Ultrasonik Mesafe Ölçüm Parametreleri

Tarla pülverizatörleri ve biçerdöver gibi makinaların tarlada çalışması sırasında tarla yüzeyine paralelliklerinin sağlanabilmesi için, tarla pülverizatör bumunun yada biçerdöver tablasının yer düzlemine olan mesafesinin ölçülmesi gereklidir. Mesafe ölçümü için çok çeşitli algılayıcılar bulunmaktadır. Bu algılayıcılardan birisi de ultrasonik mesafe ölçüm sensörleridir.

Gürdal (2000) kitabında belli frekanslar altında bir ortamın (katılar, sıvılar ve gazlar) alternatif sıkışma ve genleşmesini ses dalgaları olarak adlandırılmıştır. Ortamın içeriği

dalganın yayılma yönünde osilasyon yapmaktadır ve bundan dolayı bu dalgaları boyuna mekanik dalgalar olarak adlandırmıştır. Raju (2001) ses hızının bilinmesi durumunda bir cismin uzaklığının, ses kaynağından gönderilecek olan sesin, cisme çarpıp alıcıya geri dönme süresinden hesaplanabileceğini belirtmiştir. Duyulan ses yaklaşık 20-20000 Hz arasındaki insan kulağının işitme aralığıyla ilişkilidir. 20 Hz altındaki boyuna mekanik dalgalar ses altı (infrasound) ve 20000 Hz’ nin üzerindeki dalgalar ise ses ötesi (ultrasound) olarak adlandırılmıştır. Çizelge 2.1’de bazı zeminlerde boyuna dalgaların yayılma hızları verilmektedir. Hız sıcaklığa bağlı olduğundan, pratik amaçlar için sıcaklığın değeri daima dikkate alınmalıdır.

Çizelge 2. 1 Ses dalgalarının farklı ortamlar içindeki hızları (Gürdal 2000)

Zemin Ses Hızı (m/s) takımında doğru üzerindeki mesafesi dalga boyu olarak tanımlanmıştır (Şekil 2.6).

Şekil 2. 6 Genlik zaman ekseninde dalga boyu (Atıcı, 1994)

Green (2004) Ultrasonik mesafe ölçüm yönteminin fizik kurallarına dayalı olduğunu belirtmiş ve formül 2.1 ile ultrasonik mesafe ölçümünün yapılabileceğini belirtmiştir.

(2.1)

V:Hız (m/s) T: Zaman (s)’dır.

Blitz (1971) yaptığı çalışmada ses dalgası karakteristiklerini incelemiştir. Yaptığı araştırma sonucunda, ses dalgalarının katı, sıvı veya gazlar içindeki yayılımlarının farklı özellikler gösterdiğini belirtmiştir. Ayrıca yazar birbirinden düz bir sınır yüzeyiyle ayrılmış iki farklı ortamdaki ses dalgalarının, normal olarak iletiminin ve yansımasının da farklılıklar gösterdiğini belirtmiştir (Şekil 2.7).

Şekil 2. 7 Ses dalgalarının düz bir sınır yüzeyiyle ayrılmış farklı iki ortamdaki geçişi ve yansıması (Blitz 1971)

İki zemin arasında ses enerjisinin geçirilmesine ve yansıtılmasına ilişkin oransal miktarları ifade etmek üzere, geçirme ve yansıtma katsayıları da tanımlanmıştır. Bu katsayılar;

Geçirme katsayısı = ₂

R: Ortamları oluşturan materyallere ait karakteristik empedans ( kg/m² s).

Karakteristik empedans ortamın hacim ağırlığına ve ses hızına bağlıdır ve aşağıdaki şekilde tanımlanabilmektedir:

c

R=ρ⋅ 2.4

ρ:Hacim ağırlığı (kg/m³).

c: Sesin havadaki yayılma hızı (m/s) dır.

Çeşitli katı, sıvı ve gazlar için belirlenebilen karakteristik empedans değerleri formül 2.4’deki gibi kullanılarak; ortamı oluşturan farklı madde çiftleri için geçirme ve yansıtma katsayılarının hesaplanması mümkündür. Farklı iki ortamın karakteristik empedansları birbirine yakın olduğunda, yansıtma katsayısı sıfıra yaklaşırken, tersi durumda ortamlardan birisi gaz, diğeri de katı veya sıvı olduğunda, karakteristik empedans değerleri birbirine yakın olmadığından; geçirme ve yansıtma katsayılarının çok farklı değerler alabildiği Vatandaş ve Gürhan (1996) tarafından belirtilmiştir. Ayrıca söz konusu durumun, hava ve topraktan oluşmuş ses yayılım ortamları için de söz konusu olabildiği, çünkü havanın karakteristik empedansının, toprağın içeriğinde yer alabilen elementlere göre çok daha düşük ve her iki ortamın sınır yüzeyinin düzgün olmayan bir yapı gösterdiği aynı araştırıcılar tarafından belirtilmiştir.

Atıcı (1994)’ya göre ultrasonik ses alanı, kaba görünümüyle bir arabanın far lambalarının vermiş olduğu ışık demetine benzemektedir. Yalnız, piezoelektrik özelliğe sahip kristalin yaydığı ses, belirli bir mesafede kristal alanı kadar ses alanı oluşturmaktadır. Şekil 2.8’de görüldüğü gibi, ultrasonik ses dalgaları belirli bir genişlemeyle, ses demeti (koni) şeklinde yayınmaktadır.

