Design of textile based humidity sensor for protection of fruit trees in agricultural applications
Tarımsal uygulamalarda meyve ağaçlarını korumak için tekstil tabanlı nem sensörü tasarımı
- Tez No: 695829
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SENEM KURŞUN BAHADIR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Yıldan yıla artan dünya nüfusunun getirdiği gıda ihtiyacına bağlı olarak gıda üretiminin artması, her mevsim yüksek kalitede ve çok daha büyük miktarlarda üretimi zorunlu kılmaktadır. Bu soruna en uygun çözüm sera üretimi ile sağlanmıştır. Sera faaliyetleri geçmişten günümüze benzer sorunların kaynağı olarak ortaya çıkmıştır. Geçmişe baktığımızda özellikle tepelerin ve arazilerin güneye bakan bölgelerdeki çukur alanlar plastik benzeri malzemeler kullanılarak üzerleri örtülerek tarımsal üretimde verim elde edilmiştir. Tüm bu süreç göz önüne alındığında ihtiyaç, popülerlik ve uygulama alanı her geçen gün artmıştır. Aynı zamanda gelişen sera sistemleri sayesinde yağmur, dolu, buzlanma, don ve böcek istilası gibi hava olayları ile türüne göre belirli periyotlarda ağaçlara maruz kalabilecek çeşitli zararlı canlılara karşı önlem alınması sağlanmıştır. Aynı zamanda seralar içerisinde bulunan bitki ve ağaç gibi türleri özel yapılmış kanallar sayesinde korumaktadır. Şöyle açıklamak gerekirse fazla alınan su toprak gözenekleri içerisindeki havanın yerini alarak köklerin yanmasına ve zarar görmesine sebebp olur, ayrıca havasız kalmış olan bitki kökleri yeterli düzeyde çalışma gösteremez ve kurumalar meydana gelir. Bunun dışında Kök bölgelerinde zararlı olan mantar ve virüsler bitkiler etrafında hastalık oluşturmaya başlar. Bunlarla birlikte verilen gübreler yanlış dönemde alınacak yağış sebebiyle yeterli verimi sağlayamayıp bitki tarafından tam emilimi sağlanmadan ortamdan uzaklaşabilir. Bunlarla birlikte ağaç kökleri yüzeyde fazla miktarda suyla karşılaştığı için kök bölgelerinde gelişme yavaşlar ve daha çok toprak yüzeyinde kalan bu kökler daha çabuk yüzey etkilerinden zarar görebilir. Ayrıca azot, fosfor, potasyum kalsiyum gibi besin maddelerinin alımı zorlaşırken toprak içerisindeki tuz miktarında da aşırı şekilde artışlar yaşanabilir. Seralarda kullanılan özellikle polyester tabanlı ve kaplamalı kumaşlarla su geçirgenliği ortadan kaldırılacağından özel kanallar vasıtasıyla ya da entegre edilecek yeni akıllı sistemlerle bu sorunların önüne geçilebilir. Ancak burada kapalı sera sistemlerinin sabit yapılar olması ve kapalı bir şekilde kurulması gibi bir dezavantajı vardır. Bu sistemler sürekli kapalı olduğu için kullanılan sera kumaşları kaplamalı ve polyester içerikli ürünler olmasından dolayı ortam sıcaklığında aşırı bir artışa neden olabilir ve dolaylı olarak meyve veya sebzeye zarar verebilir. Bu sorunun önüne geçebilmek için büyük sistemler kurulmuş ve sera içerisine yerleştirilmiş rijit büyük boyutlu mekanik sensörler denenmiştir. Bu tezde, literatür araştırması yapılarak seralarda halihazırda kullanılan ve yenilikçi teknolojiyle üretilmiş dokuma sera örtüsü araştırması yapılmıştır. Edinilen bilgiler ve araştırmalar doğrultusunda seralarda kullanılabilecek dokuma kaplamalı kumaşlar seçilmiştir. Ardından iletken mürekkepler ve serigrafi baskısıyla yapılan çalışmalar ve tekstil teknolojisinde akıllı tesktiller ve üretim şekilleri araştırılmıştır. İletken mürekkepler kullanılarak doğrudan kumaş üzerine basılabilecek, ortamdaki yüksek nem oranlarında ölçüm verebilen esnek ve dayanıklı tekstil bazlı bir nem sensörü tasarlanmıştır. Sensörde kullanılacak olan iletken mürekkeplerle birlikte serigrafi baskısında kullanılacak sensor deseni çeşitli yapılan araştırmalar ve deneyler sonucunda iki farklı sensor tasarımı kullanılmıştır. Sensör tasarımları ortamda oluşacak nemi algılayıp, mürekkep içeriğindeki gümüş ve karbon iletken partiküller sayesinde elektriksel iletim oluşturarak multimetreyle ölçüm alınabilmesini sağlamıştır. Bunlarla birlikte, yapılan aşatırmalar doğrultusunda dört farklı kumaş seçilmiştir bunlar; polipropilen kaplamalı mavi kumaş, polipropilen kaplamalı gri kumaş, polipropilen kaplı beyaz kumaş ve son olarak polietilen kaplı transparan kumaştır. Ürün için