Với điện trở cuộn dây nam châm
điện là 3,6 Ω, để tạo từ trường khoảng 1 Tesla thì yêu cầu bộ nguồn có điện áp khoảng 100 V và dòng điện cấp khoảng 30 A. Mặt khác, yêu cầu bộ nguồn phải
điều chỉnh được với độ phân giải cao để đặt được giá trị từ trường chính xác theo yêu cầu và có độ ổn định điện áp để tín hiệu đo ổn định.
Căn cứ và các yêu cầu trên, qua khảo sát các bộ nguồn sẵn có ở Viện ITIMS, đã lựa chọn được bốn bộ nguồn
một chiều, mỗi bộ có điện áp thay đổi từ Hình 2.6. Bốn bộ nguồn một chiều mắc nối tiếp
0 V đến 20V, dòng điện cho phép là 50A. Mỗi bộ có hai dải điều chỉnh: điều chỉnh thô (cỡ 10-1 mV) và điều chỉnh tinh (cỡ 10-3 mV). Vì vậy có thể điều chỉnh cho từ
trường cực từ chính xác đến từng gauss. Bốn bộ mắc nối tiếp cho điện áp thay đổi từ 0 đến 80V. Hình ảnh bộ nguồn một chiều trên hình 2.6.
2.2.3. Khảo sát vùng từ trường đồng nhất của cực từ
Các cuộn dây cảm ứng phải được đặt trong vùng từ trường đồng nhất trên cực từ nên phải khảo sát vùng từ trường đồng nhất với cực từ có đường kính 2R = 250 mm.
Hình 2.7. Các vị trí khảo sát từ trường
Tiến hành khảo sát vùng từ trường đồng nhất bằng cách điều chỉnh điện áp
đặt (dòng điện) vào cuộn dây nam châm với các giá trị khác nhau. Tại mỗi giá trị điện áp, sử dụng một gaussmeter đặt tại tâm và giữa khoảng không gian hai mặt cực từ, sau đó di chuyển đầu đo dần ra ngoài vùng không gian giữa hai mặt cực từ tại những vị trí xác định trước như hình 2.7 (vị trí trên các trục I, II, III và IV giao với các vòng từ 1 đến 13 ứng với các khoảng cách tính từ tâm ra là 5, 15, 25, … 125 mm và tại tâm cực từứng với 0 mm). Tại mỗi vị trí của đầu đo, ghi lại giá trị của từ
trường. Các kết quả khảo sát cho trong phụ lục 1.
Làm tương tự với các giá trịđiện áp 15, 20, …, 80V có một số quan hệ sau: - Quan hệ giữa cường độ từ trường với bán kính cực từ: cho trong bảng 2.2
Bảng 2.1. Quan hệ giữa cường độ từ trường H (Gauss) với bán kính cực từ R(mm) (ví dụ cho trường hợp điện áp I = 1,56 A và I = 3,40 A).
