pomiar i obrazowanie pola rozproszenia wokół urzadzeń

Łukasz MOTYKA
Krzysztof WILCZAK
Magnesik
EAIiE
AGH
rok III
rok III
Pomiar i obrazowanie pola rozproszenia wokół
urządzeń elektrycznych
Opiekun naukowy referatu
dr hab. inż. Witold Rams - prof. nz. AGH
Naturalne pola elektromagnetyczne towarzyszą nam od zawsze. Obecnie w naszym
środowisku naturalnym dominują zmienne pola EM wytworzone sztucznie – ich natężenia są
wielokrotnie większe od natężeń pól pochodzenia naturalnego. Pole magnetyczne powstaje
wokół przewodników z prądem. Jednostką natężenia pola (H) jest A/m.
Pola elektromagnetyczne mogą być stałe i zmienne w czasie. Zmienność pól wyraża
się przez liczbę zmian na sekundę, czyli jest to częstotliwość [Hz]. Długość fali dla pól
zmiennych w próżni wyraża się wzorem: l = c / f.
Spektrum elektromagnetyczne :
Częstotliwość [Hz]
Rodzaj
promieniowania
Typowe
źródła
1025
Promieniowanie
kosmiczne
Kosmos
1021
Promieniowanie g
Rozpad
radioaktywny
1020
Promieniowanie X
Aparatura
medyczna
1016
Nadfiolet
Światło
słoneczne
1014
Światło widzialne
Lampy
oświetleniowe
1012
Podczerwień
Lampy
grzejne
1011
Fale milimetrowe
(SHF)
Urządzenia
radarowe
1010 = 10GHz
Fale
centymetrowe
(EHF)
Jonizujące
Mikrofale
Łączność
satelitarna
UHF/TV
Kuchenki
mikrofalowe,
telefony
komórkowe
108 = 100MHz
VHF/TV
Telewizja
Od 108 do 105
HF/radio
3kHz
VLF
300Hz do 50Hz
ELF
Sieć
zasilająca
DC
Magnesy
trwałe,
ziemskie pole
magnetyczne
Niejonizujące 109 = 1GHz
0 Hz
Łączność
Pola
elektromagnetyczne radiowa
małych
Telewizory,
częstotliwości
monitory
Pola stałe
Jak widać zakres częstotliwości jest bardzo szeroki. Umownie wyróżnia się dwa zakresy
jonizujące i niejonizujące. Dla nas, jako użytkowników maszyn elektrycznych najbardziej
interesujące będą pola w zakresie niskich częstotliwości, dlatego tymi zajmiemy się nieco
bliżej.
Pola elektromagnetyczne małych częstotliwości podzielono na 3 podzakresy. Niestety jest
z tym troszkę zamieszania, gdyż powszechnie nie przyjęło się stosowanie sztywnych granic
określających
podział.
W znacznej części dostępnych publikacji funkcjonuje jeszcze następujący podział :
•
•
•
VLF (very low frequency) - przedział 3000-300Hz,
ELF (extremely low frequency) - przedział 300-30Hz,
ULF (ultra low frequency) - zakres poniżej 30Hz,
Coraz częściej nie wyróżnia się już zakresu ULF włączając go do zakresu ELF.
Zasady pomiarów pola magnetycznego :
Czujniki pomiarowe przetwarzają sygnał proporcjonalny do indukcji lub natężenia
pola magnetycznego w powietrzu na sygnał elektryczny , którym może być :
- napięcie
- zmiana rezystancji
- częstotliwość
Ponieważ :
B = µ0 H
µ 0 − 4π ⋅ 10 −7 Vs / Am
dlatego w powietrzu obojętne w zasadzie jest, którą wielkość się mierzy.
Czujniki pola :
Obecnie możemy spotkać na rynku takie czujniki jak : indukcyjny, transduktorowy,
nadprzewodnikowy, rezonansowy, magnetorezystancyjne AMR, GMR, GMI, hallotronowy,
magnetooptyczny.
