63208 article text 168546 1 10 20211112 3358

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) THIẾT KẾ MODULE CẢM BIẾN CHO CẢM BIẾN DÒNG ĐIỆN SỬ DỤNG NGỌC HỒNG LỰU A SENSING MODULE DESIGN FOR GARNET TYPE MAGNETO-OPTICAL CURRENT SENSOR Nguyễn Trường Giang Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 12/03/2021, Ngày chấp nhận đăng: 21/05/2021, Phản biện: TS Nguyễn Nhất Tùng Tóm tắt: Cảm biến dịng cơng nghệ quang có nhiều ưu điểm khắc phục hạn chế kỹ thuật máy biến dòng điện kiểu truyền thống Trong báo này, thiết kế phận cảm biến dùng cảm biến dòng sử dụng ngọc hồng lựu giới thiệu Các kết thử nghiệm số đặc tính làm việc quan trọng phận cảm biến cho thấy ưu điểm Từ khóa: Cảm biến dịng cơng nghệ quang, hiệu ứng từ - quang Faraday, ngọc hồng lựu Abstract: Mangeto-optical current sensors (MOCS) possess a numberous prominent advantages to ease technical inherent disadvantages of traditional induction-type current transformers advantages to ease technical inherent disadvantages of traditional induction-type current transformers This paper proposes a garnet-based sensing module design for Garnet type MOCS Experimental results of its various important operating characteristics are proved its excellent charactersistics Key words: MOCS, Faraday opto-magnetic effect, garnet GIỚI THIỆU Các thiết bị biến đổi đo lường (máy biến điện áp TU, máy biến đổi dịng điện TI) đóng vai trị quan trọng hệ thống điện: cung cấp tín hiệu phục vụ đo lường, giám sát, điều khiển bảo vệ Các máy biến đổi đo lường kiểu truyền thống (kiểu cảm ứng) làm việc tin cậy Tuy nhiên, xét phương diện cấu tạo nguyên lý làm việc, máy biến 72 đổi đo lường kiểu cảm ứng nói chung, máy biến dịng điện kiểu cảm ứng nói riêng có hạn chế nội tại, có vấn đề bật : i) cách điện cấp điện áp cao (cấu trúc, trọng lượng); ii) tính phức tạp ảnh hưởng tượng bão hồ (tính phi tuyến, chế phức tạp tượng bão hoà từ…) [1-3] Ngược lại, so với máy biến dịng kiểu Số 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) cảm ứng, cảm biến dịng điện cơng nghệ quang MOCS sở hữu nhiều đặc tính trội như: mức cách điện cao, chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ, khơng có nguy cháy nổ, chế tạo kích thức gọn nhẹ [2, 3] Bởi vậy, cảm biến dịng cơng nghệ quang MOCS tập trung nghiên cứu phát triển lớn thời gian qua [1-9] Nguyên lý làm việc MOCS (có phần tử cảm biến chế tạo vật liệu quang từ) dựa hiệu ứng từ - quang Fraraday: quay mặt phẳng phân cực chùm sáng truyền qua vật liệu quang đặt từ trường (góc quay Faraday - cịn gọi góc phương vị phân cực) Bởi vậy, MOCS đo dịng điện gián tiếp cách xác định góc quay Faraday Trong đó: V: hệ số Verdet, 0/T.m: xác định đặc tính vật liệu từ quang; l: độ dài tương tác (quang lộ), m Trong báo này, phương pháp thiết kế module cảm biến MOCS sử dụng ngọc hồng lựu (garnet) giới thiệu; đồng thời, thử nghiệm đặc tính làm việc quan trọng module trình bày đánh giá 2.2 Phương pháp chế tạo Garnet module Từ (1) thấy, có yếu tố chi phối độ nhạy (trị số góc quay Faraday F) MOCS: vật liệu, từ trường, quang lộ Đây yếu tố để định hướng thiết kế MOCS Việc lựa chọn vật liệu thiết kế (hệ số Verdet), cấu trúc cảm biến (quang lộ l) đóng vai trị định tới độ nhạy cảm biến thiết kế Trong vật liệu từ-quang, họ vật liệu ngọc hồng lựu (garnet) có ưu điểm có hệ số Verdet cao [2, 7, 10]; đó, garnet film lựa chọn để thiết kế module cảm biến MOCS đề xuất THIẾT KẾ MODULE CẢM BIẾN DÒNG ĐIỆN