Ölçüm Sistemleri, Sensör ve Transdüserler
Mehmet Yılmaz
mehmet.yilmaz@teknomerkez.net
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
Işık Filtre 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 özetlenebilir.Kontrol ve ölçme alanında transdüser kullanmadan bir iş yapmak mümkün değildir. Transdüserlerin tasarımları kolay, fakat yapım ve kalibrasyonları zordur. Transdüserler, özellikle elektronik cihazların önemli bir elemanıdır.Çeşitli 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. 
