ı. ulusal ölçümbilim kongresi bildiriler kitabı

tmmob
makina mühendisleri odası
I. ULUSAL
ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
BİLDİRİLER KİTABI
19 - 2O EKİM 1995
Sanayi Odası / ESKİŞEHİR
MMO Yayın No: 177
INTERFEROMETRE VE OPTİK GİRİŞİM SAÇAK SAYICI
SİSTEMİ İLE YER DEĞİŞTİRME ÖLÇÜMÜ
Haluk Orhan, Coşkun Coşar, Enver Sadıkhov
TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), P.K. 21, 41470, Gebze, Kocaeli
Özet
Bu çalışmada, yer değiştirme ölçümlerini 0.3 fim çözünürlükle gerçekleştiren He-Ne
lazerli Michelson tipi interferometre sistemi ve optik girişim saçaklarının sayıldığı sayıcı kartı
anlatılmıştır. 1 MHz optik girişim saçak sayma hızına sahip olan elektronik sayıcı kartı,
interferometre düzeninde yer alan ve optik girişim saçaklarının üzerine düşürüldüğü
fotodedektörde görülen sinyalleri gürültüsüz olarak kuvvetlendirebilmektedir. Ayrıca, referans
sinyal ile fotodedektörden elde'edilen ölçüm sinyali arasında 0° 'dan 180° 'ye kadar
değişebilen, isteğe bağlı faz farkını yaratmak suretiyle hareket yönünü tesbit etme yeteneğine
de sahiptir. Elektronik kart üzerindeki sayıcılardan elde edilen bilgi, arabirim kartı vasıtasıyla
bilgisayara aktarılıp, ortam şartları göz önünde bulundurularak gerekli düzeltmeler yapıldıktan
sonra, kat edilen mesafeye yüksek doğrulukla çevrilir. Bu sistemin bir prototipi kurulmuş ve
çalıştırılmıştır. Bundaki amaç, prototipi, oluşturma çalışmaları sürmekte olan mutlak basınç
standardı interferometrik manobarometrenin mekanik kısmına adapte ederek, U-tipi
manometreye basınç uygulandığında yer değiştiren civa sütunlarım izleyebilmek ve aralarında
oluşan seviye farkım otomatik olarak ölçebilmektir.
1. Giriş
Optik interferometre sistemlerine olan ilgi, son otuz yıl içerisinde inanılmaz ölçülerde
artmıştır. Özellikle dünyadaki primer seviyedeki tüm metroloji enstitülerinde gerçekleştirilen
mekanik ve fiziksel büyüklüklerin ölçümünde lazer interferometresi vazgeçilmez bir unsur
olmuştur. Küçük seviyelerde yerdeğiştirmelerin (titreşim ölçümü), çeşitli gaz ve sıvıların
kırılma indislerinin ölçümünde, yüzey pürüzlüğü analizinde, uzaklık ölçümleri gibi daha
birçok ölçümde lazerli optik interferometre sistemlerinden yararlanılmaktadır [1].
İnterferometrik sistemlerin metrolojideki başka bir uygulama örneği olarak, basınç
metroloj isinde düşük basınç değerlerinin ölçülmesinde primer standart olarak kullanılan
interferometrik manobarometre gösterilebilir. İnterferometrik manobarometrenin ana parçasını
oluşturan Michelson İnterferometresi'dir ve kullanılan yöntem girişim saçaklarının
sayılmasıdır. Bu çalışmanın amacı da, Ulusal Metroloji Enstitüsü'nde oluşturma çalışmaları
sürmekte olan primer basınç standardımn gerçekleştirilmiş olan kayıt etme sistemini izah
etmektir. Diğer bir deyişle, Michelson İnterferometre Sistemi kullanılarak, fotodedektörde
görülen optik girişim saçaklarının, elektronik saçak sayıcı devre yardımıyla sayılması ve bu
sayımın bir iletişim kartı vasıtasıyla bilgisayar ortamına aktarılıp işlenerek uzunluk ölçümünün
nasıl gerçekleştirildiğini anlatmaktır.
106
2. Interferometrik Manobarometre
Dünyanın primer seviyedeki birçok metroloji enstitüsünde kullanılan interferometrik
manobarometrelerin ölçüm aralığı genellikle 1 kPa ile 120 kPa arasında olup bu tip
sistemlerle hem gage hem de mutlak basınç ölçümü gerçekleştirilebilmektedir [2]. Şekil 1. 'de
görülen interferometrik manobarometrenin temel elemanları; U-tüpü civalı manometre (tüpün
iç çapı yaklaşık 50 mm'dir), He-Ne lazerli interferometre sistemi, referans basınç kaynağı ve
mutlak ölçümlerde kullanılan mekanik ve turbomoleküler vakum pompaları ile birlikte vakum
ölçerdir.
Ayna
Demet BöMcfl
LAZER
ti
•-P
P
,cf
gaz
v|
:j
:i
; 1i
;ı
;!
h
DOTTAL
GÖSTERGE
O D D•OD P
D D D O a O D
DDoaaa•
8
Yüzer
Yansıtıcılar
Tcnnomctrc
Şekil 1. İnterferometrik Manobarometre
Sistemin mutlak basınç ölçüm modunda
çalışma prensibi kısaca şöyledir: Mutlak basınç
ölçümünde mutlak vakum referans olarak
alındığından mekanik ve turbomoleküler
pompalar kullanılarak ağızları kapalı
sütunlardaki basınç yaklaşık 0.2 Pa'a kadar
düşürülür. Daha sonra U-tüpü manometrenin
bir sütununa referans basınç kaynağından
nitrojen gazı pnömatik valfler yardımıyla
yavaşça uygulanır. Uygulanan gaz basıncına
karşılık sütunlardaki civa yüzeyleri arasında bir
seviye farkı oluşur.
Civa yüzeylerinin
üzerindeki yüzer yansıtıcıların da dahil olduğu
He-Ne lazerli interferometre sistemi ile
civaların yüzeyleri otomatik olarak izlenmek
suretiyle sütunlar arasındaki yükseklik farkı ölçülür. Ölçülen seviye farkı değeri "h" ve diğer
sütundaki vakum değerini gösteren vakum ölçerde okunan referans basınç değeri (P ref ), g yerel
yerçekimi ivmesi, p civa yoğunluğu olmak üzere P = pgh + P r e f formülünde yerine
konularak, basınç kaynağı ile oluşturulan basınç değeri hesaplanmış olur. Atmosfer basıncının
referans olarak alındığı gage basınç ölçümlerinde, civa sütunlarının atmosfer basıncına maruz
kalması amacıyla üstleri açılır ve vakum pompaları kullanılmaz. Civanın yoğunluk değerine
(bu değer saptanırken referans sıcaklık 20°C alınmıştır) sıcaklık düzeltmesi yapılabilmesi için
her iki moddaki ölçüm sırasında civanın sıcaklık değeri de PRT (platinyum dirençli
termometre) ile okunur. Sıcaklık değişimlerinin ölçüm üzerindeki etkisinin fazla olması
yüzünden, civadaki sıcaklık değişimlerini engellemek amacıyla U-tüpü, sıcaklığı 20°C 'de
sabit tutulan su banyosu içerisine yerleştirilmiştir [3].
Civa yüksekliğinin interferometrik metotla ölçülmesi ticari olarak satılan cihazlarla
yapılabildiği gibi UME'de yapılan bir sistemle interferometre düzeneğindeki fotodedektör
üzerine düşürülen girişim saçaklarının elektronik olarak sayılması ile de gerçekleştirilebilir.
UME'de yapılan bu sistemde interferometre düzeneği olarak Michelson tipi interferometre
kullanılmıştır.
107
3. Michelson İnterferometresi İle Yer Değiştirme Ölçümü
Şekil 2. 'de görülen lazerden çıkan
ışın demeti, demet bölücü tarafından aynı
şiddete sahip iki demete ayrıldıktan sonra bu
demetler, yansıtıcılar (sabit ve hareketli
aynalar) tarafından geldikleri yoldan ayrı bir
yol üzerinden yansıtılarak fotodedektör
üzerinde giriştirilir. (1) demeti referans, (2)
demeti de ölçme demeti olarak adlandırılır
[4].
Sabit ayna
A
V
Lazer
Demet Bölücü
w ı
Hareketli ayna
2
Bu tip interferometrelerde, her iki
aynadan yansıyan demetlerden hiçbiri tekrar
lazer kaynağı üzerine dönmeyecek şekilde
Fotodedektör
ayarlanarak,
yansıyan demetin lazer
kavitesine tekrar girmesi önlenir ve böylece
Şekil 2. Michelson inteiferometresi
lazer kavite kararlılık şartları etkilenmez. İki
kısmi dalga arasındaki yol farkı hareketli aynalardan birisi hareket ettirilerek değiştirilebilir.
Hareketli ayna "x" kadar hareket ettirildiğinde, iki ışının izlediği optik yollar farklılaşır.
2 numaralı ışın bir giderken bir de aynadan döndüğünde iki kere ortam içinden geçtiğinden
iki ışın arasındaki optik yol farkı, "2x" değerinde olacaktır [5].
İki girişim saçağı arasında X ışık dalga boyu kadar açıklık olduğundan,
V/
m=
(1)
değerinde girişim saçağı meydana gelir. Diğer bir deyişle, girişim saçakları elektronik sayıcı
devre aracılığıyla sayıldığında mutlak yer değiştirme X/2 cinsinden hesaplanabilir.
4. Elektronik Saçak Sayıcı Devresi
Saçak sayıcı devresi (Şekil 3), altı adet işlemsel kuvvetlendiriciden, iki adet yüksek hızlı
komparatörden, iki adet JK flip-floptan, iki adet ex-or ve bir adet or kapısından, bir adet
darbe jeneratöründen ve dört adet de ikili düzende çift yönlü (artan/azalan) sayan sayıcıdan
oluşmuştur.
İnterferometre düzeninde bulunan aralarında 0 ile 180° arasında ayarlanabilir faz farkı
olan iki çıkışa sahip çift-hücreli fotodiyot üzerine girişim saçakları düşürüldüğünde
fotodiyodun çıkışlarındaki genlik değerleri 100 mV 'luk offset değeri üzerine oturmuş V pp
= 50 mV (AC) olduğu görülmüştür. Amaç, bu iki sinyal arasındaki fazı tespit ederek, oluşan
saçakları, sayıcı entegreleriyle artan/azalan şeklinde saymaktır. Bu nedenle fotodiyodun
çıkışlarındaki sinyallerin gerekli gerilim değerlerine getirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla,
ilk etapta birer işlemsel kuvvetlendiriciyle sinyaller on kat kuvvetlendirilmiştir (1 ve 1'). AC
108
m
(7)
c
O
«c
«D
RCO
•CVK
LOOO
191
1SOIP300
^
uıo
A
9
c
o
«A
as
«c
oo
RCO
tCLK
D/O
LOOO
t-Uuıı
A
W»
•
O*
c
«c
D
40
RCO
X
14DIP300
Şekil 3. Saçak Sayıcı Devresi Şeması
m
m
sinyal ile beraber DC-offset değerinin de büyümesi sebebiyle ikinci etapta türev alıcı devreyle
DC offset gerilimi yok edilmiştir ( 2 ve 2' ). Fakat AC sinyalin tepeden tepeye değeri
istediğimiz seviyeye ulaşmadığı için sinyaller 12 kat daha kuvvetlendirilmiştir ( 3 ve 3' ).
