Sensör Nedir? Endüstriyel Sensör Çeşitleri

Sensör nedir?

Sensör, bir ölçüm cihazının ölçülen büyüklükten doğrudan etkilenen ve bu büyüklüğün değeriyle ilişkili bir sinyal üreten parçasıdır. Uluslararası Elektroteknik Sözlük (IEC 60050) sensörü böyle tanımlar ve aynı kavram için “ölçüm elemanı” (measuring element) terimini de kullanır. TDK Güncel Türkçe Sözlük’te sensörün Türkçe karşılığı “duyarga”dır. Uluslararası metroloji sözlüğüne (VIM) göre bazı alanlarda sensör yerine “dedektör” denir; TDK da “algılayıcı” kelimesini dedektör anlamında verir.

Metroloji sözlüğündeki örnekler tanımı somutlaştırır: türbinli debimetredeki rotor, basınç göstergesindeki Bourdon tüpü, seviye ölçerdeki şamandıra ve platin dirençli termometredeki algılama bobini birer sensördür.

Proseste kullanılan endüstriyel sensör çeşitleri önce ölçtükleri büyüklüğe göre ayrılır: akış (debi), seviye, basınç, sıcaklık ve analiz (pH, iletkenlik, bulanıklık gibi) sensörleri. Aynı büyüklük farklı fiziksel ilkelerle ölçülebildiği için sensörler çalışma ilkesine (elektromanyetik, ultrasonik, radar, hidrostatik ve diğerleri) ve çıkış sinyaline (analog ya da dijital) göre de sınıflandırılır.

Sensör ne işe yarar, nasıl çalışır?

Sensör, fiziksel bir büyüklüğü bir göstergenin, kayıt cihazının ya da kontrol sisteminin kullanabileceği bir sinyale çevirir. TDK’nın tanımında da duyarga, “önceden belirlenmiş ışığı veya nesneyi algılayıp gerekli hareketi başlatan aygıt”tır. Proseste bu hareket bir pompayı durdurmak, bir kompresörü kapatmak, tankın taşmasını önlemek ya da alarm vermek olabilir.

Temel fikir şudur: ölçülen büyüklük sensörde ölçülebilir bir fiziksel değişime yol açar.

• Direnç termometrelerinde (RTD) metalin elektrik direnci sıcaklıkla değişir.
• Termokuplda birbirine bağlı iki farklı metal tel, birleşim noktası ile referans noktası arasında sıcaklık farkı olduğunda gerilim üretir.
• Bourdon tüpünün oval ya da yassı kesiti iç basınç arttıkça yuvarlaklaşmaya çalışır ve tüpün kıvrımı açılır.
• Elektromanyetik debimetrede manyetik alandan geçen iletken sıvıda, akış hızıyla orantılı bir gerilim oluşur (Faraday yasası).

Bu değişimi kontrol sistemine standart bir biçimde taşımak için transmitter kullanılır: transmitter, ölçülen değişkeni temsil eden standart bir sinyal gönderir.

Sensör, transmitter ve şalter arasındaki fark nedir?

• Sensör (ölçüm elemanı): Ölçülen büyüklükten doğrudan etkilenen ve sinyal üreten parçadır. Bir ölçüm cihazının ya da ölçüm zincirinin bir bölümüdür.
• Ölçüm dönüştürücüsü (transducer): Giriş büyüklüğüyle belirli bir ilişkisi olan bir çıkış büyüklüğü veren cihazdır. Metroloji sözlüğü termokupl, pH elektrodu ve Bourdon tüpünü örnek verir.
• Transmitter: Ölçülen değişkeni temsil eden standart bir sinyali göndermek için tasarlanmış cihazdır; sensör transmitterin içinde olabilir ya da ayrı durabilir. Transmitterde ölçülen değeri gösteren bir gösterge de bulunabilir. IEC 61987’nin notuna göre İngilizcede proses mühendisliğinde transmittere çoğu zaman “meter” denir; flowmeter (Türkçesi debimetre) bunun örneğidir. Smart Basınç Transmitteri 4-20 mA analog çıkışın yanında HART dijital iletişimi de sunar.
• Şalter (switch): Sürekli bir değer vermez; ölçülen büyüklük ayarlanan noktaya geldiğinde konum değiştirir. Basınç şalteri, girişindeki basınç ayarlanan değere ulaştığında elektrik kontağını açar ya da kapatır. Nokta seviye sensörleri de yalnız malzemenin algılama noktasının üstünde mi altında mı olduğunu bildirir. Titreşim Tip Seviye Şalteri röle ya da PNP/NPN çıkışıyla minimum ve maksimum seviye, kuru çalışma emniyeti ve taşma emniyeti için kullanılır.

