ANALIZA FUNKCJI PRZETWARZANIA TRANSDUKTOROWEGO CZUJNIKA POLA MAGNETYCZNEGO Z WIRTUALNĄ SZCZELINĄ

Transkrypt

1 Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM 4 _ Politechnika Szczecińska Instytut Automatyki Przemysłowej ANALIZA FUNKCJI PRZETWARZANIA TRANSDUKTOROWEGO CZUJNIKA POLA MAGNETYCZNEGO Z WIRTUALNĄ SZCZELINĄ Budowę czujnika oparto na specjalnej kształtce permalojowej. W prezentowanym w artykule rozwiązaniu wprowadzono dodatkowe magnesowanie jednego z ogniw rdzenia, tworząc tym samym wirtualną szczelinę. W artykule przedstawiono budowę i wyniki badań czujnika oraz przedstawiono jego przybliżoną funkcję przetwarzania. FLUXGATE SENSOR WITH A VIRTUAL GAP FOR MAGNETIC FIELD INTENSITY MEASUREMENTS The sensor under consideration is built around a special toroidal permalloy-made moulding. The presented design features additionally magnetized part of the core, which results in a virtual gap. The design and results of tests carried out are presented in the paper. 1. WSTĘP Do pomiarów natężenia pola magnetycznego stosuje się wiele rodzajów czujników. Poczynając od SQUIDÓW, poprzez czujniki transduktorowe, halotrony, magnetorezystory AMR i GMR a także magnetodiody i magnetotranzystory [1 7]. Zastosowanie znajdują również przetworniki magneto-optyczne i wykorzystujące rezonans jądrowy. Wybór rodzaju czujnika jest zwykle podyktowany wartością i rodzajem mierzonej indukcji. I tak do pomiaru pól stałych o najniższych natężeniach wykorzystuje się SQUIDY oraz przetworniki transduktorowe (ang. fluxgate). 2. TRANSDUKTOROWE CZUJNIKI POLA MAGNETYCZNEGO Działanie przetworników transduktorowych opiera się na odpowiednim magnesowaniu materiałów magnetycznie miękkich, o dużej przenikalności magnetycznej. Stosuje się tu najczęściej takie materiały jak: permaloj, superpelmaloj a także materiały amorficzne [1 7]. Technologie wykonywania samych czujników są bardzo różnorodne, od metod klasycznych, do czujników wykonywanych technologiami stosowanymi do produkcji obwodów półprzewodnikowych [7]. Istnieje wiele różnorodnych konstrukcji transduktorowych czujników pola magnetycznego [1 5]. Od prostych czujników jednordzeniowych do czujników dwurdzeniowych w układzie Förstera czy Vacquriera. Konstrukcje jednordzeniowe

2 94 cechują się wysokim poziomem sygnału magnesującego w napięciu wyjściowym, znacznie wyższym od sygnału użytecznego, gdyż czujnik jest rodzajem transformatora. Z tego też względu stosowane są one bardzo rzadko. W konstrukcjach dwurdzeniowych zjawisko to jest w znacznym stopniu ograniczone. Jednym z często stosowanych rozwiązań czujników transduktorowych są czujniki z rdzeniami toroidalnymi [2 4, 6]. N d N s N k N m Rys. 1. Czujnik ze specjalnym rdzeniem toroidalnym Fig. 1. Fluxgate sensor with a special ring-core W analizach opisujących działanie przetwornika traktuje się jako czujnik składający się z dwóch półrdzeni. Stosuje się je ze względu na szereg zalet. Do podstawowych należy niska zwartość nieparzystych harmonicznych, w uzwojeniu detekcyjnym zwarta budowa a także stosunkowo wysoka czułość. Pewną odmianą tego typu czujników są konstrukcje z rdzeniami owalnymi (race track sensor) [7]. Charakteryzują się one wyższą czułością, niższym współczynnikiem demagnetyzacji (od toroidalnych) a także i niższą czułością na pola prostopadłe. 3. CZUJNIK ZE SPECJALNYM RDZENIEM TOROIDALNYM W [8, 9] przedstawiono toroidalny rdzeń stosowany do budowy czujników pola magnetycznego. Rdzeń ten składa się ze złączonych ze sobą toroidów, rozmieszczonych na obwodzie okręgu. Budowę i wyniki badań czujnika, w rdzeniu którego wykonano szczeliną powietrzną przedstawiono w [9]. Szczelina zapewniała stabilne i powtarzalne właściwości kierunkowe czujnika. Budowę nowego czujnika, w rdzeniu, którego nie wykonano, szczeliny przedstawia rys. 1. Przez wszystkie 16 toroidów rozmieszczonych na obwodzie okręgu przewleczone zostało uzwojenie magnesujące N m. Następnie przez dwa otwory w rdzeniu przewleczono uzwojenie sterujące magnesowaniem wirtualnej szczeliny N s, i kolejno na całym obwodzie toroidu nawinięto jednowarstwowo uzwojenia detekcyjne N d oraz kompensacyjne N k. Blokowy układ pracy czujnika przedstawia rys. 2. Zasadę pracy można przedstawić następująco. Prąd magnesujący wprowadza rdzeń w głębokie nasycenie, sterując jego przenikalnością magnetyczną. Na uzwojeniu detekcyjnym pojawia się napięcie

