Vana – otomasyon serüveni

İnsanoğlunun tarihsel serüveni ve yolculuğu her ne kadar sürprizler, acılar, savaşlar ve var olma mücadelesiyle dolu olsa da değişmeyen tek şey hayatını idame etmek için gösterilen gayret olmuştur. Bu gayretin temelini bugün de olduğu gibi “su” oluşturmaktadır. Piramitleriyle ünlü Eski Mısır medeniyeti gücünü Nil nehrinden almıştır, günümüzde varlığı devam etmeyen birçok ulus suyun gücüyle medeniyet kurabilmişken yok olma sebebi ise yine “su” yani suyu kaybetmeleri olmuştur. Biz Türklerin dahi Orta Asya’dan Mezopotamya’ya hatta dünyanın birçok yerine olan yolculuğunun temelinde yine su yok mu?

Medeniyetin suya ulaşma yolculuğunda su, insanı sürekli kendine çekti. Oğuz Kağan, destanında 700’lü yıllarda suyu, denizi işaret etmiştir. Osmanlı’nın Akdeniz’e, Karadeniz’e, Marmara’ya ulaşması da dedelerinin bu hayalini gerçekleştirme yolculuğudur. Oğuz Kağan dedemiz daha deniz, daha müren*… diye 700’lü yıllarda suyu hedef göstermiştir. Suya ulaşma ve su sevdasıdır Türkleri Orta Asya’dan çıkaran, Anadolu’ya, Akdeniz’e, Marmara’ya ulaştıran. Tarihin birçok döneminde olduğu gibi Osmanlı döneminde de İstanbul başta olmak üzere birçok yere su kemerleri inşa edilerek bir nevi suya yön verilmiş, böylece medeniyetin ve refahın devamı sağlanabilmiştir.

Biz Ademoğlunun su ile “duygusal” mücadelesi bugün dünden daha dramatik ve karmaşık bir hal alarak artmıştır. Suyun kaldırma gücü ile geçmişte/günümüzde gemilerimizi rahatça yüzdürürken gelişen teknoloji ile suyu çok daha farklı şekilde kullanabiliyoruz; örneğin, su jetleri ile çeliği mükemmel bir hassasiyetle kesebilmekteyiz. Isınmak için ihtiyacımız olan enerjiyi su ile taşırken yine bir güç üretecinin ürettiği atık ısıyı su ile ortamdan uzaklaştırmaktayız (bu atık enerjiyi faydalı iş olarak kullanmanın yolları sürekli aranmalı!). Suyun gücünden, nimetlerinden bu denli yararlanan insanoğlu suyu kontrol etmek için farklı cihazlar ve yöntemler geliştirmiştir. Vana dediğimiz cihaz grubu ise suyu/havayı kontrol etmek için geliştirilen ana ürün gruplarından sadece bir tanesi.

Vanalar, insanoğlunun başta su ve hava olmak üzere, çeşitli akışkanlara hükmetmek, bu akışkanların; geçişini veya durdurulmasını sağlamak, debisini ayarlamak, geri dönüşünü engellemek, akış yönünü değiştirmek, akış basıncını sınırlamak ve akış emniyetini sağlamak gibi amaçlara ulaşmak için kullanılan mekanik yönsel cihazlardır.

Diğer bir tanımlama ile vana; akışkanlara yol veren, onları durduran, karıştıran veya akışkanın yönünü ve/veya miktarını, basınç veya sıcaklığını değiştirebilen bir cihazdır.

Vanalar, borulama-proses armatürleri içinde ağırlıklı bir yer tutarlar. Günümüzde geniş bir yelpazede; basit açma, kapama musluklarından, aşırı karmaşık servo sistemlere uzanan ve akışkanların kontrolü için kullanılan çok fazla sayıda vana mevcuttur. Bunlar; uzay uygulamalarında kullanılan çok küçük ölçme vanalarından, çapı metrelerle, ağırlığı tonlarla ifade edilen boru hattı vanalarına kadar değişiklik gösterebilmektedir. Değişik amaçlı kullanımlarda, kontrol edilen akışkan; bilinen sıvılar, gazlar, buharlar, radyoaktif malzeme olabileceği gibi, katı partiküller içeren sıvılar ve gazlar da olabilir. Hatta çimento, un gibi katı tozlar da akışkan olarak dikkate alınabilir. Vanalar; vakum bölgesinden, 7000 bar ve üzerindeki basınçlara, -200⁰C soğuktan, ergimiş metal sıcaklıklarına kadar kullanılabilmektedir. Ömürlerine gelince; sadece bir kere açma/kapama yapabilecek vanalar olduğu gibi, bakım ve onarım gerektirmeden binlerce kere açma/kapama yapması beklenen vanalar da vardır.

