Katı, sıvı ve gazlar ağırlıkları nedeniyle bulundukları yüzeye bir kuvvet uygularlar. Kuvvetin kaynağı ne olursa olsun birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvete basınç(P), bütün yüzeye dik olarak etki eden kuvvete de basınç kuvveti (F) denir. Kısaca birim alana etki eden kuvvettir.
P = F / A (3.1)
SI Birimi: [Pa] (Pascal) = [N/m2]
Basınç, mutlak basınç, efektif (gösterge, etkin) basınç ve vakum basıncı olarak ifade edilir. İçinde yaşadığımız atmosferde hali hazırda mevcut olan bir atmosfer basıncı vardır. Bu basınç, atmosfere açık olan gaz ve sıvı sistemlerine tesir eder. Dolayısıyla atmosfere açık sistemlerde basınç gerçek basınç değildir. Buna bir de atmosferin yaptığı basıncı eklemek gerekir. Bu toplam basınca mutlak basınç denir. Diğer taraftan atmosferin basıncını gözönüne almayıp, içinde yaşadığımız çevrenin basıncını sıfır kabul ettiğimiz zaman bulunan basınca ise efektif basınç adı verilir. Bir noktadaki gerçek basınç mutlak basınçtır. Mutlak basınç, atmosfer basıncı ile efektif basıncın toplamına eşittir.
Pmutlak = Patm + Pgösterge
Vakum basıncı ise atmosfer basıncının altındaki basınçlardır. Bu durumda,
Pmutlak=Patm‐Pvakum
Basınç Ölçme Yöntemleri
Basınç temel olarak aşağıdaki yöntemlerle ölçülür:
Mekanik Basınç Ölçme Cihazları
a) Akışkan Manometreler
Sıvı sütunlu manometreler en basit tipten manometreler olup, özellikle laboratuarlarda sürekli rejimde akışkan basınçlarının ölçülmesi için yaygın olarak kullanılırlar. Bunlara örnek olarak U tipi, kuyu tipi ve eğik manometreler sayılabilir. İçlerine konulan uygun sıvıların yüksekliklerinin ölçülmesi ile doğrudan doğruya istenen basınç veya basınç farklılıkları bulunabilir.
b) Bourdan Tüplü Basınç Ölçerler
19. yüzyıldan kalan bourdon tüpü, uzun mesafeden ölçme işlemi veya çok yüksek/çok düşük basınçların ölçümü söz konusu olan yerlerde hala en yaygın şekilde kullanılan basınç ölçme aletidir. Bu tüp daire kesitli bir tüpün Şekil 3’te görüldüğü gibi yassılaştırılması ve “C” şeklinde bükülmesi suretiyle elde edilir. Tüpün bir ucu sabit olup açık bıraklır ve ölçülecek basınca bağlanır. Öteki uç ise kapalı olup serbest bırakılır. Bu durumda tüpe basınç uygulanacak olursa, basınç tüpü doğrultma eğilimi gösterir ve serbest bırakılan ucu yukarı ve sağa doğru hareket etmesine neden olur. Bu hareket kadran ve dişli çarklı bir mekanik sistem yardımıyla dairesel ibre hareketine dönüştürülür. Bourdon tüpleri 0-5psi (0-30kPa) ve 010000psi (yaklaşık 0-50MPa) arasında kullanılabilmektedir. Düşük basınçlarda kullanılan
bourdon tüplerinde hassasiyeti arttırmak için spiral tüp kullanılır.
c) Diyaframlı ve Körüklü Basınç Ölçerler
Körük, pek çok kapsülden oluşmaktadır. Bunlar ince metal tabakalardan yapılmış yassılaştırılmış içi boş yapılardır. Körüğe basınç uygulandığında, körük genişler ve mekanik hareket üretir. Körükler ve tek kapsüller pek çok araçta kullanılmaktadır. Küçük basınçların ölçülmesi için oldukça uygundur.
d) Gage Basınç Ölçerler
Gage sensörü kullanımında basınç ölçümü atmosfer basıncı referans alınarak yapılır. Sıfır çıkış atmosfer basıncına denk gelir. Hem vakum (negative çıkış) hem de basınç (pozitif çıkış) ölçülmek istenilen uygulamalarda kullanılır.
