TARIFNAME TERMISTÖRLÜ BIR SICAKLIK ALGILAMA SISTEMI Teknik Alan Bu bulus, dogrulugu yüksek, sicaklik ölçümlerinde kullanilabilecek negatif sicaklik katsayili (NTC) termistörlü sicaklik algilama devresi, sinyal isleme ve veri transfer ünitesiyle ilgilidir. Bulus, termistörler ve dogrusallastimia dirençlerini ayni ortamda bulunduran, sicaklik algilama devresi ve sabit akim kaynagina oransal sinyal algilama metodu uygulanarak, sinyalin dogrusallastirmasi ve/veya uygunlastirilmasiyla ilgilidir. Önceki Teknik Termistörler (termal dirençler) sicakliga duyarli yari iletken malzemeler olup, çogunlukla spesifik yüksek dogruluklu sicaklik ölçümlerinde, sicaklik kontrollerinde, sicaklik kompanzasyonlarinda ve termal koruma gibi pek çok uygulamalarda NTC termistörler kullanilmaktadir. Termistörlerin baslica avantajlari; yüksek hassasiyet, küçük boyut, hizli tepki verme süresi ve düsük maliyettir. Dezavantajlariysa; dogrusal olmayan sicaklik-direnç karakteristigi, sinirli sicaklik araligi, algilanan akima (yüksek dirençlerde) bagli kendiliginde isinma (self heating) etkisi ve çogunlukla iki terminalli kablo baglantili olarak üretildiklerinden dolayi termistörlerde kullanilan kablo boylarinin direnç etkisinin yüksek hassasiyetli sicaklik Ölçümleri için sicaklik okuma hatasi getirmesidir. Termistörünûerin) dogrusal olmayan sicaklik-direnç karakteristiginin dogrusallastirilmasinda kullanilan dogrusallastirma direnç(leri) termistörün(lerin) hassasiyetinde azalmalara sebep olmaktadir. Genellikle bir terrnistörde donanimsal dogrusallastirrna, sicaklik algilama devresinin disina baglanan harici dirençle yapilmaktadir. Sicaklik algilama devresinin sicaklik ölçüm ortami ile harici direncin bulundugu ortam sicakliklari farkli olacagindan yüksek dogruluk gerektiren sicaklik ölçümlerinde ölçüm hatasina neden olacaktir. Tek yonga halinde üretilen çoklu termistörler (iki veya üçlü) de baglanti terminallerinin sayisi, terminal sayisinin bir fazlasi olacak sekilde düzenlenir. Çok terinistörlü ve dogrusallastirma dirençlerini içeren sicaklik algilama devresi, gerilim bölücü esasina göre çalistigindan dolayi harici bir gerilim kaynagina ihtiyaç duyulmaktadir. Sicaklik algilama devresi seri direnç üzerinden gerilim kaynagina baglanarak, üç terminalli sicaklik ölçüm sitemi olusturulur. Bu sistemin dezavantaji, gerilim kaynagindaki degisimlerin ve seri direncin sicaklik degisimine olan bagimliliginin, algilanan sinyalin dogruluk seviyesine etki etmesidir, Birlesik Devletler patent dokümaninda; farkli ve birbirleriyle örtüsen dogrusal sicaklik tepkisi araligina sahip ve uygun do grusallastirma dirençleri içeren, birbirleriyle paralel bagli olan çoklu termistörlü bir ölçüm devresinin, sabit bir gerilim kaynagi ya da sabit bir akim kaynagiyla çalisabilecegi, fakat sabit bir akim elde edilmesinde nispeten yüksek potansiyel kaynaklarin veya akim çikisini düzenlemek için servo sistemlerin kullanildigi, her iki durum için gerekli olan ekipman istenenden daha hantal veya karmasik oldugundan bunun yerine nikel-kadmiyum pil gibi sabit bir voltaj kaynagi kullanilabileceginden bahsedilmistir. Önceki teknikte terrnistörlü bir sicaklik algilama devresinde, terrnistörün sicakliga bagli olarak direnç degisimi ohm ile mega ohm arasinda degistiginden ve büyük direnç degisimleri akim kaynaklarinda empedans uyumsuzluguna sebep oldugundan dolayi sabit gerilim kaynagi kullanilmasinin tercih edilmesi, bulus konusu termistör elemanlari ve donanimsal dogrusallastirma dirençlerini içeren bir sicaklik algilama devresinin ve bu sicaklik algilama devresinde, sabit akim kaynagi ve oransal sinyal algilama metodu kullanilarak elde edilen sinyalin dogrusallastirilmasi/uygunlastirilmasi gelistirilmesi ihtiyacini dogurmustur. Bulusun Çözümünü Amaçladigi Teknik Problem Genellikle sicaklik-direnç karakteristigini dogrusallastirmada, termistöre uygun bir dogrusallastirma direnci, sicaklik algilama devresinden (probdan) ayrik kullanilir. Bulusta termistörler ve dogrusallastirma dirençleri içeren bir sicaklik algilama devresi tasarlanarak, farkli ortamlardan kaynaklanan sicaklik degisimlerinin ölçüm elemanlari üzerinde olusturdugu hatalarin sabit kalmasi ve böylece rastgele hatalar sistematik hataya dönüstürülerek metrolojinin farkli kullanim alanlarinda yüksek dogruluk gerektiren sicaklik