تأثير التوزيع التحليلي لمستشعرات المجال المغناطيسي

بالعادة يتم تقديم نموذج تحليلي للمجال المغناطيسي لجهاز الاستشعار ثنائي النواة في الأصل، بحيث يساعد في توضيح أهمية النواة الداخلية في تصفية الضوضاء وتقليل تأثير تشغيل النظام وتحديد موضع الكابل، وبعد ذلك؛ فإنه يتم فحص إجراء تصميم شامل بشكل كامل عن طريق اختيار الموضع الأمثل والنهج الأمثل لاكتشاف المجال المغناطيسي.

أهمية تأثير التوزيع التحليلي لمستشعرات المجال المغناطيسي

على الأغلب ومن خلال التجارب؛ فإنه تم تقديم النموذج التحليلي لتوزيع المجال المغناطيسي للمستشعر ثنائي النواة على افتراضات مثالية، ولكن بالنسبة للتنفيذ الميداني؛ تخضع دقة وحساسية قياس (DM) لعدة عوامل تشغيل، أولاً يعمل نظام الطاقة بعامل طاقة متغير وحالة تحميل وثانياً ربما توجد بعض العيوب في عملية التصنيع والتركيب.

آثار اختلافات المرحلة التحليلية بين التيارات الكهربائية

يعطي الشكل التالي (1) مخطط الطور للمتغيرات عند تردد الطاقة؛ فإنه يوجد فرق طور في زاوية فقد العازل (δ) بين جهد التشغيل (U) وتيار التسرب (Ileak)، بحيث يؤدي هشاشة العزل إلى صعود بطيء جداً بمقدار يتراوح في درجات قليلة، وعلى النقيض من ذلك قد يتغير اختلاف الطور بين (U) وتيار الحمل الكهربائي (Iload)، وهو المعرف بزاوية عامل القدرة (γ)، بشكل كبير بسبب تقلب تشغيل نظام الطاقة، ونتيجة لذلك؛ فإن إجمالي فرق الطور (Δθ) بين (Iload ،Ileak) له تباين في الوقت الفعلي في نطاق غير مؤكد.

وبشكل عام يحتوي نظام العزل الخاص بالأصل على (δ) قريب من (0) درجة، وبافتراض أن عامل القدرة للنظام هو (0.8) تقريباً، كما يمكن تعيين (Δθ) بين (90) درجة إلى (130) درجة للتحليل، كما يقدم الشكل التالي (2) نتائج تحليلية عن طريق تغيير في المعادلة الرياضية التالية، كما تم اكتشاف أن توزيع المجال المغناطيسي في اللب الداخلي يعتمد على الموضع حول الدائرة الكهربائية.

وعبر المناطق المتمركزة عند (°φ = 0 أو °180)، كما تتأثر (MII) بشدة بـ (Δθ)، وعلى النقيض من ذلك تظل تقريباً، ودون تغيير في دائرة (360) درجة من قلب الكشف، وتحت أي ظرف من الظروف (Δθ) تتراوح من (90) درجة إلى (130) درجة.

الآثار المرتبة على سعة حمل التيار الكهربائي ودور المستشعرات

يمكن أن يتسبب التقلب في تشغيل النظام في حدوث تغييرات في سعة تيار الحمل، كما يتم إجراء تقييم حسابي عن طريق تغيير (Iload) من (0) إلى (100A) مع الحفاظ على (Idiff) و يساوي (1mA) و (110) درجة على التوالي، كما أن النتائج موضحة في الشكل التالي (3)، كذلك (Iload ،MII) لهما علاقة إيجابية واضحة في مواضع (°φ = 0° ،φ = 180) من اللب الداخلي، ومع ذلك؛ فإن (MII) ثابت تقريباً في أي موضع في اللب الخارجي.

كما يمكن أن يوضح التحليل الوارد في القسمين السابقين تأثير تشغيل النظام على أداء المستشعر أحادي المركز العادي.، حيث أن الميزة المعتمدة على الحمل هي السبب الحاسم لقياس الحساسية المنخفضة، وعلى النقيض من ذلك وبالنسبة للمستشعر المقترح مع طوبولوجيا ثنائية النواة، كما يلعب القلب الداخلي دوراً مهماً في تصفية ضوضاء تيار الحمل القوي، حيث إن اختلاف (Δθ) أو (Iload) له تأثير ضئيل على (MII) في اللب الخارجي، ومن ثم فقد ثبت أن قياس تيار (DM) للمستشعر المقترح قوي في تشغيل النظام.

آثار عدم التماثل في تموضع الكابلات الكهربائية

قد يكون هناك عدم تناسق طفيف في موضع الكبل أثناء عملية التصنيع والتركيب، وذلك كما كما هو مبين في الشكل التالي (4-a)، كما يتم محاكاة عشر مجموعات من مواضع الكابلات، حيث يتم تكوين كابل المدخل بدرجات مختلفة من عدم التماثل الطفيف بالنسبة لكابل المخرج، وفي هذه الحالات يكون (Iload) هو (20-A)، كما يتم الاحتفاظ بـ (Idiff) و عند (1mA ،110) درجة على التوالي.