e) Vakum Basınç Ölçerler
Bir vakum sensörünün atmosferik basınçta çıkışı gage sensöründe olduğu gibi sıfırdır. Vakum sensörleri, basınç negative oldukça sensör çıkışı pozitif olacak şekilde kalibre edilir.
f) Diferansiyel Basınç Ölçerler
Bu tip sensörün iki basınç portu vardır ve bu iki port arasındaki basınç farkını ölçer. Bu sensör sıvı veya gazların basıncını ölçmek için kullanılabilir.
g) Mutlak Basınç Ölçerler
Bu tip sensörler için referans tam vakumdur (full vacuum), yani tam vakumda çıkış sıfırdır. Giriş basıncı vakumdam atmosfer basıncı üstünde bir basınca değiştiğinde hiç bir işaret değişikliği yoktur.
h) Barometrik Basınç Ölçerler
Barometrik basınç sensörü, sınırlı aralığı olan bir mutlak basınç sensörüdür. Genellikle sensör çıktısı civa(Hg)-inç olarak ifade edilir ve ölçüm aralıkları 16-32 Hg-inç veya 26-32 Hg-inç(daha düşük değerde sıfır çıkış) aralığındadır. Standard bir sensör 0-30 Hg-inç aralığında kullnılabilir fakat sınırlı aralık özellikle tipik küçük barametrik basınç değişimlerinde voltaj çıkışı açısından daha fazla çözünürlük sağlamaktadır.
Elektronik Basınç Sensörleri
Her türlü fiziki kuvvet ve basınç değişimini algılayan ve bu değişimi elektriksel sinyale çeviren elemanlara basınç sensörü denir. Basınç sensörleri, çalışma prensibine göre dört grupta incelenebilir.
a) Kapasitif Basınç Sensörleri
Kondansatörler yapıları gereği elektrik yükünü depolayabilirler. Kondansatörlerin yük depolayabilme kapasiteleri ve kondansatör plakalarının boyutlarına, bu plakalar arasındaki mesafenin uzaklığına ve iki plaka arasındaki yalıtkan malzemenin özelliğine bağlıdır. Sonuç olarak kondansatör plakaları birbirinden uzaklaştırılırsa ya da esnetilirse veya iki plaka arasındaki dielektrik malzeme hareket ettirilirse, kondansatörün kapasitesi değişir.
Kondansatörün kapasitesi ile beraber alternative akıma gösterdiği direnç de değişir. Bu prensipten hareketle kapasitif basınç sensörleri üretilmiştir. Şekil 4-(a)’da esnek plakalı bir kapasitif sensör gösterilmiştir. Plakalardan biri sabit, diğeri ise esnektir. Esnek plakaya bir basınç uygulandığında basınçla orantılı olarak kondansatörün kapasitesi ve kapasitif reaktansı (kondansatörün AA’a karşı direnci) değişecektir. Bu direnç değişimi ile orantılı olarak basınç büyüklüğünü tespit edebiliriz. Şekil 4-(b),(c) ve (d)’de kondansatör palakalarının uzaklaşıp yaklaşması gösterilmiştir. Plakaların uzaklığı,kondansatörün AA direncini değiştirdiğinden bu direnç değişimi ile hareketin miktarını bulabiliriz.
b) Strain-gage Basınç Sensörleri
Temel olarak strain-gage’ler esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından oluşmuştur. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi ile birlikte iletken şeridin de gerilerek uzamasına sebep olacaktır. Bu uzama esnasında telin boyu uzayarak kesidi azalacaktır. Bilindiği gibi iletkenlerin kesidi azaldıkça dirençleri artacağından uygulanan basınç kuvvetine bağlı olarak iletkenin direncinde değişim olacaktır. Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanna kuvvetin miktarı tespit edilebilir.
