Vida bağlantılı klemenslerle yapılan kablo eklerinin sonlu elemanlar metodu kullanılarak elektrik-ısıl-mekanik analizi

VİDA BAĞLANTILI KLEMENSLERLE YAPILAN KABLO EKLERİNİN SONLU ELEMANLAR METODU KULLANILARAK ELEKTRİK-ISIL-MEKANİK ANALİZİ

Hüseyin AKSOY Yüksek Lisans Tezi İleri Teknolojiler Anabilim Dalı

VİDA BAGLANTILI KLEMENSLERLE YAPILAN KABLO EKLERİNİN SONLU ELEMANLAR METODU KULLANILARAK ELEKTRİK-ISIL-MEKANİK ANALİZİ

Hüseyin AKSOY

Dumlupınar Üniversitesi

Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliği Uyarınca Fen Bilimleri Enstitüsü İleri Teknolojiler Anabilim Dalında

YÜKSEK LİSANS TEZİ Olarak Hazırlanmıştır.

Danışman: Dr. Öğr. Üyesi Mustafa TOSUN

iii

KABUL VE ONAY SAYFASI

Hüseyin AKSOY’ un YÜKSEK LİSANS tezi olarak hazırladığı “Vida Bağlantılı Klemenslerle Yapılan Kablo Eklerinin Sonlu Elemanlar Metodu Kullanılarak Elektrik-Isıl-Mekanik Analizi” başlıklı bu çalışma, jürimizce Dumlupınar Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiştir.

20/04/2018

Prof. Dr. Önder UYSAL ___________

Enstitü Müdürü, Fen Bilimleri Enstitüsü

Prof. Dr. Muammer GAVAS ___________

Bölüm Başkanı, İmalat Mühendisliği Bölümü

Dr. Öğr. Ü. Mustafa TOSUN ___________

Danışman, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

Sınav Komitesi Üyeleri

Prof. Dr. Seydi DOĞAN ___________

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Balıkesir Üniversitesi

Doç.Dr. Rüştü GÜNTÜRKÜN ___________

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Dumlupınar Üniversitesi

Dr. Öğr. Üyesi Mustafa TOSUN ___________

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Dumlupınar Üniversitesi

iv

ETİK İLKE VE KURALLARA UYGUNLUK BEYANI

Bu tezin hazırlanmasında Akademik kurallara riayet ettiğimizi, özgün bir çalışma olduğunu ve yapılan tez çalışmasının bilimsel etik ilke ve kurallara uygun olduğunu, çalışma kapsamında teze ait olmayan veriler için kaynak gösterildiğini ve kaynaklar dizininde belirtildiğini, Yüksek Öğretim Kurulu tarafından kullanılmak üzere önerilen ve Dumlupınar Üniversitesi tarafından kullanılan İntihal Programı ile tarandığını ve benzerlik oranının % 19 çıktığını beyan ederiz. Aykırı bir durum ortaya çıktığı takdirde tüm hukuki sonuçlara razı olduğumuzu taahhüt ederiz.

v

VİDA BAĞLANTILI KLEMENSLERLE YAPILAN KABLO EKLERİNİN

SONLU ELEMANLAR METODU KULLANILARAK

ELEKTRİK-ISIL-MEKANİK ANALİZİ

İleri Teknolojiler, Yüksek Lisans Tezi, 2018 Tez Danışmanı: Dr. Öğr. Üyesi Mustafa TOSUN

ÖZET

Elektrik enerjisi, üretimden kullanım alanına gelinceye kadar birçok aşamadan geçmekte ve bu aşamalarda birçok elektriksel bağlantı gerçekleşmektedir. Elektriksel bağlantıların uygun olarak yapılması hem sistemin güvenliği hem de elektrik enerjisi kalitesi açısından oldukça önemlidir. Bu çalışmada, vida bağlantılı klemensler ile yapılan kablo eklerinde, vidaya uygulanan torka bağlı olarak kablodaki akım- sıcaklık ilişkisi araştırılmıştır.

Problemin sayısal çözümlemesinde Sonlu Elemanlar Yöntemine dayalı olarak çalışan Comsol Multiphysics programı kullanılmıştır. İlk olarak uygulanan tork değerine bağlı olarak vida-iletken teması incelenmiş, daha sonra bu geometri üzerinde elektrik-ısıl analiz gerçekleştirilmiştir.

Sayısal modelin doğruluğunu göstermek için deneysel çalışmalar yapılmış ve bu çalışmalarda ev tesisatlarında kullanılan iletken ve vida bağlantılı klemensler dikkate alınmıştır. Vida bağlantılı bu klemenslerde vidaya uygulanan torka bağlı olarak iletkendeki ezilme (deformasyon) miktarı ve bu durumun iletkenin akım taşıma kapasitesine etkileri incelenmiştir. Yapılan çalışmalar teorik ve deneysel sonuçların uyum içerisinde olduğu göstermiştir. Sonuçlar elektriksel kontağın, elektrik enerji sisteminin önemli bir parçası olduğunu göstermektedir. Elektriksel bağlantılarda eğer insan faktörü varsa, doğru bağlantıyı gerçekleştirmek insan ve sistem güvenliği kadar ekonomik açıdan da dikkate alınması gereken bir konu olduğu sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler: COMSOL Multiphysics, Elektriksel Analiz, Isıl Analiz, İletken Ekleri,

vi

ELECTRIC-THERMAL-MECHANICAL ANALYSIS OF CABLE

CONNECTION WITH SCREW-CONNECTED TERMINAL STRIPS USING

FINITE ELEMENT METHOD

Advanced Technologies, Master Thesis, 2018 Thesis Supervisor: Dr. Lecturer Mustafa TOSUN

SUMMARY

Electric energy passes through many stages from the production to the usage, and many electrical connections take place at these stages. Electrical connections are quite important for system safety and electrical energy quality. In this study, the current-temperature relationship in the cable was investigated in the cable joints made with the screw connection terminals, depending on the torque being applied to the screw.

In the numerical solution of the problem, Comsol Multiphysics program based on Finite Element Method was used. First, the screw-conductor interface was investigated based on the applied torque, and then electrical-thermal analysis was performed on this geometry.

Experimental studies have been carried out to demonstrate the accuracy of the digital model and the conductors and terminals being used in household installations have been taken into account in these studies. The amount of deformation of the conductors depending on the torque applied to the screw and its effect to the current carrying capacity of these terminals having screw connection have been investigated.

It has been seen that experimental and numerical studies are in harmony. The results show that the electrical contacts are an important part of the electrical energy system. Especially if there is a human factor on the case of electrical connections. It has been concluded that it is quite important to have the right connections from the point of both human and system security and economically.

Key Words: Cable, COMSOL Multiphysics, Conductor junction, Electrical Analysis, Finite

vii

TEŞEKKÜR

Bu çalışmada bana yardımcı olan başta danışman hocam Dr. Öğr. Üyesi Mustafa TOSUN’a, Yüksek Lisans çalışmalarım boyunca desteklerini benden esirgemeyen Yakup YILDIRIM’a, desteğini hep yanımda hissettiğim oğlum Mehmet AKSOY’a ve emeği geçen herkese teşekkürü bir borç bilirim.

viii

İÇİNDEKİLER

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ... xiv

1. GİRİŞ ... 1

2. TEORİ VE ÇOKLU FİZİK MODELİ ... 3

2.1. Terminal Yapısı ve Çeşitleri ... 3

2.1.1. Vida bağlantılı klemensler ... 4

2.1.2. Vida bağlantılı klemenslerin yapısını oluşturan malzemeler ... 4

2.1.3. Terminal vidaları ve sıkma torkları ... 5

2.1.4. Vidalı klemens bağlantılarının güvenilirliği ... 6

2.2. Kablolar ... 7

2.2.1. Kablo ve iletkenlerin anma gerilimleri ... 7

2.2.2. İletkenlerin elektriksel özellikleri ... 8

2.2.3. Bakır iletkenlerin termal özellikleri ... 10

2.2.4. Bakır iletkenlerin mekaniksel özellikleri ... 11

2.3. Malzeme Bilgisi ve Tork ... 13

2.3.1. Vida -civata mukavetleri ... 14

2.3.2. Tork eksenel yükleme ... 16

2.3.3. Bağlantı elemanlarında stres -uzama ... 17

2.3.4. Hooke yasası ... 18

2.3.5. Young’s modulü ... 19

2.3.6. Metallerin ısıl iletkenlikleri ... 21

2.3.7. Sertlik ... 23

2.4.1. Sonlu elemanlar yöntemi ... 25

2.4.2. Sonlu elemanlar yönteminin avantajları ve dezavantajları ... 26

2.4.3. Çoklu fizik, matematiksel model ve sonlu elemanlar yöntemi ... 27

3. VİDA BAĞLANTILI KLEMENSLERLE YAPILAN KABLO EKLERİNİN SONLU ELEMANLAR METODU KULLANILARAK ELEKTRİK-ISIL- MEKANİK ANALİZİ .. 30

3.1. Deneyde Kullanılan Ekipman ve Donanımlar ... 30

3.1.1. Kumpas ... 30

3.1.2. Vida bağlantılı klemens ... 32

ix

İÇİNDEKİLER

3.2. Deney Düzeneğinin Kurulması ve Deneysel Sonuçlar ... 39

3.2.1. Deney düzeneği ... 39

3.2.2. Torka bağlı iletken yüzeyinde oluşan deformasyon ... 40

3.2.3. İletken yüzeyinde oluşan sıcaklık ... 45

3.3. Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Modelleme ve Sayısal Çözümler ... 46

3.3.1. COMSOL ile modelleme yapılması ... 46

4. VİDA BAĞLANTILI KLEMENS İLE YAPILAN KABLO EKLERİNİN SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE SAYISAL ÇÖZÜMLERİ ... 58

