Endüstriyel Metal Detektörler Industrial Metal Detektors
Transkript
Endüstriyel Metal Detektörler Industrial Metal Detektors
Endüstriyel Metal Detektörler Industrial Metal Detektors Eren BAŞARAN Elektronik Yüksek Mühendisi (İ.T.Ü.) Boğazköy-Girne e-posta adresi : erenbasaran@yahoo.com 1.ÖZETÇE: Bu makalemde bellibaşlı endüstriyel metal detektörlerin çalışma ilkelerine değinilmiştir.Endüstriyel Metal Detektörlerin temel teknolojilerinden bahsedilmiştir. VLF denen Çok Düşük Frekans teknolojisine değinilmiştir. PI Pulse Induction teknolojisine değinilmiştir.Ayrıca, BFO Vuru Frekansı Teknoloji açıklanmıştır.Bu yazıda uygulamadaki sistemlerden örnekler verilmiştir.Bu örnekleri verirken EMO Bilim dergisini okuyanların bu sistemleri gerçekleştirmek isteyeceği düşünülmüştür.Bu nedenle bazı kritik durumlarda belirli değerde bobin hesaplanması örneği verilmiştir. Amatörlerin bu tür sistemleri nasıl gerçekleştirebileceği hususuna da değinilmiştir.Yazımızı daha canlı kılabilmek için, yazımız uygulamadan fotoğraflarla desteklenmiştir ki okuyucu olup bitenleri daha kolay anlayabilecektir. 2.ÖNDEYİŞLER : İstanbul Teknik Üniversitesinde 1966 yıllarında İ.T.Ü.Makine Fakültesi çatısı altında bir <<Otomatik Kontrol Labaratuvarı>> kurma çalışmalarının sonuna gelinmişti. O zamanlar İ.T.Ü. Rektörü merhum Ord.Prof.Dr. Bedri KARAFAKIOĞLU idi.Yeniliklere çok açık, çok değerli bir bilim insanı idi. İ.T.Ü.Makine Fakültesinden hocamız Prof.Dr.Nimet ÖZDAŞ da bu labaratuvarın kuruluması için uğraşıyordu. İ.T.Ü. Elektrik Fakültesi Kuvvetli Akım hocalarından Prof.Dr.Münir ÜLGÜR hocamız 1954 yılındanberi Otomatik Kontrolla ilgili dersler veriyordu. 1967 yazında, İ.T.Ü. Otomatik Kontrol Labaratuvarında ilk kez açılan <<Otomatik Kontrol Teori ve Uygulaması >>isimli Yaz Kursuna katılmıştım : 10 Ekim 1967 ile 18 Ekim 1967 tarihlerinde 9 gün süren bir kurs idi ve Otomatik Kontrol Labaratuvarını görmek imkanım oldu. Kursun sonunda başarılı bir katılım belgesi almaya hak kazandım . Belgemde her üç hocamın da imzası vardır. Proportional Control, Derivative Control ve Integral Control terimlerini ilk kez bu kursta duymuştum ve çok ilgimi çekmişti. 1995 yılında bahar döneminde Yakın Doğu Üniversitesinde bilgisayar bölümü ve elektrik-elektronik mühendisliği öğrencilerine yarı-zamanlı öğretim görevlisi olarak <<Otomatik Kontrol Teorisi>> ve <<Lineer Kontrol Teorisi>> derslerini verdim. Dersimi ilginç kılabilmek için endüstrideki otomatik kontrol sistemlerinden örnekler de veriyordum. O zaman henüz daha bilgisayara hakim değildim. Gerek şekilleri ve gerekse sınav sorularını elde yazıyordum. Şimdi, yer sorunumuz olmasa 1995deki bu ilginç sınav sorularımı ASLI gibi elde yaptığım çizimlerle buraya alacaktım. .. Bu makaleyi hazırlarken büyük Fizikçi ve büyük Matematikçi ve integrallerin bulucusu Sir Isaac NEWTON’un ilginç bir sözüne rastladım. Bize bu sözü 1958 yılında Lise’de çok değerli ve sevdiğimiz Biyoloji ve Jeoloji hocamız merhum Reşat EBEOĞLU anlatırdı.Kendisi, o kadar güzel ders anlatırdı ki kendisini can kulağıyla dinlerdik. Çok güzel de ders notu tuttururdu.O zamanki Biyoloji defterimi el’an saklıyorum... Hocamız, Sir Isaac NEWTON’un bu deyişini bize çok güzel bir şekilde Türkçe’ye çevirir ve anlatırdı .Kendisini masaya dirseklerimizi koyarak sessizce hayran hayran dinlerdik. Bu sözü nostaljik bir değeri de olduğu için, çevirisini yapmadan buraya alıyorum: << I do not know what I may appear to the world, but to myself I seem to have been only a boy playing on the seashore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, while the great ocean of truth lay all undiscovered before me. >> Sir Isaac NEWTON 3. ENDÜSTRİYEL METAL DETEKTÖRLERE GİRİŞ Endüstriyel metal detektörler; ferro ve ferroolmayan metaller ile paslanmaz çelik metali kirliliğine karşı maksimum koruma sağlamaktadır. Endüstriyel metal detektörler çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Kullanıldığı tipik alanlar ; gıda, süt ürünleri, farmakotikal ( ilaç ve hap üretiminde) , kağıt, plastik, medikal ( tıp ), kozmetik, tekstil ve kimya sanayinde kullanılmaktadır. Endüstriyel metal detektörler, fabrikalarda seri üretimde bant akışında ekipmanların hasara uğramasını önlemede büyük oranda başarılı olmuşlardır. Bu endüstriyel metal detektörler ; ayni zamanda paketlere sarılmış silahların ve insanlar üzerindeki silahların algılanmasında da çok yararlı olmaktadırlar. Farklı tiplerdeki metal detektörler, su-altı metal detektörü, hava-meydanı metal detektörü, arasından-yürü ( walk-through) metal detektörü , ve elde-tutulan metal detektörü piyasalarda