ALGILAYICILAR (SENSÖRLER)

1 GİRİŞ

           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.

           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 sağlamaktadir
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 ALGILAYICILARIN SINIFLANDIRILMASI

         Algılayıcıları birbirinden farklı birçok sınıfa ayırmak mümkün. Ölçülen büyüklüğe göre, çıkış büyüklüğüne göre, besleme ihtiyacına göre vb… Aşağıda bu sınıflardan bazılarına değinilecektir.

2.1 Giriş Büyüklüklerine Göre

        Algılayıcılarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrılabilir. Bunlar;

1. Mekanik    : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), Basınç, Hız, İvme, Pozisyon, Ses dalgaboyu ve yoğunluğu
2. Termal       : Sıcaklık, ısı akısı
3. Elektriksel : Voltaj, akım, çarc, 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
6. Kimyasal    :Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, pH miktarı

2.2 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.

Çıkış AraBirim Tipi Max Kablo Uzunluğu Max Veri hızı İletişim Tipi
RS232C Single Ended Voltage 15 mt 20Kbps Point to point
RS422A Differantial Voltage 1,2 Km 10Mbps Point to point
RS485A Differantial Voltage 1,2 Km 10Mbps MultiDrop (32 Node)
Table 2: Seri iletişim protokollerinin karşılaştırılması

2.3 Besleme İhtiyacına Göre

Algılayıcılar besleme ihtiyacına göre iki sınıfa ayrılabilir. Bunlar ;

2.3.1 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 olarak Termocouple (T/C) ya da anahtar gösterilebilir. T/C aşağıda etraflıca anlatılacaktır. Anahtar ise bilindiği gibi mekanik bir hareketi elektriksel bir kontağa dönüştürmektedir.

2.3.2 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;

" Algılayıcıların yerleştirildiği uzak noktalarda elektrik besleme geriliminin olmaması gereklidir.
" Algılayıcılar gerilim sinyalinin sınırlı olabileceği durumlarda tehlikeli uygulamalarda kullanılmalıdırl
" Algılayıcıya giden kablolar iki ile sınırlanmalıdır.
" Akım çevrimsinyali göreceli olarak gürültü geriliminin ani sıçramalarına karşı korumalıdır. Ancak bunu uzun mesafe veri aktarımınında yapamaz.
" Algılayıcılar, ölçüm sisteminden elektriksel olarak izole edilmelidir.

3 YER DEĞİŞİMİ VE HAREKET ALGILAYICILARI

Mekanikteki en temel ölçü uzunluk ölçüsüdür. Konum, hareket, yerdeğişimi terimleri birbirine çok yakın durmaktadır. Konum algılayıcı (Position Sensor) yada hareket transdüseri (Motion Transducer) terimlerine sık sık rastlanmaktadır. Yer değişimi transdüseri (Displacement Transducer), teknik olarak en doğru ifade sayılabilir. Temel olarak lineer ve açısal yerdeğişimi algılayıcı olarak ikiye ayrılırlar.
Yerdeğişim Algılayıcıları ölçme teknikleri açısından aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir.

1. Kapasitif
2. Endüktif
3. Relüktans
4. Potansiyometrik
5. Strain-Gage
6. Elektro-Optik
7. Açısal ve Doğrusal Enkoderler
8. Ultrasonik
9. Konum Şalterleri

3.1. ULTRASONİK 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.

3.1.1 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.(Bkz. Şekil-1) Alıcı yükselteci yansıyan işareti (ekoları) sinyal dedeksiyon sistemine veya mikrokontrolöre gönderir.Sinyalin havadaki hızına bağlı olarak mikrokontrolör, cisimlerin ne kadar uzakta olduklarını zamanlama prosessi koşarak belirler.

                                             Şekil-1: Ultrasonik  ses dalgalarının yayılımı

       Ultrasonik uzaklık sensörleri fiziksel olarak iki  çeşitte piyasada bulunmaktadır.Buna rağmen temel işlevleri aynıdır.

