NASA’nın 2.5 miyar $ rover (gezici) uzay aracı, Mars gezegenindeki herşeyi en ince ayrıntısına kadar incelemek için gönderilmiştir. Gezici, atmosfer basıncı ve çekim kuvvetide dahil olmak üzere ortam koşulları göz önünde bulundurularak son derece hassas bir şekilde tasarlanmıştır. Bu amaç için, rover’ın enstrümental kontrol ünitesi yani ICU basınç sensörleriyle donatılmıştır. Bu sensörler gezegendeki toz fırtınalarını tespit etmede ve gezegenin farklı noktalarındaki çeşitli gaz konsantrasyonlarınıda incelemek için kullanılmaktadır. İsterseniz biz bu denli büyük öneme sahip özel görevlerde kullanılan basınç sensörlerini biraz daha yakından inceleyelim.
Basınç sensörü basıncı algıyalan ve onu basınç değişimine bağlı olarak değişen analog elektrik sinyallerine dönüştüren bir cihazdır. Yani basıncı elektrik sinyaline dönüştürürler. Basınç sensörlerı basınç transdüseri olarak da adlandırılır.
Basınç Sensörlerine Olan İhtiyaç
Uzun zamandır basınç sensörleri hemen her alanda çok yaygın kullanım alanlarına sahiptir. Bunlardan bazıları otomobil, üretim, havacılık, biyomedikal ölçümler, hava koşulları, hidrolik ölçümler vs. birde basınç sensörlerinin olmazsa olmaz olduğu alanlar mevcuttur bunlar ise;
1.Dokunmatik ekranlı cihazlar: Bazı bilgisayarlar ve akıllı telefonlar basınç sensörleriyle birlikte dokunmatik ekranla donatıldılar. Parmakla yada dokunmatik kalemle hafifçe basınç uygulandığı zaman sensör bu dokunmanın yerini belirler ve işlemciye bir elektrik sinyali olarak gönderir.Genellikle bu sensörler ekranın köşelerine konumlandırılır. Bu yüzden basınç uygulandığında kesin konum bilgisi elde etmek için genellikle iki yada daha fazla sensör bu noktayı algılar.
2.Otomotiv endüstrisi: Otomotiv endüstrisinde basınç sensörleri motor ve motor güvenliğinin vazgeçilmez bir parçasıdır. Motorun içinde bu sensörler yağ seviyesini , soğutma suyu basıncını birde gaza ve frene basıldığında uygun hızlar elde etmek için basınca göre arabanın gücünü düzenler.
Güvenlik amacıyla, basınç sesörleri anti-lock breaking system (ABS)’ nin önemli bir parçasını oluşturmaktadır.
Bu sistem arazi koşullarına uygun bir şekilde tasarlanmış ve yüksek hızlarda lastikleri kilitlemeden ve kaydırmadan fren yapılmasına olanak sağlamıştır. ABS sistemindeki basınç sensörleri araç hareket halindeyken hız ve yolun durumuyla ilgili işlemciyi bilgilendirebilmektedir.
Herhangi bir kaza anında sürücü ve yolcuların güvenliği sağlamak üzere aktif olan hava yastığı sistemininde aktif olması içinde basınç sensörleri kullanılmaktadır.
3.Biyomedikal cihazlar: Enstrüman cihazları yani dijital kan basıncı ekranları gibi aletleri hastanın durumuna ve gerekliliklerine uygun olarak optimize edilmesi için basınç sensörleri kullanılır.
4.Endüstriyel kullanım: Özellikle kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği fabrikalarda ünitelerdeki birimlerde gaz basıncı ve ürün basıncının bilgisi çok önemlidir. Bunların bilgisini sağlamak içinde buralarda basınç sensörleri kullanılır. Petrol endüstrisinde, basınç sensörleri sondaj kulesinin ulaştığı derinlik hakkında bilgi verir.
5.Havacılık: Uçaklarda basınç sensörleri, atmosferik basınç ve uçakların kontrol sistemleri arasında bir denge sağlamak için gereklidir. Ayrıca çeşitli uçağın iç parçaları ve dış çevresel durumlar hakkında sisteme kesin bilgiler vermek için kullanılırlar. Birde kokpit ve yolcu kabini için hava basıncını belirli bir seviyede yani yer yüzündeki gibi normal nefes alma koşullarını sağlamak için kullanılırlar.
6.Deniz Endüstrisi: Gemi ve denizaltılar için, elektronik sistemi güvende tutabilmek için deniz durumu hakkında bilgi almak ve bulunulan yerdeki derinlik hakkında bir tahminde bulunmak adına basınç sensörleri kullanılır.
Basınç Ölçüm Türleri
Basınç ölçümü bir referans noktasına göre göreceli bir şekilde yada kesin bir ölçek ile yapılabilir.