Czujniki pola magnetycznego znajdują szerokie zastosowanie nie tylko do pomiaru
parametrów pola, lecz także do wielu fizycznych wielkości jak prędkość, przesunięcie,
pomiar kąta czy prądu.
W tabeli tab.1 przedstawiono zakresy pomiarowe głównych czujników pola
magnetycznego.
W prezentacji omówiono kilka rodzajów sensorów pola, oraz podano przykład
pomiaru przy użyciu zintegrowanego czujnika Halla, mierząc pole rozproszenia wokół
maszyny jaką jest transformator jednofazowy.
tab.1 zakresy pomiarowe głównych czujników pola magnetycznego
Czujnik transduktorowy :
Z1
I
Tr
Hr
Hs
Ur
~f
Z2
Uw~2f
rys.1 transduktor- budowa i zasada działania
Przetworniki takie (rys.1) mają dwa rdzenie z cienkiej blach o wielkiej przenikalności.
W rdzeniach powstaje strumień magnetyczny pod wpływem pola zewnętrznego , mierzonego
(stałego) oraz pola od cewek z1 i z2. Napięcie wyjściowe ma podwójną częstotliwość w
stosunku do pomocniczego napięcia zasilającego , a jego wartość zależy od indukcji stałej
(podmagnesowania), a więc i od natężenia mierzonego pola magnetycznego. Przetwornik ten
umożliwia pomiar pola o indukcji ok. 0.1nT-1mT .
Magnetorezystory AMR :
Anizotropowe zjawisko magnetorezystancyjne (AMR) odkryte zostało w 1857 przez
lorda Kelvina, lecz zastosowanie w konstrukcji czujników znalazło dopiero drugiej połowie
XX wieku w wyniku rozwoju technologii cienkowarstwowych. Mimo wielu takich
konstrukcji obecnie praktycznie tylko konstrukcja Barber-pole jest wykorzystywana .
Jeżeli pole zewnętrzne Hx=0, cienka warstwa jest namagnesowana w kierunku paska
(na skutek wpływu anizotropii indukowanej w procesie wytwarzania warstwy). Mierzone pole
Hx jest skierowane prostopadle do osi paska i powoduje obrót wektora namagnesowania.
Zmiana rezystancji zależy od kąta między kierunkiem wektora namagnesowania a kierunkiem
przepływu prądu.
∆R
∆p 2
=−
sin ϑ
R
p
∆p
gdzie :
≅ 2%
p
Kierunek wektora namagnesowania zależy od wartości pola magnetycznego Hx :
sin ϑ =
Hx
H y + Hk
Hx- składowa pola prostopadła do osi paska (mierzona)
Hy- składowa pola wzdłuż osi paska
Hx -pole anizotropii
Zwykle 4 magnetorezystory łączy się w układ mostkowy i wówczas sygnałem wyjściowym
czujnika jest zmiana napięcia.
Charakterystyka przetwarzania typowego czujnika typu Barber-pole jest sinusoidą zależną od
wartości natężenia pola (rys.2).
rys.2 Ch-ka wyjściowa przykładowego magnetorezystora AMR
Czujniki magnetorezystancyjne GMR :
Efekt GMR (ang. The Giant Magnetoresistance) został odkryty w roku 1988. Polega on na
występowaniu w wielo-warstwowych materiałach ferromagnetyczno/paramagnetycznych tzw.
„olbrzymiej zmiany rezystancji” wywołanej zmianą orientacji zewnętrznego pola
magnetycznego (rys.3).
Dwie cienkie warstwy przedzielone przekładką z materiału przewodzącego w stanie
początkowym namagnesowane są antyrównolegle. Umieszczenie czujnika w polu
magnetycznym powoduje równoległe namagnesowanie warstw. Przejściu z jednego do
drugiego stanu towarzyszy duża, nawet kilkuset % zmiana rezystancji .
