پیشرفت‌ها در اندازه‌گیری کمانش سیم‌های رسانا بر اساس القای الکترومغناطیسی: غلبه بر لرزش و افزایش دقت
یک چالش اصلی در اندازه‌گیری غیرمرکزیت کابل آنلاین حرکت با سرعت بالا کابل است. این نیازمند دستگاه‌های اندازه‌گیری بدون تماسی است که بتوانند با لرزش کابل مقابله کنند. دستگاه‌های اندازه‌گیری غیرمرکزیت کابل مبتنی بر اشعه ایکس، بر اساس تصویربرداری انتقال نوری، ابعاد مقطع چندلایه را اندازه‌گیری می‌کنند تا مرکز هندسی رساناها نسبت به غیرمرکزیت عایق محاسبه شود. با این حال، آنها نقاط ضعفی دارند: سرعت اندازه‌گیری پایین (فقط چند بار در ثانیه)، افزایش خطاها به دلیل لرزش کابل و هزینه‌های بالا.
۱ اصل عمل دستگاه‌های اندازه‌گیری غیرمرکزیت کابل مبتنی بر القای الکترومغناطیسی
دستگاه‌های اندازه‌گیری غیرمرکزیت کابل مبتنی بر القای الکترومغناطیسی اندازه‌گیری قطر نوری و تشخیص رسانا با استفاده از القای الکترومغناطیسی را ترکیب می‌کنند. آنها مرکز الکتریکی رسانا (بهتر از غیرمرکزیت هندسی) را با سرعت هزاران اندازه‌گیری در ثانیه اندازه‌گیری می‌کنند. سرعت بیشتر اندازه‌گیری تأثیرات لرزش را کاهش می‌دهد و دستگاه‌های مبتنی بر اشعه ایکس را در مواقعی جایگزین می‌کند که نیازی به ابعاد چندلایه وجود ندارد.
محصولات وارداتی فعلی (بر اساس اصول عمومی) از چهار سیم القایی برای تشخیص میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌کنند (مانند شکل ۱). برخی از آنها مرکز رسانا را با قدرت سیگنال یکسان (با تنظیم پنجره با موتور اگر ناهمسان باشد) تعیین می‌کنند؛ برخی دیگر مرکز رسانا را از قدرت سیگنال تشخیص داده شده محاسبه می‌کنند.
۲ کنترل دقت اندازه‌گیری
تنظیم موتور شامل یک فرآیند است که حتماً تأخیر ایجاد می‌کند. این منجر به عدم همزمانی بین اندازه‌گیری عایق و رسانا می‌شود و خطاهای تأخیر ایجاد می‌کند - لرزش بیشتر کابل منجر به خطاهای بزرگتر می‌شود. در عمل، این عیب به این صورت ظاهر می‌شود: اگر لرزش کابل رخ دهد، نتایج اندازه‌گیری غیرمرکزیت ناپایدار می‌شوند و نوسانات بیش از ۱٪ می‌شود. این خطای اندازه‌گیری دستگاه را نشان می‌دهد، نه وضعیت واقعی کابل.
با این حال، قضاوت درباره مرکز رسانا با قدرت سیگنال یکسان همیشه معتبر نیست. قانون بیوت-ساوار می‌گوید: شدت القای مغناطیسی (B) توسط یک عنصر جریان Idl در هر نقطه از فضا در فاصله r به صورت زیر است:
این فرمول نشان می‌دهد که شدت القای مغناطیسی معکوس مربع فاصله و متناسب با سینوس زاویه جهت θ است، مانند شکل ۲.
بر اساس این، یک محاسبه شبیه‌سازی شده از روابط بین شدت‌های میدان مغناطیسی در چهار نقطه فضا انجام می‌شود. برای راحتی، یک مدل مانند شکل ۳ ایجاد می‌شود.
نقاط ۱، ۲، ۳ و ۴ به صورت متعامد و متقارن توزیع شده‌اند، با O به عنوان نقطه مرکزی. فرض کنید عنصر جریان طبق محورهای ۲ و ۳ در خط میانی OP حرکت می‌کند. بر اساس فرمول (۱)، وقتی عنصر جریان در هر نقطه روی OP است، B1 = B4 و B2 = B3 برقرار است. بنابراین، فقط نیاز است تغییر B1/B2 با ∠θ بررسی شود. پس از محاسبه، مجموعه‌ای از داده‌ها به دست می‌آید و یک نمودار پراکنش تولید می‌شود، مانند جدول ۱ و شکل ۴.
مانند آنچه در شکل ۴ مشاهده می‌شود، روند یک منحنی نامنظم است. با افزایش ∠θ، B1/B2 از ۱ به حدود ۰.۲۶۸ (کمترین مقدار) کاهش می‌یابد و سپس دوباره به ۱ افزایش می‌یابد. در حالی که میدان‌های مغناطیسی در چهار نقطه یکسان می‌شوند، عنصر جریان دور از مرکز O است. در بازه، هر مقدار (به جز کمترین مقدار) دو نقطه دارد - نزدیک‌تر به کمترین مقدار، نقاط نزدیک‌تر هستند.
این برای یک چهارم معتبر است و همینطور برای چهارم‌های دیگر. تکیه بر شدت‌های میدان مغناطیسی چهار نقطه نمی‌تواند مرکز رسانا را تشخیص دهد یا مرکز آن را تعیین کند (میدان مغناطیسی یک بردار است، نه یک اسکالر).
بنابراین، برای توسعه یک دستگاه غیرمرکزیت‌سنج بهتر، باید از دنبال کردن ناشناخته شرکت‌های خارجی پرهیز کرد. اصل جدید: زوایای میدان مغناطیسی θ₁، θ₂ را در P₁/P₂ اندازه‌گیری کنید تا مرکز منبع O (شکل ۵) تعیین شود.
