Avanços na Medição de Excentricidade de Cabos Baseada em Indução Eletromagnética: Superando o Tremor e Aumentando a Precisão
Um desafio central na medição de excentricidade de cabos online é o movimento de alta velocidade do cabo. Isso requer equipamentos de medição sem contato que possam lidar com a vibração do cabo. Os excentricímetros de raio-X, baseados em imagens de transmissão ótica, medem as dimensões do contorno de múltiplas camadas para calcular o centro geométrico dos condutores em relação à excentricidade da isolação. No entanto, eles têm desvantagens: baixa velocidade de medição (apenas algumas vezes por segundo), aumento de erros devido à vibração do cabo e altos custos.
1 Princípio dos Excentricímetros de Cabo Baseados em Indução Eletromagnética
Os excentricímetros de cabo baseados em indução eletromagnética combinam a medição de diâmetro ótica e a indução eletromagnética para detecção de condutores. Eles medem o centro elétrico do condutor (superior à excentricidade geométrica), com uma alta velocidade de milhares de medições por segundo. A medição mais rápida reduz os impactos da vibração, substituindo os dispositivos de raio-X em cenários sem necessidade de dimensões de múltiplas camadas.
Os produtos importados atuais (conforme princípios públicos) usam quatro bobinas indutivas para detectar campos magnéticos (como na Figura 1). Alguns determinam o centrado do condutor através de força de sinal igual (ajustando a janela com motores se desiguais); outros calculam o centro do condutor a partir da força de sinal detectada.
2 Controle de Precisão da Medição
O ajuste do motor envolve um processo, inevitavelmente causando atraso. Isso leva a dessincronização entre as medições de isolação e condutor, criando erros de atraso - a vibração do cabo mais severa resulta em erros maiores. Na prática, este defeito se manifesta: se ocorrer vibração do cabo, os resultados da medição de excentricidade tornam-se instáveis, com flutuações superiores a 1%. Isso reflete o erro de medição do equipamento, não a condição real do cabo.
No entanto, julgar o centrado do condutor pela força de sinal igual nem sempre é válido. A Lei de Biot-Savart afirma: a intensidade de indução magnética (B) excitada por um elemento de corrente Idl em qualquer ponto no espaço a uma distância r é:
Esta fórmula indica que a intensidade de indução magnética é inversamente proporcional ao quadrado da distância e proporcional ao seno do ângulo direcional θ, como mostrado na Figura 2.
Com base nisso, realiza-se um cálculo de simulação da relação entre as intensidades dos campos magnéticos em quatro pontos no espaço. Para conveniência, estabelece-se um modelo como mostrado na Figura 3.
Os pontos 1, 2, 3 e 4 são distribuídos ortogonal e simetricamente, com O como o ponto central. Deixe o elemento de corrente mover-se ao longo da linha média OP dos eixos 2 e 3. Conforme a Fórmula (1), quando o elemento de corrente está em qualquer ponto de OP, B1 = B4 e B2 = B3 são válidos. Assim, apenas a variação de B1/B2 com ∠θ precisa ser examinada. Após o cálculo, obtém-se um conjunto de dados e gera-se um gráfico de dispersão, conforme mostrado na Tabela 1 e na Figura 4.
Como visto na Figura 4, a tendência é uma curva irregular. À medida que ∠θ aumenta, B1/B2 diminui de 1 para ~0,268 (mínimo), então sobe de volta a 1. Enquanto os campos magnéticos em quatro pontos se igualam, o elemento de corrente está longe do centro O. Nesse intervalo, cada valor (exceto o mínimo) tem dois pontos - mais próximo do mínimo, os pontos estão mais próximos.
Isso se aplica a um quadrante, e o mesmo vale para os outros. Relying on four-point magnetic field magnitudes can’t judge conductor centering or determine its center (magnetic field is a vector, not scalar).
Assim, para desenvolver um excentricímetro melhor, evite seguir cegamente as empresas estrangeiras. Um novo princípio: medir os ângulos direcionais do campo magnético θ₁, θ₂ em P₁/P₂ para determinar o centro da origem O (Figura 5).
Este princípio é resumido geometricamente como: um triângulo é unicamente determinado por um lado e dois ângulos adjacentes incluídos. Embora isso seja verdade, a implementação prática requer medição de alta velocidade e alta precisão de campos magnéticos fracos.
Os condutores de cabo induzem corrente de ~10mA em campos alternados externos. Sensores, espaçados dos cabos, detectam campos fracos (~dezenas de nT) - exigindo alta sensibilidade, resposta de frequência e baixo ruído (o ruído inerente afeta a precisão).
3 Implementação de Excentricímetros Baseados em Indução Eletromagnética
A maioria dos produtos importados usa sensores de bobina; este artigo seleciona sensores magnetorresistivos. Sensores de pequeno tamanho integram medições eletromagnéticas e óticas na mesma seção transversal (minimizando erros), com alta consistência entre sensores. Sensores magnetorresistivos baseados em litografia são ideais. Em contraste, os produtos importados com sensores de bobina separam as medições, tratando segmentos de condutores não óticos como idênticos - aumentando os erros.
Medições baseadas em magnetorresistência: 1000/s medições, repetibilidade de ±2% (100-200nT), ±0,2% para médias de 1000 medições, linearidade <0,5%. As comparações com importações são limitadas (sem dados).
Combinando com medição ótica rápida LED×CCD, permite a medição de excentricidade em tempo real (Figura 6).
Durante cada medição, as posições de quatro pontos (A, B, C, D) na camada de isolação e a posição do ponto central do condutor P são obtidas simultaneamente. As excentricidades nas direções X e Y e a excentricidade total são calculadas usando as seguintes fórmulas:
Para cada medição, ex, ey e e são médias (sobre um número definido de amostras) como o resultado final de excentricidade. Para exibir concentricidade, use Concentricidade = 1 - Excentricidade. Δx/Δy (desvios nas direções X/Y) permitem ajustes em tempo real da cabeça extrusora para correção automática de excentricidade do cabo.
Velocidades de medição mais rápidas reduzem erros de vibração: 1000 medições/segundo alcançam precisão de milésimos. A maioria dos produtos importados (centenas de medições/segundo) reivindica precisão de excentricidade assumindo um condutor centralizado (correspondendo à precisão do diâmetro externo, dada como ±μm valores absolutos, não porcentagem - não conformes).
3.1 Medição de Diâmetro LED×CCD
Baseado em óptica telecêntrica, utiliza bloqueio de luz para criar regiões CCD claras e escuras. Algoritmos analisam as bordas para calcular as dimensões. A exposição global do CCD (sensores de pixel simultâneos) causa borrão de bordas devido à vibração (vertical → linhas inclinadas), mas algoritmos resolvem as bordas e eliminam erros.
3.2 Notas sobre Medição de Diâmetro Ótica
Não é o foco, mas chave: a medição de excentricidade do cabo requer captura ótica em tempo real das posições de quatro vértices da camada de isolação (não apenas dimensões). Métodos de laser escaneados por motor correm risco de erros de medição assíncronos. Portanto, sincronizar medições óticas e eletromagnéticas é crucial para o desenvolvimento do instrumento.
4 Conclusão
O instrumento baseado em indução eletromagnética mede rapidamente o centro elétrico do condutor, com baixo custo e vantagens. Abordando as falhas de medição eletromagnética dos produtos importados, desenvolve-se um novo excentricímetro fotoeletromagnético de cabo (precisão de milésimos). A tecnologia evolui - avanços futuros em materiais permitirão maior precisão, impulsionando o progresso da indústria.
