Tomasz Jarek, Adam Decner, Marcin Barański, Filip Pindych

Streszczenie: W artykule przedstawiono założenia projektowe przyrządu przeznaczonego do precyzyjnego wyznaczania rozkładu przestrzennego indukcji magnetycznej. Opisano zasadę działania urządzenia, opartą na wykorzystaniu precyzyjnego czujnika Halla umożliwiającego pomiar indukcji magnetycznej w 3 osiach. Przedstawiono również konstrukcję mechaniczną i elektroniczną prototypowego urządzenia, w tym system pozycjonowania w przestrzeni pomiarowej.

1. Wstęp

Pole magnetyczne jest jednym z fundamentalnych zjawisk fizycznych, które jest wykorzystywane w nauce i technice. Jego precyzyjne charakteryzowanie jest kluczowe dla rozwoju nowoczesnych urządzeń elektromagnetycznych, takich jak silniki, generatory czy czujniki. Pomiar przestrzennego rozkładu indukcji magnetycznej pozwala na lepsze zrozumienie procesów zachodzących w projektowanych urządzeniach oraz na optymalizację ich konstrukcji. W praktyce jednak dokładne wyznaczenie trójwymiarowego rozkładu pola magnetycznego stanowi wyzwanie ze względu na złożoność samego pola oraz ograniczenia techniczne stosowanych czujników. Jednym z popularnych i prostych sposobów zobrazowania rozkładu pola magnetycznego jest wykorzystanie charakterystycznej zielonej półprzezroczystej folii (ang. Green Film). Pokryta jest ona mikrokapsułkami zawierającymi płatki niklu zawieszone w oleju. Różne ułożenie tych płatków pod wpływem pola magnetycznego sprawia, że folia zmienia kolor i w ten sposób można zobaczyć kształt i rozmieszczenie pola magnetycznego. Ciemne obszary wskazują na biegun magnetyczny, a jasne linie oznaczają linię graniczną między przeciwnymi biegunami. Metoda ta posłużyć może jedynie do szybkiej kontroli rozkładu pola w wybranej płaszczyźnie ale nie dostarcza informacji o wartościach indukcji magnetycznej. Przykładowy obraz wymuszony na wspomnianej zielonej folii pod wpływem przyłożonego magnesu pokazano na rysunku 1.

W artykule przedstawiono projekt i budowę specjalistycznego przyrządu pomiarowego, który umożliwia precyzyjne określenie wartości indukcji magnetycznej w trzech osiach przestrzeni. Kluczowym elementem urządzenia jest czujnik Halla, charakteryzujący się wysoką czułością i stabilnością pomiarową. Ponadto, opracowano system pozycjonowania, który umożliwia dokładne przemieszczanie czujnika w przestrzeni pomiarowej, co jest niezbędne do uzyskania pełnego rozkładu indukcji magnetycznej. Konstrukcja mechaniczna i elektroniczna prototypu została zaprojektowana z myślą o wysokiej precyzji i powtarzalności pomiarów. Dzięki temu urządzeniu możliwe jest nie tylko badanie istniejących konstrukcji, ale także wspieranie procesu projektowania nowych rozwiązań elektromagnetycznych. Artykuł ma na celu zaprezentowanie kompleksowego podejścia do problemu pomiaru pola magnetycznego w trzech wymiarach oraz ukazanie potencjału zastosowań opracowanego systemu. W dalszej części pracy omówione zostaną szczegóły konstrukcyjne, zasada działania oraz przykłady zastosowań pomiarowych. Zaprezentowane rozwiązania mogą znaleźć zastosowanie w laboratoriach badawczych, przemysłowych systemach diagnostycznych oraz edukacji technicznej. Niewątpliwy potencjał zastosowania proponowanego urządzenia pomiarowego można wykazać w badaniach maszyn elektrycznych, w tym w szczególności w pomiarach kontrolnych i diagnostycznych wirników z magnesami trwałymi. Zastosowanie magnesów trwałych w maszynach elektrycznych korzystnie wpływa na sprawność i gęstość mocy, lecz niestety elementy te są podatne na demagnetyzację pod wpływem wysokiej temperatury. Taki stan może być źródłem pogorszenia parametrów maszyny oraz przyczyniać się do nadmiernych drgań maszyny.

