Geri Dön

Novel methods for calculating the demagnetization factor of ring-core fluxgate sensors

Halka nüveli fluxgate sensörlerin demagnetizasyon faktörünü hesaplamak için yeni yöntemler

PDF İndir

  1. Tez No: 496447
  2. Yazar: İLKER YAĞLIDERE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ECE OLCAY GÜNEŞ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 148

Özet

Geçmişi İkinci Dünya Savaşına kadar uzansa da, fluxgate magnetometreler yüksek çözünürlük gerektiren çok sayıda uygulamada halen en iyi alternatif olarak dikkat çekmektedir. SQUID (Süperiletken Quantum Girişim Aygıtı) magnetometreler fluxgate magnetometrelere kıyasla daha iyi bir çözünürlük vaadetse de, kriyojenik soğutma sistemlerine ihtiyaç duymaları düşük maliyetli, düşük güç tüketimine sahip, küçük ve hafif sensörler gerektiren uygulamalarda kullanılmalarını engellemektedir. Fluxgate sensörler sağladıkları boyut, ağırlık, güç tüketimi ve maliyet avantajları nedeniyle uzay uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Fluxgate gradiyometre ise magnetik alan gradyanını ölçmek için kullanılan bir diğer uygulamadır. Fluxgate elektrik akımı sensörleri son yıllarda kullanım alanı bulmaya başlamıştır. Bu tipteki elektrik akımı sensörleri yalnızca yüksek doğruluklu değil, aynı zamanda çok kararlı aygıtlardır. Fluxgate akım sensörleri ile ilgili son üç yılda birçok yenilikçi çalışma rapor edilmiştir. Daha az bilinen bazı diğer uygulamalara örnek olarak ise temassız piston konumu algılayıcıları ve daimi mıknatıslı senkron motor hata denetleyicileri gösterilebilir. Bu tezde, halka nüveli fluxgate sensörler için demagnetizasyon faktörü incelenmiştir. Demagnetizasyon faktörü, magnetik sensör tasarımında en önemli parametrelerden biridir. Bu parametre nispi permeabilite değeri ile birlikte, bir ferromagnetik hacim içine nüfuz eden ortalama magnetik alanın dış magnetik alana oranını belirler. Eğer nüve malzemesinin permeabilitesi çok yüksek ise, demagnetizasyon faktörü bu hesapta etkin olan tek anahtar parametredir. Bu durumda sensör gürültüsü ve duyarlığı yalnızca demagnetizasyon faktörüne, bu nedenle de büyük oranda nüve geometrisi ile fiziksel boyutlara bağlıdır ve permeabiliteden bağımsız olduğu kabul edilir. Demagnetizasyon faktörü arttıkça sensör gürültüsü artmakta ve sensör hassasiyeti azalmaktadır. Diğer bir deyişle, bir fluxgate magnetometrenin sahip olduğu en önemli tasarımsal sınırlar demagnetizasyon faktörünün birer fonksiyonudur. Bu kadar önemli bir parametrenin sensör başarımını tahmin edebilmek için, üretim öncesi tasarım fazında, tasarımcı tarafından yüksek doğrulukla hesaplanabilmesi bir zorunluluktur. En popüler geometriler yüksek demagnetizasyon alanlarına maruz kaldığı için, magnetik sensör tasarımında