Bulanik mantik kontrollü termoelektr k bey n soğutucusu a. Hakan yavuz 1, Ra
Yüklə 92,63 Kb. Pdf görüntüsü
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- 2. S STEM N TANIMLANMASI
- Termoelektrik so ğutucu
- Bulanık Mantık Denetleyici
- 3. TERMOELEKTR K SO ĞUTUCU
- 3.2.Termoelektrik modül
- Zaman 5A 10A 15A 20A 25A 30A
|
BULANIK MANTIK KONTROLLÜ TERMOELEKTR K BEY N SOĞUTUCUSU A.Hakan YAVUZ 1, Raşit AHISKA 2,Mahmut HEK M3 1Niksar Meslek Yüksekokulu,Gaziosmanpaşa Üniversitesi Niksar,Tokat 2Teknik Eğitim Fakültesi,Elektronik Bilgisayar Eğitimi Bölümü, Gazi Üniversitesi Beşevler,Ankara 3Niksar Meslek Yüksekokulu,Gaziosmanpaşa Üniversitesi Niksar,Tokat
1e-posta: hyavuz@gop.edu.tr 2e-posta: rahiska@gazi.edu.tr 3e-posta: mhekim@gop.edu.tr
Anahtar Sözcükler: Termoelektrik, Beyin Soğutma, Hypothermia, Beyin Travması
n this study, it has been emphasized on thermoelectric brain cooler which helps brain to be cooled from outwards to use carnio-serebral Hypothermia method used frequently to protect brain especially in Arcus Aort operations , during brain taruma or afterwards. The aim of Hypothermia is to help the body to protect itself with the intention of reducing the metabolic velocity and the consumption of oxygen. Temperature control of brain cooler designed in a shape of helmet and running with DC voltage has been produced with fuzzy logic. This machine DC is a machine that anyone can use in the transport devices due to its portable and running with low voltage and also it is suitable for clinic conditions. 1.G R Ş Dünyada olduğu gibi Türkiye’de de trafik kazaları sonucunda insanların ölmesi ve sakatlanması büyük sorun oluşturmaktadır. Trafik kazaları en çok beyin travmaları ve travma sonrası sakatlıklara neden olmaktadır. Dünyada travma sonrası beyin tedavisi ve korunması için çeşitli
yöntemler uygulanmaktadır. Travmatik beyin hasarı ilk yardım sürecinde, yoğun bakım ünitelerinde olduğu kadar acil servislerdeki hekimlerin de üstesinden gelmeleri gereken başlıca sorunlardandır. Beyin travmalı bir hastada ilk müdahale hasta acil servise geldiğinde veya yoğun bakıma alındığında değil travmanın olduğu yerde başlamalıdır. Hastaya travma anından, devamlı tedavisinin yapılacağı kliniğe gidene kadar ulaşımın her aşamasında sistematik ve hızlı yaşam desteği başlamalı ve sürdürülmelidir. Travma hastalarının % 20’sinin ilk travma anında veya nakil sırasında kaybedildikleri, buna da en çok hipotansiyon ve hipoksinin sebep olduğu düşünülürse bu hastaların erken tanı ve tedavisinin ne kadar önemli olduğu anlaşılır. Devlet statistik Enstitüsü’nün (D E) verilerine göre ülkemizde de trafik kazalarında beyin travmalarına bağlı ölümler tüm kayıplar arasında önemli bir orana sahiptir.
