algilayicilar icin egitim amacli simulator

8/6/2019 Algilayicilar Icin Egitim Amacli Simulator

1/15

stanbul Ticaret niversitesi Fen Bilimleri Dergisi Yl:4 Say:7 Bahar 2005/1 s.141-155

141

ETL ENDSTRYEL DNTRC VEALGILAYICILAR N ETM AMALI SMLATORUYGULAMALARI

M. Cem KASAPBAI* Sezgin ALSAN**

ZETBu almada eitli alglayc ve dntrclerin ayrca bir de kontrol vanasnn simlasyonu NationalInstruments Firmasnn LabVIEW program kullanlarak yaplmtr. Bu almada amalananrencilerin alma prensiplerini rendikleri dntrc ve alglayclarn deiik birimlerdekigirdilere verecekleri cevabn aynsn, bilgisayar ortamnda grsel bir arabirim aracl ile tecrbeedebilecekleri dzenekler hazrlamaktr.

Anahtar Kelimeler : Alglayc , Dntrc , Simlasyon, LabVIEW

EDUCATIONAL SIMULATION APPLICATIONS FOR A VARIETY OFINDUSTRIAL TRANSDUCER AND SENSORS

ABSTRACTIn this study, simulations of different sensors and transducers as well as the simulation of control valveshave been made using National Instrument LabVIEW program. In this study, the aim is to create anenvironment for the students using different units of inputs for taught transducers and sensors andexamining the simulated outputs where they can respond in the same way to the selected transducers andsensors.

Keywords : Sensors , Transducers, Simulation,LabVIEW

*stanbul Ticaret niversitesi Mhendislik ve Tasarm Fakltesi Bilgisayar Mhendislii skdar-STANBUL [email protected]

**stanbul Ticaret niversitesi Mhendislik ve Tasarm Fakltesi Bilgisayar Mhendislii skdar-STANBUL [email protected]


2/15

M. Cem Kasapba, Sezgin Alsan

142

1. GR

Bir ok niversitede, gerek mhendislik fakltesi gerekse teknik eitimfakltelerinde lme ve Enstrmantasyon dersi iinde ok eitli alglayclarn vedntrclerin alma prensipleri anlatlmaktadr. Fakat kstl imkanlar sebebiyleuygulamalar yaplamamaktadr. Uygulamalar gerekletirmek iin, alglayc vedntrclerin hepsinin alnp, uygulama laboratuarlar kurulmas, gerek yer,gerekse maddi imkanlar yznden gerekletirilmesi zor bir yoldur. Buna alternatif

ise bilgisayar destekli sanal bir laboratuar ortam hazrlanmas olabilir. Bu almadasanal bir enstrmantasyon laboratuar iin simlasyonlar hazrlanmtr. Kurulacakbilgisayar destekli bir Sanal Enstrmantasyon-SE (VI Virtual Instrumentation)laboratuarnn avantajlar aada belirtilmitir:

Laboratuar ileme sresinin azalmas. Ksa zamanda bitecek olan deneyler sonucunda, laboratuardaanlatlmak istenen temel prensipler iin anlatm/tartmaya daha fazlazaman kalmas. Daha doru sonu elde edilmesi, Bir ilem sonularnn kayt edebilme ve sonularn elektroniktablo programlarnda hzl ekilde formatlanp sunulabilmesi.

Yukarda sralanan faydalarn yannda, rencilerin tekrar eden hesaplamalarda daha

az vakit harcadklar, Labview kullanarak daha fazla konu retildii ncekialmalarda belirtilmitir (VanArsdale, 1997). Baka bir almada ise rencilerinbecerilerinin artmasna ve baka projelerde de gerek retim yelerinin gerekserencilerin performansnn arttna deinilmitir (Osborne vd, 1997).

Bu almada eitim amal sanal enstrmantasyon laboratuar kurmakta kullanlanalglayc ve dntrcler iin gelitirilen simlasyonlar: gergi lerdntrcs (Strain Gauge), RTD (Resistance Temperature Dedectors), sl ift(thermocouple), eit yzdeli oransal vana simlasyonlardr. kinci blmde busimlasyonlarn nasl hazrland ve bunlarla ilgili ksa teknik bilgilerverilmektedir. Deneylerin simlasyonunun hazrlanmas iin, National Instrumentfirmasnn sanal enstrman gelitirme ortam olan LabVIEW kullanld.