Trường hợp I = 1,56 A H (k.Gauss) Khoảng cách tính từ tâm cực (mm) Vị trí I Vị trí II Vị trí III Vị trí IV 0 0,264 0,264 0,264 0,264 5 0,264 0,264 0,264 0,264 15 0,264 0,264 0,264 0,264 25 0,264 0,264 0,264 0,264 35 0,264 0,264 0,264 0,264 45 0,264 0,264 0,264 0,264 55 0,264 0,264 0,264 0,264 65 0,263 0,263 0,263 0,263 75 0,262 0,262 0,262 0,262 85 0,260 0,261 0,261 0,261 95 0,260 0.261 0,260 0,260 105 0,255 0,256 0,256 0,256 115 0,246 0,245 0,245 0,245 125 0,227 0,225 0,225 0,225
Trường hợp I = 3,40 A H (k.Gauss) Khoảng cách tính từ tâm cực (mm) Vị trí I Vị trí II Vị trí III Vị trí IV 0 0,582 0,582 0,582 0,582 5 0,582 0,582 0,582 0,582 15 0,582 0,582 0,582 0,582 25 0,582 0,582 0,582 0,582 35 0,582 0,582 0,582 0,582 45 0,582 0,582 0,582 0,582 55 0,582 0,582 0,582 0,582 65 0,582 0,582 0,582 0,582 75 0,582 0,581 0,581 0,581 85 0,579 0,580 0,579 0,579 95 0,574 0,575 0,574 0,574 105 0,562 0,560 0,561 0,561 115 0,528 0,528 0,528 0,528 125 0,489 0,487 0,488 0,488
- Từ bảng quan hệ các thông số ta vẽ được đồ thị quan hệ giữa từ trường và bán kính cực từ như hình 2.8.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0.220 0.225 0.230 0.235 0.240 0.245 0.250 0.255 0.260 0.265 H (K. G auss) R (mm) VÞ trÝ 1 VÞ trÝ 2 VÞ trÝ 3 VÞ trÝ 4 a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 VÞ trÝ 1 VÞ trÝ 2 VÞ trÝ 3 VÞ trÝ 4 H (K.Ga uss) R (mm) b)
Hình 2.8. Đồ thị quan hệ giữa cường độ từ trường với bán kính mặt cực từ
Từ đồ thị quan hệ từ trường với bán kính cực từ, thấy rằng, khi dòng điện cung cấp cho nam châm lớn thì vùng từ
trường đồng nhất rộng hơn (tính từ tâm ra). Tuy nhiên, với một dòng điện nhỏ
thì vùng từ trường đồng nhất là diện tích
hình tròn đường kính là 110mm. Như
vậy, khi thiết kế một hoặc hai cặp cuộn cảm ứng thì chúng phải đặt trong vùng từ trường đồng nhất đó.
- Trong vùng từ trường đồng nhất, mối quan hệ giữa điện áp đặt vào cuộn dây nam châm với từ trường thông qua bảng 2.2 và đồ thị hình 2.9. Bảng 2.2. Quan hệ H = f(U) U (V) H (Gauss) 0 32,00 5,0 650,50 10,2 1320,80 15,0 1939,90 20,2 2609,50 25,0 3219,00 30,2 3887,10 40,0 5324,00 46,0 6094,00 50,0 6600,00 56,0 7339,00 60,0 7828,00 66,0 8542,00 70,0 9022,00 76,0 9672,00 79,5 10004,00 0 20 40 60 80 0 2000 4000 6000 8000 10000 H ( G au ss ) U (V)
Hình 2.9. Đường quan hệđiện áp đặt vào cuộn dây nam châm và từ trường cực từ trong vùng đồng nhất
Từđường đặc tính trên hình 2.9 nhận thấy rằng quan hệ điện áp (U) đặt vào cuộn dây nam châm và từ trường cực từ (H) tại vùng đồng nhất là tuyến tính. Sử
dụng phần mềm Origin xác định được mối quan hệđó theo hàm số:
H = 1 + 130*U (2.1)
Căn cứ vào hàm số này có thể xác định từ trường theo điện áp mà không cần phải dùng một Gaussmeter.
Theo bảng 2.2, ta thấy khi điện áp đặt vào cuộn dây nam châm điện là 79,5V thì từ trường cực đại đạt hơn 1 Tesla. Với từ trường này, có thể đáp ứng nhu cầu nghiên cứu các vật liệu từ chế tạo tại ITIMS. 2.3. Thiết kế, chế tạo các phần tử của hệđo 2.3.1. Thiết kế, chế tạo cuộn dây cảm ứng 2.3.1.1. Trường hợp sử dụng một cặp cuộn. Trong trường hợp sử dụng một cặp cuộn cảm ứng, vì mẫu được di chuyển từ tâm của hai cuộn ra ngoài, nên hai cuộn dây được gắn vào hai mặt cực
từ nam châm, tâm của hai cuộn dây
trùng với tâm của hai mặt cực. Căn cứ
vào vùng từ trường đồng nhất, thiết kế
cuộn dây có kích thước 1:1 như hình vẽ
2.10.