Tepeden tepeye gerilim değeri 3,6 V olan kuvvetlendirilmiş AC sinyallerin ikili sayıcılar
tarafından değerlendirilebilmesi için kare dalgaya dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu sebeple
kullanılan yüksek hızlı komparatörler ile AC işaretler aynı frekanstaki kare dalgaya
çevrilmiştir (4 , 4' ve 4" ). Burada kullanılan flip-floplar yardımıyla <t>x ve <t>2 fazlı sinyaller
(biri ölçüm sinyali diğeri de referans sinyal olarak kullanılmıştır), birbirleriyle karşılaştırılarak
faz farkları tespit edilip, hem sayıcılara sayma izni verilmekte hem de yer değiştirmenin
yönüne (optik düzende sağa veya sola) göre sayıcıların artan veya azalan şekilde saymalarını
sağlamaktır. Bu karar algoritması aşağıda verilmiş olan tablodaki gibidir [6].
Tablo-1 Saçak sayıcı devresi fazı tespit etme algoritması
Sayıcılardaki sayma
yönü
Qı
(5)
Q2
(6)
ex-or
(7)
Sayıcılardaki sayma
durumu
Artan
0
0
0
Say
Artan/Azalan
0
1
1
Sayma
Artan/ Azalan
1
0
1
Sayma
Azalan
1
1
0
Say
(j)ı sinyali ise, sayıcılara giden say izni sinyalinden her zaman daha sonra gidecek
şekilde mantık devreleriyle geciktirilerek ( 8 ), sayıcıların saat darbesi girişine bağlanmıştır.
Ölçülmesi hedeflenen maksimum yer değiştirme miktarı 20 mm 'nin sayılması için bu devrede
dört adet artan/azalan sayıcı kaskat olarak bağlanmıştır. Sayıcılardan çıkan 16 bit ikili
düzendeki sayılar tarafımızdan yapılan arabirim kartı vasıtasıyla bilgisayar ortamına
aktarılabilmektedir. Aktarılan bilgiler kullanılarak, Turbo C dilinde yazılmış bir program ile
yer değiştirme hareketinin, bilgisayar ekranında simulasyonu yapılmıştır. Gerçekleştirilen bu
tasarım ile 20 mm'ye kadar yer değiştirmeler, yüksek doğrulukla ve 0,3 /xm çözünürlükle
ölçülebilmektedir.
5. Sonuç
Tasarlanmış olan devrenin doğru çalışıp çalışmadığını kontrol etmek amacıyla Michelson
İnterferometresi'nin bir kolundaki hareketli ayna (bkz. Şekil 2.) mikrometre ile hareket eden
bir platform üzerine sabitlenmiştir. Bu platformu ileri veya geri hareket ettirdiğimizde
hareketli aynanın yer değiştirme miktarı, mikrometreden ve Bölüm 4. 'de anlatılmış olan
elektronik kartlar yardımıyla bilgisayardan okunarak karşılaştırılmıştır.
110
Okunan değerler arasında mikrometrenin okunabilirliği olan 1 fim dahilinde uyum
gözlenmiştir.
Bu sistem, alternatif olarak, ölçüm amacına uygun yapılacak küçük değişikliklerle,
aşağıdaki ölçümlerde kullanılabilir;
1) Michelson İnterferometresi kullanılarak statik ve/veya zamana göre değişen yer
değiştirme ölçümlerinde,
2) İvme ölçerlerin mutlak kalibrasyonunda,
3) Ultrasonik güç ölçümleri "Su terazisi".
Kaynakça
1. Genceli O.F., Optik Ölçme Metottan, s. 129-138, (1989)
2. Tilford C.R., Three and a Half Centuries Later -The Modern Art Of Liquid Column
Mercury-, Metrologia, cilt 30, s. 545-552, (1993/94)
3. Alasia, Capelli A., Cignolo G., Sardi M., A New Generation of Mercury Manometers at
the IMGC, Metrologia, cilt 30, s. 571-577, (1993/94)
4. Yalçın T., Metrolojide Enterferometrik Ölçümler, TÜBİTAK-UME Yayınları, s. 3-4,
(1987)
5. Gasvik J.K., Optical Metrology, s. 14-15, (1987)
6. Martin F., Gauthier J., Gulick S., Laroche F., Position and velocity sensing laser
interferometer-fringe counter, Rev. Sci. Ins., cilt 59, s. 1110-1114, (1988)
111
KALİBRASYON ÇALIŞMALARINDA
İSTATİSTİKSEL UYGULAMALAR
/
1. Temel ifadeler
1.1. İstatistik : Belirsizlik(ler) altında karar verme bilimi
1.2. Histogram : Veri dağılımının düşey dikdörtgen çubuklar biçimindeki şekillerle gösterildiği grafik.
Histogramdaki herhangi bir çubuğun tabanı "sınıf aralığı", yüksekliği ise o sınıfın
"frekansı" na eşit olur.
j
1.3. Değişim Aralığı: bir dağılımda, rastlanan en büyük ve en küçük değerler arasındaki fark.
1.4. Aritmetik Ortalama : Güzlem değerleri toplamanın, toplam gözlem sayışma bölünmesi
- 1 N
X = — JJCI
N: gözlem sayısı
1.5. Standart Sapma : Aritmetik ortalamada gözlenen sapmalardan hareketle geliştirilmiş bulunan dağılma ölçüsü.
Deneysel standat sapma, aynı ölçülen büyüklüğe ait n adet ölçümden oluşan bir seri için,
aşağıda ki formülle verilen s parametresi ile sonuçların dağılımını karakterize eder.
j
•,•
''
i —1
s=\
n-\
Deneysel standart sapma, aşağıdaki formülle verilen ve ana kitle hacmi N, ortalama
değeri X~olan "ana kitle standart sapması a " ile karıştırılmamalıdır:
,
t.
N
x
- x)
ı=l
N
n adet ölçümden oluşan seri, ana kitlenin örneklemesi olarak düşünüldüğünde s ana
kitle standart sapmasının tahmini değeridir.
1.6. Mod: Frekansı, dağılımdaki diğer sınıf frekanslarının hiçbiri tarafından aşılamayan
sınıf.
1.7. Medyan : büyükten küçüğe ya da küçükten büyüğe doğru dizilmiş bir grubun tam
ortasındaki değer.
1.8. Normal Dağılım Eğrisi: Standart sapma değerinin diğer dağılım eğrilerine nazaran
daha küçük olduğu bu dağılım eğrisi istatistiksel metroloji çalışmalarında sıkça kullanılır. Bir
diğer adı "çan eğrisi" dir. Bu eğri tek modludur ve aritmetik ortalaması ile medyan değerleri
112
i
V
birbirine eşittir.
Normal Dağılım Eğrisi:
Medyan, aritmetik ortalama
Şekil: 1
2. Belirsizlik İfadeleri ve Test Belirsizlik Oranı
2.1. "Ölçülen büyüklüğün gerçek değerinin içinde buluduğu değerler aralığını karakterize eden tahmini değer"şeklinde tanımlanabilen ölçüm belirsizliği ifadesi, istatistiksel olarak
normal dağılım eğrisi ile incelenir.
Herhangi bir cihazla ilgili olarak verilen belirsizlik değeri hangi güvenirlilik aralığında
geçerli olduğu belirtilmediği sürece bir anlam taşımaz.
Normal dağılım eğrisinde, yatay eksen, standart sapma değeri (a) cinsinden ifade edilir.
Ortalama değerin ± lc'lık alanı içerisinde kalan miktar, toplamın takriben %68'ini, ±2o'lık
alanı içerisinde kalan miktar ise toplam takriben %95'ini temsil eder.
-2a
Şekil:2a
+2CT
Şekil:2b
2.1.1. Güvenirlik Seviyesi: (Confidence Level)
"Yüzde (%)" olarak ifade edilir. Gerçek değerin belirsizlik limitleri dahilinde yer alma
olasılığını belirtilir.
113
2.1.2. Güvenlik Aralığı: (Confidence Interval)
Normal dağılım eğrisindeki yatay eksen üzerinde sözü edilen güvenirlilik seviyesine
karşılık gelen noklatlarm sınır teşkil ettiği aralık.
/
Örnek : %95 güvenirlilik seviyesi =>2a güvenirlilik aralığı
2.2. Test Belirsizlik Oranı (Test Uncertainty Ratio, TUR)
2.2.1. Test Belirsizlik Oranı,test edilen cihazın belirsizlik değerinin, kalibre eden cihazın
belirsizlik değerine bölünmesiyle elde edilen orandır.
Standart cihaz ya da kalibratör olarak kullanılan cihazların da belirsizlik değerleri
dahilinde çalıştığı düşünülecek olursa, kalibrasyon işlemi sonucunun da belirsizlik içerdiğini
söylemek gerekir. Standart cihaza göre spek-içi olduğu tespit edilen bir cihaz, gerçek hayatta
ancak sözkonusu belirsizlik değerleri dahilinde "sepek-içi" dir.
2.2.2. Örnek:
,
/
± 200 |xV belirsizliğinde çalışan 10 V kademesi, aynı değerde ±50 |xV belirsizliğinde standart gerilim üreten bir kalibratör ile kalibre edilemek istenen bir DMM için, sözkonusu kalibrasyon çalışması için Test Belirsizlik Oranı, her iki cihazın belirsizlikleri de aynı güvenirlilik
seviyelerinde verilmişse 200/50=4 = l'dir, ki bu oran MILSTD-45662 A ya da benzeri diğer
kalibrasyon standartları için uygundur.
Ancak gerçek hayatta genellikle kalibratör belirsizlikleri %99.9 (2.6a), DMM belirsizlikler ise %95 (2a) güvenirlilik seviyelerinde ifade edilirler. Bu değerlerin yukarıdaki örnek için
de geçerli olacağı düşünülürse, sonuç biraz daha farklı olacaktır. Şöyle ki, önce verilen belirsizlik değerleri aynı güvenirlilik aralığına, mesala la aralığına indirgenir:
DMM =>
±200/ım
•
/
.'.
=±19.2/zm
±50
Kalibratör =$
=±50fim
2.6
Test Belirsizlik oranı bu kez,
100/19.2Z5 olacaktır.
/
.1 '.
Bu örnekte gerçek oran, ilk bakışta görülenden daha iyi çıkmıştır. Ancak tam tersi de
sözkonusu olabilirdi.
2.3. İdeal Gerçek Koşul Farkı:
İdeal koşullarda, bir kalibrasyon çalışması sonucunda test edilen cihaz için iki olasılık
sözkonusudur.
1. Cihaz uygun durumdadır ve "kabul edilir".
2. Cihaz uygun durumda değildir ve "red" edilir.
Ancak, gerçek hayatta yukarıdakilere ilaveten iki olasılık daha vardır:
3. Cihaz uygun durumdadır fakat "red" edilir.
4. Cihaz uygun durumda değildir, fakat 'kabul" edilir.
Burada bir ilginç nokta şudur ki, yanlışlıkla red sonucuna varılan vihazların sayısı, yan-
114
j
lışlıkla kabul edilenlerden genelde daha fazladır.
Aynı güvenirlilik aralığında (örneğin 3a) ifade edilen kalibratör ve DMM'in belirsizlik
değerlerinin normal dağılım eğrisindeki gösterilişi, eğer kalibratörün gerçek çıkışı nominal
değere eşitse birbiriyle şöyle karşılaştırılabilir.
Kalibratör
DMM
-3a
-2a
-
+
a
+2<x
+3CT
Şekil: 3
İdeal olarak nitelendirilen bu durumda red veya kabul sonuç kararları %100 doğrudur.
Ancak, kalibratörün gerçekte la hatalı gerilim ürettiği varsayılacak olursa bu kez, iki çihazm
belirsizlik değerlerini temsil eden dağılım eğrilerinin birbirleriyle ilişkisi biraz farklı olacaktır.
115
yanlışlıkla red
yanlışlıkla kabul
-13cr
-12<r-9a -6a -3CT
-3a
-2a
+ 3(7 +4a +9(7-» 12a
-a
+ 3a
Şekil: 4
Normal dağılım eğrilerinin özelliğinden dolayı, yanlışlıkla red edilen cihazların sayısı,
yanlışlıkla kabul edilenlerden daha fazla olacaktır.
