Pokroky v měření excentricity kabelů založeném na elektromagnetické indukci: Překonání vibrací a zvýšení přesnosti
Jedním z hlavních problémů při měření excentricity kabelů online je vysoká rychlost pohybu kabelu. To vyžaduje náklaďové měřicí zařízení, které dokáže zvládnout vibrace kabelu. Rentgenové excentrometry kabelů, založené na optickém transmisním zobrazování, měří rozměry obrysu více vrstev, aby vypočítaly geometrické střed vodiče vzhledem k excentricitě izolace. Avšak mají své nedostatky: pomalou měřicí rychlost (pouze několikrát za sekundu), zvýšené chyby způsobené vibracemi kabelu a vysoké náklady.
1 Princip elektromagneticko-indukčních excentrometrů kabelů
Elektromagneticko-indukční excentrometry kabelů kombinují optické měření průměru a detekci vodiče pomocí elektromagnetické indukce. Měří elektrické středisko vodiče (lepší než geometrická excentricita) s vysokou rychlostí tisíců měření za sekundu. Rychlejší měření snižuje dopady vibrací a nahrazuje rentgenová zařízení v případech, kdy není potřeba měření vícevrstevných rozměrů.
Současné importované produkty (podle veřejných principů) používají čtyři indukční cívek pro detekci magnetických polí (viz obrázek 1). Některé určují střed vodiče prostřednictvím stejné síly signálu (pokud jsou nerovné, okno se upravuje motory); jiné vypočítávají střed vodiče z detekované síly signálu.
2 Kontrola přesnosti měření
Úprava motoru zahrnuje proces, který nevyhnutelně způsobuje prodlevu. To vede k desynchronizaci mezi měřením izolace a vodiče, což vytváří chyby prodlevy – s rostoucími vibracemi kabelu dochází k větším chybám. V praxi se tento nedostatek projevuje tak, že pokud dojde k vibracím kabelu, výsledky měření excentricity se stávají nestabilními s kolísáním přesahujícím 1 %. To odráží chybu měření zařízení, nikoli skutečný stav kabelu.
Nicméně, posuzování středování vodiče podle stejné síly signálu není vždy platné. Zákon Biot-Savart říká: magnetická indukční intenzita (B) vyvolaná prvkem proudem Idl v libovolném bodě prostoru ve vzdálenosti r je:
Tento vzorec naznačuje, že magnetická indukční intenzita je nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti a přímo úměrná sinusu směrového úhlu θ, jak je znázorněno na obrázku 2.
Na základě toho bylo provedeno simulované výpočetní vyjádření vztahu mezi intenzitami magnetického pole v čtyřech bodech v prostoru. Pro ulehčení byl vytvořen model, jak je znázorněno na obrázku 3.
Body 1, 2, 3 a 4 jsou ortogonálně a symetricky rozděleny, s O jako středovým bodem. Nechť prvek proudů se pohybuje podél osy OP mezi osami 2 a 3. Podle vzorce (1), když prvek proudů je v libovolném bodě na OP, platí B1 = B4 a B2 = B3. Proto stačí zkontrolovat změnu B1/B2 s ∠θ. Po výpočtu byla získána sada dat a byl vytvořen graf s rozptylem, jak je uvedeno v tabulce 1 a obrázku 4.
Jak je vidět na obrázku 4, trend je nepravidelnou křivkou. S rostoucím ∠θ klesá B1/B2 z 1 na ~0,268 (min), pak se opět zvýší zpět na 1. Když jsou magnetická pole v čtyřech bodech rovnocenná, prvek proudů je daleko od středu O. V intervalu má každá hodnota (kromě min) dva body – blíže k min, body jsou bližší.
To platí pro jeden kvadrant a stejně tak pro ostatní. Spoléhat na magnitudy magnetického pole v čtyřech bodech nelze pro posouzení středování vodiče nebo určení jeho středu (magnetické pole je vektor, ne skalár).
