SENSÖR VE TRANSDÜSER KAVRAMLARI

Tüm 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.

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. 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 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.

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

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.

1.1. 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.Helisel çift metalli termometreler

Şekil de 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 :Helisel bimetal malzeme ile sıcaklık ölçümü

1.3 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.

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.

3. YARI İLETKEN VE ENTEGRE SICAKLIK SENSÖRLERİ:

3.1. 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.

3.2. 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:LM 35 ve LM335 serisi sıcaklık algılayıcıları

MANYETİK SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER

2.1. Tanımı

Ortamdaki manyetik değişiklikleri algılayan ve buna bağlı olarak çıkışında gerilim üreten elemanlara manyetik transdüser denir . Manyetik transdüserlere “Alan Etkili Transdüser” adı da verilir Manyetik transdüserler, endüktif ve yarı iletken olmak üzere iki çeşit elemandan yapılmaktadır Bobin endüktif bir elemandır ve manyetik alan değişimi içinde bulunursa uçlarında gerilim üretir. Bobin uçlarındaki gerilimin sürekli olması için sürekli değişen bir manyetik alan içinde bulunması yani mıknatısın ya da bobinin sürekli hareket etmesi gerekir Hareketin sürekli olmadığı durumlarda bobin pasif olarak kullanılır Bir bobinin içindeki nüvenin konumuna göre bobinin endüktans değeri değişmektedir Bu sayede uygulanan gerilime göre bobin uçlarına düşen voltaj değişir.

Şekil : Manyetik alan değişimine göre bobin uçlarında meydana gelen e.m.k

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

2.2. Kullanım Alanları

Manyetik transdüserler, aralarında elektriksel bağlantının olmadığı veya sensörle algılanacak cismin

birbirini göremediği durumlar da motor ve benzeri cihazların çektikleri akımların ölçülmesinde, hareket

eden sistemlerin hızlarının ve hareket yönlerinin tespit edilmesinde, güvenlik ve metal detektörlerinde

kullanılır

Manyetik sensör ve transdüserler, günlük hayatta daha çok güvenlik gerektiren yerlerde metallerin (silah, bıçak gibi) aranmasında, hazine arama dedektörlerinde kullanılır. Sanayide ise kumanda ve kontrol sistemlerinde, tıp elektroniğinde, fabrikalarda, otomatik kumanda kontrol uygulamalarında, yer değişimlerinin hassas olarak ölçülmesinde kullanılır.

2.3. Çeşitleri ve Yapıları

2.3.1. Bobinli (Endüktif)Manyetik Sensörler:

Şekil 2.2:Bobin içersinde nüvenin hareketi

Bobin endüktif bir elemandır ve hareketli bir manyetik alan içinde bulunursa bobin uçlarında bir gerilim meydana gelir. Bobin uçlarındaki gerilimin sürekli olması için sürekli değişen bir manyetik alan içinde bulunması yani mıknatısın ya da bobinin sürekli hareket halinde olması gerekir. Hareketin sürekli olmadığı durumlar da bobin pasif olarak kullanılır. Bir bobinin içindeki nüvenin konumuna göre bobinin endüktans değeri değişmektedir (Şekil 2.2). Bu sayede uygulanan gerilime göre bobin uçlarında düşen voltaj değişir. Bu özellliklerden yararlanılarak endüktif transdüserler yapılmaktadır (Şekil 2.3).

Şekil 2.3:Devir Sayısı ölçümlerinde kullanılan endüktif sensörler

Metal malzeme üzerinde oluşan girdap akımları sensörün oluşturduğu manyetik alandan güç çekerler. Belirli mesafede girdap akımları öyle yoğun bir güç çekerler ki sensörün oluşturduğu manyetik alan sönümlenir. • Manyetik alanın sönümlendigi bu noktaya Algılama Noktası denir.

Her türlü iletken metali tespit ederler Çeliği belli bir mesafeden tespit eder. Performansı : • Ortam sıcaklığı

• Hedef materyal

• Hedef ölçülerinden etkilenebilir.

Endüktif Sensör Kullanım Alanları

2.3.2. Elektronik Devreli Manyetik Sensörler (Yaklaşım Sensörleri)

Bir iletkenin içinden akım geçerse o iletkenin etrafında manyetik bir alan oluşur. Bu manyetik alanın içine metal bir cisim girerse bu bobinin indüktans değeri değişir. Bu indüktans değişimi sensörün içinde bulunan devrenin denge(rezonans) noktasını değiştirir. Sensörün içinde bulunan ölçüm yapan devre sayesinde metalin ne kadar yakın ya da uzak olduğunu tespit edebiliriz (Şekil 2.4).

