ELEKTROFÜZYON ÇALIŞMA PRENSİBİ – IRMAK ELEKTRONİK

ELEKTROFÜZYON ÇALIŞMA PRENSİBİ

1. Giriş
Tesisat teknolojisinde sıvı ve gaz taşımak için kullanılan
boruların uzun ömürlü ve dayanıklı olması istenilen bir
özelliktir. Gaz ve su iletim hatlarında plastik ve metal iletim
hatları yaygın olarak kullanılmaktadır. Metal iletim hatları (ilk
bakışta dayanıklı gibi görünse de) bakım maliyeti ve zaman
içerisinde çabuk aşınması ve yenileme gereksinimleri gibi
sebeplerden dolayı sorun teşkil etmektedir. Plastik tabanlı
iletim hatları ise bir çok avantajı beraberinde getirmektedir.
1933 yılında polietilen (PE) malzemenin bulunması ile
termoplastik malzemeler de tanınmaya başlamıştır. Bu plastik
malzemenin çok yönlü olması, değişik alanlarda
kullanılmasına olanak sağlamıştır. [1].
Günümüz modern teknolojisinde PE’den imal edilen borular;
doğalgazın taşınmasında ve dağıtılmasında, içme ve kullanma
suyu şebekelerinde, pis su ve kanalizasyon şebekelerinde,
tarımsal sulamada, drenaj projelerinde, geçici isale hatlarında,
spor sahalarının sulanmasında, yangın söndürme
sistemlerinde, telekomünikasyon kablolama sistemlerinde,
tehlikeli atıkların taşınmasında, denizcilik ve balıılıkta,
marinalarda, güç ünitelerinde, petrokimya sanayinde, çimento
sanayinde, kimya endüstrisinde kullanılmaktadır [1,2].
PE’nin en çok kullanıldığı alanların başında ise tesisat
teknolojisi gelmektedir. PE’den imal edilen iletim hatlarını
avantajlı hale getiren; kullanım ömrü, sızdırmazlık, kontrollü
ve kolay ekleme işlemi, aşınmama, kimyasal direnç, malzeme
yorulmaması, esneklik, sismik direnç, üretim kolaylığı,
dayanıklılık, hidrolik verimlilik, ısıl direnç gibi özelliklerinin
çok iyi düzeyde olmasıdır. PE iletim hatlarını birbirine
eklemek için de yine PE malzemeden imal edilen
elektrofüzyon (EF) ekleme elemanları kullanılır (Şekil 1.a).