1.Mutlak(kesin) Basınç Ölçümü: Basınç ölçümü süper vakum yöntemi ile yapılır buda mutlak (kesin) basınç olarak adlandırılır. Süper vakum yöntemi belirli bir koşuldan ibarettir yani hiçbir hava olmadan dolayısıyla hava basıncı olmaksızın ölçüm yapıldığı takdirde mutlak basınç değeri elde edilir. Mutlak basıç sensörleri sınırlı kullanıma sahiptirler çünkü süper vakum yöntemini uygulamak imkansız gibi birşeydir. Bundan dolayıda mutlak basınç ölçümünde kesin sonuçlar için çok sıkı koşullar gerektirmektedir. Bu tipteki sensörler barometrik ve rakım ile ilgili basınç ölçümlerinde kullanılmaktadır.
2.Diferansiyel basınç ölçümü: Diferansiyel basınç ölçümü 2 farklı noktanın karşılaştırılmasıyla yapılır. Mesela yüksek bir binanın farklı katlarından ölçülen basınç değerleri bize diferansiyel basıncı verir. Diferansiyel basınç ölçümü, ‘inch’ kareye yapılan baskı farkı, farkın büyük olduğu durumlarda sıklıkla kullanılırlar.Bu tipteki ölçüm besleme basıncı takibinde kullanılır amaç basıncın akışkan bir sıvıyla değiştiği dolup boşalma takibi gibi sistemleri izlemektir.
3.Gösterge(gauge) basınç ölçümü: Bu ölçümü diferansiyel basınç ölçümünün bi alt türü olarakta tanımlayabiliriz. Bu sistemde herhangi bir noktadaki basınç oradaki atmosferik basınç ile karşılaştırılır. Gösterge basınç ölçümü lastik basıncı , kan basıncı ölçümü gibi alanlarda kullanılmaktadır. Bu ölçüm tutarlı değildir çünkü atmosferik basınç rakıma göre değişmektedir bundan dolayıda uygulamaları kritik olmayan ölçümlerle sınırlıdır.
Basınç Sensörü Çeşitleri
En yaygın olarak kullanılan basınç sensörü çeşitleri;
1.Gergin Ölçüm tipli: Bu sensörler wheatstone köprüsüne çalışma prensibi olarak çok benzer. Wheatstone köprüsü, elektriksel dirençleri karşılaştırmaya ya da ölçmeye yarayan elektrik devresidir. Dört direncin kare oluşturacak biçimde birbirine bağlanmasından oluşur. iki koldaki dirençlerin oranı birbirine eşit olduğunda wheatstone köprüsü çıkış vermez. Bu sensör tipinde ise, wheatstone köprüsünün bir koluna bir diyafram bağlanır.Diyaframa basınç uygulandığında diyaframı sıkıştırır ve genişler. Diyaframdaki bu değişim köprünün çıkışının değişmesine sebep olur. Normal denge durumundan sonraki değişimle orantılı olarak gerilim üretilir. Bu yüzden basınçla birlikte oluşam diyaframdaki her hareket bir çıkış elde edilmesine sebep olur. Direnç değişimi potansiyel değişimin temel sebebi olduğundan, bu sensörler piezo-direnç tipli basınç sensörleri olarak da adlandırılırlar.
2.Kapasitif Basınç Sensörü: Bir kondansatör iki metal plaka arasına yerleştirilmiş bir dielektrik malzemeden oluşur. Kapasitif basınç sensöründe, plakalardan birinin hareket etmesine izin verilir ve çıkış aradaki kapasitans değişimine göre alınır. Hareket edebilen plaka basıncı algılayabilen sıkıştırılıp genişleyebilir bir diyaframa bağlanır. Diyaframdaki değişiklik metal plakanın pozisyonunu dolayısıylada kapasitansını değiştirecektir. Bu sensörlerin yüksek sıcaklıkta çok etkin çalışamayacağı düşünülsede, uygun koşullarda lineer çıkış verebilme yetilerinden dolayı çok yaygın kullanıma sahiptirler.
3.Piezoelektrik basınç sensörü: Piezoelektrik kristaller potansiyel fark oluşturabilmektedirler. (uç yüzeylerde gerilim indüklenir) üstüne her mekanik bir basınç uygulanmasında bu durum gözlenmektedir. Bu sensörler dielektrik zemin üzerine piezo kristali monte edilerek elde edilir. Diyaframa bağlı olan bir yatay mil kristale tutturulmuştur. Diyaframda bir basınç algılandığı zaman, bu mili iter ve kristale basınç uygular sonuç olarak bir gerilim indüklenir.
Basınç Sensörü Karakteristikleri
Basınç sensörünün çeşitli uygulamalarını gördük. Birde belirli ortamlarda en iyi şekilde çalışması için benimsenen bazı özelliklere sahiptirler. Bunların bazıları aşağıda listelenmiştir;
1.Ölçüm aralığı: Bunu sensörün zarar görmeden çalışabileceği maximum ve minimum noktaları olarakta tanımlayabiliriz. Bu kriter diferansiyel ve gauge(gösterge) basınç ölçümü türleri için daha gerklidir. Çünkü referans basıncının büyüklüğü aralığın dışında ise bu ölçümler bir işe yaramaz.