Kalibratör çıkışının nominal değerden sapması arttıkça, yanlışlıkla kabul ya da red
edilen cihazların sayısı da artacaktır.
-4
-3
-2
+1
-1
Kalibratör çıkış hatası (y)
(4=1 TUR ve 3 a güvenirlik seviyesi)
Şekil:5
116
+2
+4
Sonuç
Kalibrasyon çalışmalarından güvenilir sonuçlar alınması amacıyla, elde edilen
sonuçların sadece kabul/red kriterlerine göre değil, nominal değerlerle gerçek değerler
arasındaki farklarına ve bu farkların zaman içerisindeki değişimine göre de kayıtlar tutulmalı
ve bu kayıtlar istatistiksel yöntemlerle yorumlanmalıdır.
117
1 m'ye KADAR ÖLÇME BLOĞU KALİBRASYONU
ve
SICAKLIĞIN ÖLÇÜM SONUÇLARI ÜZERİNDEKİ ETKİSİ
Karun Alper Tiftikçi, Şakir Baytaroğlu
TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü(UME), P.K. 21, 41470 Gebze-KOCAELİ
Özet
Boyutsal metroloji alanında yapılan çalışmalarda karşılaşılan en önemli problem, sıcaklık
sorunudur. Kullanılan metod ne olursa olsun sıcaklığın yapılan ölçüm üzerindeki önemli etkisi
azalmayacak ve hatta ölçme belirsizliği azaldıkça, diğer bir deyişle mutlak ölçüm metodları
kullanılmaya başlanınca sıcaklığın etkisi daha kritik bir rol oynamaya başlayacaktır. Bu çalışmada
0.5 mm - 1000 mm arası ölçme bloklarının yapılan, genel özellikleri ve kalibrasyon
prosedürlerinden bahsedildikten sonra ölçüm ve ölçüm sonucuna etkiyen parametreler tanıtılacak
ve bunların içinden sıcaklık etkisi detaylı olarak incelenecektir.
;
/
1. Giriş
18 yy. sonunda başlayan sanayi devrimi, gelişen teknoloji ve sanayide üretim safhasındaki
sorunları çözebilmek için birimlerin sanayiye hassasiyetle aktarılma ihtiyacı doğmuş ve böylece
ölçme sisteminin referanslarını teşkil edecek etalonlar geliştirilmeye başlanmıştır.
/
Uzunluk biriminin hassasiyetle sanayiye aktarılması ve muhafaza edilmesi için transfer elemanları
olarak Ölçme Blokları geliştirilmiştir. İlk ölçme blokları 1896 yılında İsveç'li mühendis C.F.
Johansson tarafından imal edildiği için bugün halen uzunluk mastarları onun adı ile de
anılmaktadır. Günümüzde uzunluk birimi metre, 1983 yılında kabul edilen yeni tanımına göre;
"Işığın, l/c zaman aralığında vakum ortamda katettiği mesafe (c = 299.792.458) olarak
tanımlanmaktadır [1]". Böylece uzunluk birimi tanıma uygun olarak gerçekleştirilen birincil
standartan enterferometrik yöntemler kullanılarak ölçme bloğuna transfer edilmekte ve bu yöntem
ile kalibre edilmiş ölçme bloklarından sanayinin kullandığı çalışma standardlarına transfer
edilmektedir.
118
/
2. Ölçme Blokları
Tanım : İlgili normlarda ölçme blokları; dikdörtgen kesitli, paralel ve düz iki ölçme yüzeyi
arasında hassaslıkla uzunluk birimini muhafaza eden ölçme elemanları olarak tanımlanmaktadır
[2,3,4,5].
1, 2, 3, 4 ölçme
yüzeyleri,
5-6 yan
yüzeyler
Şekil 1: Ölçme Blokların Şematik
Gösterimi
Ölçme blokları genellikle yüksek karbonlu ve krom alaşımlı aşınmaya karşı dayanıklı şertleşebilen
çeliklerden imal edilmektedir. Ölçme bloklarının imal edileceği malzemeler aşağıdaki şartları
sağlamalıdırlar.
-
Sertleştirilebilirlik özelliğine sahip olmalıdır,
Sertleşme işlemi boyunca şekil değiştirmemelidir,
Aşınmaya karşı dayanıklı olmalıdır,
Sıcaklıkla şekil değiştirme katsayısı iyi bir şekilde bilinmeli ve mümkünse
düşük olmalıdır,
- Malzeme maliyeti düşük ve kolay işlenebilirlik özelliğine sahip olmalıdır.
119
Ölçme blokları imalinde genelde aşağıda belirtilen malzemeler kullanılmaktadır;
-
Makina çeliği,
Krom alaşımlı çelikler,
Paslanmaz çelikler,
Tungsten Karbür,
Krom karbür,
Seramik,
/
Günümüzde kullanılan ölçme bloklarının malzemeleri çelik, sert metal ve seramik olmak üzere
3 temel grupta toplayabiliriz.
Çelikler : Yapılan çalışmalarda, çelik setler çok uzun bir çalışma ömrü ve uzunluk birimini
standardlarda öngörülen toleranslarda muhafaza ettiği görülmüştür. Bununla beraber her
kullanımdan sonra dikkatli bir temizlik yapılmalı ve sık kuUamlmıyorlarsa kullanım sonrası,
koruyucu asitik olmayan gres veya yağ ile korozyana karşı korunmalıdırlar. Kullanılan
malzemeler aşağıdaki özellikleri yerine getirmelidir;
- Kullanılan malzeme yüksek alaşımlı çelik olmalı,
- 64 Re sertliğe sahip olmalı,
- Malzeme boyutsal kararlılığa sahip ve ısıl işlem sırasında boyut değişimi
minimum olmalı.
j
Tungsten Karbür : Tungsten karbür veya diğer karbürlerden yapılmış olan ölçme blokları
yüksek yüzey sertliği ve aşınma mukavemetinin yam sıra aşağıda belirtilmiş özelliklere
sahiptirler.
- Sertlik değeri çeliklere göre daha büyüktür,
- Korozyona karşı, çeliklere göre daha dayanıklıdır.,
- Boyut kararlılığı yüksek ve düşük uzama katsayısına sahiptir.
Seramik : Bir çok uygulamada diğer malzemelere göre daha yüksek bir aşınma direncine, daha
yüksek dayanıma ve daha yüksek boyutsal kararlılığa sahip olmaları en büyük avantajlardandır.
Diğer bir özelliği ise koroziv ortamlardan etkilenmemesidir. Ayrıca bu özelliklere ek olarak;
sahiptir.
120
Yüksek aşınma mukavemetine,
Yaklaşık 1400 Hv'e ulaşan sertlik değerine,
Çeliğe yakın uzama katsayısına,
Çok düşük sürtünme katsayısına,
/
Dezavantajı ise; yüzeydeki mikro hataların eğilme özelliklerini çok kötü yönde etkilemesidir.
Ayrıca darbe dayanımı düşük bir malzemedir.
3.Ölçme Bloğu Kalibrasyonu
Uzunluk biriminin hassasiyetle alt seviyelere aktarılabilmesi için kullamlan ölçme bloklarının,
zaman içinde kullanım hataları, aşınma, malzemenin doğal deformasyonu gibi nedenlerle,
koruduğu boyutun doğruluğunun teyid edilebilmesi için, belirli aralıklarla kalibrasyona ihtiyacı
vardır.
Şekil 2: Ölçme Bloklarında lm ve lb değerleri
Ölçme bloğunun kalibrasyonunu 3 ana grup altında inceleyebiliriz
- Kabul işlemi ve kalibrasyon için hazırlanması,
- Kalibrasyonun gerçekleştirilmesi,
- Düzeltme ve sonuçların değerlendirilmesi,
121
3.1.Ön Hazırlık Safhası
Kutusundan çıkarılan ölçme blokları Petrolyum Benzin ile silinerek koruyucu yağ ve benzeri
maddelerden temizlenir. Bu işlem, ölçme bloğunun yüzeyi tüm yağ, toz ve kirlerden
arındırıhncaya kadar devam eder. Temizleme işlemi tamamlandıktan sonra ölçme bloğu bir
cımbız veya bir pnömatik taşıma sistemi ile alınarak kalibrasyon yapılacak cihazın yakımna
yerleştirilir. Daha sonra her iki yüzeyide uygun temizleme bezi ile silinerek yüzeyler parlatılır.
Eğer ölçme bloğunun manyetik özelliği varsa manyetiklik yok edici (demagnetizer) kullanılarak
ölçme bloğu manyetik özelliğinden arındırılır.
3.2.Ölçme Yüzeyinin Kontrolü (Optik Cam ile Muayene)
Şekil 3: Ölçme Bloklarındaki fe
düzlemsellikten sapma
Bu işlemden amaçlanan, ölçme bloklarının kalibrasyonu için ön şart teşkil eden yüzey kalitesinin
kontrol edilmesidir. Bu işlem sırasında aşağıdaki prosedür takip edilmelidir;
- Petrolyum benzin ile optik camın yüzeyi temizlenir,
- Optik cam ile ölçme bloğunun yüzeyleri temizleme bezi ile iyice silindikten sonra
yumuşak kıl fırça ile tekrar temizlenir,
- Ölçme bloğu optik camın üzerine yerleştirilmeden bir üfleç yardımıyla her iki
yüzeyde son birkez temizlenir ve ölçme bloğu optik camın üzerine yerleştirilir.
- Ölçme bloğu çevrilmeden optik camın üzerine bastırılır. Böylelikle yapışacak
yüzey incelenebilir.
- Eğer bir bozukluk tespit edilecek olursa ölçme bloğunun yüzeyi düzeltme
işlemine tabi tutulur.
- Eğer herhangi bir hasar mevcut değil ise ölçme bloğu çevrilerek iyice yapışması
sağlanır.
122
Ölçme blokları optik cam ile kontrol edildiklerinde hiçbir girişim deseninin, renkli bölge ve
beyaz bölgenin oluşmaması gerekir. Bazen ölçüm belirsizliğine bağlı olarak bu sayılan kriterlerin
bazıları kısmen yumuşatılabilir.
3.3.Hasarlı Ölçme Bloklarını Düzeltme işlemi
Optik camla muayenede tespit edilen kusurlar düzeltme işlemine tabi tutularak mümkün
olduğunca giderilmeye çalışılır. Bu işlem için yüzey düzeltme taşları kullanılabilir. Her düzeltme
işlemini takiben ölçme bloğu tekrar iyice temizlenmeli ve optik cam ile tekrar kontrol edilmelidir.
3.4.Sıcaklık Kararlılığı
Referans ölçme blokları ile test ölçme blokları komparatöre yakın bir yerde ısıl dengeye gelmeleri
için bir müddet bekletilir. Bu işlem ölçme blokları granit bir yüzey üzerine yerleştirilerek de
gerçekleştirilir. Kalibrasyon işlemine ancak referans, test ve komparatör aynı sıcaklık değerlerine
ulaştığı zaman başlanabilir. Pratik uygulamalar sonucunda elde edilen sonuç kalibrasyona
başlamadan önce bir gecenin geçmesidir. Kalibrasyon işlemine uzun ölçme blokları ile
başlanmalıdır. Konuyla ilgili UME'de elde edilmiş deneysel sonuçların grafiksel gösterimi
(200 mm, 300 mm, 600 mm) için aşağıda verilmiştir.