SỬ DỤNG NGỌC HỒNG LỰU 2.1 Giới thiệu chung Hình Cấu trúc garnet module cảm biến Độ nhạy MOCS liên quan trực tiếp đến phương pháp đo góc quay Faraday F mặt phẳng phân cực truyền chùm tia sáng phân cực thẳng qua vật liệu quang theo hướng từ trường H cho [2]: ⃑⃑ ⃑⃑⃑ θF = ∫l VH dl Số 26 (1) Garnet module có sử dụng màng phân cực từ cảm biến có cấu trúc mơ tả hình Phương pháp chế tạo garnet module:  Sử dụng sóng siêu âm để làm vật liệu garnet, sấy tạo lớp lõi (lớp garnet), đặt vào khn; 73 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)  Đưa lớp garnet vào hệ thống tạo màng; bơm chân không đáp ứng yêu cầu hệ thống tạo màng (mức chân không vào khoảng 0,1 mPa);  Gia nhiệt cho lớp garnet (nhiệt độ bề mặt vào khoảng 200500oC) thực trình ủ nhiệt lần thứ nhất;  Điều chỉnh áp suất làm việc vào mức 0,25,0 Pa tạo lớp đệm (độ dày yêu cầu vào cỡ 500 nm20 m), trì nhiệt khoảng h;  Tạo lớp màng phân cực từ lớp đệm: độ dày yêu cầu vào khoảng nm10 m; trì nhiệt khoảng h;  Tiếp tục gia nhiệt cho lớp garnet: nhiệt độ bề mặt đạt mức 550800oC; thực trình ủ nhiệt lần thứ hai;  Làm mát lớp garnet nhiệt độ phòng tạo lớp bảo vệ (độ dày: 5100 nm) cho lớp màng phân cực từ tạo garnet module bán thành phẩm;  Lấy garnet module bán thành phẩm từ hệ thống tạo màng tiến hành từ hoá lớp màng phân cực từ Như vậy, tạo garnet module Sau tạo garnet module, cần đánh giá hoạt động module này: phản ứng garnet module đặt điện từ trường Có mẫu thử nghiệm: mẫu dùng garnet mẫu có sử dụng màng phân cực từ Nd2Fe14B Trong phần trình bày thử nghiệm 2.3 Thử nghiệm đặc tính làm việc Dưới giới thiệu vắn tắt thử nghiệm đặc tính quan trọng MOCS đề 74 xuất, cụ thể: i) Phản ứng garnet module đặt điện từ trường; ii) Sai số tuyến tính MOCS đề xuất; iii) Đặc tuyến phân cực module cảm biến điều kiện làm việc khác 2.3.1 Phản ứng garnet module đặt điện từ trường Kính hiển vi ánh sáng phân cực PLM [11, 12] dùng để đánh giá phản ứng garnet module đặt điện từ trường: chiếu thẳng góc bề mặt màng (film) để quan sát thay đổi phân vùng từ Có mẫu garnet module đánh giá: mẫu màng phân cực từ mẫu có màng phân cực từ Hình (với từ trường mức thấp) hình (với từ trường mức cao) hình ảnh quan sát biến đổi phân vùng từ mẫu khơng có màng phân cực từ ảnh hưởng từ trường Quan sát phân vùng từ (hình 2) với đường màu trắng phác họa phân vùng từ: Khi có từ trường ngồi (hình 2b) phân vùng từ thay đổi kích thước so với khơng có từ trường ngồi (hình 2a) hay tắt từ trường ngồi (hình 2c) Hình Sự biến đổi phân vùng từ garnet từ trường Hetx 0,5mT Hình hình ảnh quan sát PLM thay đổi phân vùng từ với từ trường lớn Từ trạng thái ban đầu, Số 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) DOP dải phân bố tự Khi tăng từ trường lên 40 mT: phân vùng từ co lại chuyển thành dạng hình trịn (hình 4b) tăng từ trường lên 90 mT phân vùng từ biến (hình 4c); phân vùng từ lại khôi phục trạng thái ban đầu giảm mT (hình d) 100 98 96 94 92 90 88 86 84 DOP chưa có từ trường ngồi (hình 3a), đến xuất phân vùng từ co giảm kích thước có dạng trịn (hình 3b - với từ trường 40 mT) không quan sát phân vùng từ từ trường vượt 80 mT Khi giảm từ tường mT, phân vùng từ không quay trở trạng thái ban đầu 100 98 96 94 92 90 88 86 84 Garnet Polynomial Fit Hình Sự biến đổi phân vùng từ garnet từ trường Hext tăng vượt 80 mT 50 100 150 200 250 300 200 250 300 H(Oe) Garnet with NdFeB Polynomial Fit 50 100 150 H(Oe) Hình DOP Polynomial Fit với ánh sáng phân