LabVIEW (Laboratuary Virtual Instrumentation Engineering Workbench) bir

program gelitirme ortamdr (NI /a, 1998). LabVIEW dier program gelitirmeortamlarndan (C- Basic gibi) zellikle bir noktada farkldr. Dier programsistemleri metin bazl kod dili kullanrken, LabVIEW grafik programlama dilinikullanr. Temel kavram, veri ak programlamasna dayanr. Bu ekilde harcanansreyi olduka azaltr ve bilim adamlar ve mhendislerin kaynaklarn daha iyikullanmalarna olanak tanr (Kasapba, 2001).


3/15

stanbul Ticaret niversitesi Fen Bilimleri Dergisi Bahar 2005/1

143

2. DENEYSEL AAMANIN KURULMASI

2.1 Gergi ler Simlasyonu

Gergi ler, sabitlendii yzeyde meydana gelen gerilme, esneme ve benzeri fizikseletkiler sonucu diren deeri deien bir alglaycdr. Bu deiim sayesinde okeitli fiziksel byklk llebilmektedir. En ok arlk lmlerinde kullanlr.

Gergi ler simlasyonlarnda amalanan dntrcnn almasnn rencitarafndan daha iyi anlalabilmesi iin bir ortam oluturmaktr. rencilerinsimlasyon sonunda deiik kpr konfigrasyonlarnn gergi lmedeki etkilerinive hesaplar iin gerekli olan sabit deer ve kavramlar daha iyi anlamalarbeklenmektedir. Simlasyon gergi lerde oluan gerilimi deiik kpr direnkonfigrasyonlarna gre hesaplayan LabVIEW nesnesi kullanlarak hazrland.

Tm gergi ler uygulamalarnda Wheatstone kprs kullanlr. Kpr iindekullanlan aktif gergi ler adedine gre 3 ana tip kpr konfigrasyonundan szedilebilir (NI, 2005).

eyrek kpr I ve II : Aktif gergi ler adedi 1Yarm Kpr I ve II: Aktif gergi ler adedi 2Tam Kpr I, II , III: Aktif gergi ler adedi 4tr.

Simlasyonda bu yedi farkl kpr konfigrasyonuna gre gergi lerdeki gergi

miktarn hesaplayan SEnin (Virtual Instrument- Sanal Enstrmantasyon) n paneliekil 1de belirtilmektedir. Burada giri verileri, gergi lerin gergi (kuvvet) yokkenki direnci, gergi olduu zaman llen voltaj ve kpr konfigrasyonu verilmitir.

ekil 1 Gergi ler simlasyonu n paneli

Ne tip kprkullanlaca


4/15


144

Kpr konfigrasyonu, ne tip bir kpr diren kullanlarak gergi lerlerinyerletirildiini belirtmek iin kullanlr. Bunun iin yedi seenek bulunur.

n panel grnmde bulunan v, Poisson orandr. Btn metal malzemelerde 0-0,5arasnda olduu iin genellikle ihmal edilebilir (Grdal, 2000). Bu oran ekil 2den-ekil 8e verilen kpr konfigrasyonlarndan bazlarnda kullanlacak orandr.

Gergi miktarnn dntrld bu SEde kullanlan dnm forml tamamenkpr konfigrasyonuna baldr. Tm SElerde gergi dnm denklemlerinde

kullanlan gerilim oran olan Vr hesab iin aadaki forml kullanlmaktadr (NI /a,1998).

Vex

VVV

initsg

r

)( = (1)

Vsg : gergi lerden okunan gerilim,

Vinit :gergi uygulanmadnda okunan voltaj miktar (sabit),

Vex :tahrik voltaj (kpr besleme voltaj)

eyrek ve yarm kprlerde R1 ve R2 direnleri direk olarak evirim formlndeyer almamaktadrlar. Aada bu simlasyonda kullanlan kprkonfigrasyonlarnn balant ekilleri (ekil 2den ekil 8e kadar) ve hemen

altlarnda onlarla ilgili denklemler bulunmaktadr. Bu denklemler simlasyondakullanlan denklemlerdir (NI/b, 1998).

Bu denklemlerde kullanlan ksaltmalar aadaki gibidir.

: llen gerginlik, (+ gerilme ve - skmadan dolay oluan gergi)

: simle edilen gergi miktar.

GF : Gauge Factor, bu gergi lerin reticisi tarafndan belirtilmesi gereken birdeerdir.

Rg :normal gergi ler direncidir. Bu da retici tarafndan belirtilmelidir.

RL :ara kablo direncidir. Eer bu ara kablo uzunsa lm doruluunu nemli birekilde etkiler.

Rs :nt kalibrasyon diren deerini gstermektedir.

U: beklenen sinyal geriliminin, nt kalibrasyon devresi ile tahrik voltajna oranngstermektedir. Baz denklemlerde bu parametre bulunmaktadr.