200 mm SICAKLIK STABİLİZASYON EĞRİSİ
Senesi ,
Series2 i
Series3 i
[
Series4
19,8
19,6
19,4
ZAMAN
Şekil 4: 200 mm Ölçme Bloğunun Isıl Denge Eğrisi
123
300 mm SICAKLIK STABİLİZASYON EĞRİSİ
Seriesl
Series2
Series3
Series4
L
8 ? ?
oo
—
ZAMAN
Şekil 5: 300 mm Ölçme Bloğunun Isıl Denge Eğrisi
600 mm STABİLİZASYON EĞRİSİ
Seriesl
- Series2 i
' Series3 |
Series4 i
ZAMAN
Şekil 6: 600 mm Ölçme Bloğunun Isıl Denge Eğrisi
124
4. Karşılaştırma Öçümleri
Karşılaştırmalı ölçme metodunda ölçülen büyüklük, değeri bilinen aynı cins bir büyüklük ile
doğumdan karşılaştırılarak ölçülür. Karşılaştırma ölçümlerinde, komparatör ile yapılan
kalibrasyonlarda 3 özellik belirlenir:
- lm ölçme yüzeyinin orta noktasının boyu,
- lb ölçme yüzeyinin herhangi bir noktasında ölçme bloğunun boyu,
- lb boyundaki fs sapma aralığı,
4.1.Ölçme Bloklarında f5 Sapma Limiti
Paralellikten ve düzgünlükten sapmaların bileşimi l bmax ile lbmin arasındaki farka eşittir. Bu ise
aynı zamanda l m 'den itibaren görülen f0 ve fu sapmalarının toplamına eşittir.
r-
i
'•s
^bmax ~ 'bmin
'
i
l m 'den görülen maksimum ( + ) sapma : f0 = lbmax - lm
l m 'den görülen maksimum (-) sapma : fu = lm - lbmin
Nominal boy l n 'den müsade edilen maksimum sapma ± tn standardlarda belirtilir.
7
Şekil 7: Ölçme Bloklarında kullanılan
boyutsal terimlerin gösterimi
5 noktada ölçüm yapılır. Bunlar, merkez (orta nokta) dışında 4 köşeden yaklaşık 1.5 mm
mesafede alınan noktalardır. Bu işlemden hedeflenen sonuç ise ölçme yüzeyinin herhangi bir
125
noktasındaki uzunluk değeri lb'yi hesaplamaktır. Ölçülmüş olan bu değerler ilgili normlarda izin
verilen değerlerle karşılaştırılır ( + t,,). fs sapma aralığı ölçüm yapılan 4 köşe noktasının pozitif
maksimumu ile negatif minimumu arasındaki fark ile elde edilir. Sonuç ilgili normlarda izin
verilen ts değerleri ile karşılaştırılır [2].
P2-
Şekil 8: 5 Nokta Kalibrasyon Metodu İçin
Ölçme Noktalarının Şematik Gösterimi
5.Ölçme Ortamının Sağlaması Gereken Şartlar
Yüksek doğruluğa sahip ölçümler için ortam şartları kontrol altında tutulmalıdır. Komparatör ve
ölçme teçhizatı laboratuvar koşullarında, 20+0.5°C, % 55 nem ve titreşimsiz bir ortamda
kalibrasyonlar gerçekleştirilmelidir.
126
6. Ölçüm Belirsizliği
Yukarıda belirtilen ortam şartlan altında ölçümün belirsizliği için iki temel seviye belirlemek
mümkündür.
2. Seviye
: u = ±(0.1 + 1 * L)fim
L (m)
1. Seviye
: u = ±(0.05 + 0.5 * L)/on
L (m)
7. Ölçüm Sonuçlarının Değerlendirilmesi :
Öncelikle ölçüm sonuçlan için gerekli düzeltmeler yapıldıktan sonra her bir ölçme bloğu için
kabul edilmiş standartdaki izin verilen sapma ve tolerans değerleri ile karşılaştırılır.
Bu işlem sırasında izlenmesi gereken prosedür aşağıdaki gibidir.
-Nominal boyda orta noktada ki (P2) sapma, nominal boyda herhangi bir
noktadaki izin verilen sapma tn ile karşılaştınlır.
-Aynı şekilde diğer dört noktada elde edilen sapmalar herhangi bir noktada
nominal boydan izin verilen sapma değeri ile karşılaştınlır.
-Maksimum pozitif ve negatif sapmalar (f0 ve fu) birbirleri ile toplanarak
elde edilen fs sapma aralığı değeri standardlardaki t. değeri ile
karşılaştırılır.
Bir kalibrasyon işlemi sonunda verilmesi gereken değerler:
-Nominal uzunlukta orta nokta lm den sapma değeri,
-fs sapma aralığı,
-f0 ve fu değerleri,
8. Ölçüm Sonuçlarının Düzeltilmesi :
8.1.Sıcaklık Farklılarından Kaynaklanan Etki :
Referans ve test ölçme blokları arasındaki sıcaklık farkından doğan boyut değişiminin
kompanzasyonu için ölçüm sonuçları 20 °C'ye indirgenir. Kalibrasyon sertifikasında verilen
değer 20 °C için bulunmuş değerdir. Düşük belirsizlik değerine ulaşılabilmesi için kalibrasyon
esnasında 0.01 °C okuma kabiliyetine sahip termometreler kullanılmalıdır.
127
8.2.Farklı Sıcaklıkla Uzama Katsayılarından Kaynaklanan Etki
Standardlarda çelik ölçme blokları için kabul edilen değer (11.5 + 1 * 10~6 K1 ) dir ve daha
kesin ve güvenilir bir değer verilmediği sürece de bu şekilde kabul edilir. Bu yüzden referans
sıcaklık 20 °C den uzaklaştıkça ölçme belirsizliğimizde o ölçüde büyüyecektir. Aynı durum farklı
malzemeden imal edilmiş ölçme bloklarında daha çarpıcı bir şekilde ortaya çıkmaktadır.
Dolayısıyla ölçme bloklarının uzama katsayılarının sıcaklık ile olan değişiminin ve belirsizlik
değerlerinin yüksek doğrulukla bilinmesi gerekmektedir.
/
8.3.Farklı Malzemelerden Kaynaklanan Etki
Farklı uzama katsayılarına ek olarak ölçme bloğu imalinde kullanılan malzemelerin farklı
elastiklik katsayıları mevcuttur. Buna bağlı olarak da ölçme ucu (prob) ile ölçme yüzeyinin temas
noktasında farklı deformasyonlar meydana gelir. Farklı malzemeden imal edilmiş ölçme bloğu
kalibrasyonlarında bu etki göz önüne alınmalıdır. Böyle kalibrasyonlar için kabul edilecek
düzeltme katsayıları yaklaşık olarak verilmektedir. Asıl değerler tekrarlanan karşılaştırmalı
ölçümler sonunda elde edilmelidir.
/
9.Sıcaklığın Ölçüm Sonuçlan Üzerine Etkisi
Mukayeseli ölçümlerde sıcaklık ölçümlerimizi iki türlü etkiler. Birincisi ölçme bloklarının
sıcaklıklarının 20 °C'den sapması, ikincisi ise test ve referans ölçme bloklarının birbirlerinden
farklı sıcaklıkta olmalarıdır. Buradan da anlaşılacağı gibi ölçüm sonuçlarına etkiyen ve sıcaklıktan
doğan düzeltmeleri iki ana başlık altında toplamak mümkündür. Bunlardan birincisi K^ sadece
referans ile test arasındaki sıcaklık farkından doğan hatayı kompanze edebilmek için, ikincisi Ka,
referans ile test malzemelerinin farklı uzama katsayılarından kaynaklanan hatanın ve ölçüm
sonuçlarının 20 °C'ye çevrilmesi için kullanılan düzeltmelerdir. İfadeler daha açık yazılacak
olursa;
j
Kt = aTlN(tT ' 1R)
Ka = -(a T - aJl(k°C - 20°C)
aT : Test parçasının sıcaklıkla uzama katsayısı
aR : Referans parçasımn sıcaklıkla uzama katsayısı
1N : Nominal uzunluk
i
128
tT : Test parçasının sıcaklığı
tR : Referans parçasımn sıcaklığı
Yukarıda belirtilen ifadelerden daha genel bir ifadeye geçmek mümkündür. Böylece aynı işlem
hem tek bir ifade altında toplanmış hem de sıcaklık ve sıcaklıkla uzama katsayılarının ölçüm
sonuçlarına olan etkisi daha net bir şekilde görülmüş olur [7].
1T(1 + a T (t T - 20°Q) = 1R(1 + a R (t R - 20°C) + D
D: gösterge değeri
Buradan formülde gerekli düzeltmeler yapılırsa;
1T « 1R[1 + a R (t T - 20°C)(l - a T (t T - 20°C)] + D
Buradan da,
1T « 1R + l R [a R (t R - 20°C) - a T (t T -20°C)]
ifadesi elde edilir.
İfadeyi açıp gerekli düzeltmeler yapılırsa;
aR(tR-20°C) - aT(tT-20°C) = [(a R +a T )/2](t R -t T )+(a R -a T )[(t R -2O°C)+(t r 2O°C)]/2
burada;
(aR+Q;T)/2 = a , ortalama sıcaklıkla uzama katsayısı
(aR-aT) = 8a , uzama katsayıları arasındaki fark
(tR-tT) = öt , sıcaklık farkı
[(tR-2O°C) + (tT-20°C)] = At , 20°C 'den (referans sıcaklıktan) ortalama sapma
Sonuç denklem olarak;
1T = 1R + D + lR(a<5t +
elde edilir.
129
lO.Sonuç
Yukarıdaki ifadelerden ve anlatılanlardan anlaşılacağı üzere yüksek doğrulukla ölçme bloğu
ı
kalibrasyonu yapılabilmesi için, etken faktörlerin minimuma indirgenmesi gerekir. Temel olarak
kalibrasyon sırasında uyulaması gereken kurallar aşağıda belirtilmiştir.
1- Kalibrasyon işleminde kullanılan referans ve test ölçme bloklarının aynı
malzemeden imal edilmiş olması,
2- Referans ile test ölçme bloğu arasındaki sıcaklık farkımn ortadan kaldırılması,
yani sıcaklık kararlılığı için gerekli beklemenin yapılması [6],
3- Yapılan ölçümlerin mümkün olduğunca referans sıcaklık 20 °C etrafında
gerçekleştirilmelidir [6].
130
•!
Referans ile test arasındaki sıcaklık farkından dolayı test parçasının
normale göre boyundaki sapma
•c
l I I I I I
0,23
0.22
0,2
Uzama katsayısı
0.21
2. seviye
ölçüm Belirsizliği
±(0.1 + İ L ) um
L(m)
Z
0.20
0.19
Z
0.18
/L
7 Z
0,17
0.16
0,15
0.14
Z
0.13
0,12
7
0.11
0.10
7
Z
0,09
0.08
0.07
0.1
7
0.08
0.05
11
0,05
Y 004
z
004
0.03
0.03
V.
0,02
1. seviye
ölçüm Belirsizliği:
± (0.05 + 0.5 L) urr
L (m)
0.06
L
0.06
0,15
0Û2
0.01
0-
0
10
20 30
40 50
60 70
80
90 100 mm
Nominal Uzunluk -*•
131
Çelik gauge bloklar için DİN 861 bölüml'de kabul edilen normlara göre
mümkün olan maksimum fark için referans ile test ölçme bloğu
arasındaki uzama katsayısı farkının ölçüm sonucuna etkisi
•4-O-4-
0.02 •
'c
h-o.ı
4-
= 2-1Ö6K1
0,018 -
0,09
0.08
0016-
•1
•0.07 |
SI
0,06
0.0140Û120.01 •
OJ05 o
0jD08-
0.04
0.006 •
0.03
0004
0.02
0XX)2
0.01
0
10 15 20 30
0,2
40
50
ili.
