2.3 Sensörler (Berat) Sensörler, çevrelerindeki çeşitli bilgileri saptayan ve onlara tepki veren cihazlardır. Topladıkları bilgilere girdi, verdiklerine ise çıktı denir. Girdiler ışık, ısı, hareket, nem, basınç gibi olgular olabilir. Çıktılar, sensörlere direkt olarak bağlı ekranlara veya bir şebeke üzerinden elektronik olarak aktarılan, okunabilir çeşitli sinyallerdir. Sensörlerin çoğunun elektronik olmasına rağmen bazı sensörler görece daha basittir. Örnek olarak belki de hayatımızda en çok yer alan ve en basit sensörlerden biri olan cıva bazlı termometrede girdi, sıcaklıktır. Sıvı, tepki olarak genleşip büzüşür ve ölçüdeki değerin artmasını veya azalmasını sağlar ki girdi tanımında okunabilir olarak bahsedilen kısım budur. Sensörlere başka bir örnek olarak birçok kullanım alanı olan hareket sensörü verilebilir. Merdiven dairelerindeki hareket sensörlü ampuller, otomatik kapılar, musluklar ve el kurutucuları gibi pek çok alanda karşımıza çıkarlar. Foto algılayıcısı sayesinde IR ya da UV enerjileri tespit eder. Analog ve dijital olmak üzere iki çeşit elektronik sensör vardır. Analog sensörler dijital sensörlere kıyasla çok daha hassastırlar. Analog sinyaller devamlı olduğundan dolayı sıcaklık ve basınç gibi fiziksel değişkenlerdeki en ufak bir değişikliği bile yakalayabilirler. Öte yandan dijital sensörler, değişim eğilimini takip ederken birler ve sıfırlar gibi durağan verilerle kısıtlanmıştır. 2.3.1 Projede kullanılan sensörler Debi ölçer projesinde basınç ve sıcaklık sensörü olmak üzere iki çeşit sensör kullanılmıştır. 2.3.1.1 Basınç Sensörü Basınç sensörü hakkında bilgi edinmeden önce basınç kavramının pekiştirilmesi daha verimli bir okuma için önemlidir. Basınç, bir yüzeye uygulanan kuvvet olarak tanımlanabilir. Ölçümü yüzey alanı birimi başına uygulanan kuvvet birimi hesaplanarak bulunur. Başlıca birimleri Pa, Bar, N/mm^2 ya da PSI’dır. Basınç sensörü, sensöre uygulanan basıncı belirleyebilen ve ölçtüğü veriyi bir sinyale dönüştürebilen bir cihazdır. Basınç sensörleri, irtifa, debi, derinlik ölçümü ve sızıntı testleri gibi birçok alanda kullanılabilirler. Çoğu uygulamada basınç durağan ya da değişken bir referansa göre ölçülmektedir. Referans değiştiğinde kullanılan basınç sensörünün türü de değişmelidir. Basınç sensörleri başlıca 4 tipten oluşur. Bunlar: 1. 2. 3. 4. Mutlak Basınç Sensörü Kapalı Gösterge Basınç Sensörü Gösterge Basınç Sensörü Fark (Diferansiyel) Basınç Sensörü 2.3.1.1.1 Basınç sensörü çeşitleri 2.3.1.1.1.1 Mutlak basınç sensörü Mutlak basınç sensörü, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi basıncın sıfır olduğu boş alandaki vakumu referans alarak basınç ölçümünü sağlar. Referans alınan basınç değerinden ölçülen basınç değerinin farkının alınması ile basınç ölçümü yapılır. Fakat pratikte sıfır basınç değerine ulaşmak mümkün olmadığından dolayı mutlak basınç sensörünün ölçüm değeri hiçbir zaman nokta atışı yapamaz. Mutlak basınç sensörünün kullanım alanlarına örnek olarak hava durumu modellemelerindeki barometrik basınç değişimlerini ölçmek verilebilir. Diğer verilebilecek örnek ise ortam basıncındaki değişimi ölçerek irtifayı belirlemektir. 