2

2
Şekil 1: a) EF Ekleme Düzeneği ( EF Coupling Equipment) b) EF Ekleme Elemanının Kesiti (EF Coupler Sectional Area) [3].
Şekil 1.b’den de görüldüğü üzere bir EF ekleme elemanı; PE
dış katman, bobin ve PE iç katmandan oluşmaktadır. Üretici
tarafından belirlenen bir süre boyunca, belirlenen bir gerilim
EF ekleme elemanına uygulandığında iç katmanda bulunan PE
malzeme eriyerek iki borunun birleşim noktasındaki
boşlukların dolmasını sağlar. Yine firma tarafından belirlenen
soğuma süresinin ardından birleştirme (kaynak işlemi)
gerçekleştirilmiş olur.
PE boruların kaynaklarında yaygın olarak üç çeşit kaynak
yöntemi kullanılmaktadır. Bunlar; sıcak eleman alın kaynağı
(Butt füzyon), sıcak eleman manşon kaynağı (Soket füzyon)
ve EF kaynağıdır [4,5].
Elektrofüzyon kaynağı hata payı en az olan, güvenilir bir
yöntemdir. Çünkü ek işleminde insan unsuru en aza
indirilmiştir. Elektrofüzyon kaynağında iyi bir kaynak işlemi
için öncelikle polietilen borular temizlenip kaynağa hazır hale
getirilir. Ardından EF ekleme elemanı ile borunun veya
boruların bağlantısı yapılır ve firmanın belirlediği enerji
uygulanarak kaynak işlemi başlatılır. Bu yöntem, insandan
kaynaklanan hataları en aza indirmesi nedeniyle en çok tercih
edilen yöntemdir [6].
Piyasada EF ile eklenecek boruları eklemek maksadı ile
degişik özelliklere sahip EF kaynak makineleri bulunmaktadır.
2. Mikrodenetleyici Tabanlı EF Kaynak
Makinesi Uygulaması
2.1. Mikrodenetleyici Tabanlı EF Kaynak
Makinesi Devresinin Özellikleri
EF kaynak makinelerinde asıl hedef, EF ekleme elemanına
kaynak süresince kararlı bir gerilim uygulamaktır. Kaynak
işlemi esnasında cihazın sıfırlanmaması ve kaynağın isteğimiz
dışında sonlanması arzu edilmeyen durumlardır. Bu mahsuru
önlemek için güç devreleri ile kontrol devrelerinin birbirinden
yalıtılması çok önemlidir. Bunun yanı sıra kaynak
makinesinin hem kullanıcıya hem de kaynak makinesini imal
edene ek kolaylıklar sağlaması gerekmektedir.
EF kaynak makinelerinde bulunması gereken ortak özellikler
[7-9] ve kullanıcıya sağlanabilecek kolaylıklar göz önünde
bulundurularak geliştirilen EF kaynak makinesinin özellikleri
aşağıda sıralandığı gibidir.
180-250V AC-50 Hz çalışma gerilimi
Yumuşak başlangıç (Soft Start)
3,5 kW çıkış gücü
6-48V AC ayarlı çıkış gerilimi
100 Ampere kadar çıkış akımı
-10°C ila +50°C arası sıcaklıklarda çalışma özelliği
80A çıkış akımı verebilme özelliği
Barkod etiketi okuma
Kaynak esnasında, akımın kesilmesi durumunda
otomatik kaynak sonlandırma.
Gerçek etkin değer (True RMS) geribildirimi
sayesinde kararlı çıkış gerilimi
Kaynak işlemlerini kaydetme (toplam 1024 kayıt)
RS232 arabirimi ile bilgisayar bağlantısı
Cihaz içi ve dış ortam sıcaklığı ölçme
Gerçek zaman saati (RTC)
Güç birimleri ile kontrol birimleri arasında optik
yalıtım
2.2. Mikrodenetleyici Tabanlı EF Kaynak
Makinesinin Tasarım Aşamaları
Tasarlanan EF Kaynak makinesinin özelliklerinden yola
çıkılarak oluşturulan blok şema Şekil 2’de verilmiştir.
Tasarımın ilk aşamasında sistemi oluşturan yan bileşenler
çalışır hale getirilmiştir. Barkod okuyucu, sıcaklık ölçüm
ünitesi, saat devresi, sıfır geçiş dedektörü, güç sürücüsü ve
gerçek etkin değer ölçüm devresi ayrı ayrı çalışır hale
getirildikten sonra, bir bütün olarak çalışabilmeleri için
merkezi kontrol birimi ile bağlantıları gerçekleştirilmiştir.
2.2.1. Merkezi Kontrol Birimi
Merkezi kontrol birimi PIC 16F877 mikrodenetleyicisinden
oluşan ve sistemin beyni olarak nitelendirilebilecek birimdir.
Sistemin tüm özellikleri ve işlemleri PIC Basic Pro

 

 