2. Zasada działania

Zgodnie z założeniami, urządzenie do pomiarowego wyznaczania przestrzennego rozkładu indukcji magnetycznej będzie wykorzystywać precyzyjny czujnik Halla, który mierzy indukcję magnetyczną w trzech ortogonalnych osiach (X, Y, Z). Czujnik Halla działa na zasadzie efektu Halla, czyli powstawania napięcia proporcjonalnego do indukcji magnetycznej. W proponowanym urządzeniu można umieścić trzy takie czujniki lub zintegrowany trójosiowy sensor, co pozwala na jednoczesny pomiar trzech składowych wektora indukcji magnetycznej. Na rysunku 2 pokazano trójosiowy czujnik ilustrujący kierunki pomiaru indukcji.

W opracowanej koncepcji czujnik jest przemieszczany nad powierzchnią badanego elementu zatrzymując się w zdefiniowanych przez użytkownika punktach przestrzeni pomiarowej, co umożliwia rejestrację wartości indukcji. W ten sposób uzyskuje się dane o trójwymiarowym rozkładzie pola magnetycznego. Pozycjonowanie czujnika w przestrzeni odbywa się za pomocą układu mechanicznego, który precyzyjnie przesuwa sondę w osiach X, Y i Z. Dzięki temu można dokładnie określić miejsce pomiaru i powiązać je z wartością indukcji magnetycznej. Zebrane dane są wizualizowane w formie trójwymiarowego obrazu pola magnetycznego, co pozwala na analizę rozkładu i natężenia pola nad powierzchnią magnesu. Cały system zapewnia izolację galwaniczną i wysoką czułość pomiarów, dzięki czemu pomiary są precyzyjne i stabilne. Wykorzystanie trójosiowego czujnika Halla eliminuje konieczność ręcznej zmiany pozycji sondy, co zwiększa szybkość i dokładność pomiarów. System elektroniczny automatycznie kalibruje i przelicza sygnały na wartości indukcji magnetycznej, umożliwiając łatwą interpretację wyników.

3. Model urządzenia

Modelowe urządzenie do pomiaru przestrzennego rozkładu indukcji magnetycznej zostało zbudowane w oparciu o elementy wykorzystywane m.in. w obrabiarkach CNC oraz drukarkach 3D. Konstrukcja mechaniczna opiera się na stole roboczym, na którym umieszcza się badany obiekt magnetyczny. W przestrzeni wokół obiektu przemieszczana jest głowica pomiarowa z zainstalowanym czujnikiem pola. Do pozycjonowania czujnika Halla zastosowano precyzyjne silniki krokowe, bezluzowe elementy prowadzące i śruby kulowe, co zapewnia wysoką dokładność i powtarzalność ruchu. Na rysunku 3 pokazano model urządzenia z zainstalowaną jednoosiową sondę do pomiaru indukcji magnetycznej oraz aparaturę pomiarową.

Według koncepcji elektronika pomiarowa urządzenia składa się z precyzyjnego trójosiowego czujnika Halla wraz z układem kondycjonowania sygnałów pomiarowych oraz przetworników analogowo-cyfrowych. Obudowa urządzenia została zaprojektowana tak, aby minimalizować wpływ zewnętrznych zakłóceń magnetycznych i mechanicznych. Układ sterowania będzie umożliwiać zaprogramowanie trajektorii ruchu sondy oraz precyzyjne ustawianie prędkości i pozycji. Do tego celu posłuży autorska aplikacja wykorzystująca środowisko programistyczne NI LabView, która pełniąc rolę nadrzędną będzie kontrolować zarówno ruch głowicy jak i pracą czujnika pomiarowego.

