Ανάπτυξη Μαγνητικών Κυκλωμάτων για Χρήση σε Αυτόνομους Αισθητήρες Μέτρησης Εσωτερικών Τάσεων σε Χάλυβες

Abstract

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.