4.1. Yapısal Mekanik Analiz ... 58

4.2. Elektrik Analiz ... 63

4.3. Isıl Analiz ... 71

5. SONUÇ VE ÖNERİLER ... 77

KAYNAKLAR DİZİNİ... 79 ÖZGEÇMİŞ

x

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil Sayfa

2.1. Klemens çeşitleri ... 3

2.2. Vida bağlantılı klemensler ... 4

2.3. Alçak yoğunluklu polietilen ... 5

2.4. Metrik civata ... 5

2.5. Kablo çeşitleri ... 7

2.6. PVC izoleli, kılıfsız, tek damarlı iletken kablolar ... 7

2.7. Düşük sıcaklıklarda ve oda sıcaklığında bakırın gerilme-gerinim eğrileri ... 13

2.8. Tork – kuvvet ... 14

2.9. Civata ... 15

2.10. Civata malzeme değeri ... 15

2.11. Ön yüklemeli ve ön yüklemesiz cıvata bağlantıları ... 16

2.12. Tork - vida sıkma kuvveti ... 17

2.13. Gerilme- uzama ile Tork-açı ilişkisi ... 18

2.14. Yük –Deformasyon eğrisi ... 18

2.15. Malzemelerin yük-stres ve deformasyon-uzama eğrisi ... 19

2.16. Gerilmenin belirlenmesi ... 21

2.17. Oda sıcaklığında çeşitli malzemelerin ısıl iletkenlik aralıkları ... 23

2.18. Isıl iletkenliklerin karşılaştırılması ... 23

2.19. Sonlu elemanlar yöntemi için temel yapıdaki elemanlara ait şekiller ... 26

2.20. Sonlu elemanlar yöntemi süreci ... 28

3.1. Dijital kumpas ... 31

3.2. Deneyde kullanılan dijital kumpas özellikleri ... 31

3.3. Bir civatanın geometrik yapısı ... 32

3.4. Vida bağlantılı klemens ölçüleri ... 33

3.5. Klemens ölçülerinin kumpasla ölçülmesi ... 33

3.6. Torklu tornavida ... 34

3.7. PVC izoleli, kılıfsız, tek damarlı bakır iletkenli kablo ... 35

3.8. Güç kaynağı parametre tanımları ... 36

3.9. Deneyde kullanılan trafolu ark kaynak makinasının önden görünüşü ve özellikleri ... 36

3.10. Akım ölçmede kullanılan dijital multimetre... 37

3.11. Sıcaklık ölçümü için kullanılan dijital multimetre ve sıcaklık probu ... 38

xi

ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)

Şekil Sayfa

3.13. Deney düzeneğinin görüntüsü ... 40

3.14. Farklı kuvvetlerin kablo yüzeyinde oluşturduğu deformasyon ... 41

3.15. Kablo iletkeni nominal çapının dijital kumpasla ölçülmesi ... 42

3.16. Farklı uygulayıcıların oluşturduğu deformasyon ölçüleri ... 42

3.17. 0,4 [Nm] tork ile iletkende oluşan deformasyon ... 43

3.18. 0,5 [Nm] Tork ile iletkende oluşan deformasyon ... 44

3.19. Torka bağlı iletken çapları ... 44

3.20. Ortam sıcaklığının ölçülmesi ... 45

3.21. 0,3 [Nm] Tork ile yapılan ekte iletken yüzeyi sıcaklığı ... 45

3.22. 0,4 [Nm] Tork ile yapılan ekte iletken yüzeyi sıcaklığı ... 46

3.23. 0,5 [Nm] Tork ile yapılan ekte iletken yüzeyi sıcaklığı ... 46

3.24. Comsol çalışma alanın seçimi ... 47

3.25. Comsol çalışma seçimi ... 47

3.26. Geometri birim ayarları ... 48

3.27. Model için kullanılan vida bağlantılı klemens ölçüleri ... 49

3.28. Dikdörtgen geometrisinin oluşturulması ... 50

3.29. Model izolasyon malzemesinin geometrisin çizimi ... 50

3.30. Vida bağlantılı klemens izalasyonun üst bölgesinin geometrisi ... 51

3.31. Vida bağlantılı klemens izalasyonun geometrisi ... 51

3.32. Kontak yapısı ana geometrisi ... 52

3.33. Kontak yapısı üst bölgesinin oluşturulması için geometrik ölçüler ... 52

3.34. Kontak yapısı geometrisinin tamamlanması ... 53

3.35. Vidaların kontak yapısı üzerindeki koordinatları ... 53

3.36. Tüm parçaların tek geometride gösterilmesi ... 54

3.37. Analiz için geometrinin oluşturulması ... 54

3.38. Malzeme özelliklerinin seçilmesi ve özellikleri ... 55

3.39. Bakır için malzeme özellikleri ... 56

3.40. Model ağ yapsının oluşturulması ... 57

4.1.Yapısal analiz modeli ... 58

4.2.Vida kablo kontak noktası ... 59

4.3. Kontak noktalarının oluşturulması ... 59

xii

ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)

Şekil Sayfa

4.5. 0,3 [Nm] de kabloda oluşan deformasyon ... 61

4.6. Kontak basıncı ... 61

4.7. 0,4 [Nm] için analiz değerleri ... 62

4.8. 0,5 [Nm] için analiz değerleri ... 63

4.9. Elektrik akımı ısı transferi sınır koşulları ... 64

4.10. 14 A için 2D ve 3D Elektrik potansiyel dağılımı ... 65

4.11. Kesit alanı boyunca yükün hareketi ... 66

4.12. Bir iletkendeki akım yoğunluğu ... 67

4.13. Akım yoğunluğunun model üzerindeki analizi ... 68

4.14. Akım yoğunluğunun model iletkeni ek bölgesindeki analizi ... 69

4.15. Kontak bölgesi kablo akım yoğunluğu – sıcaklık ilişkisi ... 69

4.16. Vida üst bölgesi akım yoğunluğu ... 70

4.17. İletken yüzeyi boyunca akım yoğunluğu değişimi ... 71

4.18. Isıl analizde kullanılan sınır koşulları ... 73

4.19. 0,3 [Nm] ve14 A durumu için model 2D Sıcaklık dağılımı ... 74

4.20. 0,3 [Nm] ve 14 A durumu için model 3D Sıcaklık dağılımı ... 75

4.21. 0,4 [Nm] ve 14 A durumu için model 3D Sıcaklık dağılımı ... 75

xiii

ÇİZELGELER DİZİNİ

Çizelge Sayfa

2.1. Tavsiye edilen maksimum civata torklama değerleri. ... 6

2.2. Alaşımlı bakırın direncinde artış tablosu. ... 9

2.3. Metallerin ısıl iletkenlikleri. ... 11

2.4. Bazı metaryellerin Young’s Modülü. ... 21

2.5. Bazı malzemelerin oda sıcaklığında ısıl iletkenliği. ... 22

xiv

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ

Kısaltmalar Açıklama

g gram

Uo faz- toprak arası gerilim U gerilim

σ Elektriksel iletkenlik

n iletkenden geçen yük miktarı, q yük mikarı

µ yük taşıma sabiti tm erime ısısı ΔHf fizyon ısısı ΔHv buharlaşma ısısı ΔHs süblimasyon sıcaklığı tb kaynama noktası pv buhar basıncı θ r ve F arasındaki açı

r Kuvvetin dönme eksenine olan uzaklığı (m) F Uygulanan kuvvet (N)

τ Tork (SI): Nm T Tork (in-lb)

K Somun faktörü (0,03 – 0,35) D Nominal çap (inch)

F Kuvvet (lb) δ Deformasyon α Açı

P Vida dişi

σ Stres (gerilme) [MPa] E Elastikiyet modülü [MPa] ε Gerinim [%]

∆L Uzunluk miktarındaki değişim [m] L1 Uzamadan sonraki uzunluk [m] L0 Orijinal uzunluk (başlangıç) [m]

xv

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)

Kısaltmalar Açıklama ρ Yoğunluk Cp ısı kapasitesi T sıcaklık t zaman ΔQ yük Δt zaman değişim J Akım yoğunluğu W watt m metre cal kalori kg kilogram N Newton Rm Mukavemet E Young’s modulü 1D 1 boyutlu çizim 2D 2 boyutlu çizim 3D 3 boyutlu çizim PVC Polivinil klorür DC Doğru akım AC Alternatif akım PE Polietilen

LDPE Low-density polyethylene λ Termal İletkenlik

kth Bakırın ısıl iletkenliği L Lorentz sabiti

1

1. GİRİŞ

Günümüzde ülkelerin gelişmişlik düzeyi enerji ile ölçülmektedir. Elektrik enerji sarfiyatı her geçen gün artmaktadır. Elektrik enerjisinin bir noktadan diğer noktaya taşınmasında kablolar kullanılmaktadır. Elektrik taşıyan kabloların sınırlı uzunlukta üretilebilmeleri ve bazı noktalarda ek yapılması ihtiyacı farklı ek yapma yöntemleri ile gerçekleştirilmektedir.

Günlük hayatta elektrik kontağına bağlı can ve mal kayıplarının yaşandığına çok sık rastlanmaktadır. Elektrik kontağına bağlı bu kayıplar çoğu zaman ideal ve güvenilir olmayan eklerden kaynaklanmaktadır. Kabloların en zayıf yerleri kablo ek noktalarıdır. Bu nedenle ek yapılırken ideal ve güvenilir olması önemlider. Kablo eklerindeki hataların bir kısmı uygulayıcılardan kaynaklanmakta, vida bağlantılı ek yönteminde vidanın aşırı sıkılması veya gevşek bırakılması uygulayıcı hatalarındandır. Kabloların akım taşıma kapasiteleri birden fazla değişkene bağlı olup bu değişkenlerden bazıları akım taşıma kapasitesini daha fazla etkilemektedir.