2.3.1.1.1.2 Kapalı gösterge basınç sensörü Kapalı gösterge basınç sensörü, deniz seviyesindeki atmosferik basıncı referans alarak basınç ölçümü yapar. Diğer üç tip basınç sensörlerine göre daha az yaygındırlar. Kapalı basınç, aynı mutlak basınç gibi diyaframın arkasına hapsedilmiş atmosferik basınca bağlıdır. Ancak vakum değil, önceden belirlenmiş bir referans noktası kullanır. Kapalı gösterge basıncı pozitif veya negatif bir değer olabilir. Pozitif değerlere aşırı basınç denir. Aşırı basınçta ölçülen basınç, standart atmosferik basınçtan daha yüksektir. Po = Pabs – Patm Eğer ölçülen basınç negatif ise düşük basınç veya kısmi basınç olarak adlandırılır. Aşırı basınçta ölçülen basınç, standart atmosferik basınçtan daha alçaktır. Pu = Patm - Pabs Kısmi basınçtan bahsederken değer önüne eksi işareti koyulması gerekmez. Örnek olarak 0,8 bar mutlak basınçta çalışan bir elektrikli süpürge için, 0,2 bar kısmi basınçta çalıştığı da söylenebilir. Kapalı göstergede sıcaklık değişimleri hataya sebep olabileceğinden dolayı, mutlak basınç ve kapalı gösterge kıyaslamasında genellikle mutlak basınç sensörü tercih edilir. 2.3.1.1.1.3 Gösterge basınç sensörü: Gösterge basınç sensöründe, değişken atmosferik basınç referans alınarak basınç ölçümü yapılır. Gösterge basınç sensörleri ya da diğer adıyla göreli (göreceli) basınç sensörleri, en yaygın basınç sensör tiplerindendir. Hava kompresörü, fabrika otomasyonu, endüstriyel gaz tüpleri, sıvı seviyesi ölçümü, yağ basıncı ölçümü, oksijen konsantratörleri, basınç vanaları ve tıbbi gereçler gibi çok geniş alanlarda kullanılabilirler. Basınç ölçüm işleminin atmosferik basınçtaki bir değişiklikten etkilenmesi durumunda bir gösterge sensörü kullanılmalıdır. Mesela, havalandırması olan bir tanktaki sıvı seviyesinin ölçülmesi gerekiyorsa, gösterge sensörü kullanılmalıdır. 2.3.1.1.1.4 Fark (Diferansiyel) basınç sensörü Diferansiyel basınç sensörü, ikincil bir değişken basıncı referans alarak basınç ölçümü yapar. Diferansiyel basınç, iki nokta arasındaki fark olarak kabul edilir. Bu sebeple, diferansiyel basınç sensörleri iki fiziksel alan arasındaki farkı belirlemek için iki ayrı basınç portu içermelidir. Dolayısıyla, yalnızca ölçülen değerler arasında fark varsa bir diferansiyel basınçtan söz edilebilir. Δp = p1 – p2 Diferansiyel basınç, okuma ve referans değerlerinin genellikle değişken olduğu bir ölçümdür. Bu değerlerin birbirinden çıkarılmasıyla diferansiyel basınç hesaplanır. Örneğin: A borusu 100psi’de, B borusu 30psi’de aksaydı; diferansiyel basınç 70 psi olurdu. Diferansiyel basınç sensörleri genellikle çok düşük basınç aralıklarını ölçerler. Genellikle ısıtma, havalandırma, klima sistemleri, anestezi ekipmanları, solunum cihazları, uyku apnesi ekipmanları ve filtre temizleme ekipmanları gibi alanlarda kullanılırlar. 2.3.1.1.2 Basınç algılama prensibi çeşitleri Basınç sensörleri tarafından basıncın algılanması için, koşullara göre birbirinden farklı prensip kullanılır. Bu prensipler 3 ana başlığa ayrılır. Bunlar: 1. Piezoelektrik (Piezodirenç) 2. Kapasitif 3. Dirençsel (Dirençli) 2.3.1.1.2.1 Piezoelektrik (Piezodirenç) Piezoelektrik, kabaca bazı katı materyallerin basınç altında elektrik üretmesidir. Bu materyallere uygulanan basınç, malzeme üzerinde düşük mertebelerde gerilim indüklenmesi oluşturur. Piezoelektrik kelimesi Yunanca’daki basınç veya sıkıştırma anlamına gelen “piezein” ve antik inanışlarda enerji kaynağı olarak kabul görülmüş, kehribar anlamındaki “ēlektron” sözcüklerinin birleşimiyle ortaya çıkmıştır. Kuvars