ORANSAL BASINÇ REGÜLATÖRLERİ

1. Oransal Basınç Regülatörü ve Basınç Sensörü Nedir?

Vakum ve basınç kontrol süreçlerinde kritik rol oynayan KaoLu’nun Oransal Basınç Regülatörleri ve yüksek hassasiyetli vakum basınç sensörleri, performanslarını belirten çeşitli doğruluk indeksleriyle gelir. Bu indeksler genellikle doğrusallık (linearity), histerezis (hysteresis), tekrarlanabilirlik (repeatability) ve duyarlılık (sensitivity) gibi temel parametreleri içerir. Bu doğruluk göstergeleri, pratik uygulamada doğru cihaz seçimini sağlamak için açıkça anlaşılması gereken farklı anlamları temsil eder.

Bu makale, basınç sensörü kalibrasyonu ve regülatörler için temel hassasiyet parametrelerinin kavramlarını tanıtmakta ve bu göstergelerin nasıl etkili ve doğru bir şekilde kullanılacağını açıklamaktadır.

2. Doğruluk (Accuracy) ile İlgili Temel Kavramlar

Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC), doğruluğu, “bir cihazın belirtilen koşullar altında belirli bir prosedürle test edildiğinde gözlemlenen, belirli bir karakteristik eğriden maksimum pozitif veya negatif sapma” olarak tanımlar. Ancak, bir basınç sensörü veya Oransal Basınç Regülatörü için doğruluk, doğrusal olmama, histerezis, tekrarlanabilirlik, sıcaklık etkileri ve diğer hata kaynaklarını kapsadığı için daha kapsamlıdır.

IEC 61298-2 standardına göre, doğruluk tanımı zorunlu olarak doğrusal olmama, histerezis ve tekrarlanabilirliği içermelidir.

2.1 Doğrusal Olmama (Non-Linearity) ve Ölçüm Yöntemi

Doğrusal olmama, basınç sensörünün elektriksel sinyal çıkış eğrisi ile ölçülen basınç aralığındaki (veya regülatörün basınç çıkış eğrisi ile giriş sinyal aralığındaki) belirtilen düz çizgi arasındaki maksimum sapmayı ifade eder. Bu, cihazın ideal doğrusal performanstan sapma derecesini gösterir.

Doğrusallık hatasını hesaplamak için yaygın yöntemler:

1. En Uygun Düz Çizgi (Best Fit Straight Line): Matematiksel olarak veri noktaları için en uygun düz çizgiyi (en küçük kareler yöntemiyle) kullanan yöntemdir. Bu yöntem, genellikle basınç sensörü hassasiyeti için en düşük hata değerini verir.
2. Uç Nokta Çizgisi (End Point Linearity): Çıkış eğrisindeki iki uç veri noktası arasında çizilen düz bir çizgiye (L1) göre belirlenir. Bu çizgiden çıkış eğrisindeki veri noktalarına çizilen maksimum dikey sapma, uç nokta doğrusallık hatasını temsil eder. Bu yöntem, En Uygun Düz Çizgi yöntemine göre yaklaşık iki kat daha fazla hata verebilir.

Hesaplama: Doğrusal olmama genellikle tam ölçek çıkışının yüzdesi (% FS) olarak ifade edilir. Formül (Düz Metin): Doğrusal Olmayan Hata = Aralık x Doğrusal Olmama Örnek: Ölçüm aralığı 1 MPa ve doğrusal olmama %0.05 FS ise, doğrusal olmayan hata: $1 \text{ MPa} \times 0.0005$ yani $0.5 \text{ kPa}$’dır.

Kullanılan Karşılaştırma Çizgileri:

• En Uygun Düz Çizgi: En az hatayı sunar ve tüm ölçüm noktalarındaki en küçük ortalama sapma için optimize edilmiştir.
• Uç Nokta Çizgisi: Basınç sensörü kalibrasyonunda en kolay uygulanan yöntemdir; sıfır ve tam ölçek basınç/sinyal ayarlanarak iki nokta arasında düz bir çizgi varsayılır.
• Mükemmel Düz Çizgi: Her ölçüm noktasının çıkışını, teorik ideal çıkışla doğrudan karşılaştırır. Sıfır ofset ve açıklık kazancını ayarlamak için düzeltme bileşenlerini içermediği için nadiren kullanılır.

2.2 Tekrarlanabilirlik (Repeatability)

Tekrarlanabilirlik hatası, diğer tüm koşulların sabit tutulduğu durumda, verilen herhangi bir giriş basıncının (veya Oransal Basınç Regülatörünün giriş voltaj sinyalinin) sürekli olarak birden çok kez ölçülmesinde çıkış okumasındaki sapmadır.

• Tekrarlanabilir Hatalar: Doğrusallık ve termal sıfır/açıklık ofset hataları gibi öngörülebilir belirsizliklerdir.
• Tekrarlanamaz Hatalar: Histerezis, kısa süreli tekrarlanabilirlik ve uzun süreli kararlılık gibi tahmin edilmesi zor, karmaşık ölçüm belirsizlikleridir.

Tekrarlanabilirlik endeksi, genellikle bir dizi basınç döngüsü üzerindeki sensörün kararlılığını gösteren kısa süreli tekrarlanabilirlik hatalarını ifade eder.