يوضح الشكل السابق (4-b)، وهي النتائج المحسوبة لثلاث نقاط في كل نواة، والتي عندها (φ) تساوي (0) درجة و (90) درجة و (180) درجة، كما تم اكتشاف أن عدم تناسق طفيف يمكن أن يتسبب في تغيير كبير في (MII) في القلب الداخلي، ومع ذلك ونظراً لتأثير الترشيح الفعال؛ فإنه يبقى (MII) لكل نقطة محددة في قلب الكشف ثابتاً في جميع حالات الدرجات المختلفة من عدم تناسق الموضع.

وبالنسبة لتأثيرات الطول المحوري لنواة التصفية؛ فقد تم بناء النموذج التحليلي ونموذج (2D-FE) على أساس افتراض أن أطوال النوى والكابلات غير محدودة، ومن الناحية العملية يكون للمستشعر طول محوري محدود، مما قد يغير توزيع المجال المغناطيسي في النوى، ولتوضيح مثل هذا التأثير تم بناء نموذج (3D-FE) كما هو موضح في الشكل التالي (5-a).

كما يتم إجراء أربع مجموعات من المحاكاة تحت أطوال محورية مختلفة من قلب الترشيح (Lz، وذلك كما هو مذكور في الجدول التالي (2)، بحيث يتم تعيين البعد الشعاعي والتيارات الموصلة على نفس النحو الموجود في نموذج (2D-FE).

ووفقاً للشكل (5-b)، كما  لا يؤثر (Lz) على (MII) فحسب؛ بل يغير أيضاً درجة عدم انتظام توزيع المجال المغناطيسي في قلب الكشف، وكلما كانت (Lz) أقصر كلما زاد توزيع المجال المغناطيسي غير المنتظم حول الدائرة بزاوية (360) درجة، كما يشير إلى سبب تأثر أداء المستشعر المصمم مسبقاُ، وذلك بعدم انتظام الملف الملفوف بدائرة كاملة.

إجراء تصميم حساس التيار الكهربائي المقترح

يتكون المستشعر المقترح من أربعة أجزاء، أي قلب الترشيح ونواة الكشف ودائرة تكييف الإشارة الكهربائية وعلبة التدريع، كما تم توضيح الوظيفة الهامة لكل جزء في الشكل التالي (6).

لقد أوضحت الأقسام السابقة الدور المهم من الناحية التحليلية الذي تلعبه نواة التصفية الداخلية، وهي العلبة في نسخة الإنتاج، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (7)، بحيث تحقق وظيفتين رئيسيتين، كذلك الإصدار التجريبي في الشكل (7-a)، لذلك لم يتم تضمين العلبة، وبدلاً من ذلك يتم استخدام غلاف مطبوع ثلاثي الأبعاد لتحديد موضع الكبل.

• نهج الكشف الأمثل: بناءً على موضع الكشف الأمثل؛ فإن الخطوة التالية هي تحديد الطريقة المثلى لاكتشاف المجال المغناطيسي، ومن خلال المقارنة الدقيقة بين العديد من الأساليب المطبقة بشكل شائع، كما يتبنى المستشعر نهج الكشف على أساس مبدأ التدفق المغناطيسي الصفري، كما هو موضح في الشكل (8).

• دائرة تكييف الإشارة: يوفر الشكل التالي مخطط الكتلة لدائرة تكييف الإشارة المدمجة البسيطة والمصممة، والتي تعمل على إخراج إشارة عالية السرعة ومنخفضة الضوضاء لتيار (DM) على مستوى ملي أمبير.

• التكوين الهندسي: بناءً على الاعتبارات الشاملة المذكورة أعلاه، بحيث يمكن تصميم مستشعر التيار الكهربائي ثنائي النواة بشكل متقن لخلفية مراقبة محددة، كما تم تصميم نموذج أولي لجهاز الاستشعار للتحقق من صحة المختبر، وبهدف التطبيق الصناعي للآلة الكهربائية المتوسطة. مسافة العزل بين كبلين (50) مم، كما يصل تيار الحمل إلى (100) أمبير ويتراوح التيار (DM) من (0-7) مللي أمبير.

وأخيراً أثبتت النتائج التجريبية أن النموذج الأولي به خطأ قياس في حدود (0.1) مللي أمبير عندما يصل تيار الحمل إلى (100) أمبير، كما ويختلف تيار (DM) من (0) إلى (7) مللي أمبير، بحيث تم ذكر الأداء المتفوق بشكل أكبر بالمقارنة مع اثنين من أجهزة الاستشعار الصناعية، ووفقاً للنموذج التحليلي المقترح وإجراء التصميم، بحيث تكمن مساهمة هذه المقالة في تحسين أداء المستشعر في قياس تيار التسرب على مستوى الملي أمبير.