2.4 Gerinim Ölçer Karakteristikleri
2.4.2 Sıcaklık Direnç İlişkisi ve Isıl Direnç Katsayısı (TCR)
Gerinim ölçerler oldukça basit yapıda olmalarına rağmen, karmaşık gerilme analizlerinin yapılmasına yardımcı olan sistemlerdir. Basit yapıları, birçok avantajı beraberinde getirmesine karşın, bazı durumlarda analizlerin irdelenmesinde sorun oluşturabilir.
Gerinim ölçerler, yapıları gereği fiziksel olarak direnci değiştirebilen her etkiye açık olmaları nedeniyle, çalışmalar sırasında gerinim haricindeki tüm direnç değişikliklerinin bir şekilde engellenmesi ya da elektriksel olarak göz ardı edilmesi gerekir. Aksi halde bu etkiler, hatalı sinyal oluşumuna ve gerinim konusunda yanlış yorumların yapılmasına neden olabilir. Hatalı sinyal oluşumuna neden olan etkilerin bazıları gerinim ölçerin kullanış şekline, bazıları da gerinim ölçerin yapısına bağlıdır. Bu yapısal ve uygulamaya bağlı etkilerin bazıları gerinim
ölçer boyu, elektriksel direnç, deformasyon alanının durumu ve sıcaklık değişimi olarak sıralanabilir. Ancak tüm bu etkilerin en önemlisi, doğrudan gerinim ölçer malzemesinden kaynaklanan sıcaklık değişimine olan duyarlılıktır (Topuz, 1993 ve Robinson, 2006).
Sıcaklık, alaşım elementinin fonksiyonelliği, taşıyıcı altlığın ve bağlayıcının yapısının kararlılığı bakımından önemlidir. Sıcaklık ile alaşım elementinin fonksiyonelliği arasındaki ilişki, ısıl direnç katsayısı olarak bilinen büyüklük ile tanımlanır. Farklı gerinim ölçer alaşımları ve taşıyıcılarının çalışma aralıkları Çizelge 2.2‟ de verilmiştir (Window, 1992).
Çizelge 2.2 Gerinim ölçer alaşımları ve taşıyıcı altlıklarının sıcaklık – çalışma tipi ilişkisi (Window, 1992).
Direnç Malzemesi Taşıyıcı Altlık
Malzemesi Statik Koşul Dinamik Koşul
Cu – Ni Poliamid -75 ile + 175 °C -195 ile +205 °C
Cu – Ni Epoksi -45 ile + 99 °C -195 ile +175 °C
Izoelastic Poliamid - -195 ile +205 °C
Karma Cam takviyeli
kompozit
-269 ile +290 °C -269 ile +400 °C
Ni-Cr Ayrılabilir altlık -260 ile + 425 °C
Metallerin ρ olarak bilinen özdirençleri, iletkenin geometrisinden bağımsız bir parametredir. R ile ifade edilen direnç değerleri ise, iletken geometrisi tarafından belirlenen değişken bir büyüklüktür. Bu büyüklüklere bağlı olarak bir elektrik direncinin değeri, direncin yapıldığı malzemeye ve direncin geometrisine bağlı olarak belirlenebilir.
Ancak, tüm iletkenlerin dirençleri, sıcaklıktan da etkilenir. Metalik iletkenliklerin tümü, mutlak sıfır noktasına yakın sıcaklıklarda çok düşük elektriksel dirence (süperiletken durumuna geçtiklerinde 0) ve ergime noktalarına yakın sıcaklıklarda da ise, en yüksek elektriksel dirence sahiptir. Bu özellikler metallere has bir davranıştır ve ayırt edici bir özellik olarak değerlendirilebilir (Robinson, 2006).
