Ανάπτυξη μαγνητικών κυκλωμάτων για χρήση σε αυτόνομους αισθητήρες μέτρησης εσωτερικών τάσεων σε χάλυβες

Abstract

This Doctoral Thesis examines the following subjects: 1. The development and operation of the Single Sheet Tester device, which is a laboratory reference device for determining the magnetic parameters and the magnetization loop in soft magnetic materials. In this arrangement, samples of given dimensions can be characterized. The device, in addition to the measurement of magnetic characteristics, serves to develop magnetic transfer standards for the calibration of other devices for measuring similar characteristics. 2. The development of an electromagnetic device (electromagnetic yoke) to determine the dependence of the magnetic permeability on the magnetic field in industrial field applications. Its calibration depends on the transfer pattern characterized in the Single Sheet Tester. 3. The development of a yoke arrangement with a permanent magnet and soft magnetic ends, polarizing with a specific field in the measurement area and using a Hall sensor for the measurement. The device can be used in cases where low consumption is required and therefore the electromagnetic yoke cannot be used, due to energy consumption. In this logic, a device was developed to measure magnetic parameters radially at each measurement point, thus also giving anisotropy measurements. Furthermore, an energy harvesting device (magnetic harvester) was developed with an efficiency of the order of mW. These three provisions form the basis for the development of ISO 17025 & ISO 17020 of the electronic sensor laboratory for the measurement of the distribution of magnetic permeability and consequently the measurement of the distribution of residual stresses in steels.More in detail, in the theoretical part (Chapter 1) a Bibliographic Review is made with the aim of studying the theoretical background on which the study of magnetic circuits is based, but also the overview of contemporary problems and methods in which this analysis is useful. In addition, there is a presentation of magnetic sensors, their usefulness and operation, as well as a reference to Non-Destructive Testing and the use of sensors as part of an Automatic Control System. Furthermore, the Basic Principles of Magnetic Circuit Design are presented. This includes the analysis of a simple magnetic circuit, the presentation of analogies with electric circuits and some elements of methodology which are necessary to understand the experimental part. For the experimental part, the sensor arrangements that were studied, manufactured and used to measure the Magnetic Permeability of steel samples in order to assess the alteration of their mechanical properties and their strain from external stresses and other factors, are presented. The sensor arrangements analyzed are the Single Sheet Tester, the yoke-shaped Magnetic Permeability Sensor with coil excitation, the Magnetic Permeability Sensor with Metglas core, the Permanent Magnet Sensor with Hall sensing element and the Permanent Magnet with Multiple Hall sensing element. Next, the construction, methodology and experimental use of an Energy Harvesting System are analyzed. Subsequently, this system is used in conjunction with sensors that have already been analyzed for the construction of autonomous measuring devices such as the Autonomous Magnetic Permeability Sensor and the Autonomous Permanent Magnet Sensor with a Hall sensing element. Finally, the conclusions of this thesis are presented while analyzing some issues that arise as future work for further research in the field of magnetic sensors and their applications. Such topics are the Multiple Hall Integrated Circuit Sensor and the Three-Dimensional Energy Harvesting Generator.

