Metal Dedektörleri Çalışma Prensibi ve Örnek Uygulama

Metal dedektörler uygulamalarıyla sıklıkla karşılaştığımız, temel elektromanyetik presiplerinin anlaşılması için uygun gördüğüm bir uygulamadır. Metal dedektörü bir yüzey altı görüntüleme cihazıdır. Bunu yaparken Faraday'ın Elekromanyetik İndüksiyon Yasası'ndan yararlanmaktadır. Sistem olarak yüzey altı görüntüleme sınıfında olan diğer yapılara göre daha basit sistematik yapılara sahiptirler. Bu yazıda temel prensiplerinden bahsedeceğiz ve daha sonra bir uygulama üzerinden teknik incelemesini yapacağız.

Metal dedektörlerinin temel komponentlerinden biri anten görevi gören Bobin kısmıdır. Dairesel şekilde olan bu bobin üzerinden elektriksel devreler aracılığıyla elektrik akımı oluşturulur. Bu elektrik akımı bobin üzerinde dolaştığında bobin yüzeyinde / boşluğunda bir manyetik alan oluşur. Burada manyetik alanın oluşumunu ve oluştuğu yönü elektromanyetiğin temel yasalarından olan sağ el kuralı ile açıklayabiliriz.

Görselde sol tarafta bir metal dedektörü bobinin yapısını görebiliriz. Burada değerler örnek olarak gösterilmiştir. Sağ taraftaki görselde ise bobin üzerinden elektrik akımının olması durumunda manyetik alanın hangi yönde oluşacağı gösterilmiştir. Sağ el kuralı buradan anlaşılıyor zaten.

Temel prensip olarak Faraday Yasası'nın kullanıldığından bahsetmiştik. Manyetik alan oluşması ile bobinin yüzeyine/boşluğuna yakın, yani manyetik alan çizgilerinin doğrultusunda kalan bir cisim eğer metalik yapıdaysa üzerinde bir elektrik akım döngüsü oluşacaktır. Bu akıma Eddy Akımı denmektedir. Aşağıdaki görseldeki yapı burada referans olarak alınabilir. Görüldüğü üzere bobinden geçen akım bir manyetik alan oluşturur ve etraftaki iletken  malzeme üzerinde Eddy Akımı görülmektedir.

Bobinin yüzeyinde kalan bu iletkenden de bobine bir cevap dönecektir. Bu cevap, elektromanyetik kanunlarına göre işlemektedir. Burada metal malzemenin ağırlığının hiçbir önemli yoktur. Malzemenin iletkenlik karakteristiği önemlidir İncecik bir aluminyum folyo bile ağır bir cıvatadan daha güçlü tepki verecektir.

Faraday Yasası

Faraday'ın Indüksiyon yasası derki: bir kapalı yüzeydeki manyetik alan değişimi, belirli uzunluktaki bir telde (çizgisel uzunluk)  elektrik alan oluşturur. Bunun matematiksel ifadesi aşağıdaki gibidir.

Maxwell'in denklemlerinde de karşımıza çıkan bu temel yasada "Rotasyonel E" ile gösterilen kısım tel üzerindeki elektrik alanı temsil eder. Yani aslında elektrik akımından bahseder. Sağ taraf ise değişen manyetik alanı temsil eder. Bunu daha da açarsak,

Rotasyonel kısmını açtığımızda denklemin bir başka ifade ediliş şekli 2 numaralı formülde görülmektedir. Yukarıda bahsettiğimiz durumlar burada daha net bir şekilde ifade edilmiştir.

Bir yüzeydeki manyetik alanın toplamını akı ile ifade ettiğimize göre aşağıdaki ifadeyi de elde edebiliriz.

2 ve 3 numaralı ifadeleri ele aldığımızda değişen manyetik akının çizgisel bir tel iletkende oluşturacağı elektrik alan Lenz Kanunun'da İnduklenen Elektromotor Kuvveti olarak belirtilmiştr. İndüklenen EMK'nın formülü de böylelikle,

şeklinde ifade edilir. 2 nolu denklemde sol tarafta "dl", 4. denklemde "ds" olarak görülmesinin sebebi halka şeklinde bir tel kullanılmasından kaynaklıdır. Yani kapalı tel aslında bir yüzeyi de temsil eder aynı zamanda. Elektromotor kuvveti bu kapalı halka şeklindeki telde oluşacaktır. Odaklanılması gereken kısım "değişen manyetik akının bir elektromotor kuvveti oluşturuyor olması" dır. Elektromotor kuvveti dediğimiz şey de bir nevi elektrik voltajı olduğu için tel üzerindeki yüklerin hareketine etki eden kuvvettir. Yani elektriksel bir parametre, bir durumdur.   Aşağıdaki görselde de bu matematiksel ifadelerin bütününün görselleştirilmiş hali bulunmaktadır.