3 Analiza funkcji przetwarzania transduktorowego czujnika pola magnetycznego zawierające parzyste harmoniczne przebiegu magnesującego w momentach, gdy rdzeń nie jest nasycony. Napięcie to po wzmocnieniu i detekcji fazoczułej powoduje przepływ prądu kompensującego I k przez uzwojenie kompensacyjne N k. Prąd ten jest sygnałem wyjściowym czujnika. CZUJNIK I k N c U k H N d U d WZM. WEJ. DETEKTOR FAZ. FILTR D.P. WZM. WYJ. N m I m GENERATOR 2 harm. I m N s I s Rys. 2. Układ pracy czujnika Fig. 2. Block diagram of the transducer Przebiegi ilustrujące działanie czujnika przedstawia rys. 3. Widać na nim wyraźnie pojawianie się napięcia na uzwojeniu detekcyjnym w momentach przechodzenia przez zero sinusoidalnego prądu magnesującego. 4. BUDOWA I BADANIA MODELOWE CZUJNIKA Badany model czujnika charateryzował się następującymi parametrami: toroidalny rdzeń został złożony z wykrojów z blachy permalojowej (o grubości ok.,1 mm) w pakiet o grubości ok. 5 mm, liczba zwojów uzwojeń: uzwojenie magnesujące: N m = 8; uzwojenie detekcyjne N d =3; uzwojenie kompensacyjne N k = 3, liczba zwojów uzwojenia tworzącego szczelinę N s = 2. Czujnik badano w polu magnetycznym ziemi oraz w polu jednorodnym wytworzonym przez cewki Helmholtza. Badania czujnika przeprowadzono w następujących warunkach: natężenie pola magnetycznego zmieniano w granicach 4 A/m, jednorodność pola magnetycznego i dokładność określenia zadanej jego wartości była na poziomie ±,5 %, dokładność pomiaru prądu kompensacyjnego ±,1 %, dokładność określenia położenia kątowego czujnika względem linii pola magnetycznego na poziomie kilku stopni.

4 96 Wyznaczona eksperymentalnie czułość maksymalna czujnika (dla kątówα i β = ) wynosi ok A/A/m. a) b) c) d) Rys. 3. Przebiegi czasowe: a) prąd magnesujący; b) napięcie na uzwojeniu detekcyjnym; c), d) napięcie na uzwojeniu detekcyjnym dla różnych zwrotów pola magnetycznego + H i -H Fig. 3. Temporal variations occurring in the sensor: a) magnetizing current; b) voltage drop across the detecting winding; c), d) voltage drop across the detecting winding for different directions of the magnetic field: +H and H Przeprowadzono badania zależności prądu kompensacyjnego I k od kierunku pola magnetycznego, w dwóch płaszczyznach kątowych. Przyjęto, że kąt α oznacza obrót czujnika w płaszczyźnie linii pola magnetycznego go przenikającego względem umownie przyjętego położenia zerowego. Kąt β jest natomiast kątem między płaszczyzną czujnika a liniami pola magnetycznego go przenikającego. Przyjęto także, że kąt β =, gdy linie pola magnetycznego są równoległe do płaszczyzny czujnika. Na rys. 4 przedstawiono wartości prądu kompensującego I k w funkcji położenia kątowego czujnika względem pola magnetycznego ziemi. Dla kąta β =, zmieniano kąt α. Badania przeprowadzono dla prądu magnesującego szczelinę: I s = oraz I s = 2,5 A. Na rys. 5 przedstawiono natomiast zależność wyjściowego prądu kompensującego od położenia kątowego czujnika względem linii pola magnetycznego cewek Helmholtza, dla kąta α =, zmieniano kąt β. Na rys. 6 pokazano zależność prądu kompensującego I k od położenia kątowego czujnika względem linii pola magnetycznego cewek Helmholtza dla kąta β = zmieniano kąt α. Badania przeprowadzano przy stałej wartości natężenia pola magnetycznego równej 14 A/m.

