Yüksek frekanslı cihaz kalibrasyon kurulumlarında ölçüm belirsizliklerinin hesaplanması ve kalibrasyon yazılımı geliştirilmesi
Calculation of measurement uncertainties of high frequency device calibration setups and development of calibration software
Yazar: ONUR ÇETİNER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. UMUT SEZEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Ölçüm işlemi, büyüklüğü bilinmek istenen bir niceliğin eldeki aynı niceliğe ait referans büyüklük ile karşılaştırılması olarak düşünülebilir. Ancak, eldeki referans da zamanla ve kullanım sonucu ilk halindeki doğruluğundan sapabilir. Bu sebeple, ölçüm cihazları düzenli aralıklarla daha güvenilir olan ölçüm cihazlarıyla karşılaştırılmalı ve doğruluklarından emin olunmalıdır. Eğer, doğruluklarında sapma varsa gerekli düzeltmeler yapılarak tekrar karşılaştırmaya tabi tutulmalıdır. Bu işlem, kalibrasyon olarak adlandırılmaktadır. Kalibrasyon işleminde, ölçüm bilimsel (metrolojik) esaslar gözetilmektedir. Bu esaslardan en önemlileri izlenebilirlik ve ölçüm belirsizliğidir. İzlenebilirlik, kalibrasyon işleminde kullanılan referans cihazlarının da referans başka cihazlar ile periyodik olarak denetlenmelerini, böylelikle yaptıkları ölçümlerin kontrol altında tutulmalarını sağlar. Ölçüm belirsizliği ise, yapılan ölçümlerde elde edilen sonuçların olasılıksal olarak bulunabilecekleri aralıkların tayinidir. Çünkü metrolojik bakış açısına göre, ölçüm sonucu elde edilen değerin o niceliğin gerçek değeri olması imkansızdır. Bu sebeple gerçek değeri yerine, gerçek değerin bulunabileceği aralık tespit edilir. Kalibrasyon işlemi de ölçümlerden oluştuğu için, ölçüm belirsizliği kalibrasyonda önemli bir yer tutar. 
Bu tez çalışmasında, yüksek frekanslı test ve ölçüm cihazlarının kalibrasyonlarının yazılım tabanlı olarak gerçekleştirilmesi ve elde edilen sonuçlarda bulunan belirsizliklerin hesaplanması incelenmiştir. Tez kapsamındaki test ve ölçüm cihazlarının ölçtüğü temel nicelikler olan güç ve frekans büyüklüklerinin ölçümleri modellenmiş, ölçümlerdeki belirsizlikler tespit edilerek hesaplanmıştır. Yüksek frekanslarda güç ölçümü yapılırken göz önünde bulundurulması gereken bir takım etkenler bulunmakta, bu etkenlerden her birisi yapılan ölçüme belirsizlik katmaktadır. Aynı şekilde, yüksek frekanslardaki işaretlerin sahip oldukları frekans değerlerinin tayininde, ölçüm yapılan kurulumdan kalibre edilen cihaza kadar bir çok bileşenden kaynaklanan belirsizlik bulunmaktadır. Bu belirsizlikleri hesaplayabilmek için tez kapsamında yeni modellemeler geliştirilmiştir. Geliştirilen modellemeler, kalibrasyon yazılımında kullanılmıştır. 
Bu çalışmada gerçekleştirilen bir diğer hedef, söz konusu test ve ölçüm cihazlarının kalibrasyon işlemlerinin bilgisayar kontrollü otomatizasyonudur. Günümüzde, bu cihazların sahip oldukları iletişim protokolleri ve programlama dilleri ile kalibrasyon işleminin büyük bir kısmı otomatik olarak yapılabilmektedir. Bu olanak kullanılarak, kalibrasyon işlemini yerine getirebilecek bir kalibrasyon yazılımı oluşturulmuştur. Nesne yönelimli programlama ilkelerine uygun bir şekilde tasarlanan kalibrasyon yazılımı, kullanıcıya kalibrasyon kurulumu oluşturmaktan, yapılan kalibrasyonu raporlamaya kadar bütün aşamalarda yardımcı olmaktadır. Geliştirilen belirsizlik hesaplamaları kalibrasyon yazılımına gömülmüş olup, kullanıcı istediği takdirde kalibrasyon işleminde yapılmakta ve yazılım tarafından oluşturulan kalibrasyon raporunda sonuçlar ile birlikte belirsizlik değerleri sunulmaktadır. Zamanla genişletilebilecek bir yapıda tasarlanan kalibrasyon yazılımı, tasarım örüntüleri kullanılarak oluşturulmuştur. Tez çalışmasında, yazılım kullanılarak yapılan bir kalibrasyondan kesitler sunulmuş, bu kesitlerden elde edilen veriler yorumlanmıştır.

Abstract:
Measurement process can be thought as comparison of a quantity whose magnitude is required to be known with the available reference magnitude of the same quantity. However, this available reference may diverge form its original accuracy as a result of time and usage. Therefore, measurement instruments must be compared with more reliable measurement instruments regularly and be assured of their accuracies. If there is a deviation at their accuracies, they must be adjusted and be compared once more. This process is called calibration. Metrological principals are regarded at calibration process. Most important ones of these principals are traceability and measurement uncertainty. Traceability provides reference instruments which are used in calibration to be checked with other reference instruments periodically, thus the measurements done with them to be under control. Measurement uncertainty is determination of intervals that the results obtained from measurements can occur. Because, from the perspective of metrology, it is impossible that the result obtained from the measurement to be the true value of the quantity. Instead of true value, the interval where the true value can be found is determined. Because calibration process consists of measurements, measurement uncertainty is important for calibration.
At this thesis study, software based calibration of high frequency test and measurement devices and uncertainty calculation of the acquired results are analyzed. The measurements of power and frequency, which are the main quantities the test and measurement devices analyzed at the thesis, are modelled, uncertainties of these measurements are determined and calculated. At high frequency power measurements, there are some factors to be considered. These factors inject uncertainties to the measurements. Likewise, there is uncertainty generated by every one of the components at the frequency value specification of the high frequency signal. For calculating these uncertainties, new measurement models are developed at the extent of the thesis. The models developed at the thesis are used at the calibration software.
Another objective realized at this thesis is computer based automatisation of the calibration process of considered test and measurement devices. At the present time, most of the calibration process can be done automatically by communication protocols and programming languages of these devices. By using this utility, a calibration software is built to perform calibration process. The calibration software which is designed with respect to object oriented programming principles, helps operator at all of the stages of calibration: from forming the calibration test setup to reporting the calibration done. The developed uncertainty calculations are embedded in calibration software. Upon the request of the operator, these calculations are performed during calibration process. At the calibration report generated by calibration software, the uncertainty values are presented beside results. The calibration software which is designed to be able to expanded, is built by using design patterns. In the study, sections from a calibration done by calibration software is presented, data from these sections are interpreted.