Zaznavanje pozicije talilnega elementa

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Uroš Polc ZAZNAVANJE POZICIJE TALILNEGA ELEMENTA V KERAMIČNEM TALILNEM VLOŽKU S HALLOVO SONDO Diplomsko delo Maribor, september 2017

2 ZAZNAVANJE POZICIJE TALILNEGA ELEMENTA V KERAMIČNEM TALILNEM VLOŽKU S HALLOVO SONDO Diplomsko delo Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Uroš Polc Visokošolski študijski program Elektrotehnika Elektronika viš. pred. dr. Mitja Solar i

3 ii

4 Zahvala Zahvaljujem se mentorju viš. pred. dr. Mitji Solarju za strokovno pomoč pri izdelavi diplomskega dela. Zahvalil bi se tudi podjetju ETI d. d., ki mi je omogočilo izdelavo diplomskega dela, še posebej vodji oddelka Petru Benku, ter vsem sodelavcem, ki so mi kakorkoli pomagali. iii

5 Zaznavanje pozicije talilnega elementa v keramičnem talilnem vložku s Hallovo sondo Ključne besede: keramični talilni vložek, Hallov pojav, simulacija magnetnega polja UDK: 537.8: (043.2) Povzetek V diplomskem delu smo raziskovali možnost zaznavanje pozicije talilnega elementa v keramičnem talilnem vložku s Hallovo sondo. Najprej smo si izbrali primerno velikost vložka, nato pa smo raziskali fizikalno ozadje Hallovega pojava. Raziskavo smo nadaljevali s pomočjo meritev na več vzorcih in pri različnih tokovnih pogojih. Pri meritvah smo si pomagali tudi z računalniško simulacijo. Možnost zaznavanja s Hallovo sondo smo potrdili, zaradi uspešnega rezultata smo izdelali tudi predlog praktične rešitve. iv

6 Position sensing of fuse element in ceramic fuse link with Hall probe Key words: ceramic fuse link, Hall effect, simulation of magnetic field UDK: 537.8: (043.2) Abstract The goal of this thesis was to explore the option of sensing fuse element in a ceramic fuse link with Hall probe. First, the appropriate size of the fuse link was chosen and the physical background of Hall effect was studied. The next step of the research was to carry out measurements on multiple samples with different current conditions. To carry out measurements, we also used computer simulation. On the basis of the positive results, we confirmed the option of sensing with Hall probe. Finally, we created a suggestion for a practical solution. v

7 KAZALO VSEBINE 1 UVOD KERAMIČNA VAROVALKA Talilni vložek NV1 C KOMBI MAGNETNO POLJE Hallov pojav Hallove sonde MERITVE GOSTOTE MAGNETNEGA POLJA Popis merilnih naprav Opis meritev RAČUNALNIŠKA SIMULACIJA Opis simulacijskega okolja COMSOL Multiphysics Izvedene simulacije REZULTATI Rezultati meritev Rezultati simulacij PREDLOG REŠITVE Rešitev z laboratorijskim merilnikom Namensko izdelana Hallova sonda SKLEP VIRI Priloga A Priloga B Priloga C vi

8 KAZALO SLIK Slika 2.1: Podstavka za varovalke: levo - nožaste PK in desno z navojem PFB... 3 Slika 2.2: Talilni vložki: a) nožasti NV 1C, b) DII in c) D Slika 2.3: Funkcija kape... 4 Slika 2.4: Oslabitve in spajka na talilnem elementu... 6 Slika 2.5: Sestavni deli NV 1C talilnega vložka... 7 Slika 3.1: Magnetne silnice okrog trajnega magneta... 8 Slika 3.2: Hallov element Slika 3.3: Prečna in osna Hallova sonda Slika 4.1: Rentgenska slika talilnega vložka: a) dober 25 A vložek (levo) in b) slab 25 A vložek (desno) Slika 4.2: Rentgenska slika talilnega vložka: a) dober 63 A vložek (levo), b) slab 63 A vložek (desno) Slika 4.3: Točke merjenja na vzorcih Slika 4.4: Izmenični tokovni generator DAX TR Slika 4.5: Enosmerni tokovni generator WURMB TFM Slika 4.6: Merilnik gostote magnetnega polja F. W. BELL Slika 4.7: NV 1C vstavljen v PK podstavek na poizkusni tabli Slika 4.8: Detajl postavitve sonde Slika 4.9: Namestitev termočlena Slika 4.10: Končan talilni vložek s termočlenom Slika 5.1: 3D model v okolju COMSOL Slika 5.2: Model z ''merilnim'' nožem Slika 6.1: Gostota magnetnega polja B dobrega in slabega 25 A vzorca, pri izmeničnem toku I=25 A Slika 6.2: Gostota magnetnega polja B dobrega in slabega 63 A vzorca, pri izmeničnem toku I=63 A AC Slika 6.3: Primerjava merjenja gostote magnetnega polja B z enosmernim in izmeničnim tokovnim generatorjem AC/DC na 25 A vzorcih Slika 6.4: 40 A vzorca, pri I=25 A DC vii

9 Slika 6.5: 63 A vzorca, pri I=25 A DC Slika 6.6: Primerjava dobrega 25 A talilnega vložka s kremenčevim peskom (napeskan) in brez njega (ne-napeskan) Slika 6.7: Primerjava slabega 63 A talilnega vložka s kremenčevim peskom (napeskan) in brez njega (ne-napeskan) Slika 6.8: Raztros meritev pri dobrem 50 A vzorcu Slika 6.9: Raztros meritev pri slabem 50 A vzorcu Slika 6.10: Temperatura talilnega elementa, pri toku I=25 A Slika 6.11: Simulacija dobrega 25 A modela Slika 6.12: Simulacija slabega 25 A modela Slika 6.13: Primerjava meritev in simulacije 63 A vzorca/modela Slika 6.14: Desno: oblika magnetnega polja pri polnem talilnem elementu in levo: oblika polja pri oslabitvah Slika 6.15: Vpliv vijaka na magnetno polje Slika 6.16: Vpliv pokrova na magnetno polje Slika 6.17: Prikaz delovanja merilnega noža Slika 6.18: Simulacija slabega 25 A modela, z merilnim nožem Slika 7.1: Blokovna shema merilne postaje Slika 7.2: Napetosti na izhodu senzorjev Slika 7.3: Shema namensko izdelane Hallove sonde KAZALO TABEL Tabela 1: Specifikacije merilnika FWB Tabela 2: Primerjava merilnikov gostote magnetnega pretoka Tabela 3: Ključni parametri senzorja DRV5053 VA Tabela 4: Seznam uporabljenih elementov viii

10 1 UVOD Temo diplomskega dela sem pridobil v podjetju ETI Elektroelement d. d. V podjetju ETI se ukvarjajo z razvojem in izdelavo zaščitnih naprav za stanovanjske in industrijske objekte. Njihov program obsega stikalne odklopnike (inštalacijski odklopniki, zaščitna stikala na diferenčni tok, kombinirana zaščitna stikala), pa tudi vse vrste taljivih varovalk (D, D0, C, NV, VV, Ultra Quick varovalke za močnostne polprevodnike ter specialne varovalke). Taljive keramične varovalke so se včasih uporabljale za varovanje vseh električnih inštalacij. V stanovanjskih in poslovnih objektih jih zaradi praktičnosti in dodatnih funkcij, kot so enostavno vračanje po odklopu, odklop na diferenčni tok in indikacije vzroka odklopa, izpodrivajo inštalacijski odklopnik in ostala zaščitna stikala. Še vedno pa se uporabljajo za varovanje industrijskih objektov in naprav, saj je delovanje taljivih varovalk veliko zanesljivejše od stikal. Z njimi varujemo tudi sončne elektrarne, elemente in inštalacije v električnih avtomobilih in močnejše porabnike, ki jih zaradi velikih tokov ni možno varovati s stikalnimi odklopniki. [5] Program nizkonapetostnih nožnih varovalk NH/NV zajema nožaste talilne vložke, keramične in plastične podstavke ter pribor (varnostna držala, plastični pokrovi). NV varovalke se izdelujejo v različnih velikostih, in sicer 0, 00, 1, 2, 3 in 4. Višja, kot je številka oznake, večja je tudi dimenzija varovalke. Prav tako se z velikostjo višajo nazivni tokovi in napetosti. Zanesljivost delovanja odklopna karakteristika varovalke je odvisna od celotne varovalke, še posebej pa od talilnega vložka. Med delovanjem se v taljivem vložku sprošča veliko energije, ki se kaže kot toplota, ob prekomerni obremenitvi pa zaradi sproščene toplote talilni vložek prekine tokokrog. V kolikor se talilni element nahaja preblizu keramične osnove vložka, lahko osnova zaradi visokih temperaturnih razlik med okolico in točko dotikanja poči. Ker se pri končno izdelanem talilnem vložku ne vidi, v kakšni poziciji je nameščen talilni element, je bilo treba odkriti način za zaznavo le-tega v končanem izdelku. Namen diplomskega dela je potrditi ali zavrniti hipotezo o možnosti 1