60
70 80 90 100
Nominal Uzunluk
•C
1.0
0.18
05
0,16
•-0,8
0.14
* °'7 S
0.12
0B S"
0.1
0,5 j->
0,08
OA
OJO6
03
0.04
0.2
002
0.1
0
10 B 20 30
132
CNJ
40
50
60 70 80 90 100 mm
Nominal Uzunluk •*-
8
Kaynaklar
1 17. CGPM KONFERANSI (1983),BIPM
2 DİN 861, OCAK 1980
3 ISO 3650, 1978-07-15
4BS4311, 1968
5 OIML Nr 30, 1981
6 ANLETUN FÜR DİE KALIBRIERUNG VON PARALLELENDMASSEN BIS 100 MM
NENNMASS, PTB,DKD
7 GUIDE TO THE EXPRESSION OF UNCERTAINTY İN MEASUREMENT (1993), BIPM,
IEC, ISO, OIML
133
0.0014 MPa'DAN 160 MPa'A KADAR TÜRKİYE'DEKİ
MEVCUT BASINÇ ÖLÇEĞİ
I
Namık Bostan, Haluk Orhan
TÜBİTAK, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), P.K. 21, 41470, Gebze, Kocaeli
/
Özet
Bu çalışmada, hidrolik ve pnömatik pistonlu basınç standartları kullanılarak Ulusal
Metroloji Enstitüsü'nün Basınç Laboratuvarı'nda 0.0014 MPa'dan 160 MPa basınç değerine
kadar gerçekleştirilen ve muhafaza edilen basınç ölçeği anlatılmıştır. Ayrıca, bu ölçek içinde
yer alan basınç standartlarının belirsizlik değerleri verilmiş, izlenebilirlikleri anlatılmıştır.
Basınç biriminin hiyerarşik dağılımını açıklama amacı taşıyan bu çalışmada, son olarak, UME
Basınç ve Vakum Laboratuvarlarımn yakın gelecekteki faaliyetleri özetlenmiştir.
/
1. Giriş
UME Basınç Laboratuvarı, ülke içerisinde basınç ölçümlerinde birliği sağlamak,
uluslararası basınç birimi Pa (Pascal)'ı ve ülke ihtiyaçları doğrultusunda basınç ölçeğini
(skalasını) oluşturarak, bunu alt seviye laboratuvarlara transfer etmek amacıyla faaliyetlerini
1992 yılından beri sürdürmektedir.
Basınç birimi, kütle, uzunluk ve zaman birimlerine bağlı olarak türetilmektedir. Bu
birimin oluşturulmasında kullanılan farklı primer standartlar birbirinden bağımsız iki
değerlendirme metodunu biraraya getirmektedir (bu metotlar 2. bölümde anlatılmıştır). UME
Basınç Laboratuvarında, bu standartlardan biri olan pistonlu basınç standartları kullanılarak,
0.0014 MPa'dan 160 MPa basınç değerine kadar bir basınç skalası oluşturulmuştur. Bu
çalışmada, oluşturulan ve muhafaza edilen skala içerisinde yer alan standatlarla ilgili
belirsizlik değerleri verilerek, ölçümlerin izlenebilirliği açıklanacaktır.
2. Primer Basınç Standartları
'
Primer standart, belirli bir mahaldeki en yüksek metrolojik vasfa sahiptir. Primer
standart, ölçülecek büyüklük ve ona ait bileşenlerin ölçümleriyle ilişkili olarak, çok iyi
tanımlanmış fiziksel yasalar üstüne kurulmalıdır. Bu fiziksel yasalar üstüne kurularak elde
edilen pistonlu basınç standardı ve interferometrik manobarometre, birer primer basınç
standardı olarak kullanılmaktadır.
Şekil l.'de gösterilmiş olan civalı manometrede, U-tüpünün sağ kolonuna uygulanan P
basıncı, civanın yoğunluğu p, yükseklik değişimi h, yerçekimi ivmesi g olmak üzere AP
kadarlık bir basınç farklılığı oluşturur. Uygulanan basınç ile civanın yer değişimi dengede
olduğunda, sol kolonda sıfır olmayan bir referans basınç için mutlak P basıncı aşağıdaki
134
i
j
,/
eşitlik ile verilir.
P = p • g • h + P
(D
Atmosfer
basıncı
aralığında
"h"
yüksekliğinin belirlenmesinde en doğru sonucu
interferometrik metot verir.
Bu metot,
interferometrik sistem kullanılarak, U-tüpündeki
civa veya su, silikon yağı gibi değişik özellikte
akışkanların bulunduğu kolonlar arasındaki
akışkan yüzeyi seviye farkının, yüksek doğrulukla
belirlenmesidir. İnterferometrik manobarometre
sisteminde, basınç ölçümü üzerindeki belirsizlik 5Şekil 1. Civalı Manometre
10 ppm mertebesinde olup belirsizliğe katkıda
bulunan en önemli faktörler, civa yoğunluğunun
belirlenmesindeki ve civa sıcaklığı ile referans basıncın ölçümündeki belirsizliklerdir [1].
Şekil 2.'de gösterilen pistonlu basınç standartları,
atmosfer basıncı aralığından 1,3 GPa1 basınca
kadar kullanılmaktadır. Bu tip standartların en
önemli elemanı piston silindir ünitesidir.
Yüzeyi çok iyi işlenmiş Aeff, efektif alanına
sahip pistonun altına uygulanan akışkan basıncı,
akışkan içerisinde serbestçe
yüzen
piston
üzerindeki F kuvvetiyle dengede olduğu zaman
oluşturulan basınç; P= F/Aeff 'e eşit olur [2].
Yüksek doğruluğa ulaşabilmek için piston
Piston Silindir Ünitesi
silindir arasındaki temas ve sürtünmenin minimize
edilmesi
gerekir. Birçok sistemde bu etkileri
Piston
minimize edecek kuvvetler, silindir sabit kalmak
üzere piston ve üzerindeki kütlelerin döndürülmesi
Silindir
ile sağlanmıştır.
Sistemin performansının iyi olabilmesi için
piston ve silindirlerin düzgün, yüzeyinin iyi
P - basınç
işlenmiş, kesitlerinin daireye çok yakın ve
F - piston üzerindeki kütlelerin oluşturduğu kuvvet
aralarındaki toleransın birkaç mikron (veya daha
A - piston silindir alanı
düşük) olması gerekir. Bu nitelikler özellikle
pistonun ve silindirin gereğince temizlenmesine
Şekil 2. Pistonlu Basınç Standardı
ihtiyaç duyulan ve yağdan veya parçacık
kirlenmesinden arındırılmış gazların kullanıldığı
1
9
1 GPa = 10 Pa
135
pnömatik ve gaz yağlamalı sistemler için önemlidir.
Pistonlu basınç ölçerler tarafından oluşturulan basınç üzerindeki belirsizlik değeri;
yerçekimi ivmesi, kütleler, piston-silindirin efektif alanı ve mutlak basınç ölçümünde referans
basınç ölçümü üzerindeki belirsizlik değerleri göz önünde bulundurularak hesaplanır [3].
3. UME Basınç Standartları
3.1 Düşük basınç standartları
UME Basınç Laboratuvarında mutlak basınç ölçümleri için, pnömatik pistonlu basınç
standartları kullanılmaktadır. Mutlak basınç ölçümü yapan sistemlerde, piston silindir ünitesi
ve üzerindeki kütleler cam fanus içerisine konularak, mekanik vakum pompalan ile içerideki
hava alınır. Bu modda yapılan ölçümlerde kullanılan formül, p r e f kütlelerin üzerindeki basınç
olmak üzere; P= F/Aeff + p r e f 'dir.
Saflığı % 99.999 olan nitrojen gazının ortam basıncı olarak kullanıldığı UME pistonlu
basınç standartlarının çalışma aralığı 0.0014 - 7 MPa 'dır. Bu aralığı, 0.0014 - 0.17 MPa,
0.012-0.7 MPa ve 0.4-7 MPa aralıklarında çalışan üç adet serbest deformasyonlu piston
silindir ünitesi oluşturmaktadır. Bu piston silindir üniteleri kullanılarak yapılan mutlak basınç
ölçümlerindeki belirsizlik değeri % O.OO35'dir ve ölçümlerin izlenebilirliği NIST (ABD)
üzerinden sağlanmaktadır.
Bu sistemler, p r e f = p a t m olduğu durumlarda, bir başka deyişle, cam fanusun ve vakum
pompalarının kullanılmadığı durumlarda yapılan gage basıncı ölçümlerinde de
kullanılmaktadır.
3.2. Yüksek basınç standartları
Gage basıncı ölçümlerinde kullanılan, 0 . 1 - 5 0 MPa, 0.2 - 100 MPa, 0.4 - 160 MPa
basınç aralıklarında yağ ortamında çalışan üç adet piston silindir ünitesi içeren UME Yüksek
Basınç Standartları,
0.1 MPa'dan 160 MPa'a kadarlık bir basınç ölçüm aralığını
kapsamaktadır. Bu sistemler kullanılarak oluşturulan basınç üzerindeki belirsizlik değeri
% 0.005 olup, ölçümlerin izlenebilirliği LNE (Fransa) üzerinden sağlanmaktadır.
3.3. Transfer standartları
Ölçüm belirsizlik değerleri, UME Referans Standartları ile belirlenen UME Transfer
Basınç Standartları, 0.01 MPa ile 0.7 MPa basınç aralığında pnömatik ve 0.1 MPa ile 60
MPa basınç aralığında hidrolik pistonlu basınç standartlarından oluşmaktadır.
Bu sistemler, sekonder laboratuvarlara ait referans basınç ölçerlerin ve standartların
kalibrasyonunda kullanılmakta olup, oluşturulan basınç üzerindeki belirsizlik değeri % 0.04
mertebesindedir.
Sekonder Laboratuvarlar ise, UME tarafından kalibre edilen referans basınç
standartlarını kullanarak, kendilerine ait çalışma standartlarını kalibre edebilmektedir.
136
4. Basınç Metrolojisinde İzlenebilirlik Zinciri
NIST (ABD)
ve
LNE (FRANSA)
UME Referans
Standartları
Düşük
Basınç
Yüksek
1
UME Transfer
Standartları
1
Sekonder Laboratuvar
Referans Standartları
1
Sekonder Laboratuvar
Çalışma Standartları
Şekil 3. İzlenebilirlik Zinciri Şeması
Şekil 3 'de gösterilmiş olan basınç ölçümlerindeki izlenebilirlik zinciri şemasından da
anlaşılacağı üzere, UME ülke ihtiyaçları doğrultusunda basınç skalasını oluşturarak,
izlenebilirliği alt seviye laboratuvarlara transfer etmektedir.
UME Basınç Laboratuvarı'nın yakın gelecekteki faaliyetleri aşağıdaki gibi sıralanabilir:
1. 1995 Ekim ayından itibaren 105 - 10~5 Pa aralığında sekonder laboratuvarlarda
kullanılan vakum ölçerlerin kalibrasyonuna başlanacaktır.
2. 1995 Kasım ayından itibaren 0.2 ile 20 MPa basınç aralığında çalışan fark basıncı
ölçerlerin kalibrasyonuna başlanacaktır.
3. UME Basınç Laboratuvarında kullanılan pistonlu basınç standartlarının
kullanılmasıyla oluşturulan "Pa" biriminin, UME Kütle (kg) ve UME Uzunluk (m)
Laboratuvarlarma izlenebilirliği 1996 yılı içerisinde sağlanacaktır.
4. 1997 yılında CCM2 tarafından organize edilen ve 0.012 - 0.7 MPa ve 0 . 4 - 7 MPa
basınç aralıklarını kapsayan uluslararası karşılaştırmaya girilecektir.
Kaynaklar
1. Molinar G.F., Pavese F., Modern Gas-Based Temperature and Pressure Measurements,
s.280-295, Plenum Press (1992)
2. Molinar G.F., Pavese F., Modern Gas-Based Temperature and Pressure Measurements,
s.307-334, Plenum Press (1992)
3. Mosher K.K., Measurement Correction Methods for the Piston Pressure Balance, Ruska
Instrument Corporation, (1992)
Comite Consultatif pour la Masse et les Grandeurs Apparantees
137
KALİBRASYONDA KÜÇÜK SANAYİCİNİN YERİ
Necmi ÖZTABAK
FMEC-NUROL Sav. San. A.Ş.