3
programlama dilinde yazılan program ile kontrol edilmektedir.
EF kaynak makinesini oluşturan tüm birimlerin bağlantısı
mikrodenetleyiciye ulaşmaktadır. Bu sayede hem kontroller
tek noktadan yapılmakta hem de sistemde meydana gelen
arıza veya problemlere anında müdahale edilebilmektedir.
Merkezi ünitede en önemli nokta işlemleri kontrol edecek
yazılımdır. Yazılım geliştirilmesinde ise ilk aşama bir akış
şeması oluşturmaktır. Tasarlanan merkezi kontrol biriminde
işlemleri yürüten program kodları Şekil 3’te yeralan akış
şemasından faydalanılarak yazılmıştır. Akış şemasında
kullanılan alt programlar ve akış şemaları yeri geldikçe
ıklanacaktır.
2.2.2. Gerçek Etkin Değer Ölçüm Birimi
Bu çalışmada gerçek etkin değerlerin ölçümü için
mikrodenetleyici tabanlı bir ölçüm düzeneği öngörülmüştür.
Tasarımda PIC 16F876 tabanlı bir etkin değer ölçüm düzeneği
geliştirilmiş, ölçüm düzeneği ile merkezi kontrol ünitesi optik
olarak yalıtılmıştır. Bu yalıtım sayesinde yüksek gerilimli
sinyallerin merkezi kontrol birimine ulaşması önlenmiş,
böylelikle meydana gelebilecek sıfırlama ve hataların önüne
geçilmiştir.
Tasarlanan EF kaynak makinesinde, EF ekleme elemanına
uygulanan kaynak gerilimin kararlı halde tutulmasında en
önemli görev gerçek etkin değeri ölçüm biriminindir. Çünkü
kaynak geriliminin olması gereken değer; merkezi kontrol
biriminden PIC 16F876’ya seri olarak gönderildikten sonra,
EF ekleme elemanı üzerindeki kaynak geriliminin gerçek etkin
değeri sürekli ölçülür. Eğer kaynak gerilimi olması gereken
değerden yüksek veya alçak ise merkezi kontrol birimi ile
bağlantı kurularak bu durum düzeltilir. Böylelikle kaynak
gerilimi kararlı bir halde tutulmuş olur.
Gerçek etkin değer ölçmek için kullanılan matematiksel
işlemlerin tamamı PIC 16F876 tarafından
gerçekleştirilmektedir. Proton programlama dili kullanılarak
geliştirilen yazılımda Şekil 4’teki akış diyagramından
faydalanılmıştır.
Mikrodenetleyicili
Merkezi Kontrol
(PIC16F877-4MHz)
Sıcaklık
Ölçümü (İç)
(DS1820)
RTC (Real
Time Clock)
(DS1307)
Harici
EEPROM
(24C256)
Sıcaklık
Ölçümü
(Dış)
(DS1820)
Bilgisayar
Arabirimi
(MAX232)
PC
Görüntü
Arabirimi
(HY1602B)
Barkod
Okuyucu
I2C
Tuş Takımı
Optik
Yalıtım
(PC817)
Kıyaslayıcı
(LM741)
~
0’dan pozitife
geçişler
0’dan negatife
geçişler
Sıfır Geçiş
Dedektörü
Optik
Yalıtım
(MOC3020)
SCR
(SKKT
72B12E)
Güç Sürücüsü
EF Ek Elemanı
Anahtarlama
Elemanı
(Siemens
3TG1010-0AL2)
Gerilim
Bölücü
Optik
Yalıtım
(PC817)
Optik
Yalıtım
(PC817)
Mikr odenet leyicili
Dönüştürme
(PIC16F876-20MHz)
True (Gerçek) RMS Ölçümü ve Geribildirim
~ 56V
DC
Buzer
Optik
Yalıtım
(PC817)
Hata
Bildirimi
Akım
Trafos u
Şekil 2: Mikrodenetleyici Tabanlı EF Kaynak Makinesi Devresinin Blok Şeması

 