Proto, aby byl vyvinut lepší excentrometer, je třeba se vyhnout slepému následování zahraničních firem. Nový princip: měření směrových úhlů θ₁, θ₂ v P₁/P₂ pro určení středu zdroje O (obrázek 5).
Tento princip lze geometricky shrnout takto: Trojúhelník je jednoznačně určen jednou stranou a dvěma sousedními úhly. Ačkoli to platí, praktická implementace vyžaduje rychlé a přesné měření slabých magnetických polí.
Vodiče kabelů vyvolávají přibližně 10 mA proudu v externích střídavých polích. Senzory, umístěné od kabelů, detekují slabá (~desítky nT) pole – což vyžaduje vysokou citlivost, frekvenční odezvu a nízký šum (vlastní šum ovlivňuje přesnost).
3 Implementace elektromagneticko-indukčních excentrometrů
Většina importovaných produktů používá cívekové senzory; tento článek volí magnetoresistivní senzory. Malé senzory integrují elektromagnetická a optická měření na stejném průřezu (minimalizace chyb), s vysokou konzistencí mezi senzory. Magnetoresistivní senzory založené na litografii jsou ideální. Naopak, importované produkty s cívekovými senzory oddělují měření, považují nerozlišitelné segmenty vodiče za identické – což zvyšuje chyby.
Magnetoresistivní měření: 1000/s měření, opakovatelnost ±2% (100–200 nT), ±0,2% pro průměr 1000 měření, lineárnost <0,5%. Porovnání s importy je omezené (žádná data).
Kombinace s rychlým LED×CCD optickým měřením umožňuje reálně časové měření excentricity (obrázek 6).
Během každého měření jsou synchronně získány pozice čtyř bodů (A, B, C, D) na vrstvě izolace a pozice středového bodu vodiče P. Excentricity v X a Y směru a celková excentricita jsou vypočítány pomocí následujících vzorců:
Pro každé měření jsou ex, ey a e průměrovány (nad stanovený počet vzorků) jako konečný výsledek excentricity. Pro zobrazení soustřednosti použijte Soustřednost = 1 - Excentricita. Δx/Δy (odchylky v X/Y směru) umožňují reálně časovou úpravu hlavy extruderu pro automatickou korekci excentricity kabelu.
Rychlejší měření snižuje chyby způsobené vibracemi: 1000 měření za sekundu dosahují tisícinové přesnosti. Většina importovaných produktů (stovky měření za sekundu) tvrdí přesnost excentricity za předpokladu, že vodič je v centru (shodná s přesností vnějšího průměru, daná jako ±μm absolutní hodnoty, ne procenta – nekompatibilní).
3.1 Měření průměru LED×CCD
Založeno na telecentrické optice, používá blokování světla pro vytvoření jasných a tmavých oblastí CCD. Algoritmy analyzují hrany pro výpočet rozměrů. Globální expozice CCD (současná detekce pixelů) způsobuje rozmazání hran kvůli vibracím (vertikální → šikmé čáry), ale algoritmy rozlišují hrany a eliminují chyby.
3.2 Poznámky k optickému měření průměru
Není hlavním zaměřením, ale klíčové: Měření excentricity kabelu vyžaduje reálně časový optický zachycení čtyř vrcholových pozic vrstvy izolace (nejen rozměry). Metody skenování laserem pomocí motoru riskují chyby asynchronního měření. Proto je kritické synchronizovat optická a elektromagnetická měření pro vývoj přístroje.
4 Závěr
Přístroj založený na elektromagnetické indukci rychle měří elektrické středisko vodiče s nízkými náklady a výhodami. Odstraňuje nedostatky elektromagnetického měření importovaných produktů, vyvíjí nový fotoelektromagnetický excentrometer kabelů (tisícinová přesnost). Technologie se vyvíjí – budoucí pokroky v materiálech umožní vyšší přesnost a podpoří pokrok v průmyslu.