Dünyada travma sonrası beyin tedavisi ve korunması için Kranio-Serebral Hipothermia (KSH) yöntemi uygulanmaktadır. Hipotermiya dokuların oksijen tüketimini azaltarak organizmayı ve özellikle beyni hipoksinin ölümcül etkisinden korumaktadır. Travmalı beynin oksijen gereksinimi normal beyinden daha fazladır. Normal beyinde tolere edilebilen bir hipoksi sınırı, travmalı beyinde bir hasar meydana getirebilir. Bu nedenle başlangıç tedavisi çok önemlidir. Erken tedavi yeterli serebral oksijenizasyon için önceliklidir. Hipoksinin önlenmesi en önemli problemlerden biridir.[1-4]
Arkus aort cerrahisinde de beynin korunması en önemli problemlerden biridir. Santral sinir sisteminin iskemik ve embolik kökenli lezyonları ve kontrol altına alınamayan perioperatif kanamalar aort cerrahisinde morbidite ve mortaliteyi artıran önemli problemlerdendir. Santral sinir sisteminin enerji ihtiyacı aerobik glikoz ile karşılandığı için beyne giden oksijenin azalması yada kesintiye uğraması sonucu normotermik koşullarda 3-5 dakika gibi kısa sürede iskemik serebral hasara yol açabilmektedir. Bu nedenle santral sinir sistemini iskemik hasardan korumaya yönelik çeşitli metotlar geliştirilmiştir. Bu yöntemler içinde en çok kullanılanı derin hipotermiyadır. Bunun yanında çeşitli yardımcı metotlar da geliştirilmiştir. Arkus aort cerrahisinde hipotermiya kuru sakin bir cerrahi ortam sağlaması açısından cerraha büyük bir kolaylık sağlar. Hipotermiyanın koruyucu etkisi ısı yüzeyi olarak hücre içi enzimatik reaksiyonların ve metabolik hızın azalması temeline dayanır. Dokuların oksijen ve yüzey gereksinimleri orantılı olarak azalır hipotermiyanın yüksek enerji fosfatları üzerindeki etkisi ispatlanmıştır. [5-6]
Hipotermiyanın en belirgin amacı yukarıda belirtildiği gibi kafa travması sonucunda veya açık kalp ameliyatı esnasında metabolik hızı ve oksijen ihtiyacını azaltarak organların korunmasını sağlamaktır. Beyin iskemik hasara en yatkın organdır. KPB sırasında oluştuğu varsayılan düşük kan akımı ve embolik olaylar iskeminin önemli sebepleri olarak ön plana çıkmıştır. Hipotermiya beynin oksijen ihtiyacını azaltarak iskemiye karşı koruyucu bir etki oluşturur.
Beyin travmalarında KSH kullanılmasının bir avantajı da bu yöntemin çok basit ve klinik koşullara uygun olmasıdır. Beyin hipotermiyasındaki temel problem beynin hızla(ilk 1 saat) gereken sıcaklığa kadar soğutulması ve bu sıcaklıkta kontrollü bir şekilde uzun süre tutulmasıdır. Kabul edilebilir sıcaklık hatası ±0.5 ˚C’dir.
Bu problemleri çözmek amacıyla, dc gerilimle çalışabilen, bu nedenle nakil araçlarında kolaylıkla kullanılabilecek, kaza yerine taşınabilecek, klinik koşullara uygun, istenildiğinde sadece polariteyi değiştirmek suretiyle sıcak soğuk yüzeyleri değişebilen bir cihaz tasarlanacaktır. Cihaz bir kask ş eklinde olup tasarımında 120 adet esnek termoelektrik modül kullanılmıştır. Kullanılan modüller seri olarak bağlanmıştır ve 40 Ampere kadar akım çekmektedirler. Kaskın sıcaklık kontrolü ise bulanık
mantık kullanılarak yapılacaktır. Tasarlanacak cihaz ile beynin sıcaklığını 22-26 ˚C ve daha aşağı sıcaklıklara kadar soğutmak mümkün olacaktır. Bu da KSH metodunun eşsiz üstünlüğünü oluşturmaktadır. Ayrıca bu cihazın kalp ve damar cerrahisinde kullanılabilirliğinin esasını teşkil eder. Bu cihaz acil nöroloji cerrahisinde kullanılabilir. Özellikle ağır kafa travması sonucu beyin ödemi meydana gelmesinden dolayı kalp ve solunum fonksiyonları bozulan hastalara KSH sağlamak için kullanılabilir.
Tasarımı yapılacak sistemin blok diyagramı aşağıdaki gibidir.
Ş ekil-1. Sistem blok diyagramı
boyutlarının küçük olması için anahtarlamalı güç kaynağı kullanılacaktır. (0-40 A ayarlı 0-12 V ayarlı)
Sürücü Devre, Sürücü devre H-Köprü mosfet sürücü devresidir. Bulanık mantık denetleyicisinden gelen darbe genişlik modülasyonu oranına göre termoelektrik soğutucuya aktarılan akım miktarını değiştirmekle görevlidir.
oluşur. DC bir gerilim uygulandığında termo elementlerde bir soğuk bir sıcak yüzey meydana gelir. Uygulanan gerilimin polaritesi değiştirildiğinde sıcak ve soğuk yüzeyler değişir.
