Strain Gauge (Gerinim Pulu)

Strain gauge (gerinim pulu) mekanik, denizcilik, havacılık ve in aat mühendisli i uygulamalarında fiziksel kuvvetlerin ölçümünde sıklıkla kullanılmaktadır. Bu malzemeler kullanılarak, yapı elemanında kuvvet ya da basınç yükleri etkisiyle olu an mekanik gerilmeden kaynaklanan ekil de i ikli inin derecesi ve bu ekil de i ikli inin, malzemede kar ılık geldi i gerilme düzeyinin hesaplanmasında kullanılabilmektedir. Birim ekil de i tirmeyi mekanik ve elektriksel olarak ölçmenin bir kaç yolu vardır. Strain gauge ile ölçmek, kolaylı ı ve sa ladı ı verilerin kalitesinin yüksekli inden dolayı en çok tercih edilen yöntemdir. Bu yüzden zeminden gelen etkilerin penetrometrede olu turdu u ekil de i tirmelerin ölçülmesi için strain gauge ile ölçüm tekni i kullanılmı tır.

Çekme ya da basınç kuvveti etkisinde kalan bir malzemenin iç kesitlerinde olu an gerilmeler, ekil de i tirmelere neden olur. Eksenel çekmeye maruz, L uzunlu undaki bir çubukta L kadar boy uzaması olu ur ( ekil 3.4). Birim ekil de i tirme, (3.1) denkleminde verildi i gibi, eleman boy uzaması miktarının ( L ), boyuna (L) oranı kadar olu ur.

= L / L (3.1)

Uygulanan yük etkisiyle ekil de i ikli i olu an bir malzeme üzerine iyice yapı tırılan parçacıklarda da aynı birim ekil de i tirme olu maktadır. Tek do rultuda ekil de i ikli ine u rayan iletken çubuklarda, birim boy de i imiyle (uzama ya da kısalma) orantılı olarak elektriksel direnç de i imi (artma ya da azalma) olu maktadır.

Bu prensipten faydalanılarak, üzerine yapı tırıldı ı elemanın tek do rultuda birim ekil de i tirmesini (uzama ya da kısalma), boyunda olu an birim ekil de i imi nedeniyle elektriksel direncinde olu an farkdan, dolaylı olarak ölçmeye yarayan, strain gauge ke fedilmi tir.

Strain gaugeler çok farklı amaçlar için kullanılabilmektedir, fakat kullanım sınırlarını belirleyen limitleri vardır. Her strain gauge için birim ekil de i tirme, kullanım sıcaklı ı, uygun malzeme, ölçüm hassaslı ı vb. gibi kullanım sınırları bulunmaktadır. Strain gauge, elektriksel izolasyonu tam olarak sa layan bir koruyucu malzeme içine yerle tirilmi direnç tellerinden ibarettir. Strain gauge yapı tırılmı bir elemanda yük etkisiyle olu an birim ekil de i tirmeler strain gauge içindeki direnç tellerinde de aynı oranda boy de i imine ve dolayısıyla telleri elektriksel direncinde de i ime neden olmaktadır. Bu de i im (3.2) denklemiyle belirlenebilmektedir;

K = R / R (3.2)

Bu e itlikte;

– Birim ekil de i tirme R – Strain gauge direnci

R – Strain gauge direncindeki de i im

K – Gauge faktörü ( üretici tarafından verilmektedir)

Bu e itlikte, strain gaugein elektriksel direnci ve gauge faktörü bilinmektedir. Birim deformasyon olu ması durumunda, strain gaugedeki elektriksel direnç de i iminin ölçülmesi durumunda birim ekil de i tirme ( ), (3.2) denkleminden hesaplanabilir. Birim ekil de i tirme ise, strain gaugenin yapı tırıldı ı elemana ait gerilme - birim ekil de i tirme grafi inin elastik bölgesinde elemana uygulanan yükle do ru orantılıdır. Birim ekil de i tirmesi belirlenen malzemenin, gerilme de eri de belirlenebilir. Gerilme ( ) ve kesit alanı (S) de erleri, (3.3) denkleminde yerine konularak elemana uygulanan kuvvet belirlenebilir.

ekil de i imi olu an strain gaugede olu acak elektriksel direnç de i imi, strain gauge direncine göre çok küçük de erlerde olu tu u için strain gauge direncini ölçmek için seçilen boyut ve hassaslık ayarlarıyla yeterli hassaslık ve do rulukta ölçülememektedir. Elektriksel direncine göre çok küçük de erlerde olu an elektriksel direnç de i imlerini ( R) ölçmek için çe itli yöntemler kullanılmaktadır. Strain gaugelerde olu an elektriksel direnç de i imlerini ölçmek için kullanılan en yaygın yöntem, Wheatstone Köprüsü denilen bir elektronik devre kurularak elektriksel direnç de i iminin ölçüldü ü yöntemdir. Wheatstone Köprüsünde dört adet direnç

ekil 3.5’de ki gibi ba lanmı tır.