ölçümleri için tekrarlanabilir sonuçlarin elde edilebilirligi saglanir. Sonuç olarak sicaklik algilama devresinin tasarima bagli olarak farkli sicaklik katsayisina sahip olan malzemeler kullanilsa bile, devrenin es deger direncinden dolayi, her ölçüm noktasi için tekrarlanan ölçümler ayni karakteristik özelligi gösterir. Böylece sicaklik algilama devresi, tek bir sicaklik sensörü gibi daha kararli bir sicaklik-direnç degisimine sahip olur. Bir termistör sicaklik algilama devresinde, sicaklik-direnç degisiminin ohm ile mega ohm arasinda degismesi ve sistemin çok karmasik bir yapiya dönüsmesinden dolayi çogunlukla, sabit akim kaynagi yerine, sabit gerilim kaynagi kullanilmasi tercih edilir. Bulus ile, sabit akim kaynaginin kullanilabilmesi için sicaklik algilama devresinde termistör elemanlariyla birlikte dogrusallastirma dirençleri kullanilarak maksimum direnç degisimi sinirlandirilir. Ayrica akim kaynagindan sabit bir akim elde edebilmek için uygun voltaj referans ve güç kaynagi gerilim seviyeleri ayarlanarak akim kaynagi çikisinda olusabilecek empedans uyumsuzlugu önlenir. Yüksek dogruluk gerektiren sicaklik ölçümlerinde sabit akim kaynagi çikisindaki ani akim degisimleri, ortam sartlarinin akim kaynagi üzerindeki olumsuz etkileri ve güvenilir yüksek dogruluklu bir analog sinyalin elde edilmesine engelleyen diger bozucu etkilerden dolayi sadece sabit akim kaynaginin kullanilmasi yeterli degildir. Bu bulus ile sabit akim kaynagi oransal sinyal algima yöntemi ile birlikte kullanilarak yukarida bahsedilen ölçüme olumsuz etki eden parametreler ortadan kaldirilmak suretiyle yüksek dogrulukla ölçümlerin alinmasi saglanir. Bulusun Amaçlari ve Kisa Açiklamasi Bu bulusun amaci, yüksek dogruluga sahip sicaklik ölçümleri için NTC termistör elemanlari ve dogrusallastirma dirençlerini içeren bir sicaklik algilama devresi tasariminin ve bu sicaklik algilama devresinde, sabit akim kaynagi ve oransal sinyal algilama metodu kullanilarak, elde edilen sinyalin dogrusallastirilmasinin / uygunlastirilmasinin gerçeklestirilmesidir. Bulusun bir baska amaci, ölçüm araligina göre seçilen terrnistörlerin ve dogrusallastirma direnç devresinin teknik verilerine göre sicaklik algilama devresinin sicaklik-direnç degisim araligi daraltilarak, maksimum seviyede sabit bir dogrusal sicaklik tepkisinin gerçeklestirilmesidir. Bulusun bir baska amaci, sicaklik algilama devresinin, her biri ayrik olan üç adet NTC termistör ve dogrusallastirma dirençlerinin 1200 açiyla ayni yerde ve alt tabanlari ayni düzlemde olacak sekilde, paslanmaz bir metal kilif içerisine yerlestirilip, temiistörler arasinda temial dengenin saglanmasi, her bir termistörün ayni noktada sicaklik ölçümünü gerçeklestirilmesidir. Bulusun bir baska amaci, termistörlü sicaklik algilama devresinde büyük direnç degisiminin, akim kaynagi çikisinda empedans uyumsuzlugu meydana getirrneyecek sekilde akim kaynaginin voltaj referansi ve besleme gerilimiyle gerçeklestirilmesidir. Bulusun bir baska amaci, akim kaynagindan uygulanan akimin, sicaklik algilama devresi (prob) üzerinde meydana getirdigi negatif egimli dogrusallastirilmis sinyal geriliminin, referans sicaklik baslangiç noktasi geriliminden çikarilmasiyla elde edilen pozitif egimli sicaklik- gerilim sinyalinin, tüm ölçüm araligini kapsamasiyla yüksek sicaklik çözünürlügünün gerçeklestirilmesidir. Bulusun bir baska amaci, sicaklik algilama devresine uygulanan akimin, oransal sinyal algilama yöntemiyle kullanilarak, ani akim degisimlerinin sebep oldugu ölçüm hatalarinin ortadan kaldirilmasi, daha dogrusal ve güvenilir bir analog sinyal gerilimi, ADC (Analog Dijital Dönüstürücü - Analog Digital Converter) voltaj referans geriliminin elde edilmesi ve ADC, den bu sinyalin maksimum hassasiyetle okunmasinin gerçeklestirilmesidir. Bulusun bir baska amaci, oransal sinyal algilama metodunun uygulanmasinda sabit akimi meydana getiren referans dirençlerinin, referans baslangiç sicaklik gerilimini ve ADC voltaj referans gerilimini meydana getirmek için üzerlerinde gerilim düsümü olusmasinin gerçeklestirilmesidir. Bulusun bir baska amaci, sicaklik algilama devresinin (prob) tüm baglanti noktalarinin (konnektör ve PCB (Printed Circuit Board; Baski Devre Karti)) ortam sicakligi degisimlerinde termal ofset hatasi (termal EMF) olusturdugundan dolayi, sicaklik