Đường kính lớn nhất của khuôn là 55 mm, đường kính phần quấn dây là 50
mm, chiều dày phần quấn dây là 4,5
mm, như vậy diện tích mặt cắt phần dây
quấn là 4,5x5,0 mm. Lõi cuộn dây làm
bằng nhựa cứng, được cắt tiện đểđảm
Hình 2.10. Cấu tạo và kích thước bộ quấn cuộn cảm ứng (trường hợp một cặp cuộn, đơn vị mm)
Dây quấn là dây đồng bọc emay (cách điện) có đường kính 0,1mm và được quấn 1000 vòng/một cuộn. Đểđảm bảo kỹ thuật và tránh tín hiệu cảm ứng bị nhiễu, các vòng dây được quấn xếp lớp với độđiền đầy cao. Hai cuộn dây phải được quấn với số vòng bằng nhau, đường kính dây như nhau, điện trở như nhau để khi không có mẫu không xuất hiện thế điện động cảm ứng đối với việc thay đổi từ trường ngoài. Hai đầu dây của một cuộn đưa ra ngoài được hàn nối cẩn thận.
Hai cuộn dây được gắn lên hai mặt cực và cách mặt cực một lớp cách điện như hình 2.11 và sẽđược mắc xung đối như hình 2.12. Hai đầu dây còn lại đưa vào hai lối vào của mini voltmeter.
Hình 2.11. Hai cuộn dây được gắn lên hai mặt cực của nam châm
Z
X
b a
Hình 2.12. Hai cuộn dây được mắc xung đối
2.3.1.2. Trường hợp sử dụng hai cặp cuộn.
Dựa vào kích thước và khoảng cách hai mặt cực từ, ta thiết kế kích thước các cuộn dây (theo mục 1.4.7.3). Theo đó, cấu hình tối ưu (mối quan hệ kích thước và vị trí không gian của các cuộn) được thể hiện trên hình 2.13.
Từ đó ta thiết kế được kích thước khuôn quấn bốn cuộn dây như hình 2.14.
Đường kính lớn nhất của khuôn là 45 mm, đường kính phần quấn dây là 35 mm, chiều dày phần quấn dây là 4,0 mm, như vậy diện tích mặt cắt phần dây quấn là 4,0x5,0 mm.
Cũng tương tự như trường hợp một cặp cuộn, vật liệu để làm khuôn là nhựa cứng, được cắt tiện để đảm bảo chính xác kích thước và đủđộ nhẵn, dây cũng được
quấn bằng dây đồng bọc emay có đường kính 0,1mm và được quấn 1000
vòng/cuộn. Bốn cuộn dây cũng phải quấn thật giống nhau. Như vậy, sau khi mắc nối tiếp các cuộn dây thì trường hợp hai cặp cuộn có tổng số vòng dây lớn gấp đôi so với trường hợp một cặp cuộn (tín hiệu ra sẽ lớn hơn). 60 N S 450 450
Hình 2.13. Kích thước hợp lý của hai cuộn dây đặt trên một mặt cực từ
Hình 2.14. Hình dạng và kích thước khuôn quấn bốn cuộn dây
Vì mẫu được dịch chuyển theo chiều thẳng đứng và chuyển động tịnh tiến từ
tâm cặp cuộn này đến tâm cặp cuộn kia, nên trên hai mặt cực từ, bốn cuộn dây được gắn như hình 2.15. Các cuộn dây được gắn trên hai má cách điện và hai má này
được gắn lên cực nam châm điện, hai cuộn dây cùng phía được gắn sao cho
chu vi của chúng tiếp giáp nhau. Với kích thước hai cuộn dây một bên như
vậy, ta thấy chúng hoàn toàn nằm trong vùng từ trường đồng nhất.
Giống như trường hợp một cặp cuộn, trường hợp này các cuộn dây cũng
được mắc xung đối như hình 2.16.
Vì các cuộn dây giống hệt nhau nên khi mắc xung đối toàn bộ điện áp cảm
ứng do từ trường gây ra sẽ bị triệt tiêu. Lúc đó, khi có mẫu dịch chuyển thì toàn bộ điện áp cảm ứng là do mẫu. Mặt khác, khi mắc xung đối như vậy, sẽ triệt tiêu được nhiễu.
