Avanços en la mesura de l'excentricitat dels cables basada en la inducció electromagnètica: superant el jitter i millorant la precisió
Un dels reptes principals en la mesura de l'excentricitat del cablal en línia és el moviment d'alta velocitat del cable. Això requereix equipament de mesura sense contacte que pugui gestionar la vibració del cable. Els excentrímetres de cablal basats en raigs X, basats en imatges de transmissió òptica, mesuren les dimensions del contorn de diverses capes per calcular el centre geomètric del conductor en relació a l'excentricitat de l'aïllament. No obstant això, tenen inconvenients: una velocitat de mesura lenta (només unes poques vegades per segon), errors augmentats deguts a la vibració del cable i un cost elevat.
1 Principi dels excentrímetres de cablal basats en inducció electromagnètica
Els excentrímetres de cablal basats en inducció electromagnètica combinen la mesura del diàmetre òptic i la detecció del conductor mitjançant inducció electromagnètica. Mesuren el centre elèctric del conductor (superior a l'excentricitat geomètrica), amb una velocitat d'aleshores de milers de mesures per segon. Una mesura més ràpida reduix l'impacte de la vibració, reemplaçant els dispositius de raigs X en escenaris sense requisits de dimensions de diverses capes.
Els productes importats actuals (segons principis públics) utilitzen quatre bobines inductives per detectar camps magnètics (com es mostra en la Figura 1). Alguns determinen el centrat del conductor mitjançant una força de senyal igual (ajustant la finestra amb motors si no són iguals); altres calculen el centre del conductor a partir de la força de senyal detectada.
2 Control de la precisió de la mesura
L'ajustament del motor implica un procés, inevitablement causant retard. Això porta a una desincronització entre les mesures de l'aïllament i el conductor, creant errors de retard—una vibració del cable més severa resulta en errors més grans. En la pràctica, aquest defecte es manifesta: si hi ha vibració del cable, els resultats de la mesura de l'excentricitat esdevenen instables, amb fluctuacions superiors al 1%. Això reflecteix l'error de mesura de l'equipament, no la condició real del cable.
No obstant això, jutjar el centrat del conductor per la força de senyal igual no és sempre vàlid. La llei de Biot-Savart estableix: la intensitat d'inducció magnètica (B) excitada per un element de corrent Idl en qualsevol punt de l'espai a una distància r és:
Aquesta fórmula indica que la intensitat d'inducció magnètica és inversament proporcional al quadrat de la distància i proporcional al sinus de l'angle de direcció θ, com es mostra en la Figura 2.
Basant-nos en això, es realitza un càlcul de simulació de la relació entre les intensitats del camp magnètic a quatre punts de l'espai. Per a la comoditat, es crea un model com es mostra en la Figura 3.
Els punts 1, 2, 3 i 4 estan distribuïts ortogonalment i simètricament, amb O com a punt central. Es fa que l'element de corrent es mogui a través de la línia mitjana OP dels eixos 2 i 3. Segons la Fórmula (1), quan l'element de corrent està en qualsevol punt de OP, B1 = B4 i B2 = B3 es compleixen. Així, només cal examinar la variació de B1/B2 amb ∠θ. Després del càlcul, es genera un conjunt de dades i un gràfic de tendència dispersa, com es mostra a la Taula 1 i la Figura 4.
Com es pot veure en la Figura 4, la tendència és una corba irregular. A mesura que ∠θ augmenta, B1/B2 baixa de 1 a ~0,268 (mínim), després augmenta de nou fins a 1. Mentre els camps magnètics a quatre punts es igualen, l'element de corrent està lluny del centre O. En l'interval, cada valor (excepte el mínim) té dos punts—més proper al mínim, els punts estan més a prop.
Això es pot aplicar a un quadrant, i el mateix es compleix per als altres. Relying on four-point magnetic field magnitudes can’t judge conductor centering or determine its center (magnetic field is a vector, not scalar).