Havacılık, madencilik, nükleer santral, denizaltı ve gemicilik alanlarındaki ilerleme vanalara olan bakış açısını bir hayli değiştirmiş durumda. Örneğin madencilik sektöründe yerin yüzlerce metre altındaki bir vanayı uzaktan kontrol edebilmek elzemken denizaltı sektöründe vananın çok yüksek basınçlara dayanım göstermesi beklenmekte, bunu yanında bir nükleer santralde kullanılan vanaya uzaktan kontrolün elzemliğinin yanında yüksek sızdırmazlık ve basınç-sıcaklık dayanımı da gerekmektedir. Aynı şekilde bir uçakta kullanılan vanada da benzer özellikler baş göstermektedir. Üstüne üstlük tüm bunlara ilaveten negatif yöndeki sıcaklık ve basınç dayanımları da eklenince sektör çalışanları olarak bizlerin önünde yol almamız gereken koca bir yol görünmekte.

Dünyamızı son yıllarda apayrı bir rüyaya sürükleyen dijital dönüşüm ile beraber gelen akıllı ev, konut, ofis, yangın kontrol vb. beklentileri karşılamak için yine vanalara ciddi bir iş yükü düşmekte.

Duyar ailesi olarak tüm bu değişimleri oldukça yakından takip edip değerlendirmekteyiz. En optimum-verimli atılımlarla ihtiyaç duyulan alanlara dönük çözümler gerçekleştirmekteyiz.

Bilgi çağında olduğumuz bugün her bilgiye kolayca ulaşabilmemize rağmen maalesef bilgiyi hayata geçirme konusunda, dünyanın geri kalanı gibi, elbetteki sorunlar çıkmakta ve bizler de bu sorunların üstesinden gelmek için çaba harcıyoruz. Söz, günümüz mühendislerinin çabasına gelmişken, akışkan kontrolündeki en temel kavram olan debi üzerindeki ilk sayılabilecek bilimsel çalışmaya değinmeden olmaz sanırım. Bunun için 22 Eylül 1791’de İngiltere’nin Outhgill kasabasının demircisi James ile bir çiftçi kızı Margaret Hastwell çiftinin (evlilikleri 1786) dört çocuğundan üçüncüsü olarak London Bridge’e yakın Newington Butts’da dünyaya gelen Michael Faraday’ın 1832 yılında Thames Nehri’nde gerçekleştirdiği deneye bir göz atalım.

Bilindiği üzere manyetik debimetrelerde kullanılan prensip Faraday’a dayanmaktadır. (B) manyetik alanına dik olarak (V) hızıyla hareket eden (Q) elektrik yükü, (F) kuvveti tarafından etkilenir.

F=QxVxB (1)

Pozitif ve negatif yüklerin her ikisi de var olduğunda bu kuvvet, yüklerin ayrılmasına neden olur ve bu kuvvet, (E) elektrostatik kuvveti ile dengelenir.

F=QxE (2)

1 ve 2 eşitlikleri Faraday’ın indüksiyon yasasını temsil eder

E=VxB

Bu yasa şu şekilde formüle edilebilir: (L) uzunluğundaki bir elektrik iletken, (V) hızı ile (B) manyetik alanının akış hatlarına dik olarak hareket ederse, iletkenin iki ucu arasında U_igerilimi indüklenir.

U_i = BxLxV

B: Manyetik indüksiyon

L: İletken uzunluğu

V: Hareket eden iletkenin hızı

Elektrik iletkeni çubuğu içinden iletken sıvı geçen bir boru ile yer değiştirdiğimizde manyetik alana dik düzlemde sıvı boyunca bir gerilim üretilecektir ve gerilim akış hızı boyunca orantılı olacaktır. Debi ölçüm teorisi şu şekilde şematize edilebilir:

U_i: İndüklenen voltaj

B: Manyetik indüksiyon

D_i: Boru iç çapı

V: Ortalama akış hızı

Sıvı ile temas eden iki elektrot yerleştirilerek oluşan gerilim ölçülür. Elektrotlar, elektriksel olarak yalıtılmış bir boruya, (B) manyetik alanına dik olacak şekilde yerleştirilirler.