mevcuttur. Su-altı metal detektörleri su altındaki metal cisimlerin yerlerini belirlemekte çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Arasından-yürü tipi metal detektörleri güvenlik denetleme noktalarında, saklı silahları algılamaktadırlar. Tüm insan vücudunda metalik cisim olup olmadığını kontrol edebilmektedir. Elde-tutulan metal detektörler metallik tarama uygulamalarında ideal bir çözüm olmaktadır. Bunlar daha ziyade, okullar, havameydanları, hapishaneler, mahkemeler ve gümrükler gibi sıkı güvenlik sorunu olan bölgelerde kullanılacağı gözönüne alınarak tasarımları ve üretimleri ona göre yapılmıştır. Bu metal detektörler, minyatür cisimlerin yerlerinin kesin olarak belirlenmesine yardımcı olmaktadırlar. Bir hava-meydanı metal detektörü, silahların algılanmasında da çok yararlıdır. Şekil 1’de EMOBİLİM 61 tipik bir endüstriyel metal detektör devresi görülmektedir.Alarm aygıtı, sesli veya görsel uyarı vermektedir. İtme aygıtı, bandı döndüren düzendir. Endüstriyel metal detektörlerde, yapacakları işleve göre farklı özellikler aranmaktadır. Elde-tutulan metal detektörlerin ağırlıkları hafiftir, radyasyondan etkilenmezler, ve sezginlikleri ( İng. sensitivity ) yüksektir. Çoğu durumlarda çok az bakıma ihtiyaç gösterirler.Bundan başka, arasından–yürü türü metal detektörler; operatör arabirimini içermektedir ve / veya kontrolları, elektromanyetik bağdaşması ( İng. compatibility), çevresel toleransı , kalite kontrolü ve güvenirliği de gözetilmektedir. 8.Gıda işlerinde metal detektörler kullanılmaktadır. 9.Baharat işlerinde kullanılmkatadır. 10.Turşu yapım işlerinde kullanılmaktadır. 11.Pastırma, sosis, sucuk ve hamburger üretiminde kullanılmaktadır. 12.Hava meydanlarında , gümrükler gibi çeşitli yerlerde güvenlik amacıyla kullanılmaktadır. 13.Deniz-altında metal cisimlerin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Şekil 3. İşletmelerde Endüstriyel Metal Detektörler çal$şma halinde görülüyor. Şekil 1. Tipik Endüstriyel Metal Detektör Sistemi Endüstriyel metal detektörlerde ; cisimlerin bant üzerinden geçtiği diktörgen biçimindeki deliğin boyutları, incelenecek cisimlerin geçişine izin verebilecek tarzda olmaktadır. Genellikle dikdörtgen biçimindeki bu deliğin genişliği yaklaşık olarak w=75 mm ila 2750 mm ve yüksekliği de h= 30 mm ila 600 mm arasında olabiliyor. Şekil 2’de tipik endüstriyel metal detektörün çerçeveli kafa kısmını göstermektedir. Bu delikli çerçevenin içinde bobinler vardır. Şekil 2. Tipik bir Endüstriyel Metal Detektörün temel bileşenleri 4. UYGULAMA ALANLARI 62 Endüstriyel metal detektörlerin bellibaşlı uygulama alanları şunlardır: 1.Farmakotikal sektörlerde ( ilaç üretimi aşamalarında), 2.Plastik ve lastik endüstrisinde, 3.Kağıt, kereste ve oyuncak endüstrisinde, 4.Tekstil endüstrisinde kullanılmaktadır. 5.Çay üretimi aşamalarında kullanılmaktadır. 6.Ayakkabıların denetlenmesi amacıyla iğne detektörü olarak kullanılmaktadır. 7.Sabun üretimde kullanılmaktadır. EMOBİLİM Şekil 4. Sanayi Tesislerindeki Endüstriyel Metal Detektörlerin görünümleri. 5. ENDÜSTRİYEL METAL DETEKTÖR TEKNOLOJİSİ Metal detektörlerin çok geniş uygulama alanları vardır. Kara mayınlarının bulunmasından havameydanlarının, ofis binalarının veya okulların güvenliği amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayni zamanda evlerin çevresinde kaybolan madeni paraların, mücevherlerin, anahtarların bulunmasında hayli işe yaramaktadır. Ayrıca, aranan gaz-hatlarının ve metal boruların yerinin belirlenmesinde yardımcı olmaktadırlar. Metal detektörler; arkeolojide eski metalik eserlerin keşfinde de yardımcı olmaktadırlar. Son zamanlara kadar bu imtiyazdan, ancak pahalı cihazları satın alabilen çok az şanslı kişi yararlanabiliyordu. Elektronik ve teknolojinin gelişmesiyle, bu gibi cihazların fiyatları makul bir seviyeye inmiştir. Bugün , pahalı olmayan, yüksek-kaliteli tüketiciye yönelik metal detektörler dünyanın her tarafında milyonlarca meraklının ve keşif yapma tutkusuyla yanıp tutuşanların gizli veya gizlenmiş hazineleri keşfetmelerini, eğlenmelerini, ve keşfetmenin heyecanını yaşamalarını sağlamaktadır. Metal detektör cihazlarının BFO ( Beat Frequency Oscillator ) , Off-Resonance, VLF ( Very Low Frequency ) , VLF/TR,TR( Transmit-receive), PI ( Pulse Induction ), veya RF ( Radio-Frequency or Two-box detectors ) . gibi birçok farklı teknolojiler kullanmaktadırlar Burada ağırlıklı olarak sadece üç temel metal detektör tipini ele alacağız: *VLF veya Çok Düşük Frekans (Very Low Frequency ) teknolojisi : * PI veya Darbe İndüksiyonu ( Pulse Induction ) teknolojisi *BFO veya Vuru-frekansı osilatörü ( Beat-frequency oscillator ) teknolojisi 5.1 VLF Çok Düşük Frekans Teknolojisi : VLF (Very Low Frequency ) detektörleri, bulabilecek metal cisimlerin cinsi ve derinliği ( menzili) bakımından, birçok işlevi olan metal detektörlerdir.Bunlar çok düşük frekanslar ( very low frequencies ) kullanan IB ( Induction Balance) İndüksiyon Dengesi detektörleridir.Tüm IB ( indüksiyon dengesi ) tasarımlarında olduğu gibi, VLF detektörü iki dengeli bobinden oluşmaktadır : Dıştaki bobin; verici ( transmitter) olarak davranır, manyetik alan oluşturmak için alternatif akımı kullanır ve bu manyetik alan metalik cisim tarafından bozuntuya uğratılır ve sargının iç kısmındaki bobin alıcı (receiver) olarak davranır ki bu alıcı; iletken ( conductive ) cisim tarafından oluşturulan sekonder manyetik alanı algılamaktadır. Bu manyetik alan yükseltliyor ( amplifiye ediliyor ) ve işitilebilen bir ses işaretine dönüştürülüyor. Faz demodülatörleri, cisimin türlerini ayırt etmeye yardımcı olmaktadır.VLF metal detektörlerinde osilatör frekanslarının tipik değerleri 1kHz ile 70kHz arasında değişmektedir. VLF ( Very Low Frequency ) Çok Düşük Frekanslı detektörlere indüksiyon dengesi ( induction balance ) detektörleri adı da verilmektedir. Günümüzde kullanılan en popüler detektör teknolojisidir. Bir VLF detektöründe, belirtildiği üzere, iki farklı bobin vardır : Verici bobini ( Transmitter coil ) – Bu, bobin halkasının en dışında bulunur ve sargı telleri vardır. Alıcı bobini ( Receiver coil )- Bu, daha içte bulunan bir bobindir ve bu bobinde de sargı telleri vardır. Bu bobin, bir alıcı anten gibi görev yapar. Hedef cisimden gelen işaretleri toplar ve yükseltir. Verici antenden geçen akım, elektromanyatik alan oluşturur.Manyetik alanın polaritesi bobin teline diktir. Her seferinde akım, doğrultusunu değiştirdikçe, manyetik alanın polaritesi değişiyor. Bu şu demektir : Eğer telin bobini zemine ( veya cismin bulunduğu düzleme) paralel ise, manyetik alanı, sürekli olarak aşağıya doğru zemine itiyor ve daha sonra oradan dışarıya doğru geriye çekiyor.Manyetik alan darbeleri, zeminde ileri ve geri darbeler yaratır ve rastladığı cisimlerle etkileşime girer.Böylece cisimlerin kendilerine özgü zayıf manyetik sinyallerini üretmelerine yol açar. Cismin manyetik polaritesi, verici bobinin manyetik alanının direkt olarak karşısında olur. Eğer verici bobininin manyetik alanı aşağıya doğru darbesel ise, cismin manyetik alanı da darbesel olarak yukarıya doğru olur. Şekil 5’de . VLF Teknolojisinde antenlerin define arayıcı metal detektörlerdeki davranışları : Verici anten tarafından gönderilen ve cisme çarptıktan sonra geri gelen dalgaların alıcı anten tarafından alınışı görülüyor. Şekil 5. VLF Teknolojisinde antenlerin define aray$c$ metal detektörlerdeki dalgalar$n zemine gidiş ve cisme çarpt$ktan sonra geri gelişleri görülüyor. Alıcı (receiver ) bobini, verici bobini tarafından üretilen manyetik alandan etkilenmemesi için tamamen ekranlanmıştır. Fakat, zemindeki cisimden gelen manyetik alanlara karşı ekranlanmış değildir. Dolayısıyla, alıcı bobini bir cisimin üzerinden geçerse ve manyetik alanı zayıflarsa, bir küçük elektrik akımı bobininden geçecektir. Bu elektrik akımı, cismin manyetik alanı ile aynı frekansta osilasyon yapacaktır. Bu dalgayı bobin, metal detektörün kontrol kutusuna gönderir ve sensörler bu sinyali analiz ederler. Yani incelerler. Metal detektör yaklaşık olarak cismin ne kadar derinlikte gömülü olduğunu algılar. Bunu algılarken cismin gönderdiği manyetik alanın şiddeti etkin rol oynamaktadır. Bir cismin yüzeyi, ne kadar yakın ise, ne kadar kuvvetli elektrik akımı üretiliyorsa, alıcı bobin tarafından o kadar kuvvetli manyetik alan algılanır. Yüzeyin çok altında, manyetik alan daha zayıf olacaktır. Belirli bir derinliğin ötesinde, yüzeyde cismin manyetik alanı öylesine zayıf oluyorki alıcı bobin tarafından algılanamaz oluyor. VLF metal detektörü farklı metalleri birbirinden nasıl ayırt edebiliyor ? Bunu yaparken <<faz kayması>> ( phase shifting ) denen olaya dayanmaktadır. Faz kayması; verici bobinin ( transmitter’s coil ) fekansı ile hedef cismin frekansı arasındaki zaman bakımından fark demektir. Yüksek indüktansı olan bir cisimin faz kayması daha büyük olacaktır. Çünkü manyetik alanını değiştirmesi, daha çok zaman almaktadır. Yüksek dirençli bir elemanın faz kayması daha az olacaktır. Faz kayması; VLF-tabanlı metal detektörlere <<ayırt etme>> (İng. discrimination ) denen bir yetenek vermektedir. Metallerin çoğunun indüktans ve rezistans değerlerinde, farklılık gösterdiklerine göre, bir VLF metal detektörü faz kayması