"yarı-diferansiyel temelli senkron demodülasyon yöntemi ile temassız kapasitif yaklaşım sensörü
Contactless capacitive approach sensor design with semi-differential based synchronous demodulation method
Yazar: GAMZE BAYRAKDAR
Danışman: PROF. DR. MEHMET AKİF ERİŞMİŞ
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kapasitif sensörler başta tahıl sektörü olmak üzere gıda endüstrisinde farklı uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu kullanım alanları, gerçek zamanlı üretim sistemlerinde proseslerini izlemek ve kontrol etmek amacıyla tahıl ürünlerinin seviye tespiti, ürün varlığı veya yokluğu, nem tayini gibi alanlardır. Kapasitif sensörler, diğer sensör (optik, endüktif vb.) gruplarına göre çevre koşullarından daha az etkilenmeleri, yüksek hassasiyetleri, kolay uygulanabilirlikleri ve düşük maliyetli olmaları gibi avantajlarından dolayı gıda endüstrisinde daha çok tercih edilmektedir.

    Kapasitif algılama için literatürde birçok algılama yöntemi ve devre topolojisi bulunmaktadır. Kapasitif algılamada geliştirilen yeni yöntemler veya mevcut okuma devrelerinin iyileştirilmesi ile farklı sektörlerde uygulanabilirliği her geçen gün artmaktadır. Böylelikle bu tez çalışmasında, kepek, buğday, mısır gibi tahıl ürünlerinin tespiti için temassız kapasitif ölçüm yöntemi kullanılmıştır.
    
    Temassız kapasitif ölçüm, elektrot ile ürün arasındaki kapasitansın, ürün ile elektrot arasında fiziksel temas olmadan ölçülmesidir. Ürünün elektroda temas etmemesi ve kepek gibi ürünlerin dielektrik katsayısının düşük olması ürünün ölçüm zorluğunu arttırmaktadır. Bu nedenle daha doğru ve hassas ölçüm için yüksek frekanslı (250kHz) sinyal ile uyarılan yarı diferansiyel senkron demodülasyon tabanlı ölçüm yöntemi kullanılmaktadır. Tez çalışması sonucunda kepek, razmol gibi düşük dielektrik değerine sahip ürünleri tespit eden temassız ölçüm yapan kapasitif sensör tasarımı gerçekleştirilmiştir.
    
    Tasarım süreçlerine başlamadan önce, ön yüz devresinin AC/DC simülasyon analizleriyle ilgili ön çalışmalar yapılmıştır. Simülasyon çalışmaları ile elektrota uygulanan frekans değeri, transempedans (TIA) devresi, analog anahtar ve Sallen-Key alçak geçiren filtre için uygun değer aralıkları belirlenmiştir. Ayrıca, elde edilen AC simülasyon verileri kullanılarak, sensörün sıcaklığa duyarlılığını azaltmak amacıyla ön yüz devresinde bulunan TIA devresinin kazanç parametresini etkileyen giriş frekansı ve direnç değeri optimize edilmiştir. Sensör tasarımının diğer önemli parçaları olan elektrot tasarımı ve mekanik mahfaza tasarımları eş zamanlı olarak tasarlanmıştır.
    
    Tasarımın doğrulanması amacıyla çeşitli test süreçleri ve optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Yapılan testlerde ürünlerin (buğday, kepek, mısır) varlığı veya yokluğundaki kazanç performansı testi, sıcaklık testleri ve gerçek zamanlı fabrika ortamına bağlanarak doldur-boşalt (var-yok) testleri gerçekleştirilmiştir. Ürünlerin var-yok durumunda kazanç testleri sonucunda en küçük değişim (37mV) oranı ile kepek ve en büyük değişim (100mV) oranı ise buğdaydır. Bu değişim oranları mikrodenetleyicilerin (STM32F103C8T6) ADC çevresel birimleri tarafından okunabilecek seviyededir. Diğer bir testte ise sensörün bağlı olduğu ortamdaki sıcaklık değişimine duyarlılığını test etmek için -10°C ile 60°C arasında 5°C'lik adımlarla sıcaklık testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerde sensörün önünde herhangi bir malzeme bulunmadan, yani sensör doğrudan ortam sıcaklığını algılamıştır. Elde edilen veriler, sensör çıkışında parabolik bir azalma olduğunu göstermektedir. Toplamda, 70°C'lik sıcaklık değişiminde yaklaşık olarak 280 mV değişim gözlenmiştir ve bu değişim oranı ortalama olarak 1°C'de 4 mV değişim ile ilişkilendirilmiştir. Sensör çıkışında belirli bir set değeri altında voltaj değeri "yok" olarak kabul edilirken, set değerinin üstünde bir voltaj değeri "var" olarak kabul edilmektedir. Bu durumda, sıcaklık değişiminden kaynaklanan değişimler sensörün sıcaklığa olan duyarlılığını ve performansını etkileyebilmektedir. Sıcaklık değişiminin düşük olduğu ortamlarda, sıcaklıktan kaynaklanan 4 mV gibi düşük değerler, kepek gibi daha düşük kazanç performansına sahip ürünlerde dahi set değeri için göz ardı edilebilecek değerlerdir. Ancak, sensörün sıcaklık değişiminin yüksek olduğu ortamlarda iyi bir performans sergilemesi için sıcaklık kompanzasyon çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda sıcaklık testleri tekrar edilmiş ve 70°C'lik sıcaklık değişiminde sensör çıkışında ortalama olarak 15 mV değişim gözlenmiştir. Bu sayede her sıcaklık ortamı için ayrı bir set değeri ayarlama ihtiyacı ortadan kalkmıştır. Bu kompanzasyon çalışmaları, sensörün sıcaklığa olan duyarlılığını azaltarak daha istikrarlı bir performans sağlamıştır. Son olarak gerçek zamanlı sistemde gerçekleştirilen testlerde ise sensör randıman kantarının üst kefesine bağlanarak, kefenin içerisindeki buğdayın doldurulması ve boşaltılması yoluyla sensörün buğdayın varlığını ve yokluğunu algılama yeteneği test edilmiştir. Gerçekleşen testlerde sensörün belirlenen set değerine ulaştığında PNP ve NPN çıkışlarının aktif olması sensörün sistem ile senkron bir şekilde çalıştığı gözlemlenmiştir. Sensörün sistem ile senkron çalışması, ortamda sıcaklık değişimi olsa dahi sensör performansının sıcaklıktan dolayı oluşan etkilerden etkilenmediğini göstermektedir. Böylece yapılan testler sonucunda sensörün tasarım ve optimizasyon çalışmaları doğrulanmış ve test sonuçları bu sensör için prototip aşamasında yeterli bulunmuştur.
    