soğutucunun akımını çok farklı şekillerde kontrol etmek mümkündür. Günümüzde özellikle klasik kontrol ve bir uygulaması olan PID kontrol yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Fakat lineer olan bu kontrol teknikleri lineer olmayan sistemlerde kötü performans sergilediklerinden yeni arayışlar içine girilmiştir. Yapay zeka tekniklerinin ortaya çıkması ile birlikte insan düşüncesinin mantıksal ve sezgisel ya da objektif taraflarını kullanan metotlar geliştirildi. Bu tekniklerden biri olan bulanık mantık birçok alanda kullanıldığı gibi lineer olmayan sistemlerin etkili bir şekilde kontrolüne de imkan tanımaktadır. nsanın yapabildiği karar verme ve öznellik gibi yetenekleri programlamaya imkan veren bulanık mantık bu özelliği ile sistemin yapısında olabilecek bozucu etkileri tolere eder. Bulanık mantığın bir diğer üstünlüğü de sistemin matematiksel modelinin kurulmasının imkansız olduğu durumlarda bile performansı değişim göstermez. Günümüzde mikroişlemci teknolojisinin gelişimi ile birlikte de ucuza mal edilen kolay bir kontrolcü tasarımına imkan sunmaktadır.[7,8,9]. Termoelektrik soğutucunun kontrolü için yapay zeka tekniklerinden biri olan ve akım kontrolü için çoklukla tercih
edilen bulanık
mantık kullanılacaktır. Böylece esnek, matematiksel modelden bağımsız, kesin olmayan dataları tolere edebilen, lineer olmayan durumda bile iyi sonuçlar verebilen, geleneksel kontrol teknikleri ile koordineli çalışabilen ve doğal dil tabanlı bir kontrol sistemi oluşturulacaktır.
Herhangi bir termoelektrik cihaz veya sistemin temelinde termoelementlerden oluşan termoelektrik modül bulunmaktadır. Bir termoelektrik modül termoelementlerin elektriksel olarak seri ve termal olarak paralel bağlanmasıyla meydana gelir.
DC
G.K Sürücü
Devre Ter.El.
Soğut. Bul.
M.D. Termoelektrik Soğutucu çin Bulanık Model 3.1.Termoelement Bir termoelement, n ve p tipi yarıiletkenlerin, Şekil 1’de gösterildiği gibi, bir iletkenle (Bakır) elektriksel olarak seri bağlanmasıyla oluşur. Burada n tipi yarıiletken termoelement’in negatif, p tipi yarıiletkende termoelementin pozitif kolları olarak tanımlanır. Bir termoelementin çalışma prensibine bakılırsa, eğer termoelemente Şekil 1’deki gibi DC bir gerilim uygulanırsa, yük taşıyıcıları, enerji seviyesi düşük olan üstteki bakırdan yarıiletkene geçerler. Bakır ile yarıiletken arasında mevcut olan enerji duvarını aşmak için elektron ve delikler bakırın örgüsünden enerji sağlarlar. Böylece üstteki bakırın sıcaklığı düşecektir. Alttaki bakıra gelince, yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçen yük taşıyıcıları sahip oldukları fazla enerjiyi alttaki iletkene aktararak ısınmasına neden olacaktır. Bu geçiş sırasında soğuyan yüzeyden ısı emilirken soğuk yüzeyin sıcaklığı düşecek, ısının pompalandığı sıcak yüzeyin sıcaklığı ise artacaktır. Devreye uygulanan akımın yönü değiştirilirse soğuyan yüzey ısınır, ısınan yüzey soğur. Eğer çalışan bir termoelementin sıcak yüzeyinde açığa çıkan ısıyı herhangi bir ısı transfer sistemiyle çevreye yayarak T
sıcaklığı sabit tutulursa devreden geçen I akım şiddetine bağlı olarak soğuk yüzey sıcaklığı belli bir T 2 değerine kadar düşer. Bir termoelement üzerinden geçen akım ş iddeti sabit tutulduğunda T 2 sıcaklığının değeri soğuk yüzeye gelen ve emilen
ısı yüküne bağlıdır. Bu ısı yükü çevreden ve sıcak levhadan soğuk levhaya ısı iletiminden dolayı gelen ve termoelement devresinden geçen akım şiddeti etkisi ile açığa çıkan Joule ısısından oluşur. Isı Taşıyan Elektron Taşıyıcıları + -
+ Bakır
I n p Y Q Ş ekil-2. Termoelementin yapısı Termoelementlerden oluşan
bir modülün
maksimum akım şiddetinin değeri termoelementin üretiminde kullanılan termoelektrik yarıiletkenlerin kalitesine, boyutlarına ve yapısal özelliklerine göre değişir. [10,11,12]. 3.2.Termoelektrik modül Onlarca termoelement, elektriksel olarak seri, termal olarak paralel bağlanarak çeşitli amaçlar için çeşitli büyüklüklerde termoelektrik modüller elde edilmektedir. Termoelektrik modüller, hareketli parçası olmayan küçük birer ısı pompasıdırlar. Termoelektrik modüller genelde alan sınırlamasının olduğu, güvenilirliğin önemli olduğu ve zararlı soğutucu gazların kullanılmasının istenmediği ortamlarda tercih edilirler. Termoelektrik soğutucu, DC gerilimle çalışmakla beraber akım yönünün değiştirilmesiyle soğutma veya ısıtma rejimine kolayca geçebilmektedir. Soğutma, termoelektrik modülün bir yüzeyindeki ısının diğer yüzeye taşınmasıyla gerçekleşmektedir. Ş ekil 3’de bir termoelektrik modülün yapısı görülmektedir.[12,13].
