Hassas tartım mekanizmaları ve Termogravimetrik analiz
Precision Balance Mechanism and Thermogravimetric Analysis
Yazar: RAHMAN KURT
Danışman: PROF. DR. AHMET KOYUN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Malzemeleri ısıtmak ve gereçler üretmek insanlık için uzun bir tarihe sahiptir. Cam, çömlek yapmak ya da metal gibi malzemelerin eldesi her zaman ilgi alanı olmuştur. İnsanlar zamanla ısıyı kontrol etme ve seramik, sıva ya da metal üretmek gibi yetenekler geliştirmiştir. 19. yüzyılda malzeme alanında ısıyı kullanmak daha kontrollü ve önemli bir seviyeye erişmiştir. Termoelektrik etkinin keşfi termokuplun geliştirilmesine öncülük etmiş ve sıcaklığın daha hassas bir şekilde ölçülmesine olanak sağlamıştır. Daha sonra ise diferansiyel termal analiz teknikleri geliştirilmiştir. Termo terazi mekanizmaları üzerine yapılan çalışmalar malzemelerin özellikleri üzerinde geniş bulgular elde edilmesine ve malzeme biliminde önemli adımlar atılmasını sağlamıştır.  Tüm bu keşifler bilim insanlarının malzemeler üzerinde nitelik ve nicelik yönünden kullanışlı veri toplamasını sağlamıştır. Kimya alanındaki zorlu çalışmalarla termal cihazların çalışma aralıkları da artmıştır. Dolayısıyla gelişen termal cihazlar malzeme ve reaksiyon özelliklerini tespit etmeyi mümkün kılmıştır. 
Nerdeyse tüm termal cihazlar benzer özelliklere sahiptir. Programlanabilir bilgisayar sistemleri ile istenilen sıcaklık rejimini sürebilen fırın ve içerisinde 
xiii 
numunenin koyulabildiği pota ya da kröze aparatları. Bunun yanında numunenin sıcaklığını ya  da kütlesini görüntüleyen bir görüntüleme sistemi ve deney boyunca verileri kaydeden kayıt cihazları. Diferansiyel taramalı kalorimetre cihazları ısı akışını zamana ya da sıcaklığa göre kaydederken termogravimetri cihazları kütleyi zamana ya da sıcaklığa göre kaydeder. 
Bu çalışmada DSC cihazının sistem dinamiği modeli oluşturulmuş ve MATLAB Simulink üzerinde sıcaklıklar elde edilmiştir. Daha sonra LQR kontrolcü ile referans sıcaklığı takibi gerçekleştirilmiştir. LQR kontrolcü tasarımı Q ve R değişkenleri ile sinüs sinyal girişi de dahil herhangi bir referans sinyali takibi başarılmıştır. Önerilen algoritmanın, üzerine çalışılan malzemelerde uygun ısı girişi ve referans takibi ile yüksek performans gösterdiği sonucuna varılmıştır. 
Aynı zamanda, referans sinyali takip etme amaçlı, geri beslemeli doğrusallaştırma kontrolcüsü kuralı ve sistem modelleme yaklaşımı temelli yüksek hassasiyette konumlandırma sistem yeni bir mekanik tasarım yaklaşımı ile sunulmuştur. Elektromanyetik eyleyici çözünürlüğü artırmak ve gereksiz sürtünme kayıplarını ortadan kaldırmak için kullanılmıştır. Tüm görevleri yerine getirildikten sonra, Lyapunov temelli doğrusal kontrolcü gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılmak üzere önerilmiştir. Simülasyonlar ile kanıtlanmıştır ki gürültü ve sürtünme altında yapılan mekanik tasarım ve yordam yüksek konum takibi performansına sahiptir. 
Anahtar Kelimeler: Diferansiyel taramalı kalorimetre, Termogravimetrik analiz, Lyapunov teorisi, Doğrusal karesel düzenleyici, Hassas terazi.

Abstract:
Heating materials and producing instruments have a long history for mankind. Making glass, pottery or extracting materials like metals always been field of interest. People had skills about using controlled heat and allowed to manufacture ceramics, mortars and metals in time. In the 19th century using heat  effect on materials become  more controlled and spectecular level. Discovery of thermoelectric effect led to develop thermocouple and measure temperature more precisely. And then differential thermal analyse technique is developed. Studies about thermobalance mechanism let us find wide specifications of materials and lead the material science to step up. All these discoveries provide scientists to gather useful qualitative and quantitative information about effect of the heat on materials. Since requirements in studies of chemistry become more challenging range of the thermal instruments increased. Hence enhanced thermal instruments provided to identify material properties and reaction specifications.   
Almost all thermal instruments have same features. A sample pan or crucible for place sample in a furnace and programmable computer units to drive heat for 
xv 
desired temperature programme. A unit to monitor temperature or mass of sample and reference materials and record the data during experiment. While  thermogravimetric analyse devices recording sample mass, differential scanning calorimetry devices records heat flux differences between sample and reference material with respect to time or temperature. 
In this study, system dynamic model of DSC was built to obtain the temperature values of each connected materials in Matlab Simulink Platform. Then, Linear Quadratic Regulator (LQR) control was performed for tracking the reference temperature to the material one. After completing LQR design with proper Q and R parameters, appropriate heat power and reference tracking were achieved for any reference signals even as sinusoidal input. It was concluded that the suggested algorithm offers high performance in control strategy of DSC thermal analysis device with appropriate heat power and reference tracking operation in connected material structure.  
Also, a high precision positioning system model via novel mechanical design was presented based on feedback linearization controller law and system modelling approach in order to track the reference signal given. Electromagnetic actuator was also utilized to remove unnecessary friction losses and to increase the resolution of the reference positions. After all tasks were performed, linear controller rules based on  Lyapunov was suggested for implementation of real-time application as well. After completing all simulations, it was proven that the proposed mechanical design and algorithm had a high tracking performance under the disturbance and friction losses especially in balance position. 
Keywords: Differential Scanning Calorimetry, Thermogravimetric Analyse, Lyapunov theory, Linear Quadratic Regulator, Precision Balance