Ülkemizdeki kalibrasyonu tanıyan ve uygulayan işletmelerin büyük çoğunluğu askeri
kuruluşlar ve bunlara iş yapan firmalardır.
Kalibrasyonun önemini tartışmaya gerek bile duymayacağımız bu yüzyılda kalibrenin
ne olduğunu ve nasıl uygulandığını bilmeyen küçük işletmelerin olduğunu kabul ederek, bu
konularda hizmet veren sektörlerin konuya sahip çıkması gerektiği bilinmelidir. Bu çalışmalar tanıtım ve küçük maliyetle yapılacak kalibrasyon hizmetleri ile olmalıdır.
Diğer bir konu; Büyük ölçekli işletmelerin kalibrasyon konusunda duyarsız davrandıklarını, peryodik kalibre gerektiren çalışma standartlarının değer değişikliğine uğramadıklarmı düşünerek diğer ölçü aletlerini, kalibresi yapılmamış olan standartlarla kalibre etmektedirler. Bu uygulamanın yanlış olduğu yetkili işletme personeline anlatılmalıdır. ISO-9001,
9002, 9003 ve 9004 kalite belgesi sahibi işletmelerin ISO şartnameleri gereği kalibrasyon
hizmetlerini yerine getirmeleri gerektiği halde bu konularda ciddi çalışmalar yapmadıkları
gözardı edilmemelidir.
Bilindiği gibi ülkemizde akredite olmuş ve sertifika verebilen kalibrasyon merkezleri
vardır. Büyük işletmelerin kalibrasyon konularında bu labaratuarlardan birisi ile irtibat
halinde olmaları gerekmektedir. Yayınlanacak bildiri ve sempozyumlarda bu konular işlenmeli ve her kurum kendi üzerine düşen ve sorumlulukları yerine getirmelidir.
i
138
KALİBRASYON LABORATUVAR AKREDITASYONUNDA
DENETLEME VE DENETÇİLERİN NİTELİKLERİ
Sadık ÇELİKEL
Hv. Müh. Yzb.
* AKREDİTASYONUN TANIMI
* KALİBRE LABORATUVARI AKREDİTASYONU
* AKREDİTASYONUN GEREĞİ
* KALİBRE LABORATUVARI AKREDİTASYONUNDA DENETLEME VE
DENETLENME NOKTALARI DENETÇİLERİN NİTELİKLERİ
Akreditasyonun Tanımı
Akreditasyon; Belgeleme, Onaylama, Yetkilendirme genel anlamını taşır.
Kalibre Laboratuvan Akreditasyonu
Bir kalibre labaratuvarınm yaptığı ölçümlerin doğruluğunun saptanması, izlenebilirlik
zincirinin denetlenmesi, kalite, personel, tesis ve çevre kontrol verilerinin bir üst labaratuvar,
organizasyon ve yetkili kuruluş tarafından değerlendirilerek güvenilir ölçüm transferinin
sağlandığının belgelenmesidir.
Akreditasyonun Gereği
Akreditasyon ile bir labaratuvarda, yapılan ölçümlerin kalitesi ve labaratuvarm
izlenebilirliğinin yeterliliği güvence altına alınarak labaratuvarm uluslararası geçerliliği belgelenir.
Kalibre labaratuvarında yapılan ölçümlerin ve transfer edilen büyüklüklerin hassasiyetinin sağlanabilmesi ölçümlerin yapıldığı ortamın çevresel şartlan, kullanılan etalon;
kullanılan transfer satndardı, işlemi yapan personel ve uygulanan kalibre prosedürü gibi ana
unsurların birarada bulunmasına bağlıdır. Labaratuvarm akredite olmasıyla tüm bu
unsurların geçerli bir kalibre işlemi için yeterli olduğu belgelenir.
Bugün teknolojik ve ekonomik olarak sınırların kalkmasıyla müşteri ihtiyçalarını tatmine yönelik kalite anlayışı amansız bir rekabete dönüşmüştür. Bu rekabet ortamında müşterinin tatmin edilmesi, mükemmel ürünlerin elde edilebilmesi, o müessesenin ölçme işleminde ne kadar hassas olduğuna bağlıdır. Çünkü; Test/Ölçü aletleri, bakım, imalat, test ve
kontrol işlemlerinde referans olarak kullanılırlar. Test/Ölçü aletleri yapılan işlemin / ürünün
doğruluğunun ya da kalitesinin belirlenmesinde ve izlenmesinde kullanılan en önemli vasıtalardan biridir. Doğrudan kaliteyi ilgilendiren ölçü aletlerinin güvenilir olmasına ihtiyaç
vardır. İşte Test/Ölçü aletlerini güvenilir yapan kalibre işlemi metroloji/kalibre sistemi içinde
139
gerçekleştirilir. Test /Ölçü aletleri labaratuvar standartları ile mukayese edilirler. Labaratuvar
standartları ise daha üst düzey labaratuvarlara gönderilirler. En üst referans standartları bir
ülkenin milli standartlar/ ölçüm merkezinde bulunur. Burası bir ülkenin ulusal metroloji
enstitüsü olarak adlandırılır. Buradaki standartlarda bir üst organizasyon tarafından
izlenebilir; uluslararası mukayese edilir durumdadır. Böylece kalibrede güvenilirlik
izlenebilirlikle pekiştirilmiş olmaktadır. Bu işlemlerin tümü bir ülkenin "Ulusal Metroloji
Enstitüsü"nün kontrolünde gerçekleşir, labaratuvar akreditasyonları ise "Milli Akreditasyon
Konseyi" tarafından oluşturulan organlarca yapılır.
j!
Kalibre Labaratuvan Akreditasyonunda Denetleme ve Denetleme Noktaları
Denetleme
Bir labaratuvarm tüm yasal zorunlulukları tamamladığı dikkate alınarak; labaratuvarm
akreditasyonunun nasıl gerçekleştirileceği anlatılacaktır.
/!
Labaratuvar kuruluşunu tamamladıktan sonra faaliyete geçebilmesi; yaptığı ölçümlerin
Ulusal Meteroloji Sistemi içinde kabul görmesinin gereği olan akreditasyon işlemini yaptırmak için Milli Akreditasyon Konseyine (MAK) müracaat eder. Bu müracaatında kendilerine
akreditasyon için yerine getirmesi gerekli koşullan içeren bir bildiri verilir. Bu bildiriyi alan
laboratuvar kendi şartlarını bu bildiriye göre gözden geçirir veya "Milli Akreditasyon
Konseyi'"nden ön denetleme ekibi isteyebilir. Milli Akreditasyon Konseyi'de organizasyonu
içinden görevlendireceği teknik personel ile bu ön denetlemeyi yapmak zorundadır.
Ön denetleme sonucu verilen rapora göre laboratuvar eksiklerini tamamlar ve MAK'e
tekrar müracaat eder. Müracaatını değerlendiren MAK ilgili labaratuvara akreditasyon
denetlemesi için gün verir. Artık akreditasyon denetlemesi için geri sayım başlamıştır.
MAK'nin denetleme için gerevlendireceği ekip; yine MAK tarafından hazırlanmış "ULUSAL
METOROLOJİ VE KALİBRASYON PROGRAMI" içinde yer alan "AKREDİTASYON
DENETLEME DÖKÜMANI"'m kullanarak denetleme yapar.
/
Denetleme Noktaları
>
Denetleme ekibi "Akreditasyon Denetleme Dokümanı" uyarınca yapacağı denetlemeye
esas olacak belgeleri labaratuvar yönetiminden ister ve yönetim bu belgeleri sağlamak zorundadır. Bu belgeler:
-Labaratuvarm yerleşim planı
/
-Labaratuvarm organizasyon şeması
-Geçen bir yıllık, eğer lüzum görülürse iki yıllık çevresel şartlar izleme grafikleri
-Labaratuvarm ölçüm cihazları standartları ve etalonlarının kalibre izlenebilirlik belgesi
(sertifikası)
-Kalite kontrol kayıtları
'
-Personel kayıtları
-Kalibre işleminde kullanılan dokümanlarıdır.
Denetleme ekibi labaratuvarm denetlemesini aşağıdaki noktalarda yapar ve raporlarında belirtirler.
140
j
,'•
a) Kalibre doğruluk denetimi
b) Kalite güvence programı
c) Tesis
d) Çevresel Şartlar
e) Personel durumu
f) Diğer faktörler
Şimdi bu noktalara tek tek bakalım:
a) Kalibre Doğruluk Denetimi:
Bu denetim bir labaratuvarm yaptığı ölçüm ve kalibrasyonun doğruluğunun, transfer
zincirinin tam olarak sağlanıp sağlanmadığının tesbiti için yapılan bir uygulamadır. Bu
denetlemede laboratuvarın cihaz kalibre hacmine bağlı olarak belirlenen miktar kadar
cihazın yeniden denetçiler nezaretinde kalibre ettirilmesi işlemini kapsar. Denetçi kalibre
eden personelin teknik doküman kullanılmasına, emniyet tedbirlerine uymasına, cihaz kullanımına ve kalibre disiplinine riayetini gözler ve not eder. Kalibresi tamamlanan cihazın performans kontrolleri denetçi tarafından yapılır veya teknisyene yaptırılır. Bunun sonucunda
performans kontrolünden geçen cihaz için labaratuvar denetimin bu noktasında başarılıdır
denir. Aksi durumda labaratuvar belirli bir oranda başarısız kabul edilir.
Kalibre doğruluk denetiminde de denetime alınacak cihaz sayıları labaratuvarm kalibre
envanterine göre belirlenir, burada bu sayı Milli Akreditasyon Konseyi ve UME ile birlikte
belirlenebilir. Bugün dünyada çeşitli akreditasyon kuruluşları içinde yer alan Aerospace
Guidence And Metrology Center (AGMC) ABD'nin bu konudaki uygulaması şöyledir.
Envanter miktarı
İşleme alınacak cihaz sayısı
En fazla hata sayısı
0-4999
5000-9999
10
2
20
3
10000 ve üzeri
30
4
40
5
50
5
60
6
Bu denetlemeler sırasında;
Labaratuvar envanterinin %1'i oranında (15 den az olamaz) kalibre edilmiş ölçü aleti
hazır bulunmalıdır. Ayrıca labaratuvar yönetimi son bir ay içinde kalibre ettikleri cihazların
listesini denetleme ekibine vermek zorundadır.
b) Kalite Güvence Programı:
Laboratuvarda yapılan kalibre işleminin kalite güvencesinin nasıl sağlandığına ilişkin
bir program bulunmalıdır. Bu programın yeterli olup olmadığı denetçi ekip tarafından değerlendirmeye alınacaktır. Bugün çoğu kalite sistemlerinde kalibre kalite güvence programı
aşağıdaki kontrol noktalarına sahiptir.
141
-Giriş kontrolları: Test/Ölçü aletlerinin labaratuvara gelişteki teknik ve fiziki kontrollarını kapsar.
-Kalite doğrulama metodu : Onarımı / kalibresi tamamlanmış test/ölçü aletlerinin
dokümantasyon ve teknik spesifikasyon değerlerinin uygunluğu QA personeli tarafından
teknisyenin teknik yeterlilik seviyesi dikkate alınarak belirlenen sıklıkta yapılan kontrol
metodudur. Her hatada teknisyenin seviye değişikliği yapılır, rastlanılan her hatalı cihaz için
rapor tutulur ve düzeltici işlem bir üst yönetime bildirilir.
-Kalite gözlem metodu : Labaratuvarda teknisyenin yılda en az iki defa olmak üzere
kalibre işlemi sırasında gözlenmesi işlemidir. Sonuç yine bir raporla belirtilir.