demagnetizasyon katsayısının yüksek doğrulukla hesaplanabilmesi bir zorunluluktur. Çubuk nüveli geometri için kullanılabilecek karmaşık fakat yüksek doğruluklu sonuçlar veren demagnetizasyon faktörü formülleri mevcut olsa da, halka ve yarış pisti gibi diğer geometriler için durum farklıdır. İlk dikkat çekici formüllerden biri 1960larda önerildiğinden bugüne kadar halka nüveli geometri için çok sayıda empirik ve analitik formül önerilmiştir. Bu fomüllerin hepsi, yüksek doğruluklu hesaplamalara imkan sağlayacak daha iyi bir formül olmadığı için günümüze kadar kullanılmıştır. Ne var ki, bu tez ile en yaygın olarak kullanılan üç formülün de geniş bir boyut aralığında başarılı olmadığı gösterilmektedir. Genel olarak bu formüllerin yazarlar tarafından benzer çap ve yükseklik değerlerine sahip az sayıdaki örnek için doğrulandığı görülmektedir. Bu nedenle ve bu tezde gösterilecek diğer nedenler sebebiyle, bahsedilen formüller evrensel değildir ve yalnızca belirli boyutlardaki sensörler için kullanılabilir. Mevcut formüllerin tutarlılığının incelenmesi amacıyla, çok sayıda sensöre ait demagnetizasyon faktörü değerleri üç adet iyi bilinen formül ve sonlu elemanlar metodu (FEM) analiz yazılımı kullanılarak analiz edilmiştir. Hesaplanan değerler ölçülen değerler ile karşılaştırılmış ve teorik değerlerin ciddi oranda farklı olduğu gösterilmiştir. Test edilen hiçbir formülle, 28 adet sensör için %60'ın altında bir hata oranı elde edilememiştir. Bununla birlikte, FEM analiz yönteminin daha önce rapor edilmiş olan ölçüm verileri ve bu çalışmada bizim tasarladığımız iki adet sensöre ait ölçümler ile uyumlu olarak, tutarlı ve tatmin edici sonuçlar ürettiği gözlenmiştir. Herbir formül için, kabul edilebilir bir demagnetizasyon katsayısının hesaplanabildiği ideal boyut aralığı tartışılmış ve her formülün kararlılığı incelenmiştir. Bu çalışma, literatürdeki iyi bilinen formüllerden kaynaklanan büyük hata oranlarını dikkate alarak, halka nüveli fluxgate sensörler için demagnetizasyon faktörünün hesaplanması için yeni bir yönteme ihtiyaç olduğunu göstermektedir. FEM analizlerinde halka nüveli sensörü modellemek için sabit permeabiliteli (lineer) bir ferromagnetik madde kullanılmıştır. Lineer olmayan bir model kullanmanın benzetim süresini ciddi şekilde arttırdığı bilinmektedir. Benzetimler iki adet on çekirdekli üst seviye işlemciye ve 64 GB DDR4 (Double Data Rate 4th-Generation) belleğe sahip iş istasyonu kullanılarak gerçeklenmiştir. CST (Computer Simulation Technology) EM Studio yazılım paketi, güçlü son veri işleme yetenekleri ve kullanıcı dostu grafik arayüzü nedeniyle elektromagnetik analizler için tercih edilmiştir. Benzetim hatalarını azaltmak için benzetimler en yüksek doğruluk ayarları ile yapılmıştır. Kullanılan