ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 5(96)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 5(96)/013 Adrian Chielewki 1, Staniław Radkowki, Przeyław Szuli 3 BADANIA CZUJNIKA FLUX GATE I. Wtęp Cele badań było wyznaczenie charakterytyki czujnika Flux Gate oraz zaoberwowanie zian jego pola na kutek zian pola agnetycznego wywoływanego przez agne neodyowy N38 w płazczyźnie XY czujnika. Inforacje o zianie pola agnetycznego w pewnej odległości od badanego obiektu pozwolą na precyzyjne ułożenie czujnika względe np: badanej kontrukcji, której ziany pola agnetycznego ten enor będzie onitorował. Charakterytyka czujnika pozwoli określić w których kierunkach czujnik reaguje najbardziej na ziany pola agnetycznego. Uożliwi optyalne ułożenie czujnika w tounku do obiektu badanego np.: kontrukcji talowej hali, zian tanu naprężeń wytępujących w łupach otów, wartw wierzchnich tatków etc. Mając tę inforację ożna będzie wykryć wczeną fazę uzkodzenia danego obiektu, unikając dodatkowych nakładów finanowych wywołanych awarią, pęknięcie bądź całkowity znizczenie. Ziany naprężeń w badany obiekcie (np.: talowej kontrukcji), które powodują zakłócenia ziekiego pola agnetycznego związane ą z efektai agnetoechanicznyi. Dzieliy je na efekty bezpośrednie oraz odwrotne (Tabela 1). Dokładny opi zjawik przedtawionych w Tabeli 1 ożna znaleźć w [1, ]. Tab. 1 Efekty agnetoechaniczne (Lupu, 007; Mile i Atherton, 1984; Dapino, 1999) Efekty bezpośrednie Ziana roziarów Efekt Joule próbki w kierunku (agnetotrykcja) przyłożonego pola agnetycznego Efekt Wideanna Skręcanie wywołane poprzez piralną anizotropię Efekt agnetoobjętościowy Ziana objętości pod wpływe agneo wania (najbardziej widoczna w pobliżu teperatury Curie) Efekty odwrotne Ziana Efekt Villariego naagneowania pod wpływe obciążeń Efekt Matteuci Spiralna anizotropia i SEM wprowadzona Efekt Nagaoka przez Ziany kręcanie w tanie Hondy naagneowania przez ziany objętości 1 gr inż. Adrian Chielewki, doktorant, Wydział SiMR, Politechnika Warzawka. prof. Staniław Radkowki, Intytut Pojazdów, dziekan wydziału SiMR, Politechnika Warzawka 3 gr inż. Przeyław Szuli doktorant, Wydział SiMR, Politechnika Warzawka. 119

2 Efekt Einteina de Haa Efekt E Obracanie ię ferroagnetyka pod wpływe naagneowania Wpływ agnetoprężytości na anizotropię agnetokrytaliczną Efekt Barnetta Efekt E Magneowanie ciała pod wpływe ruchu obrotowego Magnetyz indukuje ziany w prężytości Podtawą naprężeniowego agneowania ateriałów ferroagnetycznych (np.: kontrukcji talowych) jet przężenie wytępujące poiędzy iatką krytaliczną i pinai jonów tworzących koórkę eleentarną (ang. L S coupling). Sprzężenie to nazyway piezoagnetyze i ożey oberwować je w potaci zjawika agnetotrykcji ziany wyiarów eleentu pod wpływe przyłożonego pola agnetycznego oraz zjawika echanotrykcji ziany naagneowania ateriału pod wpływe odkztałceń (itotę zjawika pokazano na ryunku 1) Ry. 1. Wpływ zewnętrznego pola agnetycznego na zianę wyiarów obiektu ferroagnetycznego : a) odkztałcenie koórki eleentarnej, b) ziany położenia doen agnetycznych [1] W ateriałach ferroagnetycznych wraz z efekte agnetotrykcji (Joule 184) wytępuje także efekt (Villariego), który polega na zianie agnetyzacji ateriału. Zjawiko agnetotrykcji oraz efekt do niej odwrotny wykorzytywane ą od ponad 50 lat do budowy przetworników. Zakłada ię, że jeżeli energia agnetyczna ulega zaianie w echaniczną, to wtedy ay do czynienia z eleentai wykonawczyi. Kiedy jet odwrotnie (zaiana energii echanicznej w agnetyczną) wówcza ówi ię, że ą to czujniki. Wzorując ię na właściwościach i zjawikach agnetoechanicznych opracowano techniki diagnotyczne, które pozwolą określić tan naprężeń w rozważany ferroagnetyczny obiekcie. Ogólnie etody te ożna podzielić na aktywne wykorzytujące dodatkowe źródło pola agnetycznego oraz etody paywne, które wykorzytują wyłącznie pole agnetyczne Ziei. Do etod paywnych należy zaliczyć etodę MPM (Metoda Paięci Magnetycznej) oraz etodę MMM (Metal Magnetic Meory), która jet rozwijana w Laboratoriu Syteów Mechatronicznych Pojazdów i Mazyn Roboczych Intytutu Pojazdów PW na Wydziale SiMR. Bazuje ona na analizie zian włanego pola agnetycznego obiektu pod wpływe efektów agnetoechanicznych. 10