Chiều dịch chuyển mẫu
Hình 2.15. Hai cặp cuộn được gắn trên hai mặt cực từ
Hình 2.16. Hai cặp cuộn dây được mắc xung đối
Khảo sát cuộn cảm ứng:
Để kiểm tra độ chính xác và độ ổn định tín hiệu điện áp từ cuộn cảm ứng trong trường hợp sử dụng một cặp cuộn so với trường hợp sử dụng hai cặp cuộn, dùng mẫu Ni để khảo sát:
- Cho một mẫu Ni vào vị trí đặt mẫu rồi tăng từ trường lên 1000 gauss và đặt cốđịnh tại đó.
- Đặt mẫu như trên và cốđịnh giá trị từ trường ở 1000 gauss, sau đó giật mẫu. Kết quả như sau:
+ Ngay tại thời điểm tăng từ trường thì điện áp ở cuộn cảm ứng bắt đầu thăng dáng (tăng giảm theo từ trường) nhưng sau đó đều giảm dần về giá trị bằng không hoặc rất gần không (10-3mV). Khi sử dụng hai cặp cuộn, trong trường hợp này, điện áp sẽ về không.
+ Thời gian tính từ thời điểm dừng tăng từ trường đến khi điện áp cảm ứng bằng không trong trường hợp sử dụng hai cặp cuộn ngắn hơn so với trường hợp sử
dụng một cặp cuộn.
+ Do hai kết quả trên nên khi lấy một dãy kết quả trong một lần đo thì các kết quả trong trường hợp sử dụng hai cặp cuộn đều và ít có xung nhiễu hơn so với trường hợp sử dụng một cặp cuộn.
Do những kết quả trên, nên sau này hầu như chỉ thực hiện các phép đo đều với trường hợp cuộn cảm ứng gồm hai cặp cuộn.
2.2.2. Giá đặt mẫu và dịch chuyển mẫu
Hình 2.17. Mẫu được đặt dưới đáy của ống thạnh anh, cũng chính là cần dịch chuyển mẫu
Hình 2.18. Đầu trên của cần dịch chuyển mẫu đưa qua bộ phận dẫn hướng và nối với một xi
Giá đặt mẫu và cần dịch chuyển mẫu là một ống trụ rỗng bằng thạch anh,
đảm bảo không bị biến dạng khi đo ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp. Ống có đường kính ngoài là 6 mm, đường kính trong là 4 mm, phía dưới cần được bịt kín, phía trên gắn với bộ phận động lực dịch chuyển mẫu. Như vậy, mẫu sẽ được đặt ở đáy của cần thạch anh (hình 2.17) và mẫu có kích thước tối đa là 4 mm.
Để đảm bảo khi dịch chuyển cần không bị rung, nửa trên của cần sẽ được
đưa qua một ống dẫn hướng bằng kim loại. Đầu trên của cần sẽđược nối với một xi lanh điều khiển bằng điện – khí nén (khí động lực) như hình 2.18 có sơ đồ điều khiển như hình 2.19
Hình 2.19. Sơđồđiều khiển xi lanh dịch chuyển mẫu
Xi lanh (XL) được gắn đồng trục với với cần dịch chuyển mẫu. Đóng ngắt nguồn khí cho xi lanh là một rơle một cuộn hút hồi vị bằng lò xo (1Y1). Nguồn khí nén đưa vào xi lanh được lấy thông qua một điều áp (ĐA). Ống dẫn khí có đường kính 4mm. Khi ấn nút S, nguồn điện 220V cung cấp cho cuộn hút rơle điện từ K1, tiếp điểm K1 đóng lại, cuộn dây van 1Y1 có điện, cửa 1 thông với cửa 4, đưa khí
lanh, ta nhả nút ấn S, cuộn dây van 1Y1 mất điện, cửa 2 thông với cửa 3 mở ra thoát khí trong pitton, lò xo hồi vị sẽđẩy xi lanh – cần dịch chuyển mẫu về vị trí ban đầu. Căn cứ vào kích thước của cuộn dây cảm ứng, chọn hành trình của xi lanh (khoảng dịch chuyển của mẫu) là 45 mm vừa thỏa mãn cho trường hợp một cặp cuộn (khoảng dịch chuyển cần thiết là 22,5 mm) vừa đảm bảo chính xác cho trường hợp hai cặp cuộn.