5/15


145

gs

g

RR

RU

24 +

=

VCH : llen sinyal gerilimini gstermektedir.

ekil 2 eyrek Kpr I konfigrasyonu

+

+

=

Rg

RL

VrGF

VrGergi 1

)21(

4)( (2)

ekil 3 eyrek Kpr II konfigrasyonu

+

+

=

Rg

RL

VrGF

VrGergi 1

)21(

4)( (3)

ekil 4 Yarm kpr I konfigrasyonu

Rg(+ )

Rg(+ )

Rg (aktif deil)

Rg(+ )

Rg(-v )


6/15


146

+

+

=

Rg

RL

vVrvGF

VrGergi 1

)1(2)1(

4)( (4)

ekil 5 Yarm kpr II konfigrasyonu

+

=

Rg

RL

GF

VrGergi 1

2)( (5)

ekil 6 Tam kpr I konfigrasyonu

GF

VrGergi

=)( (6)

ekil 7 Tam kpr II konfigrasyonu

)1()(

+

=

vGF

VrGergi (7)

Rg(+ )

Rg(- )


7/15


147

ekil 8 Tam kpr III konfigrasyonu

)1()1(

2)(

+

=

vVrvGF

VrGergi (8)

2.2 Yk Hcresi Simlasyonu (Deneysel alma)

Gergi lerler sklkla kuvvet ve arlk lm iin kullanlrlar. Bu amalakullanlan gergi lerli dntrclere yk hcresi (loadcell) ad verilir. Kuvvetveya arlk tarafndan oluturulan deformasyonu lerler.

Bir nceki simlasyonda gergi miktar, gergi lerden gelen sanal bir gerilime vekpr konfigrasyonuna gre hesaplanmaktayd. Bu simlasyonda ise girilen sanalkuvvete kar (kilogram), gergi lerin retecei gerilim miktar verilmektedir. Busayede rencilerin gncel hayattan altklar byklkleri kullanarak gergi lerinalmasn daha iyi anlamalar beklenmektedir.

Bu simlasyonda Marmara niversitesi Teknik Eitim Fakltesi Robotiklaboratuarnda bulunan yk hcresinden yararlanlmtr. Deiik lekli kilogramlarzerine yerletirildikten sonra, gergi lerde meydana gelen gerilim, ekil 9daverilen grafikteki gibi olmaktadr. Bu veriler kullanlp Ms Excelde eilimdenklemi kartlarak simlasyonda kullanlan denklem 9 elde edilmitir. ekil9dan yola karak, yk hcresinin rettii gerilimin zerine konulan arlkla doruorantl olduu ortaya konulmutur.

Gerilim(volt)=0,000263 * Arlk(gr)+0,2492 (9)


8/15


148

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 2000 4000 6000 8000 10000

Arlk (gr)

Gerilim

(volt)

ekil 9 Yk hcresi arlk gerilim erisi

Laboratuardaki yk hcresi iin LabVIEW ile yaplan simlasyonda n panel ekil10daki gibidir.

ekil 10 Yk hcresi simlasyonu n paneli ekil 11 Blok diyagram grnts

Laboratuardaki yk hcresi iin LabVIEW ile yaplan simlasyonda blok diyagramgrnts ekil 11deki gibidir.

2.3 RTD Simlasyonu I

RTD endstride scaklk lm iin sklkla kullanlan bir alglaycdr. Scaklk ilediren deeri deiir. Saf metallerin elektrik direnlerinin scaklk ile dorusaldeiim prensibine gre alan dntrclerdir. Genellikle Nikel (Ni) ve bakr(Cu) ierir, fakat platinyum (Pt) ok daha fazla bilinir ve kullanlr. Geni alma


9/15


149

scaklk aral olmas, doruluu ve kararll platinyumun daha fazla seilmesindeen belirleyici faktrlerdendir (NI, 2003). Bu almada rencilerin RTD ninaltnda deiik scaklk deerlerine verecei cevab grmeleri vehesaplayabilmeleri beklenmektedir.

LabVIEW ile yaplan RTD simlasyonunda gergi lerler simlasyonunda olduugibi, LabVIEWde bulunan nesne kullanlmaktadr. Bu nesne RTDden llengerilim miktarna gre o anda olmas gereken scaklk miktarn bize gstermektedir.rencilerin bu simlasyonla deiik RTD gerilimlerine gre olmas gerekenscaklk miktarn bulabilmeleri beklenmektedir. Bu ekilde RTDnin almasndaha iyi anlamalar amalanmtr. ekil 12de nesne ve balantlar yer almaktadr.

ekil 12 RTD nesnesi

Bu nesnede R0 scaklktan nceki direnci; RTDvolts RTD den okunan gerilimi, I exRTD ile kullanlan tahrik akmn, A ve B ise Callendar Van-Dusen (Grdal, 2000),(denklem 10) denklemindeki katsaylar gstermektedir.

