התקדמות במדידת אקסצנטריות כבלים מבוססת השראה אלקטרומגנטית: התגברות על רטט והגדלת הדיוק

האתגר העיקרי במדידת אקסצנטריות כבלים מקוונת הוא תנועת הכבל במהירות גבוהה. זה דורש ציוד מדידה ללא מגע שיכול להתמודד עם רטט הכבל. מדדי אקסצנטריות של כבלים מבוססי קרני רנטגן, המבוססים על הדמיה באמצעות העברה אופטית, מודדים מימדי מתאר רב-שכבתי לחישוב המרכז הגיאומטרי של מוליכים יחסי לאקסצנטריות המבודד. עם זאת, יש להם חסרונות: מהירות מדידה איטית (רק מספר פעמים בשנייה), שגיאות מרובות מאחר ורטט הכבל, ומחיר גבוה.

1 עקרון מדדי אקסצנטריות של כבלים מבוססי האינדוקציה האלקטרומגנטית

מדדי אקסצנטריות של כבלים מבוססי האינדוקציה האלקטרומגנטית משלבים מדידת קוטר אופטית והאינדוקציה האלקטרומגנטית להבחנה במוליכים. הם מודדים את המרכז החשמלי של המוליך (טוב יותר מאקסצנטריות גיאומטרית), במהירות גבוהה של אלפי מדידות בשנייה. מדידה מהירה יותר מפחיתה את השפעת הרטט, ומחליפה מכשירי קרני רנטגן בסצנריונים ללא דרישות למימדי רב-שכבתי.

המוצרים המובאים הנוכחיים (לפי עקרונות ציבוריים) משתמשים בארבעה סלים אינדוקטיביים להבחנה בשדות מגנטיים (כפי שמוצג בתמונה 1). חלקם קובעים את המרכז של המוליך באמצעות עוצמה שווה של אותות (משנים את החלון בעזרת מנועים אם היא אינה שווה); אחרים מחשבים את מרכז המוליך מהעוצמה של האות שנמצאה.

2 בקרה על דיוק המדידה

ה嫂调整电机涉及一个过程，不可避免地会导致滞后。这导致绝缘层和导体测量之间的不同步，产生延迟误差——电缆抖动越严重，误差越大。实际上，这种缺陷表现为：如果发生电缆抖动，偏心度测量结果变得不稳定，波动超过1%。这反映了设备的测量误差，而不是电缆的实际状况。

但是，通过等信号强度判断导体中心并不总是有效的。毕奥-萨伐尔定律指出：电流元在空间任意点处距离为r处激发的磁感应强度（B）是：

该公式表明，磁感应强度与距离的平方成反比，并且与方向角θ的正弦值成正比，如图2所示。

基于此，对空间中四点磁场强度的关系进行了仿真计算。为了方便起见，建立了如图3所示的模型。

点1、2、3和4正交对称分布，O为中心点。设电流元沿轴2和3的中线OP移动。根据公式（1），当电流元位于OP上的任何一点时，B1 = B4 和 B2 = B3 成立。因此，只需考察B1/B2随∠θ的变化。经过计算，得到一组数据，并生成散点趋势图，如表1和图4所示。

从图4可以看出，趋势是一条不规则曲线。随着∠θ增加，B1/B2从1降到约0.268（最小值），然后又回升到1。虽然四点磁场相等时，电流元远离中心O，在这个区间内，每个值（除了最小值）都有两个点——越接近最小值，两点越近。

这一点适用于一个象限，其他象限也一样。依靠四点磁场大小无法判断导体中心或确定其中心位置（磁场是一个矢量，不是标量）。

因此，要开发更好的偏心仪，避免盲目跟随外国公司。新的原理：测量P₁/P₂处的磁场方向角θ₁、θ₂来确定源中心O（图5）。

这一原理几何上总结为：一个三角形由一边及其相邻的两个夹角唯一确定。虽然这成立，但实际实现需要高速高精度测量弱磁场。

电缆导体在外加交流场中感应出约10mA的电流。传感器与电缆保持一定距离，检测弱磁场（几十纳特）——要求高灵敏度、高频响应和低噪声（固有噪声影响精度）。

3 基于电磁感应的偏心仪实现

大多数进口产品使用线圈传感器；本文选择磁阻传感器。小型传感器在同一截面上集成电磁和光学测量（减小误差），具有高传感器间一致性。光刻磁阻传感器是理想选择。相比之下，进口线圈传感器产品将测量分开，将非光学导体段视为相同——增加了误差。

基于磁阻的测量：每秒1000次测量，重复性±2%（100-200nT），1000次测量平均值±0.2%，线性度<0.5%。与进口产品的比较有限（无数据）。

结合快速LED×CCD光学测量，可实现实时偏心度测量（图6）。

每次测量时，同步获取绝缘层上四个点（A、B、C、D）的位置以及导体中心点P的位置。使用以下公式计算X和Y方向的偏心度及总偏心度：

对于每次测量，e_x、e_y和e取一定数量样本的平均值作为最终偏心度结果。为了显示同心度，使用同心度 = 1 - 偏心度。Δx/Δy（X/Y方向偏差）可以实时调整挤出机头，实现自动电缆偏心校正。

更快的测量速度减少了抖动误差：每秒1000次测量可达到千分之一的精度。大多数进口产品（每秒数百次测量）声称的偏心度精度假设导体居中（与外径精度匹配，以±μm绝对值给出，而不是百分比——不符合标准）。

3.1 LED×CCD直径测量

基于远心光学，它利用遮光创建CCD的亮暗区域。算法分析边缘以计算尺寸。全局CCD曝光（同时像素感测）导致抖动引起的边缘模糊（垂直→倾斜线），但算法可以解决边缘并消除误差。

3.2 光学直径测量注意事项

虽然不是重点，但关键在于：电缆偏心度测量需要实时光学捕捉绝缘层四个顶点的位置（而不仅仅是尺寸）。电机扫描激光方法可能导致不同步测量误差。因此，同步光学和电磁测量对于仪器开发至关重要。

4 结论

基于电磁感应的仪器可以快速测量导体的电中心，成本低廉且具有优势。针对进口产品的电磁测量缺陷，开发了一种新型光电电缆偏心仪（千分之一精度）。技术不断发展——未来材料的进步将使更高精度成为可能，推动行业发展。