Avances na Medición da Excentricidade do Cabo Baseada en Indución Electromagnética: Superando o Tremor e Meliorando a Precisión
Un desafío fundamental na medida de excentricidade de cabos en liña é o movemento de alta velocidade do cabo. Isto require equipo de medida sen contacto que poida xestionar o trepidación do cabo. Os excentrímetros de raios X, baseados na imaxe por transmisión óptica, miden as dimensións do contorno de múltiples capas para calcular o centro xeométrico dos conductores en relación coa excentricidade do aislamento. No entanto, teñen inconvenientes: velocidade de medida lenta (só unhas poucas veces por segundo), aumento de erros debido á trepidación do cabo e altos custos.
1 Principio dos Excentrímetros de Cabos Basados na Indución Electromagnética
Os excentrímetros de cabos basados na indución electromagnética combinan a medida do diámetro óptico e a indución electromagnética para a detección dos conductores. Miden o centro eléctrico do conductor (superior á excentricidade xeométrica), con unha alta velocidade de milleiros de medidas por segundo. A medida máis rápida reduz os efectos da trepidación, substituíndo os dispositivos de raios X en escenarios sen requisitos de dimensións de múltiples capas.
Os produtos importados actuais (segundo principios públicos) utilizan catro bobinas inductivas para detectar campos magnéticos (como na Figura 1). Algúns determinan o centrado do conductor mediante forza de sinal igual (axustando a ventana con motores se non son iguais); outros calculan o centro do conductor a partir da forza de sinal detectada.
2 Control de Precisión na Medida
O axuste do motor implica un proceso, causando inevitabelmente un retardo. Isto leva a un desincronización entre as medidas do aislamento e do conductor, creando erros de retardo—unha trepidación do cabo máis severa resulta en erros maiores. Na práctica, este defecto maniféstase: se ocorre trepidación do cabo, os resultados da medida de excentricidade volvéronse inestables, con fluctuacións que superan o 1%. Isto reflicte o erro de medida do equipo, non a condición real do cabo.
No obstante, xulgar o centrado do conductor pola forza de sinal igual non é sempre válido. A Lei de Biot-Savart establece: a intensidade de indución magnética (B) excitada por un elemento de corrente Idl en calquera punto do espazo a unha distancia r é:
Esta fórmula indica que a intensidade de indución magnética é inversamente proporcional ao cadrado da distancia e proporcional ao seno do ángulo de dirección θ, como se mostra na Figura 2.
Basándose nisto, realiza-se un cálculo de simulación da relación entre as intensidades dos campos magnéticos en catro puntos do espazo. Para comodidade, estabelecese un modelo como se mostra na Figura 3.
Os puntos 1, 2, 3 e 4 están distribuídos ortogonal e simetricamente, con O como punto central. Deixa que o elemento de corrente move ao longo da liña media OP dos eixes 2 e 3. Segundo a Fórmula (1), cando o elemento de corrente está en calquera punto de OP, B1 = B4 e B2 = B3 mantéñense. Así, só hai que examinar a variación de B1/B2 con ∠θ. Despois do cálculo, obtense un conxunto de datos e xéranse un gráfico de tendencia de dispersión, como se mostra na Táboa 1 e na Figura 4.
Como se ve na Figura 4, a tendencia é unha curva irregular. Á medida que ∠θ aumenta, B1/B2 desce de 1 a ~0,268 (mínimo), despois volve a subir a 1. Mentres que os campos magnéticos nos catro puntos son iguais, o elemento de corrente está lonxe do centro O. No intervalo, cada valor (excepto o mínimo) ten dous puntos—mais próximos ao mínimo, os puntos están máis preto.
Isto aplica a un cuadrante, e o mesmo vale para os demais. Confiar nas magnitudes de campo magnético en catro puntos non permite xulgar o centrado do conductor ou determinar o seu centro (o campo magnético é un vector, non un escalar).