Bu nesne kullanlmadan nce simlasyonu yaplacak RTDnin katalog bilgilerikullanlabilir. Kataloglardan R0, A ve B deerleri renildikten sonra bu bilgilerinesneye balayarak ekil 13 deki gibi bir n panel hazrlanr.

Endstride en sk kullanlan 100 platinium RTDlerdir. Bunlar ya Avrupa scaklkerisini (DIN 43760) ya da Amerikan scaklk erisini takip ederler. AadaAvrupa, ve Amerika scaklk erilerine gre A ve B deerleri Tablo 1deverilmektedir (NI/b, 1998).

ekil 13 RTD simlasyon n panel grnts


10/15


150

Tablo 1 Avrupa ve Amerika scaklk erilerine gre A ve B deerleri

2.4 RTD Simlasyonu 2

rencinin bu simlasyonu kullanarak RTDde meydana gelen diren deiiminegre scaklk deiimini gzlemlemesi, bu ekilde konuyu daha iyi kavramasamalanmtr.

Bu simlasyon iin RTD scaklk denklemi (Grdal, 2000) kullanlmaktadr.Simlasyon n panel grnts ekil 14deki gibi hazrlanmtr.

)1( 20 BtAtRR ++= (10)

ekil 14 RTD Simlasyonu 2 n panel grnts

Bu simlasyonda RTDnin scaklkla diren deiimi simle edilmektedir. Scaklkuygulanmadan nce llen diren deeri R0 ile temsil edilmektedir. Scaklk yazankontrol dmesi selsius C derece cinsinden scaklk deerini ve RTDninscakla gre deien direncini gsterir.

Avrupa erisi (DIN 43760) Amerika Erisi

A = 3.90802e-03

B = -5.80195e-07

( = 0.00385; = 1.492)

A = 3.9784e-03

B = -5.8408e-07

( = 0.00392; = 1.492)


11/15


151

2.5 Isl ift Simlasyonu

Isl iftler eitli aratrma alanlarnda ve sanayide scaklk lm amal olarak oksklkla kullanlmaktadr. Farkl iki metal iftin bir araya getirilmesi ile elde edilir.Temas noktalar stldnda dier ularndan scaklkla orantl bir gerilim eldeedilir. Bu gerilime Seeback gerilimi denir. Orant katsaylar, kullanlan metallerebaldr. Balant ularnn scaklnn sabit kalmas gerekir, bu ekleme soukeklem ad verilir (Pastac, 2000).

Isl ift simlasyonu ile amalanan, rencilerin sl iftin almasn daha iyirenebilecekleri, scak ve souk eklemdeki deerleri deitirerek alnacaksonular gzlemleyebilecekleri bir ortam hazrlamaktr.

Isl iftlerde scakla kar retilen Seeback gerilimini gsteren simlasyon iindenklem 11den yararlanlmtr (Pastac, 2000).

)()( 222

121 TTkTTcE += (11)

Kullancnn c ve k deerlerini belirlemesi gerekmektedir. Bu iki deer sl ifttekullanlan metallerin sabitleridir ve retici firmalar tarafndan verilen kataloglardanrenilebilir. Simlasyonda n deer olarak c iin 3,75.10-2, k iin 4,5.10-5 deerleriverilir. Souk eklem (referans eklem scakl) deitirildiinde nasl bir deiimolduu gzlenmek istenirse T1 girii deitirilmelidir. T1 gerekte 0C veya oda

scakl olarak belirlenir (NI /a, 1998).Simlasyon n panel grnts ekil 15deki gibidir.

ekil 15 Isl ift simlasyonu n paneli


12/15


152

Blok diyagram grnts de ekil 16daki gibidir.

ekil 16 Isl ift simlasyonu blok diyagram

Yaplan bu simlasyonlarda girilen sanal scaklk miktarna bal olarak retilengerilim, deiik tip sl iftlerin verilen matematik modelleri vastas ile hesapland.

2.6 Oransal Vana Simlasyonu

Oransal vanalar sanayide ak denetiminde kullanlan kontrol elemanlardr. Vanalardeiik amalar iin retilen klape tiplerine (akn geiini denetleyen tka) greadlandrlrlar. Bu simlasyonda eit yzdeli olarak adlandrlan oransal vana tipikullanlmaktadr. rencilerin eit yzdeli oransal vanalarn almas ile ilgili temelprensibi anlamalar iin hazrlanmtr.