Mẫu luôn được dịch chuyển từ dưới lên trên, từ tâm hai cuộn dây ra ngoài
đối với trường hợp một cặp cuộn hoặc từ tâm cặp cuộn này đến tâm cặp cuộn kia
đối với trường hợp hai cặp cuộn, nên ta cần quan tâm đến tốc độ dịch chuyển của mẫu từ dưới lên trên mà không cần quan tâm đến tốc độ dịch chuyển mẫu từ trên xuống dưới. Sau nhiều lần khảo sát, chọn áp suất khí cho xi lanh thông qua bộổn áp là 0,2 Mpa, khi đó, độ rộng của xung điện áp đo được từ cuộn dây cảm ứng là 1000ms.
Mặt khác, do điểm bắt xung của mini voltmeter nhỏ nhất là 200ms (sẽ nói rõ
ở phần 2.2.4), nên để lấy được toàn bộ xung và tích phân được chính xác thì điểm bắt xung trong một lần đo ít nhất phải là 5 điểm. Vì vậy, đã chọn độ rộng của xung
điện áp đo được – thời gian lấy được một xung điện áp từ cuộn dây cảm ứng là 1000ms.
2.2.3. Bộ phận tạo và đo nhiệt độ
Mẫu được đo ở các nhiệt độ khác nhau: nhiệt độ phòng đến vùng nhiệt độ
cao.
Cấu tạo của bộ phận tạo nhiệt độ cao thể hiện trong hình vẽ 2.20.
Bao lấy ống thạch anh chứa mẫu 5 (cần giật mẫu) là một ống thạch anh 4 có
đường kính ngoài 10mm. Lò tạo nhiệt độ cao được quấn trên lớp sợi thủy tinh với
độ dài 200 mm (khoảng nhiệt độ đồng nhất dịch chuyển mẫu). Trên phần dây đốt lò lại được quấn đè một lớp sợi thủy tinh năm trong ống thạch anh 3. Với thiết kế là như vậy, vừa đảm bảo việc tăng nhiệt độ bên trong lò vừa giảm việc giảm nhiệt độ
đưa ra ngoài để lấy nguồn điện cung cấp. Một ống thạch anh 2 có đường kính 25mm bao lấy phần tạo nhiệt và cần dịch chuyển mẫu. Đầu dưới của ống bịt kín, đầu trên nối với một ống nối với máy hút chân không. Như vậy toàn bộ môi trường bên trong
ống thạch anh 2 và bên ngoài ống thạch anh 5 đều là môi trường chân không khi cần nâng nhiệt độ cho mẫu ở trong lò.
Ống nhựa 1 có đường kính 50mm, phía dưới có đường nước vào, phía trên có đường nước ra bao lấy ống thạch anh 2. Như vậy, môi trường bên trong ống 1 và bên ngoài ống 2 là môi trường nước để làm mát khi lò hoạt động (không để nhiệt độ
cao ảnh hưởng tới cuộn cảm ứng). Hình ảnh bộ phận tạo nhiệt độ và đường hút chân không cho trong hình 2.21 và 2.22.
Hình 2.20. Cấu tạo bộ phận tạo nhiệt độ cao
Hình 2.21. Hình ảnh bộ phận tạo nhiệt độ cao
Ống dẫn tới bơm chân không Khóa Cần dịch chuyển mẫu gắn với xi lanh Ống liên thông
Hình 2.22. Đường hút chân không ở bộ phận tạo nhiệt
Nhưđã trình bày ở trên, mẫu từ cần đo được đặt ở đáy của ống thạch anh 5