Publication: Sıcaklık ve vakum oranı kontrol edilebilen laboratuvar tipi bir fırının tasarlanması ve gerçekleştirilmesi
Abstract
SICAKLIK VE VAKUM ORANI KONTROL EDİLEBİLEN LABORATUVAR TİPİ BİR FIRININ TASARLANMASI VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Bu tez çalışmasında, sıcaklık ve vakum oranı kontrol edilebilen laboratuvar tipi bir fırın tasarlanarak, gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu sistem kullanılarak, belirlenen standart ölçülere sahip metal deneklerin ısıl uzama miktarının ölçümü de yapılabilmektedir. Fırın-içi sıcaklık oda sıcaklığından itibaren 600°C'ye kadar; vakum oranı ise 0 ile -1 bar aralığında ayarlanabilmektedir. Fırın-içi sıcaklığın denetiminde Bulanık Mantık yöntemi kullanılmıştır. Denetleyici tasarımında, Bağıl Hata (e), Bağıl Hatanın değişimi (De) ve referans (r) olmak üzere 3 değişken bulanıklaştırılmıştır. 90 kuraldan oluşan kural tabanı kullanılarak, sıcaklık denetimi gerçekleştirilmiştir. Bağıl hata 6 küme; bağıl hatanın değişimi 5 küme ve referans 3 küme kullanılarak bulanık formda ifade edilmiştir. Bağıl hata, bağıl hata değişimi ve referans bulanık değişkenlerinin sahip oldukları üyelik değerleri, oluşturulan ...........İSE, O HALDE....... (IF......-THEN....) tarzındaki 90 kuraldan oluşan kural tabanına uygulanarak bir bulanık çıkış elde edilmektedir. Berraklaştırma işleminden sonra elde edilen çıkış, ısıtıcı sürücü devre girişine uygulanmaktadır. 90 kuraldan oluşan denetleyici ile yapılan deneyler sonucunda, fırın-içi sıcaklık değeri, referans değerine aşımsız olarak ulaşmış ve sıcaklığın bağıl hata normal kümesinin sınırları dışına çıkmadan sabit kalması sağlanmıştır. Bulanık denetleyicinin kural tabanı değiştirilmeden, farklı etkinlik değer grupları kullanılarak 3 farklı sıcaklık denetimi gerçekleştirilmiştir. Bu durumlar aşağıda sıralanmıştır: #1 Denek-yok #2 Denek-var, Sıcaklık artışı hızlı ve lineer değil #3 Denek var, Sıcaklık artışı yavaş ve lineer Yukarıda sıralanan durumların tamamında fırın-içi sıcaklık değeri, referans değerine aşımsız olarak ulaşmış ve sıcaklığın referans değerinde bağıl hata normal kümesinin sınırları dışına çıkmadan sabit kalması sağlanmıştır. Fırın içine yerleştirilen K tipi ısılçift ile ölçülen sıcaklık bilgisi, yazılımla oluşturulmuş iki aşamalı bir filtreden geçirilerek, sıcaklığın Bulanık mantık ile denetiminde daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. Gerçekleştirilen sistemde fırın-içi vakum oranı 0 ile -1000 mbar arasında Aç-Kapa kontrol yöntemi kullanılarak denetlenmiştir. Vakum oranı ölçümünde, ±1 bar aralığında çalışan ve SensorTechnic firması tarafından üretilmiş olan BTE6N01G0 kodlu bir basınç dönüştürücüsü kullanılmıştır. Basınç dönüştürücüsü üretim aşamasında çıkışında +1 bar'lık basınca karşılık, 10V; -1 bar'lık basınca karşılık 0V verecek şekilde kalibre edilmiştir. Normal atmosfer basıncında ise 5V'luk çıkış vermektedir. Buradan yola çıkılarak dönüştürücünün basınç(mbar)-gerilim(Volt) dönüştürme formülü aşağıdaki gibi elde edilmiştir. VPx = 0.05´Px + 5 Burada; Px, seçilen aralıktaki % cinsinden basınç değerini, VPx ise basınç dönüştürücü çıkışında oluşan DC gerilimi Volt cinsinden ifade etmektedir. Isıl uzama miktarı ölçümünde ise, iki sargı arasında hareket eden armatürün. pozisyon bilgisini, çıkışta gerilim olarak veren ve RDP firması tarafından üretilmiş olan LIN156 kodlu LVDT ile S7AC kuvvetlendirici devresi kullanılmıştır. Kullanılan S7AC işaret şartlandırıcı devresi üzerinde kazanç ve sıfır ayar düğmeleri ile ölçüm aralığı 0-10V olarak belirlenmiş ve yapılan ölçümler sonucunda yer değiştirme (mm)-gerilim(Volt) dönüştürme formülü aşağıdaki gibi elde edilmiştir: V DLx = 0.1868´DLx + 5.1052 Burada DLx, mm cinsinden yer değiştirme miktarını; V DLx ise buna karşılık S7AC devre çıkışında oluşan DC gerilimi Volt cinsinden ifade etmektedir. Alüminyum ve bakır denekler ile #2 etkinlik değer grubu(EDG) kullanılarak yapılan bir dizi deneyde, fırın-içi sıcaklığın artması ile denekte oluşan uzama miktarları ölçülerek, kaydedilmiştir. #2 EDG ile yapılan denetimde, referansın sıcaklık değerine klasik denetim anlayışı içinde en kısa sürede çıkması hedeflenmiştir. Burada sıcaklık artışı doğrusal değildir. Bu tip yaklaşımda uzama miktarı ölçümünde dikkat edilecek husus, sıcaklık değeri referans değerine ulaşıp; kalıcı halin oluşması beklendikten sonra, o anki referans değerine karşılık uzama verisi gerçek değer olarak alınmalıdır. Bu durumda teorik ve deneysel genleşme miktarları arasında fark oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu fark daha sonra #3 EDG kullanılarak giderilmiştir. Geliştirilen #3 EDG ile yapılan kontrollü sıcaklık değişimine karşılık denekteki uzama verisinin kaydedildiği deneylerde, sıcaklık artışı doğrusala çok yakın ve artış hızı da 10°C/ dakika yapılmıştır. Böylelikle teorik ve deneysel uzama miktarları arasında oluşan fark minumuma indirilmiştir.