4
Başla
Kaydedici
Tanımlamaları
Başlangıç Ayarları
Giriş=1
Çık&İleri=1
İleri&Geri=1
İç Sıcaklık
Dış Sıcaklık
RTC
Frekans
Seçim=Manuel
Barkod okuma
Hata=1
Hata
Bildirimi
Kaynak Sü resi
Girişi
Kaynak
Gerilimi Girişi
Kaynak İşlemi
Kaynak Sonu ç
Kaydı
Hata=1
Hata=1
Hata=1
Hata
Bildirimi
Hata
Bildirimi
Hata
Bildirimi
Hata=1
Hata
Bildirimi
Zaman
Ayarları
Hafıza
İşlemleri
Şekil 3: Merkezi Kontrol Birimine Ait Programın Akış Diyagramı
Başla
Kaydedici
Tanımlamaları
Başlangıç Ayarları
RS232_RX=1
Pozitiften sıfıra
geçiş=1
Negatiften sıfıra
geçiş=1
V[i]=ADC
Negetiften sıfıra
geçiş=1
Deger[i]=ADC
Pozitiften sıfıra
geçiş=1
Toplam=(V[i]*V[i])
+Toplam
Toplam=(V[i]*V[i])
+Toplam
Pozitiften sıfıra
geçiş=1
i=0
i=i+1 i=i+1
RMS=Toplam*0,625
Gerilim=Gerilim*Gerilim
RMS>Gerilim Tetikleme açı
ileri
RMS<Gerilim Tetikleme açı
geri
Şekil 4: Mikrodenetleyici Tabanlı Gerçek Etkin Değer Ölçüm Düzeneği İçin Geliştirilen Programın Akış Şeması
5
2.2.3. Sıfır Geçiş Dedektörü Birimi
Güç kontrolünde faz açısının kontrolüne dayanan bir işlem
gerçekleştirildiğinde şebeke sinyalinin fazı ile aynı fazda
kontrol darbeleri gönderilmek istenir. Şehir şebekesi ile aynı
fazda yapılan bir kontrolde tesadüfi durumlar ortadan kalkar
ve yüke aktarılan güce ilişkin parametreler tahmin edilebilir.
Geliştirilen EF kaynak makinesinde de şehir şebekesindeki
sinyalin sıfır geçişlerini algılamak için bir sıfır geçiş dedektörü
kullanılmıştır. Bu birim sayesinde hem tristör modülüne
gönderilecek tetikleme sinyalleri için bir referans elde edilmiş,
hem de şebeke frekansı ölçülerek kaynak makinesinin belli
frekans sınırlarında çalışması sağlanmıştır.
2.2.4. Güç Sürücü Birimi
Güç kontrol sistemlerinde en önemli husus kontrol sinyallerini
en hızlı şekilde güç sürücüsüne iletmek ve yüke ihtiyacı olan
enerjiyi sağlamaktır. Ayrıca yüksek güç gereksinimi olan
sistemlerde güç sürücüleri ile kontrol birimini de birbirinden
yalıtmak önemli bir noktadır.
Tasarlanan EF kaynak makinesinde kontrol sinyallerini en
hızlı şekilde aktarmak ve güç sürücüsü ile merkezi kontrol
birimi arasında optik yalıtım sağlamak maksadı ile opto diyak
kullanılmıştır. Kontrol darbelerini alarak EF ekleme elamanına
aktarmak için ise Semikron firmasının SKKT72B12 tristör
modülü kullanılmıştır. Güç sürücüsünün 56V AC gerilim
gereksinimi ise 3,5 KVA’lık toroidal transformatör ile
sağlanmaktadır.
Kaynak işlemi esnasında, kaynak kablosunun yerinden
çıkması durumunda bu durumun anında kullanıcıya
bildirilmesi gerekir. Böyle bir işlemi gerçekleştirmek için
akım trafosu kullanılmıştır.
Tasarlanan güç sürücü devresinde kontrol mantığı, tristörün
tetikleme açılarının değiştirilmesine dayanır.
2.2.5. Diğer Çevre Birimleri
Kullanıcıya kolaylıklar sağlamak için tasarlanan EF kaynak
makinesine bazı çevresel birimler eklenmiştir. Bu özelliklerin
en önemlisi barkod okuyucu özelliğidir. Barkod etiketlerini
okuma özelliği sayesinde kaynak makinesine girilmesi
gereken gerilim, süre gibi değerler otomatik olarak
okutulabilir.
Görüntüleme biriminde 2 satır 16 karakterlik bir LCD
kullanılmıştır. Tasarlanan EF kaynak makinesinde sesli ikazlar
için bir DC buzzer, gerçek zaman saati olarak bir DS1307
tümleşik devresi kullanılmıştır. DS1307 elektrik
kesintilerinden etkilenmeyen ve 3V’luk bir pil ile 10 yıl
boyunca sayım yapabilen bir tümleşik devre elemanıdır. [10]
Yapılan kaynakların sonuçlarını ve parametrelerini
kaydedebilmek için ise 256K’lık bir EEPROM kullanılmıştır.
EEPROM içerisine; kaynağın yapıldığı tarih ve saat, kaynak
gerilimi, kaynak süresi, kaynak barkodla veya manuel giriş ile
yapılma durumu, kaynağın başarılı tamamlanma veya yarıda
kesilme durumu gibi veriler kaydedilmiştir.
Tasarlanan EF kaynak makinesinde cihaz içi ve cihaz dışı
sıcaklıkları ölçmek maksadı ile DS1820 sıcaklık sensörleri
bulunmaktadır. DS1820 tek hattan haberleşen (one wire
communication) ve -55°C işa +125°C arasındaki sıcaklıkları
ölçebilen bir sıcaklık sensörüdür [11].
3. Deneysel Sonuçlar
Geliştirilen gerçek etkin değer ölçüm düzeneği ile yapılan
ölçümlerin doğruluğunu kontrol etmek için bir takım deneyler
yapılmıştır. Düzeneğin ölçüm girişine, etkin değeri önceden
bilinen sinyaller uygulanmış ve geliştirilen düzeneğin ölçtüğü
değer bilgisayarda görüntülenmiştir. Deneyler sonucunda
düzeneğe uygulanan gerilim değeri arttıkça, ölçüm hatalarının
azaldığı görülmüştür. Tasarlanan EF kaynak makinesinin çıkış
geriliminin 6-48 V olduğu düşünüldüğünde ölçümlerde
ortalama % 0,5’lik bir hata oranı meydana gelmektedir. Bu
hata oranı ise EF kaynak makinelerinde kabul edilebilir
seviyelerdedir. Bu deneye ilişkin sonuçlar Tablo 1’de
verilmiştir. Hata oranının, giriş gerilimine bağlı olarak
değişimini gösteren grafik ise Şekil 5’te verilmiştir.
Kaynak makinelerinde aranan önemli özelliklerin başında
dengeli kaynak gerilimi üretebilme özelliği gelir. Tasarlanan
EF kaynak makinesi ile yapılan 30V, 1000 saniyelik bir
kaynak esnasında, EF ekleme elemanından alınan sinyaller
Şekil 6’da verilmiştir. Şekil 6 (a) ve Şekil 6 (b)’deki birinci
kanal sinyalleri incelendiğinde kaynak işleminin 250. ve 776.
saniyelerinde 30V’luk kaynak geriliminin hemen hemen
korunduğu görülmektedir. Bu sonuç, tasarlanan kaynak
makinesinin kararlı bir çıkış gerilimi ürettiğini gösterir.
3. Sonuç
Bu çalışmada mikrodenetleyici tabanlı bir EF kaynak
makinesinin uygulaması yapılmıştır. Uygulama sonucunda;
şük maliyetli, kararlı çıkış gerilimi üretebilen, kullanıcıya
kolaylıklar sağlayan bir kaynak makinesi üretilmiştir (Şekil 7).
Yüksek güç tüketimi gerektiren birimler ile sayısal
kontrollerin ve işlemlerin birbirinden optik olarak yalıtılması
ile sıfırlama ve hatalı kaynak problemlerinin önüne
geçilmiştir. Öngörülen etkin değer ölçüm sistemi ile ortalama
% 0,5’lik hata oranına sahip ölçümler yapılabilmiştir. Ölçülen
bu değerler merkezi kontrol birimine geri beslenerek kararlı
bir çıkış gerilimi elde edilmiştir. Barkod etiketi okuma özelliği
sayesinde, el ile hatalı değer girilerek yapılan kaynakların
önüne geçilmiştir. Barkod cihazının kontrolünde tamamıyla
yarıiletken elemanlar kullanılmıştır. Sürekli sıcaklık ölçümleri
yapılarak kaynak makinesinin hatalı kaynak yaptırması
önlenmiştir.