11 zaznave pozicije talilnega elementa s Hallovo sondo oziroma Hallovimi senzorji. Po izvedbi fizičnih meritev jih bomo nekaj ponovili v simulacijskem programu. S tem želimo dobiti primerjavo med laboratorijskimi in računalniškimi meritvami, da bomo v primeru nadaljnega raziskovanja lahko več hipotez potrdili ali ovrgli s simulatorjem ter tako zmanjšali število meritev v laboratoriju. S tem bi se zmanjšali stroški razvoja. V kolikor se bo način zaznave pozicije izkazal kot mogoč, bo treba raziskati še, kako preizkus vpliva na izklopno karakteristiko talilnega vložka. V drugem poglavju sta natančneje opisana keramična varovalka in talilni vložek NV 1C. Opisani so sestavni deli in uporaba varovalke, podrobneje pa je opisan tudi talilni vložek. V tretjem poglavju sta opisana magnetno polje in Hallov pojav. V četrtem poglavju so opisane merilne metode in preizkusi, v petem pa njihova ponovitev s simulacijskim programom. V šestem poglavju so predstavljeni rezultati meritev in simulacije ter primerjava rezultatov. V sedmem poglavju sta predstavljena predloga rešitve problema, v osmem poglavju so s sklepom povzeti vsi rezultati in opažanja ter predlogi za nadaljnje raziskovanje. 2

12 2 KERAMIČNA VAROVALKA S pojmom keramična varovalka poimenujemo cel sklop, ki varuje napravo oziroma napeljavo in je sestavljena iz več delov [5]. Del, s pomočjo katerega je varovalka povezana z omrežjem, imenujemo podstavek varovalke. Glede na uporabo in tip varovalke je lahko keramičen ali iz umetnih mas. Sestavljajo ga priključne sponke, s pomočjo katerih je povezan na omrežje, ter kontakta, ki poskrbita za stik s talilnim vložkom. Poznamo odprte in zaprte podstavke. Na Sliki 2.1 je levo prikazan PK podstavek za NV talilne vložke, desno pa PFB podstavek za vložke D02. Slika 2.1: Podstavka za varovalke: levo - nožaste PK in desno z navojem PFB Jedro taljive keramične varovalke je talilni vložek, saj prav ta ob preobremenitvi ali kratkem stiku prekine električni tokokrog. Sestavljen je iz keramične osnove, v kateri se nahaja talilni element, obdan s kremenčevim peskom. Talilni element je nato privarjen ali zatisnjen na kontakte, ki poskrbijo za stik s podstavkom varovalke. Kontakti so lahko v 3

13 obliki kapic ali nožev. Na Sliki 2.2 so iz leve proti desni prikazani talilni vložki NV1, DII, in D02. Slika 2.2: Talilni vložki: a) nožasti NV 1C, b) DII in c) D02 V nekaterih izvedenkah je poleg zgoraj opisanih elementov potrebna še kapa za privijačenje talilnega vložka v podstavek, ki zagotavlja električni kontakt med kapico talilnega vložka in odvodnim kontaktom na podstavku varovalke. Na Sliki 2.3 je prikazan prečni prerez plastičnega podstavka PFB, kjer je vidna funkcija kape. Slika 2.3: Funkcija kape 4

14 Pri izbiri taljive varovalke upoštevamo nazivni tok (I n ), nazivno napetost (U n ), nazivno izklopno zmogljivost (I 1 ) in izklopno časovno tokovno karakteristiko (t-i). Taljive varovalke ločimo glede na funkcijo delovanja in kategorijo uporabe [3, 4, 5]: Ločitev po funkcionalnem razredu: g, pri katerem taljiva varovalka ščiti po celotnem področju a, pri katerem varovalka ščiti po omejenem območju, izklaplja toke od določenega mnogokratnika nazivnega toka naprej Ločitev po uporabnosti kategoriji: G: za splošno uporabo ščitenje inštalacije M: ščitenje (varovanje) motorjev, R: za varovanje silicijevih polprevodniških elementov PV: za varovanje sončnih celic Funkcionalni razred in kategorija uporabe skupaj tvorita naslednje kombinacije oznak: gg: za splošno rabo am: za varovanje motorjev (zagonski tokovi 10 x I n ) gr in ar: za varovanje močnostnih polprevodnikov gpv, za varovanje sončnih celic Glede na konstrukcijo talilne varovalke ločimo na naslednje velikosti: D: starejša izvedba za splošno varovanje inštalacij v stanovanjskih in industrijskih zgradbah D0: novejši nadomestek D programa C: za uporabo in varovanje v industriji NV/NH: uporabljajo se v industriji in kot glavne tarifne varovalke v stanovanjskih objektih 5

15 2.1 Talilni vložek NV1 C KOMBI Tokovna zaščitna naprava mora ob napaki pravočasno izklopiti okvarjen del inštalacije. Časi odklopov pri različnih vrednostih tokov (mnogokratniki nazivnega toka) so podani tako, da je v primeru okvare odklop dovolj hiter, da se inštalacija (v nekaterih primerih tudi porabnik) ne poškoduje. Časi odklopov se nahajajo v tabeli standarda IEC Odklopna karakteristika je odvisna od celotne varovalke, najbolj pa od talilnega vložka, čigar talilni element prekine tokokrog. Talilni vložki ščitijo električno inštalacijo pred preobremenitvami in pred kratkimi stiki [3, 4]. Do preobremenitve pride, kadar na konec inštalacije priključimo premočen porabnik (ali preveč porabnikov manjših moči). Posledica preobremenitve je segrevanje vodnikov, to pa vodi v topljenje izolacije uničenje inštalacije, daljše pregrevanje pa lahko vodi tudi do požara. Za prekinitev ob preobremenitvi je odgovorna spajka, ki je nanešena na talilni element. Deluje tako, da se ob povišanju temperature na talilnem elementu začne topiti. Nanešena je v bližino oslabitev, s čimer še povišamo temperaturo talilnega elementa v okolici spajke. Ker pa spajka razjeda baker, ob dolgotrajno povišanem toku spajka razžre ves baker pod sabo in s tem prekine električni tokokrog. Kratek stik se lahko pojavi v inštalaciji (zaradi mehanske poškodbe ali pregrevanja inštalacije) ali pa zaradi napake nastane v priključeni napravi. Kratkostični tokovi so navadno zelo visoki, saj so omejeni le z upornostjo inštalacije, ki pa je zelo nizka. Pri kratkem stiku je delovanje spajke prepočasno, zato talilni element prekine s pomočjo oslabitev, na katerih se pojavi visoka gostota toka in posledično tako močno pregrevanje, da se talilni element stali zaradi visoke temperature. Na Sliki 2.4 je z modro barvo označena spajka, z rdečo pa oslabitve na talilnem elementu Slika 2.4: Oslabitve in spajka na talilnem elementu 6