n ve p tipi elemanlar Sıcak yüzey (Isı yayıcı) Elektriksel izolatör ( yi ısıl iletken) + -
n p n p n p n p n p n p n p Elektriksel iletken
Ş
4.DENETLEY C TASARIMI Tasarlanan sinirsel bulanık mantık denetleyicisi sıcaklık hatası
ve sıcaklık hata değişimi ce T
olmak üzere iki giriş ve termoelektrik soğutucuya uygulanacak akım değerini ayarlamak için kullanılan bir adet çıkış değişkenine ( f ) (DGM
Sinyali ) sahiptir. Burada e T referans sıcaklık ile, ölçülen sıcaklık arasındaki fark,
ise o anki hata ile bir önceki hata arasındaki farktır.
− = , ) 1 ( ) ( − − = k T k T T e e ce
T
f
T
Ş ekil-4. Bulanık Model Sistem kontrolü için oluşturulan modelinde her bir giriş değişkeni için 5 adet üyelik işlevi seçilmiş ve üçgen tip üyelik işlevi ile tanımlanmıştır. Tanımlanan dilsel değişkenler ve sınırları Tablo 1’de gösterilmektedir. Çıkış değişkeni için ise 5 adet üyelik işlevi belirlenmiştir. Bu değerler aşağıda Tablo 2’de gösterilmektedir. [-1,1] Aralığında tanımlanmıştır.
Beşer adet giriş değişkenleri ile ilgili toplam 25 adet kural oluşturulmuştur. Bu sıcaklık değerleri laboratuar ortamında elde edilmiştir. Tablo-1. Giriş Hata ve Hata Değişimi Üyelik Fonksiyonları NB
NEGAT F BÜYÜK [-999 -0.5 -0.25] NK NEGAT F KÜÇÜK [-0.5 -0.25 0] S SIFIR [-0.25 0 0.25] PK
POZ T F KÜÇÜK [0 0.25 0.5] PB POZ T F BÜYÜK [0.25 0.5 999] Tablo-2. Çıkış Üyelik Fonksiyonları NB NEGAT F BÜYÜK [-1 -0.625 -0.25] NK
NEGAT F KÜÇÜK [-0.5 -0.25 0] S SIFIR
[-0.25 0 0.25] PK
POZ T F KÜÇÜK [0 0.25 0.5] PB POZ T F BÜYÜK [0.25 0.625 1] Giriş ve çıkış hata fonksiyonları ve kural tablolarına göre elde edilen bulanık yüzey aşağıdaki gibidir.
