Sähkömagneettisen induktiopohjaisen kaapelin epäkeskivuusmittauksen edistysaskeleet: Värinäongelman ylittäminen ja tarkkuuden parantaminen
Sähkökabelin eksentrisyyden mittaamisen ydinongelma on kabelin nopea liike. Tämä edellyttää kosketuksetonta mittauslaitetta, joka pystyy käsittelemään kabelin värinystä. Röntgenkuvapohjaiset kabelineskenttimittarit, jotka perustuvat optiseen läpäisykuvaan, mitaavat monikerroksiset muotokuvat laskemalla johtimien geometrisen keskipisteen suhteessa eristysmateriaalin eksentrisyyteen. Kuitenkin niillä on haittoja: hitaana mittausnopeudella (vain muutama kerta sekunnissa), lisääntyvillä virheillä kabelin värinyn vuoksi ja korkeilla kustannuksilla.
1 Sähkömagneettisen induktion periaatteella toimivien kabelineskenttimittarien periaate
Sähkömagneettisen induktion periaatteella toimivat kabelineskenttimittarit yhdistävät optisen halkaisijamittauksen ja sähkömagneettisen induktion johtimien havaitsemiseen. Ne mitaavat johtimen sähkökeskipistettä (parempi kuin geometrinen eksentrisyys) tuhansilla mittauksilla sekunnissa. Nopeampi mittaus vähentää värinyn vaikutusta, korvaamalla röntgenlaitteita tilanteissa, joissa ei ole tarvetta monikerroksiselle mittaukselle.
Nykyiset tuontituotteet (julkisilla periaatteilla) käyttävät neljää induktiokympyä magneettikentän havaitsemiseen (kuten kuvassa 1). Joissakin laitteissa johtimen keskitys määritellään yhtä suuren signaalitehon avulla (motorit säätävät ikkunaa, jos signaalit eivät ole samansuuruisia); toiset laskevat johtimen keskipisteen havaitusta signaalitehosta.
2 Mittausarkkurateuden hallinta
Motorisäädöt sisältävät prosessin, joka aiheuttaa väistämättä viivettä. Tämä johtaa eristysmateriaalin ja johtimen mittauksen desynkronoinnin, mikä luo viivevirheitä – voimakkaampi kabelin värinys aiheuttaa suurempia virheitä. Käytännössä tämä puute ilmenee siten, että jos kabeli värinää, eksentrisyyden mittaus tulokset tulevat epävakaina, vaihtelu ylittää 1 %. Tämä heijastaa laitteen mittausvirhettä, ei varsinaista kabeleiden tilaa.
Kuitenkin johtimen keskityksen määrittäminen yhtä suuren signaalitehon avulla ei aina päde. Biot-Savartin lain mukaan: sähkömagneettinen induktio (B), jonka sähköelementti Idl aiheuttaa jossakin pisteessä avaruudessa etäisyydellä r on:
Tämä kaava osoittaa, että sähkömagneettinen induktio on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön ja suoraan verrannollinen suunnan kulman siniihin θ, kuten kuvassa 2 näkyy.
Tämän perusteella on tehty simulaatiolaskenta neljän pisteen välisestä suhteesta avaruudessa. Yksinkertaisuuden vuoksi on luotu malli, kuten kuvassa 3 näkyy.
Pisteet 1, 2, 3 ja 4 ovat ortogonaalisesti ja symmetrisesti jakautuneet, O on keskipiste. Olkoon sähköelementti liikkumassa akseleiden 2 ja 3 keskiakselilla OP. Kaavan (1) mukaan, kun sähköelementti on missä tahansa pisteessä OP, B1 = B4 ja B2 = B3 pitävät paikkansa. Siksi tarvitaan vain tarkastella B1/B2:n muutosta kulman ∠θ kanssa. Laskennan jälkeen saadaan joukko dataa, ja luodaan pistepilven trendikaavio, kuten taulukossa 1 ja kuvassa 4 näkyy.
Kuvasta 4 nähdään, että trendi on epäsäännöllinen käyrä. Kun ∠θ kasvaa, B1/B2 laskee 1:stä noin 0.268:aan (minimi), sitten se nousee takaisin 1:seen. Vaikka magneettikentät neljällä pisteellä tasapainottuvat, sähköelementti on kaukana keskipisteestä O. Välillä jokainen arvo (paitsi minimi) on kahdessa pisteessä – lähempänä minima, pisteet ovat lähempänä.
Tämä pätee yhdelle neljännekseksi, ja sama pätee myös muille. Neljän pisteen magneettikenttien magnitudien perusteella ei voida arvioida johtimen keskitystä tai määrittää sen keskipistettä (magneettikenttä on vektori, ei skalaari).