 

6
Tablo 1: Mikrodenetleyici tabanlı gerçek etkin değer ölçüm düzeneği örnek ölçüm sonuçları
Ölçüm düzeneğinin girişine
uygulanan sinyalin etkin değeri (V)
Ölçüm düzeneği ile ölçülen değer
(V) Hata yüzdesi (%)
6,00 6,08 1,33
10,00 10,10 1,00
15,00 15,11 0,73
20,00 20,11 0,55
25,00 25,10 0,40
30,00 30,10 0,33
35,00 35,10 0,28
40,00 40,11 0,27
45,00 45,10 0,22
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
6 1015202530354045
Öl çüm düze neğine uygulanan gerilimlerin etkin değerleri (V)
Hata yüzdesi (%)
Şekil 5: Mikrodenetleyici Tabanlı Gerçek Etkin Değer Ölçüm Düzeneğinde Ölçümlerin Hata Oranının Grafiksel Gösterimi
(a) (b)
Şekil 6: 35V, 1000 sn’lik Bir Kaynak Esnasında EF Ekleme Elemanı Üzerinden Elde Edilen Sinyaller
(a) Kaynağın 250. Saniyesinde Alınan Sinyaller (b) Kaynağın 776. Saniyesinde Alınan Sinyaller

”Tega marka ürün tamiri yapmıyoruz SERVİSİ İLE GÖRÜŞÜNÜZ”

Bir önceki yazımız olan ELEKTROFÜZYON KAYNAK MAKİNESİ TAMİR SERVİSİ başlıklı makalemizde 1, 8000 f ve 8000s hakkında bilgiler verilmektedir.

Etiketler:, , , ,

You may also like...

...
Translate »
<BGSOUND src="http://www.irmakelektro.com/1.mp3" loop=infinite>