miktarını, “faz demodülatörleri” denen bir çift elektronik devreyi kullanarak, inceler ve bu faz kaymasını belirli bir metal cinsi için daha evvel belirlenen ortalaması ile karşılaştırır. Bilahare, detektör işitilebilir bir odyo tonla ( işitiebilir ses işaretiyle – yani 16Hz ila 16000 Hz arasındaki ) bir ses işaretiyle, veya görsel belirteçle ( visual indicator ) ile ne tür bir metal cisim olabileceği hususunda belirti verir. Şekil 6’da VLF Teknolojisinde antenler cisme doğru yönlendirilerek, dalgaların metalik cisme çarpıp da geri dönmeleri görülüyor. Burada EMOBİLİM 63 bobinlerin yönlendirmesi yatay doğrultuda yapılmıştır. Çoğu metal detektörler; belirli faz-kayması değeri üzerindeki cisimleri, bir süzme devresinden geçirerek dışlamaları için olanak vermektedir. Genellikle, süzülecek olan faz kayması seviyesi elle ayarlanabilir. Genelde, eşik seviyesini artıran veya azaltan bir düğme ile ayar yapılabiliyor. VLF metal detektörlerinin bir başka ayırt etme (İng. discrimination ) özelliğine çentikleme ( İng. notching) adı verilir. Esasında, bir çentik; faz kaymasının belirli bir segmanı ( kısmı) için ayırt edici bir süzgeç ( filtre) devresidir. Bu kısmın üzerindeki cisimler için, metal detektör kullanıcısını normaldeki gibi sadece uyarmakla kalmayacaktır. Fakat aynı zamanda bu segmanın (kısmın) altındaki cisimler için de uyarmayı yapacaktır. Gelişkin VLF metal detektörler, çokluçentiklerin kullanıcı tarafından programlanmasına da izin verir. Örneğin, kola-kutusu kapağı, raptiye, klips veya küçük çivi ile karşılaştırılabilecek boylardaki cisimlerin dışlanabilmesi için kullanıcıya ayar olanağı vermektedir. Diskriminasyonun ( ayırt etmenin ) ve çentiklemenin ( notching ) dezavantajı, değerli parçaların veya cisimlerin de süzülüp dışlanabilineceğidir. Çünkü bunların faz kayması da hurdaların faz kaymasına benzemektedir. Şekil 6. VLF Teknolojisinde verici ve al'c' antenleri, cisme doğru yönlendirilerek, dalgalar'n cisime çarp'p da geri dönmeleri görülüyor.Burada bobinleri yönlendirme yatay doğrultuda yap'lm'şt'r. 5.2.PI TEKNOLOJİSİ METAL DETEKTÖRLERİ Pulse Induction ( PI ) Darbe İndüksiyonu metal detektörleri yinelenen elektrik akımı darbelerini, arayıcı bobine göndererek bir manyetik alan üretmiş olurlar. Bobin yere doğru ( veya silindirik bobinin ekseni doğrultusunda ) bir darbe gönderir ve hedef cisimde bir yanıtlayıcı darbe ( pulse ) meydana gelir. Bir örnekleme devresi ( sampling circuit) darbeyi ölçer ve darbeyi integral devresine yani integratöre ( integrator ) gönderir ki böylce bir ses sinyali meydana gelmiş olur. PI metal detektörleri; VLF/TR (Vericili VLF tiplerin)’den, tuzlu-su sahillerinde ki burada çok az çöp olan alanlarda veya mineralli topraklarda daha üstün bir başarım ( performans ) göstermektedir.Çünkü bu tür metal detektörler, simültane olarak hem iletken tuzları ve mineralli toprakları aynı anda dışlamaktadırlar. 64 EMOBİLİM Pulse Indication ( Darbe İndüksiyonlu) detektörler; yerin derinliklerine gömülü cisimleri algılayabilmektedirler. Fakat onlar demire hassastırlar ve farklı mettalleri ayırt etme özellikleri yoktur. Bu kusur; onların, genellikle yerleşim yerlerinde kullanımlarını zorlaştırmaktadır. 5.3. BFO ( VURU FREKANSI OSİLATÖRÜ) TEKNOLOJİSİ Vuru-frekansı osilatörü ( BFO Beat-frequency Oscillator ) metal detektörler tiplerinin en küçüğü ve ( en eskisi ) olup metal detektörlerin nasıl çalıştığını öğrenmek için iyi bir başlangıç noktasıdır. Temel vurufrekansı ( beat-frequency ) metal detektörleri iki yüksek frekanslı osilatör kullanmaktadır ve bu ikisi neredeyse aynı frekansın yakınına akord edilmişlerdir.Birinci osilatöre arama osilatörü ( search oscillator ) ve diğerine referans osilatörü (refence oscillator ) adı verilmektedir. İki osilatörün çıkışları bir mikseri beslemektedir ki bu mikser toplam ve fark frekansları üretmektedir.Bu sinyal, harmonikleri yok eden “alçak-geçiren bir filtre ( low-pass filter )” devresine verilmektedir. Her iki osilatör, aynı frekansa akord edildikleri sürece, çıkışta herhangibir işaret olmayacaktır. Arayıcı bobinin manyetik alanını metalik cisim bozuntuya uğrattığında, arayıcı osilatörün frekansı azıcık kayar ve detektör; ses frekansı ( odyo frekansı ) bölgesinde bir sinyal üretecektir. Hernekadar bir zamanlar, BFO’lar ( Vuru-frekansı osilatörü ) popüler idilerse de artık profesyonel metal detektör üreticileri bunlardan üretmiyorlar. Bunlar basit olup ucuzdurlar. Fakat hassasiyetlerinin ( accuracy ) az olduğu öne sürülmektedir ve modern PI ve VLF detektörlerinin sağladığı kontrolları sağlamayacağı öne sürülmektedir. Bunlara diskriminasyon ( discrimination = ayırt edicilik ) gibi yeni özellikler ilave edilmek için uğraşmalar yapılmıştır ve 1970 yıllarında daha ileri modeller üretilmiştir. Fakat günümüzde daha gelişmiş teknoloji ürünleri onların yerlerine geçmiştir. BFO ( Vuru-frekansı ) metal detektör tasarımları ucuz elde-tutulan cihazlarda ve düşük kalitelilerde, oyuncak tipi detektörlerde el’an kullanılmaktadır.Seçkin ve kaliteli BFO metal detektörleri ( Vuru-frekanslı detektörleri ) daha ziyade ticari bakımdan değil de meraklıları ve buna tuıtkusu olanlar tarafından üretilmektedir. EMO Bilim dergisi Ağustos 2009 sayısında sayfa 55-62’de yer alan makalemde verdiğim Colpitts ve Clapp Osilatörleri ile ilk kez BFO ( VURU FREKANSI ) TEKNOLOJİSİNİ kullanarak deneysel olarak metal detektörümüzü gerçekleştirmiştim ki o osilatörler gayet mükemmel bir şekilde çalışmaktadır ve uygun eleman değerlerini belirlemem de bu sahada epeyce okumamı gerektirmiştir ve epeyce de yıllarımı almıştır. 6. ENDÜSTRİYEL DETEKTÖR UYGULAMA ALANLARI Endüstriyel metal detektörlerinn bellibaşlı kullanım alanlarını da şöyle sıralayabiliriz: 1.Ayakkabıların denetlenmesinde, 2.Gıda işlerinde, 3.Baharat işlerinde, 4.Pastırma işlerinde, 5.Kereste işlerinde, 6.Sabun işlerinde, 7.İlaç üretim işlerinde, 8.Kayıp metallerin aranmasında, 9. Güvenlik gerektiren işlerde, kullanılmaktadır. Hipersil alaşımı,Supermu alaşımı,Silikon Çeliği, ve Dökme Çelik gibi... 7. ELEKTRONİK KARŞILAŞTIRMALI PROKSİMİTE SİSTEMİ Buna konum algılayıcısı, veya yaklaşma (yakınlık ) algılayıcısı, ve sınır anahtarı deniyor. İngilizce’de bu “elektronik sınır anahtarına” << position pick-off, proximity switch, limit switch ) isimleri verilmektedir. Devrenin çalışması : Bu bağıntıda µr bobinin içinden veya yanından geçen cismin manyetik geçirgenliği ( permeabilitesi ) dir. Her metalin farklı bir manyetik geçirgenliği vardır.Ferromanyetik malzemelerde, bu geçirgenlik katsayısı 1 değerinden epeyce büyüktür.Supermu 10 denen metalin manyetik geçirgenliği 10 000 ile 100 000 arasındadır.Supermu 30 adlı metalin manyetik geçirgenliği 30 000 ile 250 000 arasındadır. Çelik,bakır,alüminyum,tunç, paslanmaz çelik, fosforlu tunç, kurşun ve kalay metalik malzemelerdir. İçinden alternatif akım geçen bir bobinin yanından veya yakınından bir cisim geçerse bobinin indüktansı L1 = µr µo Lo bağıntısıyla verilmektedir. Şekil 7’de gösterilen bir yaklaşma ( proksimite ) , konum belirleyici ve sınır anahtarı ( limit switch ) devresidir.Bu sistem iki katlı transistörlü yükselteç (amplifikatör ) devresinden oluşmaktadır.Birinci kat lineer elektronik yükselteç olarak davranmaktadır ve transistörlü ikinci katın önsaptaması ( polarması ) ayarlanarak detektör katı olarak çalışması sağlanmaktadır.Yani, Q2 transistöründeki DA ( doğru akım ) , neredeyse baz ile emetör arasında görülen AA ( alternatif akım ) sinyaliyle doğrusal ( lineer ) olarak orantılıdır. Şekil 7’de karşılaştırma yöntemine göre çalışan sistemin blok diyagramı görülüyor. Şekil 7. Karş laşt rma yöntemine göre çal şan sistemin blok diyagram yukar da görülüyor. Diyamanyetik malzemelerde manyetik geçirgenlik ( permeabilite) µr <1 dir.Paramayetik malzemelerde µr >1 dir. Ferromanyetik malzemelerde µr >>1 dir.Başlıca ferromanyetik malzemele; demir-kobalt alaşımı, heusler alaşımı ( = % 60 Bakır, %24 Mağnezyum, %16 olarak Alüminyum ), Nike, Permaalloy ( = Ni %79.5, Fe %21.5) ; Orthonol ( =Deltamax) ( =Ni %50, Fe %50), Şekil 8. Demirli cisimleri alg layan endüstriyel metal detektör sistemi Devrenin çal şmas : Şekil 8’de demirli cisimleri algılayan endüstriyel metal detektör sistemi görülmektedir.Bu devrenin daha değişik bir modeli 1958 yılında Amerikalı J.R.WALKER tarafından Applying Transistors, Automation, February 1958’de yayımlanmıştır. L1 ve L2 bobinleri; transistörün baz ile emetör uçları arasında vbe=0 V( sıfır volt ) oluşturabilmek için , şekilde görüldüğü gibi ters bağlanmışlardır.Yani, L1 ve L2 bobinlerinin manyetik alanları zıt yönde bağlanmışlardır. L1=L2 olsun diye sarım sayıları eşit alınır. N1 sarım sayılarıdır. Böylece, vbe= e1-e2 ve e1=e2 ise vbe=0 V (sıfır volt ) oluyor. Kullan m Alanlar : 1.Metalik cisimlerin geçişini kumanda ve sayma devrelerinde belirtici olarak kullanılıyor. 