Pomiary wielkości elektrycznych i magnetycznych: BH. POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI ZAKŁAD METROLOGII I SYSTEMÓW POMIAROWYCH METROLOGIA Andrzej Rylski Politechnika Rzeszowska Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych, ul. W. Pola 2 35-959 Rzeszów, rylski @prz.rzeszow.pl http://rylski.sd.prz.edu.pl/ Pomiary wielkości elektrycznych i magnetycznych: BH.

Sensory indukcyjnościowe Zagadnienia: Podstawy fizyczne Materiały magnetycznie miękkie i twarde Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne Przetworniki AMR Czujniki indukcyjne i transduktorowe Kontaktrony Magnetometry oparte na efekcie Overhauser’a Czujniki SQUID Czujniki GMI Systemy przemysłowe Literatura: Mioduski A., Czujniki magnetyczne, projekt Leonardo da Vinci ZSE Rzeszów 2003 Rawa H., Elektryczność i magnetyzm w technice, PWN, Warszawa 2001 Gonet B., Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe, PZWL 2003 Wróblewski A.K., Zakrzewski J.A., Wstęp do fizyki, PWN Warszawa 1991

Podstawy fizyczne B= 0rI/2r (10.01) Gdzie: B – indukcja magnetyczna I – prąd płynący w przewodniku r – odległość µ0 – przenikalność próżni ( 0 = 4 10-7 H/m ) r – przenikalność względna danego środowiska odniesiona do przenikalności próżni.  = ro  – przenikalność bezwzględna środowiska B=H (10.02) Gdzie: H – natężenie pola magnetycznego H= (10.02) (10.04) Gdzie: r – odległość między osiami przewodów F - siła (10.03) Gdzie α stanowi kąt między wektorami indukcji magnetycznej i kierunkiem prądu.

Podstawy fizyczne Rys. 10.04 Pole magnetyczne Ziemi (10.07) (10.08) Rys. 10.07 Sposób mnemotechnicznego wyznaczania kierunku działania siły Lorentza Równanie (10.3) może być również zapisane w formie wektorowej:

Podstawy fizyczne Siła działająca na każdy elektron w przewodniku wynosi: (10.09) Jeżeli v jest prędkością elektronów, to przepłyną one przez przewodnik o długości v·t w czasie t, a ogólna ilość elektronów na długości v·t wyniesie n·v·t. Ogólny ładunek równa się teraz (10.14) (10.15) (10.16) (10.17) (10.10) Gdzie: e jest ładunkiem jednego elektronu natomiast n jest ilością elektronów na jednostkę długości, n=N/l Dana substancja ferromagnetyczna traci swoje właściwości jeżeli jest podgrzewana do pewnej, określonej temperatury. Temperatura ta, tzw. Punkt Curie jest różna dla różnych substancji. Punkt Curie dla: żelaza wynosi 770°C niklu 354°C. (10.11) (10.12) Gdzie N jest całkowitą ilością elektronów na długości 1. (10.13)

Podstawy fizyczne Rys. 10.10 Krzywa histerezy – pierwszego magnesowania i zmniejszanie natężenia. Rys. 10.08 Schematyczne przedstawienie losowego ułożenia domen magnetycznych. Rys 10.11 Pętla histerezy magnetycznej –

Materiały magnetycznie miękkie i twarde Ferryty miękkie. Ferryty zawierają: 70 % tlenku żelaza (Fe2O3) 30 % tlenków innych materiałów (n.p: tlenek manganu (MnO), tlenek magnezu (MgO), tlenek niklu (NiO), tlenek miedzi (CuO) tlenek żelaza (FeO)). Ferryty dla częstotliwości mikrofalowych są: izolatorami, mają niską przenikalność magnetyczną. przenikalność magnetyczną do 10 000. Niski poziom nasycenia magnetycznego średnia przenikalność magnetyczna duży zakres częstotliwości pracy, niski koszt i łatwość produkcji rdzeni. Ferryty twarde posiadają wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej są magnetostrykcyjne Magnetostrykcja to zjawisko powstawania sprężystych odkształceń ciała pod wpływem jego namagnesowania oraz zmian przenikalności dielektrycznej wywoływanych odkształceniami fizycznymi ciała. Materiały cienkowarstwowe Folie cienkowarstwowe z Permalloy (FeNi) używanie są obecnie w aplikacjach czujników z powodu niskiej anizotropii magnetokryształów

Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne Czujniki oparte na efekcie Halla (10.20) Gdzie: q ładunek elektryczny przewodnika v szybkość przemieszczania się ładunku E natężenie pola elektrycznego B gęstość strumienia magnetycznego Rys. 10.12 Czujnik Halla

Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne czujnik położenia wału korbowego 0...75V Zakres sygnału 540 ohm ? 10% Rezystancja (przy 20° C) 1200 m/s2 Maksymalne mierzalne przyspieszenie -40...+150° C Temperatura pracy 20...7000 obr/min Zakres pomiarowy

Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne czujnik położenia wału korbowego Cinquecento 900

Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne OBIEKT Norma IEC/EN 60947-5-2 rozróżnia kilka stref wykrywania dla czujników zbliżeniowych. Znamionowa odległość wykrywania Sn Wartość standardowa wyznaczona dla produktu. Nie bierze pod uwagę rozrzutu parametrów produkcji, zmian temperatury otoczenia, napięcia zasilania, itd. Rzeczywista odległość wykrywania Sr Wartość zmierzona przy znamionowym napięciu zasilania (Un) znamionowej temperaturze otoczenia (Tn). Musi zawierać się pomiędzy 90% i 110% znamionowej odległości wykrywania Sn. Użyteczna odległość wykrywania Su Wartość zmierzona przy dopuszczalnych granicach zmian napięcia zasilania (Un) i temperatury otoczenia (Tn). Musi zawierać się pomiędzy 90% i 110% rzeczywistej odległości wykrywania Sr. Robocza odległość wykrywania Sa To obszar w którym urządzenie pracuje . Zawiera się w granicach od 0 do 81 % znamionowej odległości wykrywania Sn. OBIEKT

Obiekt poruszający się Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne XS8 E - 26 x 26 (Sn = 15 mm) XS8 C - 40 x 40 (Sn = 25 mm) XS8 D - 80 x 80 (Sn = 60 mm) XS6 12 - 12 (Sn = 4 mm) XS6 18 - 18 (Sn = 8 mm) XS6 30 - 30 (Sn = 15 mm) Programowanie: - pierwsze wciśnięcie przycisku - czujnik uczy się otoczenia - drugie wciśnięcie przycisku - czujnik uczy się wykrywania pozycji obiektu XS8 Montaż zagłębiony Montaż zagłębiony z tłem Montaż niezagłębiony Obiekt zbliżający się do czoła czujnika Obiekt poruszający się poprzecznie do czoła czujnika

Indukcyjnościowe Czujniki indukcyjne (10.55) Gdzie: A jest powierzchnią przekroju rdzenia. (10.56)

Półprzewodnikowe czujniki magnetyczne Przetworniki AMR Magnetorezystory anizotropowe (AMR) są w ogólności wykorzystywane do pomiarów pól magnetycznych w średnim ich zakresie, do 200 mT. Efekt magnetorezystancji opisany został już w 1857 roku przez W. Thomsona Rys.10.13 Działanie czujnika opartego na efekcie magnetorezystancji

Przetworniki AMR (10.48) R1 = R3 = R0 + DR0 i R2 = R4 = R0 - DR0 Rys. 10.14 Przetwornik AMR, sposób linearyzacji (10.50) Rys. 10.15 Przetwornik AMR w konfiguracji pomiarowej mostka Wheatstona

Czujniki transduktorowe

Indukcyjne i kontaktronowe Rys. 10.20 Indukcyjny czujnik rotacji z magnesem stałym Rys 10.23 Zestyki kontaktronowe: strefy przełączania dla magnesu równoległego do osi czujnika. Rys 10.21 Indukcyjny czujnik położenia zębów przekładniowych ( "czujnik wychwytujący - magnetic pickup").

Czujniki ESR oparte na rezonansie spinowym elektronów. Rezonans magnetyczny Czujniki SQUID Nadprzewodzący Interferometr Kwantowy (Superconducting Quantum Interference Device) mierzy zmiany w polu magnetycznym, wykrywając przejście złączy ze stanu nie-nadprzewodnikowego do nadprzewodnikowego Czujniki ESR oparte na rezonansie spinowym elektronów. ESR, czyli Rezonans Spinowy Elektronów (Electron Spin Resonance) Czujniki NMR oparte na magnetycznym rezonansie jądrowym (NMR – nuclear magnetic resonance). Magnetometry oparte na efekcie Overhauser’a Czujniki GMI efekcie Olbrzymiej MagnetoImpedancji (GMI – Giant MagnetoImpedance): wysokoczęstotliwościowa impedancja przewodu magnetycznego zależy od zewnętrznego pola magnetycznego. Efekt ten jest związany z efektem naskórkowości:.

Systemy przemysłowe

Systemy przemysłowe

Systemy przemysłowe Terminal Architektura klasyczna : Dyspozytor Załadunek Ważenie I/O Terminal Centralny PLC Architektura klasyczna : Informacje scentralizowane w PLC. Informacje (kod ciężarówki,...) są wprowadzane ręczne (ryzyko błędu, strata czasu). Rozległa architektura sieci (duże odległości między rejonami).

LITERATURA: Mioduski A., Czujniki magnetyczne, projekt Leonardo da Vinci ZSE Rzeszów 2003 Rawa H., Elektryczność i magnetyzm w technice, PWN, Warszawa 2001 Gonet B., Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe, PZWL 2003 Wróblewski A.K., Zakrzewski J.A., Wstęp do fizyki, PWN Warszawa 1991