Daha önce, kablo ekleri üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda genellikle yüksek gerilim kablo ekleri, yeraltı kablo ekleri gibi orta ve yüksek gerilim üzerinde analizler tercih edilmiştir. Alçak gerilim tesisat kablo ekleri üzerinde çalışmaların kısıtlı olduğu görülmektedir. Bunun yanı sıra farklı sonlu elemanlar yazılımların kullanıldığı çalışmalar gözlemlenmiştir.

Küçükaydın (2015), Yüksek gerilim yer altı kablo sistemi için incelenen döşeme koşullarını ve ortam parametrelerini değerlendirip, analizlerden elde edilen sonuçlardan yararlanarak, yer altı kablolarının ısıl analizleri ile ilgili öneriler getirmiştir.

Baş (2005), Yüksek gerilim kablolarının uygulamada kullanılan en önemli aksesuarların kablo ekleri ve kablo başlıkları olduğunu, bu kabloların bağlantı yerlerinde ve uçlarında elektrik alan kontrolü gerektiğini belirtmiştir.

Mollamahmutoğlu (2009), çalışmasında kablo eklerinin elektriksel ve ısı analizinde ilk olarak akım taşıma kapasitesini etkileyen en önemli faktör olan ısı iletimi konusunu ele almıştır. Kutucu (2009), çalışmasında elektrik alan analizlerinin anlaşılması amacıyla statik elektrik alan kavramı kısaca anlatmış, sonlu elemanlar yöntemi temel olarak açıklanmış ve son olarak yapılan benzetimler; sonlu elemanlar yönteminde belirtilen çözüm sırası ile açıklayarak, elde edilen sonuçlar ile ilgili yorumlara yervermiştir.

2

Bu tez çalışmasında vida bağlantılı klemenslerle yapılan kablo eklerinin sonlu elemanlar yöntemiyle elektrik-ısıl-mekanik analizi gerçekleştirilmiştir. Deneyde ilk olarak kablo vida bağlantılı klemens torklu tornavidayla sıkıştırılarak iletken yüzeyindeki deformasyon hesaplamaları yapılmıştır. Yapılan bu ekte iletkenden akım geçirilerek elektrik ve ısıl değerler alınmıştır.

COMSOL multiphysics yazılımı kullanılarak elektriksel,ısıl ve mekanik analizler yapılmıştır. Yazılımda ilk olarak vida bağlantılı klemens eki model geometrisi oluşturulmuştur. Oluşturulan model mekanik analizde belli kuvvetlerle sıkılarak kontak oluşturulmuş ve bu kontak bölgesi iletken yüzeyinde oluşan stres-deformasyon analizleri yapılmıştır. Kontak oluşumundan sonra modele elektrik akımı uygulanarak akım yoğunluğu analizleri ve potansiyel fark analizleri yapılmıştır. Isıl analiz bölümünde akıma ve kontak basıncına bağlı oluşan model sıcaklıkları analiz edilmiştir.

3

2. TEORİ VE ÇOKLU FİZİK MODELİ

2.1. Terminal Yapısı ve Çeşitleri

Birden çok parçaya ayrılmış iletken kabloların, birbirlerine bağlanmasını sağlayan elemanlara klemens denir. Klemenslerin yalıtkan kısımları kullanılacak yere göre plastikten, porselenden, metalden veya bakalitten yapılmaktadır. İletken iç kısımlarında farklı mateller kullanılsa da daha çok pirinç, nikel ve çelik malzemelerden yapılmaktadır. Enerji sektöründeki değişimlerle klemenslerin kullanım yerleri, özellikleri ve boyutları değişime uğramıştır. Farklı ebat ve özelliklerde yapılabilen klemensler çok küçük boyuttan, çok büyük boyutlarda imal edilmektedir. Eklenecek kablonun kalınlığına göre uygun klemens kullanılmalıdır. Klemenslerin kullanımı kanuni yönetmeliklerle zorunlu hale getirilmiştir (Onka, 2017).

Klemensler kullanılacakları yerin şekline göre çeşitli yapıda üretilirler ve bu üretim şekline göre isim alırlar (Şekil 2.1).

1. Sıra ve lüstr klemensler (düz klemens) 2. Simit klemens (buat klemensi)

3. Şapkalı klemens

4. Vidalı (tırnaklı) klemens, Bakır boru klemensi 5. U (kayık) klemensi ve T klemens

6. Ray klemensler

4

Sistemin güvenliği açısından büyük önem taşıyan klemenslerde;

• Akım taşıyan parçalar elektriksel kayıpları minimuma indirecek metallerden imal edilmeli,

• Plastik gövde alev almamalı ve kendi kendine sönebilmeli,

• Klemens vidaları yalama olmamalı ve ortam şartları nedeniyle gevşememeli, • Köprü iletkene tam temas edecek yapıya sahip olmalı, çevresel etkilerle iletkenin

klemensten kurtulmasına müsaade etmemelidir (Klemsan, 2017).

Klemensler, dağıtım panoları, kontrol merkezleri, makina kontrol sistemleri, gemiler, güç istasyonları, demiryolu sistemleri gibi tüm alçak gerilim uygulamalarında güvenli bağlantıyı sağlamak için kullanılmaktadır.

2.1.1. Vida bağlantılı klemensler

Vidalı bağlantı terminali olarak kullanılan sıra klemensler zorlu şartlarda geniş bir uygulama alanınına sahiptir (Şekil 2.2). Sıra klemensler bakım gerektirmeden kullanılabilir. Temas kuvvetleri vidanın kesiti ile orantılır. Bağlantı sistemi olarak kullanılan en yaygın yöntemdir. İletken, klemens içinde bulunan oval metal yüzeye vida yardımıyla temas ettirilir. Bu sistemde vida iletkene vida yüzeyi kadar temas eder (Klemsan, 2014).

Şekil 2.2. Vida bağlantılı klemensler.

2.1.2. Vida bağlantılı klemenslerin yapısını oluşturan malzemeler

Vida bağlantılı klemensler üç ana gruptan oluşurlar. Bunlar izalasyon malzemeleri, terminal ve vidadan oluşur. İzalasyon malzemesi iletken yüzeylerin birbiri ile olan teması engellemek ve kısa devre oluşmasını önlemek için belli standartlarda imal edilirler. İzalasyon malzemesi olarak genellikle polietilen (PE) hammaddeler olan LDPE (Low-density polyethylene) kullanılır.

5

Alçak yoğunluklu polietilenin (LDPE) yoğunluğu 0,910- 0,930 g/cm³ arasında değişir. Polimer zincirlerinde bulunan fazla uzun dallanmalar nedeniyle amorf yapılı, esnek, kopmaya karşı çok dirençli; kimyasal maddelerden fazla etkilenmeyen moleküller arası kuvvetleri zayıf ve dipol-tesirle oluşan dipol etkileşimi düşüktür. Bu özellikler polimerin gerilme kuvvetinin düşürür iken çekilebilirliğinin (ductilite) yükseltir. Alçak yoğunluklu polietilen (LDPE) serbest radikal polimerizasyonuyla üretilir (Şekil 2.3) (Bayar, 2017).

Şekil 2.3. Alçak yoğunluklu polietilen.

2.1.3. Terminal vidaları ve sıkma torkları

Civatalar, çözülebilen bağlantı elemanları dendiğinde ilk akla gelen makine elemanlarıdır. Civata ve somunlar kuvvet bağlantısı prensibiyle çalışırlar. Genelde bozulmadan ve hasarlanmadan çözülebilirler. Civataları; bağlantı civataları, transmisyon (hareket ileten) civatalar, ölçü civataları, sıkıştırma ve germe civataları, ayarlama civataları olarak sınıflandırabiliriz (Adatepe ve Güneş, 2012).

Vida, helis şeklindeki bir kamanın yani bir dik üçgenin bir silindirin üzerine sarılmasıyla elde edilir. Standartlaştırılmış vidalarda bütün ölçüler ve tanımlamalar standartlar ile tam olarak belirlenmiştir. Makina imalatında en çok kullanılan vida tipidir (Şekil 2.4).

6

Dış vida ucu kesilmiş ve iç vida içi yuvarlatılmıştır. Böylece çentik etkisi azaltılmıştır. Bağlantı elemanı olarak kullanılan cıvataların vida şeklidir (Guven-Kutay, 2017).

Sıkma torku civatada bir burulma kesme gerilimi yaratır. Eğer bu gerilim civatanın nominal gerilim değerini aşarsa, civata değeri artırılarak herbir civataya düşen yük azaltılmalıdır (Sakarya Üniversitesi, 2017).

Tavsiye edilen maksimum civata torklama değerleri Çizelge 2.1’ de görülmektedir.

Çizelge 2.1. Tavsiye edilen maksimum civata torklama değerleri.

Terminaller genellikle çelik alaşım, nikel kaplı pirinç, vidalar çinko kaplı çelikten üretilmiştir. Bunun yanında farklı malzeme ve özelliklerde malzemelerde kullanılmaktadır. Bağlantı ayakları ve vidalar aşınmaya karşı dayanıklılığını arttırmak için çinko ile kaplanmıştır.

2.1.4. Vidalı klemens bağlantılarının güvenilirliği

Elektrik iletkenlerinin eklenmesinde kullanılan klemenslerde aranan temel özelliklerden biriside güvenilirliktir. Akım taşımayan parçalar iletkenleri birbinden yalıtan ve kısa devrelere

7

karşı dirençli polietilen malzemelerden yapılırlar. Yalıtkan malzemeler yüksek dirençlere sahiptir.

