Bir keresinde biri bir meslektaşına ne iş yaptığını sordu. O da hiç tereddüt etmeden, "Ben enstrümantasyon ve kontrol mühendisiyim," diye yanıtladı.

"Peki bu nedir?" diye sordu karşısındaki kişi.

"...Ah. Şey ..." "Artık başım dertte," diye düşündü mühendis.

 

Enstrümantasyon ve Kontrol Nedir?

Bir makine, elektrik, kimya veya elektrik mühendisinin ne yaptığını açıklamak nispeten kolaydır; ancak enstrümantasyon ve kontrol alanında uzmanlaşmış bir mühendisin yaptığı işi kısa ve öz biçimde açıklamak başka bir meseledir.

Enstrümantasyon ve kontrol, disiplinler arası alanlardır. Kimya, mekanik, elektrik ve manyetizma, elektronik, mikrodenetleyiciler ve mikroişlemciler, yazılım dilleri, proses kontrolü ve pnömatik, hidrolik ve iletişim ilkeleri gibi daha birçok konuda bilgi gerektirirler.

Enstrümantasyon ve kontrolü bu kadar ilginç ve öğretici kılan da budur.

Bu makalede, petrol ve gaz, kâğıt hamuru ve kâğıt, şeker, ilaç, gıda ve kimya gibi endüstriyel tesislerin işleyişi ve çalışması için kullanılan enstrümantasyon ve kontrolün (I & C) temel ilkelerine kapsamlı bir genel bakış sunacağım.

Öncelikle, nasıl ölçüm yapılacağını ele almamız gerekiyor. Bunun için bir ölçüm cihazına ihtiyacımız var.

 

Ölçüm Cihazı Nedir?

Ölçüm cihazı, belirli bir prosesteki fiziksel veya başka türdeki değişimleri algılayabilen bir cihazdır. Daha sonra bu fiziksel değişimleri, kullanıcı tarafından anlaşılabilecek bir tür bilgiye dönüştürür.

Şekil 1'deki örneği ele alalım.

 

Şekil 1. Bir ölçüm cihazı örneği.

 

Anahtar kapatıldığında direnç ısı üretir ve tanktaki sıvının sıcaklığını artırır. Bu artış ölçüm cihazı tarafından algılanır ve cihazın skalasında gösterilir.

Bir prosesteki fiziksel değişikliklere ilişkin bilgileri doğrudan gösterim veya kaydedici aracılığıyla elde edebiliriz.

 

Gösterge

Bu, ölçümün en basit biçimidir; değişkenin mevcut durumunu bilmemizi sağlar.

 

Şekil 2. Bir değişkenin basit bir görsel gösterge aracılığıyla izlenmesi.

 

Kaydedici

Verileri depolayabilen bir cihaz, değişkenin mevcut durumunu ve geçmişteki davranışını gözlemlememizi sağlar. Bir kaydedici, değişkenin geçmişini sunar.

 

Şekil 3. Ölçümlerin zaman içinde nasıl değiştiğini gösteren bir ekran.

 

Ölçüm Cihazının Bileşenleri

Ölçüm cihazları temel olarak şu parçalardan oluşur:

• Sensör: Bu unsur, ölçtüğü proseste meydana gelen değişikliklerin sonucunda fiziksel özelliklerinde değişimler yaşayan bir cihazdır.
• Yükselteç / Sinyal Düzenleyici: Sensör tarafından algılanan değişiklikler çok küçük olabilir; bu nedenle uygun şekilde görüntülenebilmeleri için önce yükseltilmeleri, ardından koşullandırılmaları gerekir.
• Gösterge: Ölçülen veriler anlaşılır bir şekilde sunulmalıdır. Bu, derecelendirilmiş bir cihaz veya elektronik bir gösterge kullanılarak yapılabilir. Bazen gösterge, ölçümün geçmişini veya eğilimlerini aktarmak amacıyla ek olarak bir kayıt cihazı görevi de görür.

 

Şekil 4. Bir ölçüm cihazının öğeleri.

 

Genellikle bir cihaz tarafından üretilen ölçüm bilgilerinin, cihazdan fiziksel olarak uzakta bulunan bir kontrol merkezine (veya kontrol odasına) gönderilmesi gerekir. Genel olarak bu bilgilerin belirlenmiş teknik özelliklere uygun olması gerekir.