16 Kontakta sta nožaste oblike in iz medenine. Zaščitena sta s srebrovo galvanizacijo. Skrbita za stik s podstavkom, saj noža potisnemo med peresi podstavka. Za talilne vložke NV 1 uporabljamo keramične podstavke PK 1 ali PK 2 ali podstavke iz umetnih mas PPNV 1. Noža sta zatisnjena na aluminijaste pokrove, ki skrbijo za mehanski stik med keramično osnovo in noži. Talilni element bakreni trak je točkovno privarjen na oba noža, v keramični osnovi pa je obsut s kremenčevim peskom, ki ob prekinitvi gasi električni oblok. Da se pesek ne more razsuti izven vložka, sta med keramično osnovo in pokrova nameščeni medlegi iz celuloznih vlaken. Oznaka KOMBI pomeni, da ima vložek dvojno indikacijo izklopa. Ena indikacija se nahaja na vrhu vložka, druga pa ob strani. Obe sta del enega mehanizma, ki je sestavljen iz indikatorske žičke, ki drži indikaciji v fiksni poziciji ob normalnem stanju in jeklene vzmeti, ki ob prekinitvi vložka (in posledično te žičke) označi vložek kot prekinjen. Vsi opisani sestavni deli so prikazani na Sliki 2.5. Kontaktni nož Vijak Pokrov Indikator prekinitve Keramična osnova Medlega Slika 2.5: Sestavni deli NV 1C talilnega vložka 7

17 3 MAGNETNO POLJE Magnetno polje, ki obkroža tokovne vodnike ali trajne magnete, vizualiziramo s pomočjo magnetnih silnic. Magnetne silnice se pojavijo v materialih, ki so izpostavljeni magnetnemu polju. V nasprotju s svetlobo, ki za vedno potuje stran od vira, se magnetne silnice vedno vrnejo k svojem viru. Zato imajo vsi magnetni viri dva pola, silnice pa izvirajo na severnem polu (north - N) in se vračajo na južni pol (south - S), kot je prikazano na Sliki 3.1. Slika 3.1: Magnetne silnice okrog trajnega magneta Ena silnica je v merskem sistemu CGS (centimeter, gram, sekunda) imenovana maxwell (Mx), ampak se pogosteje uporablja poimenovanje s SI enoto (mednarodni sistem enot) weber (Wb), ki predstavlja 10 8 silnic. Gostota magnetnega pretoka (B) je število magnetnih silnic, ki potujejo skozi določeno površino. V CGS sistemu je enota za gostoto magnetnega pretoka gauss (G), ki je definiran kot ena silnica, ki prebada 1 cm 2 veliko površino. V sistemu SI, pa tesla (T), ki je definirana kot silnic na 1 cm 2. Tako velja: 1 T = G 1G = 0,0001 T 8

18 Magnetna poljska jakost (H) je rezultat sile, ki jo povzroča tok skozi tokovodnik ali trajni magnet. V CGS sistemu se uporablja enota oersted (Oe), v sistemu SI pa se za jakost magnetnega polja uporablja enota amper na meter (A/m). Med njima velja naslednja povezava: 1 Oe = 79,6 A/m 1 A/m = 0,01256 Oe Treba je poudariti, da gostota magnetnega polja in magnetna poljska jakost nista enaki. Enaki sta le, kadar opisujemo magnetno polje v praznem prostoru. Magnetno polje se ovija okoli tokovodnika v obliki koncentričnih krogov z radijem r. Gostota magnetnega polja B je tangenta na krožnico v izbrani točki. Gostoto magnetnega polja okoli ravnega vodnika v praznem prostoru, opiše izraz (1): B I 2 r 0 0 T (1) kjer je: r - razdalja od površine vodnika Vs - indukcijska konstanta Am Ker pa zgornja enačba velja le za magnetno polje v praznem prostoru, moramo vpeljati še permeabilnost (µ), ki je lahko: µ< 1 za diamagnetne snovi (voda, baker, zrak) µ> 1 za paramagnetne snovi (aluminij, cink) µ>> 1 za feromagnetne snovi (železo) Celotni izraz za gostoto magnetnega pretoka opiše enačba (2): I B 0 = 0 T 2 B r (2) 9

19 3.1 Hallov pojav Element, s katerim lahko merimo gostoto magnetnega pretoka, imenujemo Hallov element (tudi Hallov generator). Hallov element je sestavljen iz tanke pravokotne rezine polprevodnika. Na sredino vsake ozke stranice je pritrjena žica, kot prikazuje spodnja Slika 3.2. Slika 3.2: Hallov element Na dva nasproti ležeča priključka je priključen tokovni generator, ki skozi rezino pošilja konstanten tok I c. Kadar magnetno polje ni prisotno, na stranskih priključkih ni izhodne napetosti V h. Ob prisotnosti magnetnega polja se gibanje nosilcev naboja v polprevodniku (elektroni ali vrzeli) ukrivi proti enem robu rezine. Na drugem robu rezine se zato pojavi primanjkljaj teh nosilcev naboja in pojavi se napetost (V h ), ki jo imenujemo Hallova napetost. Idealni Hallov generator ima linearno odvisno izhodno napetost v odvisnosti od števila silnic gostote magnetnega polja skozi rezino. Hallova napetost je odvisna tudi od smeri, s katero silnice prebadajo rezino, saj se ob eni smeri magnetnega polja inducira pozitivna Hallova napetost, ob drugi pa negativna. Če rezino naenkrat prebada enako število silnic v obeh smereh, bo izhodna napetost enaka nič. Ker je Hallov element občutljiv na smer magnetnega polja, je z njim mogoče meriti enosmerno in izmenično magnetno polje. 10

20 Na Hallovo napetost vpliva tudi kot, pod katerim silnice prebadajo rezino. Najvišja izhodna napetost se pojavi, kadar silnice vstopajo pravokotno na površino. V drugih primerih je izmerjena gostota magnetnega polja nižja od dejanske za cos(90 - kot prebadanja). 3.2 Hallove sonde Občutljiva površina Hallovega elementa je definirana kot največja okrogla površina na rezini polprevodnika. Ta aktivna površina ima navadno premer od 0,2 mm do 19 mm. Ker bi bil samostojen Hallov element prekrhek za uporabo, je pogosto nameščen v zaščitni cevi in opremljen s priključnim kablom. Hallova sonda ima zaradi majhnih dimenzij majhno napetost in je zato občutljiva na motnje, zato ima običajno vgrajen ojačevalnik, v nekaterih primerih pa tudi regulator za napajanje. Takšen sestav je poznan pod imenom Hallova sonda. Poznamo dve vrsti Hallovih sond, in sicer prečno (ang. transverse) in osno (ang. axial). Prečna sonda ima Hallov element nameščen na ozkem, ploščatem steblu, osna pa na valjastem. Vrsti sond se razlikujeta glede na os zaznavanja gostote magnetnega polja, razlika je prikazana na Sliki 3.3, kjer črka B in puščica označujeta smer (os) merjenja gostote magnetnega pretoka s posamezno sondo. Za vrsto sonde se odločimo na podlagi fizičnih, prostorski omejitev [2]. Slika 3.3: Prečna in osna Hallova sonda 11