2.2. Kablolar

Teknolojinin gelişmesi ve yaygınlaşması, gerekli alt yapı da sürekli gelişme yaşanmaktadır. Bu alt yapının ana bileşenini de kablo oluşturmaktadır. Kablo, insan yaşamında temel ihtiyaçları kadar önemi olan elektriğin vazgeçilmez taşıma aracıdır ( McAllister, 1997: 1-10).

Kablolar elektrik enerjisini iletmekte kullanılan bir veya birden çok telden meydana gelen, yalıtılmış veya yalıtılmamış tel veya tellerden oluşan malzemelerdir. Elektrik iletiminde kablolar genellikle bakır ve alimunyum malzemelerden imal edilirler. Kablo çeşitleri Şekil 2.5’ te gösterilmiştir. PVC izoleli, kılıfsız, tek damarlı iletken kablolar yapısı Şekil 2.6’ da görülmektedir.

Şekil 2.5. Kablo çeşitleri.

Şekil 2.6. PVC izoleli, kılıfsız, tek damarlı iletken kablolar.

2.2.1. Kablo ve iletkenlerin anma gerilimleri

Kablo ve iletkenlerin anma gerilimleri U0/U şeklinde belirtilmektedir.

U0: Faz iletkeni ile toprak veya konsantrik iletkenler, ekran, zırh ya da metal kılıf gibi topraklama elemanları arasındaki gerilimdir.

U: İki faz iletkeni arasındaki gerilimdir.

8

Kablo ve iletkenlerin anma gerilimleri uluslararası standart ve norm kuralınca:

U0/U= 0,6/1; 3,6/6; 6/10; 8,7/15;12/20;18/30;20,3/35 kV ve daha büyük değerlerde sınıflandırılmştır.

2.2.2. İletkenlerin elektriksel özellikleri

İletkenlik, bakırı diğer metallerden ayıran temel özelliklerden biridir. Bakırın özellikleri, iletkenler için en iyi seçim olmasına rağmen, yüksek gerilme mukavemeti, artan yumuşama sıcaklığı, daha düşük aşınma, daha iyi aşınma direnci veya daha kolay işlenebilirlik gibi özellikleri vardır. Farklı yabancı maddenin ilavesi ile bakırın sertliği (yumuşamaya karşı direnç) artmaktadır. Hem elektriksel hem de ısıl iletkenlik üzerindeki etkiler genellikle orantılı olarak alınabilir, elektrik iletkenliği üzerindeki etkinin ölçülmesi daha kolay gerçekleştirilebilir. Etkilerin derecesi, katkı maddesinin bakırda çözünebilme derecesine ve bakır kristal kafes yapısının bozulması ve çözünen madde ile sertleştirilmesine bağlıdır. Bu konuda çok çeşitli seçenekler mevcuttur (Chapman, 1998-2016: 5-6).

Farklı uygulamalara uygun özellikleri elde etmek için bakıra element ilaveleri yapılır. Elektriksel ve ısıl iletkenlikler, akımın akması ya da sıcaklık farkından oluşan diğer özelliklerin yanı sıra denge dışı taşınım özellikleridir.

Genel olarak, saf metallerin elektriksel ve termal iletkenliği alaşımlardan daha yüksektir, bu nedenle saf bakır, alüminyum ve gümüş, kriyojenik sistemlerde yaygın elektrik iletkenleri veya ısı iletim malzemeleridir (conductivity-app, 2017).

Malzemelerin elektrik iletkenliği genellikle aşağıdaki eşitlik ile ifade edilir.

σ = n. q. μ (2.1) Bu denklemde;

σ Elektriksel iletkenlik

n iletkenden geçen yük miktarı, q yük mikarı

µ yük taşıma sabiti

Elektriksel iletkenlik ve özdirenç kesinlikle saflığa bağlıdır. Saflık seviyeleri ve işleme teknikleri önemli ölçüde geliştirilmiş ve malzemelerin yoğunluğu için daha kesin değer de ölçülmüştür. Bu anlamda, mühendislik uygulamalarında standart değerler kullanılmaya devam etmektedir. Şu anda oda sıcaklığı (20 °C) en yüksek ölçülen hacimsel iletkenliği saf bakır için yaklaşık % 103,6 ,bu değere karşılık gelen hacim öz direnci 16,642 nΩm dur.

9

Matthiessen'ın kanununa göre her bir metelin elektriksel direnci vardır ve metallerin elektriksel direncine bağlı sıcaklık verimi sabit bir değere eşittir. Bu kurala göre elektriksel ve ısıl iletkenlik metal malzemede bulunan yabancı maddeler (alaşım ilaveleri vb.) ve plastik deformasyonun etkileri ile ilişkilidir. Tüm bu faktörler bakırın elektriksel ve ısıl iletkenliklerini düşürür. Buna göre bakırın elektrik iletkenliği artan sıcaklık ile azalır (conductivity-app, 2017).

Çizelge 2.2. Alaşımlı bakırın direncinde artış tablosu.

Malzemenin katı çözeltisinde ve malzemenin soğuk şekillendirilmesi sırasında az miktardaki bulunan alaşımlardan kaynaklanan bu etkiler sıcaklıktan bağımsızdır. Katı çözeltideki küçük miktarlarda bulunan alaşımın oluşturduğu dirençteki artış Çizelge 2.2’ de gösterilmektedir. Sıcaklık ile elektrik direncindeki yükselme oranı Matthiessen kuralı ile belirlenir. Bu faktörlerin her ikisi de küçükse malzeme saf özelliktedir ve deformasyonun etkisi yoktur. Saf bakırın sıcaklık katsayısı 20° C'de direnci 0,068 nΩm / K'dir. Direnç basınç katsayısı 100 kPa'dan 9,8 GPa'ya (1,45 psi to 1420 ksi) kadar olan basınçlar için -0,228 aΩm / Pa (0,013 f Ωin. / psi) 'dir (conductivity-app, 2017).

10

Bakır ve alüminyumun ısı iletkenliği, kalorimetre olarak ölçülen ısı akışından sabit bir sıcaklık gradyanı ile belirlenir. Bakır ve alüminyumun elektriksel iletkenliği belirlenir ve Wiedmann-Franz yasası ile test edilir.

2.2.3. Bakır iletkenlerin termal özellikleri

Saf bakırın 1 atm basınç altında termal özelliği ; • Erime noktası: tm = 1084,88 °C (1984,78 °F) • Füzyon Isısı: ΔHf = 134 J/g (57,7 Btu/lb) • Buharlaşma ısısı: ΔHv = 3630 J / g (1463 BTU / lb) • 1299 K'de süblimasyon sıcaklığı:

ΔHs = 3730 J / g (1606 Btu / lb)

• Kaynama noktası (Simon , Drexler ve Reed , 1992: 20-22): Tb = 2565 °C (4649 °F)

• Buhar basıncı: (Davis, 2001: s 452)

pv = 6.9214 - 17546 / T (K) - 0.0001659T (K) atm • Termal iletkenlik: 27 °C'de 398 W / m · K ;

(226 Btu/ft 2 /ft/h/° F 68 °F sıcaklıkta) • 20° C'de (68° F) termal genleşme katsayısı:

16,7 μm / m / ° C (9,4 μin. / In. / ° F)

• Spesifik sıcaklık: 20° C'de Cp = 0,092 cal / g / ° C; 0,092 Btu / lb / ° C, 68 ° F'de (383 J / kg.K) (American Society for Testing and Materials, 1991: s184-200).

11

• Saf bakırın ısı iletkenliği 2780 W / m · K (1607 Btu / ft 2273 K'de (3632 ° F) 0 K - 177 W / m · K (102 Btu / ft2 / ft / h / F) , maksimum 10 K'de 19.600 W / m K (11300 Btu / ft2 / ft / h / °F) dir.

Bakırın alaşımlanması ısı iletkenliğini azaltır. Bununla birlikte, uygulama açısından alaşımlama, mekanik özellikler ve korozyon direnci gibi diğer özelliklerini iyileştirir ve bu etkilerin değeri birçok uygulama için termal iletkenlikte kayıpsız hale getirir. Alüminyum ile oluşturulan ısıl iletkenlik değişiklikleri, elektriksel iletkenlikle orantılı büyüklüktedir (conductivity-app, 2017).

Bazı metallerin farklı sıcaklıklardaki ısıl iletkenliklerine ait değerler Çizelge 2.3’ te verilmiştir.

Çizelge 2.3. Metallerin ısıl iletkenlikleri.

Genel olarak, bakırın ısıl iletkenliğinin azaltılması, elektrik iletkenliğini de azaltır. Alaşımlar metalin özgül ısısını dolayısıyla metalin toplam ısısını ve serbest enerjisini arttırırlar. Alaşımların oranı arttıkça malzemenin bakır özelliği azalır, buna bağlı olarak termal özellikleri bakırdan farklı bir değer alır.

2.2.4. Bakır iletkenlerin mekaniksel özellikleri

Bakır, yüksek elektriksel veya termik iletkenlik istenen yerlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Saf bakır: minimum bakır içeriği % 99,3 olan metal olarak tanımlanmıştır. Alaşımsız bakır kullanımı çoğunlukla düşük mukavemetlidir. Bakır çeşitli işlemlerle güçlendirilebilirler. Bu yöntemler soğuk işleme, tane inceltme, katı çözelti sertleştirme, sulu

12

sertleştirme, dispersiyon güçlendirme vb. dir. Bu yöntemlerle bakırın mukavemeti önemli ölçüde arttırılır.