Kısaca: ölçülen değerin sürekli izlenmesi gerekiyorsa transmitter, yalnız bir eşiğin aşılıp aşılmadığı önemliyse şalter uygundur.

Ölçülen büyüklüğe göre endüstriyel sensör çeşitleri

Aşağıda beş grubun ne ölçtüğü ve hangi tiplere ayrıldığı kısaca yer alır.

Akış sensörleri (debimetreler)

Akış sensörleri, bir kesitten birim zamanda geçen akışkan miktarını, yani debiyi ölçer. Debiyi basınç, frekans ya da ivme gibi başka fiziksel büyüklüklerden çıkarırlar; birçoğu adını da kullandığı büyüklükten alır. Başlıca akış sensörü çeşitleri elektromanyetik, ultrasonik, vorteks, türbin, Coriolis, termal kütlesel ve fark basınçlı (orifis, venturi) ölçerlerdir.

Elektromanyetik Debimetre BMF2000 iletken sıvılarda kullanılır. Coriolis Debimetre BCMF3100 sıvı ve gazlarda anlık ve toplam akışın yanında sıcaklık ve yoğunluğu da ölçer. Tüm modeller debimetre sayfasındadır; farklı birimlerdeki debi değerlerini debi birimi çevirici ile dönüştürebilirsiniz.

Seviye sensörleri

Seviye sensörleri tank, silo ya da kanaldaki sıvı veya katının seviyesini ölçer ya da belirli bir seviyeye ulaşıldığını bildirir. İki türü vardır: sürekli ölçüm yapan sensörler seviyeyi bir aralık boyunca bildirir; nokta seviye sensörleri ise yalnız malzemenin belirli bir noktanın üstünde mi altında mı olduğunu söyler. Sürekli ölçümde ultrasonik, radar, hidrostatik ve kapasitif sensörler; nokta algılamada titreşimli ve iletken (elektrotlu) sensörler kullanılır.

Radar Seviye Sensörü BCR1100, 80 GHz FMCW teknolojisiyle sıvılarda 18 m’ye kadar temassız ölçüm yapar. Hidrostatik Seviye Sensörü BHPT2013 su ve atık suda, sıvının dipte oluşturduğu basınçtan seviyeyi bulur. Diğer modeller seviye sensörü sayfasındadır.

Basınç sensörleri

Basınç, birim alana etki eden kuvvettir. Ölçülen basınç dört biçimde ifade edilir:

• Mutlak basınç: atmosfer basıncı ile gösterge basıncının toplamı.
• Gösterge basıncı: mutlak basınçtan atmosfer basıncının çıkarılmasıyla bulunan değer.
• Fark basıncı: iki nokta arasındaki basınç farkı.
• Vakum: atmosfer basıncının altındaki basınç.

Elektronik basınç sensörlerinde kullanılan ilkelerden bazıları şunlardır: gerinim ölçerli (strain gauge) sensör Wheatstone köprüsündeki direnç değişimini ölçer; kapasitif sensörde diyafram hareket ettikçe kapasitans değişir; piezoelektrik sensörde basınç altında şekil değiştiren kristal küçük bir elektrik yükü üretir. Fark basınç transmitterleri yalnız basınç için değil, orifis plaka ile akış ve basınçlı kaplarda seviye ölçümü için de kullanılır. Modeller basınç transmitteri sayfasındadır; bar, psi ve diğer birimler arasında basınç ölçü birimi çevirici ile dönüşüm yapabilirsiniz.

Sıcaklık sensörleri

Başlıca sıcaklık sensörleri direnç termometreleri (RTD) ve termokupllardır. RTD’de metalin elektrik direnci sıcaklıkla değişir; platin, daha geniş bir sıcaklık aralığında doğrusal davrandığı için en yaygın malzemedir. Pt100, 0 °C’de 100 Ω dirence sahip platin dirençli termometredir; diğer sıcaklıklardaki direnç değerleri Pt100 direnç tablosu sayfasındadır. Termokupl iki farklı metal telden oluşur ve sıcaklığa bağlı bir gerilim üretir; RTD’lerden çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilir. RTD’ler ise yüksek doğruluk ve kesinlikleriyle tercih edilir. Termistörler yarı iletken tabanlıdır; duyarlılıkları yüksek, ölçüm aralıkları dardır. Genleşmeye ve kızılötesi ışınıma dayananlar dahil diğer sıcaklık ölçerler termometre çeşitleri rehberinde anlatılır.

Analiz sensörleri

Analiz sensörleri sudaki ve proses sıvılarındaki kimyasal ve fiziksel değerleri ölçer.