21 4 MERITVE GOSTOTE MAGNETNEGA POLJA Meritve gostote magnetnega polja smo izvajali na več vzorcih varovalk NV 1C KOMBI. Namensko smo naredili dobre in slabe vzorce talilnih vložkov naslednjih nazivnih tokov: 25 A, 40 A, 50 A in 63 A. Takšne vzorce smo izbrali, ker s tem preverjamo tudi uporabnost metode na različnih tipih, saj imajo vložki 25 in 40 A drugače nameščen talilni element kot 50 in 63 A. Zaradi tega pride pri montaži tudi do drugačnih deformacij in do približevanja drugim stenam keramične osnove. Za primerjavo dobljenih meritev smo vse vzorce fotografirali s pomočjo rentgenske naprave. V Prilogi A so rentgenski posnetki vseh vzorcev. Na Sliki 4.1 sta predstavljena vzorca dobrega (a) in slabega (b) talilnega vložka 25 A (vzorca 40 A imata podoben potek talilnega elementa), na Sliki 4.2, pa oba vzorca 63 A (50 A imata podoben potek). Slika 4.1: Rentgenska slika talilnega vložka: a) dober vložek 25 A (levo) in b) slab vložek 25 A (desno) 12

22 Slika 4.2: Rentgenska slika talilnega vložka: a) dober vložek 63 A (levo), b) slab vložek 63 A (desno) Iz rentgenskih posnetkov je razvidno, da bo za naše potrebe dovolj merjenje gostote magnetnega polja v treh točkah pri vzorcih 25 in 40 A ter v šestih točkah za vzorce 50 in 63 A. Točke merjenja so prikazane na Sliki 4.3. Slika 4.3: Točke merjenja na vzorcih 13

23 4.1 Popis merilnih naprav Za opravljanje meritev smo uporabili naslednje naprave: izmenični tokovni generator DAX TR 300 enosmerni tokovni generator WURMB TFM 01 merilnik gostote magnetnega pretoka Gauss/Tesla meter Izmenični tokovni generator DAX TR 300 DAX TR 300 je računalniško voden izmenični tokovni generator. Njegov najvišji izhodni tok je 300 A, ima 12 merilnih mest za sočasno opravljanje meritev. V njegovem računalniškem vmesniku lahko nastavimo vrednost toka ter izbiramo med prednastavljenimi časovnimi profili. To pomeni, da se meritev izvaja po vnaprej določenem ciklu, z različnimi vrednostmi toka. Prikazan je na Sliki 4.4. Slika 4.4: Izmenični tokovni generator DAX TR300 14

24 Enosmerni tokovni generator WURMB TFM 01 WURMB TFM 01 je računalniško voden enosmerni tokovni generator. Generator ima 6 neodvisnih merilnih mest, kar pomeni, da lahko vsako merilno mesto zaganjamo ločeno, z različnimi tokovi in različnimi časovnimi profili. Omogoča nam tudi nalaganje lastnih časovnih profilov, za zahtevnejše meritve (Slika 4.5). Slika 4.5: Enosmerni tokovni generator WURMB TFM 01 Merilnik gostote magnetnega pretoka - Gauss/Tesla meter F. W. BELL 6010 Merilnik gostote magnetnega pretoka Gauss/Tesla meter omogoča zadrževanje vršne (minimalne ali maksimalne) vrednosti, avtomatsko nastavljanje merilnega območja, relativen način merjenja in temperaturno kompenzacijo meritve. Za komunikacijo z drugimi napravami ima analogni izhod (± 3 V, za vsako merilno območje) in RS 232 komunikacijski izhod. Merilnik je prikazan na Sliki 4.6, v Tabeli 1 pa je podanih nekaj osnovnih specifikacij [6]. 15

25 Tabela 1: Specifikacije merilnika FWB 6010 Celotno merilno območje 0,1 µt - 30 T Merilna območja* 300 µt, 3 mt, 30 mt, 300 mt, 3 T, 30 T Resolucija* 0,1 µt - 10 mt Točnost ±% Vrednosti ± Diggit DC 0,25 3 AC 1,0 3 * merilno območje in resolucija sta odvisna od priključene sonde Slika 4.6: Merilnik gostote magnetnega polja F. W. BELL

26 4.2 Opis meritev Meritve smo opravili z različnimi vzorci in pri različnih tokovnih pogojih. V tem poglavju so opisani vzorci in podrobnosti posameznih meritev. Na Sliki 4.7 je prikazan talilni vložek v PK podstavku, na preizkusni tabli tokovnega generatorja. Slika 4.7: NV 1C vstavljen v PK podstavek na poizkusni tabli Vsem meritvam je skupen postopek merjenja magnetnega pretoka. Pri meritvi moramo biti pozorni na to, da napravo pravilno nastavimo. Pravilno moramo nastaviti vrsto magnetnega polja enosmerno ali izmenično, saj je vrsta magnetnega polja odvisna od vrste toka skozi merjenec. Za meritev smo uporabili prečno (ang. transverse) sondo, ki jo moramo postaviti tako, da je njena merilna ploskev postavljena pravokotno na vzorec, saj je le tako magnetno polje pravilno izmerjeno. Ta detajl je prikazan na Sliki

27 Slika 4.8: Detajl postavitve sonde Meritve vseh vzorcev na izmeničnem generatorju S to meritvijo smo začeli testiranja. Vse vzorce smo priključili na preizkusno tablo, ki je povezana na izmenični tokovni generator DAX TR 300. Na tabli se nahaja standardna DIN 35 mm letev za testiranje stikal in ločilnikov ter PK podstavki v različnih velikostih. Uporabili smo podstavek PK 01, ki je namenjen talilnim vložkom NV 1C. Najprej preverimo, ali so vsa druga merilna mesta razklenjena nimajo priključenih vzorcev ali priključkov v kratkem stiku. Nato posamezni vzorec vstavimo v podstavek ter na tokovnem generatorju nastavimo ustrezen tok. Časovni profil nastavimo na stacionarni, saj mora za potrebe naših meritev skozi vzorce ves čas teči enak tok. Po nastavitvi vseh parametrov lahko vključimo tokovni generator. Z merilnikom FWB 6010 smo nato izmerili gostoto magnetnega polja na površini vseh vzorcev. Meritve vseh vzorcev na enosmernem generatorju Meritev smo izvedli podobno kot prejšnjo, le da smo uporabili enosmerni tokovni generator. Tudi tu smo za vsak posamezni vzorec na tokovnem generatorju najprej nastavili nazivni tok vzorca in izmerili vrednosti gostote magnetnega pretoka na površini vložkov. 18

28 Kasneje smo se odločili, da bi zaradi univerzalnosti naprave meritve na vseh vzorcih izvajali pri čim nižjem možnem toku. Zato smo vse vzorce še enkrat premerili pri toku 25 A. Morda bi lahko uporabili nižji tok, ampak z našim merilnikom nismo mogli zaznati tako majhnega magnetnega polja. Vpliv kremenčevega peska Kot gasilno sredstvo v keramičnih taljivih varovalkah se uporablja kremenčev pesek quartz ali silicijev dioksid (SiO 2 ). Ker ta material ni feromagneten, je njegova permeabilnost približno 1, kar pomeni, da ne vpliva na potek in obliko magnetnega polja. Vseeno pa smo se odločili preveriti vpliv peska na meritve. Meritev smo izvedli na enosmernem generatorju pri toku 25 A. Uporabili smo dva vzorca, in sicer dobra 25 in 63 A, ki smo ju najprej izmerili z vstavljenim kremenčevim peskom (napeskana), nato pa smo pesek stresli ven iz obeh vzorcev in ponovno opravili meritve. Raztros meritev Ker merimo na spodnji meji merilnega območja, instrument pa ima za ta primer relativno velik pogrešek, smo se odločili preveriti ustreznost (relevantnost) vseh meritev. Meritev smo izvedli tako, da smo dva vzorca (dober in slab 50 A) priključili na enosmerni tok 25 A in izvedli meritve na vseh točkah trikrat. Po treh meritvah smo na tokovnem generatorju prekinili dovajanje toka in ugasnili merilnik magnetnega pretoka (teslameter). Nato smo ga ponovno prižgali, sprožili tokovni generator in ponovno trikrat izmerili vrednosti na vseh točkah. Ko smo opravili tudi te meritve, smo spet prekinili dovod toka in ugasnili merilno napravo. Po dvajsetih minutah smo izvedli še štiri meritve v vseh točkah. Tako smo skozi cel postopek meritve dobili 10 meritev za posamezno točko na vsakem vzorcu. Meritev segrevanja Ker se bo meritev izvajala na liniji, in bo predstavljala 100 % kontrolo, je pomembno, da z našimi meritvami ne vplivamo na odklopno karakteristiko varovalke. Največji problem pri 19

