- Máy khuấy từ gia nhiệt Van điều chỉnh
T tr ng ngoài
4.5.2 Hệ thống từ trường hiệu dịch
4.5.2.1 Thiết kế cấu hình nam châm điện
Theo nguyên lý đo đạc đã được nghiên cứu trong mục 4.2.2, từ trường hiệu dịch tạo bởi hệ nam châm điện có phương vuông góc với từ trường từ hóa mẫu đo (xem Hình 4.9). Như vậy hệ nam châm điện nghiên cứu cần được thiết kế để từ trường mà hệ tạo ra có phương đáp ứng được yêu cầu này của hệ đo. Ngoài ra, hệ sensor cần có khoảng không gian bên trong để có thể chứa đựng sensor và mẫu đo. Trong trường hợp này mẫu đo được gắn lên giá giữ mẫu (sample holder) cố định trên thanh trượt của hệ quét tín hiệu.
Để thực hiện được các yêu cầu này, hệ nam châm điện cần có cấu hình Helmholtz chuẩn, như trình bày trên Hình 4.31. Cặp cuộn Helmholtz bao gồm 2 cuôn dây hình tròn được chế tạo giống nhau (cùng loại dây dẫn, cùng số vòng, cùng giá trị điện trở tổng cộng) mắc nối tiếp, đặt đồng trục và cách nhau một khoảng đúng bằng bán kính của cuộn [119]. Từ trường ở vùng tâm của cuộn Helmholtz là từ trường đều, có phương song song với trục 2 cuộn dây và có độ lớn được tính theo công thức:
(*)
(a)
(b)
Hình 4.31. Cấu hình cuộn Helmholtz tròn
(a) và đường sức từ mô tả miền từ trường
128
trong đó µ0 là độ từ thẩm của không khí, µ0 = 1,26×10-6 T.m/A; n là số vòng dây của một cuộn dây; I là cường độ dòng điện chạy trong cuộn dây; R là bán kính của cuộn dây. Theo công thức (*), từ trường B ở tâm của cặp cuộn Helmholtz phụ thuộc vào các thông số µ0, n, R và I, trong đó 3 thông số đầu là những hằng số của cuộn dây. Như vậy, độ lớn của B tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy trong cuộn dây. Với mỗi một giá trị B yêu cầu sẽ có một giá trị của I tương ứng. Mối liên hệ tuyến tính này hết sức có ý nghĩa trong thực nghiệm khi cần phải thiết lập một giá trị B trong một dải giá trị nào đó thông qua điều chỉnh dòng điện. Mối liên hệ này cũng cho thấy độ ổn định của B
phụ thuộc vào độ ổn định của dòng điện I. Điều này phù hợp với các phương pháp khống chế nhiễu sử dụng mạch điện tử.
Có thể nhận thấy cuộn Helmholtz được sử dụng trong rất nhiều phép đo từ, đặc biệt là vùng từ trường nhỏ gần với từ trường trái đất [120]. Ngoài chức năng tạo ra từ trường đều hỗ trợ sensor đo đạc, cuộn Helmholtz còn là công cụ giúp hiệu chỉnh từ trường trái đất trong các phép đo từ cần độ chính xác cao, ở đó 3 cặp cuộn Helmholtz được sử dụng đồng thời theo 3 trục x, y, và z (gọi là cuộn Helmholtz 3 trục) với mục đích tạo ra một từ trường theo một hướng bất kỳ để bù trừ gần như hoàn toàn từ trường trái đất tại điểm đó [121]. Hệ thống bù trừ này tương đối phức tạp vì nó đòi hỏi một hệ thống xử lý cơ điện tử tự động với độ chính xác cao. Chức năng này của cuộn Helmholtz tương tự như chức năng chắn từ của vật liệu chắn từ, do vậy trường hợp này cuộn Helmholtz được gọi là màn chắn từ tích cực.
Trong nghiên cứu này, cuộn Helmholtz được sử dụng với mục đích tạo ra từ trường đồng nhất và ổn định để thực hiện chức năng hiệu dịch điểm làm việc của sensor, phục vụ sensor đo đạc. Tuy cuộn Helmholtz có nhiều ưu điểm và phù hợp với yêu cầu đặt ra cho một hệ thống nam châm điện trong nghiên cứu này, cấu hình cuộn hình tròn như trên khó có thể áp dụng khi
129
được tích hợp với một hệ quét tín hiệu được chế tạo trong nghiên cứu. Có ít nhất hai lý do sau đây làm cho cấu hình Helmholtz cuộn hình tròn khó khả thi:
- Cuộn hình tròn có đường kính trong hình tròn, điều này làm hạn chế không gian sử dụng và vận hành khi có một thanh trượt dịch chuyển qua lại dọc theo trục cặp cuộn Helmholtz.