 

Şekil 5. Ölçüm bilgileri cihazdan kontrol odasına gönderilir.

 

Bir cihaz bilgi gönderme yeteneğine sahip olduğunda, ona transmiter (genellikle XMTR olarak kısaltılır) deriz.

 

Cihazların Sınıflandırılması

Ölçüm cihazları için farklı sınıflandırmalar vardır. Bunları örneğin saha cihazları veya panel cihazları olarak sınıflandırabiliriz. Saha cihazı, prosese veya ölçüm noktasına yakın bir yere kurulur. Zorlu çevre koşullarına maruz kalacaksa fiziksel olarak dayanıklı olmalıdır. Panel cihazları, kontrollü çevre koşullarına sahip bir odada bulunur (genellikle temiz, klimalı ve nemi kontrol edilen bir alan).

Bir diğer sınıflandırma, pnömatik cihazlar ile elektriksel/elektronik cihazlar arasındadır.

 

Pnömatik Cihazlar

Adından da anlaşılacağı üzere bunlar hava ile çalışan cihazlardır.

Bu cihazların avantajlarından biri elektrik tüketmemeleridir; bu nedenle elektrik enerjisi kullanmanın tehlikeli veya elverişsiz olacağı alanlarda kullanılabilirler. Tek bir değişkenle çalışırlar, kesinliği düşük cihazlardır, titreşimlerden ve sıcaklık değişikliklerinden etkilenirler ve bakım gereksinimleri yüksektir. Transmiterlerin çıkış sinyali 3 ile 15 psi arasındadır ve maksimum iletim mesafesi yaklaşık 200 metredir.

 

Şekil 6. Bir pnömatik cihazın temel şeması.

 

Elektriksel / Elektronik Cihazlar

Elektronik cihazlar üç genel kategoriye ayrılabilir: analog, akıllı analog ve dijital.

 

Analog Cihazlar:

• Çıkış sinyali: 4 - 20 mA
• İletim mesafesi: 1200 m (tipik)
• Tek bir değişkene ait veri iletilir
• İyi doğruluk
• Kolay bakım

 

Şekil 7. Elektronik bir cihazın temel şeması (XMTR).

 

"Akıllı" analog cihazlar:

• Sensörün sıcaklık, statik basınç vb. ölçümü yapacak şekilde karakterizasyonu
• Mükemmel doğruluk
• Kendi kendine tanılama (yani sensör, kendi işlevselliğindeki sorunları analiz edebilir)
• Tek değişken

 

Dijital cihazlar:

• Birden çok cihaz tek bir kabloyu kullanabilir
• Her cihaz için birden çok değerin iletilmesi (proses değişkenleri, kalibrasyon, tanılama, aralık)
• Mesafe: tekrarlayıcı olmadan yaklaşık 1900 m
• Veri kapasitesi iletim modundan (kablo, fiber optik, kablosuz) etkilenir

 

Şekil 8. Dijital transmitter'lar.

 

Genel Sensör Özellikleri

Aralık: Bir değişkenin ölçüldüğü sınırlar arasındaki bölge. Bu bölgenin alt ve üst sınırlarını gösterir. Aralık iki sayıyla ifade edilir; ör. 10–20 °C, 10–150 V, %0–100

Span: Aralığın maksimum değerinden minimum değerinin çıkarılmasıyla hesaplanır. Span, proses birimleri cinsinden tek bir sayıyla ifade edilir; ör. 120 °C, 30 V, saniyede 150 litre.

Yükselme: Aralığın alt sınırı pozitif bir değerse, bu alt sınır yükselmedir. Örnek: Aralık 50 °C ile 200 °C arasındaysa yükselmenin 50 °C veya spanın %33,3'ü olduğunu söyleyebiliriz.

Düşme (bastırma olarak da adlandırılır): Aralığın alt sınırı negatifse, bu alt sınırın mutlak değeri düşmedir. Örnek: Aralık -10 °C ile 80 °C arasındaysa düşmenin 10 °C veya spanın %11,1'i olduğunu söyleyebiliriz.