29 spremembi časa odklopov bi bil, da bi spajka, ki je odločilni člen pri preobremenitvah, začela z bakrenim talilnim trakom reagirati že med kontrolo pozicije talilnega elementa. Da bi se prepričali, da spajka še ne reagira, smo na talilni element, s pomočjo temperaturno obstojnega lepilnega traku namestili termočlen, nato pa dokončno sestavili talilni vložek. Termočlen smo nato povezali z merilno kartico, ki omogoča zajem podatkov, ter opazovali, če spajka že doseže temperaturo tališča. Namestitev termočlena je prikazana na Sliki 4.9, končan talilni vložek pa na Sliki Slika 4.9: Namestitev termočlena Slika 4.10: Končan talilni vložek s termočlenom 20

30 5 RAČUNALNIŠKA SIMULACIJA Za lažje prihodnje raziskovanje smo vzporedno s prejšnjimi meritvami izvajali tudi programsko simulacijo, s katero smo se poskušali približati dejanskim rezultatom. Meritve smo simulirali s pomočjo programa COMSOL Multiphysics. 5.1 Opis simulacijskega okolja COMSOL Multiphysics Risanje geometrije Najprej smo iz 3D-knjižnice podjetja vzeli talilni element in ga ustrezno poenostavili, da smo s tem zmanjšali čase računanja v simulacijah. Po poenostavitvi smo ga uvozili simulacijski program, in dodali še druge geometrijske strukture pokrove in vijake. Kremenčevega peska nismo dodajali, saj je njegova permeabilnost 1. Definicija materialov Ko imamo postavljena vsa 3D-telesa, lahko v simulacijo uvozimo materiale, ki se nahajajo v knjižnici programa. V našem primeru smo potrebovali baker, aluminij, železo in zrak. Potem lahko vsakemu telesu ali pa preseku dveh teles, ki tvorita novo telo, definiramo enega izmed prej uvoženih materialov. Nastavitev analize Za uspešno izvedeno simulacijo moramo določiti še analizo, s pomočjo katere bo simulacijski program izvajal simulacijo. Po pregledu vseh simulacij smo se odločili za analizo mef Magnetic and electric field. Ta analiza nam med rezultati vrne tudi vrednosti gostote magnetnega polja. Za pravilno delovanje simulacije moramo nastaviti še izvor in ponor toka. Vrednost toka nastavimo na 25 A. Pomembno je tudi, da okoli jedra definiramo prostor (zrak), saj simulacija potrebuje snov, v kateri lahko računa vrednosti, ki nas zanimajo. 21

31 Predstavitev rezultatov Rezultati se pojavijo v oknu Results, kjer si moramo nastaviti način prikaza rezultatov. Izbiramo lahko med različnimi prikazi rezultatov: 3D-prikaz grafično obarvanje 3D-modela 2D-prikaz obarvanje definirane ploskve 1D-prikaz izris grafa med dvema točkama v prostoru ali izpis vrednosti določene koordinate Če uporabimo tabelarični izpis, lahko dobljene rezultate tudi izvozimo. 5.2 Izvedene simulacije Simulacija velikosti magnetnega polja na površini Simulacijo smo opravili z namenom primerjave med vrednostmi, ki jih dobimo s simulatorjem in resničnih izmerjenih vrednostih, opisanih v prejšnjih poglavjih. Na Sliki 5.1 je prikazan 3D-model za slab vložek 25 A. Slika 5.1: 3D-model v okolju COMSOL Ker smo z meritvami ugotovili, da geometrija bakrenega traku ne vpliva veliko na rezultat, smo se odločili, da bomo pri vseh simulacijah uporabljali enak talilni element, spreminjali bomo le njegovo pozicijo in ukrivljenost v talilnem vložku. 22

32 Raziskava vpliva ostalih elementov Ker je talilni vložek sestavljen iz več geometrijskih struktur iz različnih materialov, je bilo treba raziskati tudi vplive oslabitve talilnega elementa (perforacije), vpliv železnih vijakov in aluminijastih pokrovov. Simulacijo smo izvedli na slabem vzorcu 25 A. Ojačenje magnetnega polja s feromagnetnim materialom na površini Zaradi vpliva vijaka, ki smo ga spoznali v prejšnji simulaciji (rezultat je predstavljen v poglavju 6.2), smo prišli do zamisli, da bi magnetno polje ojačili na površini talilnega vložka. Po raziskavi smo ugotovili, da je magnetno polje mogoče usmeriti s pomočjo feromagnetnih materialov, in sicer po principu, da se magnetno polje, ki vstopa na veliko površino, preusmeri na malo, s tem pa dosežemo višjo gostoto magnetnega polja (enako število silnic na manjši površini). Hipotezo smo preverili s simulacijo tako, da smo na površino dodali ''merilni nož'', ki ima vhodno ploskev magnetnega polja široko 7 mm, izhodno pa 2 mm. Na Sliki 5.2 je prikazan model z merilnim nožem. Slika 5.2: Model z ''merilnim'' nožem 23

33 B [mt] 6 REZULTATI Večina rezultatov je predstavljena grafično, saj je predstavljen rezultat tako najlepše viden. Predstavljeni so le najpomembnejši rezultati, drugi se v tabelah nahajajo v Prilogi B. 6.1 Rezultati meritev Primerjava AC/DC. Najprej smo izvedli meritve vseh vzorcev na izmeničnem generatorju, rezultat obeh 25 in 60 A vzorcev je prikazan na grafih (Slika 6.1 in Slika 6.2). 0,4 0,35 0,3 0,25 AC 25 A, I=25A 0,2 0,15 0,1 Dober Slab 0, Merilna točka Slika 6.1: Gostota magnetnega polja B dobrega in slabega 25 A vzorca, pri izmeničnem toku I=25 A 24

34 B [mt] AC 63 A, I=63A 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Dober L Slab L Dober D Slab D Merilna točka Slika 6.2: Gostota magnetnega polja B dobrega in slabega vzorca 63 A pri izmeničnem toku I=63 A AC Ugotovitve: Zaznava pozicije s Hallovo sondo je možna, saj se iz potekov lepo vidi razlika med dobrim in slabim vzorcem. Vidimo, da je izmerjeni potek magnetnega polja v primeru 25 A vzorca identičen obratni vrednosti oddaljenosti talilnega elementa od stene keramične osnove. Tudi pri vzorcu 63 A je potek po obeh straneh zelo podoben dejanskemu stanju v talilnem vložku. 25

35 B [mt] Predvidevali smo, da bo stacionarno magnetno polje pri preizkusih z enosmernim tokom lepše zaznavno, kot pulzirajoče pri izmeničnem. Zato smo se odločili vse meritve ponoviti tudi z enosmernim tokovnim generatorjem. Za primerjavo je na naslednjem grafu (Slika 6.3) v prejšnjo meritev vzorcev 25 A vrisana še meritev iz enosmernega generatorja. AC/DC 25 A, I=25A 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Merilna točka AC Dober DC Dober AC Slab DC Slab Slika 6.3: Primerjava merjenja gostote magnetnega polja B z enosmernim in izmeničnim tokovnim generatorjem AC/DC na vzorcih 25 A Ugotovitve: Iz grafov je razvidno, da so vrednosti pri preizkusih z enosmernim generatorjem višje od tistih pri preizkusih z izmeničnim generatorjem. Na podlagi tega preizkusa se odločimo, da bomo v prihodnje vse preizkuse izvajali na enosmernem tokovnem generatorju. Preizkusi pri 25 A Zaradi izdelave čim bolj univerzalne naprave smo vse vzorce premerili tudi na enosmernem toku 25 A. Na grafih (Slika 6.4 in Slika 6.5) so prikazani rezultati za vzorca 40 in 63 A. 26

