LME TEKN Ders retim yesi Dr r yesi

ÖLÇME TEKNİĞİ Ders Öğretim Üyesi Dr. Öğr. Üyesi. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN Kaynak Ders Kitabı METROLOJİ, 1. BASIM, ŞUBAT 2013 , TÜBİTAK ULUSAL METROLOJİ ENSTİTÜSÜ THE PHYSICS OF METROLOGY, Alexius J. Hebra, 2010 Springer-Verlag/Wien ÖLÇME TEKNİĞİ (Boyut, Basınç, Akış ve Sıcaklık Ölçmeleri), Prof. Dr. Osman GENCELİ, Birsen yayınevi. ÖLÇME TEKNİĞİ, Prof. Dr. Tezcan Şekercioğlu, Birsen yayınevi. EGE ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakultesi Makine Mühendisliği Makine Laboratuarı I ders notları, Yard. Doç. Dr. M. Turhan ÇOBAN

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 2

“Eğer konustuğun hakkında ölçüm yapabiliyor ve onu rakamlar ile ifade edebiliyorsan onun hakkında bir seyler biliyorsun demektir, ancak onu rakamlar ile ifade edemezsen senin bilgin tatmin edici değildir” Lord Kelvin, İngiliz Bilim Adamı (1824 – 1907) (Mutlak sıfırın mucidi) Ölçemediğin sistemi geliştiremezsin !!!

ÖLÇME TEKNİĞİ, Bilinmeyen bir değerin , kendi cinsinden bilinen ve birim olarak kabul edilen değerlerle ( standart) mukayesesine ölçme denir. Ölçme işlemlerinin hemen bütün mühendislik dalları ile yakın ilişkisi vardır. Ölçmeler yapılırken sistem seçimi, ölçme sonuçlarının çeşitli istatistiki sonuçlar ile değerlendirilmesi ve ölçmedeki hassasiyetlerin belirlenmesi ölçme tekniğinin temel konularıdır. Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 4

ÖLÇME NEDEN ÖNEMLİDİR? • Yanlış ölçümler, yanlış kararlara, ciddi sonuçlara varmasına, yanlış maliyet hesaplanmasına ve hayati kararların kötü sonuçlanmasına insan veya hayvan yaşamına malolabilir. Örneğin. . Metrik aksilik NASA gezgininin kaybına neden oldu Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 5

NEDEN ÖLÇERİZ ? Genel olarak 3 nedenden dolayı ölçmeye ihtiyaç duyarız. • Istenilen bir seyi imal edebilmek için • Baskaları tarafından yapılan seyleri kontrol etmek için • Bilimsel arastırmalar için (fiziksel olayları ve ilişkileri anlayabilmek için)

• Araştırmalar, doğadaki oluşumları anlamak amacıyla yapılan planlı, programlı ve sistemli bilimsel çalışmalardır ve bilimsel bilgi üretirler. • Araştırmaların temel yapı taşı verilerdir, veriler ise ölçerek elde edilir. Bir araştırmadan elde edilecek sonuçların sağlıklı ve geçerli olması istenir. • Bunu sağlayan en önemli etkenlerden birisi de araştırıcının incelediği konuyu ölçebilecek en uygun ölçüyü bulması ve ölçüm işlemlerini uygun biçimde yürütebilmesidir. Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 7

Tüm mühendislik uygulamalarında, emniyetli çalışma koşullarını gerçekleştirebilmek ve uzun dönemde kararlı ve ekonomik tasarımlara sahip olabilmek için sistem üzerine etkiyen tüm faktörlerin, önceden belirlenmiş doğruluk limitleri içinde bilinmesi gerekmektedir. Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 8

Ölçme işleminde bir nitelik gözlenerek gözlem sonuçları sayı veya sembollerle gösterilir. Ölçmenin üç şartı vardır: • ölçülecek bir niteliğin olması • niteliğin gözlenebilmesi • amaca uygun sayı ve sembollerle gösterilmesi

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 10

TEMEL TERİM VE KAVRAMLAR Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 11

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 12

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 13

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 14

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 15

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 16

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 17

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 18

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 19

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 20

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 21

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 22

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 23

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 24

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 25

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 26

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 27

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 28

Ölçülen değerleri eski moda kadranlardan veya dijital ekranlardan okuyabilirsiniz. Ancak bu değerleri elde etmek için kullanılan yöntemler doğanın değişmez yasaları tarafından belirlenir. Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 29