- Cuộn hình tròn cần giá đỡ để đứng vững trong hệ thống, làm phức tạp thêm thiết kế của cả hệ đo.
Để khắc phục hai yếu tố này, cấu hình cuộn Helmholtz phù hợp là cấu hình Helmholtz dạng vuông. Về mặt lý thuyết, cấu hình cuộn hình vuông có đôi chút khác biệt trong giá trị từ trường ở vùng góc của mỗi cuộn vuông. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chúng ta chỉ quan tâm đến vùng từ trường đồng nhất tại tâm cặp để hiệu dịch điểm làm việc của cảm biến đặt tại tâm. Hơn nữa, về mặt thực nghiệm thì từ trường vùng gần tâm cuộn không khác biệt so với cấu hình cuộn tròn. Đó là lý do
chúng ta hoàn toàn có thể áp dụng cấu hình vuông vào nghiên cứu [122]. Để tính toán từ trường gần tâm cuộn theo cấu hình vuông, công thức (*) nêu trên vẫn được áp dụng đúng. Điểm khác biệt duy nhất trong công thức (*) ở trên là bán kính R được thay bằng chiều dài của nửa cạnh hình vuông a của
mỗi cuộn dây. Lưu ý rằng, khi cuộn dây có một bề dày nhất định thì các giá trị R hoặc a cần thiết phải là các giá trị hiệu dụng Reff hoặc aeff (giá trị nằm giữa 2 giá trị cực tiểu và cực đại) tương ứng của cuộn dây đó. Để cụ thể hơn
Reff
1.1.1.1
Hình 4.32. Cuộn dây tròn và vuông có
cùng giá trị lý thuyết R. Trong đó Reff là giá trị hiệu dụng dùng trong thực
130
cho các lập luận trên, Hình 4.32 trình bày hai loại cuộn dây hình tròn và hình vuông có cùng giá trị R hoặc a, đồng thời chỉ ra giá trị hiệu dụng của chúng.
Theo tính toán lý thuyết, từ trường đồng nhất là vùng thể tích ở tâm của cặp cuộn Helmholtz giới hạn bởi ± R/2 cho cấu hình Helmholtz tròn và ± a/4 cho cấu hình Helmholtz vuông, theo cả 3 chiều x, y và z. Vùng đồng nhất này cần có thể tích đủ lớn để có thể chứa được hệ sensor và giá gắn sensor đã chế tạo đồng thời cũng đảm bảo đồng nhất cho cả vùng quét cực đại của mẫu đo tính từ biên độ dịch chuyển âm tới biên độ dịch chuyển dương của chu trình quét. Theo thiết kế của hệ thống quét và hệ sensor-giá gắn, vùng đồng nhất này cần có một thể tích tối thiểu bằng 40 mm × 30 mm × 40 mm. Như vậy, thể tích này tương đương với cuộn Helmholtz vuông có kích thước tối thiểu là 100 mm × 100 mm đến 140 mm × 140 mm. Từ giá trị này, kích thước cặp cuộn Helmholtz được tính toán và tìm ra một giá trị tối ưu nhờ việc sử dụng một phần mềm mô phỏng từ trường cho một chuỗi các kích thước khả dĩ phù hợp với hệ đo.
4.5.2.2 Mô phỏng từ trường tạo ra để tiến hành tối ưu hóa cấu hình
Ở nội dung này, nguyên tắc chung chạy mô phỏng là: Trước tiên các kích thước khả dĩ khác nhau của hệ nam châm (cặp cuộn Helmholtz) lần lượt được đưa vào tính toán. Sau đó, kết quả tốt nhất được lựa chọn và đưa vào chế tạo phần cứng có cùng thông số. Việc chạy mô phỏng được thực hiện nhờ phần mềm MagNet® đã giới thiệu ở mục trên. Ngoài ra, các kết quả cũng được kiểm chứng nhờ sử dụng một số phần mềm khác như Maxwell® v.12 (Ansoft Corp) [123] hay Wolfram Demonstration [124].
Một phép mô phỏng điển hình cho 1 kích thước cuộn Helmholtz bao gồm các thông số sau:
- Kích thước mỗi cuộn dây - Bán kính góc cuộn dây