36 B [mt] B [mt] 40 A, I=25 A DC 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 Dober Slab 0, Merilna točka Slika 6.4: vzorca 40 A, pri I=25 A DC 63 A, I=25A DC 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Dober L Slab L Dober D Slab D Merilna točka Slika 6.5: vzorca 63 A, pri I=25 A DC 27

37 B [mt] Ugotovitve: Primerjava vložkov 40 A (pri toku 25 A) in 25 A nam pove, da dimenzija (debelina) talilnega traku ne vpliva na gostoto magnetnega polja, saj so vrednosti skoraj enake. Pri testu vzorca 63 A vidimo, da se velikost magnetnega polja zmanjša, razlike med najbolj in najmanj oddaljenimi točkami pa so podobne kot pri vzorcu 25 A. S tem ugotovimo, da je testiranje vseh vzorcev možno s tokom 25 A, ampak s tem izgubimo točnost meritve. Primerjava vrednosti meritev: o 0,34 mt (ΔB = 0,14 mt) pri 25 A o 0,88 mt (ΔB = 0,47 mt) pri 63 A Za meritve pri toku 25 A potrebujemo občutljiv merilni sistem, ki je zmožen natančno meriti vrednosti v območju od 0 mt do 0,4 mt (izmerjene vrednosti od 0,17 do 0,37) Vpliv kremenčevega peska Na spodnjih grafih (Slika 6.6 in Slika 6.7) je vidna primerjava med enakima vzorcema (dobra 25 in 63 A), v katerih je razlika le v prisotnosti kremenčevega peska. 0,4 0,35 0,3 0,25 25 A, I=25A DC 0,2 0,15 0,1 Napeskan Ne napeskan 0, Merilna točka Slika 6.6: Primerjava dobrega talilnega vložka 25 A s kremenčevim peskom (napeskan) in brez njega (ne napeskan) 28

38 B [mt] 63 A, I=25A DC 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Napeskan L Ne napeskan L Napeskan D Ne napeskan D Merilna točka Slika 6.7: Primerjava slabega talilnega vložka 63 A s kremenčevim peskom (napeskan) in brez njega (ne napeskan) Ugotovitve: Vidimo, da so izmerjene vrednosti ne napeskanih vložkov nekoliko nižje, iz česar sklepamo, da kremenčev pesek minimalno ojači magnetno polje. Pesek torej vpliva celo pozitivno, zato je preverjanje smiselno izvesti na koncu linije na istem merilnem mestu, kot se izvaja električna kontrola. Raztros meritev Vse meritve smo opravljali z merilnikom gostote magnetnega polja FWB 6010 in s prečno (ang. transverse) sondo na merilnem območju 30 mt (najmanjše možno s tem tipom sonde). Pogrešek merilnika na tem območju znaša ±(0,25 % izmerjene vrednosti + 3 digite). Meritve so bile opravljene na dobrem in slabem vložku 50 A pri toku 25 A. S podatki instrumenta lahko vse meritve izrazimo skupaj s pogreškom. Spodaj je prikazan merilni rezultat za 1. merilno točko slabega vzorca. Raztrosi pa so grafično prikazani na grafih (Slika 6.8 in Slika 6.9). B 0,36 (0,009 0,03) mt 0,36 0,039 mt 29

39 B [mt] B [mt] Dober talilni vložek 50 A 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Merilna točka Slika 6.8: Raztros meritev pri dobrem vzorcu 50 A Slab talilni vložek 50 A 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Merilna točka Slika 6.9: Raztros meritev pri slabem vzorcu 50 A Ugotovitve: Meritve odstopajo v prvem primeru za ±8%, v drugem pa za ±10%, kar ustreza pogrešku instrumenta 3 digite 30 µt je ravno 10 % povprečja naših meritev 300 µt 30

40 Temperatura [ C] Odstopanja bi bila dosti manjša z uporabo primernega merilnika z nižjim merilnim območjem okrog 1 mt z resolucijo 1µT. Temperatura na talilnem elementu Meritev temperature smo izvedli na vložku 25 A (pri toku 25 A). Čeprav temperatura v tako kratkem času, kot naj bi trajala končna meritev, ne bi smela vplivati na spajko, smo segrevanje vseeno preverili. Na grafu (Slika 6.10) so prikazani rezultati segrevanja v obdobju 5 minut Tempeatura na talilnem elementu Okolica Talilni element Čas [s] Slika 6.10: Temperatura talilnega elementa pri toku I=25 A Ugotovitve: Kot smo predvidevali, temperatura ne vpliva na taljenje spajke, saj v času 300 s (5 min) doseže komaj slabih 60 C, spajka pa se začne topiti in reagirati pri približno 200 C. 31

41 6.2 Rezultati simulacij Simulacija velikosti magnetnega polja na površini Na prvih dveh grafih (Slika 6.11 in Slika 6.12) sta prikazana poteka pri modelih 25 A direktno iz simulacije, na naslednjem (Slika 6.13), pa je v dejanski graf slabega vzorca 63 A vrisan še dodatni graf simulacije s slabim modelom 63 A. Slika 6.11: Simulacija dobrega modela 25 A Slika 6.12: Simulacija slabega modela 25 A 32

42 B [mt] Slab 63 A (meritev / simulacija) 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 Simulacija Meritev 0, Merilna točka Slika 6.13: Primerjava meritev in simulacije vzorca 63 A Ugotovitve: Rezultati so po obliki primerljivi z resnično izmerjenimi. Vzrok za razlike v vrednostih je lahko razlika med modelom in resničnim talilnim elementom ali pa razlika v oddaljenosti točke merjenja/simulacije od talilnega elementa. Raziskava vpliva drugih elementov Spodaj so prikazani rezultati simulacije vpliva drugih elementov (Slika 6.14, Slika 6.15 in Slika 6.16). Slika 6.14: Desno: oblika magnetnega polja pri polnem talilnem elementu in levo: oblika polja pri oslabitvah 33

43 Slika 6.15: Vpliv vijaka na magnetno polje Slika 6.16: Vpliv pokrova na magnetno polje Ugotovitve: Perforacija (Slika 6.14) vpliva na magnetno polje v okolici luknjic, na oddaljenosti kjer merimo magnetno polje (minimalno 7 mm) pa nima vpliva. Vijak (Slika 6.15) popači magnetno polje v svoji okolici, zato moramo biti previdni, da meritev ne izvajamo preblizu vijaka. Aluminijast pokrov (Slika 6.16) nima vpliva na magnetno polje. Zaradi vpliva vijaka pridemo do zamisli, da bi polje na površini ojačili s feromagnetnim materialom. 34

44 Ojačenje magnetnega polja s feromagnetnim materialom na površini Najprej je prikazano magnetno polje, ki ga merilni nož ojači na njegovem izhodu (Slika 6.17). Potem pa sledijo še rezultati simulacije slabega modela 25 A z merilnim nožem (Slika 6.18). Slika 6.17: Prikaz delovanja merilnega noža Slika 6.18: Simulacija slabega modela 25 A, z merilnim nožem Ugotovitve: Magnetno polje se v nožu prenese in zgosti, kot je bilo predvideno. 35

45 Magnetno polje merimo ob nožu (ne v njem), torej merimo le izsevano polje, iz grafa pa je vidno, da smo v meritev vnesli tudi veliko šuma. Razlike med maksimalno in minimalno vrednostjo so enake kot brez noža (približno 0,10 mt), poveča se le ''enosmerna komponenta'', zato v meritev vnesemo le offset vrednost, ne pa tudi povečanja razlike. Opustimo namero po takšnem ojačenju magnetnega polja, saj k meritvi ne doprinese pozitivnih lastnosti. 36