magnetostatik çözümleyici çok hızlı bir çözümleyici olsa da, bu çalışmada 225 farklı boyuttaki sensör için yapılan benzetimlerin tamamlanması üç aydan fazla sürmüştür. Herbir analiz için dört milyondan fazla örgü hücresi kullanılmıştır. Hücre sayısını daha fazla artırmak daha fazla bellek gerektirdiği için mümkün olmamıştır. Buna rağmen, bu tip bir geometri ve analiz için dört milyon hücre oldukça yeterlidir. Her benzetim, farklı ayarlar kullanılarak dörder kez tekrarlanmış ve olası hataların önüne geçilmiştir. Bahsedilen nedenlerle ve tecrübe edilen tutarlı sonuçlar nedeniyle FEM analiz sonuçları güvenilir bulunmuş ve karşılaştırma amaçlı kullanılmıştır. Daha iyi bir formül önermek, yapılan birçok varsayım ve sonuçta bu nedenle oluşan büyük hatalar nedeniyle kolay değildir. Hesaplamalardaki temel zorluk elipsoidal olmayan bir geometri ile çalışmaktan kaynaklanmaktadır. Elipsoidaller haricindeki tüm geometriler için lokal demagnetizasyon alanı ferromagnetik nesne içerisinde konum ile değişmektedir. Problemin en çetrefilli kısmını bu düzgün dağılımlı olmayan alan oluşturmaktadır. Elipsoidal olmayan geometrinin yarattığı karmaşıklığın yanısıra, içi boş geometriler için demagnetizasyon faktörü hesaplamak çok zordur ve literatürde kullanıma hazır formüller çok nadirdir. Tüm bunlara ek olarak, üç boyutlu bir geometriyi tanımlayan üç bağımsız değişkeni içeren bir demagnetizasyon faktörü formülü tahmin etmek bir diğer zorluktur. Bahsedilen nedenlerden dolayı, başarılı bir formül şu ana dek önerilememiştir. Tüm bu zorluklara rağmen, bu tezde halka nüveli fluxgate sensörler için yeni bir demagnetizasyon faktörü hesaplama yöntemi sunulmuştur. Çalışma kapsamında elde edilen veriler kullanılarak, iyi bilinen demagnetizasyon faktörü formüllerinin tutarlılığı tartışılmış ve yeni hesaplama yöntemleri önerilmiştir. Test edilen mevcut fomüllerin tutarsız olduğu sonucuna varılmıştır. Ölçülen ve hesaplanan demagnetizasyon faktörü değerlerinin ciddi oranda farklı olduğu gösterilmiştir. Tasarımcılara mevcut empirik demagnetizasyon faktörü formüllerinden kaçınmalarını ve analitik formülü ise %60 üzerinde hata yapabileceği gerçeğini göz önünde bulundurarak çok dikkatli şekilde kullanmalarını tavsiye ediyoruz. FEM (Sonlu Elemanlar Metodu) analiz araçları mevcut olduğunda, en doğru sonuçların elde edilmesi için tercih edilmelidir. FEM analiz araçlarının yokluğunda ise bu tezde önerilen yöntemler pratik olduğu ve neredeyse FEM analiz kadar doğru sonuçlar ürettiği için tercih edilebilir. Bu yöntemler FEM analiz ile kıyaslandığında %0.5'in altında bir hata oranı ile sonuç verebilmektedir. Bahsedilen nedenle, bu tezde önerilen yöntemler, geniş bir boyut aralığında yüksek doğruluklu hesaplar yapmak için kullanılabilir.