4. Sterowanie

Jak wspomniano wcześniej, ideą przedstawianego urządzenia jest pomiar indukcji magnetycznej w określonych punktach przestrzeni pomiarowej. Na etapie projektowania zdecydowano się na wykorzystanie kartezjańskiej trajektorii ruchu. Schemat ideowy koncepcyjnego urządzenia pomiarowego przedstawiono na rysunku 4. Za precyzyjne pozycjonowanie głowicy pomiarowej w trzech osiach odpowiadają 4 silniki krokowe o wielkości NEMA17: po jednym w osi X (poz. 5) i Z (poz. 6) oraz dwa odpowiadające za ruch w osi Y (poz. 7 i 8). Na końcach każdej z prowadnic napędzanej silnikiem krokowym zainstalowano wyłączniki krańcowe (poz. 10-17), mające za zadanie ograniczenie maksymalnego zakresu ruchu. Uzwojenia dwufazowych silników krokowych (1A-1B, 2A-2B) zasilane są odpowiednio wygenerowanymi przez dedykowane sterowniki A4988 (poz. 2-3) sekwencjami impulsów prądowych. Możliwość regulacji prądu sterownika do wartości 2 A oraz opcja pracy silnika w pięciu trybach pracy: od pełnego kroku aż do 1/16 kroku przekładają się na szybkie i precyzyjne pozycjonowanie głowicy. Każdy ze sterowników jest niezależnie wyzwalany przez sygnały sterujące (STEP i DIR). Kluczowym elementem całego urządzenia jest wysokiej klasy trójosiowy czujnik pola magnetycznego MV2 (poz. 9). Czujnik zamknięty jest w niemagnetycznej obudowie o QFN o rozmiarach 3,0 × 3,0 × 0,9 mm i przeznaczony jest do wlutowania na płytkę PCB. Dzięki wysokiej rozdzielczości pomiarowej (od 14 do 16 bitów), konfigurowalnemu zakresowi pomiarowemu (od ±100 mT do ±3 T) oraz wyjątkowo małych rozmiarach ustroju pomiarowego (200 × 200 × 5 µm), zastosowany czujnik pola umożliwia na precyzyjne określenie wartości indukcji w Kartezjańskim układzie współrzędnych w przestrzeni trójwymiarowej. Dwukierunkowa komunikacja z czujnikiem pola magnetycznego realizowana jest przez szeregowy interfejs SPI (linie SCLK, MOSI, MISO oraz SS). Elementem centralnym, którego zadaniem jest zarówno odpowiednie wypracowanie sygnałów sterujących jak i komunikacja z czujnikiem pola magnetycznego jest 32-bitowy mikrokontroler LPC1768 opartym na rdzeniu Cortex M3 (poz. 1). Wygodna i szybka komunikacja pomiędzy mikrokontrolerem urządzenia pomiarowego a komputerem z zainstalowaną dedykowaną aplikacją do obsługi urządzenia realizowana jest przez natywnie zaimplementowaną w mikrokontrolerze magistralę szeregową USB. Elementy wykonawcze (silniki oraz sterowniki) zasilane są napięciem 24 V, natomiast elektronika napięciem 3,3 V. Przedstawiony na rysunku 3 schemat uwzględnia kluczowe dla układu sterownika elementy oraz ich wzajemne połączenia. Dla zachowania czytelności diagramu pominięto m.in. elementy zasilania oraz konwersji napięcia.

5. Aplikacja pomiarowa

Opracowywana aplikacja pomiarowa wykonana w środowisku NI LabView będzie służyć do precyzyjnego pomiaru indukcji magnetycznej oraz sterowania urządzeniem pozycjonującym czujnik w obszarze pomiarowym. Na przykładowym panelu frontowym (rys. 5) użytkownik ma dostęp do intuicyjnego interfejsu, który umożliwia konfigurację parametrów pomiaru oraz kontrolę ruchu czujnika nad powierzchnią pomiarową. Aplikacja będzie pozwala na jednoczesny odczyt sygnałów z trójosiowego czujnika Halla (obecnie jest to oś prostopadła do powierzchni magnesu), co umożliwia dokładne odwzorowanie rozkładu pola magnetycznego. Na rysunku 6 pokazano diagram przykładowej aplikacji.