46 7 PREDLOG REŠITVE Merilnik lahko realiziramo na dva načina. Prvi je s pomočjo laboratorijskega merilnika s serijsko komunikacijo za povezavo na računalniško voden sistem ali z uporabo analognega izhoda. Drugi način je s pomočjo namensko izdelane Hallove sonde, ki jo lahko direktno priključimo na PLC-krmilnik, oziroma drug računalniški nadzorni sistem. 7.1 Rešitev z laboratorijskim merilnikom Če bi želeli merilno mesto izvesti s pomočjo laboratorijskega merilnika magnetnega pretoka, bi potrebovali merilnik z nižjim merilnim območjem oziroma bolj občutljivo sondo, kot smo jo uporabili v naših merilnikih. Sonde za merjenje nizkih vrednosti gostote magnetnega pretoka pa za merilnik obstajajo le v dimenzijah z veliko aktivno površino in so neprimerne za točkovno merjenje, kakršnega potrebujemo za izvedbo merilnega mesta. Zato potrebujemo merilnik, ki bo z ustrezno majhno sondo sposoben natančno meriti gostote magnetnega pretoka velikosti do 500 µt. V Tabeli 2 je vidna primerjava merilnih območij med obstoječim merilnikom in boljšimi alternativami [6, 7]. Tabela 2: Primerjava merilnikov gostote magnetnega pretoka Obstoječi merilnik Alternativa F. W. BELL 6010 BaringonInstruments MAG - 01H Hallova sonda HTD (standardna, dosedanja) MOW (Low Field) MAG E Probe Aktivna površina sonde Uporabljeno merilno območje Φ1,8mm 150 x 6mm Φ8,1 x 25mm 30 mt; resolucija 10 µt 3 mt; resolucija 1µT 1 mt; resolucija 10 nt 37

47 Vidimo, da bi lahko z uporabo druge sonde ali merilnika, dobili veliko točnejše rezultate, saj najvplivnejši pogrešek zadnje cifre premaknemo na območje 1 µt (v primeru druge sonde) oziroma na 10 nt (v primeru drugega merilnika in sonde). Problem obeh alternativ je, da so sonde večjih dimenzij in z njimi polja ne moremo meriti tako točkovno, kot smo to lahko storili s sondo HTD V primeru, da bi izvedli preklapljanje merilnih sond na enem merilniku, bi za statično merilno postajo potrebovali 3 sonde za merjenje vložkov 25 in 40 A ter 6 sond za merjenje vložkov 50 in 63 A. Na spodnji shemi (Slika 7.1) je prikazan takšen merilni sistem za talilne vložke 25 oziroma 40 A [1]. Slika 7.1: Blokovna shema merilne postaje Potek meritve: Ko talilni vložek pride na merilno postajo, se na kontaktne nože priključijo sponke, nato pa se vključi tokovni generator (s tokom 25A). Zatem se najprej odčita vrednost prvega senzorja in se zapiše v pomnilnik, nato pa izbiralnik (multiplekser) preklopi in izvede meritev še z drugim in tretjim senzorjem. Po končanih meritvah se generator izklopi, medtem pa se vsi zajeti podatki primerjajo z referenčnimi in v primeru, da je vložek slab, se ga izvrže. Podatki se tudi zapišejo v bazo podatkov. Merilno mesto je za tem pripravljeno na sprejem novega vložka. 38

48 Če bi meritev želeli izvesti le z eno Hallovo sondo, bi bilo treba med meritvijo premikati talilni vložek ali Hallovo sondo. Izvedba takšnega merilnega mesta bi bila tehnološko zahtevnejša, bi pa omogočala tudi zvezno zajemanje podatkov vzdolž talilnega vložka, s tem pa bi dobili točen potek talilnega elementa (ne le v treh točkah). 7.2 Namensko izdelana Hallova sonda Prej smo uporabljali laboratorijske merilnike in njihove merilne sonde. Opomnili pa smo tudi na pomanjkljivost, in sicer je dosedanja sonda premalo občutljiva, občutljivejše pa imajo večjo (preveliko) aktivno površino. Zato predlagamo izdelavo namenske Hallove sonde za direktno priključitev na analogni vhod PLC krmilnika. Za Hallov senzor smo si izbrali čip DRV5053 VA. Izsek iz tehničnega lista se nahaja v Prilogi C, v Tabeli 3 pa je navedenih nekaj ključnih podatkov [8]. Tabela 3: Ključni parametri senzorja DRV5053 VA Parameter MIN TYP MAX Enota V CC Napajalna napetost 2,5 38 V V OUT Izhodna napetost 0 2 V V Q Izhod v mirovanju (B=0 mt) 0,9 1,02 1,15 V V OUT MIN Nasičenje izhoda (min) 0,2 V V OUT MAX Nasičenje izhoda (max) 1,8 V S Občutljivost mv/mt B SAT Nasičenje B 9 mt Ker merimo enosmerno magnetno polje, lahko z dodatnim RC-filtrom na izhodu zmanjšamo šum, saj ne potrebujemo visoke pasovne širine merjenja. Ob izbiri upora lahko kondenzator izračunamo iz izraza (3) f CUTOFF 1 2 R C, (3) ali pa izberemo kakšno od kombinacij napisanih v podatkovnem listu. Da bi še dodatno povečali občutljivost, bomo v naši sondi uporabili dva senzorja, izkoristili pa lastnost, da so občutljivi na smer magnetnega polja. Namestili jih bomo tako, da bosta 39

49 merila vrednost gostote magnetnega pretoka v isti točki, le z drugačno usmerjenostjo eden bo meril polje v negativni, drug pa v pozitivni smeri. S tem bomo pridobili dvojno občutljivost na spremembe magnetnega polja. Zamisel je grafično predstavljena na spodnjem grafu (Slika 7.2). Slika 7.2: Napetosti na izhodu senzorjev Standardni analogni vhod PLC-krmilnika ima vhodno vrednost napetosti 0 10 V, zato moramo izhodno napetost senzorjev ojačiti na to vrednost. Torej potrebujemo napetostni ojačevalnik z ojačenjem A U = 140. To bomo storili s pomočjo kvalitetnega instrumentacijskega ojačevalnika, saj imamo opravka z majhnimi signali in v njih ne želimo vnašati dodatnega šuma. Odločimo se za instrumentacijski ojačevalnik INA 128 (deli tehničnega lista se nahajajo v Prilogi C). Ker potrebujemo na izhodu napetost 10 V, se odločimo za napajanje ± 12 V. izračunamo iz enačbe (4) [9]: Potreben upor R G, s katerim določimo ojačenje, 50 k 50 k G 1 => RG R G 1 G. (4) 40

50 Shema celotne sonde je prikazana na Sliki 7.3. Vse elemente smo določili na podlagi naših zahtev in informacij, ki so dostopne v podatkovnih listih. Vrednosti elementov so podane v Tabeli 4 [1]. Slika 7.3: Shema namensko izdelane Hallove sonde Tabela 4: Seznam uporabljenih elementov Element Vrednost DRV 5053 VA INA 128 IC1 Upor R1, R2 7,5 kω Potenciometer P1 1kΩ Kondenzator C1 C6 0,1 µf Sistem ostane podoben kot na sliki v prvi rešitvi (Slika 7.1), le, da lahko sedaj Hallovo sondo (ali več sond) priključimo neposredno na PLC-krmilnik, brez vmesnega multiplekserja in laboratorijskega merilnika. 41