2.Çalışma sıcaklığı: Basınç sensörleri belirli bir sıcaklık aralığında ancak stabil çalışabilirler. Sensörün tutarlı çalışabilmesi için her zaman uygun bir sıcaklık aralığı vardır. Çevre koşulları çok sıcak yada çok soğuk olduğu durumlarda sensörler çalışmayabilirler. Dokunmatik bilgisayarlar, akıllı telefonlar ve diğer cihazlar için kullanılan elektronik basınç sensörleri özel olarak uygulanırlar.
3.Sensör Boyutları: Burada değineceğimiz nokta, sensörün boyutu basıncı algılanması gereken alanın tipine göre değişiklik göstereceğidir. Bundan dolayı sensörün boyutu bir sensör dizayn edilirken önemle göz önüne alınması gereken bir noktadır. Genellikle kolay kurulumu ve zor yerledeki (mesela hava filtrelerinde) ölçüm için küçük boyuttaki sensörler tercih edilirler.
4.Ölçüm Tipi: Ölçüm tipi olarak hangisinin kullanılacağının bilinmeside kullanıcılar için önemli bir noktadır. absolute(mutlak), gauge(gösterge) yada diferansiyel(fark). Çünkü farklı ölçüm teknikleri farklı işleme teknikleri tarafından izlenir bundan dolayıda çıkış ölçüm tipine göre değişiklik gösterebilir.
5.Doğruluk: Diferansiyel basınç ölçümü doğru sonuç alma bakımından en iyi basınç ölçme yöntemidir. Çünkü referans basınç noktası kullanıcı tarafından kontrol altındadır . Atmosferik basınç referansına göre daha doğru sonuçlar alabiliyoruz.
6.Tekrarlanabilirlik: Bu durumu sensörün üretimi gereği bir yeterlilik olarak değerlendirebiliriz. Yani tekrar tekrar kullanımda sonuç farklı olmamasıdır. Tekrarlanabilirlik bir sensörün en önemli özelliklerinden birini oluşturmaktadır.
7.Çıkış türü: Sensör tarafından üretilen elektrik çıkışı tasarımına bağlı olarak, çeşitli tipte olabilir. Ve çıkışta aynı şekilde çeşitli tiptedir. Mesela analog gerilim, analog akım, digital sinyal(TTL), RS 232 arayüzü ve frekans kaydırmalı anahtarlama temelli HART protocol.
8.Tepki süresi: Tepki süresi uygulamalı girdiler ve elde edilen çıktı arasındaki harcanan zamanı ifade eder. Basınç sensörlerinden beklenen kısa bir tepki süresi, bu yüzden anlık çıkış üretilmeli ve anlık basınç değişimlerine sistem çok hızlı cevap verebilmelidir.
9.ofset gerilimi: Ofset gerilimi hiçbir giriş uygulanmadığında görülen çıkış değeri olarak adlandırılan olabilir. Diferansiyel sensörler için ofset gerilimi referans basıncı olmasada oluşturulur ve gauge (gösterge) basınç ölçümü ortam basıncındada çıkış üretir. Ofset gerilimine çıkıştaki hataları azaltmak için ihtiyaç duyulur ve son çıkış geriliminden ofset gerilimi çıkarılarak nihai çıktı hesaplanır.
Sınırlamalar ve Engeller:
Basınç sensörlerinin çeşitli alanlarda kullanımını kısıtlayan birçok sınırlamalar var. Yüksek sıcaklığa bağlılık , gecikme, hızlı ve dinamik basınç değişimlerinde algılamada yetersizlik, dış titreşimlere duyarlılık, elkektrik-manyetik ve RF duyarlılığı, harici bir cihazla uyumsuzluklar gibi basınç sensörlerinin stabil çalışmasına engel teşkil etmektedirler. Bazı uygulamalarda ise basınç sensörlerinin doğruluk derecesi kısıtlıdır. Mesela dokunmatik ekranlarda birden fazla yere dokunulduğunda sensörün hassasiyeti etkilenmektedir. Havacılık sektöründe ise yüksek basınç sensörünün çalışmasını sınırlayabilir.
Basınç sensörlerinden esasen optimum ortam koşullarında stabil çalışması beklenmektedir. Bu yüzden bazı eksik yönlerine rağmen sensör teknolojisi devam ettikçe dahada gelişmeye devam edecektir.Basınç sensörlerinin dokunmatik ekranlarda otomobillerde vs. geniş kullanımı olsada bir süre sonra verimlilikleri ciddi derecede düşmektedir bu yüzdende basınç sensörlerinin dayanıklılığı da endüstriyel araştırmanın bir önceliği haline gelecektir.
Bununla birlikte, basınç sensörü cihazları her cihaz gibi kaliteli sonuçlar sağlamak için dikkatlice kullanılmasının yanı sıra sürekli kontrol edilmelidir.
Kaynak : http://www.engineersgarage.com/articles/pressure-sensors-types-working?page=1