• Birim: Aynı cinsten olan, aynı ölçü ile tesbit edilen fizksel büyüklüklerin sayısal değerinin tesbiti için mukayese (karşılaştırma) büyüklüğüdür. Genel anlamda iki çeşit ölçü birimi vardır: • 1. Doğal ölçü birimleri : Mesela saniye gibi. Doğal ölçü birimlerinin her yerde ve her zaman röprodüksiyonu yapılabilir. • 2. Cisimli ölçü birimleri : Mesela kilogram gibi Bunların elverişli ve uygun şartlar altında değeri değişmez.

Hangi büyüklükleri ölçeriz? Temel Büyüklükler SI birimleri adı verilen bu birimler; Ölçümlerde kullanılan diğer tüm büyüklükler, bu 7 temel büyüklükten türetilir.

Türetilmiş büyüklükler

Ölçmenin tarihçesi • Önemli mühendislik edimleri, bugünkü Irak’ta Dicle ve Fırat nehirleri arasındaki bölge olan Mezopotamya’nın eski sakinlerine çok şey borçludur. İlk tekerlekli arabanın bu bölgede görüldüğü söylenmektedir. Çok eski ve gizemli bir halk olan Sümerler, yazılı tarihin başlangıcında Güney Mezopotamya’da, dünyanın ilk mühendislik uygulamalarını oluşturan kanallar, tapınaklar ve surlar inşa etmişlerdir. Mezopotamyanın diğer sakinleri Babiller ve Asurlular ise yine mühendislik adına önemli eserler vermişlerdir. • Bu döneme ait, bulunan kil tabletlerdeki kayıtlar M. Ö. 2000 yıllarında “usturlap” denen bir açı ölçüm aletinin astronomik gözlemlerde kullanıldığını göstermektedir. Bir dereceli daire ve bir görme kolundan ibaret olan bu alet, Mezopotamyalılar tarafından kullanılan 60’lık sayı sistemine dayalıydı. Bu sistem, zaman ve açı ölçümlerinde bugün hala kullanılmaktadır.

ROYAL KÜBİT Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 34

• İlk plan ve inşaat uzmanları Eski Mısır uygarlığında ortaya çıkmıştır. Mühendisliğin bu ilk habercileri Mısır krallarının güvenilir danışmanları olarak üst mevkilere sahiptiler. Bu mevkiye sahip bir adam , ”Bayındırlık şefi(1)” olarak bilinen bir genel inşaat uzmanıydı. • Bu eski mühendisler / mimarlar, arazi ölçümünün (mesaha) bilinen ilk biçimini uygulamaya koydular. Mısırlılar ayrıca etkin sulama sistemleri geliştirdiler ve görkemli taş binalar inşa ettiler.

Ölçmenin tarihçesi

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 41

Source: Ross Brodie and Stephen Swift, 1988, SMQ 8, Moreton Bay Publishing, 4 Bank Street West End Qld, p. 109.

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 43

METROLOJİ NEDİR ? • Kelime olarak metreden türetilmiş olup anlamı ÖLÇME BİLİMİ’dir. • Metrolojinin Görevi : Bütün ölçme sistemlerinin temeli olan birimleri (SI ve türevleri) tanımlayarak bilim ve teknolojinin kullanımına sunmak ve yapılan bütün ölçümlerin güvenilirliğini ve doğruluğunu sağlamaktır.