Eit yzdeli ve lineer vanalar iin zel hesaplama yaplarak klape hazrlanr. Hzlalan vana tipi iin ise dz bir klape yzeyi yeterlidir (mutfak musluu). Aadakitabloda eit yzdeli vana iin, ak yzdesindeki deiimin, yzde cinsinde vanapozisyonu Tablo 2de verilmitir (Platt, 1998).

Tablo 2 Eit yzdeli vanann %ak-%aklk kyaslamas

% VanaPozisyonu

%0 %25 %50 %75 %100

% Akmiktar

%0 %6 %17 %42 %100


13/15


153

Eldeki bu verilerden yararlanlarak eit yzdeli vana iin, (yk hcresisimlasyonunda olduu gibi) bulunan denklem 12, simlasyonda kullanlmtr.

Q=0,000001*P4 +0,000057*P3 +0,0041* P2 +0,16*P (12)

Q= % ak miktarP= % vana pozisyonu

Simlasyonda belirtilen ak miktar ve vanann pozisyonunu belirleyen yzdekontrol iareti, ayarlanlarak istenilen miktarda su gemesi salanr. Kaa olmayansanal bir su tankn doldurmas dnlmektedir. Burada yaplan matematikilemlerin anlalrln arttrmak iin ak miktar, saniyede tanka akan su miktarolarak belirtilmektedir.

Simlasyon su pompasna veya stop dmesine basld zaman duracaktr. npanel ve blok diyagram grnts ekil 16 ve ekil 17deki gibi verilmektedir.

ekil 16 Oransal Vana Animasyonu n panel grnts


14/15


154

ekil 17 Oransal Vana Animasyonu blok diyagram grnts

3. TARTIMALAR VE SONULAR

Bu almada, renciler iin konunun ana kavramlarn uygulayabilecekleri birortam hazrlanmtr. Fiziksel deney olarak hazrlanmas zor ve maddi imkangerektiren deneyler, simlasyonlar aracl ile hazrlanmtr. Simlasyonda

yaplan deneyler hzl bir ekilde gerekletirilebilmektedir. Bu da uygulamayaplacak laboratuardaki retim sresini azaltp ve rencilerin konu detaylarnagirmesine zaman brakacaktr.

almadaki simlasyon deneyleri renciler ile henz test edilmemi olsa dahedeflere ulald dnlmektedir. Bu hedefler: rencilere uygulama yapp,deney hakknda tecrbe kazanacaklar bir ortam salamak ve geleneksel laboratuaruygulamalarna daha ucuz alternatif zmler getirmektir. Simlasyonlar, deneyselparametrelerin detayl bir ekilde anlalmasn salamaktadr.

Bir sonraki almada simlasyonlar yaplan endstriyel dntrc vealglayclarn, veri toplama cihaz ile yaplacak deney sonular ve elde edilensimlasyon deerleri karlatrlabilir.


15/15


155

KAYNAKA

Grdal O., (2000), Alglayclar ve Dntrcler, Nobel Yayn Datm, 2.Bask, Ankara.

Kasapba M. C., (2001), lme ve Enstrmantasyon Dersi LaboratuarnnLABVIEW Program Kullanlarak Sanal Ortamda Gerekletirilmesi, Marmara n.Fen Bilimleri Ens. Yksek Lisans Tezi.

National Instrument NI/ a, (1998), LabVIEW 5.0 User Manuel, NationalInstruments Corporation, Para Numaras 320999B-01.

National Instrument NI/ b, (1998), LabVIEW online yardm dosyalar, NationalInstruments Corporation.

National Instrument NI, (2003), Application Note 46 Measuring Temperaturewith an RTD or Thermistor , National Instruments Corporation.

http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/webmain/C18F65CE920C115086256D720058325B, National Instrument NI Strain GaugeConfiguration Types, [9.3.2005 , WEB;]

Osborne J. P., Erwin B., Cyr M. ve Rogers C., (1997), A Creative and Low-CostMethod of Teaching Hands-On Engineering Experimantation Using Virtual

Instrumantation, Virtual Instrumentation In Education Conference Proceedings.Pastac H., (2000), Elektrik ve Elektronik lmeler, Yldz Teknik niversitesiYayn.

Platt G., (1998), Process Control, ISA Internatioanl Society of MeasurementPublication 2. Bask.

VanArsdale W. E., (1997), Using Labview in an Undergraduate Course inExperimantal Methods, Virtual Instrumentation In Education ConferenceProceedings.

algilayicilar icin egitim amacli simulator

Documents