"yarı-diferansiyel temelli senkron demodülasyon yöntemi ile temassız kapasitif yaklaşım sensörü

Kapasitif sensörler başta tahıl sektörü olmak üzere gıda endüstrisinde farklı uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu kullanım alanları, gerçek zamanlı üretim sistemlerinde proseslerini izlemek ve kontrol etmek amacıyla tahıl ürünlerinin seviye tespiti, ürün varlığı veya yokluğu, nem tayini gibi alanlardır. Kapasitif sensörler, diğer sensör (optik, endüktif vb.) gruplarına göre çevre koşullarından daha az etkilenmeleri, yüksek hassasiyetleri, kolay uygulanabilirlikleri ve düşük maliyetli olmaları gibi avantajlarından dolayı gıda endüstrisinde daha çok tercih edilmektedir. Kapasitif algılama için literatürde birçok algılama yöntemi ve devre topolojisi bulunmaktadır. Kapasitif algılamada geliştirilen yeni yöntemler veya mevcut okuma devrelerinin iyileştirilmesi ile farklı sektörlerde uygulanabilirliği her geçen gün artmaktadır. Böylelikle bu tez çalışmasında, kepek, buğday, mısır gibi tahıl ürünlerinin tespiti için temassız kapasitif ölçüm yöntemi kullanılmıştır. Temassız kapasitif ölçüm, elektrot ile ürün arasındaki kapasitansın, ürün ile elektrot arasında fiziksel temas olmadan ölçülmesidir. Ürünün elektroda temas etmemesi ve kepek gibi ürünlerin dielektrik katsayısının düşük olması ürünün ölçüm zorluğunu arttırmaktadır. Bu nedenle daha doğru ve hassas ölçüm için yüksek frekanslı (250kHz) sinyal ile uyarılan yarı diferansiyel senkron demodülasyon tabanlı ölçüm yöntemi kullanılmaktadır. Tez çalışması sonucunda kepek, razmol gibi düşük dielektrik değerine sahip ürünleri tespit eden temassız ölçüm yapan kapasitif sensör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım süreçlerine başlamadan önce, ön yüz devresinin AC/DC simülasyon analizleriyle ilgili ön çalışmalar yapılmıştır. Simülasyon çalışmaları ile elektrota uygulanan frekans değeri, transempedans (TIA) devresi, analog anahtar ve Sallen-Key alçak geçiren filtre için uygun değer aralıkları belirlenmiştir. Ayrıca, elde edilen AC simülasyon verileri kullanılarak, sensörün sıcaklığa duyarlılığını azaltmak amacıyla ön yüz devresinde bulunan TIA devresinin kazanç parametresini etkileyen giriş frekansı ve direnç değeri optimize edilmiştir. Sensör tasarımının diğer önemli parçaları olan elektrot tasarımı ve mekanik mahfaza tasarımları eş zamanlı olarak tasarlanmıştır. Tasarımın doğrulanması amacıyla çeşitli test süreçleri ve optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Yapılan testlerde ürünlerin (buğday, kepek, mısır) varlığı veya yokluğundaki kazanç performansı testi, sıcaklık testleri ve gerçek zamanlı fabrika ortamına bağlanarak doldur-boşalt (var-yok) testleri gerçekleştirilmiştir. Ürünlerin var-yok durumunda kazanç testleri sonucunda en küçük değişim (37mV) oranı ile kepek ve en büyük değişim (100mV) oranı ise buğdaydır. Bu değişim oranları mikrodenetleyicilerin (STM32F103C8T6) ADC çevresel birimleri tarafından okunabilecek seviyededir. Diğer bir testte ise sensörün bağlı olduğu ortamdaki sıcaklık değişimine duyarlılığını test etmek için -10°C ile 60°C arasında 5°C'lik adımlarla sıcaklık testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerde sensörün önünde herhangi bir malzeme bulunmadan, yani sensör doğrudan ortam sıcaklığını algılamıştır. Elde edilen veriler, sensör çıkışında parabolik bir azalma olduğunu göstermektedir. Toplamda, 70°C'lik sıcaklık değişiminde yaklaşık olarak 280 mV değişim gözlenmiştir ve bu değişim oranı ortalama olarak 1°C'de 4 mV değişim ile ilişkilendirilmiştir. Sensör çıkışında belirli bir set değeri altında voltaj değeri "yok" olarak kabul edilirken, set değerinin üstünde bir voltaj değeri "var" olarak kabul edilmektedir. Bu durumda, sıcaklık değişiminden kaynaklanan değişimler sensörün sıcaklığa olan duyarlılığını ve performansını etkileyebilmektedir. Sıcaklık değişiminin düşük olduğu ortamlarda, sıcaklıktan kaynaklanan 4 mV gibi düşük değerler, kepek gibi daha düşük kazanç performansına sahip ürünlerde dahi set değeri için göz ardı edilebilecek değerlerdir. Ancak, sensörün sıcaklık değişiminin yüksek olduğu ortamlarda iyi bir performans sergilemesi için sıcaklık kompanzasyon çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda sıcaklık testleri tekrar edilmiş ve 70°C'lik sıcaklık değişiminde sensör çıkışında ortalama olarak 15 mV değişim gözlenmiştir. Bu sayede her sıcaklık ortamı için ayrı bir set değeri ayarlama ihtiyacı ortadan kalkmıştır. Bu kompanzasyon çalışmaları, sensörün sıcaklığa olan duyarlılığını azaltarak daha istikrarlı bir performans sağlamıştır. Son olarak gerçek zamanlı sistemde gerçekleştirilen testlerde ise sensör randıman kantarının üst kefesine bağlanarak, kefenin içerisindeki buğdayın doldurulması ve boşaltılması yoluyla sensörün buğdayın varlığını ve yokluğunu algılama yeteneği test edilmiştir. Gerçekleşen testlerde sensörün belirlenen set değerine ulaştığında PNP ve NPN çıkışlarının aktif olması sensörün sistem ile senkron bir şekilde çalıştığı gözlemlenmiştir. Sensörün sistem ile senkron çalışması, ortamda sıcaklık değişimi olsa dahi sensör performansının sıcaklıktan dolayı oluşan etkilerden etkilenmediğini göstermektedir. Böylece yapılan testler sonucunda sensörün tasarım ve optimizasyon çalışmaları doğrulanmış ve test sonuçları bu sensör için prototip aşamasında yeterli bulunmuştur. Sonuç olarak tez çalışması sonucunda tasarlanan temassız kapasitif sensör ile tahıl ürününün temassız olarak algılanması sağlanmıştır. Böylelikle tahıl sektöründe kullanılan problu kapasitif sensörlerin oluşturduğu ürünlerin bozulması, mekanik kırınımlar gibi olumsuz problemleri azaltacak sensör tasarımı optimize edilerek test edilmiştir.