Ölçü aleti (elektrik)

Ölçü aleti, bilim ve teknolojide çeşitli nicelikleri (büyüklük, quantity) ölçmek için kullanılan alet ve araçlara verilen genel bir addır.
Ölçü aleti örnekleri evde duvar saati ve termometre, okulda cetvel ve iletki, tıpta tansiyon aleti, iş yerinde bakkal terazisi, terzi mezürü ve duvarcı çekülü, taşıt aracında da hız göstergesidir. Bilimde ise sıvıların asit baz oranını ölçen pH metrelerden, radyoaktif bozunum ölçen Geiger sayacına kadar yüzlerce örnek sayılabilir. Ama burada sadece elektrik ve elektronik devrelerinde kullanılan ölçü aletlerinden bahsedilecektir.
Elektrik devrelerinde kullanılan ölçü aletleri
Elektrik devrelerinde kullanılan ölçü aletleri bir ekranda dalga şekli gösteren ya da sayısal değer gösteren ölçü aletleri olarak sınıflandırılabilir. Dalga şekli gösteren ölçü aletlerine osiloskop denilir. Osilaskopların (filtre karakteristiği vb. için geliştirilmiş) özel türleri de vardır. Sayısal değer gösteren geleneksel ölçü aletleri ise bir skala ve bu skala üzerinde hareket eden ibreden oluşur. Bu tür ölçü aletlerine analog ölçü aleti denilir. Analog ölçü aletleri ibreyi çalıştıran mekanizmaya bağlı olarak, döner demirli, döner mıknatıslı, döner bobinli, elektrostatik, elektrodinamik gibi adlarla bilinir. Ancak günümüzde analog ölçü aletleri yerlerini sayısal ölçü aletlerine bırakmışlardır. Sayısal ölçü aletlerinde değerler bir LED ekranda gösterilmektedir.
Multimetre (avometre) çok amaçlı bir ölçü aleti türüdür. Bu aletler akım (amper), gerilim (volt) ve direnç (ohm) gibi nicelikleri ölçebilirler. Aletin esas ismi multimetre olup, avometre adı bir firma tarafından, amper, volt ve ohm kelimelerinin baş harflerinden yararlanılarak oluşturulmuştur. Multimetreler, elektrik ve elektronik sektöründe kullanılırlar, analog ve dijital olarak imal edilirler. Üzerindeki komutatörle istenilen ölçme değeri seçilip ölçme yapılır. Günümüzde avometreler oldukça gelişmiş ve birçok yeni özellik eklenmiştir. Standart parametreler olan akım gerilim ve direnç dışında, frekans, sıcaklık, kapasitans, duty cycle, buzzer, hfe ve birçok parametrenin daha ölçümünü yapabilmektedir. Günümüzde pek çok firma multimetre üretimi yapmaktadır ve sektörde yoğun rekabet oluşmaktadır. Agilent, Fluke, Gossenmetrawatt, Hioki, Meterman, Kyoritsu, HT Italia, Brymen, Lutron, Sew, Simpson, BK Precision, Yokogawa, Extech, Amprobe, Chauvin Arnoux, Keithley, TTI, National Instruments, Tektronix, Lutron, Cırcutor gibi firmalar Multimetre üretimi yapan firmaların başlıcalarıdır.
Count
Temelde bir multimetrenin ekran yeteneğini ifade eder. Örneğin 6.000 count olan bir multimetre ile 50.000 Count olan multimetreyi karşılaştıralım. Count bir multimetrenin ekranda yazabileceği en büyük rakamı ifade eder. Bu rakam ne kadar yüksek olur ise ölçüm yapılan değer o denli hassas gösterilir. Örneğin 6.000 Count olan bir multimetre ile 500 volt ölçtüğümüzde ekranda 500.0 V görürüz. Yani noktadan sonra bir hane görebiliriz.