Resim 2.2: Farkli firmanın elektronik devreli yaklaşım sensörleri

Resim 2.2’de değişik firmalarca üretilen yaklaşım sensörleri,daha çok güvenlik amaçlı olarak kullanılmakla birlikte define aramacılığında değerli metallerin bulunmasındada kullanılmaktadırlar (Şekil 2.5).

Şekil 2.5: Hazine arama cihazi ve metal dedektörleri

2.3.3. Alan (Hall) Etkili Transdüserler

Şekil 2.6: Alan etkili transdüserler

Hall sensörü hall etkisine dayanır Bir yarı iletkenden elektronlar akarken akım yönüne dik bir manyetik alan uygulanınca elektronlar belli bir bölgede yoğunlaşır. Bu da yarı iletkenin diğer uçlarında gerilim oluşmasına neden olur.Bu duruma hall etkisi denir. Bu gerilimin değeri manyetik alana, levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensibe göre alan etkili transdüserler yapılır (Şekil 2.6). Alan etkili transdüserler hassas mesafe, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır (Resim 2.3).

Resim: Alan etkili transdüserler ve araçlarda alan etkili sensörlerin kullanılması

2.3.4.Limit Anahtarları

Temaslı sensörlerdir. Çıkış sinyali vermeleri için ikazlanmaları gerekir

2.3.5.Reed – Temassız Algılayıcılar

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 (örneğin azot) bulunur.

Reed-temassız algılayıcının yakınına bir manyetik alan yaklaştığı zaman, kontak dilleri manyetiklenir. Manyetiklenen kontak dilleri birbirlerini çeker ve kontak kapanır.

2.4. Magnetik Sensörlü Uygulama Devresi

Şekil 2.7 ‘de hall etkili anahtar devresi verilmiştir. Bu anahtarın içerisinde hareketli bir kol, üzerine yerleştirilen mıknatısı ,Hall etkisi sensörüne doğru hareket ettirir.Devreye enerji uygulandığında Hall etkisi sensöründen bir akım geçer .Mıknatıs sensöre yaklaştıkça akım, sensörün bir tarafına doğru itilir.Sensörün diğer kenarlarındaki kontaklar akımın hangi tarafta toplandığını saptarlar ve kontaklar üzerinde bir gerilim oluştururlar.Bu gerilim yarı iletken anahtarlama elemanlarını kontrol ederek, anahtarlama devresi üzerindeki yükün enerjisini keser yada enerjilendirir.

2.5. Magnetik Transdüser ve Sensör Devrelerinin Arızasını Gidermek

Çeşitli yapıda yapılan magnetik sensörler kullanıldığı yere göre çeşitlilik arzederler. Bu sensörlerin kullanıldığı yerlerdeki arızayı belirleme de devrenin çalışma prensip şeması ve kullanılan sensörün niteliği önemli rol oynar. Kullanılan sensörün kontrol ettiği eleman bulunarak sensörün konumu öğrenilir. Sensörün etiket bilgilerine bakılarak katolog bilgilerine ulaşılır, böylelikle sensörün ne tip bir sensör olduğu tespit edilir.Sensörün muadili ya da aynı serideki sensör değiştirilerek arıza giderilebilir.

Aşağıdaki cümleleri dikkatlice okuyarak boş bırakılan yerlere doğru sözcüğü yazınız. 1. Aralarında elektriksel bağlantının olmadığı veya sensörle algılanacak cismin birbirini göremediği durumlar da …………………kullanılır. 2. İçinden akım geçen bobinin çevresinde ……………..alan oluşur. 3. Bobinin içerisindeki nüvenin hareket etmesi bobinden geçen …………değişime sebep olur. 4. Günlük hayatımızda manyetik sensörler daha çok …………..tespitinde kullanılır. 5. Elektronik devreli manyetik sensörler çevresine sürekli ………….. alan yayar. 6. Elektronik devreli manyetik sensörlerin etki alanına bir ……….. girdiğinde bobinin devreden çektiği akımda artış olur. 7. Elektronik devreli manyetik sensörler genelde …………………olarak kullanılırlar. 8. Alan etkili manyetik transdüserler ……gerilimle çalışır.

Aşağıdaki cümlelerin boşluklarına uygun kelime ya da kelimeleri yazınız.1. İçinden akım geçen bobinin çevresinde……………..alan oluşur.2. Bobinin içerisindeki nüvenin hareket etmesi bobinden geçen …………değişime sebepolur.3. Günlük hayatımızda manyetik sensörler daha çok…………..tespitinde kullanılır.4. Elektronik devreli manyetik sensörler çevresine sürekli ………….. alan yayar.5. Elektronik devreli manyetik sensörlerin etki alanına bir ……….. girdiğinde bobinindevreden çektiği akımda artış olur.6. Alan etkili magentik transdüserler ……gerilimle çalışır.

BASINÇ SENSÖRLERİ