Faraday'ın Induksiyon Yasası'ndan öğrendiğimize göre metal cisimden bobine manyetik alan kuvveti olarak cevap dönecektir. Çünkü Eddy akımından ötürü daha önce bobindeki hareketin benzeri burada gerçekleşir. Bobine etki eden manyetik alan da bobin üzerinde tekrar bir elektrik akımı oluşmasına sebep olur. Bu sırada bobinin de endüktansı değişir. Buradaki değişimi daha iyi anlamak için örnek değerlerle konuşursak, 1Henry'lik bir bobin olsun kullandığımız bobin elemanı. Metal malzemenin tepkisiyle bobinde oluşan akımın değeri 1A olsun. Bu durumda bobin üzerine düşecek gerilim değeri de 1V olacaktır. 

Bobinle etkileşimde olan metal malzemenin türüne göre metalin etkisiyle bobinin endüktansı artar veya azalır.  Manyetik özelliği düşük olan bakır veya aluminyum gibi malzemeler , üzerlerinde oluşan Eddy akımları sayesinde lokal manyetik alan kuvvetlerinin yoğunluğunu azaltırlar ve bu da bobinin endüktans değerini düşürür. Tam tersi özelliğe sahip Ferro manyetik malzemeler (örneğin demir) ise bobinin endüktans değerinin artmasını sağlar. 

Uygulama

Bahsettiğimiz bu etki ve tepkiler sonucunda değişen bobinin endüktans değerindeki değişimleri algılayarak etraftaki metal malzemelerin hangi türde veya yoğunlukta olduğu anlaşılır. Bu yazıda bahsi geçen uygulamada endüktans değerinin anlaşılması için birer tane direnç, diyot ve kapasite elemanları kullanılmıştır. Dirençle bobin aynı zamanda yüksek geçiren bir LR filtre olarak çalışmaktadır. Bu LR filtre girişine gönderilen belli bir frekanstaki kare dalga, LR filtreden geçerken alçak ferkans bileşenleri  filreden geçemeyecekk ve bobin üzeinden geçebildikleri için bobin etrafında oluşacak olan manyetik alanı oluşturacaktır. Yüksek frekanslı bileşenler ise LR filtreden geçerek bobinin değerine göre devrenin çıkışında bir gerilim değeri olarak algılanacaktır. Yüksek frekans bileşenlerinin uzunluğu da LR filtrenin karakteristiği olan Tau değeriyle belirlenir. 

Tau = L /R 

ile hesaplanır.

Yüksek frekanslı bileşenler LR filtreden geçtikten sonra gerilim değeri olarak okunması için diyot ve kaapasitör konulduğunu söyledik. Bu kısa süreli darbe şeklindeki sinyaller yaklasık 5us genişliğindedir. Bu da 16MHz kristale sahip olan işlemcimiz için algılanması zor sinyaller olmasını sağlar. Bunları doğrudan işlemcinin pinlerinden okumak yerine bir kapasitörü şarj etmeleri sağlanır. Böylece kapasitör üzerinde oluşturacakları gerilim, ADC bloğu tarafından kolayca okunabilir. Yaklaşık 0.5us'lik 25mA civarındaki darbe sinyali 12.5nC'luk yük anlamına gelir. Bu yük 10nF bir kapasitör üzerinde yaklaşık 1.25V gerilim oluşmasını sağlar. Arada LR filtresini ve kare dalga sinyali üretilen portu korumak için koyulan diyot da darbe gerilimlerini bir miktar azaltacağı için darbeler birkaç kez tekrarlanır ki kapasitör üzerindeki gerilim ADC tarafından düzgünce algılansın. Yaklasık 2V gibi bir değer okunması sağlanır. Kapasitör üzerindeki gerilim analog bir şekilde ADC tarafından okunduktan sonra kapasitöre bu pinden bir sinyal gönderilir ve kapasitördeki yük hızlıca boşaltılır. Böylece gerilim seviyesi de 0V'a indirilmiş olur. Bir sonraki okunacak değer için ortam hazırlanmış olur. Bu doldur boşalt işlemi ve ADC'nin okuma süresi toplam yaklaşık olarak 200us kadardır. 

Bu metotla bobin elemanın gerçek endüktans değerini bulmak fikri akla gelebilir ama böyle bir ölçüm için bu uygulama uygun bir yapıya sahip değildir. Burada sadece  endüktans değerindeki küçük değişimler algılanır ve bu da ancak metal yapıların bobine yakın olması sayesinde gerçekleşebilir. 

Kaynaklar

https://www.instructables.com/id/Simple-Arduino-Metal-Detector/

https://www.comsol.fr/paper/finite-element-model-based-optimization-of-pulsed-eddy-current-excitation-rise-t-31633

https://www.physicsforums.com/threads/understand-faradays-law-and-lenz-law.970984/

https://player.slideplayer.biz.tr/11/3096649/#