kullanılacak numune kumaşların çeşitli fiziksel ve mekanik özelliklerinin değerlendirilmesine yönelik testler yapılmıştır. Özellikle sera içerisinde güneş ışınlarının etkilerini tamamen yok etmemek için kumaş kalınlığı testi yapılmıştır, ardından bu kumaşların örtü olarak kullanılacağı bilgisine uygun olması için kumaş ağırlığı gramaj testleri yapılmıştır. Ayrıca oluşabilecek manuel açma kapama faaliyetlerine karşı çeşitli mukavemet testleri çekme, yırtılma mukavemeti, uzama testleri dört farklı kumaş numunelerine ayrı ayrı uygulanmıştır. Bunun yanında doğal kullanım süreci içerisinde oluşabilecek aşınma, hava geçirgenliği, su geçirgenliği gibi bazı kumaş performans testleri gerçekleştirilmiştir. Tüm bunlara ilave olarak sensor tasarımı dört farklı polipropilen kaplamalı mavi kumaş, polipropilen kaplamalı gri kumaş, polipropilen kaplı beyaz kumaş ve son olarak polietilen kaplı transparan kumaş üzerine iki faklı sensor tasarımı serigrafi tekniğiyle baskı yapıldıktan sonra rüzgar, yağmur, torak, toz, gibi hava olaylarınamaruz kalındığında sensörün tekrarlanabilirliği ve kullanılabilirliğini test etmek için hava şartlarına karşı dayanım haslığı (Xenon arc), sürtme haslığı, tekrar edilen eğme testi yapılmıştır. Sensörü oluşturmak için çeşitli sensör tasarımları çizilip uygunluğu test edildikten sonra ana tasarıma karar verilmiştir. Ayrıca nem ortamında sensörlerin oluşan nem ecevap verme süresi ve histeriz testleri ölçüm değerleri raporlanarak bu testlerle ilgili grafikler de tez içerisinde aktarılmıştır. Yapılan testler sonucunda verilerin objektif olarak değerlendirilebilmesi ve istatistiksel açıdan yorumlanabilmesi için testler sonucunda elde edilen veriler ışığında bağımsız örneklem t testi uygulanıp sonuçlar tez içerisinde tablolarla aktarılmıştır. Aynı zamanda seçilmiş olan tasarım I ve tasarım II test sonuçları elde edilen elektriksel dirençler doğrultusunda iki yönlü anova testi kullanılarak farklı nem yüzdesi altında ölçülen elektriksel direnç değerleri istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Bununla birlikte araştırma içerisinde seçilmiş olan karbon iletken mürekkep ve gümüş iletken mürekkep performanlarının farklı nem ortamlarında elde edilen elektriksel direnç değerleri de kendi arasında istatistiksel olarak değerlendirilebilmesi ve yorumlanabilmesi için iki yönlü anova testi yapılmış ve tez içerisinde raporlanmıştır. Elde edilen tüm bilgiler ve yapılan test sonuçları değerlendirilerek deneysel ortamda tasarlanan en iyi elektriksel iletim sonuçlarını veren tasarım ve iletken mürekkebin kullanıldığı sensor tasarımı seçilerek Arduino program ile test edilmiştir. Programa uygun şekilde kod yazılmış, ardından oluşturulan düzenekte sensor tasarımının üzerine su damlatılmasıyla oluşan iletkenlikle programın verdiği cevap tez içerisinde incelenmiştir. Yapılan tüm çalışma değerlendirildiğinde oluşturulan nem sensörü geleneksel serigrafi tekniği ile kumaşa entegra edildiği için uygulanması oldukça kolay bir tekniktir. Aynı zamanda çok yüksek bir üretim maliyeti ve kurulum maliyeti gerektirmeyen testil sektörün oldukça sık kullanılan bu teknik vasıtasıyla uygulama alanı oldukç aulaşılabilirdir. Bunun yanında tekstil tabanlı nem sensörü geliştirilirken kullanılan gümüş nano partiküllü iletken mürekkep ilk etapta pahalı gözükse de yeni tasarım yaklaşımıyla birlikte sürdürülebilir bir sera sistemi tasarlamayı hedeflediği için ve ürün kalitesi ile üretim sürecindeki verimliliği değerlendirildiğinde ticari getirisinin sağlayacağı pozitif etki bu yatırım maliyetlerini tölere edebilecektir. Aynı zamanda serigrafi yöntemi seri üretime oldukça elverişli bir yöntem olduğu için sensor baskı ve üretim süreçleri oldukça hızlı ve kolay şekilde ilerleyebilecektir. Tüm bunların yanında çevresel etki de değerlendirildiğinde, tez öalışmasında amaçlanan üretim ve ürün kalitesini arttırmada tasarlanan sensörler sayesinde sera etkinliği ve verimliliği artacaktır. Aynı zamanda sensor kullanımı sayesinde ortam şartlarının optimum seviyede tutulmasıyla birlikte artan ürün kalitesiyle birlikte ilave olarak kullanılan hormon, tarımsal ilaç ve çeşitli kıimyasal kullanımı da oldukça aza inecektir.