50.000 Count bir multimetre ile aynı ölçümü yaptığımızda ise ekranda 50.00 V Görürüz. Yani noktadan sonra iki basamak görebiliriz. Bu bize on kat daha hassas bir ölçüm imkanı verir. Birinci cihazda 0,1 Volt çözünürlük verilirken ikinci cihazda 0,01 Volt çözünürlük verilir. Ölçüm doğruluğu da çözünürlükle dorudan ilintilidir. Pek çok üretici multimetrenin ölçüm doğruluğunu şu şekilde belirtir %2+5 Bu ifade şu anlama gelmektedir. Toplam hata ölçülen değerin %2 si ve çözünürlüğün 5 katının toplamı ile bulunur. Bu hesaplama yönteminden de anlaşılacağı üzere, çözünürlük ne kadar düşük ise ölçüm hatası o kadar büyük olacaktır. Çözünürlük ne kadar yüksek ise ölçüm hatası o kadar düşük olacaktır ve daha doğru bir ölçüm yapılacaktır.
Çözünürlük
Count konusunda da açıklandığı gibi çözünürlük bir multimetrenin yapabildiği en hassas ölçüm değerini ifade eder. Pek çok kullanıcı bu konuda şu hataya düşer. Kullanıcı büyük değerler ölçmektedir ve küçük değerleri de gösterebilen bir multimetreye ihtiyacı olmadığını düşünür. Örneğin Çoğunlukla 380 V, 220V, 500V gibi değerler ölçen bir kullanıcı cihazının 1mV ya da 0,1mV hassasiyete sahip olmasını önemsemez. Bu değer ölçtüğü değerler içinde dikkate alınmayacak seviyededir. Oysaki yukarıda hata hesaplama bölümünde de anlattığımız gibi burada önemli olan cihazın ne kadar hassas ölçüm yaptığının yanı sıra ne kadar doğru ölçüm yaptığıdır. Çözünürlük ölçüm doğruluğunu doğrudan etkileyen bir parametre olduğu için 1mV çözünürlüğe sahip bir cihaz ile 0,1mV ölçüm doğruluğuna sahip iki cihaz arasında 10 kat hatalı ölçüm farkı oluşabilir ve bu durum da yaptığınız ölçümlerin tamamının hatalı oluşuna sebep verebilir.
Doğruluk
Doğruluk bir cihazın ekranda gösterdiği değerin gerçeğe ne kadar yakın olduğunu ifade eder.
Günümüzde belirli standartlar gereğince ölçü aletinin doğruluğu Kalibrasyon Sertifikası ile belgelendirilmektedir. Bu konu kalibrasyon başlığı altında detaylandırılacaktır. Kullanmakta olduğumuz ölçü aleti ne kadar çok fonksiyonlu, teknolojik ve pahalı olursa olsun ölçüm doğruluğu düşük ise tüm değerini ve önemini yitirir. Unutmamak gerekir ki yapmış olduğumuz ölçümler sistemimiz hakkında bilgi edinmek içindir. Hatalı ölçümlere dayanarak alınan kararlar sistemimizi iyileştirmek yerine daha da kötü sonuçlar doğurabilir.
Sağlamlık
Sağlamlık bir multimetre için önemli parametrelerden biridir. Günümüzde çalışma koşullarının iyileştirilmesi için detaylı çalışmalar yapılmasına rağmen her zaman pek çok güçlük ile karşılaşırız. Zorlu çalışma koşullarına dayanıklı bir ölçü aleti her zaman avantaj sağlayacaktır. Yüksek sıcaklık, nem, toz, manyetik alan gibi etkenler hem ölçüm doğruluğunu hem de cihazın ömrünü olumsuz etkiler. Çok müsait koşullarda çalışırken dahi çeşitli aksilikler oluşabilir.
Örneğin çalışma masamızın üzerinden cihazımızı düşürebiliriz. Bu durumda sağlam bir cihaz ile dayanıksız bir cihaz arasındaki fark yerden cihazımızı alık hiçbir şey olmamız gibi cihazı kullanmaya devam etmek ile bir daha kullanılmayacak hale gelen cihazı çöpe atmak kadar keskindir. Günümüzde multimetreler üretilirken, Düşme testi, Titreşim testi, Şok Testi gibi testlere tabi tutulmaktadır.
Güvenlik
Güvenlik bir ölçü aletinde tüm parametrelerin önünde gelmektedir. Kullanmakta olduğumuz ölçü aleti kullanıcının güveninin tehdit ediyor ise o cihazın ne kadar doğru ölçtüğü ya da ne kadar fonksiyonel olduğunun hiçbir önemi yoktur. Örneğin bir elektrik panosunda multimetre ile voltaj ölçerken sistemdeki gerilim bizim farkına dahi varamayacağımız kadar kısa bir süre içerisinde binlerce volta ulaşabilir. Yani Tarnsient meydana gelebilir.