Jotta kehitettäisiin parempi eksentrimetri, älä seuraa sokeasti ulkomaisia yrityksiä. Uusi periaate: mittaile magneettikentän suuntakulmia θ₁, θ₂ pisteissä P₁/P₂ määrittääksesi lähteen keskipistettä O (kuvassa 5).
Tämä periaate voidaan geometrisesti tiivistää: kolmio on yksiselitteisesti määrätty, kun tunnetaan yksi sivu ja kaksi vierekkäistä sisäkulmaa. Vaikka tämä pitää paikkansa, käytännön toteuttaminen vaatii nopeaa, tarkkaa heikkojen magneettikenttien mittausta.
Kabelin johtimet aiheuttavat noin 10mA virtaa ulkopuolisissa vaihtovirtaympäristeissä. Sensorit, jotka ovat etäällä kabeleista, havaitsevat heikot (~kymmeniä nT) kentät – vaativat korkeaa herkkyyttä, taajavasteisuutta ja alhaista melua (ominaismelun vaikutus tarkkuuteen).
3 Sähkömagneettisen induktion periaatteella toimivien eksentrimittarien toteutus
Useimmat tuontituotteet käyttävät kympy sensoreina; tässä artikkelissa valitaan magnetoresistiviset sensorit. Pienikokoiset sensorit integroitavat sähkömagneettisen ja optisen mittauksen samaan poikkiintoleen (vähentää virheitä), korkealla sensorien välisenä yhtenäisyytenä. Litografiapohjaiset magnetoresistiviset sensorit ovat ideaalinen valinta. Ulkomaiset kympypohjaiset tuotteet erottavat mittaukset, käsittävät ei-optiset johtimiosat identtisinä – lisää virheitä.
Magnetoresistivipohjaiset mittaukset: 1000/s mittauksia, ±2% toistettavuus (100–200nT), ±0.2% 1000-mittauksen keskiarvolle, lineaarisuus <0.5%. Vertailuja tuontituotteisiin on rajallisia (ei dataa).
Nopean LED×CCD:n optisen mittauksen yhdistäminen mahdollistaa reaaliaikaisen eksentrisyyden mittaamisen (kuvassa 6).
Jokaisessa mittauksessa saadaan yhtäaikaa neljän pisteen (A, B, C, D) eristyskerroksessa ja johtimen keskipisteen P sijainti. X- ja Y-suuntaiset eksentrisyydet ja kokonaiseksentrisyys lasketaan seuraavilla kaavoilla:
Jokaiselle mittaukselle ex, ey ja e keskiarvo (annettujen näytteiden määrä) on lopullinen eksentrisyyden tulos. Jotta keskittyvyys näkyisi, käytä Keskitettyys = 1 - Eksentrisyys. Δx/Δ y (X/Y-suuntaiset poikkeamat) mahdollistavat extruderin päähän reaaliaikaiset säädöt automaattiseen kabeleiden eksentrisyyden korjaamiseen.
Nopeat mittausnopeudet vähentävät värinyn virheitä: 1000 mittaus/kertaa sekunnissa saavutaan tuhatosan tarkkuus. Useimmat tuontituotteet (satoja mittauksia sekunnissa) väittävät eksentrisyyden tarkkuudesta, olettamalla keskitetyn johtimen (vastaamaan ulkokuoren tarkkuutta, annettuna ±μm absoluuttisina arvoina, ei prosenteina – ei vastaa).
3.1 LED×CCD halkaisijan mittaaminen
Perustuu telecentrikkioptiikkaan, käyttää valonsulkeutumista luodakseen kirkkaat-hämärät CCD-alueet. Algoritmit analysaavat reunat mittaamaan mittoja. Globaali CCD-altistus (samanaikainen pikselihavainto) aiheuttaa värinyn vuoksi reunien sumennevuuden (pystysuora → vinoviiva), mutta algoritmit selvittävät reunat ja poistavat virheet.
3.2 Optisen halkaisijan mittaamisen huomioonoton
Ei ole keskiössä, mutta avainasemassa: Kabelineskenttimittaus vaatii neljän eristyskerroksen kärkipisteen reaaliaikaisen optisen havainnon (ei pelkästään mittoja). Motoroidulla laserillä skannattavat menetelmät vaarantavat epäsynkronisten mittauksien virheet. Siksi optisen ja sähkömagneettisen mittauksen synkronointi on kriittistä laitteen kehitykselle.
4 Johtopäätös
Sähkömagneettisen induktion periaatteella toimiva laite mittailee nopeasti johtimen sähkökeskipistettä, alhaisilla kustannuksilla ja etuilla. Korjaten tuontituotteiden sähkömagneettisten mittauksien puutteet, on kehitetty uusi fotoelektromagneettinen kabeleseskenttimittari (tuhatosan tarkkuudella). Teknologia kehittyy – tulevaisuuden materiaalien edistys mahdollistaa korkeamman tarkkuuden, edistäen alan kehitystä.