Özet (Çeviri)

In this thesis, demagnetization factor of ring-core fluxgate sensors is examined. Demagnetization factor is one of the most important parameters in magnetic sensor design. Together with relative permeability value, it determines the ratio of the mean magnetic field penetrating inside a ferromagnetic body to the external field. If the permeability of the core material is substantially high, demagnetization factor is the only key parameter in this calculation. In this case, the sensor noise and sensitivity depend only on demagnetization factor, hence mostly on the core geometry and physical dimensions, and assumed to be independent of the permeability. The higher the demagnetization factor, the higher is the fluxgate noise and the lower is the sensor sensitivity. In other words, a fluxgate magnetometer has design constraints and the most important constraints are functions of the demagnetization factor. Prior to production, such an important parameter must be accurately calculated by the designer in order to estimate the sensor performance during the design phase. Since the most popular geometries suffer from high demagnetizing fields, calculating demagnetization factor accurately becomes more of an issue in magnetometer design. There are complex but precise demagnetization factor formulas that can be used for rod type geometries; however, that is not the case for any other geometries such as ring or racetrack cores. Many empirical and analytical formulas have been proposed for the ring geometry since one of the first remarkable formulas was proposed in 1960s. All of these formulas have been used because there is no other method that allows precise calculations. However, none of them is successful for a wide range of dimensions. In general, these formulas have been verified by the authors for a limited number of samples having similar diameter and height values. Because of this and other reasons, in this thesis, it has been shown that the formulas existing in the literature are not suitable for general use. In this thesis, in order to examine the consistency of current formulas, several sensors were analyzed by calculating their demagnetization factors with three well-known formulas in addition to a finite element method (FEM) analysis software. The calculated values were compared to the measured values and it has been observed that the theoretical values do not match well with the experimental results. None of the three formulas achieved an error level below 60% in all cases where 28 sensors were tested. Moreover, FEM analysis produced consistent and accurate results in good agreement with the previously reported measurement data in the literature as well as with our measurements performed for the two sensors designed in this thesis. The optimum dimension range for each formula that results in a reasonable demagnetization factor value is discussed and the stability of each formula is analyzed. This thesis points out that a new calculation method for the ring-core demagnetization factor is essential by taking into account the high error levels caused by the well-known formulas in the literature. To estimate a better formula is nontrivial, since it requires too many assumptions which results in an inaccurate calculation. The main difficulty in calculations is caused by the nonellipsoidal geometry. For any geometry other than ellipsoids, the local demagnetizing field changes with the position in the volume of the object. This is the most complicated part of the problem. In addition to the complexity caused by the nonellipsoidal geometry, demagnetization factor calculations for hollow objects are more than difficult and ready-to-use formulas are rare in the literature. The geometry of a three-dimensional object is defined by three independent variables, hence estimating a formula with three variables is another difficulty. For the reasons described, a good formula has not been proposed so far. Despite all these obstacles, in this thesis, a novel method for calculating the ring-core demagnetization factor is proposed. By using the data obtained, the consistency of the well-known demagnetization factor formulas is discussed and three novel calculation methods are proposed. The current formulas tested are found to be inconsistent. Demagnetization factor values are shown to vary enormously between the measured and calculated values. We suggest designers abstain from using the empirical demagnetization factor formulas and use the analytical formula with great care by keeping in mind that it can lead to an error level above 60%. When FEM analysis tools are available, they should be preferred for obtaining the most accurate results. However, it should be noted that FEM analysis requires expensive software and hardware in addition to long simulation time. In the absence of the FEM analysis tools, the methods proposed in this thesis can be used since they are practical and almost as accurate as FEM analysis. These methods can calculate with error levels always below 0.5% when compared to FEM analysis results. For this reason, the methods proposed in this thesis, can be used for a wide range of dimensions to calculate the demagnetization factor accurately.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    483463

    Targeted and budgeted influence maximization in social networks under deterministic linear threshold model

    Sosyal ağlarda belirlenimci doğrusal eşik modeli altında hedefli ve bütçeli etki enbüyükleme

    FURKAN GÜRSOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Şehir Üniversitesi

    Veri Bilimi Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. DİLEK GÜNNEÇ DANIŞ

  2. Tez No

    856275

    Design and deployment of deep learning based fuzzy logicsystems

    Derin öğrenme tabanlı bulanık sistemlerin geliştirilmesi ve uygulanması

    AYKUT BEKE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR

  3. Tez No

    166650

    Volettra Süzgeci gösterilimi, tanımlaması ve gerçeklemesi için yeni yöntemler

    Novel methods for vollettra filter representation, identification and realization

    ENDER METE EKŞİOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. AHMET HAMDİ KAYRAN

  4. Tez No

    434830

    Eğricik dönüşümü kullanılarak imgelerde gürültü giderimi ve içerik tabanlı görüntü erişimi

    Image denoising and content based image retrieval via curvelet transform

    MUSTAFA ALPTEKİN ENGİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAtatürk Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BÜLENT ÇAVUŞOĞLU

  5. Tez No

    682756

    Design and development of novel obstacle avoidance algorithms using the fully autonomous wheelchair platform

    Tam otonom tekerlekli sandalye platformu kullanarak yenilikçi engelden kaçınma algoritmalarının tasarımı ve geliştirilmesi

    HOSEIN HOUSHYARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VOLKAN SEZER

Geri Dön