degisimlerinin meydana getirdigi termal hatalarin ölçüm üzerindeki etkisini ortadan kaldirmak için akim kesme ve akim tersleme yöntemlerinden en uygun olaninin uygulanabilirliginin gerçeklestirilmesidir. Bulusun bir baska amaci, sicaklik algilama devresinin kendiliginden isinma hatasinin (self heating), ölçüm araligina göre belirlenen sicaklik-direnç degisimiyle ve belirlenen akimla ihmal edilebilir seviyeye indirilmesini ayrica teimistörler üzerinde kendiliginden isinma etkisi yaratmayacak sekilde çikis akimini arttirarak, hassasiyet artisinin gerçeklestirilmesidir. Bulusun bir baska amaci, ölçüm araligi ve ölçüm hassasiyetine göre seçilen termistörlerin ve dogrusallastirma dirençlerinin teknik verilerine göre sicaklik algilama devresinin sicaklik- direnç degisim araliginin daraltilmasiyla, sinyal isleme ve veri transferi ünitesi kullanilmadan harici direnç ve gerilim kaynagina ihtiyaç duyulmadan, dogrudan sadece yüksek çözünürlüklü (en az 8 1/2 dijit) bir multimetre ile dört terminalli direnç ölçüm kademesinde sicaklik-direnç kalibrasyon isleminin yapilabilmesi ayrica sicaklik algilama devresinin, sinyal isleme ve veri transferi ünitesi kullanilmaksizin harici direnç ve gerilim kaynagina ihtiyaç duyulmadan dogrudan sadece yüksek çözünürlüklü (en az 8 1/2 dijit) bir multimetre kullanilarak dört terrninalli direnç ölçüm kademesinde kalibrasyon verilerine göre ortam sicakligini ölçme isleminin gerçeklestirilmesidir. Bulusun Ayrintili Açiklamasi Bu bulusun amaçlarina ulasmak için gerçeklestirilen termistörlü ve dogrusallastirma dirençlerini içeren bir sicaklik algilama devresi ve bu sicaklik algilama devresinin, sabit akim kaynagi ve oransal sinyal algilama metodu kullanilarak sinyalin dogrusallastirilmasi / uygunlastirilmasi ekli sekillerde görülmektedir. Bu sekiller; Sekil 1. Sinyal isleme ve veri transfer ünitesi Sekil 2. Sicaklik algilama devresi (prob) Sekil 3. Sinyal uygunlastirma-egim tersleme devresi Sekil 4. Sinyal genlik kontrol devresi ve sicaklik kompansazyon devresi Sekil 5. Analog sinyal filtreleme devresi Sekil 6. Mikro islemci Sekil 7. Termal EMF akim tersleme ve ADC dis kalibrasyonu Sekillerde yer alan parçalar tek tek numaralandirilmis olup, bu numaralarin karsiliklari asagida verilmistir. 1. Güç kaynagi 2. Voltaj referans 3. Sabit akim kaynagi, FB; akim kaynaginin geri besleme girisi, RL; kararli akimin gönderilecegi referans direnç baglanti çikisi Enstrümantasyon yükselteç Enstrümantasyon yükselteç Enstrümantasyon yükselteç Sinyal uygunlastirma ve egim tersleme devresi,7-1, 7-2,7-3, 7-6; Alçak geçiren filtre, 7-4; ADC VREF sürücüsü, 7-5; Enstrümantasyon yükselteç, 8. Analog sinyal genlik kontrolü devresi, 8-1; Genlik kontrol gerilimi 9. Sicaklik kompansazyon devresi, 9-1;Sicaklik kompansazyonu . Analog sinyal filitreleme devresi, 10-1; Yüksek mertebeden alçak geçiren filtre, 10-2; ADC Ain sürücüsü kontrol devresi, 11-4; LCD, 11-5; Seri haberlesme 12. ADC dis kalibrasyon devresi, 12-1;Sifir kalibrasyonu /Orta nokta Kalibrasyonu /Ful skala kalibrasyon, 12-2;Dahi1i sicaklik probu, 12-3; Harici sicaklik probu 13. Termal EMF akim tersleme devresi, 13-1; Termal EMF akim tersleme, 13-2;Elektro- mekanik anahtar kontrol devresi, 13-3;Fonksiyon anahtarlama devresi 14. Rýl AD.] Direnci( Referans Akim Ayarlama Direnci) . Termal ofset akim kesme 16. Referans sicaklik baslangiç noktasini belirleyen ""T0_THR_R" referans direnç 17. ADC"nin oransal referans gerilimini belirleyen ADC_R_REF referans direnç 18. Sicaklik algilama devresi (prob) 19. "RIRETURN" Okunan sinyalin seviyesini toprak geriliminden pozitif yönde öteleyen direnç . Sinyal isleme ve veri transfer ünitesi Bulus konusu, termistörlü bir sicaklik algilama devresi ve bu sicaklik devresinin, sabit akim kaynagiyla oransal sinyal algilama metodu kullanilarak, elde edilen sinyalin dogrusallastirilmasi/uygunlastirilmasini gerçeklestiren sistem olup, - 3 adet NTC terrnistörü ve donanimsal dogrusallastinna dirençleri içeren dört terminalli ve ekranli sinyal tasima kablo baglantili bir sicaklik algilama devresini (prob) (18), - Sinyal isleme ve veri transfer ünitesinde (20) sabit akim kaynagindan (3) kararli bir akimin elde edilmesinde kullanilan kararli bir voltaj referansi (2) ve güç kaynagini (l), - Sabit akim kaynaginin geri besleme girisi (FB) (14,15,16,l7) ve kararli akimin - Referans sicaklik baslangiç noktasini belirleyen T O-T HR_R. referans direncini (16) ve uygulanan akimla olusan gerilimin enstrümantasyon yükseltecinde (4) islenmesini, - ADCjnin oransal referans gerilimini belirleyen ADC_R_REF referans direncini (17) ve uygulanan akimla olusan gerilimin enstrümantasyon yükseltecinde (5) islenmesini, - Herhangi bir sicaklik ölçüm noktasinda, akim kaynagindan uygulanan akimin, sicaklik algilama devresi (18) üzerinde olusturdugu bir gerilim düsümünün enstrümantasyon - Oransal sinyal algilama metodunuii islendigi sinyal isleme ve egim tersleme devresinde (7), oransal gerilim farklarinin alinmasi ve sicaklik- direnç egrisinde ki negatif egimin, sicaklik- gerilim egrisi olarak pozitif egime dönüstürmesini, - Uygunlastirilmis analog geriliminin, belirlenen üst ve alt gerilim limitleri içerisinde kalmasini saglayan Analog Sinyal Genlik Kontrolü Devresini (8), - Sicaklik degisiminin sinyal üzerindeki degisim oranini belirleyen Sicaklik Kompansazyon Devresini (9), - Sinyale yüksek mertebeden alçak geçiren bir filtreleme isleminin yapildigi Analog Sinyal Filtreleme Devresini (10), - Sinyalin matematiksel islemleri ve donanimsal kontrollerin yapildigi, islemler sonunda gerilim degerlerinin sicaklik bilgisine dönüstürüldügü Mikroislemci Devresini, - Elektriksel baglanti noktalarinda sicaklik degisimlerinden dolayi termal ofset hatalarinin giderildigi Tennal EMF Devresini (13), - ADC°nin dis kalibrasyonunun yapildigi, ADC dis kalibrasyon devresini (12), içermektcdir. Örnek Uygulama 0,0001 K çözünürlügünde ve 0,001 K hassasiyetinde ölçümlerin gerçeklestirilebilmesi için teknik özellikleri uygun olan 3 adet NTC terrnistörü ve dogrusallastirma dirençleri belirlenmistir. Normalde termistörlü bir sicaklik algilama devresi dogrusal olmayan bir sicaklik tepkisi vermektedir. Mümkün oldugunca maksimum seviyede dogrusal bir sicaklik tepkisi elde edebilmek için sicaklik algilama devresinin sicaklik-direnç degisimi daraltilmistir ve sicaklik ölçüm araligina göre 1000 adet sicaklik noktasina karsilik gelen sicaklik-direnç tablosu olusturulmustur. Grafik-1. T1, T2 ve T3 Termistörlerinin Direnç- Sicaklik Degisimi Buna göre; Grafik-1°de görüldügü gibi T 1, TZ ve T3 termistörlerine ait direnç-sicaklik degisimi sirasiyla T3, T2 ve Tl "dir Sicaklik azaldikça termistörler arasindaki direnç farki artmaktadir. Bu farki azaltmak için Grafik-?de görüldügü gibi Tl termistörüne seri R1 direnci ve T2 termistörlerine de seri olarak R2 direnci baglanmistir. Grafik-2. (R1+T1), (R2+T2) ve (T3) Direnç-Sicaklik Degisimi Ayrica Grafik-2 "de görüldügü gibi en düsük sicaklikta direnç degisimi büyükten küçüge dogru T3, T2+R2 ve T1+R1 "dir En yüksek sicaklikta direnç degisimi ise, büyükten küçüge dogru direnci düsük sicaklikta T1+R1 ve yüksek sicaklikta da T3 belirler. Grafik-3. (R1+T1)//(R2+T2) - (R3//T3) ve R_Sicaklik Algilama Devresi (prob) Direnç - Sicaklik Degisimi Sicaklik algilama devresinin sicaklik degisimiyle direnç araliginin daraltilmasinda R3 paralel direnci kullanilmistir. R3 paralel direnci, düsük sicakliktaki direnç degerinin kendisinden daha küçük olmasini saglar. Grafik-3`de sicaklik algilama devresinin esdeger direncinin tüm paralel kollarda ki esdeger dirençten daha küçük oldugu görülmektedir. Grafik-?de de yüksek sicaklikta paralel esdeger kollarda ki en küçük direnç degisiminin TS oldugu görülebilmektedir. Bundan dolayi yüksek sicaklikta sicaklik algilama devresinin (18) esdeger direnç degeri, T3 termistörünün bu sicakliktaki direnç degerinden daha küçük olur. Ayrica Grafik-?de birinci paralel kol (T1+R1) ile ikinci paralel kolun (T2+R2) birbirleriyle olan paralelliginden (Tl+R1) // (T2+R2) esdeger direnç-sicaklik egrisi, T3 ile R3 'ün paralelliginden (T3//R3) esdeger direnç-sicaklik egrisi ve ((T1+Rl) // (T2+R2)) // (T3//R3) paralelliginden de sicaklik algilama devresinin (18) (R_PROB) direnç-sicaklik egrisi olusturulmustur. Yapilan dogrusallastirma islemleri sonucunda, Grafik-4"de görüldügü gibi dört paralel kolun esdeger direnç-sicaklik degisimi (RISICakllk Algilma Devresi, RIPROB) maksimum seviyede dogrusal hale getirilmistir. Termistörlerin dogrusallastirma islemleri sonucunda termistörün hassasiyetinde kayiplar meydana gelir. Fakat bu kayiplar kendiliginden isinma (self