Na etapie redakcji publikacji wyniki prezentowane są na ekranie jedynie w formie liczbowej i tylko w kierunku prostopadłym do powierzchni magnesu oraz zapisywane do pliku w postaci tekstowej. Docelowo, oprócz możliwości ukształtowania trajektorii ruchu głowicy pomiarowej aplikacja umożliwiać będzie akwizycję oraz prezentację zarówno w formie tabelarycznej jak i graficznej, wyników pomiarów indukcji magnetycznej. Aplikacja oferuje możliwość zapisu danych pomiarowych do plików oraz będzie umożliwiała generowanie raportów, co usprawni dokumentowanie przebiegu pomiarów i późniejszą analizę wyników. Moduł sterowania ruchem zawiera funkcje kalibracji i ustawiania punktów odniesienia, co zwiększa dokładność pozycjonowania. Program umożliwia także ręczne i automatyczne sterowanie, co daje użytkownikowi elastyczność w prowadzeniu pomiarów. Dzięki graficznemu środowisku NI LabView programowanie i modyfikacja aplikacji jest szybkie i intuicyjne, co pozwala na łatwe dostosowanie do różnych wymagań badawczych.

Całość systemu tworzy zintegrowane stanowisko pomiarowe, które łączy precyzyjne pomiary magnetyczne z zaawansowanym sterowaniem ruchem, podnosząc efektywność i dokładność badań pola magnetycznego.

6. Wyniki pomiarów

Przykładową trajektorię, objaśniającą zasadę przeprowadzania pomiarów, po której będzie poruszał się czujnik pokazano na rysunku 7. Na rysunku 8 pokazano wynik pomiarów symulacyjnych, które zostały wykonane na powierzchni magnesu neodymowego o wymiarach 30 × 20 × 5 mm, w osi prostopadłej do powierzchni magnesu.

7. Podsumowanie

Dzięki zastosowaniu aluminiowych elementów układu pozycjonowania, konstrukcja jest solidna, stabilna i ekonomiczna. Model umożliwia szybkie i dokładne pomiary w zdefiniowanej przestrzeni, co pozwala na zobrazowanie trójwymiarowego rozkładu indukcji magnetycznej.

Sygnały mogą być przesyłane do komputera, gdzie będzie odbywać się ich rejestracja, dalsza analiza i archiwizacja. Cały system sterowania i pomiaru będzie zsynchronizowany, co pozwali na automatyczne wykonywanie pomiarów w wielu punktach bez konieczności ręcznej ingerencji.

Środowisko NI LabView pozwala na synchronizację ruchu mechanicznego urządzenia z pomiarami, co jest kluczowe do uzyskania dokładnego rozkładu pola magnetycznego w przestrzeni. NI LabView wspiera komunikację z popularnymi kontrolerami oraz interfejsami pomiarowymi, co ułatwia integrację z istniejącym sprzętem.

Literatura

1. Piłat A.: Zrobotyzowane stanowisko do badania pola magnetycznego. Pomiary Automatyka Robotyka, 11/2009, s. 18–21.
2. Kupiec E., Przyborowski W.: Metoda wyznaczania i analiza rozkładu indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego liniowego. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 100/2013 cz. II, s. 121–126.
3. Strączyński P., Różowicz S., Goryca Z., Baran K.: Wyznaczanie parametrów elektromagnetycznych silnika PMDC z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 101 NR 1/2025, s. 33–36.
4. Kamiński G., Biernat A., Szczypior J.: Metoda pomiaru rozkładu przestrzennego wartości chwilowej indukcji magnetycznej w szczelinie maszyn elektrycznych. Przegląd Elektrotechniczny vol. 58 z. 8–9, 1982, s. 210–213.
5. Hallman D., Jankowski P.: Przykłady obliczeń wolnozmiennych pól magnetycznych w środowisku Ansys-Maxwell, Akademia Morska w Gdyni, 2016.

Tomasz Jarek, Adam Decner, Marcin Barański, Filip Pindych – Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny