Avances en la Medición de Excentricidad de Cables Basada en Inducción Electromagnética: Superando el Parpadeo y Mejorando la Precisión
Un desafío fundamental en la medición de la excentricidad del cable en línea es el movimiento de alta velocidad del cable. Esto requiere equipos de medición sin contacto que puedan manejar el temblor del cable. Los excentrímetros de cable basados en rayos X, que se basan en la imagen de transmisión óptica, miden las dimensiones del contorno de varias capas para calcular el centro geométrico de los conductores en relación con la excentricidad del aislamiento. Sin embargo, tienen inconvenientes: velocidad de medición lenta (solo unas pocas veces por segundo), aumento de errores debido al temblor del cable y altos costos.
1 Principio de los Excentrímetros de Cable Basados en Inducción Electromagnética
Los excentrímetros de cable basados en inducción electromagnética combinan la medición del diámetro óptico y la inducción electromagnética para la detección de los conductores. Miden el centro eléctrico del conductor (superior a la excentricidad geométrica), con una alta velocidad de miles de mediciones por segundo. Una medición más rápida reduce los impactos del temblor, reemplazando los dispositivos de rayos X en escenarios sin requisitos de dimensiones de múltiples capas.
Los productos importados actuales (según principios públicos) utilizan cuatro bobinas inductivas para detectar campos magnéticos (como en la Figura 1). Algunos determinan el centrado del conductor a través de una fuerza de señal igual (ajustando la ventana con motores si no son iguales); otros calculan el centro del conductor a partir de la fuerza de la señal detectada.
2 Control de Precisión de Medición
El ajuste del motor implica un proceso, lo que inevitablemente causa un retraso. Esto lleva a una desincronización entre las mediciones del aislamiento y del conductor, creando errores de retardo—más severos temblores del cable resultan en mayores errores. En la práctica, este defecto se manifiesta: si ocurre un temblor del cable, los resultados de la medición de la excentricidad se vuelven inestables, con fluctuaciones que superan el 1%. Esto refleja un error de medición del equipo, no la condición real del cable.
Sin embargo, juzgar el centrado del conductor por la igualdad de la fuerza de la señal no siempre es válido. La Ley de Biot-Savart establece: la intensidad de la inducción magnética (B) excitada por un elemento de corriente Idl en cualquier punto del espacio a una distancia r es:
Esta fórmula indica que la intensidad de la inducción magnética es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y proporcional al seno del ángulo de dirección θ, como se muestra en la Figura 2.
Basándose en esto, se realiza un cálculo de simulación de la relación entre las intensidades del campo magnético en cuatro puntos del espacio. Para mayor comodidad, se establece un modelo como se muestra en la Figura 3.
Los puntos 1, 2, 3 y 4 están distribuidos ortogonal y simétricamente, con O como el punto central. Se deja que el elemento de corriente se mueva a lo largo de la línea media OP de los ejes 2 y 3. Según la Fórmula (1), cuando el elemento de corriente está en cualquier punto de OP, B1 = B4 y B2 = B3 se cumplen. Por lo tanto, solo se necesita examinar la variación de B1/B2 con ∠θ. Después del cálculo, se obtiene un conjunto de datos y se genera un gráfico de tendencia dispersa, como se muestra en la Tabla 1 y la Figura 4.
Como se ve en la Figura 4, la tendencia es una curva irregular. A medida que ∠θ aumenta, B1/B2 disminuye de 1 a ~0.268 (mínimo), luego vuelve a subir a 1. Mientras los campos magnéticos en cuatro puntos se igualan, el elemento de corriente está lejos del centro O. En el intervalo, cada valor (excepto el mínimo) tiene dos puntos—más cerca del mínimo, los puntos están más cerca.
Esto se aplica a un cuadrante, y lo mismo se aplica a los demás. Relying on four-point magnetic field magnitudes can't judge conductor centering or determine its center (magnetic field is a vector, not scalar).