Bu durumda kullanmış olduğumuz ölçü aletinin anlık gerilim artışlarına nasıl tepki verdiği çok önemlidir çünkü o esnada sistemdeki gerilimi doğrudan ellerimizle tuttuğumuz probların ucundadır. Örneğin iyi güvenlik kategorisine sahip bir multimetre, normal koşullarda maksimum 1.000 V ölçüm yapmak için tasarlanmışken, anlık transientlerin oluşumu esnasında 6.000V değerine kadar dayanabilmektedir. Bir multimetrenin güvenlik seviyesini CAT. Parametresi belirler. CAT, kısaca kategori demektir ve hangi güvenlik kategorisine ait olduğunu belirtir.
Hız
Çalışma sürelerinin uzunluğu ve iş yoğunluğunun yüksek seviyelerde olduğu günümüzde hız da elbette ki bir multimetre için önemli bir parametredir. Bir voltaj kaynağının değerini okurken, Bir direnci okurken, kısa devre testi yaparken multimetremizin ölçüm değerini bize bir an önce göstermesini bekleriz. Özellikle hızlı değişimlerin olduğu noktalarda gerçek değeri bir an önce ekranda görmek çok büyük önem taşıyabilir. Bu parametre multimetrenin içinde kullanılan işlemcinin kalitesi ile eşdeğerdir. Multimetrenizin hızını test etmek için en kolay yol, multimetreyi buzzer konumuna alarak probları kısa büreli birbirine değdirip çekmektir. Multimetreniz ne kadar çabuk sesli uyarı veriyor ise hız seviyesi o kadar yüksektir.
Kalibrasyon
Kalibrasyon; bir ölçü aleti veya ölçme sisteminin gösterdiği veya bir ölçüt/ölçeğin ifade ettiği değerler ile, ölçülenin bilinen değerleri arasındaki ilişkinin belli koşullar altında belirlenmesi için yapılan işlemler dizisidir. Uzunluk, ağırlık, sertlik, elektrik direnç gibi herhangi büyüklüklerin ölçümlerini yapan aletlerin kabul edilen bir ölçüte göre ayarlarının yapılması ve hata sınırlarının belirlenmesi olarak anlaşılır. Kalibrasyon kavramı günümüzde önemini arttırmakta ve bu konuda hizmet veren kuruluşların sayısı hızla artmaktadır. Kullanmakta olduğumuz ölçü aletinin hata limitlerinin belirlenmesi, yapmış olduğumuz ölçümün doğruluğu için büyük önem taşır. Bir cihazı kalibrasyon laboratuvarına gönderdiğimizde sırasıyla şu işlemler yapılır. Cihazın fiziksel temizliği ve bakımı yapılır. Laboratuvar koşullarında ideal bir süre bekletildikten sonra referans üretim kaynağının ürettiği değer kalibrasyonu yapılacak olan cihaza bağlanır. Referans üretim kaynağının ürettiği değer ile ölçüm cihazının ekranında görünen değer karlışaştırılır ve aradaki fark hata olarak saptanır. Tabii ki gerçekte bu işlemle esnasında karmaşık matematiksel hesaplar ve parametreler kullanılır. Sonuç olarak bir multimetre üzerinden örnek vermek gerekirse, multimetrenin voltaj kademesinin kalibrasyonunu yapmak için referans bir voltaj kaynağına ihtiyaç vardır. Hatası önceden bilinen ve yüksek doğrulukta voltaj üreten bir kaynak. Bu voltaj kaynağından 100V gerilim uyguladığımızı düşünelim. Voltaj kaynağına bağlı olan multimetrenin de ekranında 98V gösterdiğini varsayalım. Bu durumda multimetremiz 100V da 2V hatalı ölçüm yapmaktadır. Bu hataya, Laboratuvarın genel ölçüm belirsizliği, kaynağın ve ölçüm koşullarının ölçüm belirsizliği de eklenecek ve toplam bir hata belirlenecektir.