E er köprü A ve C noktalarından bir ikaz gerilimi (Vi) ile beslenirse B ve D noktalarındaki gerilim farkı, ayrı ayrı her iki kolda ba lanılan dirençlerin elektriksel direnç toplamlarının farkı ile orantılı olacaktır. Devrenin kolları arasında elektriksel direnç farkı olmaması durumunda (R₁=R₄ ve R₂=R₃) B ile D noktaları arasında bir gerilim farkı olu mayacaktır. Devrenin kollarından herhangi birinin elektriksel dirençleri toplamının, di er kolun elektriksel dirençleri toplamından farklı olması durumunda B ile D noktaları arasında bir gerilim farkı olu acaktır. Wheatstone köprüsünde A - C arasına ikaz gerilimi (V_i) uygulanması durumunda B - D arasında ölçülecek çıkı gerilimi (V_ç), (3.4) formülü ile hesaplanabilir.

Strain gauge ile birim ekil de i tirme ölçümü yapmak amacıyla Wheatstone köprüsü kurulması durumunda, dirençlerden biri, ikisi ya da dördü de starin gauge olarak tasarlanabilmektedir. Wheatstone köprüsü devresinde, dirençlerden birinin birim ekil de i tirmeye maruz aktif strain gauge olması ve devrenin di er üç direncinin ölçüm ünitesinde tamamlanması durumunda bu tip devreye çeyrek köprü denilmektedir. E er iki strain gauge kullanılarak devre olu turulmu sa bu devre tipine, yarım köprü denilmektedir. Devre tamamen strain gaugelerden olu uyorsa bu tip devreye, tam köprü denilmektedir. Wheatstone Köprüsü devresinin çeyrek, yarım ya da tam köprü eklinde te kil edilmesinin avantajları, sınırlamaları, köprü faktörü ve kullanım alanları Tablo 3.9’da verilmektedir.

Tasarlanan penetrometrede sıcaklık de i imlerinden etkilenmemek ve ölçümlerde yüksek hassaslık elde edebilmek için yarım Wheatstone Köprü devresi kullanılmı tır. Bu tip köprü devresinde, strain gaugelerin ikisi yapı elemanının üzerinde di er iki direnç (bu iki direnç de strain gauge olarak kullanılabilir) ölçüm ünitesi içinde ya da yanında konumlandırılmı tır. Eleman üzerindeki strain gaugelerden biri, elemana yapı tırılarak aktif çalı ması sa lanırken di eri serbest bırakılarak manken davranması sa lanmı tır. Bu ekilde devrenin kolları arasında sıcaklık farkından bir direnç de i iminin olu ması önlenmektedir. Bu ekilde hazırlanan devrede sıcaklık düzeltmesi yapılmasına gerek kalmamaktadır (Dunnicliff, 1998).

Bu çalı mada tasarlanarak üretilen penetrometrede, TML Marka, 6-11 ve FLA-10-11 tipi 120 elektriksel dirençli strain gaugeler kullanılmı tır. Bu tip simgesinde, “F” genel amaçlı kullanımı, “LA” tekil oldu unu, “6 veya 10” uzunlu un 6 mm veya 10 mm (geni likler 2 mm) oldu unu ve “11” metallerde kullanılmaya uygun oldu unu ifade etmektedir. Simgede; strain gauge standart elektriksel dirence sahip oldu unda (120 ohm) direnç de eri simgesine ve normal tip oldu unda tip simgesine yer verilmemektedir.

Yapı tırma i leminde kolaylık ve i levinde kalite sa layabilmek amacıyla boru profillerin çevresi do rultusunda 6 mm strain gaugeler ve boruların boyları do rultusunda ise 10 mm strain gaugeler kullanılmı tır.

Tablo 3.9. Wheatstone köprüsü devre çe itleri (Dunnicliff, 1998)

Köprü Tipi Avantajları Sınırlamaları ^Köprü

Faktörü ^{Kullanım Alanı}

Çeyrek Köprü ( ki kablolu sistem) En ucuz Kullanımı en kolay Sıcaklık de i imine duyarlı, yüksek ekil de i tirmelerde do rusal de il 1.0 Laboratuvarda kullanılır, zemin uygulamalarında kullanılamaz Çeyrek Köprü (Üç kablolu sistem) Lehim hatalarını iyi tolere eder Sıcaklık de i imine duyarlı, yüksek ekil de i tirmelerde do rusal de il 1.0 Yapıda gerilme analizlerinde en yaygın uygulama Yarım Köprü (Biri sa ır ) Sıcaklık de i iminden etkilenmez Sa ır gauge

yapı tırılmaz ve aynı malzemeye tutturulur

1.0 Yüksek sıcaklık olan

ve yüksek hassaslık istenen i lerde Yarım Köprü ( kisi de aktif ve birbirine 90⁰ açıyla yapı tırılır) Sıcaklık de i iminden etkilenmez ki eksenli gerilmelerde kullanı lı de ildir