• pH sensörü: cam membranlı ölçüm yarım hücresi ile referans yarım hücresi arasındaki potansiyel farkını ölçer; bu gerilim pH değerine çevrilir. Gerilim ile pH arasındaki ilişki sıcaklıkla değiştiği için otomatik ya da elle sıcaklık kompanzasyonu yapılır; elektrot standart tampon çözeltiyle kalibre edilir.
• İletkenlik hücresi: elektrotlar arasındaki dirençten sıvının iletkenliğini, dolayısıyla iyon derişimini çıkarır.
• ORP (redoks) sensörü: çözeltinin yükseltgen ya da indirgen gücünü yansıtan potansiyeli ölçer.
• Bulanıklık ölçer: askıdaki parçacıkların saçtığı ışığı ölçer.

Bu gruptaki cihazlar için pH metre ve analiz cihazları sayfasına bakabilirsiniz.

Çalışma ilkesine göre sensör türleri

Aynı büyüklüğü ölçen sensörler farklı fiziksel ilkelerle çalışabilir. Tablo, proses ölçümünde kullanılan başlıca ilkeleri ve her birinde dikkat edilecek noktayı özetler.

Çalışma ilkesi	Ne ölçer	Nasıl çalışır	Dikkat edilecek nokta
Elektromanyetik	Sıvı debisi	Manyetik alandan geçen iletken sıvıda akış hızıyla orantılı gerilim oluşur (Faraday yasası).	Sıvı iletken olmalıdır. Hareketli parça yoktur, basınç kaybı azdır.
Ultrasonik geçiş süresi	Sıvı debisi	Akış yönünde ve akışa karşı gönderilen ses sinyallerinin süre farkı ortalama hızı verir.	Dönüştürücüler borunun dışına takılabilir.
Vorteks	Sıvı, gaz ve buhar debisi	Akışa konan küt bir cisim girdaplar oluşturur; girdap frekansı (birim zamanda oluşan girdap sayısı) akış hızıyla orantılıdır.	Türbülanslı akış ister; cisim basınç kaybı yaratır.
Türbin	Temiz sıvı debisi	Türbin debiyle orantılı hızda döner; dönüş, darbe sinyaline çevrilir.	Aşındırıcı parçacıklar çarkın değişmesini gerektirebilir.
Coriolis	Kütlesel debi, yoğunluk	Titreşen tüplerden geçen akış, tüplerde kütlesel debiyle orantılı bir burulma yaratır.	Kütlesel debiyi doğrudan ölçer; basınç kaybı belirgin olabilir.
Termal kütlesel	Gaz debisi	Isıtıcıya ölçülü ısı verilir; akış arttıkça taşınan ısı artar ve sıcaklık ölçümü debiye çevrilir.	Bileşimi bilinmeyen ya da değişen gazlarda dikkat ister.
Fark basınç (orifis, venturi)	Debi, seviye	Daralmadaki basınç düşümü debinin karesiyle orantılıdır; debi karekökten hesaplanır.	Orifis plaka aşındıkça doğruluk düşer.
Ultrasonik yankı	Seviye, mesafe	Ses darbesinin yüzeyden dönme süresi mesafeyi verir.	Köpük, buhar, türbülans ve sıcaklık değişimi ölçümü bozabilir.
Radar	Seviye	Elektromanyetik dalganın yüzeye gidip dönme süresinden mesafe hesaplanır; darbeli ölçüm ve FMCW iki temel tekniktir.	Köpük ya da toz, sıvı yüzeyi yerine okunabilir.
Hidrostatik	Sıvı seviyesi	Dipteki basınç sıvı yüksekliği ve yoğunluğuyla orantılıdır (P = ρgh).	Sıvının yoğunluğuna göre ayar gerekir.
Titreşimli (çatal)	Nokta seviye	Rezonans frekansında titreşen çatal sıvıya daldığında sönümlenir, frekansı düşer ve çıkış konum değiştirir.	Sürekli değer değil, eşik bilgisi verir.

Çıkış sinyaline göre: analog ve dijital sensörler

Analog çıkışlı sensörler ölçülen değeri sürekli değişen bir akım ya da gerilimle iletir. Proses kontrolünde fiilî endüstri standardı 4-20 mA akım döngüsüdür: 4 mA ölçüm aralığının %0’ını, 20 mA %100’ünü temsil eder. Akım sinyalinin doğruluğu bağlantı kablolarındaki gerilim düşümünden etkilenmez ve sinyal uzun kablolarla taşınabilir. Aralık 0 değil 4 mA’dan başlar ve döngü kendini de izler: akım belirli bir alt ya da üst sınırın dışına düştüğünde ölçüm değeri sayılmaz, arıza belirtisi olarak yorumlanır. Bu sınırlar transmitter nedir rehberinde anlatılır. Arıza bildirimi için kullanılacak akım seviyeleri NAMUR’un NE 43 tavsiyesinde tanımlanmıştır. Bazı saha cihazları beslemesini akım döngüsünün kendisinden alır; BCR1100’ün 4-20 mA çıkışı 2 tellidir. Gerilim çıkışı da kullanılır: BHPT2013, 4-20 mA ya da 0-10 V çıkışla sunulur.