kristalleri, roşel tuzları, baryum ve turmalin piezoelektrik materyallerinden bazılarıdır. Piezoelektrik özelliği taşıyan elemanların tepki hızlarının yüksek olmasından dolayı ani basınç değişikliği için ideal basınç sensörlerinden biridir. Balistik ölçümler, patlama, şok dalgaları, yüksek şiddetli ses ve diğer akustik hidrolik işlemler gibi 0,0001 - 100 PSI aralığında dinamik basınç ölçümleri yapılabilir. Ayrıca yüksek statik basınç alanlarındaki hafif basınç titreşimlerinin ve çok alçak veya çok yüksek sıcaklıklara duyarlı sıcaklık sensörlerinin kullanıldığı yarı statik basınç ölçümlerinde de akla gelebilecek ilk seçim piezoelektrik basınç sensörüdür. 2.3.1.1.2.2 Kapasitif Basınç Sensörleri Kapasitif basınç sensörleri, kapasitif özellikli diyafram hareketinin (esnemesinin) sebep olduğu kapasitanstaki değişimi saptayarak basınç ölçümü sağlar. Diyafram hareketi, üzerine uygulanan basınç ile gerçekleşir. Kapasitans aşağıdaki formül ile ifade edilir: Formüldeki Ɛr materyal arasındaki plakaların dielektrik sabitini, Ɛ0 elektrik sabitini, A plaka alanını, d ise plakalar arasındaki aralığı gösterir. Kapasitanstaki değişimi hesaplamanın en kolay yolu, kapasitansı kapasitif sensör ve indüktörden oluşan akortlu bir devrenin parçası haline getirmektir. 2.3.1.1.2.3 Dirençsel (Dirençli) Basınç Sensörleri Dirençsel basınç sensörleri, basınç ortamındaki bir diyaframa bağlı bir gerinim göstergesinin elektrik direncindeki değişiklikten faydalanır. Gerinim göstergeleri diyaframa bağlı esnek bir aralıkta metal bir direnç elemanından oluşur. Metal diyafram aşırı basınç ve patlama basıncı imkanı verir. Gerinim göstergeleri seramik bir diyafram üzerine yerleştirildiğinde aşırı basınç ve patlama basıncı toleransı metal diyaframlı cihazlardan daha düşük olur. 2.3.1.2 Sıcaklık Sensörü Basınç sensörü bulunduğu ortamın sıcaklığı ölçebilen ve girdi verisini kaydetmek veya izlemek için elektronik veriye dönüştürebilen elektronik bir cihazdır. Birçok çeşit sıcaklık sensörü bulunur. Bazı sıcaklık sensörleri sıcaklığı ölçülen fiziksel nesneyle direkt bağlantı gerektirirken bazıları herhangi bir bağlantı gerekmeksizin nesnenin sıcaklığını ölçebilir. Bağlantı gerektirmeyen sensörler genellikle IR sensörlerdir. Bir nesnenin yaydığı IR enerjiyi uzaktan algılayıp nesnenin sıcaklığını belirleyen bir elektronik devreye sinyal yollarlar. Bağlantı gerektiren ve bağlantı gerektirmeyen sıcaklık sensörleri 3 alt gruba ayrılabilirler: Elektromekanik sıcaklık sensörleri, dirençsel sıcaklık sensörleri ve elektronik sıcaklık sensörleri… 2.3.1.2.1 Termostatlar Termostatlar, nikel, bakır, tungsten ya da alüminyum gibi iki farklı metalden oluşan kontak tipi elektromekanik, bimetalik şerit şeklinde sıcaklık sensörü veya anahtardırlar. İki farklı metalin genleşme hızları farklı olduğundan dolayı, şerit ısıya maruz kaldığında bükülürler. Bimetalik şerit elektrik anahtarı ya da termostatik kontrollerde elektrik anahtarını kontrol etmek için mekanik bir yol olarak kullanılabilir. Yaygın olarak kazan, fırın, sıcak su depolama tankları ve radyatör soğutma sistemlerinde kullanılırlar. 