Kalibrasyon hizmeti veren firmaların yaygınlaşması ve her sektörde olduğu gibi bu sektörde de suistimallerin engellenmesi için Kalibrasyon hizmeti veren firmalar için Akreditasyon koşulu getirtilmiştir. Aslında akreditasyon gönüllülük esasına dayanan ve zorunluluk gerektirmeyen bir durum olmasına rağmen hizmet Veren firmanın güvenilirliği açısından akredite bir firma tercih edilmesi son derece doğru olacaktır. Ölçüm laboratuvarlarının akreditasyon onay ve denetimlerini TURKAK (Türkiye Akreditasyon Kurumu) gerçekleştirmektedir. Verilmiş olan akreditasyon sertifikasının uluslararası geçerliliği mevcuttur. Tüm kalibrasyon işlemi belli prosedürlere bağlanarak ölçüm kalitesi ve güvenliği teminat altına alınmaktadır.
Ölçü aletinin ampermetre olarak kullanılması
Ölçü aletinin devre içinden geçen akımı ölçmesi için, devre açılır ve ölçü aleti devreye seri olarak bağlanır. Ölçü aletinin devreyi yüklememesi, yani üzerinde düşen gerilim nedeniyle, devre parametrelerini değiştirmemesi gerekir. Bu sebepten ideal ampermetrenin iç direnci sıfırdır. Seri bağlantıda sıfır iç direnç devre parametrelerinde bir değişikliğe yol açmaz. (Analog ölçü aletinde sıfır iç direnç olamayacağından, uygulamada ampermetre iç direncinin devre elemanları direncinden çok daha küçük olması yeterli sayılır.)
Ölçü aletinin voltmetre olarak kullanılması
Ölçü aleti bir devrede iki nokta arasındaki gerilimi ölçerken, devre yapısında hiçbir değişikliğe gidilmez. Sadece ölçü aleti iki nokta arasına bağlanır. Bu tür bağlantıya paralel bağlantı denilir. Ölçü aletinin devreyi yüklememesi, yani akım çekerek, devre parametrelerini değiştirmemesi gerekir. Bu sebepten ideal voltmetrenin iç direnci sonsuzdur. Paralel bağlantıda sonsuz iç direnç devre parametrelerinde bir değişikliğe yol açmaz. (Analog ölçü aletlerinde sonsuz iç direnç olamayacağından, uygulamada voltmetrenin iç direncinin devre elemanlarından çok daha büyük olması yeterli sayılır.)
Ölçü aletinin ohmmetre olarak kullanılması
Ölçü aleti ohmmetre gibi kullanıldığında, çalışma ilkesi ampermetre gibidir. Direnç değeri ölçülecek devre elemanı devreden çıkarılır ve ölçü aleti elamanın iki ucu arasına bağlanır. Ölçü aletinin içinde bulunan bir gerilim kaynağı devreye girer ve ampermetre gibi çalışan ölçü aleti Ohm yasasından yararlanarak direnç değerini gösterir.
Ölçü aletinin diğer görevleri
Bazı özellikli aletleri kapasitansmetre (kondansatör ölçen ölçü aleti) olarak da çalışabilir. İlke olarak bu alet de ohmmetre gibidir. Fakat, ölçü aleti içindeki gerilim kaynağının dalgalı akım üretmesi gerekir. Kimi ölçü aletleri diyot ölçümünde kullanılır. Bunun için diyot ölçü aletine iki farklı yönde bağlanır. Bir bağlantıda düşük, diğer bağlantıda yüksek direnç ölçülür.
Duyarlılık sınıfı
Yukarıda, hiçbir analog voltmetrenin iç direncinin sonsuz, hiçbir analog ampermetrenin iç direncinin sıfır olmadığı belirtilmişti. Bu durum ölçü yapılırken, ölçü aletinin devreyi bir ölçüde yüklemesi anlamına gelir. (Ampermetre seri eşdeğer direnci artırmakta, voltmetre ise paralel eşdeğer direnci azaltmaktadır.) Duyarlı ölçüler için kullanıcının ölçü aletinin yüklemesi hesaplayabilmesi gerekir. Bu özelliğe duyarlılık sınıfı denilir ve bu sınıf ölçü aleti etiketinde Ω /V birimiyle verilir. Mesela bir voltmetrede 20 kΩ /V ile verilen duyarlılık, 100 V kademesinde ölçü aleti iç direncinin 2 MΩ olacağı anlamına gelir. Yani, böyle bir ölçü aleti devreye paralel bağlandığında 2 MΩ lık direnç kadar bir akım çeker. Osilaskoplarda ise iç direnç (ayrıca paralelleme devresi kullanılmadıkça) 1 MΩ'dur.