این اصل به صورت هندسی خلاصه می‌شود: یک مثلث با یک ضلع و دو زاویه مجاور منحصر به فرد است. در حالی که این معتبر است، پیاده‌سازی عملی نیازمند اندازه‌گیری با سرعت و دقت بالا از میدان‌های مغناطیسی ضعیف است.
رسانا‌های کابل حدود ۱۰mA جریان در میدان‌های متناوب خارجی القاء می‌کنند. سنسورها که از کابل‌ها فاصله دارند، میدان‌های ضعیف (~ده‌ها nT) را تشخیص می‌دهند - که نیازمند حساسیت، پاسخ فرکانسی و نویز پایین (نویز ذاتی تأثیر بر دقت دارد) هستند.
۳ پیاده‌سازی دستگاه‌های غیرمرکزیت‌سنج مبتنی بر القای الکترومغناطیسی
بیشتر محصولات وارداتی از سنسورهای سیمی استفاده می‌کنند؛ این مقاله سنسورهای مقاومت مغناطیسی را انتخاب می‌کند. سنسورهای کوچک‌سایز اندازه‌گیری‌های الکترومغناطیسی و نوری را در یک مقطع یکسان (کاهش خطا) یکپارچه می‌کنند، با هماهنگی بالا بین سنسورها. سنسورهای مقاومت مغناطیسی مبتنی بر لیتوگرافی مناسب هستند. در مقابل، محصولات وارداتی با سنسورهای سیمی اندازه‌گیری‌ها را جدا می‌کنند و بخش‌های غیرنوری رسانا را یکسان در نظر می‌گیرند - که خطاها را افزایش می‌دهد.
اندازه‌گیری‌های مبتنی بر مقاومت مغناطیسی: ۱۰۰۰/ثانیه اندازه‌گیری، تکرارپذیری ±۲% (۱۰۰-۲۰۰nT)، ±۰.۲% برای میانگین ۱۰۰۰ اندازه‌گیری، خطی بودن <۰.۵%. مقایسه با وارداتی‌ها محدود است (بدون داده).
ترکیب با اندازه‌گیری نوری LED×CCD سریع امکان اندازه‌گیری غیرمرکزیت در زمان واقعی (شکل ۶) را فراهم می‌کند.
در هر اندازه‌گیری، موقعیت چهار نقطه (A, B, C, D) در لایه عایق و موقعیت نقطه مرکز رسانا P به صورت همزمان به دست می‌آید. غیرمرکزیت‌ها در جهت X و Y و غیرمرکزیت کل با استفاده از فرمول‌های زیر محاسبه می‌شوند:
برای هر اندازه‌گیری، ex, ey, و e به صورت میانگین (بر اساس تعداد نمونه‌های مشخص) به عنوان نتیجه نهایی غیرمرکزیت محاسبه می‌شوند. برای نمایش همراستایی، از همراستایی = ۱ - غیرمرکزیت استفاده کنید. Δx/Δy (انحرافات جهت X/Y) امکان تنظیمات همزمان سر اکسترودر برای اصلاح خودکار غیرمرکزیت کابل را فراهم می‌کند.
سرعت‌های اندازه‌گیری سریع‌تر خطاهای لرزش را کاهش می‌دهند: ۱۰۰۰ اندازه‌گیری/ثانیه دقت هزارم را به دست می‌آورد. بیشتر محصولات وارداتی (صدها اندازه‌گیری/ثانیه) دقت غیرمرکزیت را با فرض رسانای مرکزی (مطابق دقت قطر خارجی، به صورت ±μm مقادیر مطلق، نه درصد - غیرمطابق) اعلام می‌کنند.
۳.۱ اندازه‌گیری قطر LED×CCD
بر اساس اپتیک‌های تلئوسنتریک، از مسدود کردن نور برای ایجاد نواحی CCD روشن و تار استفاده می‌کند. الگوریتم‌ها لبه‌ها را تحلیل می‌کنند تا ابعاد را محاسبه کنند. معرض CCD جهانی (حسگری همزمان پیکسل‌ها) باعث می‌شود لرزش لبه‌ها را محو کند (عمودی → خطوط مایل)، اما الگوریتم‌ها لبه‌ها را حل می‌کنند و خطاها را حذف می‌کنند.
۳.۲ نکات اندازه‌گیری قطر نوری
موضوع اصلی نیست، اما مهم: اندازه‌گیری غیرمرکزیت کابل نیازمند ضبط نوری همزمان موقعیت چهار رأس لایه عایق (نه فقط ابعاد) است. روش‌های لیزری با موتور مسیریابی خطر خطاها ناشی از اندازه‌گیری‌های ناهماهنگ را دارند. بنابراین، هماهنگ‌سازی اندازه‌گیری‌های نوری و الکترومغناطیسی برای توسعه دستگاه بسیار مهم است.
۴ نتیجه‌گیری
دستگاه مبتنی بر القای الکترومغناطیسی مرکز الکتریکی رسانا را با سرعت بالا اندازه‌گیری می‌کند، با هزینه پایین و مزایایی. با رفع نقاط ضعف اندازه‌گیری‌های الکترومغناطیسی محصولات وارداتی، یک غیرمرکزیت‌سنج کابل نوری-الکترومغناطیسی جدید توسعه یافته است (دقت هزارم). فناوری پیشرفت می‌کند - پیشرفت‌های آینده در مواد امکان دقت بالاتر را فراهم خواهد کرد و پیشرفت صنعت را تقویت خواهد کرد.