cực thẳng góc đặt từ trường ngồi Hình Sự biến đổi phân vùng từ garnet có lớp màng phân cực từ đặt từ trường ngồi Ở mẫu có màng phân cực từ (màng Ta/Nd2Fe14B/Ta) quan sát biến đổi phân vùng từ PLM đặt từ trường ngồi (hình 4) Khi chưa có từ trường (hình 4a), phần màu tối (có màng phân cực từ) khơng cho ánh sáng truyền qua, phần màu sáng (phân vùng từ garnet) cho ánh sáng truyền qua; vùng tối, sáng hiển thị dạng Số 26 Các quan sát cho thấy, với mẫu khơng có màng với từ trường mức thấp có khả khôi phục trạng thái ban đầu phân vùng từ loại bỏ từ trường ngồi, cịn mức cao khôi phục; điều này khắc phục với việc sử dụng màng phân cực từ Mức phân cực DOP (Degree Of Polarization) đặc tính quang từ đóng vai trị quan trọng thiết kế MOCS [7-9, 13] Mức phân cực DOP (là hàm từ trường Hext) đo đo PAX5710IR3-T TXP polarimeter [13] Kết đo DOP với mẫu (garnet khơng có/có màng từ) 75 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) thể hình 5, với từ trường tăng từ lên 26 mT (ánh sáng phân cực thẳng góc) đồng thời lọc phương pháp đa thức (polynomial fit) Kết cho thấy, khơng có mạng từ, DOP garnet giảm từ 99,755% xuống 96,180% tăng từ trường từ lên 26 mT (hay 260Oe), Hình 5a, DOP garnet giảm tăng Hetx Ngược lại, với mẫu có màng từ NdFeB DOP tăng từ 85,311% lên 96,409%; điều chứng tỏ màng từ có ảnh hưởng thay đổi pha dạng dải (strip phase) ánh sáng phân cực chiếu thẳng góc  Sử dụng Versa-lab VSM [19-21] để xác định đặc tính từ mẫu; Qua quan sát biến đổi phân vùng từ đo DOP mẫu ảnh hưởng từ trường ngồi cho thấy màng phân cực từ có khả điều khiển phân bố (có trật tự) phân vùng từ garnet Hình ảnh MFM (Magnetic Force Microscopy) cho thấy: màng phân cực từ Nd2Fe14B tạo thành từ hạt nhỏ có đường kính cỡ 100 nm, cịn kích thước phân vùng từ (vào cỡ 200-500 nm) lớn nhiều so với kích thước hạt, phân vùng nhiều hạt biểu thị cấu trúc miền tương tác 2.3.2 Kiểm nghiệm chất lượng màng phân cực từ  Sử dụng nhiễu xạ kế [22, 23] để kiểm tra cấu trúc tinh thể mẫu Hình Hình ảnh MFM màng phân cực từ Nd2Fe14B Bên cạnh mức phân cực DOP, đặc tính cấu trúc vật liệu: kích thước hạt, đặc tính từ (lực kháng từ, tính dị hướng từ), cấu trúc tinh thể [14-17] đặc tính quan trọng việc thiết kế MOCS có độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn, kinh tế Màng phân cực từ kiểm tra chất lượng cách:  Sử dụng VECCO Dimension 3100 Atomic Force Microscope [18] để quan sát hình ảnh MFM (Magnetic Force Microscopy) mẫu (màng phân cực từ Nd2Fe14B); 76 Hình Đường cong từ trễ màng phân cực từ Nd2Fe14B nhiệt độ phòng Đường cong từ trễ (M-H loops) màng phân cực ứng với từ trường 2.5T (hay 25kOe) Lực kháng từ màng phân cực từ Nd2Fe14B theo hướng thẳng góc Số 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đồng phẳng tương ứng 1,8T 1,4T Điều cho thấy kể khử từ, lực kháng từ màng phân cực từ Nd2Fe14B theo phương thẳng góc lớn nhiều so phương đồng phẳng: biểu thị có dị hướng từ thẳng góc a Sai số tuyến tính Góc quay Faraday i mẫu MOCS đo n lần góc quay Fraday trung bình θ̅ xác định (2): 𝜃̅ = 𝑛 ∑𝑛1 θi (2) Góc quay phân cực tỉ lệ với cường độ dịng điện hay từ trường ngồi Sai số tuyến tính  (%) xác định qua (3): 𝜎= 100 n ∑𝑛1 (𝐻𝑂𝑢𝑡 −𝐻𝐼𝑛 ) 𝐻𝐼𝑛 (3) Trong đó: HIn, HOut tương ứng từ trường đặt từ trường đầu cảm biến; n số lần đo b Thử nghiệm Hình Biểu đồ XRD màng phân cực từ Nd2Fe14B Biểu đồ XRD (X-Ray diffraction: nhiễu xạ đồ tia X) màng Nd2Fe14B (lắng 400oC ủ 550oC 30 phút mơi trường chân khơng