Sıcaklık bağımlı manyetik karakterizasyon için titreşimli örnek manyetometresi tasarımı

Abstract

Bu çalışmada sabit alan altında fakat değişken sıcaklıklarda ölçüm yapabilen düşük bütçeli bir Titreşimli Örnek Manyetometresi (TÖM) sistemi tasarlanmış ve yapılmıştır. Bu tasarımda, örneğin mıknatıslanması sağlamak için 20 mm çapında halka biçiminde bir çift Nd alaşımlı süper mıknatıs ve mıknatıslanma miktarını ölçmek için onların arasına sarılmış bir algılayıcı bobin saniyede yaklaşık 70 kez titreştirilmektedir. Mıknatıs-bobin sistemini titreştirmek için bir DC motor ve merkezi dışında (merkezinden 2,5 mm uzaklıktaki başka bir eksende) dönen bir volan kullanılmıştır. Volanın yalpalı hareketi doğrusal olarak hareket etmeye zorlanmış bir karbon fiber çubuğa aktarılarak genliği 2,5 mm olan bir sinüzoidal hareket elde edilmiştir. Böylece, titreşim genliği titreşim frekansından bağımsız olarak sabit kalabilmektedir. Algılayıcı bobinde indüklenen gerilimin titreşim frekansı dışında, örneğin 50 Hz şebeke frekansı ve diğer gürültü kaynaklarından gelen başka bileşenler içermesi olasılığına karşı, Kilitlemeli yükselteç (SR830) ile yalnızca titreşim frekansındaki sinyalin ölçülmesi sağlanmıştır. Kilitlemeli yükselteç için gerekli olan referans sinyali titreşen karbon çubuk üzerine yerleştirilen küçük bir mıknatısın karşısında sabit duran bir Hall sensöründen elde edilmiştir. Sistem, dış ortamla olan ısıl teması azaltmak için havası vakum pompası ile boşaltılabilen bir PVC boru içine alınmış ve PVC boru radyasyon yoluyla ısı değiş-tokuşunu engellemek için alüminyum kaplı Mylar reflektörlerle ile sarılmıştır. Örnek sıcaklığının değiştirilebilmesini sağlamak için örnek, içerisinden sıvı azot akışı olan bir bakır boru ile ısıl temas içinde olan sabit bir örnek tutucu üzerine yerleştirilmiştir. Bakır boruya temas halinde bulunan bakır bir levha üzerine yerleştirilen 25 W dirence uygulanan Darbe Genişliği Modülasyonu (PWM) sinyali ile blok sıcaklığı ve dolayısı ile örnek sıcaklığı değiştirilebilmektedir. Örneğin çok yakınına yerleştirilen bir K-tipi ısıl-çift ile örnek sıcaklığı takip edilerek PWM sinyalinin darbe genişliği bir PID denetletici ile istenilen örnek sıcaklığı saylanabilmektedir. Isıl-çiftin ürettiği mikro volt düzeyindeki potansiyel fark bir fark kuvvetlendirici (INA 128) ile yükseltilerek 15 bitlik ds tipi bir Analog Dijital Converter (ADC) (ADS1118) tümleşik devresi ile dijital veriye dönüştürülmüştür. Bu dijital veri AVR tabanlı bir mikro-denetleyicisi (ATmega328P) üzerinde çalıştırılan bir PID algoritması ile işlenerek gerekli PWM sinyalinin üretilmesi sağlanmıştır. Sistemin otomasyonu ve elde edilen verilerin işlenmesi, MATLAB platformunda yazılan bir programla sağlanmıştır.

In this study, a low-cost Vibrating Sample Magnetometer (VSM) system capable of measuring magnetization of samples, under constant field but at variable temperatures, was designed and constructed. In this design, in order to provide an excitation magnetic field to a sample under investigation, a pair of ring-shaped Nd alloy super-magnets 20 mm in diameter are used. A sensor coil wound between the magnets to measure the magnitude of magnetization and the magnets are vibrated about 70 times in a second. A DC motor is used to vibrate the magnet-coil system, and a flywheel that rotates off-center (on another axis, 2.5 mm off from its center) is used. The motion of the flywheel was transferred to a carbon fiber bar that was forced to move linearly, resulting in a sinusoidal motion of 2.5 mm in amplitude. Thus, the vibration amplitude can remain constant regardless of the vibration frequency. With the lock-in amplifier (SR830), it is possible to measure signals only at the vibration frequency against the possibility that the induced voltage in the sensor coil contains other components other than the vibration frequency, e.g. 50 Hz mains frequency and other noise sources. The reference signal for the lock-in amplifier is derived from a Hall sensor that is stationary with respect to a small magnet placed on the vibrating carbon rod. The system is housed in a PVC pipe that can be evacuated by a vacuum pump to reduce the thermal contact with the outside, and the PVC pipe is wrapped with aluminum coated Mylar reflectors to prevent heat exchange through the radiation. To enable the sample temperature to be changed, the sample is placed on a fixed sample holder, which is in thermal contact with a copper tube with a flow of liquid nitrogen through it. The block temperature and thus the sample temperature can be changed with a Pulse Width Modulation (PWM) signal applied to a 25 W resistor placed on a copper plate in contact with a copper pipe. In order for monitoring the temperature of the sample, a K-type thermocouple placed very close to the sample holder. The desired sample temperature can be achieved with a PID controller by adjusting the pulse width (duty cycle) of the PWM signal. The potential difference in the microvolt level produced by the thermocouple is amplified by a differential amplifier (INA 128) and converted into digital data by a 15-bit ds type Analog Digital Converter (ADC) (ADS1118). This digital data is processed with a PID algorithm embedded in an AVR based microcontroller (ATmega328P) to generate the required PWM signal. The automation of the system and the processing of the obtained data is provided by a program written in the MATLAB platform.