·        Polaroid sensör tipi : Ultrasonik ses dalgalarının yayılması ve algılanması tek bir piezoelektrik transducer tarafından yapılır.(bkz. Şekil-2b)

·        Hitechnic sensör tipi: Ultrasonik ses dalgalarının yayılması verici transducer, dalgaların algılanması ise alıcı transducer tarafından yapılır.Bu tipteki uzaklık dedeksiyon işleminde 2 tane transducer kullanılır. (bkz. Şekil-2a)

Şekil-2a: Hitecnic sensör tipi                               Şekil-2b:Polaroid sensör tipi                                           

       Ultrasonik sensörlerde yansıyan işaretin dönme süre bilgisine göre işlem yapıldığında bazı anlaşılmazlıktan kaynaklanan yorum hatası yapılabilmektedir.Örneğin sensörün yüzü kendine daha yakın düz bir cisim ile paralel olsun.Bu  cismin arkasında ise yansıtıcı yüzeyi olan çok geniş bir duvar olduğunda, sensör tarafından algılanan bilgi sensörün önünde bulunan yakın cisme göre yorumlanır.Buna rağmen bazen yansıyan işaretin dönme süre bilgisi anlamlı cismi algılamamızda bizi yanıltabilir.Eğer cismin bulunduğu yüzey, sensörün gerçek yüzeyi ile açısal olarak ölçeklendirilirse, informasyon bilgisi 30 derece konisi ( bkz. Şekil-3) içinde bulunan en yakın noktaya göre kaydedilir.

Şekil-3 : Ultrasonik sensörün tipik ışıma paterni

3.1.2        Teknik ve Fiziksel Bilgiler:

 Tablo-2

  Şekil-4:  Ultrasonik sensörün iç yapısı

3.1.3. Ultrasonik Uzaklık Sensörünün Kullanım Avantajları: 

• Kontaksız Ölçüm
  Hedef cismi dokunmadan havayı kullanarak nispeden geniş mesafelerden ölçer.

• Cisim Menzilleme

Cisim mesafesini çoğunlukla görünüş veya yakınlık analizine göre ölçebilir.

• Uzaklıkla Orantılı Çikiş
   Sensörün elektriksel çıkışları ölçülen hedef uzaklığıyla orantılı veya bu uzaklığa bağımlıdır.
• Yüksek Çözünürlük
  Ultrasonik sensörler Hedef cisimle ilgili informasyonu doğru ve ince farkları gösterebilme yeteneğine sahiptir.
• Hedefin Optik Karakteristiklerinden Etkilenmeme

Ultrasonik sensörler algılaması ortamın ışık seviyesinden, hedefin renginden veya hedefin optik geçirgenlik/yansıtıcılık özelliklerinden etkilenmez.

• Hassasiyet
  Büyük veya küçük cismleri algılayabilir

3.1.4.      Tipik Bazı Uygulama Alanları:

a) Yaklaşım Uygulaması:

Cisimlerin belirli bir yerde bulunmalarını algılayıp,sayma işlemi yapılarak veya hareketlerini kontrol etmek amacıyla endüstride kullanılırlar.

b) Boyutlandırma:

Cisimlerin ölçü bilgilerini, cisimlerin genişliklerine veya hacimlerine göre belirmekte kullanılırlar.

            c) Seviye ölçümü:

 Enventör ve diziler için tankların veya kutuların içerisindeki sıvıların veya sıvı halde bulunan  malzemelerin seviyesini ölçmek için endüstride kullanılmaktadır.

 d) Rulo Çapı Ölçümü:
 

Endüstride ruloların kontrol gerginliğini veya hızını , veya dolu/boş durumunu ölçmek için kullanılırlar.

e) Sınıflandırma / Seçme :

Cisimlerin sınıflandırılması veya seçimi işlemi cisimlerin fiziksel ölçülerine farklılıklarına bağlı olarak ölçülmektedir.

f) Bağlantı Kopma Belirlenmesi / Döngü Kontrolü :

Matbaacılıkta, kağıt makinelerinin kopan ağ bağlantılarının prosesin hızlıca devam etmesi için hızlıca ve algılanmasında kullanılmaktadır.

Bu uygulamalara ek olarak ultrasonik sensörler;

• Araç alarm sistemleri
• Işıklandırma kontrolü
• Park destek sistemleri
• Otomatik kapı kontrolü gibi endüstriyel uygulamalarda da sıkça

kullanılmaktadır.