Dolayısı ile bir gerinim ölçerde sıcaklığa bağlı davranışın ortaya konulabilmesi, gerinim ölçerin tanımlanabilmesi için önemlidir. Ortam sıcaklığının değişmesi ile gerinim ölçerin dört temel özelliğinde değişim gözlenir. Bunlar:
2. Gerinim ölçer sıcaklık etkisi ile boyca uzar ya da kısalır (Δl/l = α ΔT).
3. Gerinim ölçerin tutturulduğu taban malzeme uzar ya da kısalır. (Δl/l = β ΔT). 4. Gerinim ölçerin direnci sıcaklığın etkisi ile değişir. (ΔR/R = γ ΔT)
Gerinim ölçerin, değişen sıcaklıkla ilgili olarak direncini etkileyen faktörler, Denklem 2.7 ile özetlenebilir. γΔT ΔT g α)S (β R ΔR ΔT
(2.7)Eşitlikte, α gerinim ölçer malzemesinin ısıl genleşme katsayısını, β taban malzemenin ısıl genleşme katsayısını, γ, gerinim ölçer malzemesinin ısıl direnç katsayısını ve Sg „de gerinim
duyarlılığını göstermektedir. Gerinim duyarlılığı, iletkene bir kuvvet uygulanması sonucu iletkendeki boyutsal değişime ve iletkenin özgül direncindeki değişimlerin tümüne bağlıdır (Topuz, 1993).
Taban malzemesi ve gerinim ölçer arasında sıcaklık değişiminde bir değişim olursa
bu durumda gerinim ölçer, numuneden kaynaklanmayan bir ε = (β – α)ΔT gerinimine maruz kalır. Bu durumda gerinim ölçer bu etkiye, tıpkı gerinim altında olduğunda verdiği gibi, direncindeki bir değişimle tepki gösterir. Bu iki tepkiyi birbirinden ayırmak mümkün değildir. Gözlenen bu istenmeyen tepki, gerinim ölçerin üretildiği alaşım ve taban malzemelerinin aynı ısıl genleşme katsayısına sahip oldukları durumda ortadan kaldırılabilir.Bir gerinim ölçüm sisteminde ısıl etkinin ortadan kaldırılabilmesi için iki yaklaşım söz konusudur. Bu yaklaşımlardan ilki Denklem 2.7‟ deki 3 etkenin net etkilerini sıfır yapacak şekilde ayarlama yapmaktır. İkincisi ise, sıcaklık değişikliklerinin sinyal dönüştürücülerin doğru ayarlanması ile ΔR/R değerinin voltaj çıktısına dönüştürülmesi ile elde edilebilir. Sıcaklıktan etkilenmeyen gerinim ölçerlerin yapımı için, altlık malzemesi ile gerinim ölçer alaşımının ısıl genleşme katsayılarının birbiriyle mükemmel uyumlu olmalarını ve ısıl direnç katsayısının da sıfır olmasını sağlamak gerekir (Dally ve Riley, 1978).
Gerinim ölçer üretiminde kullanılan belli başlı alaşımların TCR değerlerinin iyileştirilebilmesi için bazı işlemler uygulanabilir. Bu işlemler özellikle soğuk haddeden geçirilerek folyo haline getirilen alaşımlar için uygulanmakta ve folyo haline getirilen alaşıma ısıl işlem uygulanması ile gerçekleştirilmektedir. En yaygın gerinim ölçer alaşımlarından olan Konstantan ve Evanohm, TCR değerleri değiştirilebilen alaşımların başında gelir. Ancak her iki alaşımın ısıl işleme gösterdikleri tepki farklıdır.
Soğuk haddelenerek folyo haline getirilen Evanohm alaşımının TCR değeri, 400 – 600 °C aralığında uygulanan ısıl işlem ile +10 ile -40 ppm/°C aralığında iyileştirilebilmektedir. TCR değerindeki bu iyileşmenin ardındaki mekanizma halen tam olarak açıklanabilmiş değildir. Ancak tam olarak anlaşılamayan bu mekanizma için yapılabilen en muhtemel açıklama, Ni-Cr alaşımlarında bu sıcaklık aralığında gözlenen kısa mesafeli düzenlenmedir. Söz konusu teoriye göre, metal ile kristal kafes içerisindeki gelişi-güzel yerleşmiş alaşım atomu ısıl işlem etkisi ile birkaç atomsal mesafede belirli bir düzenle yerleşir. Söz konusu düzenlenmenin doğrudan bir analiz yöntemi kullanılarak belirlenmesi son derece güç olduğundan elektriksel direnç ölçümü gibi dolaylı yöntemlerle tespit edilebilmektedir (Robinson, 2006).