5 Analiza funkcji przetwarzania transduktorowego czujnika pola magnetycznego I k [µa] Is = Is = 2,5 A α [ o ] Rys. 4. Zależność prądu kompensującego, I k od położenia kątowego czujnika względem pola magnetycznego ziemi obrót czujnika na płaszczyźnie Fig. 4. Compensating current I k vs. angular position taken up by the sensor relative to Earth s magnetic field turn in a plane 5 4 I k [ma] Is = 2,5 A Is = β [ o ] Rys. 5. Zależność prądu kompensującego I k od ustawienia czujnika względem pola magnetycznego cewek Helmholtza Fig. 5. Compensating current I k as a function of the way the sensor is arranged in relation to the magnetic field produced by Helmholtz coils I k [ma] Is = Is = 2,5A α [ o ] Rys. 6. Zależność prądu kompensującego I k od położenia kątowego czujnika względem pola magnetycznego cewek Helmholtza obrót czujnika na płaszczyźnie Fig. 6. Compensating current I k vs. angular position taken up by the sensor relative to the magnetic field produced by Helmholtz coils turn in a plane

6 98 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Analizując wyniki pomiarów przedstawione na rys. 4 6 można stwierdzić, że: czujnik charakteryzuje się stosunkowo wysoką czułością (rys. 4); celem jego budowy nie było jednak uzyskanie jej najwyższego poziomu, zależności kątowe prądu kompensującego od usytuowania w polu magnetycznym, w obu płaszczyznach wykazują regularny charakter i są bardzo bliskie przebiegom funkcji cosinus. Różnice wynikają z dokładności zadania kątów α i β, szczelina wirtualna zmienia co prawda właściwości kierunkowe czujnika, ale w niewielkim stopniu (rys. 4 i 6), i nie powoduje ich zdecydowanego zdefiniowania, tak w przypadku szczeliny fizycznej [9]. Wynika to z parametrów czujnika i jego budowy wartości strumienia magnesującego szczelinę oraz sposobu nawinięcia uzwojeń sterującego i magnesującego. Natomiast jak widać na rys. 4 6 szczelina wirtualna powoduje znaczne zwiększenie czułości czujnika prawie dwukrotne. Na podstawie wyników przeprowadzonych pomiarów można przybliżoną funkcję przetwarzania czujnika zapisać w postaci: I = khcos( α + α )cos β, (1) k gdzie: k stała konstrukcyjna, α kąt, dla którego czułość osiąga maksymalną wartość, Wartość kąta α można wyznaczyć na drodze eksperymentalnej. LITERATURA 1. Webster J. G. (ed.).: The measurement, instrumentation and sensors, CRC Press, New York, Ripka P.: Review of fluxgate sensors, Sensor and Actuators, A.33 (1992) pp Lenz J. E.: A Review of Magnetic Sensors, Proc. of the IEEE, vol. 78, pp ,June Ripka P.: Magnetic sensors and magnetometers, Artech House, Boston, London, Nałęcz M., Jaworski J.: Miernictwo magnetyczne, WNT, Warszawa Kilic T., Borsic M., Milun S.: Ring-core flux-gate magnetometer with microprocessor, Measurement 25 (1999), pp Ripka P.: Advances in fluxgate sensors, Sensor and Actuators, A 16 (23), pp Kubisa S., Moskowicz S.: Rdzeń ferromagnetyczny zwłaszcza do przetworników pomiarowych prądu stałego, Patent nr Moskowicz S.: Transduktorowy czujnik pola magnetycznego analiza funkcji przetwarzania, Elektronizacja, nr 7 8, 22, s ABSTRACT In the paper the design and results of tests carried out on a fluxgate-based compensating sensor of magnetic field intensity are presented. The design is based on a special permalloymade moulding shown in Fig. 1. The principle of operation is illustrated by time responses depicted in Fig. 3. Results of tests carried out are presented in Figs The sensor features relatively high sensitivity and linear transduction characteristic.