Prof. Dr. Ertuğrul Durak
Süleyman Demirel Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi
ertugruldurak@sdu.edu.tr
Danışmanlığını yürüttüğüm Bitirme Ödevi I-II dersi ve TÜBİTAK BİDEB 2209-A Üniversite Öğrencileri Araştırma Projeleri Destekleme Programı kapsamında fonlanan “1919B012431971” numaralı ve “Akıllı Viskozite Ölçüm ve Kontrol Sistemi” başlıklı proje başarıyla sonuçlanmıştır. Proje yürütücüsü Rashad RAHİMZADE ile araştırmacılar İsmail Erdoğan, Abbas Emirhan Mert, Kadir Çelik ve Ali Mutlu tarafından hayata geçirilen bu çalışma, genç mühendis adaylarına imkan tanındığında ortaya koyabilecekleri potansiyeli gösteren nitelikli bir çıktı olmuştur. Proje ekibimizi tebrik eder, akademik ve mesleki hayatlarında başarılar dilerim. Sunulan bu yazı proje çıktısını sizlerle paylaşmak amacıyla kaleme alınmıştır.
Kısaca bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği iç direnç viskozite olarak tanımlanmaktadır. Viskozite Triboloji alanında, mühendislik tasarım açısından büyük öneme sahiptir. Akışkanların viskozitesini ölçen cihazlar da viskozimetre olarak adlandırılmaktadır. Viskozitenin hassas ölçümü, endüstriyel süreçlerde kalite standartlarını ve sistem performansını belirleyen önemli mühendislik kriteridir. Manuel metotlara dayanan viskozimetrelerde ölçüm sırasında kullanıcı kaynaklı (gözle takip, süre ölçme vb..) hatalara açıktır. Öte yandan söz konusu bu ölçüm cihazlarının yüksek maliyetleri ve farklı çalışma koşullarına uyum sağlamadaki kısıtları, Ar-Ge süreçlerini zorlaştırabilmektedir.
Viskozimetrelerin çok çeşitli tipleri mevcuttur. Akışkanların teknik özelliklerinin belirtilmesinde dinamik ve kinematik viskozite kullanılmaktadır. Özellikle viskozitesi kayma oranı ile doğrusal değişim gösteren Newtonyen akışkanların viskozitelerinin ölçümünde küresel bilye düşüş süresinin ölçümünü esas alan viskozimetreler pratikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Pratikte kullanılan küresel bilye düşüş süreleri cihaz üzerinde mevcut olan iki referans çizgi arasındaki geçiş süresi gözle tespit edilmekte, aynı zamanda sahip olunan imkanlardaki kronometrelerle de geçen süre ölçülmektedir. Seçilen küresel bilye geometrik ve malzeme özelliklerine göre tanımlanan ampirik formülerle test sıvısının viskozitesi hesaplanmaktadır. Söz konusu bu yöntemde küresel bilyenin konumun belirlenmesinde ve kronometre kullanılması kullanıcının performansına büyük ölçüde bağlıdır. Projede bu olumsuzluk durumlarının giderilmesi için cihazda hassas sensör ve yazılım desteği olacak şekilde kavramsal tasarım, detay tasarım, imalat ve montaj faaliyetlerinden sonra prototipte doğrulama testleri gerçekleştirilmiştir.