DESIGNING AND REALIZING OF A TEMPERATURE AND VACUUM RATE CONTROLLABLE FURNACE In this thesis, a temperature and vacuum rate controllable furnace is designed and realized. Thermal expansion measurement of sample metals having predefined standard dimensions can also be measured by using this system.The inner temperature can be set from room temperature to 600°C and vacuum rate can be set between 0 and -1 bar. In controlling the inner furnace temperature, the Fuzzy Logic method is used. In design of controller, three variables such as relative error (e), relative error change (De) and reference (r) are fuzzified and a rule base composed of 90 rules is utilized. Relative error is defined by using 6 sets, relative error change by 5 sets, reference by 3 sets. By appliying membership values of above mentioned variables to a rule base phrased as if......then......, a fuzzified output is obtained. After defuzzification of this output, it is applied to driver circuit of heater. As a result of experiments performed with a controller composed of 90 rules, the inner furnace temperature value reached to a reference value without over-shoot and the temperature is kept constant within the borders of relative error-normal set. Without changing this rule base, 3 different temperatute controlling types are utilized by using 3 different action group(AG). These different temperatute controlling types are as follows: #1 No sample #2 Sample exist, temperature increasing rapidly and non-linear, #3 Sample exist, temperature increasing slowly and linearly. All of the above mentioned situations, inner furnace temperature value reached to reference value without over-shoot and the temperature is kept constant within the borders of relative error-normal set. The temperature value which is measured via K type thermocouple located in the furnace is filtered by a two-stage band-pass digital filter. Better results are obtained through experiments done via filtered temperature value. In this system, inner vacuum rate of furnace can be set between 0 and -1000 mbar by using On-Off controlling method. In measurement of vacuum rate, a BTE6N01G0 coded pressure transducer having a range of ± 1 bar which is manufactured by SensorTechnics Co. is used. This pressure transducer is precalibrated to produce an output voltage of 10 Volts at +1bar and 0 Volts at -1 bar. At normal atmosphere, it produces an output voltage of 5 Volts. Therefore, the pressure-voltage transformation formulae was obtained as follows: VPx = 0.05´Px + 5 where, Px is pressure value and VPx is DC output voltage of the transducer. In measuring the thermal expansion, an LVDT which is giving the position of an armature moving between two coils and S7AC signal conditioner circuit is used. The code of LVDT sensor which is manufactured by RDP Company is LIN156. The measurement range is defined as 0 to 10 Volts by adjusting gain and zero adjust switches and potantiometers which are located on the S7AC. After measurements, displacement (mm)- voltage(V) transformation formulae was obtained as follows: V DLx = 0.1868´DLx + 5.1052 In this equation DLx refers to displacement(thermal expansion amount) in mm and V DLx refers to DC voltage at the S7AC circuit output. Firs of all, #2 AG is used in a series of experiments by using aluminium and copper samples. During these experiments, the expansion amount of samples were measured and recorded with respect to increasing temperature. In controlling of temperature by using #2 AG, the purpose is to reach the reference value in the shortest time without over-shoot. In this situation, the temperature is rising nonlinearly. The most important point in that kind of measurement is to wait until steady-state condition. And then the expansion value must get for the reference temperature. In that kind of measurement, it is observed that the theoretical and experimental expansion amounts are different during the experiment (not at the steady-state). The difference is then reduced to minimum by decreasing the rate of change in temperature by using #3 AG. After improvement of the temperature-controller by using #3 AG, the tempeature rises nearly-linear at a constant rate of 10°C/ minute. In this way the difference between theoretical and experimental expansion amounts is reduced to minumum.