Şekil 2. 8 Maddesel zeminde ultrasonik ses dalgası yayınımı (Atıcı 1994)

Atıcı (1994) ayrıca ultrasonik ses dalgasının geometrisinin incelenmesinde:

- Ultrasonik ses dalgasının yayındığı zeminin özelliği - Kristalin büyüklüğü

- Frekans - Dalga boyu - Yansıma - Enerji miktarı

- Dalga çeşidi gibi faktörlerin göz önüne alınması gerektiğini belirtilmektedir.

Gürdal (2000) ultrasonik mesafe ölçümüyle ilgili yapmış olduğu çalışmada, temassız uzaklık ölçümleri için bir çeşit pilot sinyali gönderen ve yansıyan sinyali geri alabilen bir algılayıcı tasarımına değinmiştir. Bunun için gönderilen ultrasonik ses sinyali, elektromanyetik, akustik vb. olabilmektedir. Dalga enerjisinin gönderilmesi ve alınması ultrasonik mesafe ölçerler ve hız detektörlerinin temelidir.

Ses dalgaları bir cisme geldiği zaman enerjinin bir kısmı geri yansıtılmaktadır.

Ultrasonik enerji çoğu pratik durumlarda yayılımcı bir davranışla geri yansır. Yani enerji geldiği yönden bağımsız olarak, 180^°’ye yaklaşabilen geniş bir açıda hemen hemen düzenli olarak yansıtılır. Eğer bir cisim hareket ederse yansıyan dalgaların frekansı gönderilen dalgaların frekansından farklı olacaktır. Bu Doppler Etkisi olarak tanımlanmaktadır (Gürdal, 2000). Cisme olan uzaklık, L₀, zemindeki ultrasonik dalgaların hızı ve θ açısı ile hesaplanabilmektedir (Şekil 2.9).

0 2 yerleştirilmişse bu durumda cosθ =1 olur. Ultrasonik ses dalgaları mikrodalgalara göre açık bir avantaja sahiptirler. Ses hızıyla hareket ederler ve bu mikrodalganın yayılma

hızı olan ışık hızından çok düşüktür. Böylece t zamanı uzun olmakta ve ölçüm daha kolay ve ucuz yapılabilmektedir.

Şekil 2. 9 Ultrasonik mesafe ölçümü (Gürdal 2000)

Ultrasonik ses dalgası üretmek için bir yüzeyin hareketi gerekmektedir. Bu yüzey hareketi katı, sıvı ve gaz (hava) ortamlarında sıkışma ve genleşme meydana getirir.

Ultrasonik ses yüzey hareketi meydana getiren bir uyartım aygıtının en çok kullanılan tipi, motor modunda çalışan piezoelektrik dönüştürücüdür.

Keskin ve Koç (2005) yaptıkları çalışma ile ultrasonik alıcı verici sensör çiftini kullanarak, kesitleri belli bir açık kanaldaki su yüksekliğinin ve suyun debisinin ölçüldüğünü belirtmişlerdir. Çalışmada geliştirilen düzenek yardımıyla, ultrasonik verici sensörünü suyun üzerinde suyun kaldırma kuvvetiyle aşağı yukarı hareket edebilecek şekilde, ultrasonik alıcı ise ultrasonik verici sensörünün görebileceği bir plaka üzerine sabitlemiştir. Sonuçta ultrasonik alıcı ve verici çifti arasındaki mesafenin algılandığını ve mesafeye bağlı olarak debi ölçümünü gerçekleştirilmiş olduğu belirtilmiştir. Ayrıca mesafe ölçüm sonuçları ve açık kanaldaki suyun debisinin Delphi programla dilinde yazılan bir program ve paralel port aracılığıyla kişisel bilgisayara aktarıldığı da araştırıcılar tarafından belirtilmiştir.

Yaldız vd.(2005) yaptıkları çalışmada PIC kontrollü, ultrasonik alıcı verici çifti kullanarak bir mesafe ölçüm sistemi geliştirmişlerdir. Çalışmalarında PIC BASIC Pro programlama dilinde mesafeye bağlı olarak bir adet servo motor kontrolü gerçekleştirmişlerdir. Ayrıca mikrodenetleyici olarak PIC16F877, sonuçların görsel

olarak yansıtılabilmesi için LCD ve kullanıcı arayüzü için kişisel bir bilgisayar kullandıklarını belirtmişlerdir.

Vatandaş et al. (2007) yaptıkları çalışma ile ultrasonik ses dalgalarını kullanarak bazı alkollerin saf su içerisindeki karışım oranlarını ve alkol tiplerini tespit etmeye çalışmışlardır. Çalışmalarının sonucunda ultrasonik ses dalgalarının kullanılarak saf su içerisindeki alkol tipinin ve karışım oranlarının başarılı bir şekilde tespit edilebildiğini bildirmişlerdir. Yapılan çalışmada ayrıca karışım oranlarının ve sıcaklığın ultrasonik ses hızı üzerinde etki parametreler olduğunu bildirmişlerdir (Şekil 2.10).

Şekil 2. 10 Ultrasonik ses hızının karışım oranı ve sıcaklıkla değişimi (Vatandaş et al. 2007)