm Yöntemleri 7.1. Ultrasonik

Ultrasonik seviye sensörleri, seviyenin tespit edilmesinde ses dalgalarını kullanır. Tankın üstüne yerleştirilen transduser içerisindeki piezoelektrik kristal, elektriksek sinyalleri belirli bir frekans ve sabit hızla ortam içerisinde dalgasal olarak hareket eden ses enerjisine dönüştürür. Ses dalgaları yayılır ve eko olarak transdusera geri döner. Cihaz, basitçe dalganın yayılamaya başlamasıyla, yüzeyden yansıyarak geri dönmesi arasında geçen süreyi ölçer. Bu süre, transduser ile seviyesi ölçülmek istenen malzemenin yüzeyi arasındaki uzaklıkla doğru orantılıdır ve malzemenin seviyesinin ölçülmesi için kullanılabilir.

Ultrasonik seviye şalterleri, özellikle düşük viskoziteli sıvıların noktasal seviye ölçümlerinde alternatif bir yöntemdir. Şalterin bir yanında bulunan çevirici kristal ile diğer taraftaki alıcı kristal arasında malzeme olup olmadığını ses dalgalarının iletimi yöntemiyle algılar.

 Radar

48

Bu yöntem, ultrasonik prensibe oldukça benzer bir metottur. Radar (bazen mikro-dalga olarak da adlandırılır) yönteminde, kabın üstüne yerleştirilen sensörden aşağı doğru yönlendirilmiş GHz mertebesinde yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar kullanılır.

Gönderilen enerjinin seviyesi ölçülmek istenen sıvı yüzeyinden yansıyan kısmı, sensöre geri döner. Sinyalin gidip gelme süresi (uçuş süresi olarak da adlandırılır) seviyenin tespiti için kullanılan büyüklüktür. Non-Invasive olarak adlandırılan radar teknolojisinde herhangi bir tüp veya kablo kullanılmaz. FMCW (Frekans Modüler Sürekli Dalga) ve Pulse Radar iki farklı Non-Invasive radar teknolojisidir, Invasive radar teknolojisinde dalgaya kılavuzluk edecek sensörden tankın tabanına kadar uzanan bir kablo veya çubuk kullanılır.

------------------------- KAYNAKLAR ---------------------------

1- http://utkuonline.tripod.com/index.html

49

2- http://tr.wikipedia.org/wiki/Sensör

3- http://www.festo.com/cat/tr_tr/products_050000

4- MEGEP - Elektrik Elektronik Teknolojisi - Sensörler ve Transdüserler Modülü (pdf)

5- Elektriksel Olmayan büyüklüklerin elektriksel Yöntemlerle Ölçülmesi, (Mobil Robot Sensörleri) (pdf)

6- http://www.robotiksistem.com/sensor_nedir_sensor_cesitleri.html

7- http://www.elektrikrehberiniz.com/elektronik/sensor-ve-transduser-1907/

8- http://makinecim.com/bilgi_5731_SENSORLER-VE-TRANSDUSERLER

9- http://elektronikproje-ramazans.blogcu.com/olcum-sistemleri-sensor-ve-transduserler/ 9091626

10- http://tr.wikipedia.org/wiki/Transdüser