2.Asansör devrelerinde konum belirtici olarak kullanılmaktadır. T transformatörünün sekonderinden elde edilen AA (alternatif akım ) gerilimi, L1 sinyal reaktörüne ( = demir çekirdekli bobine ) ve L2 referans reaktörüne eşit miktarda uygulanır. Bu reaktör sargıların herbirine bağlantılı olarak sekonder sargı vardır ve herhangibir ferro cisim L1 sinyal reaktörü yakınında yok ise, bu sekonder sargılarda oluşan gerilimler ifna olacaktır. Yani yok olacaktır. Çünkü L1 ve L2 reaktör bobinleri seri ve zıt olarak ( series opposition ) olarak bağlanmışlardır. Bu şartlar altında, Q1 transistörünün baz ucuna herhangibir sinyal uygulanmayacaktır. Böylece Q2 transistörünün kollektöründeki röle devresi enerjilenmeyecektir.Eğer L1 sinyal reaktörünün yakınına bir ferro malzeme getirilirse bir dengesizlik oluşacaktır ve Q1 transistörüne bir bileşke AA ( alternatif akım ) uygulanmış olacaktır.Bu sinyal yükseltiliyor ve ardısıra Q2 transistörüne uygulanıyor. Burada çıkış akımı kontrol rölesini enerjilendirecektir. Sonuç olarak görülecektir ki Q1 transistörünün baz ucunda ki AA ( alternatif akım ) gerilimi L1 sinyal reaktörü ile demirli cisim arasındaki mesafe ile ters orantılıdır. Eğer bu mesafe sabit bir hızda değişirse, örneğin, zamanla doğrusal ( lineer) olarak değişirse, sinyal reaktörü gerilimi daha hızlı değişecektir. Bunun sonucu olarak, Q2 transistörünün baz ucundaki EMOBİLİM 65 yükseltilmiş ( amplifiye edilmiş ) çıkışın yükselişi, zamana göre basamak biçiminde olacaktır.DA(D.C.) kollektör akımı, baz ucundaki giriş ile orantılı olduğundan bu akım; basamaklı olacaktır. Kontrol rölesinin yinelenen ( tekrarlanan) uyarımını sağlayabilmek için demirli cisim ile arasında belirli bir mesafenin olması gerekiyor. Ayrıca uzunlamasına da belirli bir değerde olması gerekmektedir.Eğer sadece demirli cisimler ( ferro cisimler) algılanacaksa, bu devre yararlı olmaktadır.Çünkü AA ( alternatif akım ) sinyali olarak şebeke frekansı 50 Hz kullanılıyor. Hem demirli ve hem de demirsiz metalik cisimleri ( hem ferro ve hem de ferro-olmayan ) (İng. ferrous and non-ferrous materials ) algılamak sözkonusuysa, yüksek frekanslarda çalışan osiiatörlü bir devre kullanmak gerekiyor. Boşluğun geçirgenliği ( permeabilitesi ) !" $ % &'(# &'( !Boşluğun dielektrik sabitesi ise şöyle verilmektedir : $)' # *+,,-%)./ ./ 0'(# 0'( 8. YÜKSEK FREKANSLI REZONANSLI PROKSİMİTE SİSTEMİ Bu devredeki band geçiren filtre devresi 470 kHz lik frekans bandını geçiren bir filtredir. Bu filtre, tipik radyo alıcıları ara frekans transformatörlerinden oluşturulabilir.Tam 470 kHz’de minimum çıkış gerilimi verecektir. Bunu ara-frekans transformatörlerinin göbeğindeki ferrit çekirdeklerini ayarlayarak sağlayabiliyoruz. Bu devrede ilk kat 470 kHz lık bir elektronik osilatör devresidir.Osilatörün osilasyon frekansı L1 bobini ve değişken havalı kondansatör ile belirlenmektedir. Osilatör tarafından üretilen yüksek frekanslı gerilim, transformatörü akortlu (ayarlı ) band geçiren filtreye aktarılır. Şekil 9’da hareketli metal parçaları algılayan endüstriyel metal detektör sistemi gösterilmiştir.Bu devrenin temeli 470kHzlik osilatör ve 470 kHzlik band geçiren iki filtre devresidir. Şekil 9’daki demirli cisimleri algılayan endüstriyel metal detektör sisteminin daha değişik bir modeli 1958 yılında Amerikalı J.R.WALKER tarafından Applying Transistors, Automation, February 1958’de yayımlanmıştır. Şekil 9. Metal parçalar alglayan endüstriyel metal detektör sistemi 66 EMOBİLİM Şekil 10. Metalleri algyan 470kHzlik endüstriyel metal detektör sistemi Radyo frekanslı veya yüksek frekanslı osilatör devresi, tam 470 kHz’de sinüzoidal dalga üretiyor.Bobin içinden metal cisim geçince osilatörün osilasyon frekansı kayıyor. !"#$%&%'()*+,-)*'$,&,(.(/*-0*12,$,3*4,(5(6 *-0*12,$,3*4,(5(6" 7 8 !"#$%&%'(;,*$*<3-,<(412,3*4,( *4,( 7=: ( 9:0( 9:0 >?@@A8=BC A8=BC D:0( D:0 Şekil 10’daki devre ; metalleri algıyan 470kHzlik bir endüstriyel metal detektör sistemidir. Q transistörünü , röle bobininde oluşacak ani ters akımdan koruyabilmek için, röleye paralel bir D diyodu konmuştur. Re emetör direnci önsaptama(polarma ) direncidir ve 2kohm mertebelerinde olabilir.Çalışma frekansında dekuple olması için bu dirence paralel bir Ce elektrolitik kondansatörü bağlanmıştır ve bunun değeri 50 mikrofarad dolayında olabilir. Q transistörü 470kHz’de çalışabilen bir transistör olmalıdır. Rölenin iki kontağı vardır. Bir tanesi normalde açık kontak ve bunu N.A. simgeleriyle gösteriyoruz ve diğeri de normalde kapalı kontak olup bunu da N.K. simgeleriyle gösteriyoruz. Böylece röle uyarıldığı – yani enerjilendiğinde kontakları çalışacaktır. Yani normalde kapalı olan açılacaktır ve normalde açık olan da kapanacaktır. Böylece sinyal lambası ışıyacaktır (yanacaktır ) veya sesli veya görsel bir uyarı verilecektir. Şekil 11’de sistemdeki rezonans eğrisi gösterilmiştir. Osilatörün ürettiği tam 470kHz frekansında , devrede Vo ile gösterilen çıkış gerilimi SIFIR olacaktır. Rezonans eğrisi üzerinde