Analog anahtarlama tabanlı kapasitif tahıl nem sensörü
Analog switching based capacitive wheat moisturesensor
Yazar: SÜLEYMAN HANLI
Danışman: PROF. DR. MEHMET AKİF ERİŞMİŞ
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Analog modülasyonlar = Analog modulations ; Demodülasyon = Demodulation ; Nem sensörleri = Humidity sensors

Özet:
Buğday nem oranını tayin etmek için endüstride farklı yöntemler kullanılmaktadır. Bu yöntemler; doğrudan (fırın, kimyasal ayrışım, damıtma) ve dolaylı (direnç, mikrodalga, bağıl nem, kapasitans) ölçüm teknikleri olarak sınıflandırılmaktadır. Gerçek zamanlı sistemlere daha uygun olarak, dolaylı nem ölçüm tekniklerinden kapasitans ile nem ölçüm tekniği kullanılmaktadır. Kapasitans ile nem ölçüm tekniği, buğdayın dielektrik sabitini ölçme temeline dayanır. Bu tez çalışması kapsamında kapasitif yöntem olarak da bilinen dielektrik sabiti tayini temeli üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. 

Kapasitans ölçmek için farklı metotlar bulunmaktadır. Elektronik ara yüz olarak doldur-boşalt olarak da bilinen kapasitörün dolması ve boşalması sürelerinin takibi ile kapasitörün büyüklüğünün ölçülmesi yöntemi kullanılabilir. Fakat, bu yöntem ile gerçek zamanlı bir sistemde nem ölçümü için yüksek hassasiyet değerlerine ulaşılamamaktadır. Tez çalışmasında kullanılan ölçüm metodunda ise buğdayın tane boyutunun da göz önüne alındığı farklı frekanslarda (125kHz-4MHz) sürülen senkron-demodülasyon temelli kapasitif ölçme yöntemi kullanılmıştır ve süreç kontrol uygulamasına en uygun çözümün prototipi gerçekleştirilmiştir.

Tasarımların doğrulanması amacıyla çeşitli test süreçleri gerçekleştirilmiştir. Test süreçlerinin daha sağlıklı yönetilebilmesi ve düzenli test kayıtlarının alınabilmesi için hem laboratuvar hem de gerçek zamanlı bir un fabrikasındaki akışta kullanılmak için farklı test prosedürleri hazırlanmıştır ve sıkı bir şekilde uygulaması gerçekleştirilmiştir. Laboratuvar ortamındaki testlerde kalibrasyon için farklı tip nem ölçüm cihazları kullanılmıştır.

Gerçek zamanlı bir sistemde yapılan testlerde, saatte yaklaşık 15000 kg/h buğday akışına sahip bir un fabrikasında farklı; yöre, mekanik(sertlik) ve kimyasal (nem, protein, …) özelliklerde buğday nemi ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Referans nem değeri için akış sırasında tasarlanan nem sensörünün analiz ettiği aynı buğdaydan farklı sayılarda ve ortamdan izole kaplar ile numuneler alınmıştır. Alınan numune örneklerinin testlerinin bir kısmı fabrika içerisindeki tahribatlı nem ölçüm cihazlarıyla hem de yine fabrika bünyesinde bulunan laboratuvar ortamında tahribatlı ve tahribatsız nem ölçüm cihazları ile gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan sensör prototipi ve diğer referans cihazlardan alınan kayıtların karşılaştırmalı analizleri gerçekleştirilmiştir ve yorumlanmıştır. 

Karşılaştırmalı nem testlerinde, tez çalışmasında gerçekleştirilen sensör prototipinin ± 0.3 aralığında bir sapmayla ölçüm yapabildiği gözlemlenmiştir. Bu sapma değeri, endüstride referans alınan tahribatlı manuel nem ölçme sistemlerinin sapma değerlerine benzerdir. Ancak referans alınan tahribatlı sistemlerde yapılan ölçümlerde, ortam şartlarına fazla duyarlı ve tek seferde nem ölçümü yaptığı buğday miktarıda (~9 gr.) oldukça düşüktür. Bu etkenler de göz ardı edilmemelidir. Sonuç olarak tez çalışmasında gerçekleştirilen sensör prototipinin, gerçek zamanlı bir sistemde akan buğdayın tahribatsız nem ölçümü sırasında uygun performans sergilediği gösterilmiştir.

Abstract:
Different methods are used in the industry to determine the moisture content of wheat. These methods; are classified as direct (oven, chemical decomposition, distillation) and indirect (resistance, microwave, relative humidity, capacitance) measurement techniques. Capacitance and moisture measurement technique, which is one of the indirect moisture measurement techniques, is used more suitable for real time systems. Capacitance moisture measurement technique is based on measuring the dielectric constant of wheat. Within the scope of this thesis, studies have been carried out on the basis of determination of dielectric constant, also known as capacitive method.
				
Different methods are used in the industry to determine the wheat moisture rate. These methods are; direct (oven, chemical decomposition, distillation) and indirect (resistance, microwave, relative humidity, capacitance) measurement techniques. More suitable for real time systems, capacitance and humidity measurement technique, which are among the indirect humidity measurement techniques, are used. Capacitance and moisture measurement technique is based on measuring the dielectric constant of wheat. Within the scope of this thesis, studies have been carried out on the basis of dielectric constant determination, also known as capacitive method.
		
There are different methods to measure capacitance. The method of measuring the size of the capacitor can be used by following the charging and discharging times of the capacitor, also known as charge-discharge as an electronic interface. However, this method does not achieve high sensitivity values ​​for moisture measurement in a real-time system. In the measurement method used in the thesis, synchronous-demodulation based capacitive measurement method, which is applied at different frequencies (125kHz-4MHz), which also takes into account the grain size of the wheat, was used and the prototype of the most suitable solution for the process control application was realized.
		
Various test processes were carried out in order to verify the designs. Different test procedures have been prepared and strictly implemented to be used both in the laboratory and in the flow in a real-time flour factory in order to manage the test processes more properly and to obtain regular test records. Different types of moisture measuring devices are used for calibration in the tests in the laboratory environment.
		
In tests performed in a real-time system, a flour factory with a wheat flow of about 15000 kg / h moisture measurement of wheat from different regions, mechanical and chemical properties were carried out. For the reference humidity value, samples were taken with different numbers and containers isolated from the same wheat analyzed by the moisture sensor designed during the study. Some of the tests of the samples taken were done with destructive moisture measuring devices inside the factory and also with destructive and non-destructive moisture measuring devices in the laboratory environment of the factory. Comparative analysis of the designed sensor prototype and recordings from other reference devices were performed and interpreted.
		
In comparative humidity tests, it was observed that the sensor prototype performed in the thesis study can measure with a deviation in the range of ± 0.3. This deviation value is similar to the deviation values ​​of the destructive manual moisture measuring systems referenced in the industry. However, the amount of wheat (~9 gr.), which is sensitive to ambient conditions and measures moisture in one time, is also very low in the measurements made in destructive systems. These factors should not be ignored. As a result, the sensor prototype performed in the thesis study has been shown to perform properly during the non-destructive moisture measurement of the wheat flowing in a real-time system.