heating) etkisi olusturmayacak sekilde akimin degeri arttirilarak tolere edilebilir. Bu bulus ile uygulamalarda sabit akim kaynaginin çikis akimi lOOpA de, termistörün duyarliligi 16 mV/ÜC iken akim kaynaginin çikis akim degeri 2,5 kat arttirilarak, terniistörün duyarliliginin 2,5 kat (40 mV/OC ) iyilestirildigi gösterilmistir. Yukarida bahsedilen bilgiler dogrultusunda Sekil 2.a°da görüldügü gibi sicaklik algilama devresinde, her biri birbirinden ayrik olan 3 adet NTC termistörler, aralarinda l20°ilik açi olusturacak sekilde, ayni ortamda dogrusallastirma dirençlerine yakin ve alt tabanlari ayni düzlemde olabilecek sekilde tasarlanmistir. R_Sicaklik Algilama Devresi(R_Prob) Grafik-4. R_Sicaklik Algilama Devresinin (Prob) Direnç- Sicaklik Degisimi Böylece dogrusallastirma dirençleri termistörlerle ayni ortamda oldugundan dolayi dogrusallastirma dirençlerinden kaynaklanan ölçüm hatalari önlenmis ve her bir ölçüm noktasi için yeni bir sicaklik- direnç tablolari olusturulmustur. Sicaklik algilama devresi (18), suyun üçlü notasi (TWP ) ve Galyum (Ga) sabit noktalarinda kullanilabilecek sekilde tasarlanmistir. Üretilen 4 adet sicaklik algilama devresinin (probun) (18) her biri için örnegin; Ga noktasinda maksimum tekrarlanabilirlik hatasi 0,07 mK olarak belirlenmistir. Sonuç olarak, bu bulus ile açiklanan sicaklik algilama devresinin (probun), ayni sicaklik noktasi için tekrarlanan ölçümler de tüm malzemelerin ayni sicaklik-direnç davranisini sergiledigi gösterilmistir. Sicaklik algilama devresi, çapi 6mm ve uzunlugu da 340 mm olan paslanmaz bir çelik kilif içerisine yerlestirilmistir. Sicaklik algilama, sicaklik algilama devresinin (18) alt tabanda ki 5 mm"lik alanda gerçeklesmektedir. Sekil 2-b"de görüldügü gibi termistörler ve dogrusallastirma dirençleri ayni ortamda olacak sekilde elektriksel olarak T] ile R1 seri ve T2 ile R2 de birbirleri ile seri baglanmistir. Tl+Rl birinci paralel kol, T2+R2 ikinci paralel kol, T3 üçüncü paralel kol ve R3 de dördüncü paralel kolu olusturmustur. Her bir paralel kol, diger paralel kol ile A ve B noktasinda elektriksel olarak birbirlerine baglanmistir. Ayrica, sicaklik algilama devresinin (18) dis dünyaya baglantisi A ve B baglanti noktalarindan, dört terminal ölçüm baglantisi ve bir terminalde elektromanyetik ve radyo frekansi sinyallerinin etkilerini azaltmak amaciyla ekranlama terminali olmak üzere özel bir kabloyla yapilmistir. Bu bulus ile açiklanan sicaklik algilama devresi (prob) (18), dört terminalli olarak üretildiginden dolayi veri transferi ünitesi kullanilmadan, harici direnç ve gerilim kaynagina ihtiyaç duyulmadan dogrudan sadece yüksek çözünürlüklü (en az 8 1A› dijit ) bir multimetre ile dört terminalli direnç Ölçüm kademesinde direnç-sicaklik kalibrasyonu ve kalibrasyon verilerine göre herhangi bir ortamin ortam sicakliginin ölçülebilecegi gösterilmistir. Ayrica sicaklik algilama devresinin (18) kablo baglanti seklinin 4 terminalli olusu, kablo uzunlugundan dolayi meydana gelebilecek ölçüm hatalarinin da ortadan kaldirilmasini saglar. Sicaklik algilama devresinin (18) -1,05°C ile 50,05"C sicaklik ölçüm araligindaki empedans degisimi 16 K ile 8 K araligindadir. Sicaklik algilama devresinin (18) kendiliginden isinma etkisinin ölçüm üzerindeki hatalarini belirlemeye yönelik deneysel çalismalar, 22,998"C ± akim degerlerine göre üretilen 4 adet sicaklik algilama devresi (18), referans bir SPRT (standard plantinyum rezistans terrnometresi) ve referans teimistörlerle karsilastirmali ölçümleri yapilmistir. Her bir karsilastirmali ölçüm verisi 2,5 dk°da bir alinmis olup, toplam 1580 ölçüm verisi otomatik olarak kaydedilmistir. Yapilan bu deneyler, bulus ile açiklanan sicaklik algilama devresinin, uygulanan akim degerlerine göre belirlenen maksimum kendiliginden isinma hatasinin < 0,5 mK oldugunu göstermis olup, aslinda belirlenen bu deger banyonun kendi degisimden kaynaklanmistir. Dolayisiyla sicaklik algilama devresinin (18) kendiliginden isinma etkisinin 0,5 mK"nin altinda oldugu görülmektedir. Üretilen 4 adet sicaklik algilama devresinin ( 18) performans testlerinde, çözünürlügü 8,5 dijit olan kalibreli ve izlenebilir bir multimetre kullanilarak ölçümler birincil seviye sabit noktalar olan suyun üçlü noktasinda (SÜN) ve Galyum (Ga) sabit noktasinda yapilmistir. Sicaklik algilama