Así, para desenvolver un mellor excentrímetro, evítase seguir cegamente as empresas estranxeiras. Un novo principio: medir os ángulos de dirección θ₁, θ₂ en P₁/P₂ para determinar o centro O da fonte (Figura 5).
Este principio resume-se geometricamente como: un triángulo está univocamente determinado por un lado e dous ángulos adxacentes incluídos. Mientras isto se sostén, a implementación práctica require a medida de campos magnéticos débiles de alta velocidade e alta precisión.
Os conductores de cabos inducen ~10mA de corrente en campos alternativos externos. Os sensores, separados dos cabos, detectan campos débiles (~deseñas de nT)—requirindo alta sensibilidade, resposta de frecuencia e baixo ruido (o ruido intrínseco afecta a precisión).
3 Implementación de Excentrímetros Basados na Indución Electromagnética
A maioría dos produtos importados usan sensores de bobina; neste artigo seleccionanse sensores magnetorresistivos. Sensores de pequeno tamaño integran medidas electromagnéticas e ópticas na mesma sección transversal (minimizando erros), con alta consistencia entre sensores. Os sensores magnetorresistivos basados en litografía son ideais. En contraste, os produtos importados con sensores de bobina separan as medidas, tratando os segmentos de conductores non ópticos como idénticos—aumentando os erros.
Medidas basadas en magnetorresistencia: 1000/s medidas, repetibilidade de ±2% (100-200nT), ±0,2% para promedios de 1000 medidas, linearidade <0,5%. As comparacións con importados son limitadas (sen datos).
Combinando con a medida óptica rápida LED×CCD permite a medida de excentricidade en tempo real (Figura 6).
Durante cada medida, obtéñense sincronicamente as posicións de catro puntos (A, B, C, D) na capa de aislamento e a posición do punto central do conductor. As excentricidades nas direccións X e Y e a excentricidade total cálcúlanse usando as seguintes fórmulas:
Para cada medida, ex, ey, e e promédianse (sobre un número determinado de mostras) como o resultado final de excentricidade. Para mostrar a concentricidade, usa-se Concentricidade = 1 - Excentricidade. Δx/Δy (desvíos nas direccións X/Y) permiten axustes en tempo real da cabeza do extrusor para a corrección automática da excentricidade do cabo.
Velocidades de medida máis rápidas reducen os erros de trepidación: 1000 medidas/segundo logran precisión de milésimas. A maioría dos produtos importados (centenas de medidas/segundo) afirma precisión de excentricidade supoñendo un conductor centrado (coincidiendo coa precisión do diámetro externo, dado como ±μm valores absolutos, non porcentaxes—non conformes).
3.1 Medida de Diámetro LED×CCD
Basado en óptica telecêntrica, utiliza bloqueo de luz para crear rexións CCD claras-escuras. Algoritmos analizan bordos para calcular dimensións. A exposición global CCD (sentido de píxeles simultáneos) causa desfoque de bordos debido á trepidación (vertical→liñas inclinadas), pero os algoritmos resolven bordos e eliminan erros.
3.2 Notas sobre a Medida de Diámetro Óptico
Non é o foco, pero clave: a medida de excentricidade do cabo require a captura óptica en tempo real das posicións de catro vértices da capa de aislamento (non só dimensións). Métodos de láser escaneados por motor arriscan erros de medida asincrónica. Así, sincronizar as medidas ópticas e electromagnéticas é crucial para o desenvolvemento do instrumento.
4 Conclusión
O instrumento baseado na indución electromagnética mide rapidamente o centro eléctrico do conductor, con baixo custo e vantaxes. Abordando os defectos de medida electromagnética dos produtos importados, desenvólvese un novo excentrímetro fotoeléctromagnético de cabos (precisión de milésimas). A tecnoloxía evoluciona—avanços futuros nos materiais permitirán maior precisión, impulsando o progreso da industria.