3 Za podtawę każdej z etod uznaje ię użycie odpowiedniego czujnika, który proporcjonalnie przetworzy wartość wektora pola agnetycznego na proporcjonalny ygnał indukcji agnetycznej. Indukcja pola agnetycznego w powietrzu lub w próżni jet ściśle powiązana z natężenie tego pola zależnością: 7 V B 0H gdzie przenikalność agnetyczna w próżni. A Pole agnetyczne oże być ierzone w różnych jednotkach. Spotyka ię agnetoetry wykalowane w jednotkach natężenia pola agnetycznego A/ jednak zwykle ą to jednotki indukcji pochodnych teli (μt). Mio, że w Polce obowiązuje układ SI to w literaturze aerykańkiej oraz środowiku fizyków wciąż używane ą tare jednotki: Gau (G) jako jednotka indukcji oraz Oerted (Oe) jako jednotka natężenia pola agnetycznego. Konwerję jednotek przedtawia Tabela. Tab.. Wpółczynniki konwerji iedzy najczęściej używanyi jednotkai agnetycznyi [3,4] Tela T A/ gau G Oerted Oe A/ 6 1, , ,56 10 Oe ,6 1 1 T 1 5 7, G ,6 1 1 Podtawowy związek iędzy najczęściej używanyi jednotkai agnetycznyi ożna przedtawić w potaci: A A 1Oe 100 T 79,6 0, 796 (1.1) c Na ryunku przedtawiono różne rodzaje czujników pola agnetycznego oraz zakrey ierzonych przez nich pól. Ry.. Typowe zakrey poiarowe głównych czujników pola agnetycznego oraz pole agnetyczne generowane przez człowieka [4] 11

4 Jako czujnik, którego charakterytykę wykonano wybrano tranduktorowy czujnik (ang. Flux Gate). Jego zaadę działania oraz paraetry przedtawiono w rozdziale II. II. Zaada działania czujnika tranduktorowego (ang. Flux gate) Czujnik tranduktorowy jet obecnie podtawowy narzędzie do poiaru łabych pól agnetycznych. Opatentowany zotał w 1931 roku [4], a w 1958 roku na pokładzie Sputnika 3 znalazł ię w kooie. Przykładowa budowa czujnika tranduktorowego pokazana zotała na ryunku 3. Rdzeń ferroagnetyczny wykonany w potaci paka (ryunek 3a lub pierścienia ryunek 3b) jet agneowany do chwili naycenia (pole H ). Jeżeli zewnętrzne pole jet równe zero (H x =0) to obydwie połówki napięcia wtórnego e =e ą identyczne (ą obie równe). Napięcie wtórne kłada ię tylko ze kładowych nieparzytych. Ry. 3. Rozwiązania kontrukcyjne czujnika tranduktorowego [4] Przy założeniu, że napięcie agneujące a kztałt trójkąta wówcza napięcie wtórne dla H x =0 [4, 5, 6] ożna wyrazić równanie: e e ' '' 16 zfh 16 zfh H in H H in H co( H t H 3 co(3 H t H c c ) 3 )... (1.) odpowiednio: f, z, czętotliwość, liczba zwojów oraz powierzchnia (podobnie jak dla czujnika indukcyjnego) H, H c paraetry pętli hiterezy odpowiednio natężenie naycenia oraz natężenie koercji. Jeżeli pojawi ię zewnętrzne pole agnetyczne H x [4] wówcza punkt pracy na charakterytyce agneowania ulegnie przeunięciu o wartość H x. Obydwie połówki okreu napięcia wtórnego będą ię od iebie różniły, co powoduje pojawienie ię w ygnale e haronicznych parzytych. Napięcia wyjściowe ożna opiać równaniai [4]: 1