bu durum görülüyor. Bu nedenle bu sisteme Yüksek Frekanslı Rezonanslı Sistem deniyor. Osilasyon frekansı biraz kayarsa, Vo çıkış gerilimi bir maksimum değerine ulaşabilecektir. Bu ayarlamaları filtre transformatörlerin göbeğindeki çekirdeği ( nüveyi) plastik bir tornavida ile döndürerek yapıyoruz. Çekirdek göbek içinde ileri geri giderek rezonans frekansını kaydırabiliyor. Bu 470kHz’lik filtreler radyo alıcıları arafrekans transformatörleridir. Amatörler böyle bir devreyi gerçekleştirecekse, eski bir radyo alıcısından 470kHzlik veya 460kHzlik filtre devresini sökebilirler. Colpitts veya Clapp Osilatörlerini tam 470 kHz’de çalıştırmak pek bir sorun yaratmaz... Tabii herhangibir şekilde osilatörün frekansını ölçebilmek gerekir ve yaptığınız bobinlerin değerlerini de ölçebilmek gerekir. röle vardır. Rölenin normalde açık ve normalde kapalı kontağı da vardır. Şekil 13’de çivili keresteyi algılayan endüstriyel metal detektör sistemi görülüyor. Şekil 14’de çerçeveli kafanın deliğinin kesidi görülmektedir. Görüleceği üzere kereste geçişi için 1 metre çapında bir delik ayrılmıştır. Şekil 11. Sistemdeki rezonans eğrisi Böyle bir devreyi gerçekleştirebilmek için ilk iş olarak 25 mH’ye yakın bir boini hesaplamamız gerekir. Birçok deneme-yanılma işlemlerinden sonra, aşağıdaki veriler halinde yaklaşık 18 mH’ik bir bobin elde edebiliyoruz. Herhangibir bobinin bir kısmını ekran içine alacaksak, bobinin indüktans değerini yaklaşık olarak %20 daha fazla olarak almamız gerekir : Ekrandan dolayı bobin değeri azalacaktır. D=10 cm, b=3.4cm, d=3cm olup kullanılan emaye bakır telin çapı 1.5 mm olup kesidi 1.767 mm2 dir. Sarım sayısı N=453 olduğuna göre bobinin indüktansını hesaplayınız. Wheeler formülüne göre şu bağıntıyı yazabiliriz ( Bobinin şekli ve boyutları için lütfen Şekil 19’a bakınız.) L= Şekil 12. Çivili keresteleri alg#layabilen metal detektör sistemi devresi yukar#da görülüyor. ( Bu ifadede N sarım sayısı, D(cm), b(cm), d(cm) birimindedir. Verilen sayısal değerler formülde yerine konursa L değeri 17780 mikrohenry olarak bulunur. Bunu da yaklaşık L=18 mH olarak alabiliriz. Biraz daha deneme-yanılma yaparak, tam 25mH değerinde bir bobin gerçekleştirebiliriz. Şekil 13. Çivili keresteyi alg#layan endüstriyel metal detektör sistemi yukar#da görülüyor. 9. ÇİVİLİ KERESTELERİ ALGILAYAN ENDÜSTRİYEL METAL DETEKTÖR SİSTEMİ Çivili keresteleri algılayabilen metal detektör sistemi Şekil 12’de görülmekedir. A1 ve A2 bobinleri eşit sarım sayısına sahiptirler. A2 bobini referans bobinidir. Sistem 400 Hz’ik bir sinüzoidal osilatör ile beslenmektedir.Bu kaynağın 400 Hz olması şart değildir. Şekil 12’de gösterilen transformatöre 50 Hz’lik 240 V alternatif şebeke gerilimi uygulanabilir. Transformatör 240 V/16 V olabilir. Yani 240 voltu 16 volta dönüştüren bir transformatör olabilir. Bu transformatör sayesinde sistem şehir şebekesinden yalıtılmış olur ve aynı zamanda sistemdeki 16 volt üzerinde çalışmak daha güvenli olmaktadır. Sistemde hem ölçü aleti ve hem de Şekil 14. Endüstriyel Metal Detektörde bobin düzeneğinin kesiti EMOBİLİM 67 10. RC FAZ KAYMALI SİNÜZOİDAL OSİLATÖR Şekil 15’de gösterilen RC Faz Kaymalı Sinüzoidal Osilatörün osilasyon frekansını veren bağıntı şudur : Bu bağıntıda R(ohmC(F), fo(Hz) birimindedir. Eğer fo (Hz), C(mikrofarad), ve R(kohm) alınırsa, RC Faz Kaymalı osilatörün osilasyon frekansı ( Hz) biriminde olmak üzere, Şekil 15. RC Faz Kaymal' Sinüzoidal Osilatör Devresi bağıntısıyla bulunmaktadır. Sayısal örnek : C1=0.01 mikrofarad, R=18 kohm olarak alınırsa, fo=400 Hz olarak bulunur. Şekil 15’de gösterilen bu RC Faz Kaymalı sinüzoidal osilatör servo sistemlerinde kullanıldığı için buna servo osilatörü de denmektedir. Bu örnekte besleme gerilimi Vcc=18 V, ve Q transistörü NPN tipi BC109 veya eşdeğeri alınabilir. Bu osilatör devresinde 3 tane R direnci ganglı olabilir ve ayrıca 3 tane C değişken havalı kondansatörü de ganglı olabilir.Bu devrede Re=2.2 kohm, Ce=50 mikrofarad, Rb=100 kohm, Ry=10 kohm potansiyometredir. Çizelge 1. RC Faz kaymas' osilatörü verileri Şekil 16. Haval' 3 gangl' değişken kondansatörler. Bu osilatör devrelerinde kullanılabilecek ve ses frekans bölgesinde etkinlikle çalışabilen ( audio frequency range ) bellibaşlı NPN tipi transistörleri şunlardır : BC107,BC108,BC109,BCY58,BCY59,2N929,2N939,B C182,BC237,BC238,BC239,BC546,BC547,BC548. Ayrıca, RC Faz Kaymalı Osilatörleri gerçekleştirmek için PNP tipi transistörler olarak ( BC212, BC307,BC308, BC309, BC556, BC557 ve BC558) de kullanılabilir. Bu durumda Şekil 15’ deki devrede Vcc besleme gerilimi ve elektrolitik kondansatörler yön değiştirecektir. Şekil 16’da havalı 3 ganglı değişken kondansatör görülüyor. Bunu 3 tane C yerine kullanabiliriz. Milini çevirdiğinizde, tüm kondansatörler değişir ve ayni C değerini alırlar. 