Design of an amplifier and an instrumentation setup for a harsh environment heat flux measurement application – case axial flux electric machine

Abstract

Measurement is a tool for researching. Therefore, it is important that the measuring process is carried out correctly, without distorting the signal or the measured event. Researches of thermoelectric phenomena have been focused more on transverse thermoelectric phenomena during recent decades. Transverse Seebeck effect enables to produce thinner and faster heat flux sensor than before. Studies about transverse Seebeck effect have so far focused on materials, so in this Master’s Thesis instrumentation of transverse Seebeck effect based heat flux sensor is studied,

This Master’s Thesis examines an equivalent circuit of transverse Seebeck effect heat flux sensors, their connectivity to electronics and choosing and design a right type amplifier. The research is carried out with a case study which is Gradient Heat Flux Sensors and an electrical motor.

In this work, a general equivalent circuit was presented for the transverse Seebeck effect-based heat flux sensor. An amplifier was designed for the sensor of the case study, and the solution was produced for the measurement of the local heat flux of the electric motor to improve the electromagnetic compatibility.

Mittaaminen on yksi tutkimustyökaluista. Siksi onkin tärkeää, että mittaustapahtuma suori-tetaan oikein ja mittalaite toimii oikealla periaatteella mittaustapahtumaa ja anturin signaalia vääristämättä. Lämpösähköisten ilmiöiden tutkimus on viime vuosikymmeninä keskittynyt yhä enemmän poikittaisiin lämpösähköisiin ilmiöihin. Poikittainen Seebeck-ilmiö mahdollistaa entistä nopeiden ja ohuempien lämpövuoantureiden valmistamisen. Tutki-mukset ovat tähän asti keskittyneet materiaalitutkimuksiin ja sen vuoksi tässä diplomityössä tutkitaan poikittais Seebeck-ilmiöön perustuvien lämpövuoanturien instrumentointia.

Tässä diplomityössä tutkitaan gradientti lämpövuoanturien avulla esimerkkitapauksen kautta poikittaisen Seebeck-ilmiöön perustuvien lämpövuoanturien sijaiskytkentää, liittä-mistä elektroniikkaan, oikean tyyppisen vahvistimen valintaan ja suunnitteluun, sekä tutki-taan mittausympäristön vaikutusta instrumentointiin. Tutkimuskohteena on aksiaalivuo-sähkömoottori, jota on tutkittu aikaisemmin mittaamalla ilmavälin lämpövuota.

Tuloksina tässä työssä esitetään yleinen sijaiskytkentä poikittaiseen Seebeck-ilmiöön pe-rustuville lämpövuoantureille. Antureille suunniteltiin vahvistin sähkömoottorin ilmavälin lämpövuon mittausta varten, sekä tuotettiin ratkaisumalli sähkömoottorissa mittaamisen sähkömagneettisen yhteensopivuuden parantamiseksi.