Stan początkowego namagnesowania antyrównoległego można uzyskać w sposób
naturalny w magnetorezystorach, w których przekładka jest bardzo cienka –rzędu kilku
atomów. Wówczas na wskutek sprzężenia między dwoma warstwami magnesują się one
antyrównolegle. Ale warstwy silnie sprzężone wymagają znacznych wartości pola
magnetycznego do pokonania tego sprzężenia. Czujniki takie więc były małej czułości.
Dlatego w innej konstrukcji typu zawór spinowy zwiększono grubość przekładni a
namagnesowanie antyrównolegle uzyskuje się w sposób sztuczny, nanosząc na jedną z
warstw dodatkową warstwę podmagnesowującą z antyferromagnetyka.
rys.3 magnetorezystor GMR – zasada działania
GMI –gigantyczna magnetoimpedancja :
W czujnikach tego typu wykorzystuje się zmianę impedancji cienkiej warstwy lub
cienkiego drutu zasilanego prądem o częstotliwości kilkadziesiąt-kilkaset MHz . Ta zmiana
impedancji wynika ze zmiany głębokości efektu naskórkowego i zmiany przenikalności
materiału magnetycznego wraz ze zmianą zewnętrznego pola magnetycznego.
Czujnik GMI można bezpośrednio włączać do obwodu generatora Colpittsa (rys.4).
Wtedy zmiana indukcyjności czujnika powoduje zmianę napięcia wyjściowego Eout rzędu
kilkuset % . Do uzyskanie tej zmiany nie jest konieczne duże pole zewnętrzne, dlatego
czujniki takie osiągają porównywalne czułości do czujników transduktorowych przy
znaczniej prostszej i tańszej budowie.
SENSOR
Vcc
EOUT
Hx
rys.4 czujnik GMI w układzie generatora Colpittsa
Charakterystyka wyjściowa układu jest w pewnym zakresie natężenia pola zbliżona do
liniowej .
Hallotrony :
Zostało ono odkryte w 1879 przez amerykana Edwina Herberta Halla. Zjawisko Halla
polega na "zamianie" strumienia indukcji magnetycznej B w napięcie UH przez płytkę
wstępnie spolaryzowaną prądem (rys.5).
Mechanizm zjawiska Halla polega na wykorzystaniu zmiany drogi przepływu prądu w
elemencie na skutek oddziaływania magnetycznego (siła Lorenza). W wyniku tego
oddziaływania na jednym brzegu elementu gromadzą się ładunki dodatnie, na drugim ujemne.
Powstała różnica potencjału jest miarą pola , zgodnie z zależnością :
U H = RH [ J × B]
gdzie : RH- współczynnik Halla .
rys.5 Hallotron – zasada działania
Jako materiał należy stosować związku o dużym RH (duża ruchliwość ładunku).
Czułość Hallotronu jest w granicach 0.1-1V/T, co powoduje ze największe
zastosowanie znajdują w polach silnych, pow. 1mT. Rozdzielczość ograniczona jest szumami
temperaturowymi i pełzaniem zera. Poniżej 10µT-konieczne wyrafinowane metody pomiaru .
Istotną zaletą hallotronów jest łatwość integrowania z innymi elementami elektronicznymi w
jednym układzie scalonym. Obecnie coraz częściej spotyka się hallotrony zintegrowane ze
wzmacniaczem, układami korekcji czy koncentratorami strumienia.
Do najważniejszych zalet hallotronów to małe wymiary, w praktyce nieinwazyjny
charakter pomiaru oraz względna prostota konstrukcji.
Pomiar pola rozproszenia wokół maszyny elektrycznej za pomocą zintegrowanego
czujnika Halla :
Zbudowano układ do pomiaru pola magnetycznego wokół niewielkich maszyn
eklektycznych (wymiar ograniczony miernikiem położenia). Jako czujnik zastosowano układ
z hallotronem. Sygnał z czujnika, w postaci sygnału napięciowego, po wzmocnieniu podany
zostaje na przetwornik, na którego wyjściu pojawia się wartość skuteczna. Taki sygnał
(napięcie rzędu kilku Voltów) gotowy już jest do przyjęcia przez kartę pomiarową połączoną
z komputerem (rys.6). Następnie dokonano analizy otrzymanych wyników i przedstawiono
jest w postaci obrazów natężenia pola magnetycznego.