Por lo tanto, para desarrollar un mejor excentrímtero, evite seguir ciegamente a las empresas extranjeras. Un nuevo principio: medir los ángulos de dirección del campo magnético θ₁, θ₂ en P₁/P₂ para determinar el centro de origen O (Figura 5).
Este principio se resume geométricamente como: un triángulo se determina de manera única por un lado y dos ángulos adyacentes incluidos. Si bien esto es cierto, la implementación práctica requiere una medición de alta velocidad y alta precisión de campos magnéticos débiles.
Los conductores de cable inducen una corriente de aproximadamente 10mA en campos externos alternantes. Los sensores, espaciados del cable, detectan campos débiles (alrededor de decenas de nT)—lo que requiere alta sensibilidad, respuesta de frecuencia y bajo ruido (el ruido inherente afecta la precisión).
3 Implementación de los Excentrímetros Basados en Inducción Electromagnética
La mayoría de los productos importados utilizan sensores de bobina; este documento selecciona sensores magnetorresistivos. Los sensores de pequeño tamaño integran mediciones electromagnéticas y ópticas en la misma sección transversal (minimizando errores), con alta consistencia entre sensores. Los sensores magnetorresistivos basados en litografía son ideales. En contraste, los productos importados con sensores de bobina separan las mediciones, tratando los segmentos de conductores no ópticos como idénticos—incrementando los errores.
Mediciones basadas en magnetorresistencia: 1000/s mediciones, repetibilidad de ±2% (100-200nT), ±0.2% para promedios de 1000 mediciones, linealidad <0.5%. Las comparaciones con importaciones son limitadas (sin datos).
Combinado con la medición óptica rápida LED×CCD, permite la medición en tiempo real de la excentricidad (Figura 6).
Durante cada medición, se obtienen simultáneamente las posiciones de cuatro puntos (A, B, C, D) en la capa de aislamiento y la posición del punto central del conductor. Las excentricidades en las direcciones X e Y y la excentricidad total se calculan utilizando las siguientes fórmulas:
Para cada medición, ex, ey, y e se promedian (sobre un número determinado de muestras) como el resultado final de la excentricidad. Para mostrar la concéntricidad, use Concéntricidad = 1 - Excentricidad. Δx/Δ y (desviaciones en las direcciones X/Y) permiten ajustes en tiempo real de la cabeza del extrusor para la corrección automática de la excentricidad del cable.
Velocidades de medición más rápidas reducen los errores de temblor: 1000 mediciones/segundo logran una precisión de milésimas. La mayoría de los productos importados (cientos de mediciones/segundo) afirman tener una precisión de excentricidad asumiendo un conductor centrado (coincidiendo con la precisión del diámetro externo, dada como ±μm valores absolutos, no porcentajes—no conforme).
3.1 Medición del Diámetro LED×CCD
Basado en óptica telecéntrica, utiliza la interrupción de luz para crear regiones CCD brillantes y oscuras. Los algoritmos analizan los bordes para calcular las dimensiones. La exposición global del CCD (detección simultánea de píxeles) causa un desenfoque de los bordes debido al temblor (vertical → líneas inclinadas), pero los algoritmos resuelven los bordes y eliminan los errores.
3.2 Notas sobre la Medición Óptica del Diámetro
No es el enfoque principal, pero es clave: la medición de la excentricidad del cable requiere la captura óptica en tiempo real de las posiciones de los vértices de la capa de aislamiento (no solo dimensiones). Los métodos de láser escaneados por motor arriesgan errores de medición asincrónica. Por lo tanto, sincronizar las mediciones ópticas y electromagnéticas es crítico para el desarrollo del instrumento.
4 Conclusión
El instrumento basado en inducción electromagnética mide rápidamente el centro eléctrico del conductor, con bajo costo y ventajas. Abordando las deficiencias de las mediciones electromagnéticas de los productos importados, se ha desarrollado un nuevo excentrímtero fotoelectromagnético (precisión de milésimas). La tecnología evoluciona—los avances futuros en materiales permitirán una mayor precisión, impulsando el progreso de la industria.