DESIGNING AND REALIZING OF A TEMPERATURE AND VACUUM RATE CONTROLLABLE FURNACE In this thesis, a temperature and vacuum rate controllable furnace is designed and realized. Thermal expansion measurement of sample metals having predefined standard dimensions can also be measured by using this system.The inner temperature can be set from room temperature to 600°C and vacuum rate can be set between 0 and -1 bar. In controlling the inner furnace temperature, the Fuzzy Logic method is used. In design of controller, three variables such as relative error (e), relative error change (De) and reference (r) are fuzzified and a rule base composed of 90 rules is utilized. Relative error is defined by using 6 sets, relative error change by 5 sets, reference by 3 sets. By appliying membership values of above mentioned variables to a rule base phrased as if......then......, a fuzzified output is obtained. After defuzzification of this output, it is applied to driver circuit of heater. As a result of experiments performed with a controller composed of 90 rules, the inner furnace temperature value reached to a reference value without over-shoot and the temperature is kept constant within the borders of relative error-normal set. Without changing this rule base, 3 different temperatute controlling types are utilized by using 3 different action group(AG). These different temperatute controlling types are as follows: #1 No sample #2 Sample exist, temperature increasing rapidly and non-linear, #3 Sample exist, temperature increasing slowly and linearly. All of the above mentioned situations, inner furnace temperature value reached to reference value without over-shoot and the temperature is kept constant within the borders of relative error-normal set. The temperature value which is measured via K type thermocouple located in the furnace is filtered by a two-stage band-pass digital filter. Better results are obtained through experiments done via filtered temperature value. In this system, inner vacuum rate of furnace can be set between 0 and -1000 mbar by using On-Off controlling method. In measurement of vacuum rate, a BTE6N01G0 coded pressure transducer having a range of ± 1 bar which is manufactured by SensorTechnics Co. is used. This pressure transducer is precalibrated to produce an output voltage of 10 Volts at +1bar and 0 Volts at -1 bar. At normal atmosphere, it produces an output voltage of 5 Volts. Therefore, the pressure-voltage transformation formulae was obtained as follows: VPx = 0.05´Px + 5 where, Px is pressure value and VPx is DC output voltage of the transducer. In measuring the thermal expansion, an LVDT which is giving the position of an armature moving between two coils and S7AC signal conditioner circuit is used. The code of LVDT sensor which is manufactured by RDP Company is LIN156. The measurement range is defined as 0 to 10 Volts by adjusting gain and zero adjust switches and potantiometers which are located on the S7AC. After measurements, displacement (mm)- voltage(V) transformation formulae was obtained as follows: V DLx = 0.1868´DLx + 5.1052 In this equation DLx refers to displacement(thermal expansion amount) in mm and V DLx refers to DC voltage at the S7AC circuit output. Firs of all, #2 AG is used in a series of experiments by using aluminium and copper samples. During these experiments, the expansion amount of samples were measured and recorded with respect to increasing temperature. In controlling of temperature by using #2 AG, the purpose is to reach the reference value in the shortest time without over-shoot. In this situation, the temperature is rising nonlinearly. The most important point in that kind of measurement is to wait until steady-state condition. And then the expansion value must get for the reference temperature. In that kind of measurement, it is observed that the theoretical and experimental expansion amounts are different during the experiment (not at the steady-state). The difference is then reduced to minimum by decreasing the rate of change in temperature by using #3 AG. After improvement of the temperature-controller by using #3 AG, the tempeature rises nearly-linear at a constant rate of 10°C/ minute. In this way the difference between theoretical and experimental expansion amounts is reduced to minumum.