ZINTEGROWANY CZUJNIK HALLA
HALLOTRON
CZUJNIK
POŁOŻENIA
PRZED
UKŁAD
WZMACNIAC
KOMP. ZERA
KARTA
WZMACNIACZ
PRZETWORNIK
NA WARTOŚĆ
SKUTECZNĄ
POMIAROWA
PC
REJESTRACJA
WYNIKÓW
rys.6 schemat blokowy układu do pomiaru pola rozproszenia opartego na zintegrowanym czujniku
hallotronowym
Czujnik położenia to prosty układ zbudowany z trzech rezystorów (drut oporowy), z
możliwością niewielkiej regulacji wysokości i szerokości .
Vcc
Vcc
do karty
rys.7 budowa i zasada działania czujnika położenia
Wyniki pomiarów :
Rozkład pola na przy bocznej ścianie transformatora jednofazowego
Przykład rzeczywistego sygnału otrzymany z jednego pomiaru :
Sygnał odfiltrowany :
Jak widać po odfiltrowaniu (aproksymacja wartości polozenia oraz prosta metoda
uśredniania przebiegu z przesuwnym oknem) dają zadawalające na tym etapie wyniki.
Sygnał z pomiaru przesunięcia (położenia) oprócz tradycyjnego szumu
charakteryzował się zmianą obu granicznych wartości (min i max), choć przedział
utrzymywał w przybliżeniu stałą wartość. Wynikać to może ze stałego nagrzewania się drutu
oporowego (większy spadek napięcia). Jednak przesuw ten uwzględniliśmy odpowiednio w
programie.
Podsumowanie – dokąd zmierzamy
Zasadniczą nowością ostatnich lat są czujniki z grupy „giant” tj. GMR, MTJ, GMI.
Wykorzystywane są one do jako głowice dyskowe pamięci magnetycznych. W
zastosowaniach pomiarowych jednak są one wciąż konkurencyjne dla czujników AMR,
transduktorowych czy hallotronów. Aczkolwiek niektóre firmy postanowiły zastąpić je
czujnikami GMR, charakteryzujące się dużą zmianą rezystancji, wystarczającą aby nie było
konieczności stosowania dodatkowego wzmacniacza. Możliwe jest, że czujniki GMI będą
poważnym konkurentem dla transduktorów, dzięki porównywalnej czułości i prostszej
budowie. Pewnym trendem naszych czasów staje się miniaturyzacja czujników, oraz
integrowanie ich z elementami elektronicznymi. Np. hallotrony występują już w formie
zintegrowanej z układami wzmacniacza czy z układami korekcji.
W naszym układzie użyto czujnika do celów pomiarowych a ściśle do badania
rozkładu pola wokół urządzeń elektrycznych. Badanie takie ma na celu nie tylko poglądowe
wyjaśnienie pewnych zjawisk czy uwidocznienie tego co niewidzialne. Głównym celem jaki
przyświeca autorom to zbudowanie stosunkowo prostego układu do diagnozowania i
wykrywania uszkodzeń w maszyn- np. badanie niesymetrii obwodu stojana. W warunkach
przemysłowych praktycznie nie istnieje bezpośredni dostęp do wnętrza maszyn, dlatego
uciekanie się do innych sposobów jest koniecznością .
Temat pomiarów magnetycznych ma wielu swoich zwolenników, liczne grono
badaczy i analityków. Niestety jednak, sukces w tej dziedzinie na arenie światowej nie idzie
w parze z praktyką. Powoli następuje jednak pewne odradzanie się tej dziedziny przemysłu.
Być może do tego przyczynią się młodzi i ambitni absolwenci naszych uczelni
technicznych.