Dijital sensörler ölçüm değerini sayısal veri olarak iletir.

• HART: dijital sinyali 4-20 mA akımının üzerine bindiren, analog ve dijitali birleştiren bir protokoldür. Aynı kablo çiftinde analog ölçüm değerinin yanında sıcaklık gibi ek bir değer ve cihaz durumu taşınabilir.
• Modbus: ilk olarak programlanabilir kontrolörler (PLC) için tasarlanmış endüstriyel bir haberleşme protokolüdür; en yaygın biçimi Modbus RTU’dur ve çoğunlukla iki telli RS-485 hattı üzerinde çalışır.
• Profibus PA: proses otomasyonunda ölçüm cihazlarını kontrol sistemine bağlayan saha veri yoludur; cihazlar beslemesini veriyle aynı kablodan alabilir. Ayrıntılar Profibus nedir rehberindedir.

BMF2000’in teknik özelliklerinde 4-20 mA analog çıkışın yanında iletişim protokolü olarak HART ve RS-485 Modbus yer alır. BCR1100’de ayarlar ve anlık değerler Bluetooth üzerinden mobil uygulamayla yapılır ve izlenir.

Anahtarlama çıkışı ise şalterlerde görülür: çıkış yalnız iki durum arasında değişir. Titreşim tip seviye şalterinde röle (SPDT), Namur ve PNP/NPN çıkış seçenekleri vardır.

Konum ve varlık algılayan sensörler: endüktif, kapasitif ve optik

Yakınlık sensörleri, yakındaki bir nesnenin varlığını fiziksel temas olmadan algılar. Genellikle bir elektromanyetik alan ya da ışın yayarlar ve alandaki ya da geri dönen sinyaldeki değişime bakarlar. Hedefin malzemesi sensör tipini belirler:

• Endüktif sensör her zaman metal bir hedef ister.
• Kapasitif sensör plastik gibi metal olmayan hedefleri de algılayabilir.
• Optik sensörler ışığı elektrik sinyaline çevirir; fotosel de bu gruptadır. Fotoelektrik sensörler bir ışık verici ve bir alıcıyla nesnenin varlığını, yokluğunu ya da mesafesini algılar. Karşılıklı (verici ve alıcı ayrı), reflektörlü ve cisimden yansımalı olmak üzere üç türü vardır; ağırlıklı olarak endüstriyel üretimde kullanılır.

Endüstriyel sensör seçerken hangi sorular sorulmalı?

1. Ne ölçülecek, sürekli değer mi gerekiyor? Debi, seviye, basınç, sıcaklık ya da bir analiz değeri. Ölçülen değerin sürekli izlenmesi mi, yalnız bir eşiğin algılanması mı gerektiği, transmitter ile şalter arasındaki seçimi belirler.
2. Akışkan ne? Sıvı, gaz, buhar ya da toz ve tane halinde katı. Akışkanın iletkenliği, temizliği, içindeki katı parçacıklar, köpük ve toz çalışma ilkesini doğrudan etkiler: elektromanyetik debimetre iletken olmayan sıvıyı ölçemez, türbin debimetre temiz sıvı ister, ultrasonik seviye ölçümü köpük ve buhardan etkilenebilir.
3. Ölçüm aralığı ve doğruluk ne olmalı? En düşük ve en yüksek beklenen değer ile kabul edilebilir ölçüm hatası.
4. Proses sıcaklığı ve basıncı ne? Sensörün ve proses akışkanına değen ıslak parçaların dayanması gereken en yüksek değerler.
5. Montaj nasıl olacak? Boru çapı, bağlantı tipi (flanş, diş ya da hijyenik klemp), temaslı ya da temassız ölçüm, boruyu kesmeden dışarıdan ölçüm gerekip gerekmediği.
6. Hangi çıkış sinyali ve besleme gerekiyor? 4-20 mA, 0-10 V, HART, Modbus, Profibus PA ya da röle ve PNP/NPN çıkışı; kontrol sisteminizin kabul ettiği sinyal ve sahadaki besleme gerilimi.

Bu soruların cevaplarıyla ölçüm noktanızı bize anlatırsanız uygun sensörü birlikte seçebiliriz. Befa Proses keşif ve cihaz seçimi danışmanlığının yanında montaj, devreye alma ve saha servisi ve kalibrasyon ayarı hizmeti de verir.