devresinin (18) iki ay boyunca kisa süreli kararsizligi analiz edilmistir. Ölçüm periyodu boyunca her bir sicaklik algilama devresi (18) için 60.000 veri otomatik olarak kaydedilmistir. Her bir ölçüm verisi 13 sn"de bir alinarak bir ölçüm toplam 18 saatte gerçeklestirilmistir. Yapilan bu deneyler, bulus ile açiklanan sicaklik algilama devresinin kisa süreli kararsizliginin ise 2 mK oldugunu göstermistir. Sinyal isleme ve veri transferi ünitesinde (20) sistemin en kritik noktasi voltaj referansi (2) olup, amaci sistemin kararliligini saglamaktir. Voltaj referansinin (2) çikis voltaji, sabit akim kaynaginin (3) voltaj referans girisine (VREF) uygulanir. Sabit akim kaynaginin (3) akim çikisi (RL)i IREF : m bagintisiyla belirlenir. Sabit akim kaynaginin (3) kararliligi geri besleme hatti (FB) üzerinden saglanir. RL ile FB arasindaki gerilimin kararliligi, negatif geri besleme yöntemiyle kontrol edilerek, akim kaynaginin (3) girisinde ki voltaj referans (2) degeriyle karsilastirilip ayni kararlilikta bir gerilimin olmasi saglanir. Geri besleme hatti üzerinden gelebilecek gürültülerin akim kaynaginin (3) çikis kararliligini etkilememesi için gerekli filtreleme islemleri yapilmistir. R_I AD] (14) sabit bir direnç olup, sabit akim kaynaginin (3) istenilen degerinin ayari için kullanilir. Sicaklik çalisma araliginin baslangiç sicaklik degerine karsilik gelen T0_THR_R (16) direnç degeri ile belirlenir. Bu direncin kullanim amaci ölçüm araliginin baslangiç sicaklik degeri için olusturulacak V0 gerilimin yani 0 Volt degerini elde etmektir. Baslangiç referans sicakligina karsilik gelen V0 gerilimi, sicaklik algilama devresinin (prob) (18) kontrollü bir banyo içerisinde -l,05 0C sicakliginda ki direnç degeri, T 0_T HR_R (16) direnç degerine es degerdir. Sabit akim kaynagindan (3) uygulanan akim degisim oranina bagli olarak, T 0_T HR_R (16) direnci ve sicaklik algilama devresi (prob) (18) üzerinde baslangiç sicakligina denk gelen, oransal bir gerilim düsümü olusturulur. T0_THR_R (16) direnci ve sicaklik algilama devresi (prob) (18) üzerinde olusan gerilimler (4) ve (6) yükselteçlerde yükselti'lir. Bu iki yükseltecin (4 ve 6) çikislari, sinyal uygunlastirma ve egim tersleme devresinin (7) girisine uygulanir. Bu iki sinyale gerekli ön filtreleme islemlerine tabi tutulur ve her bir filtre çikisi yükseltecin ilgili girislerine uygulanir. Bu devredeki (7) yükseltecin çikisi, giris gerilimlerinin her biri ayni degerde oldugundan dolayi 0 Volttur. Bu deger, sicaklik çalisma araliginin baslangiç sicaklik degeri olan -l,05 0C deki gerilim degeridir. Referans baslangiç sicakligina karsilik gelen T0_THR_R (16) direncinin degeri her zaman -1 ,05 0C deki sicaklik algilama devresinin (18) direnç degerine esittir. Bundan dolayi (4) nolu yükselteç çikisinda referans baslangiç sicakligina karsilik maksimum oransal bir referans baslangiç (V_REF_T0 ) gerilimi olusturulmustur. Sicaklik araliginin herhangi bir ölçüm noktasi için uygulanan akimin degisim oranina bagli olarak sicaklik algilama devresinde (18), bir oransal gerilim düsümü olusturulur. Örnegin, +50,05 0C degerinde sicaklik algilama devresi (18) üzerinde, o sicakliga denk gelen bir direnç ve bir ( V_TEMP_P) gerilim olusur. Elde edilen (V_REF_T0) ve (V_TEMP_P) gerilim sinyalleri, (4) ve (6) yükselteçleri üzerinden sinyal uygunlastirrna ve egim tersleme devresinin (7) girisine gönderilir. Bu devrede (7), oransal gerilim farki alma islemleri yapilarak +50,05 0C°ye denk gelen bir çikis gerilimi elde edilir. Bu islem sonunda sicaklik - direnç egrisinde ki negatif egim, sicaklik-gerilim egrisi olarak pozitif egime dönüstürülür. ADC_R_REF (17) direnci, ADC voltaj referans geriliminin akim kaynagina bagli olarak, oransal olarak elde edilmesini saglar. Sabit akim kaynagindan (3) uygulanan akimin degisim oranina bagli olarak, (17) n0"lu direnç üzerinde oransal bir gerilim düsümü olusturulur. Olusturulan bu oransal gerilim, yükselteçle (5) yükseltilerek, sinyal uygunlastirma ve egim tersleme devresine (7) iletilir. Bu devrede (7), ön filtreleme (10-1) yapilarak elde edilen gerilim, ADC VREF SÜRÜCÜSÜ"ne (10-2) uygulanir. Sürücü çikisinda ADC oransal voltaj referans gerilimi, +VIREF ve - VIREF gerilimlerine dönüstürülerek, ADC°nin voltaj referans girislerine uygulanir. Sinyal genlik kontrol devresi (8), uygunlastirilmis analog geriliminin, belirlenen üst ve alt gerilim limitleri içerisinde kalmasini saglanarak, analog gerilimin seviye sinirlamasi yapilir. Yapilan bu islemle, ADC°nin analog giris kanallarina uygulanan gerilimin genlik kontrolü yapilir ve yüksek genlikli gerilimin neden olacagi hasarlar önlenmis olur. Aktif elektronik devre elamanlarinin kendi çalisma sicakligindan ve çevresel sicaklik degisimlerinden dolayi girislerine uygulanan analog sinyali çikisa aktarilirken, sinyal genliginde istenmeyen degisimler meydana gelebilir. Ortam sicakliginin sebep oldugu bu degisimi önlemek için, sicaklik kompansazyon devresinde (9) sicaklik degisiminin sinyal üzerindeki degisim orani belirlenir ve sinyalin sicaklikla degisim etkisi otomatik olarak düzeltilir. Sicaklik kompanzasyon islemi yapilmis olan sinyale, analog sinyal filtreleme devresinde (10) yüksek mertebeden alçak geçiren bir filtreleme islemi uygulanarak, analog sinyal üzerinde ki tüm istenmeyen frekanslarin olusturdugu kirlilik önlenir ve daha kararli bir analog sinyali olusturulur. Ölçüm sisteminden maksimum çözünürlük saglanmasi, ortak mod gürültüsünü ve parazitin önlenmesi, dinamik araligin iki kat artirilmasi ve dengeli sinyalizasyon nedeniyle genel performansi artirmak için analog ve voltaj referans girisleri diferansiyel olan yüksek çözünürlüklü bir Analog-Dijital dönüstürücü (ADC) kullanilmistir. Oransal olarak elde edilen ve ADC"nin girislerine uygulanan referans ve analog gerilim sinyallerinin, mikroislemci devresinde (ll) matematiksel islemleri ve donanimsal kontrolleri yapilir. Islemler sonunda gerilim degerleri sicaklik bilgisine dönüstürülür. Bu dönüstürme islemleri sonucu mikroislemcinin seri portu tarafindan sicaklik verisi dijital olarak bilgisayarda ki kullanici arayüz programina aktarilir. Mikroislemci içerisinde sicaklik sensörü araciligiyla ADC'nin sicakligi kontrol edilir. Eger sicaklik degisimi ADC"nin çalisma toleransinin disinda ise otomatik olarak ADC`nin kalibrasyon islemi yapilir. ADC`nin otomatik kalibrasyon islemi, sistemin her açilisinda sicaklik algilama devresi (18) devre disi birakilarak, ölçüm araligina karsilik gelen üç direnç degerine göre gerçeklestirilir. Sapmalar tolerans disinda oldugunda yeni kalibrasyon faktörü belirlenerek bu yeni degerler sistemin içerisine otomatik olarak islenir. Bu bulus ile sinyal isleme ve veri transfer ünitesinde sabit akim kaynagiyla oransal sinyal algilama metodunun uygulanabilirligine yönelik yapilan hesaplamalar ve simülasyon çalismalarinda Tablo 1."de ve Grafik-Slde görüldügü gibi uygulanan 250 uA akimin ± %1 degisiminde, herhangi bir sicaklik noktasi için oransal sinyal algilama metodu katsayilarinin ayni oldugu, Tablo 2. ve Grafik-6 "da da 250 pA akimin ± %1 degisiminde ve herhangi bir sicaklik noktasi için oransal olmayan sinyal algilama metodu katsayilarinin farkli oldugu gösterilmistir. Forrnülde görüldügü gibi oransal sinyal algilama metoduyla her bir akim degeri için ayni katsayinin üretilmesi ADC°den de ayni kodun üretilmesini saglar. ADC CODE = m = * * * ( VREF IEXC.ADC_R_REF Tablo 1. Oransal Sinyal Algilama Metodu Katsayilari ORANSAL SINYAL ALGILAMA METODU KATSAYILARI SICAKLIK K = Am/VREF K1 = AINi/VREFI K2 = AINz/VREFZ K3 = A,N3/VREF3 1 000 _ ORANSAL SINYAL ALGILAMA METODU KATSAYISI I = 247,5 LLA - - - - ORANSAL SINYAL ALGILAMA METODU KATSAYISW 0,800 0,600 / 0,400 / 0,200 // Grafik 5. Oransal Sinyal Algilama Metodu Katsayisi - Sicaklik Degisimi Bu bulus ile oransal olmayan sinyal algilama metodu kullanildiginda, örnegin 20,0000 oC lik kontrollü bir ortamda ADC°nin geriliminde akim kaynaginin % 10, % 1 ve % 0,1 hata ile çalistiginda sicaklik okuma hatasinin yaklasik ± 2 "C, kullanilmasinin yüksek dogruluklu sicaklik ölçümlerinde yeterli olmadigi görülmüstür. Tablo 2.0ransal Olmayan Sinyal Algilama Metodu Katsayilari ORANSAL OLMAYAN SINYAL ALGILAMA METODU KATSAYILARI SICAKLIK K = ;im/2,500 V 1,200 1,000 . ORANSAL OLMAYAN SINYAL KATSAYl ORANLARI K-AiN/2,5/-A K2 : AiN2 / 2,500 0,600 / 0,400 / 0,200 / Grafik 6. Oransal Olmayan Sinyal Algilama Metodu Katsayisi - Sicaklik Degisimi Tablo 3. Oraiisal Olmayan Sinyal Algilama Metodu Analog Sinyal Farklari ANALOG SINYAL FARKLARI SICAKLIK AlN2-AN1 AiN2-AiN3 Grafik 7. Oransal Olmayan Sinyal Algilama Metodu Gerilim Okuma Hatasi - Sicaklik