Per tant, per desenvolupar un millor excentrímetre, eviteu seguir cegament les empreses estrangeres. Un nou principi: mesura els angles de direcció del camp magnètic θ₁, θ₂ a P₁/P₂ per determinar el centre de la font O (Figura 5).
Aquest principi es resumeix geomètricament com: Un triangle es determina de manera única per un costat i dos angles adjacents. Si bé això es compleix, la implementació pràctica requereix una mesura de camps magnètics febles amb alta velocitat i alta precisió.
Els conductors de cablal indueixen una corrent d'uns 10mA en camps alterns externs. Els sensors, separats dels cables, detecten camps febles (d'unes dezenes de nT)—requerint una alta sensibilitat, resposta de freqüència i baix soroll (el soroll inherent afecta la precisió).
3 Implementació dels excentrímetres basats en inducció electromagnètica
La majoria dels productes importats utilitzen sensors de bobina; aquest article selecciona sensors de magnetorresistència. Sensors de petita mida integren mesures electromagnètiques i òptiques en la mateixa secció transversal (minimitzant errors), amb una alta consistència entre sensors. Els sensors de magnetorresistència basats en litografia són ideals. En contraposició, els productes importats amb sensors de bobina separen les mesures, tractant els segments de conductor no òptics com idèntics—augmentant els errors.
Mesures basades en magnetorresistència: 1000/s mesures, repetibilitat de ±2% (100-200nT), ±0,2% per a mitjanes de 1000 mesures, linealitat <0,5%. Les comparacions amb importacions són limitades (no hi ha dades).
Combinant amb mesura òptica ràpida LED×CCD permet la mesura d'excentricitat en temps real (Figura 6).
En cada mesura, es obtenen sincrònicament les posicions de quatre punts (A, B, C, D) a la capa d'aïllament i la posició del punt central del conductor P. S'utilitzen les fórmules següents per calcular les excentricitats en les direccions X i Y i la excentricitat total:
Per a cada mesura, ex, ey, i e s'averiguen (sobre un nombre fix de mostres) com a resultat final d'excentricitat. Per mostrar la concentricitat, utilitzeu Concentricitat = 1 - Excentricitat. Δx/Δy (desviacions en les direccions X/Y) permeten ajustos en temps real de la cap d'extrusió per a la correcció automàtica de l'excentricitat del cable.
Velocitats de mesura més ràpides reduïxen els errors de vibració: 1000 mesures/segon assolen una precisió de milèsimes. La majoria dels productes importats (centenars de mesures/segon) reclamen una precisió d'excentricitat assumint un conductor centrat (coincidint amb la precisió del diàmetre exterior, donada en ±μm valors absoluts, no percentuals—no compliant).
3.1 Mesura del diàmetre LED×CCD
Basat en òptica telecèntrica, utilitza l'obstrucció de llum per crear regions CCD brillants i fosques. Algoritmes analitzen els vora per calcular les dimensions. L'exposició global del CCD (sentiment de píxels simultani) causa un embot de vora degut a la vibració (vertical → línies inclinades), però els algoritmes resolen les voras i eliminen els errors.
3.2 Notes sobre la mesura del diàmetre òptic
No és el focus, però clau: La mesura de l'excentricitat del cable requereix la captura òptica en temps real de les posicions de quatre vèrtexs de la capa d'aïllament (no només les dimensions). Els mètodes de llaser escanejats amb motor presenten riscos d'errors de mesura asincrònica. Així, la sincronització de les mesures òptiques i electromagnètiques és crítica per al desenvolupament de l'instrument.
4 Conclusió
L'instrument basat en inducció electromagnètica mesura ràpidament el centre elèctric del conductor, amb un cost baix i avantatges. Abordant els defectes de mesura electromagnètica dels productes importats, s'ha desenvolupat un nou excentrímetre de cablal fotoelectromagnètic (precisió de milèsimes). La tecnologia evoluciona—els futurs avanços en materials permetran una precisió més alta, impulsant el progrés de la indústria.