Bakır, alaşımlar ile önemli ölçüde iyileştirilerek mekanik mukavemetleri arttırılır ve bakırın erime sıcaklık değeri yükseltilir. Bununla birlikte, alaşım ilaveleri elementlerin elektrik ve ısı iletkenliğini azaltmaktadır. Alaşım güçlendirme yöntemleri, katı çözelti sertleşmesi, çökeltme sertleştirme (yaşlanma) ve dispersiyon sertleştirmedir. Katı çözelti sertleştirme yöntemi iletkenlik üzerindeki en zararlı etkidir ve yüksek iletkenlik elde etmek için en az tercih edilen yöntemdir. Yüksek mukavemetli bakır alaşımları ısıyla elde edilebilir alaşımlardır.

Saf bakır ve bakır alaşımlarının erime noktası, yoğunluğu, Young’s modulü ve termal genleşme katsayısı gibi fiziksel özellikleri bakımından oldukça benzerdir . Bakır ve bakır alaşımlarının iletkenliği en önemli fiziksel özelliğidir. Diğer metallerde olduğu gibi Wiedemann-Franz kanununa göre bakırın ısıl iletkenliği kth, elektrik iletkenliğine σ ile orantılıdır (North Texas Universiy,[NTU], 2017). kth = σLT (2.2) kth : Bakırın ısıl iletkenliği T : Sıcaklık σ : Elektriksel iletkenlik L : Lorentz sabiti

Düşük ve oda sıcaklığında gerilme testlerinden elde edilen gerilme-gerinim eğrileri Şekil 2.7’ de gösterilmiştir. Bakırın düşük sıcaklıkta gerilmesi yüksek olur.

13

Şekil 2.7. Düşük sıcaklıklarda ve oda sıcaklığında bakırın gerilme-gerinim eğrileri.

2.3. Malzeme Bilgisi ve Tork

Tork, kuvvetin dönme eşitliğidir. Yani, tork, bir nesnenin bir açısal ile dönmesine neden olur. Tüm dönme hareketlerinin bir dönme ekseni olması nedeniyle dönme ekseni etrafında tork belirtilmelidir. Tork, nesnenin üzerindeki bir noktaya uygulanan kuvvettir (Şekil 2.8) . Kısacası, tork büyüklüğü verilen bir vektördür (Physics Bu, 2017).

τ = r F sinθ (2.3) burada;

θ : r ve F arasındaki açı

r : Kuvvtin dönme eksenine olan uzaklığı (m) F : Uygulanan kuvvet (N)

14

Şekil 2.8. Tork – kuvvet.

2.3.1. Vida -civata mukavetleri

Civatalar makinaların montajında, dişli kutularında, yatakların ve makinaların temele tesbitinde boru flanşlarının ve sızdırmazlığın çok önemli olduğu silindir kapaklarının bağlantısında, çelik konstriksiyonlarda ve benzeri birçok yerlerde bağlama elemanı olarak kullanılır (Kurban, 1985).

Vidalı bağlantılar, en yaygın kullanım alanına sahip olan makine elemanlarıdır. Uygulama alanlarında önemli yerini; kolay montaj, dayanıklılık, süneklik, sökülebilir olma vs. gibi özelliklerine borçludur. Kolay montaj ve sökülebilir olmak imalat sürecinde ve tamir esnasında parçalar, sistemler ve araçlar için aranan şart olsa da, bazı kapsamlarda isteğimiz dışında bağlantının gevşemesi veya çözülmesi büyük risk oluşturur (Adatepe ve Güneş, 2012).

Bir vidanın üzerine bir somun sıkıştırıldığında aşağıdaki gerilmeler meydana gelir: • Cıvatanın gerilmesi nedeniyle çekme gerilmeleri

• Vidalarda sürtünme direncine bağlı burulma makaslama gerilmesi • Dişli boyunca kayma gerilmesi

• Dişler üzerinde sıkışan ve ezici gerilme Şekil 2.9’ da civataya ait şekil gösterilmiştir.

15

A Cıvata kafası C Vidalı şaft kısmı

B Cıvata şaftı D Somun

Şekil 2.9. Civata (Kutay, 2009).

Civatalarda en çok kullanılan malzemeler sünekliği yüksek olan çeliklerdir. İşletme sıcaklığı -50° C ile 300° C arasında olan, kaynak edilebilme ve korozyona dayanım açısından özel koşullar istenmeyen hallerde alaşımsız veya düşük alaşımlı çeliklerden imal edilmiş, mukavemet sınıfları aşağıda belirtilen civatalar yeterlidir. Mukavemet değeri 3,6 ile 6,8 arasında olan civatalara ısıl işlem uygulanmaz. Kopma değeri 800 N/mm² ‘den daha yüksek civatalar için ince taneli ıslah edilmiş çelikler kullanılır (Mühendis ve Makina. Cilt 51, sayı 602).

Şekil 2.10. Civata malzeme değeri (Çiğdem, 1996).

Örneğin Şekil 2.10’ da gösterilen cıvatanın kalitesi 8,8 dir. Burada birinci rakamın 100 ile çarpımı cıvata malzemesinin garantili kopma "Rm" mukavemet değerini, ikinci rakamın kendisinin on katı ile çarpımı cıvata malzemesinin garantili akma "Re veya Rp 0,2" mukavemet değerini verir (Çiğdem,1996: 424).

Rm = 8 x 100 = 800 N/mm²

16

Civata mukavemet sınıfları: 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.6, 6.8, 6.9, 8.8, 10.9, 12.9, 14.9 Somun mukavemet sınıfları: 4, 5, 6, 8,10, 12, 14

2.3.2. Tork eksenel yükleme

Civata bağlantıları genel olarak ya bir somun ile ya da somunsuz, parça üzerine diş açılarak birleştirme şeklinde kullanılır. Fakat en yaygın ve kolay kullanım bir somun yardımıyla bağlantı oluşturulmasıdır. Bu şekilde olan bağlantılarda somun parça yüzeyine oturuncaya kadar civata üzerinde serbestçe döner. Fakat somun parça yüzeyine ulaşınca somun döndürülmeye devam edilirse parça ve cıvata üzerinde bir gerilme oluşur. Bu gerilme parçayı sıkıştırmaya, cıvatayı ise uzamaya zorlayan bir gerilmedir. Bu kuvvete ön yükleme kuvveti (Fö) denir (Şekil 2.11) (Argun, 2011).

Şekil 2.11. Ön yüklemeli ve ön yüklemesiz cıvata bağlantıları.

Tüm vidalı bağlantı elemanı sıkıştırma analizi için en basit bir başlangıç noktası, moment ve sıkıştırma kuvvetinin izafi büyüklüklerini bulmak için temel elastik tork-gerilim eşitliği; T = K.D.F (2.4)

Burada;

T: Tork (in-lb); K: Somun faktörü (0,03 – 0,35) D: Nominal çap(inch); F: Kuvvet (lb)

17

Şekil 2.12. Tork - vida sıkma kuvveti.

2.3.3. Bağlantı elemanlarında stres -uzama

Stres (gerilme), bir malzemenin alan başına düşen kuvvet olarak tanımlanır. Stres, bir malzemenin boyut ve şekli değişikliğiyle ilgilidir. Malzemede uzamanın en temel tanımlaması bir eksen boyunca deformasyon oluşmasıdır. Başka bir ifadeyle uzama eşitliği;

Uzama =

Gerçek Uzunluk

(2.5)

Gerilme-uzama eğrisinin tork-açı eğrisine yaklaşık eşdeğeri Şekil 2.13'te gösterilmektedir. Bağlantı elemanının deformasyonu ve dönüş açısı geometrik olarak ilişkilidir (Hexagon, 2018).

Deformasyon eşitliği;

δ = 𝛼

360𝑥𝑃 (2.6) δ: Deformasyon

18

α: Açı P: Vida dişi

Şekil 2.13. Gerilme- uzama ile Tork-açı ilişkisi.

Şekil 2.14. Yük –Deformasyon eğrisi.

Şekil 2.14 yük-deformasyon eğrisini göstermektedir; yükün artırılması veya yükün azaltılması ile elde edilen deformasyon değerleri aynı değildir. Malzeme numunesinin kalıcı uzaması her bir noktanın değeri, iki değerinde ortalama değeri alınarak elde edilir (Heindl ve Mong, 1936: 469-470).

2.3.4. Hooke yasası

Elastik malzemeler, üzerine uygulanan yükün etkisine bağlı olarak şekil değişimine uğradıktan sonra bu yükün kaldırılması ile hızlı bir şekilde tekrar başlangıç şekillerine döner ve artık yükün etkilerini üzerinde barındırmayan malzemelerdir. Bu fiziksel olay, birim şekil değiştirmenin yeterince az olduğu durumlarda metallerin büyük çoğunluğu tarafından sergilenmektedir. Birçok elastik malzeme için birim şekil değiştirmenin küçük olduğu

19

durumlarda gerilme – birim şekil değiştirme ilişkisinin gerçeğe en yakın ifadesi İngiliz fizikçi Robert Hooke tarafından ifade edilmiştir (Hacıoğlu, 2017).

Gerilme ve gerinim arasındaki ilişki, farklı malzemeler için farklıdır ve gerilme stresini gerilime göre çizerek değerlendirebilir.

Şekil 2.15. Malzemelerin yük-stres ve deformasyon-uzama eğrisi.

Bir malzeme numunesin, tek eksen boyunca çekme yüküne tabi olduğunu varsayılırsa, malzemenin yapısı bir şekilde deforme olacaktır. Bir malzemenin olası davranışları Şekil 2.15’ te gösterilmiştir. Bu, gerilmelerin ve gerinim Hooke Yasası ile ilişkili olduğu kabul edilmektedir. En basit yapıda Hooke Yasası olarak ifade edilir. Eşitliği;

Katsayı Sabiti =Gerilme_Gerinim (2.7) burada katsayı sabiti, bir elastik modül olarak bilinir. Sadece x ekseni boyunca normal gerilme

için katsayı sabiti eşitliği şöyle yazılabilir.