Degisimi Ayrica bu bulus ile oransal olmayan sinyal algilama metodu uygulandiginda, 250 uA akimin ± sicaklik arttikça uygulanan akimin degisimine bagli olarak dogrusallik hatasinin da arttigi gösterilmistir. AIN3/VREF3/ Grafik 8. Oransal Olmayan Sinyal Katsayisi , Sicaklik Degisimi 02 "" i Grafik 9. Oransal Olmayan Sinyal Algilama Metodunda Gerilim Okuma Hatasi - Sicaklik Degisimi Oransal olmayan sinyal algilama metodunun, sicaklik ölçümü üzerinde ki etkisini daha anlasilir olabilmesi amaciyla, 250 uA°lik akim kaynagina ± %10"luk degisim uygulanmistir. Grafik-8 ve Grafik-9"da, görüldügü gibi sicaklik arttikça uygulanan akimin degisimine bagli olarak dogrusallik hatasinin da arttigi gösterilmistir. Bu bulus ile sabit akim kaynagiyla oransal sinyal algilama metodunun uygulanabilirligine yönelik, belirtilen sicaklik çalisma araliginda, 0,00010C çözünürlügünde ve birincil seviye sabit noktalar olan suyun üçlü noktasinda (SÜN) ve Galyum (Ga) sabit noktasinda yapilan ölçümlerde genisletilmis ölçüm belirsizligi (k:2,0 %95) 2 ml( olarak belirlendigi gösterilmistir. Sistemin tüm baglanti noktalarinda (prob iç baglanti noktalari, prob konnektörü ve Vb.) ortam sicakliginin degisiminden dolayi termal ofset gerilimleri meydana gelir. Bu ofset gerilimleri ölçüm hatalarina neden olacagindan, tasarim asamalarinda buna yönelik önlemler alinir (Ömegin; termal EMF etkisi daha az olan malzeme seçimi, PCB (Printed Circuit Board; Baski Devre Karti Dizayni), termal EMF hatasina sebep olabilecek isi kaynaklarinin hassas bölgelerden uzaklastirilmasi vb). Ayrica, meydana gelebilecek EMF hatalarinin yok edilmesi için ölçüm hassasiyetine göre termal ofset yok etme yöntemlerinden olan akim kesme ve akim tersleme yöntemlerinden biri uygulanabilir. Termal ofset akim kesme yönteminde (15), anahtarin kapali ve açik konumunda sinyal isleme ve veri transferi ünitesinden (20) okunan gerilim degerlerinin farki alinarak termal ofset hatasi giderilir. Ölçüm bassasiyetine bagli olarak termal ofset hatasi giderilemedigi durumlarda akim tersleme (13) yöntemi uygulanir. Sekil 7"de görüldügü gibi akim tersleme devresi (13) aktif hale getirilerek, birinci ölçüm normal konumdayken alinir ve ikinci ölçüm ise sicaklik algilama devresinin (prob) (18) baglanti uçlari degistirilerek alinir. Sinyal isleme ve veri transferi ünitesinden (20) okunan gerilim degerlerinin (VM+ = V1 + VEMF, VM_ = -V2 + VEMF) farkinin ortalamasi alinir. Formül de görüldügü gibi (VM = (V1 + VEMF)_ (- V2 + VEMF) 2 ) termal ofset hatasi voltajinin polaritesi aynidir. Bu yöntemlerin uygulamalarinda dikkat edilmesi gereken hususlar, ölçümlerin art arda ve ADC1nin tepki verme süresine bagli olarak en kisa sürede alinmasidir. Veri alma süresinin farkli olmasi ortam sicakliginin degisimine bagli olarak termal ofsetinde degisimine neden olmaktadir. Bu bulusta, uygulanabilirligi test edilmistir. 1. Ölçüm düzenegi; sicaklik algilama devresi (prob) (18), .0000 oC`lik sicaklik kontrollü bir banyo içerisine yerlestirilerek ve yukarida bahsedildigi gibi akim tersleme yöntemi uygulanarak elde edilen VM+ ve VM, gerilim degerleri; VM+ : 3,161688 Volt°tur. 2. ölçüm düzene ginde ise, fark edilebilir bir termal ofset gerilimini olusturabilen B tipi bir isil çift bu kontrollü banyo içerisine yerlestirilerek isil çiftin çikis gerilimi degeri VISILÇIFT, VISILÇIFT = 1.191504 mV elde edilmistir. Bu isil çift termal ofset gerilimi olusturacak sekilde sicaklik algilama devresine (prob) (18) baglanarak, akim tersleme yöntemi uygulanarak elde farklarinin ortalama degeri VM , VM= 3.161678 Volt"tur. Sonuç olarak; 1. ve 2. Ölçüm düzeneklerinden elde edilen veriler karsilastirildiginda ölçüm sonuçlarinin ayni oldugu ve tasarlanan akim tersleme devresinin(l3), hem kendi baglanti noktalarindan kaynaklanan termal ofset hatasini hem de harici olarak baglanan bir isil çiftin yaratmis oldugu termal ofset etkisini yok ettigi görülmüstür. Bu bulusla tasarlanmis olan akim tersleme devresinin (13), termal (EMF) ofset hatalarinin giderilmesinde kullanilabilirligi gösterilmistir. Bulusun Sanayiye Uygulanma Biçimi Bahsi geçen bulus, özellikle yüksek dogruluk ve kararlilik gerektiren metroloji alaninda yapilan tüm sicaklik ölçümlerinde, uzay, savunma, optik ve opto-elektronik ve medikal uygulamalarda kullanilabilir. TR TR TR TR TR TR