Dünyadaki metroloji sisteminin yapılaşması, organizasyon formasyonları ve yapıları bakımından farklar göstermekle beraber bir genelleştirme yapılarak organizasyon ve görevlerine göre üç faaliyet alanından bahsedilebilir. • Bilimsel Metroloji • Yasal Metroloji • Endüstriyel Metroloji

Metrolojinin Faaliyet Alanları • BİLİMSEL METROLOJİ UME • ENDÜSTRİYEL METROLOJİ TSE, İKİNCİL LABORATUVARLAR • YASAL METROLOJİ SANAYİ VE TİCARET BAKANLIĞI ÖLÇÜLER VE STANDARTLAR GENEL MÜDÜRLÜĞÜ • DİĞER BAKANLIK MERKEZ LABORATUVARLARI, SİLAHLI KUVVETLER, ASKERİ LABORATUVARLAR

• Kamuyu doğrudan ilgilendiren ve ticarete konu olan ölçümlerin denkliğinin ve güvenilirliğinin temini ile ilgili metrolojik faaliyetler yasal metroloji kapsamındadır. • Güvenilir ölçüm, özellikle ihtilafa düşüldüğünde veya doğru olmayan ölçümler kişiler veya toplum için karşı risk teşkil ettiğinde önem kazanır. Yasal metroloji, ulusal, bölgesel ve uluslararası düzeyde etkili ticareti sağlayan ölçüm güvenilirliği için temel teşkil eder.

Endüstriyel metroloji • Endüstriyel metroloji, endüstride ürün kalitesinin teminat altına alınması için üretim esnasında ve sonrasında yapılan ölçümleri esas almaktadır. • Yapılan ölçümlerin ulusal ölçme standartlarına izlenebilir olması, ölçümlerin uluslararası kurullarca belirlenen kurallara göre yapılması, endüstride kullanılan ölçü aletlerinin kalibrasyonu, ayarlanması, piyasaya sürülen ürünlerin çeşitli standart, direktif veya kurala uygun olarak üretilip pazarlandığının tescil edilmesi, üretim veya hizmet sektöründe faaliyet gösteren bir kuruluşun ISO 9000 gibi belli bir kalite güvence modeline uygun faaliyet gösterdiğinin tescili endüstriyel metroloji kapsamı içindedir.

Bilimsel Metroloji • Bilimsel metroloji, endüstriyel ve yasal metroloji kapsamında faaliyet gösteren laboratuarların uluslararası SI sistemine izlenebilirliğini sağlamak, ulusal standartlar aracılığı ile ülkede yapılan ölçümlere referans oluşturmak için yapılan araştırma geliştirme faaliyetlerini kapsamaktadır. • Bilimsel metroloji, . • Uluslararası birimler sistemini (SI ve türevleri) oluşturan birimlerin tanımına göre gerçekleştirilerek bilim ve teknolojinin kullanımına sunulması, . • Ölçme birimleri ve bunlara ait standartların gerçekleştirilmesi, üretilmesi, devamlılıklarının sürdürülmesi, ülke çapında dağıtılması ve uluslararası ölçme standartlarına izlenebilirliğin sağlanması, Ölçme metotları, ölçüm performansı, ölçme doğrulukları tayini, Ölçme cihazlarının geliştirilmesi, Kullanıcı seviyesinde operatörlerin eğitimi, çalışma standartlarının oluşturulması, konularını içeren tüm araştırma faaliyetlerini kapsamaktadır.

İzlenebilirlik ; bir ölçüm sonucunun veya bir ölçüm standardının değerinin belirli referanslarla, genellikle ulusal veya uluslararası standartlarla, tamamının ölçüm belirsizliği belirlenmiş olan kesintisiz bir karşılaştırmalı ölçüm zinciri ileilişkilendirilebilmesi özelliğidir.

ULUSAL STANDARD : Bir ülkede resmi olarak tanımış ve ülkedeki diğer tüm standartlar için değeri referans teşkil eden yüksek doğruluklu standarttır. REFERANS STANDARDI : TKS laboratuvarı ve diğer firmaların ölçüm yerlerinde bulundurulan ve buralarda yapılan ölçümler için değeri referans teşkil eden yüksek doğruluklu standarttır. TRANSFER STANDARDI : Referans standartlarla kalibre edilmiş ve değeri firma veya kuruluş içersinde alt seviye çalışma standartları için referans teşkil eden standarttır ÇALIŞMA STANDARDI : Referans standartları ve uygun ölçme cihazları ile kalibrasyonu yapılmış, sıklıkla kalibrasyon ve kontrol işlemlerinde kullanılan, nispeten daha düşük doğruluğa sahip standarttır.