5 ' 16 e zfh 8zfH x H in H H in H H co( t H H co(t H c c ) )... (1.3) oraz e '' '' 16 e zfh 8zfH x H in H H in H H co( t H H co(t H c c ) )... (1.4) Druga haroniczna ygnału wtórnego jet iarą pola H x. Jeżeli połączylibyśy uzwojenia wtórne przeciwobnie (jak na ryunku 3) to kładowe haroniczne nieparzyte kopenują ię i na wyjściu pozotaną tylko kładowe parzyte. Aplitudę drugiej haronicznej będzie ożna opiać równanie: E 16zf in H (1.5) x H Jeżeli wprowadziy do równania (1.4) wpółczynnik odagneowania N to otrzyujey[4]: E 13 H H 16zf in H (1.6) 0 x 1 N H Z równania (1.5) wynika, że jeśli przenikalność ateriału rdzenia będzie dotatecznie duża to równanie to ożna zapiać: E 1 H 16zf in H (1.7) 0 x N H A zate ygnał wyjściowy nie zależy od właściwości ateriału, w ty jego zian teperaturowych. Podtawiając do równania przybliżoną zależność na N rdzenia w kztałcie paka (N 5/l gdzie l jet długością paka) oraz typowa wartość H = H otrzyujey: E 1. zf (1.8) 5 0l H x Z równania (1.8) wynika, że jeżeli chcey uzykać odpowiednio dużą czułość to należy zwiękzać liczbę zwojów z, albo przede wzytki powinno ię zwiękzać długość rdzenia l. Według [4] ożna znaleźć opi ondy o długości 0,5, liczbie zwojów z = 4000 i czętotliwości pracy f = 10 khz, która charakteryzowała ię czułością 10 V/nT.