Ş ekil-5. Bulanık Kontrol Yüzeyi 5.SONUÇLAR VE ÖNER LER Yapılan çalışma neticesinde elde edilen cihazın hastalar üzerinde uygulanabilmesi için cihazın sıcaklık karakteristiklerinin iyi
belirlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla laboratuar ortamında elde edilen deneysel sonuçlar aşağıda tablo halinde gösterilmiştir. Tablo-3. Termoelektrik soğutucu akım değişimine göre ölçülen soğuk yüzey sıcaklıkları Zaman 5A 10A 15A 20A 25A 30A 0.00
16.99 17.09
17.05 17.23
17.20 17.19
0.50 12.06
10.22 7.67
5.60 3.79
2.44 1.00
9.94 7.43
3.62 0.7
-1.56 -3.32
1.50 9.12
6.26 2.05
-1.19 -3.82
-5.62 2.00
8.86 5.87
1.5 -1.95
-4.78 -6.39
2.50 8.68
5.76 1.15
-1.75 -4.91
-6.66 3.00
8.70 5.71
1.16 -2.09
-5.03 -6.87
3.50 8.63
5.67 1.09
-2.13 -5.28
-6.75 Bulanık mantık kullanmak suretiyle termoelektrik soğutucunun sıcaklık kontrolü yapılabilir. Bu ş ekilde, Termoelektrik soğutucunun kontrolü için yapay zeka tekniklerinden biri olan ve akım kontrolü için çoklukla tercih edilen bulanık mantığın kullanılabilirliği gösterilmiştir. Anfis metodu ile ölçülmüş datalar kullanılarak üyelik fonksiyonlarının optimum değerleri tespit edilerek yeni
üyelik fonksiyonlarına göre yeniden
programlanıp daha iyi sonuçlar elde edilebilir. Böylece esnek, matematiksel modelden bağımsız, kesin olmayan dataları tolere edebilen, lineer olmayan durumda bile iyi sonuçlar verebilen, geleneksel kontrol teknikleri ile koordineli çalışabilen ve doğal dil tabanlı bir kontrol sistemi oluşturulmuş olacaktır.
[1]
Katz L. M, Younga, A.S.,Franka, J.E., Wanga,
Y., Park,
K..Regulated Hypothermia reduces brain oxidative stres after hypoxic-ischemia. BRA N RESEARCH, 1017 85-91 ,2004. [2] Gal, R., Cundrle, I., Zimova, I.. Smrcka, M., Mild hypothermia therapy for patients with severe brain injury.CL N CAL NEUROLOGY AND NEUROSURGERY, 104 318-321 2002. [3] Clifton,G.L., Hypothermia and severe brain injury.J. NEUROSURGERY, 93(4): 718-719 ,2000. [4] Clifton,G.L., Steven. A., Berry, J., Koch, S., m., Systemic Hypothermia in treatment of brain injury.Journal of Neurotrom, 9(2): 487-495,1992. [5] Midulla PS,Gandsas A,Sadeghi AM,et al: Compaison of
retrograde cerebral perfusion to entegrade cerebral perfusion and hypothermic circulatory arrest in achronic porcine model.J Card Surg 1994;9:560-575. [6] Yüksel ATAY, Ömer TET K,Uğur GÜRCÜN, Kardiyovasküler operasyonlarda sirkülatuar arresti başlatmada rektal ısı ile elektroserebral sessizliğin karşılaştırılması, GKDC DERG S 1997;5:236-241. [7] Siler, L., Ying, H., Fuzzy Control Theory. Elsevier, FUZZY SET AND SYSTEMS 33, 1989 pp 275-290. [8] Jantzen, J., Tuning of Fuzzy PID Controllers. TECH. REPORT no:98, Denmark 1998. [9] Ç. Elmas., Yapay Sinir Ağları. Ankara, 2003. [10]
B.Mumyakmaz, K.Vardar, Design of a Fuzzy Logic Controller For DC Motor Speed Control. IKECCO 2004, INTERNAT ONAL CONFERENCE ON ELECTRON CS AND COMPUTER, April 2004, Bishkek, Kyrgyzstan , 2004 [10] Ahıska, R., Patent, EP,A61,F7\00, 18 October, 1993. [11]
Kapıdere M.,
Mikrodenetleyicili Termohipoterm Tıp Cihazı Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi. Doktora Tezi,2005 [12]
Ahıska, R.,Ciylan, B.,Savaş, Y., Güler, ., Standart Termoelektrik Modülün
Z Parametresinin Ölçülmesi için Yeni Yöntem ve Sistem. Gazi Üniversitesi MÜHEND SL K FAKÜLTES DERG S , 19(4):467-473 2004. [13]
Ahıska,R., Güler,
., Savaş,
Y., Termoelektrik soğutucunun özelliklerinin araştırılması. , POL TEKN K DERG S ,2 (3):89-94,1999. Yüklə 92,63 Kb. Dostları ilə paylaş:
|