Özet (Çeviri)
The increase in food production due to the need for food brought by the increasing world population from year to year necessitates production at high quality and in much larger quantities in every season. The most suitable solution for this problem has been provided by greenhouse production. The greenhouse activities has emerged as the source of the same problem from the past to the present. Especially the pit areas in the south-facing regions were turned into an activity area by using plastic-like materials and used in agricultural production. Considering all this process, the need, popularity and application area has increased day by day. Thanks to the greenhouses, it is ensured that measures are taken against weather events such as rain, hail, icing, frost, and insect infestation and various harmful creatures that may be exposed to trees in certain periods depending on their type. But there is a disadvantage here that the covered greenhouse systems are fixed structures and they are installed in a covered way. Since these systems are always closed, they can cause an excessive increase in the ambient temperature and indirectly damage of the fruit or vegetable. In order to avoid this problem, large systems have been installed and rigid mechanical sensors have been tried. In this thesis, a flexible and resistant textile-based humidity sensor that can measure the humidity at higher levels was designed using the conductive inks printed directly on the fabric. Tests for evaluating various physical and mechanical properties of specimen fabrics to be used for the sensor were carried out. In particular, some fabric performance tests such as fabric thickness, weight, tensile, tear strength, elongation, abrasion, air permeability, water permeability were realized. However, to create the sensor, various sensor designs were drawn and after testing their suitability, the main design was decided. The selected humidity sensor designs were tested by simulating the humidity increase before the rain formation at different humidity values. Depending on the humidity value in the environment, the sensor performance based on sensor electrical resistance measurements with respect to humidity after subjected to repeated bending/cyclic tests, rubbing, UV exposure/ weatherability (against UV and raining) tests were carried out. In addition, the evaluation of sensor's humidity hysteresis and response time was performed. Finally, fabric sensor's real-time electrical performance with Arduino programming was also reported. Since the humidity sensor is manufactured totally on a fabric surface with the traditional screen printing technique, it is easy to apply, cost effective and sustainable due to its production technique. By adopting the smart textile solutions obtained through this study, it is expected to create more sustainable farming practices for innovative smart agricultural production.
Benzer Tezler
- Development of e-textile based RFID enabled moisture sensor for wearable technologies
Giyilebilir teknolojiler için e-tekstil tabanlı RFID işlevli nem sensörü geliştirilmesi
MELTEM TEKÇİN
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SENEM KURŞUN
PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Şehir içi otobüslerde tekstil hava kanalı tasarımı
Textile air duct design for city buses
AKIN ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİKMET KOCABAŞ
- Investigation and enhancement of the mechnanical properties of the fabric reinforced hybrid composites
Kumaş takviyeli hibrit kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi ve iyileştirilmesi
HANDE SEZGİN
Doktora
İngilizce
2018
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER BERK BERKALP
- Bir atık kağıt geri kazanım tesisinde sera gazı emisyon azaltım alternatifleri
Alternatives for reduction of greenhouse gas emission in a paper recycling plant
MERVE KÜBRA TÜTER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR ALP
- Elektro lif çekim yöntemi ile nanolif üretimi ve Taguchi deneysel tasarımı ile optimizasyonu
Electrospinning of nanofiber production and optimization with Taguchi experimental design approach
AYSUN PINARBAŞI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FUNDA CENGİZ ÇALLIOĞLU