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 : Jonizujące Częstotliwość [Hz] Rodzaj promieniowania 10 25 Promieniowanie kosmiczne 10 21 Promieniowanie g 10 20 Promieniowanie X 10 16 Nadfiolet 10 14 Światło widzialne 10 12 Podczerwień 10 11 Fale milimetrowe (SHF) Fale 10 10 = 10GHz centymetrowe (EHF) Niejonizujące 10 9 = 1GHz UHF/TV Mikrofale Typowe źródła Kosmos Rozpad radioaktywny Aparatura medyczna Światło słoneczne Lampy oświetleniowe Lampy grzejne Urządzenia radarowe Łączność satelitarna Kuchenki mikrofalowe, telefony komórkowe 10 8 = 100MHz VHF/TV Telewizja Od 10 8 do 10 5 3kHz 300Hz do 50Hz HF/radio VLF ELF 0 Hz DC Pola stałe Pola elektromagnetyczne małych częstotliwości Łączność radiowa Telewizory, monitory Sieć zasilająca Magnesy trwałe, ziemskie pole magnetyczne 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 = µ H µ 4π 10 0 0 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 Hr Tr 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 H x =0, cienka warstwa jest namagnesowana w kierunku paska (na skutek wpływu anizotropii indukowanej w procesie wytwarzania warstwy). Mierzone pole H x 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 H x : sin ϑ = H y H x + H k H x - składowa pola prostopadła do osi paska (mierzona) H y - składowa pola wzdłuż osi paska H x -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 E out 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 E OUT H x 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 U H 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 : gdzie : R H - współczynnik Halla. U H = RH [ J B] rys.5 Hallotron zasada działania Jako materiał należy stosować związku o dużym R H (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 PRZED WZMACNIAC UKŁAD KOMP. ZERA WZMACNIACZ CZUJNIK POŁOŻENIA KARTA POMIAROWA PRZETWORNIK NA WARTOŚĆ SKUTECZNĄ 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.