U_ielektrot voltajı manyetik alan ve akış hızı ile orantılıdır. Ancak sensörlerin kalibrasyonunun yapıldığı akış profili ile ölçümün yapıldığı akış profili arasında büyük farklar olduğunda alınan ölçüm değerleri hatalı olabilir. Genelde iyi tanımlanmış bir akış profili sağlamak için, ölçüm noktasından önce ve sonra belirli uzunlukta düz boru olması gerekir. Düz boru uzunluğu da dirsek, valf vs. gibi akımı bozucu elemanlara bağlıdır. Uygulamada düz boru uzunluğu; girişte 5xD_i(iç çap) ve çıkışta 3xD_iolarak hesaplanır.

ISO/TR 6817- 1980E standardına göre elektromanyetik debimetrenin yapısı şu şekildedir:

Prensip olarak açıkladığımız Faraday’ın kendisine ait olan bu teoriyi kendisi doğrulamak için 1832 yılında Thames nehrinde şöyle bir deney yaptı:

Yeryüzü sabit bir manyetik alan ürettiğinden, Faraday iki elektrot yerleştirip bunlar arasındaki voltajı ölçmenin yeterli olacağını düşündü. Ancak deney bu aşamada başarısız oldu. Faraday önemli bir pratik problem ile karşılaştı: Metal elektrot ile su arasında, şekildeki gibi bir elektrokimyasal voltaj oluşmaktaydı.

Debiye bağlı voltaj (U_i) ve elektrokimyasal voltajın (U_ec) her ikisi de D.C. Voltaj olduğundan bunları birbirinden ayırmak imkânsızdır.

Faraday, elektrokimyasal voltaj sorununa bir çözüm buldu, akışkanın geçtiği boru etrafına manyetik bir bobin koydu ve bu bobini sinüzoidal bir manyetik alan oluşturan A.C. Voltaj ile besledi. Buna göre debi ile orantılı voltaj şekildeki gibi sinüzoidal olacaktı.

Sonuçta debi ile orantılı voltajı elektro kimyasal voltajdan ayırma olanağı sağlandı. Manyetik bobini A.C. Akımı ile beslemek elektrokimyasal hata voltajını yok etmişti ancak diğer bir hataya yani transformatik voltaja yol açmıştı.

Manyetik bobin ve elektrot kabloları bir transformatör oluşturur. Bunun sonucunda debi sinyali (U_i) ile 90⁰faz değiştirmiş bir hata voltajı oluşur. Diğer yandan, elektrik hattındaki salınımlar ölçme sinyaline etkirler. Üstüne üstlük 50 Hz’lik sinyal voltajı diğer elektrikli cihazlardan ölçme sinyaline etkiyen gürültüler (noise) yaratır…

1832 yılında kendi teorisini ispatlamak için bizzat Faraday tarafından yapılan ilk deney ve iyileştirmeler 186 yıllık hikâyesi süresince devam etti ve karşılaşılan her problem tek tek çözülerek günümüze gelindi. Hâlâ bu konudaki iyileştirmeler insanoğlunun ihtiyaçlarını daha iyi karşılayabilmek için devam etmekte. Bir nevi medeniyetin gücü denilen bilgi duvarını tek tek tuğlalar koyarak yükseltmenin ne kadar önemli olduğu bu örnek ile apaçık görülmekte.

Bu hikâye biz gibi teknolojiyi yakalama gayreti gösteren ülkelerin sihirli değnek arama gayretlerinin ne denli saçma olduğunun çok net bir göstergesidir. Teknolojik ilerlemenin daha anlamlı ve mümkün olabilmesi için bilgiye daha fazla değer verilmeli ve bu işlerle uğraşanların mümkün olduğunca “bence” ile başlayan cümlelerden kaçınmaları gerekir…

53 yıllık serüveni boyunca her gün yeni bir tuğla ile örüp yükselttiği bilgi duvarı ve hafızasını daha da büyütüp derinleştiren Duyar Vana, gelecekte daha saygın ve vurucu çalışmalarıyla varlığını daha etkili bir şekilde sürdürecektir. Duyar Vana’nın insanlık, bilim dünyası ve ülkemiz için nice güzel çalışmalar yapması dileğiyle…

Not: Bu yazıyı okuyanların tek kelime ile “okudum” notunu veya varsa görüş ve önerilerini e-posta (bilal.aydemir@duyarvana.com.tr) ya da mesaj ile bildirmelerini rica ederim.