c) Load cell (yük hücresi) Basınç Sensörleri
Load cell (yük hücresi) daha çok elektronik terazilerin yapımında kullanılan basınç sensörüdür. Çalışma prensibi strain-gage çalışma prensibine benzerdir. Şekil-5’te iç yapısı verilen load cell’in, A,B,C,D noktalarında 4 adet strain-gage bulunmaktadır. Bu dört straingage’in dirençleri basınca bağlı olarak değişmektedir ve bu değişimle orantılı olarak basınç miktarını tespit edebiliriz. Load cell’lerin tek noktadan veya iki noktadan ölçüm yapanları da
bulunmaktadır.
d) Piezoelektrik Basınç Sensörleri
Basıncın elektrik akımına dönüştürme yollarından biri de piezoelektrik malzeme kullanmaktır. Piezoelektirk özellikli sensörlerde kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, barium, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılır. Bu elemanlar basınç miktarına göre küçük değerli elektrik gerilimi ve akımı üretirler. Bu elektrik akımının değeri basıncın değeriyle doğru orantılıdır.
Piezoelektrik özellikli elemanlar basınca hızlı tepki verdikleri için ani basınç değişiklerini ölçmede yaygın olarak kullanılır. Şekil-6’da basınca göre piezo elektirk malzemenin şekil değiştirmesi gösterilmiştir.
Bir piezoelektrik disk deformasyona uğradığı zaman bir voltaj üretir. Mekanik enerjiden voltaj üretimine piezo olayı; voltajdan mekanik titreşim üretimine de ters piezo olayı denir. Bu prensip basınç ölçme sensörü olarak kullanılır. Baryum titanat, kurşun zirkonat titanat ve potasyum sodyum niobat gibi bazı seramikler de piezoelektrik olayı meydana getirecek özelliktedir.
Basınç Ölçüm Uygulamaları
Şekil 7’de motor test ölçümlerinde kullanılan temel basınç ölçüm sensörlerine örnekler gösterilmektedir. Gage basınç sensörleri ile motor yağ basıncı, soğutucu basıncı, yakıt basıncı, silindir basma (soğuk testte); vakum basınç sensörü ile manifold vakumu; diferansiyel basınç sensörü ile sıvı akışı, kuru hava akışı; mutlak basınç sensörü ile veri toplama sistemi sadece çift kutuplu girişler kabul ettiği durumlarda gage basınç sensörü veya vakum sensörü kullanılan yerlerde basınç ölçülebilir.
Basınç ölçümlerine basınç üreten cihazlarda (güç üreten makinalar, türbinler vb. güç tüketen makinalar kompresör, pompa), pnömatik yada hidrolik olan mekanik elemanlarda, biomadikal uygulamalarda (kan basıncı gibi), boru ve tünellerdeki basınç kayıpları, atmosfer şartlarında (hava tahmini, yükseklik), akım hızlarının dolaylı ölçümlerinde, basınçlı kaplar ve benzeri pek uygulamada ihtiyaç duyarız.
Piezoelektrik basınç algılayıcıları ile iç basınç, darbe, balistik ölçümler, patlama, içten yanmalı motorlarda, şok ve patlama dalgaları, yüksek siddetli ses ve diğer akustik ve hidrolik prosesler gibi 0,001 psi’den 100 psi’ye kadar dinamik basınç ölçümleri yapılabilir. Piezoelektrik basınç sensörlerinin diyaframları, yüksek frekanslı ve rezonant olmayan darbe ve patlama dalgalarının cevaplarını yüksek dogruluk ile ölçer. Bu sensörlerin çalışma sıcaklıkları yaklaşık
-240 °C’dan 300 °C’a kadar geniş bir aralıktadır. Dayanıklı ve rijit konstrüksiyonu sayesinde, siddeti yerçekimi ivmesinin onbinlerce katına ulasan şok darbelerine ve titreşimlere dayanabilir.
Dinamik basınç sensörlerinin tipik uygulama alanları, içten yanmalı motorlar, akış kaynaklı gürültüler, balistik ölçmeler, kavitasyon ölçümleri, kompresörler, darbeler, pompa ve valf dinamik davranışları, hidrolik ve pnömatik uygulamalar, su darbesi, türbülans, rüzgar tünelleri, gaz ve buhar türbinleri olarak sıralanabilir.