Sistemin mekanik tasarımı, viskozite ölçümünde literatürle uyumlu en hassas koşulları sağlamak üzere tasarlanmıştır (Şekil 1.). Ölçüm haznesi, Höppler prensibine uygun olarak 20° sabit çalışma açısına sahip cam bir silindir içermektedir. Bu eğim açısı, küresel bilyenin serbest düşüşe geçmesini engelleyerek tüp iç duvarına temaslı bir düşme hareketi sergilemesine imkan vererek ve ölçüm doğruluğunu sağlamaktadır. Farklı sıcaklıklarda ölçüm yapabilmek için test numunesinin bulunduğu tüp içerisine su ve ısıtıcı (iki adet 400 Watt gücünde, SSR-25DA katı hal röle ve sıcaklık ölçümü için DS18B20 sensörü) bulunan daha büyük şeffaf Borosilikat 3.3 malzemeli bir tüp (Termal sıvı haznesi) kullanılmıştır. Sistemde sızdırmazlığın sağlanması için termal sıvı haznesi tüpünün kalınlığına uygun kanallı eklemeli imalat ile üretilen alt ve üst kapaklar uygun o-ringler ve sıvı contalar kullanılarak sızdırmazlık sağlanmıştır. Hem ölçüm öncesi ısıtıcı termal sıvının homojen sıcaklığa ulaşması için haznenin 0-180° arasında döndürülmesinde hem de 20° açının elde edilmesi için step motoru ve gerekli otomasyon ünitesi kullanılmıştır. Ayrıca tahrik motorunda oluşabilecek titreşimleri sönümleyebilmek için kauçuk destekteki kaplin tercih edilmiştir. Ayrıca mekanizmayı taşıyan mil iki adet yastıklı blok rulman yatakları ile desteklenmiştir.
Sistemin elektronik altyapısı, viskozite hesaplarını ve hassas dönme kontrolünü eş zamanlı yürütebilmek amacıyla dağıtılmış mikrodenetleyici mantığına dayanmaktadır. Bu yapıda ana denetleyici Arduino Mega 2560, sensör verilerini işleyip viskozite hesaplamalarını yönetirken; motor kontrolü ise Arduino Nano, ana denetleyiciden aldığı veriler ile sistemin dönme hareketlerini icra eder. Üç aşamalı bir yöntem kullanılarak prototipte oluşabilecek parazitleri izole edilmesi sağlanmıştır. Birinci aşama, donanımsal sönümleme kapsamında motor ve ısıtıcı hatlarına yerleştirilen kondansatörler ile ferrit nüve filtreleri, anahtarlama kaynaklı voltaj dalgalanmalarını emerek sinyal bütünlüğünü korumaktadır. İkinci aşamada, hassas sensör ve ekran kabloları zırhlı kablolarla izole edilmiştir. Son olarak ısıtıcının en çok parazit yaydığı anlarda yazılımımız belirli süreyle sensör girişlerini yok saymaktadır.
Şekil 1. Akıllı Viskozite Ölçüm ve Kontrol Sisteminin Ana Bileşenleri
Özetleyecek olursak, proje kapsamında; geleneksel manuel Höppler viskozimetrelerindeki insan gözlemine dayalı okuma hatalarını, termal dalgalanmaları ve manuel karıştırma zorluklarını ortadan kaldıran tam otonom “Akıllı Viskozite Ölçüm ve Kontrol Sistemi” başarıyla tasarlanıp kalibre edilmiştir (Şekil 2. ve Şekil 3).
Sistemin çift mikrodenetleyicili yapısı, donanımsal RC filtrelemeleri ve sensör zırhlamaları sayesinde elektromanyetik parazitlerin (EMK) hassas ölçümleri bozması engellenmiş; alüminyum sigma profil gövde ile mekanik stabilite teçhiz edilmiştir. MPU-6050 sensörüyle oluşturulan konum ve otonom “Karıştırma Modu” algoritmaları, cihaza kullanım kolaylığı sağlamış ve yanlış ölçüm riskini en aza indirmiştir.
Şekil 2. Ölçümlere ait örnek ekran görüntüleri
Şekil 3. ISO VG 46 Referans ve Prototip Ölçüm Değerleri Karşılaştırması (ASTM D341)
Stokes Yasası ve Ladenburg duvar etkisi düzeltmeleri, ISO VG 46 referans yağıyla yapılan termal testlerle doğrulanmıştır. Cihazın genel K-Sabiti başarıyla çıkarılarak yazılıma eklenerek ASTM D341 standartlarına uygun viskozite hesaplamaları gerçekleştirilmiştir.
Sonuç olarak; donanımsal bütünlüğü, akıllı yazılım algoritmaları ve doğrulanmış ölçüm hassasiyeti ile bu sistem, laboratuvar ve kalite kontrol süreçlerini hızlandıracak nitelikte olup yenilikçi ve yerli bir Ar-Ge test cihazı olarak literatüre ve sektöre kazandırıldığı düşünülmektedir.