• Kalibrasyon ; belirli koşullar altında, bir ölçme cihazı veya bir ölçme sisteminin gösterdiği değerler veya, bir maddi ölçüt veya bir referans malzemenin verdiği değerler ile ölçüm standartları ile gerçekleştirilen ve bunlara karşılık gelen değerler arasındaki ilişkiyi kuran işlemler dizisi olarak tanımlanır. • Test ; Bir ürün veya cihazın belirlenen şartlara uygunluğunun kontrol edilmesidir. • Analiz ; Verilen bir maddeyi veya malzemeyi oluşturan yapı taşlarını bulmak için yapılan işlemler dizisidir.

Ölçüm Esasları Fiziksel Büyüklükler ; kuvvet, basınç, sıcaklık vb. “Ölçüm sonucu ölçme yöntemine bağlı değildir. ” Fiziksel Olmayan Büyüklükler (Endüstriyel büyüklükler); sertlik, yüzey pürüzlülüğü vb “Temelinde herhangi bir yasa veya kanun mevcut değildir ve ölçüm yöntemine bağlı olarak ölçüm sonucu değişir. ”

Ölçüm Yöntemleri Doğrudan Ölçüm; termometre ile sıcaklık, terazi ile kütle ölçümü Dolaylı Ölçüm ; kuvvet ölçümünde F = W=m. g formülüne dayalı bir ölçüm ile sonuca varılması “Fiziksel olmayan büyüklükler için dolaylı ölçme metodu söz konusu olamaz. ” Ölçüm Çeşitleri Mutlak Ölçüm; ölçme büyüklüğünün değerinin, aynı büyüklük için belirlenmiş olan referansa göre bulunması Mukayeseli Ölçüm; Fiziksel büyüklüğün temel veya türetilmiş aynı çeşit bir referans ile mukayese yapılarak doğrudan ölçülmesi

Ölçüm Hatası; ölçüm sonucundan, ölçülen büyüklüğe ait gerçek değerin çıkartılmasıyla elde edilen değerdir. Ölçüm Doğruluğu (accuracy); ölçüm sonucu ile ölçülen büyüklüğün gerçek değeri arasındaki yakınlık derecesidir. Nitel bir kavram olduğundan sayısal olarak ifade edilmemelidir. Kesinlik (precision); sistemin tekrarlanabilirliğinin bir ölçüsüdür. Tekrarlanabilirlik; aynı ölçüm koşulları altında (aynı ölçüm prosedürü, aynı gözlemci, aynı koşullar altında kullanılan aynı ölçme cihazı, aynı konum, aynı kullanım koşulları, kısa zaman aralığında tekrar) gerçekleştirilen, aynı ölçülen büyüklüğe ait birbirini izleyen ölçüm sonuçları arasındaki yakınlık derecesidir. Eğilim (bias); ölçme cihazı göstergesinin sistematik hatasıdır ve ulaşılmak istenen değerden sapmasıdır.

Ölçüm Belirsizliği; ölçüm sonucu ile beraber yer alan ve ölçülen büyüklüğe, gerçek değerinin içinde bulunduğu değerler aralığına karşılık gelebilecek değerlerin dağılımını karakterize eden parametredir. Ölçüm belirsizliğinin İstatistiksel İfadesi ; ölçüm hatası sistematik ve rasgele olmak üzere iki bileşenden oluşur. Ölçüm hataları, genel olarak belirsizlikle ifade edilir. Hata dağılımı, istatistiksel metotlar kullanılarak ifade edilir. Rasgele hata, tekrarlanabilirlik koşulları altında aynı ölçüm sonsuz sayıda yapıldığında, her bir ölçüm değerinin sonsuz sayıdaki ölçümün ortalamasından sapmasıdır ve belirli bir istatistiksel dağılım gösterir. Rasgele hatanın istatistiksel dağılımını, normal dağılım eğrisi ya da “Gaussian Eğrisi” gösterir.