Aralık aşımı: Bir cihaz belirli bir aralık içinde çalışacak şekilde kalibre edilmiş, ancak bu aralığın üzerindeki veya altındaki değerlere maruz kalabilecekse, cihazın hasar görmesini ya da göstergenin üst veya alt sınırını aşmasını önlemek için bir koruma mekanizması gerekir. Ölçülen değerler maksimum değerin üzerindeyse pozitif aralık aşımı, minimum değerin altındaysa negatif aralık aşımı söz konusudur.

 

Şekil 9. Aralık, span, yükselme ve düşme örnekleri.

 

Hata: Fiziksel bir değişkenin ölçülen değeri ile gerçek (veya beklenen ya da istenen) değeri arasındaki fark. Hata pozitif veya negatif olabilir. Ölçülen değer gerçek değerden büyük olduğunda hata pozitiftir. Ölçülen değer gerçek değerden küçük olduğunda hata negatiftir.

                        Ölçülen > gerçekse, hata > 0

                        Ölçülen < gerçekse, hata < 0

Hata şu şekilde ifade edilebilir

• mühendislik birimleriyle (ör. °C, psi)
• spanın yüzdesi olarak (ör. spanın +/- %3'ü)
• ölçümün yüzdesi olarak (ör. ölçümün +/- %5'i)

Referans değeri: Genel anlamda, bir değişkenin gerçek, beklenen veya istenen değerini ifade eder. Geri beslemeli bir kontrol sistemi bağlamında, hata sinyalini oluşturmak için ölçülen değer referans değerinden çıkarılır.

Doğruluk: Hata sınırlarını tanımlayan bir sayıdır. Bir cihazın spanın %0,1'i oranında doğruluğa sahip olduğunu söylediğimizde bu, aralığın herhangi bir noktasında ölçümlerin gerçek değerden spanın %0,1'inden daha fazla sapmadığı anlamına gelir.

 

Proses Ölçümüne Bir Örnek

Yukarıda açıklanan kavramları daha iyi anlamak için aşağıdaki örneği inceleyelim.

Sıcaklığı sürekli olarak ölçmemiz gereken bir yağ tankımız var. Bu prosesin çalışma koşulları aşağıdaki gibidir:

• Minimum sıcaklık: -10 °C
• Maksimum sıcaklık: 90 °C
• Ölçüm doğruluğu, spanın %1'i veya daha iyi olmalıdır
• Sıcaklık ölçümü yerel olarak ve uzaktan görüntülenmelidir

 

Şekil 10. Örnek sistemimiz.

 

Öncelikle, tanktaki sıvının sıcaklığını ölçmemizi sağlayan bir ölçüm cihazı seçmeliyiz. Bilgilerin yerel olarak ve uzaktan erişilebilir olması gerektiğinden, bir sıcaklık transmiteri seçeceğiz.

Bu transmiter aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır:

• Aralık: -10 °C ile 90 °C arası
• Span: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• Depresyon: 10 °C veya aralığın %10'u
• Doğruluk: Aralığın %1'i = %1 × 100 °C = 1 °C
  • Bu %1'lik doğruluk, her ölçümde veya sıcaklık okumasında değişimin ya da hataların +/- 1 °C'yi aşmamasını sağlar

Ek olarak, aralık ile standartlaştırılmış transmiter çıkışı arasında uygun bir ilişki kurulmasını sağlamalıyız. Cihazı kalibre etmek için aralığın minimum değerini (-10 °C) çıkışın minimum değeriyle (4 mA), aralığın maksimum değerini (90 °C) ise çıkışın maksimum değeriyle (20 mA) ilişkilendirmeliyiz.

 

Sonuç

Bu makalede, enstrümantasyon ve kontrol sistemleri bağlamında ölçüm cihazlarını ve temel ölçüm kavramlarını ele aldık. Ayrıca bir ısıtma elemanı ile sıcaklık verilerini toplayıp iletebilen bir cihazdan oluşan basit bir örnek sistemi inceledik. Bir sonraki makalede, endüstriyel uygulamalarda kullanılan dört temel değişkeni ele alacağız: debi, seviye, sıcaklık ve basınç. Ayrıca orifis plakaları, termokupllar ve RTD'ler gibi çeşitli sensörleri inceleyecek ve bu dört fiziksel değişkeni ölçmek için kullanılan cihazları ve transmiterleri gözden geçireceğiz.