6 Typowe paraetry ondy to: z 1 = z = 1000, l = 6 c, = 3 0,1, f = 3 khz, I za = 10 A. Sonda taka uożliwia otrzyanie czułości 10 V/nT. Do najważniejzych zalet ondy tranduktorowej zaliczyć należy fakt, że ygnał wyjściowy jet ygnałe przeienny o określonej czętotliwości. Można zate go łatwo oddzielić od ygnałów teperaturowego pełzania zera oraz zuów. Możliwy jet dzięki teu poiar pól agnetycznych w zakreie 10 nt 100 T z błęde do %. Poio protej kontrukcji czujnika i zaady działania czułość i błędy poiaru znacząco zależą od jakości ateriału agnetycznego ( w ty zuy agnetyczne) i precyzji jego wykonania. II.1 Paraetry czujnika APS 536 W tabeli 3 podano pecyfikacje agnetoetru 536. Jet to czujnik tranduktorowy o trzech protopadłych względe iebie oiach (z dokładnością ±0. ). Obudowa czujnika wykonana zotała z aluiniu, przez co zniejzono jego aę. Wyiary czujnika Flux gate obrazuje ryunek 5, natoiat widok z dołu ryunek 3. Model 536 zailany jet napięcie ±15VDC(bipolarnie), poiada trzy analogowe wyjścia na których odczytane zotają ziany pola agnetycznego (pełna kala to ±10 Volt co odpowiada zianie pola agnetycznego ±G). Ponadto odel 536 poiada dodatkowe wyjście teperaturowe (o czułości 5V/K, w teperaturze pokojowej 0 C lub 93 K odpowiada to (wg producenta) napięciu 1,465V). Układ poiada złącze 10 cio pinowe w który, piny przeznaczone ą do zailania układów wewnętrznej regulacji (1VDC), cztery piny wyjściowe ygnałowe (dla oi X, Y, Z oraz wyjście teperaturowe), cztery piny zailania układu trzech cewek (15VDC(bipolarne) oraz ay). Tab. 3 Specyfikacje yteu czujnika APS 536 [7] Specyfikacje yteu czujnika Napięcie/prąd zailania ±15VDC Czułość 10 V/Gau Zakre poiarowy ±1 Gau Liniowość czujnika ±0.% Stała do kalowania czujnika teperatury 5V/K Przeunięcie początkowe (Offet) <±0.010V Protopadłość oi ±0. Dryf teperatury G/ C Dryfy teperaturowe kali 0.1% cała kala / C Wyrównanie obudowy czujnika z ±0. układe Wyiary odnieienia (w calach 1 =5.4 czujnika ) 1,5 x 1,5 x 4,65 Waga 100 gra Złącze Bendix 10 złącz pionowych (P/N PT0A 1 Czętotliwość pracy DC do S) Hz( 3db) 7 Pozio zuów 310 RMS/Hz 14

7 Na ryunku 5 przedtawiono wyiary czujnika APS 536. Ry.5. Wyiary agnetoetru odelu 536 [7] II. Paraetry agneu neodyowego N38 W przeprowadzonych poiarach, jako źródła pola agnetycznego wykorzytano agne neodyowy N38. Paraetry użytego Magneu: wyokość: 10 +0,1/ 0,1 średnica: 9 +0,1/ 0,1 kierunek agneowania: wzdłuż wyiaru 10 powłoka: nikiel + iedź + nikiel Specyfikacje agneu neodyowego N38 użytego do badań przedtawiono w tabeli 4 Tabela 4 Specyfikacje agneu neodyowego N38 [8] Sybol ateriału Reanen cja (Br) Koercja( bhc) Koercja (jhc) Gętość energii (B h )ax Max.Te p. pracy kg koe koe KJ/ 3 MGOe C N38 1,1 1,5 Min. 11,3 Min. 1, III. Opi toru poiarowego Tor poiarowy (ryunek 6) kładał ię z: Zailacza GPS 4303 (4 kanałowy, 00W zailacz DC) Karty NI906 uożliwia akwizycję ygnałów cyfrowych z czujnika agnetycznego Wzacniacz wraz z filtre dolnoprzeputowy (wzocnienie k=0) Magnetoetr APS 536 (ontowany i uiezczony na tatywie Magne Neodyowy N38 (zewnętrzne źródło zaburzeń pola agnetycznego) Laptop (Tohiba) wraz z oprograowanie Labview do analizy ygnału 15

8 Ry. 6. Scheat toru poiarowego IV. Wyniki badań Badania zotały wykonane w Laboratoriu Syteów Mechatronicznych Pojazdów i Mazyn Roboczych na Wydziale SiMR PW. Magne Neodyowy N38 uiezczony był na arkuzu papierowy wraz z nanieionyi na ni orbitalai w potaci okręgów. Ich roziezczenie przedtawia ryunek 7. Badania wykonane zotały dla odległości agneu od czujnika R=0,3 w trzech konfiguracjach położenia agneu względe agnetoetru. Każdy poiar wykonany zotał trzykrotnie, a wynik końcowy poiaru był średnią z trzech poiarów dla tego aego położenia agneu na orbitalu (kąt φ=30, φϵ<0, 360 >). Aby wyeliinować efekty,,offetu, jako iarę ziany dynaicznej ygnału przyjęto odchylenie tandardowe i na tej podtawie wykonano przy poocy środowika Matlab interpretację wyników we wpółrzędnych biegunowych (odpowiednio w kierunkach X oraz Y, a także XY) zian odchylenia tandardowego napięcia w funkcji kąta φ. Ziany napięcia bezpośrednio ożna przeliczyć na wartości zian pola agnetycznego (G lub Oe) wykorzytując tabelę oraz znaną czułość agnetoetru APS