Η Διδακτορική Διατριβή αυτή πραγματεύεται τα παρακάτω: 1.Την ανάπτυξη και λειτουργία της διάταξης single sheet tester, που αποτελεί εργαστηριακή διάταξη αναφοράς για τον προσδιορισμό των μαγνητικών παραμέτρων και του βρόχου μαγνήτισης σε μαλακά μαγνητικά υλικά. Στην διάταξη αυτή μπορούν να χαρακτηρισθούν δείγματα δοσμένων διαστάσεων. Η διάταξη, εκτός της μέτρησης των μαγνητικών χαρακτηριστικών, χρησιμεύει για την ανάπτυξη μαγνητικών προτύπων μεταφοράς για την διακρίβωση άλλων διατάξεων μέτρησης παρόμοιων χαρακτηριστικών. 2.Την ανάπτυξη ηλεκτρομαγνητικής διάταξης (electromagnetic yoke) για τον προσδιορισμό της εξάρτησης της μαγνητικής διαπερατότητας από το μαγνητικό πεδίο σε βιομηχανικές εφαρμογές πεδίου. Η διακρίβωσή της εξαρτάται από το πρότυπο μεταφοράς που χαρακτηρίζεται στον single sheet tester. 3.Την ανάπτυξη διάταξης yoke με μόνιμο μαγνήτη και μαλακά μαγνητικά άκρα, πολώνοντας με συγκεκριμένο πεδίο στην περιοχή μέτρησης και κάνοντας χρήση αισθητήρα Hall για την μέτρηση. Η διάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περιπτώσεις που απαιτείται μικρή κατανάλωση και δεν μπορεί κατά συνέπεια να χρησιμοποιηθεί το electromagnetic yoke, λόγω ενεργειακής κατανάλωσης. Στην λογική αυτή, αναπτύχθηκε και διάταξη μέτρησης μαγνητικών παραμέτρων ακτινικά στο κάθε σημείο μέτρησης, δίνοντας έτσι και μετρήσεις ανισοτροπίας. Ακόμη, αναπτύχθηκε διάταξη απολαβής ενέργειας (magnetic harvester) με απόδοση της τάξης των mW. Αυτές οι τρείς διατάξεις αποτελούν την βάση για την ανάπτυξη του ISO 17025 & ISO 17020 του εργαστηρίου ηλεκτρονικών αισθητήρων για την μέτρηση της κατανομής της μαγνητικής διαπερατότητας και κατά συνέπεια την μέτρηση της κατανομής των παραμενουσών τάσεων σε χάλυβες.Αναλυτικότερα, στο θεωρητικό μέρος (Κεφάλαιο 1) γίνεται μια Βιβλιογραφική Ανασκόπηση με σκοπό την μελέτη του θεωρητικού υπόβαθρου στο οποίο στηρίζεται η μελέτη μαγνητικών κυκλωμάτων, αλλά και την επισκόπηση σύγχρονων προβλημάτων και μεθόδων στα οποία αυτή η ανάλυση είναι χρήσιμη. Επιπλέον, γίνεται μια παρουσίαση των μαγνητικών αισθητήρων, της χρησιμότητας και της λειτουργίας τους, αλλά και αναφορά στον Μη Καταστροφικό Έλεγχο και στην χρήση αισθητήρων ως μέρος ενός Συστήματος Αυτομάτου Ελέγχου. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι Βασικές Αρχές της Σχεδίασης Μαγνητικών Κυκλωμάτων. Αυτό περιλαμβάνει την ανάλυση ενός απλού μαγνητικού κυκλώματος, την παρουσίαση των αναλογιών με ηλεκτρικά κυκλώματα και κάποια στοιχεία μεθοδολογίας τα οποία είναι απαραίτητα για την κατανόηση του πειραματικού μέρους. Για το πειραματικό μέρος, στο Κεφάλαιο 3 γίνεται η παρουσίαση των διατάξεων αισθητήρων οι οποίες μελετήθηκαν, κατασκευάστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την μέτρηση της Μαγνητικής Διαπερατότητας δειγμάτων χαλύβων με σκοπό την εκτίμηση της αλλοίωσης των μηχανικών τους ιδιοτήτων και της καταπόνησης τους από εξωτερικές τάσεις και άλλους παράγοντες. Οι διατάξεις αισθητήρων οι οποίες αναλύονται είναι ο Single Sheet Tester, ο Αισθητήρας Μαγνητικής Διαπερατότητας σχήματος yoke με διέγερση πηνίου, ο Αισθητήρας Μαγνητικής Διαπερατότητας με πυρήνα Metglas, ο Αισθητήρας Μόνιμου Μαγνήτη με αισθητήριο Hall και ο Αισθητήρας με Πολλαπλά αισθητήρια Hall. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται η μεθοδολογία κατασκευής και η πειραματική χρήση ενός Συστήματος Συγκομιδής Ενέργειας. Στην συνέχεια, το σύστημα αυτό, χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με τους αισθητήρες οι οποίοι έχουν ήδη αναλυθεί για την κατασκευή αυτόνομων διατάξεων μέτρησης όπως ο Αυτόνομος Αισθητήρας Μαγνητικής Διαπερατότητας και ο Αυτόνομος Αισθητήρας Μόνιμου Μαγνήτη με αισθητήριο Hall. Τέλος, στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής αυτής ενώ αναλύονται κάποια θέματα τα οποία προκύπτουν ως μελλοντική εργασία για περαιτέρω έρευνα στον τομέα των μαγνητικών αισθητήρων και των εφαρμογών τους. Τέτοια θέματα είναι η διάταξη Αισθητήρα με ολοκληρωμένο κύκλωμα πολλαπλών Hall και η Γεννήτρια Συγκομιδής Ενέργειας Τριών Διαστάσεων.