2.3.1.2.2 Bimetalik termostatlar Bimetalik termostatlar birbirine yapışmış olan arka arkaya, iki farklı metalden oluşurlar. Ortam soğuduğunda kontak kapanıp akımın termostattan geçmesini sağlar. Sıcak olduğunda ise bir metal diğerinden daha fazla genleşir, birbirine yapışık iki metal yukarı veya aşağı doğru kıvrılır ve kontağı açıp akımın durmasını sağlar. Sıcaklık değişimlerindeki hareketlerine bağlı olarak iki bimetalik şerit çeşidi vardır. Ayarlanmış bir sıcaklık noktasında, elektrik kontakları üzerinden anlık AÇ/KAPAT ya da KAPAT/AÇ tipi hareketleri üretebilen ve sıcaklık değiştikçe, adım adım konumlarını değiştiren daha yavaş olanlar. Evlerimizde daha yaygın olarak, fırınların ve ütülerin sıcaklığını veya duvarlarda, ev ısıtma sistemlerini kontrol etmek için anlık bimetalik termostatlar kullanılır. Yavaş olanlar genellikle sıcaklık değiştiğinde yavaşça açılan veya sıkılaşan bir bi-metalik bobin ve spiralden oluşurlar. Daha uzun ve daha ince şeritlerden oluştuklarından dolayı, anlık bimetalik termostatlardan daha hassastırlar. Bu da onları sıcaklık göstergeleri ve kadranlarda kullanımda ideal olan yapar. Çok ucuz ve geniş çaplı kullanım alanlarına rağmen anlık termometrelerin en büyük dezavantajı, sıcaklık sensörü olarak kullanılırken, elektrik kontakları açıldığında tekrar kapatmak için bir süre beklemek gerekmektedir. 2.3.1.2.3 Termistörler İsmi termal ve resistör kelimelerinin kombinasyonuyla oluşan termistörler, sıcaklık değişikliklerine maruz kaldıklarında fiziksel dirençlerini değiştiren bir direnç türüdür. Termistörler genellikle nikel, manganez, kobalt gibi yarı iletken oksitler ve cam kaplı seramik malzemelerden yapılırlar, bu da onları kolayca zarar görebilir yapar. Yarı iletken malzemeler genellikle, nispeten sıcaklık değişimlerine daha hızlı tepki verebilmeleri için hava sızdırmaları önlenmiş, küçük disk veya top şekline preslenmişlerdir. Termistörlerin anlık bimetalik termostatlara göre en büyük avantajları, sıcaklık değişimlerine olan tepki süreleri, isabetlilikleri ve tekrarlanabilirlikleridir. Termistörler pasif dirençli cihazlar olduğundan dolayı ölçülebilir bir voltaj çıktısı üretmek için içinden bir akım geçmesi gerekmektedir. 2.3.1.2.4 Dirençli sıcaklık dedektörleri Elektrik dirençli sensörlerin bir diğer türü olan “Dirençli Sıcaklık Dedektörleri” ya da DSD, bobine sarılmış bir bakır, nikel veya platin gibi yüksek saflıkta iletken metallerden yapılmıştır. Elektrik direnci, termistöre benzer bir sıcaklık işlevi olarak değişen hassas sıcaklık sensörleridir. Daha yaygın olarak platinden yapılırlar. Platinden yapılanlar “Platin Direnç Termometreleri” ya da PDT diye adlandırılırlar. En yaygınları, 0℃’de 100Ω standart dirence sahip Pt100 sensörüdür. PDT’lerin en büyük dezavantajları platinin pahalı olmasıdır. DSD’ler dirençli cihazlar oldukları için, içlerinden akım geçmesi ve ortaya çıkan voltajın izlenmesi gerekmektedir. Ancak, direnç tellerinin içinden akım geçerken ısınmasından dolayı dirençteki herhangi bir değişiklik, okumalarda hataya sebebiyet verir. Bunun yaşanmaması için Wheatstone Bridge ağı kullanılır. 2.3.1.2.5 Termokupllar Termokupllar küçük boyları sebebiyle sıcaklık değişimlerine karşı tepki hızları ve basitliklerinden dolayı en yaygın kullanılan sıcaklık sensörü tipidir. Ayrıca -200℃ - 2000℃ gibi en geniş sıcaklık aralığına sahiptirler. Termokupllar, temelde birbirine kaynaklanmış ya da kıvrılmış bakır ve konstant gibi iki farklı metal birleşiminden oluşan termoelektrik sensörlerdir. Biri referans bölgesi, diğeri ölçüm bölgesi olarak bilinen iki bölgeden oluşur.