9 Ry. 7. Ułożenie agneu N38 oraz agnetoetru względe orbitali na których dokonano poiarów (na ryunku po lewej widok z przodu oraz po prawej widok z góry) Otrzyane wykrey we wpółrzędnych polarnych zian pola agnetycznego wykonano w trzech konfiguracjach utawienia agneu N38 względe agnetoetru: gdy agne był w odległości 0,3 (główny kierunek naagneowania równolegle do oi Y czujnika) Ry. 8. Ziana wartości pola agnetycznego w kierunkach polarnych X oraz Y w funkcji kąta φ ( agne utawiony równolegle do oi Y czujnika) gdy agne był w odległości 0,3 (główny kierunek naagneowania równolegle do oi X czujnika) 17

10 Ry. 9 Ziana wartości pola agnetycznego w kierunkach polarnych X oraz Y w funkcji kąta φ ( agne utawiony równolegle do oi X czujnika) Analizując przebiegi na ryunku 8, gdy agne był utawiony równolegle do oi Y czujnika, dla wpółrzędnej X w funkcji kąta φ najbardziej wyraźne ziany pola agnetycznego wytępują dla katów φ: oraz Rozbieżności te również ogą wynikać z utawienia prętów talowych wewnątrz tropu Laboratoriu, które wpływają na zaburzenie pola agnetycznego agneu, wywołując przy ty nieoczekiwane ziany pola agnetycznego rejetrowanego przez agnetoetr. Dla wpółrzędnej Y również wytępuje pewne przeunięcie czułości zian pola agnetycznego agnetoetru (dla φ:0 10 ). Należy zwrócić również uwagę na inne ułożenie agneu względe agnetoetru (linie ił pola agnetycznego naagneowanego przez środek ą ciągle równoległe do oi Y, ty ay przy zianie kąta położenia agneu na orbitalu zienia ię również kierunek względny pola agnetoetru w tounku do agneu). Na ryunku 9 gdy agne jet utawiony równolegle do oi X czujnika, analizując zianę pola agnetycznego w kierunku X widziy, że dla kątów wytępują najwyżze ziany pola agnetycznego (pokrywającego ię z oczekiwaną teorią). Nie wytępuje zniekztałcenie, które zaoberwować ożna na ryunkach 8 oraz 9. Można przypuzczać, że linie ił pola agnetycznego w ty przypadku ą równoległe do oi X. W przypadku analizy zian pola agnetycznego w kierunku Y zniekztałcenia te pojawiają ię ponownie. Najwyżze zarejetrowane ziany pola agnetycznego wytępują dla φ:60 10 oraz Najwiękzą czułość w płazczyźnie XY uzykano gdy agne N38 był utawiony równolegle do kierunku Y agneowania agneu (ziana pola agnetycznego regularna ryunek 8) i równolegle do kierunku X agneowania agneu (ziana pola agnetycznego yetryczna ryunek 9). IV. Poduowanie oraz wnioki Wnioki: 1. W celu uniknięcia błędów poiarów należałoby tworzyć pecjalne tanowiko badawcze, które eliinowałoby oddziaływania zewnętrzne wpływające na wyniki poiarów. Taki rozwiązanie ogłoby być tworzenie pecjalnego globu ferycznego zawiezonego nad zieią (na wyokości 1 etrów). Konieczne byłoby wówcza uiezczenie agneu oraz czujnika na pewnej wyokości z daleka od potencjalnych źródeł dodatkowych zaburzeń pola agnetycznego. Oczywiście nie ogło by to ię odbywać na wolnej przetrzeni (wtedy dodatkowy zaburzenie byłby poduch wiatru). 18