Uzun Süreli Kararlılık: Çıkış sinyalinin normal çalışma koşulları altında zamanla ne kadar iyi sürüklendiğinin bir ölçüsüdür (tipik olarak 12 ay boyunca tam ölçeğin yüzdesi olarak ifade edilir). Basınç döngüsü, sıcaklık döngüsü, titreşim ve şok gibi çevresel faktörlerden etkilenir.

2.3 Histerezis (Hysteresis)

Histerezis hatası, genellikle mekanik histerezis ve sıcaklık histerezisinin birleşimi olarak ifade edilir.

• Mekanik Histerezis: Belirli bir giriş basıncındaki çıkışın, bu girişe artan basınçla yaklaşılırken elde edilen değer ile azalan basınçla yaklaşılırken elde edilen değer arasındaki sapmadır.
• Sıcaklık Histerezisi: Bir sıcaklık döngüsünden önce ve sonra bir girişteki çıkışın sapmasıdır.

Histerezis, artan ve azalan basınç verilerindeki aynı basınç noktasında çıkış sinyali karşılaştırılarak hesaplanır.

Hesaplama Formülü (Düz Metin):

Histerezis (%) = (Maksimum Voltaj Farkı / Tam Ölçek Çıkışı) x 100

Burada:

• Maksimum Voltaj Farkı ($\Delta V_{\text{maks}}$): Artan ve azalan basınç (veya voltaj) yolları arasında herhangi bir basınç noktasında ölçülen en yüksek voltaj farkıdır.
• Tam Ölçek Çıkışı (FRO – Full Range Output): Tam ölçek basıncındaki voltaj çıkışıdır.

2.4 Çözünürlük (Resolution) ve Duyarlılık (Sensitivity)

Çözünürlük: Bir basınç sensörünün ölçülen değişimdeki çok küçük değişiklikleri algılama yeteneğini ifade eder. Giriş miktarı belirli bir değeri aşmadığında çıkış değişmez; girişin değişimi bir adım değişikliğine neden olduğunda, bu değişim çözünürlük endeksi olarak kullanılır.

Formül (Düz Metin): Çözünürlük = (Çıkış Miktarında En Küçük Adım Değişimi) / (Giriş Miktarında Buna Karşılık Gelen Değişim)

Duyarlılık: Kararlı durum çalışma koşulu altında, voltaj çıkışındaki değişim ($\Delta V$) ile basınç girişindeki değişim ($\Delta P$) arasındaki orandır. Duyarlılık, çıkış-giriş karakteristik eğrisinin eğimini temsil eder.

Formül (Düz Metin): Duyarlılık = (Tepki Değişimi ($\Delta$ Çıkış)) / (Ölçülen Değişim ($\Delta$ Giriş))

Duyarlılık ne kadar yüksekse, çözünürlük o kadar iyidir ve daha yüksek ölçüm doğruluğu elde edilir. PID kontrolü uygulamasında, Oransal Basınç Regülatörünün duyarlılığı ne kadar yüksekse, minimum kontrol voltaj sinyalini o kadar hassas bir şekilde alabilir ve daha yüksek hassasiyetli basınç düzenlemesi sağlar.

3. Toplam Hata (Total Error) ve Doğruluk (Accuracy) Arasındaki İlişki

Doğruluk, toplam hatanın sadece bir bileşenidir. Toplam Hata, sensörün kullanım koşuluna (özellikle sıcaklığa) bağlı olarak birçok faktörü içerir.

Toplam Hata temel olarak üç ana alandan oluşur:

1. Ayarlanabilir Hata: Sıfır ve açıklık hatalarından oluşur. Bu hatalar, fabrika çıkışı ve kalibrasyon sırasında kolayca düzeltilebilir. Uzun Süreli Kararlılık sorunları ile zamanla tekrar ortaya çıkabilir.
2. Doğruluk: Doğrusal olmama, histerezis ve tekrarlanabilirliği içerir.
3. Sıcaklık Etkisi Hatası: Sıcaklık dalgalanmasının ölçülen değeri etkilemesidir. Sıcaklık Histerezisi de bu kategoriye girer.

4. Sonuç

Basınç sensörleri ve Oransal Basınç Regülatörlerinin pratik uygulamasında, hangi hassasiyet göstergelerinin en çok dikkate alınması gerektiği önemlidir.

• Ayarlanabilir Hata, üretici tarafından düzeltilebildiği ve düzenli kalibrasyonla yönetilebildiği için ikincil bir rol oynar.
• Pratik uygulamalarda, Doğruluk (doğrusal olmama, histerezis, tekrarlanabilirlik) ve Termal Etkiler belirleyici bir rol oynar.
• Kontrollü Koşullar Altında Kullanım: Ölçüm, kalibrasyon referans sıcaklığına (tipik olarak 25°C) yakın yapılıyorsa, sıcaklık etkisi ihmal edilebilir ve toplam hatanın ana kaynağı sadece Doğruluk etkisi olur.
• Geniş Sıcaklık Aralığı: Geniş bir sıcaklık aralığında ölçüm yapılırken, sıcaklık etkileri çok kritik hale gelir ve toplam hata hesaplamasında kesinlikle dikkate alınmalıdır.