E=σₓ_εₓ (2.8) veya

εₓ=1

E

σₓ (2.9)

Burada E sabiti Young’s modulü olarak bilinir.

2.3.5. Young’s modulü

Young’s modulü (= elastikiyet modulü) , malzemelerin sertliğini açıklayan ve bu nedenle katı malzemelerin en önemli özelliklerinden biri olan bir malzeme özelliğidir.

20

Mekanik deformasyon bir malzemeye boyunca enerji oluşturur. Enerji elastik olarak depolanır veya plastik olarak dağılır. Bir malzemenin bu enerjiyi depoladığı mesafe gerilme-gerinim eğrileri içinde özetlenir. Gerilme (stres), birim alan başına kuvvet ve birim uzunluk başına uzama veya daralma olarak tanımlanır.

Bir malzeme elastik olarak deformasyona uğradığında, deformasyon miktarı malzemenin ebadına bağlıdır, ancak belirli bir gerilme için gerinim her zaman aynıdır ve ikisi arasındaki Hooke Yasası ile ilişkilidir (gerilme gerinim ile doğru orantılıdır). Eşitliği;

σ= E. ε (2.10) Burada;

σ : Stres(gerilme) [Pa] E : Elastikiyet modülü [Pa] ε : Gerinim [%]

Hooke yasası elastikiyet modulü, gerilmenin gerinime oranı şeklinde ifade edilir. Eşitliği; E =σ

ε [Pa] (2.11)

Stres doğrudan ölçülebilir bir paremetre olmadığından, farklı kuvvetler için elde edilen denklemlerden hesaplanabilir (gerilme, eğilme gerilmesi, vb.) (K123- Departman of Bulding Materials, 2017).

Gerilme, orijinal (başlangıçtaki) uzunluğun uzamaya bağlı değişimi olarak tanımlanır (Şekil 2.16). Gerilme eşitliği ;

ε= ∆L/L =(L1-L0)/L (2.12) Burada;

∆L: Uzunluk miktarındaki değişim [m]; L1: Uzamadan sonraki uzunluk [m] L0: Orijinal uzunluk(başlangıç) [m]

21

Şekil 2.16. Gerilmenin belirlenmesi.

Bazı metaryellerin Young’s modulü Çizelge 2.4’ te gösterilmiştir.

Çizelge 2.4. Bazı metaryellerin Young’s Modülü.

METARYEL ADI YOUNG’S MODÜL [GPa]

Alimunyum ve bileşikleri 65- 73 Seramik 8-12 Beton 15-40 Bakır 125 Elmas 1000 Hafif Beton 0,8-2 Düşük Alaşımlı Çelikler 200-210 Polisitren 3,2 – 3,5 Slika Cam 60-90 Odun 11-16

2.3.6. Metallerin ısıl iletkenlikleri

Termal (ısıl) iletkenlik, bir malzemenin bir parçasından diğerine temas ettiği noktadaki ısı transferidir. Termal iletkenlik λ, malzemenin ısı iletme kabiliyeti olarak tanımlanır ve 1 m'lik birim kalınlığı için 1 K'lik bir sıcaklık gradyeni için metrekare yüzey alanı başına watt cinsinden ölçülür. Isı iletkenliği her zaman sabit değildir. Isıl iletkenliği etkileyen başlıca faktörler vardır bunlar; malzemenin yoğunluğu, malzemenin nemi ve ortam sıcaklığıdır. Yoğunluk, nem ve sıcaklık arttıkça, termal iletkenlik de artar. Malzemelerin içyapıları önemlidir. Metaller ve diğer katı malzemeler yüksek düzeyde iletkenliğe sahipken, içyapısında çok az miktarda boşluk bulunan katı maddeler (konveksiyonla ısıyı taşıyacak kadar büyük olmayan gaz veya hava kabarcıkları) en düşük termal iletkenliğe sahiptir (Frank vd., 1937: 16-24).

22

Çizelge 2.5. Bazı malzemelerin oda sıcaklığında ısıl iletkenliği.

Isıl iletkenliği ölçmek için çeşitli yöntemler vardır, bunların her biri termal özelliklere ve ortam sıcaklığına bağlı olarak sınırlı materyal türleri için uygundur. Genel olarak iki temel ölçüm yöntemi vardır:

• Kararlı durum analizi, analiz edilen malzeme kararlı hale geldiği durumda bir ölçüm yapar. Bu, sinyal analiz sürecini çok kolay hale getirir (kararlı durum, sabit sinyaller gibi). Dezavantajı genel olarak gerekli dengeye ulaşmanın uzun bir zaman almasıdır. • Kararlı olmayan durum analizi, ısıtma işlemi sırasında bir ölçüm gerçekleştirilir.

Avantajı, ölçümlerin nispeten çabuk yapılabilmesidir.

Oda sıcaklığında çeşitli malzemelerin ısıl iletkenlik aralıkları Şekil 2.17’ de ve ısıl iletkenliklerinin karşılaştırılması Şekil 2.18’ de gösterilmiştir.

23

Şekil 2.17. Oda sıcaklığında çeşitli malzemelerin ısıl iletkenlik aralıkları.

Şekil 2.18. Isıl iletkenliklerin karşılaştırılması (İTU, 2018).

2.3.7. Sertlik

Bir malzemenin yüzeyine batırılan sert bir cisme karşı gösterdiği dirençtir. Sertlik değerleri direk olarak malzemelerin dayanımları ile alakalı olduğu için büyük önem taşır ve dolayısıyla malzemelerin dayanımları ile ilgili bağıl değerler verir. Malzemelerin sertlik değerleri

24

sertlik testleri ile saptanır. Bu sertlik deneyleri; batıcı ucun geometrisine ve uygulanan kuvvet büyüklüğüne göre çeşitli isimler alır. Bunlardan en yaygın olanları:

• Brinell sertlik ölçme metodu • Vickers sertlik ölçme metodu • Rockwell sertlik ölçme metodudur

Brinell sertlik ölçme metodu: Yüzeyi düzgün bir şekilde hazırlanan malzemenin yüzeyine sert bir bilye (batıcı uç) belli bir kuvvetle bastırılır ve oluşan iz ölçülür. Standart Brinell testinde, 10mm çaplı sert bilye ve 3000 kilogram-kuvvet yük kullanılır.

Vikers sertlik ölçme metodu: Bu yöntemde, batıcı uç olarak tepe açısı 136° olan elmas piramit kullanılır. Elmas bilinen en sert malzeme olması nedeniyle, bu yöntem tüm malzemelere uygulanabilir.

Rockwell sertlik ölçme metodu: Önceki iki metottan farklı olarak bu metotta, batıcı ucun yüzeyden içeri doğru battığı derinlik dikkate alınır (Bartın Üniversitesi, 2017).

2.4. Sonlu Elemanlar Yöntemi ve Çoklu Fizik

Sonlu elemanlar yöntemi, karmaşık yapıdaki mühendislik problemlerinin detaylı olarak çözülmesinde kullanılan bir sayısal yöntemdir. Bu yöntem parçadan bütüne gitme ilkesine göre çalışır. Uçak gövdelerinin gerilme analizi ilk defa 1956 yılında bu yöntem ile geliştirilmiştir. Daha sonra kullanımı, uygulamalı bilimler ve mühendislik problemlerinde yaygınlaşmıştır. Sonrasında kaydettiği gelişmeler sayesinde birçok pratik problemin çözümü için en iyi yöntem olmuştur. Sonlu elemanlar yöntemindeki temel düşünce, karmaşık yapıdaki bir problemi basit yapıya indirgeyerek bir çözüm bulmaktır.

Problem basite indirgendiğinden dolayı, kesin sonuca ancak yaklaşık olarak ulaşılabilmektedir. Ancak harcanılan çaba arttırılarak kesin sonuca çok yaklaşılabilir. Eldeki matematik hesaplamalarının yetersiz kaldığı durumlarda ise sonlu elemanlar yöntemi tek yöntem olarak yer almaktadır. Sonlu elemanlar metodunda, çözüm bölgesi, çok sayıda, basit, küçük, birbirine bağlı, sonlu eleman adı verilen alt bölgelere ayrılmaktadır (Çevikalp, 2016).

Sonlu elemanlar yöntemi, çok çeşitli mühendislik problemlerinin sayısal çözümü için güçlü bir araç haline gelmiştir. Uygulamalar, otomotiv, uçak, bina ve köprü yapılarının deformasyon ve stres analizinden, akışkan akışı, manyetik akı, sızıntının ve diğer akış problemlerinin alan analizinde yapılabilir. Bilgisayar teknolojisindeki ve CAD sistemindeki

25

gelişmelerle karmaşık problemler kolaylıkla modellenebilir. Birkaç alternatif model, ilk prototip oluşturulmadan önce bir bilgisayarda test edilebilir (Tirupathi ve Ashok, 2002:1).

Uzay ve zamana bağlı problemler için fizik kanunlarının tanımı genellikle kısmi diferansiyel denklemler ile ifade edilir. Geometrilerin ve problemlerin büyük çoğunluğu için bu kısmi diferansiyel denklemler analitik yöntemlerle çözülemez. Bunun yerine, denklemlerin bir yaklaşımı, tipik olarak farklı bölümleme tiplerine dayanılarak oluşturulabilir. Bu ayrıklaştırma yöntemleri, sayısal yöntemlerle çözülebilen sayısal model denklemleri ile kısmi diferansiyel denklemlere yaklaşmaktadır.

Sayısal model denklemlerinin çözümü sırasıyla kısmi diferansiyel denklemlerle gerçek çözümün bir yaklaştırmasıdır. Bu tür yaklaşımları hesaplamak için sonlu elemanlar yöntemi kullanılır.