68 EMOBİLİM 11.ÇEŞİTLİ BOBİN HESAPLAMALARI 11.1 TEK-TABAKALI SİLİNDİRİK BOBİNİN HESAPLANMASI Tek-tabakalı sıkı sarılı silindirik bobin formülleri Şekil 17’de verilmiştir.Burada bobin tektabakalı olup sıkı sarılmışlardır. N sarım sayısıdır. Bobinin a (cm) ortalama yarıçapı dır. Bobinin genişliği b(cm) olup L( mikrohenry) birimindedir. Şayet b>0.8a alınmışsa, bu formülün hatası %1 dolayındadır. Eğer b(cm) bobin genişliği Şekil 17’de gösterildiği gibi, 2a>b>9 sınırları arasında kalırsa, verilen bobin formülün hatası %5 dolayındadır. Şekil 17.Tek-tabakal8 Silindirik bobin 11.2 TEK-TABAKALI SPİRAL BOBİNİN HESAPLANMASI transient waves) maksimum izin verilen “yinelenmeyen tepe ters gerilimi” (= non-repetitive-reverse voltage), transformatörün uçlarına bir sönümleme devresi ( İng. damping circuit) konur.Sönümleme devresi olarak bir RC devresi veya VDR ( Voltage Dependent Resistor) “gerilime-bağımlı-direnç” kullanılmaktadır. Transformatörün primerine veya sekonderine konacak RC devresi aşağıdaki çizelgede verildiği gibi hesaplanabilir (Çizelge 2). Çizelge 2. Aş8r8 Geçici-rejimden Transformatörün Korunmas8 Şekil 18. Tek-tabakal8 Spiral Bobin Tek-tabakalı sıkı sargılı spiral bobin Şekil 18’de gösterilmiştir ve şekil üzerinde formülü de verilmiştir. Şekil 18’de gösterilen tek-tabakalı sıkı sargılı spiral bobinde, c>0.2a olarak seçilirse, %5 hata ile şekilde gösterilen bobin formülü kullanılabilir. 11.3 ÇOK-TABAKALI BOBİN FORMÜLÜ Çok tabakalı bobin Şekil 19’da gösterilmiştir.Çok tabakalı bobin formülünü şöyle yazabiliriz: Şekil 19. Çok tabakal8 Silindirik Bobin "# Bu bağıntılarda, Imag=primer mıknatıslanma akımının r.m.s. değeri (A) V1=Transformatör primer geriliminin r.m.s. değeri (V) T=V1/V2 sarım sayısı oranı ( = veya primer gerilimin sekonder gerilime oranı) Vrsm = Transformatör tarafından üretilen geçici-rejimli ( İng. transient ) geriliminin tepe değeri ( V ) Vrwm = Gerçekte uygulanan, çalışma ters-geriliminin tepe (İng. crest) değeri ( V). Yukarıdaki çizelgeden hesaplanan kapasite değerleri minimum değerlerdir. Çeşitli etkenler oluşabilen devredekiparametre değişmelerini ve bileşen toleranslarını karşılayabilmek için, daha büyük değerler kullanılmalıdır. 13. STANDART BAKIR TELLER VE TEL ÖLÇÜLERİ $ Bu ifadede D(cm), b(cm), d(cm), N sarım sayısı ve L (mikrohenry) birimindedir. H.A.Weeler’e göre, bu formülün paydasındaki her üç terim birbirine eşitse, ( eğer 3D=9b=10d) olarak seçilmişse, bu formülün hatası %1 dolayındadır. 12. SİSTEMDEKİ TRANSFORMATÖRLERİ KORUMAK Transformatörde biriken enerjiden dolayı, geçici-rejimli dalgalar ( tıranzint dalgalar ) ( İng. Şekil 20. Tel öçülerinden A.W.G. ( American Wire Gauge ) şablonu : Yukar8daki resimde, karenin her iki boyutu 63 mm olarak al8n8rsa, delikler ASLI gibi olacakt8r. EMOBİLİM 69 Şekil 20’de tel öçülerinden A.W.G. ( American Wire Gauge ) şablonu görülüyor. Eğer bu karenin kağıt üzerindeki kenarını 63 mm olarak alırsanız, gösterilen A.W.G. delikleri, ASLINDA ne ise odur.:-) Çizelge 3’de Standard Bakır Tellerin bellibaşlı özellikleri verilmiştir.Çizege 4 A.W.G ve S.W.G. tel ölçüleridir. Bunların yaklaşık olarak eşdeğerleri tarafımdan saptanmıştır. Bunu yazmamım sebebi herhangibir hatası varsa , hatanın bana ait olduğunu vurgulamak içindir.:-) Çizelge 3. Standard Bak+r Tellerinn Bellibaşl+ Özelikleri 5.Semiconductor Detector Systems ( Semiconductor Science and technology ) by Helmuth Spieler, 2005, Amazon.com 6.Infrared Detectors and Systems (Wiley Series in Pure and Applied Optics ) by E.L.Dereniak and G.D.Boreman,1996 Amazon.com 7.Fundamentals of Infrared Detector Materials (SPIE Tutorial Text Vol.TT76) 8. Fundamentals of Infrared Detector Operation and Testing by John David Vincent, 1990, Amazon.com 9.Industrial Process Sensors by David M.Scott.2007 10.Ses Frekans Tekniği, Eren BAŞARAN T.C. Milli Eğitim Bakanlığı, İstanbul, 1981 Yayın No: 48, Temel Ders Kitabı. Bu makale EMO Bilim dergisine ilk kez 12.10.2009 tarihinde gönderilmiştir. Çizelge 4. A.W.G. ve S.W.G. tel ölçüleri KAYNAKÇA : 1. Modern Metal Detectors,Charles L.Garret, Ram Publishing Company, Dallas, TX , Amazon.com 2.Medical Imagining : Principles, Detectors, and Electronics by Krzystof Iniewski, 2009, Amazon.com 3.Tressure Hunting With Metal Detectors, by Gerry Edwards, 2007, Amazon.com 4.The Metal Detector Book by Andrew Palmer, 1995, Amazon.com 70 EMOBİLİM ENERJİ TASARRUFLU AMPULLER KULLANIN