11 . Prowadząc badania z pewnej odległości agnetoetre APS 536 np.: badając łup otu należy brać pod uwagę dodatkowe zaburzenia pola, które wprowadzają nowe ziany poprawności wyniku. 3. Badania dotarczyły inforacji, że w budynkach w których wytępują zbrojenia talowe należy uwzględnić i liczyć ię z zaburzeniai ierzonego pola agnetycznego oraz rozbieżnościai z wzorai epirycznyi. 4. Dodatkowe zaburzenia wytępujące w Laboratoriu to :intalacja elektryczna, koputery, zailacze, układy ikroproceorowe, kounikacja trawajowa, telefony koórkowe, przedioty ferroagnetyczne znajdujące ię w otoczeniu czujnika czy nawet bicie ludzkiego erca. Poduowując, laboratoriu nie jet idealny iejce na przeprowadzenie badań zian pola agnetycznego i wyznaczenia charakterytyki czujnika tranduktorowego Badania agnetyczne ą bardzo wrażliwe ponieważ podcza ich przeprowadzania ierzone ą bardzo ałe wartości wielości charakteryzujących pole agnetyczne. Należy dodać, że bez rozwoju układów elektronicznych oraz przętu poiarowego nie ożna byłoby dokonać tak dokładnych badań (obecnie wąki gardłe w rozwoju etod agnetycznych ą ograniczone zdolności poiarowe, ateriałowe oraz rozwój układów elektronicznych (zwiękzające dokładność poiaru). Na uwagę załuguje fakt, że w celu uzykania rzetelnej inforacji o badanej kontrukcji to ziana pola agnetycznego czujnika powinna być regularna. Reference: [1] International Critical Table of Nuerical Data. Phyic, Cheitry and Technology. Vol. VI, National Reearch Council, McGraw Hil Book Copany Inc., New York/London, 199. [] Morrih A. H.,,Fizyczne podtawy agnetyzu, Warzawa, PWN [3] Tuańki S.,,Czujniki pola agnetycznego tan obecny i kierunki rozwoju, Przegląd elektrotechniczny, 004. [4] Popovic R. S., Falangan J.A, Bee P. A,,The future of agnetic enor'', Elevier, Senor and Actuator'', A56, pp.39 55, [5] Augutyniak B.,,Podtawy Fizyczne Wykorzytania Właności Magnetoprężytych dla oceny naprężeń wewnętrznych i zewnętrznych ateriałów ferroagnetycznych'' I krajowa Konferencja Podtaw Fizycznych Badań Nienizczących, Gliwice [6] Miroław W.,,Diagnozowanie zęczenia ateriału przy poocy efektu agnetycznej paięci etalu, ITWL, Warzawa, 009. [7] APS536 3 Axi Flux Gate Magnetoetr Syte Operating Manual and Technical Reference, May, 004. [8] ENES (dytrybutor.in.: agneów neodyowych aktualizacja ). Strezczenie W artykule zaprezentowano budowę oraz główne właności czujnika APS 536, który jet używany do poiaru łabych pól agnetycznych. Wyznaczone zotały charakterytyki czułości w kierunkach X i Y czujnika tranduktorowego przy znany zaburzeniu, który był agne neodyowy. Inforacja o jego czułości czujnika APS 19

12 536 oże zotać wykorzytana przy badaniu naprężeń w rzeczywitych obiektach etody bezinwazyjne (.in: Metal Magnetic Meory). Słowa kluczowe: Czujnik Flux gate, Pole agnetyczne, Magne Neodyowy. RESEARCH FLUX GATE SENSOR Abtract The paper preent the contruction and the ain propertie of APS enor 536, which i ued for eauring weak agnetic field. Senitivity characteritic have been deterined in the X and Y axi flux gate enor at a known diorder, which wa a neodyiu agnet. Inforation about the enitivity of the enor APS 536 can be ued when there i a need to exaine the tree in the real object non invaive ethod (eg. Metal Magnetic Meory). Keyword: Flux Gate Senor, Magnetic Field, Neodyiu agnet. 130