2.4.1. Sonlu elemanlar yöntemi

Sonlu elemanlar yönteminde, geometrik şekle sahip olan modellerin küçük ve basit sonlu elamanlara bölünerek problemin karmaşıklığı giderilmekte ve daha sonra da kısmi diferansiyel denklemlerle ilişkilendirilen bu sonlu elemanlar sayısal yöntemlerle çözülmektedir. Bir fiziksel olayın sonlu elemanlar analizi şu adımları içermektedir (Dönmezler, 2010).

• Fiziksel olayın matematiksel modeli

• Geometri üzerinde sonlu elemanların yerleştirilmesi • Her bölge için malzeme özelliklerin belirlenmesi • Kaynak belirlenmesi

• Sınır koşullarının belirlenmesi

• Sonlu elemanlara göre eşitliklerin elemanlarının belirlenmesi ve matris formuna getirilmesi

• Bilinmeyen değişkenler için eşitliklerin çözümü • Sonuçların analiz edilmesi

Sonlu elemanlar yöntemi için temel yapıdaki elemanlara ait şekiller Şekil 2.19’ da gösterilmiştir.

26

Şekil 2.19. Sonlu elemanlar yöntemi için temel yapıdaki elemanlara ait şekiller.

2.4.2. Sonlu elemanlar yönteminin avantajları ve dezavantajları

Sonlu elemanlar yöntemi özellikle uygulamalı bilimler ve mühendislik problemlerinin çözümünde yaygınlaşmıştır. Sonlu elemanlar yönteminin birçok avantajı bulunmaktadır.

Sonlu elemanlar yönteminin başlıca avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir:

1. Sonlu elemanlar yöntemi geometrisi karmaşık şekillerin incelenmesine olanak sağlar. Çözüm bölgesi alt bölgelere ayrılabilir ve değişik sonlu elemanlar kullanılabilir. Gerektiğinde bazı alt bölgelere daha hassas çözümler yapılabilir.

2. Sonlu elemanlar yöntemi değişik ve karmaşık malzeme özellikleri olan sistemlerde kolaylıkla uygulanabilir. Örneğin; anizotropi, nonlineer, zamana bağlı hız özellikleri ele alınabilir.

3. Sınır koşulları temel denklemler takımı kurulduktan sonra basit sütun, satır işlemleri ile sisteme dahiledilir.

4. Sonlu elemanlar yöntemi matematiksel olarak genelleştirilebilir ve pek çok problemi çözebilmek için aynı model kullanılabilir.

27

Sonlu elemanlar yönteminin başlıca dezavantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir:

1. Sonlu elemanlar yöntemi kırılma, temas mekaniği gibi bazı problemlere uygulanmasında sınırlıdır.

2. Bu yöntemle elde edilen sonucun doğruluğu verilerin doğruluğuna bağlıdır. 3. Bir bilgisayar yazılımına ihtiyaç duyulmaktadır.

4. Kabul edilebilir doğru sonucun elde edilmesi için bölgenin ayrıklaştırılması deneyim ister.

5. Elde edilen sonucun doğruluğu bilinen matematiksel ve fiziksel gerçeklerle test edilmelidir (Bircan, 2005).

2.4.3. Çoklu fizik, matematiksel model ve sonlu elemanlar yöntemi

Sonlu elemanlar yöntemi, mühendislik analizi ve tasarımında fiziksel problemleri çözmek için kullanılır. Şekil 2.20’ de sonlu elemanlar analizi sürecini özetlemektedir. Fiziksel problem genellikle belirli bir yüke maruz kalan gerçek bir yapı veya yapısal bileşen içerir. Fiziksel problemin bir matematiksel modele indirgenmesi, matematiksel modeli yöneten diferansiyel denklemleri beraberinde getiren bazı varsayımlara ihtiyaç duyarlar.

Bir matematiksel model doğru bir şekilde çözüldükten ve sonuçlar yorumlandıktan sonra, fiziki sorunun çözümüne daha doğru sonuçlar için yeni bir matematiksel model oluşturulması gerekir. Dahası, fiziksel problemde bir değişiklik gerekli olabilir ve bu da ek matematiksel modeller ve sonlu elemanlar çözümlerine yol açar (Bathe, 2016: 2-3).

28

Şekil 2.20. Sonlu elemanlar yöntemi süreci.

Sonlu elemanlar yöntemi ilk olarak gerilme analizi problemlerine uygulanmıştır. Tüm bu uygulamalarda bir büyüklük alanının hesaplanması istenmektedir. Gerilme analizinde bu değer deplasman alanı veya gerilme alanı; elektriksel analizde elektrik ve manyetik alan problemleri; ısı analizinde sıcaklık alanı veya ısı akısı; akışkan problemlerinde ise akım fonksiyonu veya hız potansiyel fonksiyonudur. Hesaplanan büyüklük, almış olduğu en büyük değer veya en büyük gradyen pratikte özel bir önem içerir. Sonlu elemanlar metodunda yapı, davranışı daha önce belirlenmiş olan birçok elemana bölünür. Elemanlar "düğüm" adı verilen noktalarda tekrar birleştirilirler. Bu şekilde cebri bir denklem takımı elde edilir. Gerilme analizinde bu denklemler düğümlerdeki denge denklemleridir. İncelenen probleme bağlı olarak bu şekilde yüzlerce hatta binlerce denklem elde edilir. Bu denklem takımının çözümü ise bilgisayar kullanımını zorunlu kılmaktadır (Pençe, 2007).

29

Fizik yasaları genellikle matematik denklemleri ile ifade edilir. Örneğin, enerji korunumu yasası, kütlenin korunumu ve momentumun korunumu gibi koruma yasaları kısmi diferansiyel denklemler olarak ifade edilebilir. Yapısal ilişkiler, sıcaklık, yoğunluk, hız, elektrik potansiyeli ve diğer bağımlı değişkenler gibi değişkenler açısından bu kanunları ifade etmek için de sonlu elemanlar yöntemi kullanılabilir.

Diferansiyel denklemler, bağımsız bir değişkende (x, y, z, t) bir değişime göre bağımlı değişkende küçük bir değişimi belirleyen ifadeleri içerir. Bu küçük değişiklik bağımlı değişkenin bağımsız değişkene göre türevi olarak da adlandırılır.

Zamanla değişen ama uzayda ihmal edilebilir özelliklere sahip bir katı olduğunu söylersek. Bu durumda, iç (termal) enerjinin korunması için denklem, sıcaklık değişimine ilişkin bir denklem ile sonuçlanabilir; bu ısı kaynağı g eşitliği;

ρCpdT_dt=g(T,t) (2.13) Burada ρ yoğunluğu, Cp ısı kapasitesini ifade eder. Sıcaklık (T) bağımlı değişkendir ve zaman (t) bağımsız değişkendir. Fonksiyon, sıcaklık ve zaman ile değişen bir ısı kaynağını tanımlayabilir.

30

3. VİDA BAĞLANTILI KLEMENSLERLE YAPILAN KABLO

EKLERİNİN

SONLU

ELEMANLAR

METODU

KULLANILARAK ELEKTRİK-ISIL- MEKANİK ANALİZİ

Bu bölümde vida bağlantılı klemensler kullanılarak yapılan kablo eklerinde vidaya uygulanan torka bağlı olarak iletkendeki akım-sıcaklık ilişkisini araştırmak için deneysel çalışmalar yapılmış ve deneyde kullanılan malzemelerden bahsedilmiştir.

Deney işlem sırası ;

1. Farklı kuvvetlerle (0,3 Nm, 0,4 Nm ve 0,5 Nm) vida bağlantılı klemens eki yapılmıştır.

2. Bu kuvvetlerin kablo iletkeni üzerinde oluşturduğu deformasyon ölçüleri çıkartılmıştır.

3. 0,3 [Nm], 0,4 [Nm] ve 0,5 [Nm] tork kuvvetiyle oluşturulan modellere 14 A sabit akım uygulanmıştır.

4. Herbir model için 14 A akım geçişinde oluşan sıcaklık değerleri ölçülmüştür.

3.1. Deneyde Kullanılan Ekipman ve Donanımlar

3.1.1. Kumpas

Kumpaslar ölçme işlerinde en yaygın kullanılan ölçü aletidir. Kumpasların klasik sürgülü, saatli ve dijital türleri bulunmaktadır.

Bir ölçü aletinin en önemli özelliği hassasiyetidir (duyarlık). Hassasiyet, o ölçü aletiyle ölçülebilecek en küçük ölçü değeridir. Kumpas için hassasiyet tarifi şu şekilde de yapılabilir. Bir kumpasın hassasiyeti, ana ölçü cetveli üzerindeki ardışık iki çizgi arasındaki mesafe ile verniyer (sürgü) üzerindeki ardışık iki çizgi arasındaki mesafenin farkına eşittir (Sakarya Üniversitesi, 2018).

Deneyimizde klemens boyutlarının ölçülmesinde ve kablo kesitinin torka bağlı eksenel kuvvetle oluşan deformasyon ölçüsü için dijital kumpas kullanılmıştır (Şekil 3.1).

31

Şekil 3.1. Dijital kumpas.

Dijital kumpas (mm/inch) olarak ölçme yapabilmektedir. Kararlılığı 0.1mm/0.01’’ , doğruluk ±0,2mm/0,01’’ dir (Çizelge 3.1). Şekil 3.2’de deneyde kullanılan kumpasın özellikleri verilmiştir.

Çizelge 3.1. Dijital kumpas özellikleri.