-Çalışma stantartları kontrolü : Labaratuvarda kalibre işlemi sırasında kullanılan ve o
anda kalibreli olan standart ve yardımcı cihazların %1'i her ay rastgele seçilerek hasasiyet
kontroluna alınır ve sonuç raporlanır.
-Çıkış kontrolları: Onarımı / Kalibresi tamamlanan tüm ölçü aletleri emniyet, temizlik,
fiziki durum, form ve dokümantasyon bakımından yapılan kontrol türü olup herhangi bir
olumsuzluk kayıt altına alınmalıdır.
-Yukarıdaki kontrol noktaları ve raporları denetçi ekip tarafından tek tek değerlendirmeye alınır. Kalibre işleminin kalite güvencesine etkileri olumlu veya olumsuz denetçi tarafından rapor edilir. Ayrıca denetçi ekip tarafından aşağıdaki hususlar göz önüne alınır.
-QA personelin konusunda uzman, yetenekli ve yeterli olup olmadığı;
-QA personelin miktarının yeterli olup olmadığı;
-QA tarafından tutulan raporların laboratuvar yönetimine iletilip iletilmediği, ne işlem
yapıldığı;
-QA personelince teknisyen seviye değişiklikleri zamanında yapılıp yapılmadığı;
-Raporlaşma işlemlerinin uygunluğu değerlendirilir.
c) Tesis
Labaratuvarın tesislerinin kalibre işlemleri için yeterli olup olmadığı değerlendirilir.
Tesisin toz kontrolü : Labaratuvarda toz ölçümleri belirli peryodlarda yapılmalıdır. Her
ölçüm raporlanıp saklanmalıdır. Labaratuvara dışarıdan toz girmesini önlemek için belirli
ölçüde pozitif basınç klima sisteleri vasıtasıyla sağlanmalı, klima çıkışlarında Hepa filtreler
bulunmalıdır. Böylece labaratuvarda toz kontrolünün daha ili sağlanabilmesi için çift kapılı
biri açık iken diğeri açılmayan hava kilidi olarak adlandırılan bir giriş olması tavsiye edilir.
Işıklandırma : Labaratuvarda hassas ölçüm ayapabilmesi için yeterli ışıklandırma
sağlanmalıdır. Tavsiye edilen en az ışıklandırma seviyesi şöyledir.
Kalibre ortamında
Onarım ortamında
Cihaz hazırlama ortamında
Büro kütüphane ve eğitim odasında
Dinlenme yeri ortamında
Depo bölümleri ortamında
Tuvalet
142
+50 FC
+50 FC
+50 FC
+50 FC
+50 FC
+20 FC
+10 FC
İyi ışıklandırma labaratuvar ortamı için gölge oluşumunu ortadan kaldıracak,
hatalı/yanlış okuma ihtimalini azaltacaktır.
Işıklandırmada floresan tipi aydınlatma armatürleri ile yaygın olarak yapılmalıdır.
İhtiyaç halinde local olarak direk aydınlatma uygulanabilir.
Zemin ve Duvarlar: Zemin elektrostatik özelliğe sahip malzeme ile kaplanmalı, kolay
temizlenebilir ve toz tutmayan cinsten olmalıdır. Mümkünse ekyeri olmamalı varsa ek yeri
toz birikimini önlemek için dolgu malzemeleri ile doldurulup düzgünleştirilmelidir. Zemin
malzemesinin vinylex olması tavsiye edilir.
Emniyet ve küçük-sinyal topraklaması: labaratuvarda insan ve cihaz emniyeti için
genel topraklama bulunmalı; bu topraklamanın direnci en fazla 10 ohm olmalıdır.
Laboratuvarda bulunan cihzaların elektromanyetik girişimden korunarak; hassas ölçüm
yapılabilmesi için maksimum 3 ohm direnci bulunan topraklama sistemi olmalıdır. Bu ölçümler her yıl yapılıp bulunan değerler raporlanmalıdır.
Yukarıda açıklanan tesis ile ilgili bölümler denetçiler tarafından değerlendirilir; lüzumu
halinde tekrar ölçülmesi denetçiler nezaretinde istenebilir.
d) Çevresel Şartlar
Laboratuvarda yapılan ölçümlerin doğruluğunun sağlanabilmesi için, ölçmede kullanılan standartların muhafaza edildiği ve ölçümün yapıldığı ortamın sürekli kontrol altında
tutulması gereklidir. Bu ortamların sıcaklık ve nem değerleri sürekli kayıt edebilen kayıt cihazları kullanılarak kayıtları sağlanmalıdır. Genel olarak boyutsal ölçümlerin (Absolute ve
Comp. 100 uin/in) büyüklüğündeki zerrecikten 10.000 adet bulunabilir. Ayrıca bu ölçümler
68 ±1 °F (20 °C ± 0.56 °C) ortam gerektirir. Diğer ölçüm sahaları için genel olarak 300.000 sınıfı
toz kontrollü artam yeterlidir. Sıcaklık 73 °F ± 6 °F (22.8 °C ± 3.3 °C), nem değerleri ise %35
RH ± 1 5 RH arasında olmalıdır. Bir yıl içinde bu toleransların dışında tesbit edilen süre
toplam sürenin %10'unu aşmamalıdır. Aksi halde labaratuvarın denetleme programı,
kesilerek düzeltme istenir ve ek süre tanınır. Bu süre içinde labaratuvarın çevresel ortam
kayıtları izlenir. Stabil duruma gelince tekrar denetleme ekibi talebinde bulunabilir.
e) Personel Durumu
Kalibre laboratuvarmda, kalibre işlemlerinde çalışan personelin kalibrasyon
prosedürünün uygulanması, ölçme teknikleri ve ölçü aletleri konusunda genel bilgileri almış
olmalıdırlar. Ayrıca her kalibrasyon sahasının gerektirdiği eğitimleri tamamlamaları gereklidir. Personelin teknik yeterlilikte olduğu yetkili organlar tarafından (Kalite Güvence Sistem
Yönetimi) sertifikalandırılmış olması şarttır. Bu gerek şartlar denetleme ekibince denetlenerek
raporlanır. Bu bölümün değerlendirmesi labaratuvara ivedi yerine getirilmesi gerekli işlem
maddeleri getirir.
f) Diğer Faktörler
Kalibre labaratuvarının işletilmesi ile ilgili yönetim ve üretim konrol faaliyetleri de
denetleme sırasında değerlendirilir. Labaratuvarın ergonomik olması, üretimin kapasite ve
ihtiyaç dengesi gözetilerek yapılıp yapılmadığına bakılır.
Ayrıca laboratuvarm envanter bilgilerinin doğruluğu kontrol edilerek envanterin hep-
143
sinin kontrol edilerek envanterin hepsinin kontrol altında olup olmadığı tesbit edilir.
Kalibre geri çağrı (Recall) sisteminin işleyişi denetlenir.
İş merkezleri (Müşteri) ile ilişkilerin hengi düzeyde olduğu denetlenir.
Buraya kadar Kalibre laboratuvarmın akreditasyonları denetlemesinde denetlenecek
noktalara genel bir bakış yaptık. Bu işlemlerin detaylanıdırılması, yasal formlandırılması
Milli Akreditasyon Konseyinin Akreditasyon ile İlgili birimlerinin ve Ulusal Metoroloji
Enstitüsünün ilgili birimlerin ortaklaşa yapacakları çalışmalarala belirlenmesi gerekir.
Başta belirttiğim gibi Türkiyede bir ulusal Metoroloji ve kalibrasyon Programı detaylı
olarak hazırlanarak yürürlüğe sokulmalıdır, bu konuda TÜBiTAK'ın çalışmalarını takdirle
izlemekteyiz. Kendilerine başarılar dilerim.
J
/
DENETÇİLERİN NİTELİKLERİ
Kalibrasyonlaboratuvarı Akreditasyon denetlemesinde görev alacak denetçilerin aşağıdaki niteliklere haiz olması denetlemenin müessiriyeti açısından gereklidir.
;
/.
-Kalibre konusunda temel ve ileri eğitim almış olmalı.
-Yüksek öğretim mezunu olmalı.
-Teknik doküman izleyebilecek derecede İngilizce bilmeli.
-Kalibrasyon ve metroloji konusunda en az dört yıl çalışmış olmalı (Halen çalışıyor olabilir).
Bu özelliklere sahip kişiler ayrıca MAK'ın Akreditasyon ile ilgili eğitimleri ile denetçi
olarak yetiştirilebilirler.
i
144
KALİBRASYON STANDARD VE REFERANS CİHAZLARININ
BAKIMI VE TAKİBİ
Hanife URAL
Elektrik Yük. Mühendisi
SBEMENS-SİMKO Kalibrasyon Merkezi
Yakacık Yolu No.l 11
81430
Kartal - İSTANBUL
Tel: ( 0 216) 389 59 40/10 Hat
Fax: ( 0 216 ) 306 80 52 - 389 26 54
1954-Afyon'da doğdu. Afyon Lisesini 1971 yılında bitirdi.Yıldız Üniversitesi, Elektrik
Mühendisliğini 1976, Master programını 1980 yılında tamamladı. 1977-1989 yıllan arasında
TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezinde çeşitli araştırma projelerinde çalıştı. Ulusal
Metroloji Enstitüsü'nün (UME) kurulmasında görev aldı. Uluslararası ölçme standardları
araştırma merkezleri olan PTB-Almanya, NRLM-Japonya, JEMIC-Japonya'da "Elektriksel
Standardlar ve Kalibrasyon Sistemleri"konusunda
çalışmalarda bulundu. 1989 yılından beri
SIEMENS - SİMKO Kalibrasyon Merkezinde görev
yapmaktadır.
ÖZET:
Kalibrasyon laboratuvarları, mevcut Standard
ve referans cihazlarını, birbirleri ile
karşılaştırarak, sistemlerinin ölçme belirsizliğini hem güvence altına
alabilir hemde
iyileştirebilirler.
Standard ve referans cihazların, ulusal ve uluslararası sisteme izlenebilirliğini sağlamak
üzere, Ulusal Metroloji Laboratuvarlarında yapılan periyodik kalibrasyonlannda, uzun süreli
stabilitelerine bakılmaksızın, tahmin edilen bir belirsizlikle değerleri tespit edilir. Bunun amacı,
standard ve referans cihazların birbirleri ile karşılaştırılmasından farklıdır.
Bu laboratuvar içi karşılaştırmalarla, standard ve referans cihazlarda, bir sonraki
kalibrasyon periyoduna kadar olan sürede meydana gelebilecek beklenmedik kaymalar
belirlenebilir.
ABSTRACT:
Greater confidence and better uncertainty can be ensured in a calibration
laboratory if at least two
similar standards are available and are regularly
intercompared.
The laboratory standards are send to National Metrology Institute (UME) for
periodic calibration, in order to provide traceability to national and international
standards. The intercomparisons of the laboratory standards are not a substitute
for periodic calibration by a higher echelon, they create information regarding
the longtherm stability of the standards.
Until next calibration period, an unexpected drift of the laboratory standards
can be detected by
the intercomparisons.
145
GİRİŞ:
i
Genel olarak, kalibrasyon laboratuvarlannda, referans cihaz ( kalibratörler) veya
standardların davranışlarının , yada başka bir deyişle, kalibrasyonların güvence altına alınması, bu
referans ve standardların Ulusal Metroloji Laboratuvarlan veya bir üst seviye referanslara sahip
laboratuvarlar tarafından periyodik olarak kalibrasyonlarının yapılması ile sağlanır. Bu iki
kalibrasyon periyodu arasında, referans ve standardların, tayin edilen bir belirsizlikle değerlerini
muhafaza ettikleri varsayılır.