    Sonuç olarak tez çalışması sonucunda tasarlanan temassız kapasitif sensör ile tahıl ürününün temassız olarak algılanması sağlanmıştır. Böylelikle tahıl sektöründe kullanılan problu kapasitif sensörlerin oluşturduğu ürünlerin bozulması, mekanik kırınımlar gibi olumsuz problemleri azaltacak sensör tasarımı optimize edilerek test edilmiştir.

Abstract:
Capacitive sensors are used in different applications in the food industry, especially in the grain industry. These usage areas are areas such as level detection of grain products, presence or absence of product, moisture determination in order to monitor and control their processes in real-time production systems. Capacitive sensors are more preferred in the food industry due to their advantages such as being less affected by environmental conditions, high sensitivity, easy applicability and low cost compared to other sensor (optical, inductive, etc.) groups.

    There are many sensing methods and circuit topologies in the literature for capacitive sensing. With the new methods developed in capacitive sensing or the improvement of existing reading circuits, its applicability in different sectors is increasing day by day. Thus, in this thesis, non-contact capacitive measurement method was used for the detection of grain products such as bran, wheat and corn.

    Non-contact capacitive measurement is the measurement of the capacitance between the electrode and the product without physical contact between the product and the electrode. The fact that the product does not contact the electrode and the dielectric coefficient of products such as bran is low increases the measurement difficulty of the product. For this reason, semi-differential synchronous demodulation-based measurement method induced by high frequency (250kHz) signal is used for more accurate and sensitive measurement. As a result of the thesis, a non-contact capacitive sensor design that detects products with low dielectric values such as bran and razmol has been realized.

    Before starting the design processes, preliminary studies on AC/DC simulation analyzes of the front-end circuit were made. With the simulation studies, suitable value ranges for the frequency value applied to the electrode, transimpedance (TIA) circuit, analog switch and Sallen-Key low-pass filter were determined. In addition, using the obtained AC simulation data, the input frequency and resistance value affecting the gain parameter of the TIA circuit in the front face circuit are optimized in order to reduce the sensitivity of the sensor to temperature. Electrode design and mechanical housing designs, which are other important parts of the sensor design, were designed simultaneously.

    Various test processes and optimization studies were carried out to verify the design. In the tests performed, gain performance test in the presence or absence of products (wheat, bran, corn), temperature tests and fill-empty (presence-absence) tests were carried out by connecting to the real-time factory environment. In the presence or absence of products, as a result of gain tests, bran with the smallest change (37mV) and the largest change (100mV) is wheat. These change rates are at a level that can be read by the ADC peripherals of the microcontrollers (STM32F103C8T6). In another test, temperature tests were carried out in 5°C steps between -10°C and 60°C to test the sensitivity of the sensor to the temperature change in the environment it is connected to. In these tests, the sensor directly detected the ambient temperature without any material in front of the sensor. The obtained data show a parabolic decrease in the sensor output. In total, approximately 280 mV change was observed at 70°C temperature change, and this rate of change was associated with an average of 4 mV change at 1°C. At the sensor output, voltage value below a certain set value is considered "absent", while a voltage value above the set value is considered "available". In this case, changes caused by temperature changes may affect the sensitivity of the sensor to temperature and its performance. In environments where temperature change is low, values as low as 4 mV caused by temperature can be ignored for the set value even in products with lower gain performance such as bran. However, temperature compensation studies have been carried out in order for the sensor to perform well in environments with high temperature changes. As a result of these studies, the temperature tests were repeated and an average of 15 mV change was observed at the sensor output at a temperature change of 70°C. In this way, the need to set a separate set value for each temperature environment is eliminated. These compensation studies provided a more stable performance by reducing the sensitivity of the sensor to temperature. Finally, in the tests performed in the real-time system, the sensor's ability to detect the presence and absence of wheat was tested by connecting the sensor to the upper pan of the yield scale and filling and emptying the wheat in the pan. In the tests carried out, it has been observed that the PNP and NPN outputs are active when the sensor reaches the determined set value, and the sensor works synchronously with the system. The synchronous operation of the sensor with the system shows that the sensor performance is not affected by the effects caused by the temperature, even if there is a temperature change in the environment. Thus, as a result of the tests carried out, the design and optimization studies of the sensor were confirmed and the test results were found sufficient for this sensor at the prototype stage.

    As a result, with the non-contact capacitive sensor designed as a result of the thesis study, the grain product was detected without contact. Thus, the sensor design, which will reduce negative problems such as deterioration of the products formed by the probe capacitive sensors used in the grain industry, and mechanical diffraction, has been optimized and tested.