DİJİTAL KUMPAS ÖZELLİKLERİ KARARLILIĞI 0,1mm/0,01’’ DOĞRULUK ±0,2mm/0,01’’

32

3.1.2. Vida bağlantılı klemens

Civata ve vidalar pratikte karmaşık yapıya sahip olan mühendislik ürünleri olup genelde dişli bağlantı elemanlarından biridir. Dişli bağlantı elemanlarının diğer birleştirme yöntemlerinin çoğunluğuna göre önemli avantajları vardır. Dişli bağlantı elemanlarının avantajları kolay ve hızlı bir şekilde yüksek sağlamlık ile bir araya getirme ve sökme işlemidir. Diğer bir avantajıda tekrar kullanılabilir olmasıdır. Bu önemli özellikleri dişli bağlantı elemanlarının başka türde birleştirme yöntemlerine göre tercih edilmesinin nedenidir (Ying vd., 2015: 776-781).

Civatalar genellikle çelikten yapılırlar. Çoğu metal gibi çelikte elastiktir. Çelik gerinimi, metalin kalıcı deformasyonunun ötesinde "elastik limiti" aşmaz. Bağlantı eleamanı olan vida ve civatalar ayrıca krom-nikel çelik (ısıl işlenmiş), soğuk haddelenmiş çelik, monel metal alaşım, bronz ve pirinçten imal edilir (Şekil 3.3).

Şekil 3.3. Bir civatanın geometrik yapısı.

Bir cıvatadaki en zayıf noktalar, diş kökündeki stresli bölgedir. Gerilmeli alan, vida dişi türüne bağlıdır - kaba vida dişleri , ince vida dişleri karşılaştırıldığında gerilme alanını azaltır.

Deneyde kullanılan vida bağlantılı klemensin kontak yapısı, özel alaşımlı Ck 45 malzemeden yapılmış olup titreşimli ortamlarda gevşemeyi engelleyen bir tasarıma sahiptir. Sertleştirilmiş yapısı ile defalarca iletken bağlanıp sökülmesinden kaynaklı deformasyonlara karşı yüksek derecede dayanıklıdır. Ürün plastik yapısı 140° C derece ısısal dayanıma sahip olan Poliamid 6,6 malzeme kullanılmıştır. Üretilen Poliamid 6,6 malzeme sayesinde kopma, eğilme, darbe, aşınma mukavemeti ve çekme, basma elastiklik modülü yüksektir. Kontak yapısına uygun sertlik değeri ile üretilen çelik vida sayesinde kullanım koşullarında deforme olmayan bir dayanıklılık kombinasyonu oluşturulmuş bir klemens kullanılmıştır (Şekil 3.4).

33

Şekil 3.4. Vida bağlantılı klemens ölçüleri.

Şekil 3.5. Klemens ölçülerinin kumpasla ölçülmesi.

Deneyde kullanılan vida bağlantılı klemens ölçüleri dijital kumpasla ölçülmüştür. Vida bağlantılı klemensi oluşturan tüm parçalar (izolasyon parçası, kontak parçası ve vidalar) mm cinsinden ölçülmüştür. Bu ölçülere göre model oluşturulmuştur (Şekil 3.5).

3.1.3. Torklu tornavida

Geleneksel tornavidalarla yapılan sıkma işleminde uygulanan eksenel kuvvetler kullanıcının fiziksel yapısına bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Bu uygulanan eksenel kuvvet kuvvetin uygulandığı malzeme yüzeylerinde deformasyon (çökme) oluşturur. Bu deformasyon miktarının az veya çok olması olumsuz etkiler meydana getirir.

34

Şekil 3.6. Torklu tornavida.

Vida bağlantılı klemenslerde iletken-klemens bağlantısı tork ayarlı tornavida kullanılarak yapılmıştır (Şekil 3.6). Bu tornavida kullanılarak vidaya farklı tork değerleri uygulanmış, iletkendeki deformasyon ve iletkenden geçen akıma bağlı olarak klemens ve iletkendeki sıcaklıklar gözlemlenmiştir.

3.1.4. Kablolar

Kablolar elektrik enerjisini iletmesinde kullanılan bir veya birden çok telden meydana gelen, izole edilmiş veya yalıtılmamış tel veya tel demetidir.

Kablo iletkenleri alçak gerilim bina içi tesisat kablolarında bakır, alçak gerilim ve orta gerilim enerji kablolarında bakır veya alüminyum, yüksek gerilim yeraltı ve denizaltı kablolarında bakır veya alüminyum, yüksek gerilim havai hat kablolarında çelik özlü alüminyum iletkenler kullanılır.

Deneyde bina içi tesisat kablosu kullanılmıştır. Bina içi tesisat kablosu olarak H07V-U(NYA) tip, PVC izoleli, kılıfsız, tek damarlı 2,5 mm² bakır iletkenli kablolar kullanılmıştır (Şekil 3.7).

35

Şekil 3.7. PVC izoleli, kılıfsız, tek damarlı bakır iletkenli kablo.

3.1.5. Güç kaynağı

Günlük yaşamda kullanılan tüm elektrikli ve elektronik cihazları çalıştırmak için bir çeşit enerji kaynağına ihtiyaç duyarlar. Enerji türü elektrik, mekanik, kimyasal (benzin, aküler,doğalgaz, ahşap vb.), ısı (termik, buhar vb.), kinetik (ses, rüzgar vb.), manyetik vb. kaynaklarda bulunmaktadır.

Elektronik cihazların çoğunda elektrik ihtiyacı vardır, özellikle DC güce ihtiyaç duyarlar. Farklı amaçlar için tasarlanmış birçok türde DC güç kaynağı bulunmaktadır. Çoğu cihazlar sadece DC voltajı değil, aynı zamanda iyi filtrelenmiş olan gerilim ve regüleli DC olması beklenir.

Giriş ve çıkış voltajlarına göre sınıflandırılan üç çeşit elektronik güç dönüştürme aygıtı vardır:

1. DC / DC dönüştürücü; 2. AC / DC güç kaynağı; 3. DC / AC dönüştürücü.

Bu güç kaynaklarının her biri kendi kullanım alanına sahiptir, ancak ilk ikisi en çok kullanılan güç kaynağıdır (National Semiconductor Corporation, [NSC], 2002).

36

Şekil 3.8. Güç kaynağı parametre tanımları.

İdeal bir güç kaynağı, tam yükte voltaj, yük akımı veya ortam sıcaklığından etkinlenmeden düzgün ve sabit bir çıkış gerilimi sağlar (Şekil 3.8) (Bocock, 2005).

Deneyde yüksek akım elde edebimek ve düşük gerim altında çalışabilmek için trafolu ark kaynak makinası kullanılmıştır. Kaynak makinası trafolu tip olup çıkış akımı maksimum 250 A dir (Şekil 3.9).

Şekil 3.9. Deneyde kullanılan trafolu ark kaynak makinasının önden görünüşü ve özellikleri.

3.1.6. Dijital multimetre

Ölçme sonucunda elde edilen sayılar, fiziksel büyüklüklere bağlı olarak çeşitli birimlerle birlikte ifade edilmelidir. Her büyüklük ölçü sayısı ve birim olmak üzere iki kısımdan oluşur. Ölçülecek büyüklük değiştikçe büyüklüğe ait birim de değişir (Kocaeli Üniversitesi, [KOU], 2018).

37

Ampermetre ile akım, voltmetre ile voltaj, ohmmetre ile direnç ölçülür. Multimetre bütün bu fonksiyonları yapan ölçüm cihazıdır. Avometrelerin geliştirilmiş modeline multimetre denir.

Ampermetre-voltmetre yöntemiyle direnç ölçümü dolaylı ve basit bir metottur. Direnç içinden geçen akım ve gerilim ölçülerek, ohm kanununa göre direnç hesabı yapılır. Bu metotla devrede ampermetre dirençte akan akımı ölçtüğü halde, voltmetre direnç ve ampermetre uçlarındaki toplam gerilimi ölçer. Bundan dolayı ampermetre direnci, ölçülen direnç yanında çok küçük olduğu zaman durumlarda doğru ölçme yapılabilir.

Deneyde kablo iletkeninden geçen akımını ölçmek için dijital multimetre kullanılmıştır (Şekil 3.10).

Şekil 3.10. Akım ölçmede kullanılan dijital multimetre.

3.1.7. Isı sensörleri

Ortamdaki ısıyı ve ısı değişimini algılayan cihazlara ısı veya sıcaklık sensörleri denir. Birçok maddenin elektriksel direnci sıcaklıkla değişir. Sıcaklığa karşı hassas olan maddeler kullanılarak sıcaklık kontrolü ve sıcaklık ölçümü yapılabilir. Sıcaklık ile direnci değişen elektronik malzemelere termistör denir. Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden

38

üretilirler. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı olan maddeler kullanılır (Yıldız Teknik Üniversitesi, [YTU], 2017).

Sıcaklık ısı enerjisi ile orantılı bir büyüklüktür, Termometre ile ölçülür birimleri; Santigrat, Fahrenhayt ve Kelvin dir.

Multimetreler ampermetre, voltmetre, ohmmetre gibi ölçümlerin yanında bazı model ve tiplerinde frekans, kondansatör kapasitesi, sesli kısa devre kontrolü, diyot, sıcaklık vb. ölçümleri de yaparlar.

Deneyde sıcaklık ölçümü yapılabilen bir adet dijital multimetre kullanılmıştır. Sıcaklık probu kullanılarak istenilen noktadaki sıcaklık değeri ölçümü yapılmıştır (Şekil 3.11).

Şekil 3.11. Sıcaklık ölçümü için kullanılan dijital multimetre ve sıcaklık probu.

3.1.8. Reosta

Değişken dirençlerin en ünlüsü ‘Reosta’dır. Bir ucu sabit diğer ucu hareketli olan bu dirençler reosta adı verilir ve bunlar laboratuarlar da değişik amaçlarla deneylerde kullanılır. Reosta büyük bir seramik yuvarlağa sarılmış kalın rezistans telinden oluşur, üst tarafında ayar için bir sürgü mevcuttur.