Yüksek Kesinlik Yüksek Doğruluk Düşük Kesinlik

Belirsizlik (Uncertainty) Hata gibi bir sayıdır, ancak tahmin edilmiş bir büyüklüktür: (± değer). ‘‘Muhtemel hata’’ diye tanımlanabilir. İstatistiksel metodlar ile toplanan verilerin analizi sonucu hesaplanabilir. Kalibrasyon (ayarlama) (Calibration) Kalibrasyon doğruluk hatasını azaltmak ve cihazı kontrol etmek için yapılan işlemdir. Bilinen giriş değerleri kullanılarak, aletin çıkış değeri ile giriş değeri arasındaki ilişkiyi belirleme işlemi. Bir cihazın üç şekilde kalibrasyonu yapılabilir: • Temel standartlara göre, • Daha yüksek doğruluktaki bir cihaz ile, • Bilinen bir giriş değerine göre, kontrolü, ayarlanması, tamiri ile yapılır.

Duyarlık (Sensitivity): Bir ölçme aletinin mümkün olabildiğince en küçük sinyalleri bile gösterebilmesi. Çok küçük fiziksel değişkenleri algılayabilme özelliği. Duyarlığın artması, ölçme alanını daraltacağından ve dış etkenler ölçme değerlerini etkileyeceğinden, belirli bir değeri aşmamalıdır. Duyarlık = çıkış değerinin değişim miktarı / giriş değerinin değişim miktarı S = da / db Standartlar (Standards) Okunabilirlik (Readability): Bir aletin kadranındaki ölçeğin küçük veya büyük olma özelliği. Örnek: Aynı karakteristiklere sahip 10 cm uzunluğunda kadranı olan aletin okunabilirliği, kadranı 5 cm olan aletin iki katıdır.

En küçük sayı (least count): Bir aletin en küçük gösterebildiği değer, ölçek birimi. (Ölçeğin iki çizgisi arasındaki en küçük fark) (Least significant digit of a measuring instrument. ) Histeresiz (Hysteresis): Sürtünme, manyetik etkiler, elastik deformasyon, termal etkiler gibi sebepler ile aletin • ölçülen değerinin altında veya üzerinde değerler göstermesi. Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 62

Analog ve Dijital Ölçme aletleri: Bir ölçme aleti şunlar için kullanılabilir: - Bir değişimi gözlemleme (To monitor a process): gaz ve elektrik sayaçları, hava durumu gözlemleme - Bir değişimi kontrol etme (To control a process) - Deneysel mühendislik işleri (Experimental engineering work) Ölçme aletlerinin performansı (Performance of Measuring Instruments): • Bir ölçme aleti ne kadar iyi veri ölçümü yapar? Genel bir ölçme sistemi: 1. Duyarlı ölçü elemanı (Detector): Fiziksel değişkeni algılayarak kullanışlı bir sinyal haline dönüştürür. - Sinyal çevirici (Transducer) 2. Düzenleyici kısım: Alınan sinyali amplifikasyon, filtreleme gibi değişiklikler ile daha kullanışlı hale getirir. 3. Değerlendirme kısmı: Ölçülen değerin kayedilmesi, kontrol cihazına verilmesi, göstergeden okunması için gerekli teçhizatı ihtiva eder.

Sinyal (Güç) Çevirici (Transducer): Fiziksel değişken değerlerini, eşdeğer elektrik sinyallerine dönüştüren cihazlar. • Analog sinyal (Anolog signal): sürekli (continuous): f(t) • Dijital sinyal (Digital signal): sürekli olmayan (discrete): Δt Statik ölçme: Zamanla çok yavaş değişen veya değişmeyen fiziksel büyüklüklerin ölçülmesi. Örnek: Sabit yük altında bir kirişin deformasyonunun ölçülmesi • Bir ölçme cihazının ölçme süresi, fiziksel büyüklüğün değişme süresinden daha kısa ise ölçme statiktir.

Dinamik ölçme: Ölçme esnasında ölçülen fiziksel büyüklüğün değişimi söz konusu iken yapılan ölçüm. Örnek: Bir borudan akışkanın hızı; titreşen bir kirişin deformasyonunun ölçülmesi • Dinamik ölçüm sistemleri, 0. , 1. ve 2. dereceden diferansiyel denklemlerle ifade edilebilecek şekilde davranış gösterir: Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 65

ULUSLARARASI BİRİM SİSTEMİ

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 67

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 68

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 69

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 71

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 73

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 79

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 80

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 83

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 84

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 85

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 86

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 87

Yrd. Doç. Dr. Nilhan ÜRKMEZ TAŞKIN 88