1.3 Uzun kolonlarda yada

kiri lerde tek eksenli gerilme ölçmede kullanı lı Yarım Köprü (E it ve ters gerilmeyle ikiside aktif) Sıcaklık de i iminden etkilenmez Köprü devresi kurmak her zaman mümkün de il

2.0 E ilmeye çalı an

kiri lerde ve yük hücrelerinde Tam Köprü (Sa ır gaugeli) Sıcaklık de i iminden etkilenmez

Pahalı 2.0 Seyrek kullanılır

Tam Köprü (Tümü aktif ve iki birbirine 900 açıyla yapı tırılır) Sıcaklık de i iminden etkilenmez Pahalı, ki eksenli gerilme alanlarında kullanılmaz 2.4 Mafsallarda, basınç kolonlarında örne in yük hücrelerinde kullanılır Tam Köprü ( kisi basıç, ikisi çekmede e it gerilmeye maruz) Sıcaklık de i iminden etkilenmez

Pahalı 4.0 E ilmeye çalı an

3.2.1. Strain gauge uygulamada kullanılam alet ve malzemeler

Strain gaugelerin hazırlanması, yapı tırılması ve kontroller için; 16 Watt gücünde ve ince uçlu havya, üzerinde strain gauge kablo ba lantılarını yapmak için cam levha, 0,6 mm ve 1,0 mm çaplarında lehim telleri, lehim pastası, kablo ucu açmak için küçük pense, kablo kesmek için küçük yan keski, farklı derecelerde büyüteç takımı, 0,1 hassasiyetle direnç ölçebilen dijital avometre, biri e ri a ızlı iki farklı cımbız, 60, 180 ve 240 numara ka ıt zımpara, silinmez i aretleme kalemi, kur un kalem, boruların içine strain gaugeleri iyi konumlandıra bilmek için di ci aynası, genel amaçlı ve orta viskoziteli cyanoacrylate hızlı yapı tırıcı, makas, yapı tırılan strain gauge üzerine bastırmak için teflon ka ıtlar, köprü tamamlama kablosuna ba lantıda ve sıfırlama trimpodu ayarında küçük tornavida ve yüzey temi li i için aseton kullanılmı tır.

3.2.2. Ba lantı terminalleri

Strain gaugelerin kablolara ba lantısı ba lantı terminalleri ile yapılmı tır. Ba lantı terminalleri, çok nazik yapıda olan strain gaugelerin ve ba lantı tellerinin, yapı tırıldıktan sonra, kabloların hareketinden etkilenerek zarar görmemeleri için gerekli olmaktadır. Bu ara tırmada TML marka, TF-2SS model ve 5 mm x 4 mm x 0,2 mm boyutlarında ba lantı terminalleri kullanılmı tır.

3.2.3. Ba lantı kabloları

Strain gauge ve veri toplama sisteminin üretici firmaları, ba lantılarda en az 0,2 mm² kesit alanlı, çok çekirdekli ve flambajlı kablolar önermektedir.

Çekirdek alanının 0,2 mm den küçük olması, özellikle uzun mesafelerde sorun (direnç artı ı) olu turmakta ve kablonun hareketi yada dı ortamdaki etkilerden (ma netik alan) dolayı veri transferinin kalitesini dü ürmektedir.

Çok çekirdekli olması kablonun hem daha esnek (fleks) olmasını sa lamakta ve kolayca çatlayarak kırılmasını önlemektedir. Tek çekirdekli kablolar, fazla

e ildi inde veya büküldü ünde sorun çıkarmakta ve kolayca çatlayarak kırılmaktadır. Daha da olumsuz bir durum olarak; çatladı ı veya çekirdek kırıldı ı halde anla ılamamakta ve hareket ettikçe az bir akım ileterek direnç de i imlerine neden olmaktadır. Tespit edilemeyen kablo hataları, Wheatstone köprüsü kurarak strain gauge ile ölçüm yapılan sistemlerde çok ciddi, can sıkıcı ve ço unlukla tespit edilmesi çok zor sorulara neden olmaktadır. Bu çalı mada birim boy direnci dü ük oldu undan veri iletimi iyi olaca ı için, ilk olarak CAT5 internet kablosu kullanılmı tır ve söz edilen sorunlar ya anmı tır.

Flambaj ise veri aktarımında kablonun dı kaynaklı parazitlerden korunması için zorunlu olarak bulunması gereken bir özelliktir. Flambaj tellerinin bir ucunun penetrometrenin gövdesi, di er ucunun ise veri toplama sisteminin asesine ba lanması gerekmektedir.

Penetrometre iç kısmında strain gaugeler iki erli kablolarla ilerletilerek, çıkmadan önce 24 damarlı tek kabloyla dı arıya çıkarılmı tır. Toplamda 18 damar kullanılmı tır, di er damarlar hatalar için yedekte tutulmu tur. Çalı ma da ya anan iki farklı kablo hatasında yedek damarlardan ikisi kullanılarak hata giderilmi tir.