Laboratuvar referans ve standardlarının periyodik kalibrasyon datalarının incelenmesi ile
stabiteleri, ölçme belirsizlikleri ve kalibrasyon periyodları hakkında yorum yapılabilir.Yani
ölçme belirsizlikleri iyileşebilir veya kötüleştirilebilir, kalibrasyon periyodları uzatılabilir yada
tersine kısaltılabilir.Bu yolla yapılan tahminler yeterli güven ve emniyeti sağlayamazlar.Örneğin
geçmişine ait kalibrasyon dataları bulunmayan, sisteme yeni dahil edilen bir referans veya
Standard için bir tahmin yürütmek güçtür.
j
/
Laboratuvar referans ve standardlarının, grup oluşturacak şekilde sayılarının artırılması ve
sürekli birbirleri ile laboratuvar içi dahili karşılaştırmalarının (intercomparisons) yapılması,
bakım (maintanence) ve takiplerinin sağlanması, iki kalibrasyon periyodu arasında,kalibrasyon
sistemini güvence altında tutar.
LABORATUVAR REFERANS VE STANDARDLARININ SAYILARININ
ARTIRILMASI:
;
/
Özellikle, laboratuvar referans cihazları yani kalibratörler yada kalibrasyonlarda esas alınan
ölçme cihazları, yoğun iş potansiyeli olan cihazlardır. Bunların periyodik kalibrasyonları için
laboratuvar dışına çıkması hem cihazların nakliye esnasında zarar görme ihtimalini taşır, hemde
bir süre için kalibrasyonlann durdurulmasını gerektirir.
Kalibrasyon laboratuvarlannda,güvenirliği sağlamak, iş programında kesinti yaratmamak,
kalibrasyolarda ölçme belirsizliğini iyileştirmek ve düzenli laboratuvar içi kaşılastırmalar yapmak
üzere transfer standardlarına ihtiyaç vardır. Kalibrasyon laboratuvarının ulusal ve uluslararası
izlenebilirliği, bu transfer standardlarının periyodik kalibrasyonları vasıtasıyla sağlanır.
iki benzer standardın laboratuvar içi karşılaştırılmalanyla sistem güvence altına
alınabilir.Elde edilen fark değerlerden standardların davranışları hakkında bilgi sahibi
olunur.Ancak kalibrasyon laboratuvarlarında daha büyük güvenirlik üç benzer standardın
birbirleri ile kaşılaştınlmalanyla elde edilir. Bu üçlü grubun üyelerinden birisinin stabitesinin
bozulması halinde, iki grub üyesinin birbirine
göre farkı değişmezken diğerinin büyük farklılık
göstermesi, bize stabilitesi bozulan standardı tespit
etme şansı verir.Halbuki iki benzer
standardın karşılaştırılmasında, her ikisininde tesadüfen aynı yöne aynı şekilde olan kaymaları
tespit edilemez, çünkü mutlak değer olarak, ölçülen farkta, göze çarpan
bir
değişme
belirlenemez.Görüldüğü gibi oluşturulan grubun eleman sayısı arttıkça kalibrasyon sisteminin
güvenirliği de artar.
Dahili karşılaştırmalarla stabilitesinin bozulduğu, mutlak değerinin değiştiği tespit edilen
standardta kayma (drift) devam ediyorsa, daha sıkı kontrol altında tutulur, gerekirse, grubun
güvenirliğini azalttığı için gruptan çıkarılır. Varsa gruba yeni üye alınır ve bir süre sıkı gözlem
altında tutulur.
146
j
Oluşturulan grubun tüm elemanları, esasen referans sınıf olmayabilir. Bazısı düşük sınıf veya
çalışma standardı olabilir. Önemli olan, oluşturulan grup için yeterli stabiliteye sahip olması ve
karşılaştırmalarda rahatsızlık yaratmamasıdır. Ancak grupta en az bir adet yüksek sınıf referans
standardı bulundurulmalı ve karşılaştırmalar düzenli olarak yürütülmelidir.
LABORATUVAR TRANSFER STANDARDLARI:
Kalibrasyon Iaboratuvarlarının izlebilirliğini temin etmek ve kullanılan referansların
değerlerini günceleştirmek üzere, laboratuvarda teşkil edilen grubun bir elemanı transfer
standardı olarak seçilir. Bu transfer standardı bir üst seviye laboratuvarlarda benzer standardlarla
karşılaştırılır ve bir ölçme belirsizliği ile güncel değeri tespit edilir. Transfer standardı,
laboratuvar dışına çıkmadanönce ve laboratuvara döndüğünde hemen diğer grub elemanları ile
karşılaştırılır, böylece transfer standardının nakledilmesi esnasında bir aksilik olup olmadığı tespit
edilebilir.
Transfer standardının seçiminde bazı hususlara dikkat etmek gerekir.Öncelikle taşınmaya
müsait olmalıdır.Örneğin bazı elektriksel transfer standardlarının kesintisiz güç kaynaklarına
ihtiyacı vardır.
Transfer standardının stabilitesi iyi değilse, tespit edilen değer çabuk
değişeceği için sağlıklı izlenebilirlik tesis edilemez. Laboratuvar şartlarında stabilitesi çok iyi
olan bir kalibratörün aynı
zamanda transfer standardı olarak kullanılması, kalibrasyonu için
laboratuvar dışına çıkarılması , davranışında bozukluk yaratabilir, taşınması esnasında zarar
görebilir. Sakıncalıdır.
DAHİLİ KARŞILAŞTIRMALAR:
Dahili karşılaştırma yönteminin esası, nominal değeri benzer büyüklüklerden, eleman sayısı
en az 3 olmak üzere bir grup oluşturulur ve grup elemenlannın birbirlerine göre farkları ölçülür.
Ölçülen bu farkların istatistiksel bir yöntemle analizinden sonra, grup elemanlarının güncel
değerleri tespit edilir.
Genel olarak, laboratuvar Standard ve referanslarının bakımı için uygulanan dahili
karşılaştırma ile elde edilen datalar "least square" istatistiksel yöntemine göre alınır ve
değerlendirilir. Bu metoda göre transfer standardının iki kalibrasyon periyodu arasında grup
elemanlarının ortalama değerinin sabit kaldığı varsayılır. Grup elemanlarının değerlerinin
tespitinde, kullanılan ölçme cihazının sistematik hatası ortadan kaldırılır ve rastgele hatalar
minimize edil ir. Yazıda, üç elemanlı bir grubun bazı karşılaştıma yöntemleri verilmiştir.
ÖRNEK 1: Değerleri X|, X2, X^ olan grup elemanlarının, şekil l'de olduğu gibi birbirlerine
göre fark değerleri Yi..6 ve ölçme cihazının sistematik hatası P, rasgele hataları Rı..6 ise,
X,-X2+P=Y,-RI
Y,-X,+X2-P=R,
X,-X3+P=Y2-R2
Y2-X,+X3-P=R2
=
X2-Xı+P Y4-R4
X3-X,+P=Y5-R5
YS-X3+X,-P=R5
Grubun ortalama değeri M,
M=(X,+X2+X3)/3
(Şekil 1)
147
E R I 2 = R , 2 + R2
2
+ R32+ R42+ R52+
o
0X1
0X1
0X1
Rasgele hataların karelerinin toplamının X|, X2, X3 'e göre kısmi türevlerinin sıfır
olduğudurumda, rasgele hatalar minimumdur. Yukarıdaki deklemlerden Xı, X2, X3
çözülürse,grup elemanlarının güncel değerleri Xj, X2, X3 tespit edilmiş olur.
x,=
MH
ı-_L(
Y1
+
Y 2 -Y 4 -Y 5 )
6
X2= MH ı-i( -Y, + Y 3 +Y4-Y 6 )
6
-Y2 -Y 3 +Y 5 +Y 6 )
X3= MH
6
ÖRNEK 2: Değerleri Xj, X2, X3 olan grup elemanlarının, şekil 2 'de olduğu gibi birbirlerine
göre fark değerleri Y1..6 ve ölçme cihazının sistematik hatası P, rasgele hataları R] 6 ise,
Y,
X,-X2+P=Y,-Rı
X2-X3+P=Y2-R2
X2-X1+P=Y4-R4
X3-X2+P=Y5-R5
X1-X3+P=Y6-R6
Y1-X,+X2-P=R,
Y2-X2+X3-P=R2
Y5-X3+X2-P=R5
Grubun ortalama değeri M,
(Şekil 2)
M=(X,+X2+X3)/3
Y2
ZRI2=R,2+R22+R32+R42+R52+R«2
0X1
0X1
0X1
Rasgele hataların karelerinin toplamının Xı, X2, X 3 'e göre kısmi türevlerinin sıfır olduğu
durumda, rasgele hatalar minimumdur. Yukarıdaki deklemlerden Xı, X2, X3 çözülürse,grup
elemanlarının güncel değerleri Xı, X2, X3 tespit edilmiş olur.
148
J _ ( Y , -Y 3 -Y 4
Y 2 +Y 4 -Y 5 )
X 3 =M + J _ ( - Y 2 + Y3+Y5-Y6)
6
ÖRNEK 3: Transfer
standardının bir üst seviye laboratuvarda periyodik
karşılaştırılmalarından sonra, grup elemanlarının değerlerinin belirlenmesi ve grubun yeni
ortalama değerinin tespit edilmesi.
S -X,+P=Y,-R,
X,-X2+P=Y2-R2
Xı-S +P=Y4-R4
S -X2+P=Y5-R5
X2-X,+P=Y6-R6
ZRI2=R,2+
Y,-S +X,-P=R,
Y2-X,+X2-P=R2
Y4-X,+S -P=R4
Y5-S +X 2 -P=R 5
Y6-X2+X,-P=R6
R22+ R32+ R42+ R52+ R6
i2 _ o ,
=
o,
_o
(Şekil 3)
X,=
X2= S
+J_(-2Y,
6
2Y 4 -Y 5 -Y 6 )
J_ (- Y, - Y2+ 2 Y3 + Y4 - 2Y5
6
Grubun yeni ortalama değeri M,
M=(S +^X
149
SONUÇ:
Kalibrasyon laboratuvarlarında, nominal değerleri benzer standardlardan oluşturulan
grubun periyodik dahili karşılaştırmaları, örnek 1,2,3 'de olduğu gibi yapılabilir. Böylece transfer
standardının bir üst seviye laboratuvardaki iki kalibrasyon periyodu arasında sistem güvence
altına alınmış olur.
Mesela, bir elektrik kalibrasyon laboratuvarında , gerilim transfer standardı
olarak732B/FLUKE
seçilerek , çok fonksiyonlu kalibratörler 5700Ave 5100B/FLUKE 'den
oluşturulan grubun, DClOV'da
dahili karşılaştırmaları, Null dedektör 845/FLUKE
vasıtasıyla yapılabilir ve yukarıda verilen istatiksel yöntem ile değerlendirilerek, laboratuvarda
gerilim kalibrasyonları kontrol altında tutulabilir. Benzer şekilde DC direnç transfer standardl 1
ohm ve 10 kiloohm seçilerek, 5700A ve 5100B/FUKE 'den oluşturulan grubun dahili
karşılaştımalarında fark değerler, 6 1/2 digit multimetre 8505/FLUKE
ile ölçülür ve
değerlendirilir.Böylece laboratuvarda direnç kalibrasyonları güvence altına alınabilir.
REFERANSLAR:
l.A.F.Dunn, Maintanance of a laboratory unit of voltage, IEEE Trans.Instrum. Meas.,vol.
IM-20, pp.2-10, Feb. 1971
2.Harry H. Ku, Chapter2. , Statistical concepts in metrology, Handbook of Industrial
Metrology, pp.20-50. , Prentice-Hall, Inc., 1967
3.H.Ural, S.Varol, Ş.Özgül, B.Bumin, DC Voltaj standard biriminin oluşturulması ve
kalibrasyonu, UME, 1991
4.FLUKE,Calibration: Philosophy in Practice, Section 5, Statistic, Section 2- chapter 6,
Standards and Traceability, 1994
150
j