51 8 SKLEP V diplomskem delu smo raziskovali možnost uporabe Hallove sonde kot način zaznave pozicije talilnega elementa v keramičnem talilnem vložku. Namen raziskave je bil odpraviti vzorčno rentgensko preverjanje in uvesti 100 % cenovno ugodno kontrolo. 100 % kontrola s pomočjo rentgenske naprave bi stala preveč, zato smo se odločili raziskati možnost preverjanja s Hallovo sondo. Kot kažejo rezultati, je zaznavanje na vložkih NV 1C možno izvesti. Iz grafičnih rezultatov vidimo, da že iz treh merilnih točk (šestih v primeru višjih nazivnih tokov), dobimo približen potek talilnega elementa. Če bi meritve izvedli v več točkah ali celo z zveznim potekom sonde po površini vložka, bi bilo tako mogoče dobiti popoln posnetek poteka. Da bi lahko izdelali zanesljivo napravo, ki ne bo povzročala izmeta slabih vložkov, še pomembneje pa, ki skozi kontrolo ne bi spuščala slabih, bo treba dobiti natančnejši merilnik, kot smo ga uporabili za potrebe raziskave. Ker je rešitev z izdelavo lastnih, namenskih Hallovih sond veliko cenejša, bi bilo smiselno izdelati merilno postajo iz teh sond. Da bo naprava čim učinkovitejša, bo treba izvesti količinsko meritev vzorcev iz serijske proizvodnje in jih vse pregledati z rentgensko napravo. Tako dobljene podatke bo treba obdelati in določiti mejo med dobrimi in slabimi vložki. Pametno bi bilo meritve tudi obtežiti po sistemu, da bi meritev, kjer je večja verjetnost, da se talilni element dotika stene, imela večjo vrednost pri končnem preračunu ali je vložek dober ali slab. Če se bo sistem z namensko izdelanimi sondami izkazal kot zanesljiv in natančen, ga ne bo težko prenesti tudi na druge linije keramičnih varovalk. Uporabljal se bo lahko tudi pri talilnih vložkih, ki imajo več talilnih elementov ob različnih stenah. Pri takšnih, ki imajo talilne elemente nameščene enega poleg drugega, bi bile potrebne dodatne raziskave medsebojnega vpliva talilnih elementov. 42

52 VIRI [1] Solar M., Meritve v elektroniki. Maribor: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru, 2001 [2] Ramsden E., Hall-Effect Sensors: Theory and Applications. ZDA: Elsevierinc., 2006 [3] IEC : Standard s splošnimi zahtevami za nizkonapetostne varovalke. IEC, 2006 [4] IEC : Dodatne zahteve k standardu, za varovalke, ki se jih poslužujejo le strokovno usposobljene osebe. IEC, 2013 [5] Spletna stran podjetja ETI d. d. Dostopno na: [ ] [6] F. W. BELL. Model 6010 Hall Effect Gaussmeter, Marec Podatkovni list in navodila merilnika F. W. BELL 6010 Dostopno na: [ ] [7] Bartingon Instruments. Mag-01 & Mag-01H Single Axis Fluxgate Magnetometers, Podatkovni list merilnika Bartington MAG-01H Dostopno na: DS-Mag-01H%20DS0003.pdf [ ] [8] Texas Instruments. DRV5053 Analog-Bipolar Hall Effect Sensor, December Podatkovni list senzorja DRV 5053 Dostopno na: [ ] [9] Texas Instruments. INA12x Precision, Low Power Instrumentation Amplifiers, Oktober Podatkovni list instrumentacijskega ojačevalnika INA 128 Dostopno na: [ ] 43

53 PRILOGA A V tej prilogi se nahajajo vsi rentgenski posnetki vzorcev talilnih vložkov. Dober 25 A Slab 25 A Dober 40 A Slab 40 A 44

54 Dober 50 A Slab 50 A Dober 63 A Slab 63 A 45

55 PRILOGA B V tej prilogi se nahajajo vsi rezultati meritev magnetnega pretoka z enosmernim in izmeničnim tokom. Meritve gostote magnetnega pretoka pri nazivnem toku. I = I nazivni Gostota magnetnega pretoka [mt] 25A Dober Slab AC DC AC DC 1 0,18 0,23 0,27 0,33 2 0,19 0,24 0,34 0,40 3 0,22 0,27 0,27 0,33 40A Dober Slab AC DC AC DC 1 0,29 0,33 0,39 0,43 2 0,36 0,45 0,54 0,60 3 0,36 0,45 0,44 0,50 50A Dober Slab AC DC AC DC 1 0,51 0,55 0,39 0,45 2 0,49 0,53 0,36 0,39 3 0,41 0,5 0,35 0,43 4 0,30 0,52 0,39 0,61 5 0,34 0,52 0,49 0,68 6 0,38 0,56 0,47 0,69 63A Dober Slab AC DC AC DC 1 0,62 0,75 0,51 0,58 2 0,61 0,7 0,45 0,54 3 0,51 0,62 0,41 0,51 4 0,41 0,62 0,52 0,75 5 0,46 0,65 0,68 0,87 6 0,41 0,7 0,66 0,88 46

56 Meritve opravljene pri enosmernem toku 25 A. I = 25 A DC Gostota magnetnega pretoka [mt] 25A Dober Slab 1 0,18 0,28 2 0,2 0,35 3 0,23 0,27 40A Dober Slab 1 0,17 0,24 2 0,22 0,34 3 0,21 0,28 50A Dober Slab 1 0,3 0,25 2 0,26 0,2 3 0,27 0,22 4 0,24 0,3 5 0,24 0,33 6 0,27 0,33 60A Dober Slab 1 0,3 0,23 2 0,25 0,2 3 0,23 0,2 4 0,24 0,29 5 0,23 0,34 6 0,23 0,34 Meritve napeskanih in ne napeskanih vzorcev 63 A Napeskan L Ne napeskan L 1 0,28 0,25 2 0,24 0,22 3 0,23 0,19 Napeskan D Ne napeskan D 4 0,24 0,27 5 0,23 0,25 6 0,23 0,28 25 A Napeskan Ne napeskan 1 0,18 0,17 2 0,2 0,19 3 0,23 0,22 47

57 Raztros meritev dobra, 50 A [pri 25A] Desno Mag polje [mt] Levo Vzorec ,29 0,25 0,24 0,33 0,30 0,31 2 0,31 0,30 0,28 0,33 0,31 0,35 3 0,34 0,30 0,29 0,33 0,30 0,31 4 0,28 0,25 0,24 0,31 0,29 0,31 5 0,34 0,30 0,29 0,30 0,31 0,34 6 0,33 0,30 0,27 0,33 0,30 0,34 7 0,27 0,24 0,22 0,33 0,29 0,31 8 0,28 0,25 0,23 0,33 0,31 0,35 9 0,28 0,27 0,24 0,33 0,31 0, ,30 0,28 0,25 0,34 0,33 0,35 Povprečje 0,302 0,274 0,255 0,326 0,305 0,332 Max odklon + 0,038 0,026 0,035 0,014 0,025 0,018 Max odklon - 0,032 0,034 0,035 0,026 0,015 0,022 slaba, 50 A [pri 25 A] Mag polje [mt] Desno Levo Vzorec ,22 0,19 0,19 0,34 0,36 0,36 2 0,22 0,19 0,19 0,34 0,36 0,38 3 0,22 0,20 0,20 0,36 0,38 0,38 4 0,25 0,20 0,20 0,35 0,39 0,39 5 0,25 0,22 0,23 0,34 0,38 0,39 6 0,25 0,20 0,22 0,37 0,39 0,39 7 0,24 0,21 0,21 0,36 0,38 0,39 8 0,23 0,20 0,22 0,33 0,35 0,36 9 0,24 0,22 0,23 0,35 0,36 0, ,25 0,23 0,24 0,34 0,36 0,36 Povprečje 0,24 0,21 0,21 0,35 0,37 0,38 Max odklon + 0,013 0,024 0,027 0,022 0,019 0,012 Max odklon - 0,017 0,016 0,023 0,018 0,021 0,018 48

58 PRILOGA C V tej prilogi sta izseka podatkovnih listov za senzor DRV 5053 in instrumentacijski ojačevalnik INA 128. DRV 5053: 49

59 50

60 INA