Прогресс в измерении эксцентриситета кабеля на основе электромагнитной индукции: преодоление дрожания и повышение точности
Основной проблемой измерения эксцентриситета кабеля в режиме онлайн является его высокоскоростное движение. Это требует использования бесконтактного измерительного оборудования, способного обрабатывать дрожание кабеля. Рентгеновские эксцентрикометры, основанные на оптической передаче изображений, измеряют контурные размеры многослойных конструкций для расчета геометрического центра проводников относительно эксцентриситета изоляции. Однако у них есть недостатки: низкая скорость измерения (всего несколько раз в секунду), увеличение ошибок из-за дрожания кабеля и высокая стоимость.
1 Принцип работы эксцентрикометров на основе электромагнитной индукции
Эксцентрикометры на основе электромагнитной индукции сочетают оптическое измерение диаметра и электромагнитную индукцию для обнаружения проводников. Они измеряют электрический центр проводника (что превосходит геометрический эксцентриситет) с высокой скоростью в тысячи измерений в секунду. Более быстрое измерение снижает влияние дрожания, заменяя рентгеновские устройства в сценариях, где не требуется измерение многослойных размеров.
Текущие импортные продукты (по общедоступным принципам) используют четыре индуктивные катушки для обнаружения магнитных полей (как показано на рисунке 1). Некоторые определяют центровку проводника по равной силе сигнала (регулируя окно с помощью двигателей, если сигналы неравны); другие рассчитывают центр проводника по обнаруженной силе сигнала.
2 Контроль точности измерений
Регулировка двигателями включает процесс, что неизбежно вызывает задержку. Это приводит к десинхронизации между измерениями изоляции и проводника, создавая ошибки задержки — чем больше дрожание кабеля, тем больше ошибки. На практике этот недостаток проявляется так: при дрожании кабеля результаты измерения эксцентриситета становятся нестабильными, с колебаниями, превышающими 1%. Это отражает ошибку измерения оборудования, а не фактическое состояние кабеля.
Однако, оценка центровки проводника по равной силе сигнала не всегда корректна. Закон Био-Савара гласит: магнитная индукция (B), возбужденная элементом тока Idl в любой точке пространства на расстоянии r, выражается формулой:
Эта формула указывает, что магнитная индукция обратно пропорциональна квадрату расстояния и прямо пропорциональна синусу угла направления θ, как показано на рисунке 2.
На основе этого выполняется моделирование взаимосвязи между интенсивностями магнитного поля в четырех точках пространства. Для удобства создается модель, как показано на рисунке 3.
Точки 1, 2, 3 и 4 расположены ортогонально и симметрично, с O как центральной точкой. Пусть элемент тока перемещается вдоль средней линии OP осей 2 и 3. Согласно формуле (1), когда элемент тока находится в любой точке на OP, B1 = B4 и B2 = B3. Таким образом, нужно исследовать изменение B1/B2 с ∠θ. После расчетов получается набор данных, и строится график рассеивания, как показано в таблице 1 и на рисунке 4.
Как видно на рисунке 4, тренд представляет собой нерегулярную кривую. При увеличении ∠θ B1/B2 падает от 1 до ~0,268 (минимум), затем снова возрастает до 1. Когда магнитные поля в четырех точках выравниваются, элемент тока находится далеко от центра O. В интервале каждое значение (кроме минимума) имеет две точки — ближе к минимуму, точки находятся ближе друг к другу.
Это применимо к одному квадранту, и то же самое верно для других. Опираясь только на величины магнитного поля в четырех точках, нельзя судить о центровке проводника или определить его центр (магнитное поле — это вектор, а не скаляр).
Таким образом, для разработки лучшего эксцентрикометра следует избегать слепого следования зарубежным компаниям. Новый принцип: измерение углов направления магнитного поля θ₁, θ₂ в точках P₁/P₂ для определения центра источника O (рисунок 5).
Этот принцип геометрически сводится к тому, что треугольник однозначно определяется одной стороной и двумя смежными углами. Хотя это верно, практическая реализация требует высокоскоростного и высокоточного измерения слабых магнитных полей.
Проводники кабеля индуцируют ток около 10 мА во внешних переменных полях. Датчики, расположенные на расстоянии от кабелей, обнаруживают слабые (~десятки нТ) поля — что требует высокой чувствительности, частотного отклика и низкого уровня шума (внутренний шум влияет на точность).
3 Реализация эксцентрикометров на основе электромагнитной индукции
Большинство импортных продуктов используют катушечные датчики; в данной работе выбраны магниторезистивные датчики. Маленькие датчики интегрируют электромагнитные и оптические измерения на одном поперечном сечении (минимизируя ошибки) с высокой согласованностью между датчиками. Магниторезистивные датчики, изготовленные методом литографии, являются идеальными. В отличие от импортных продуктов с катушечными датчиками, которые разделяют измерения, рассматривая неоптические сегменты проводников как одинаковые, что увеличивает ошибки.
Измерения на основе магниторезистивных датчиков: 1000 измерений в секунду, повторяемость ±2% (100–200 нТ), ±0,2% для усредненных 1000 измерений, линейность <0,5%. Сравнения с импортными продуктами ограничены (нет данных).
Комбинирование с быстрым оптическим измерением LED×CCD позволяет выполнять реальное измерение эксцентриситета (рисунок 6).
В ходе каждого измерения синхронно определяются положения четырех точек (A, B, C, D) на изоляционном слое и положение центра проводника P. Эксцентриситеты в направлениях X и Y, а также общий эксцентриситет, рассчитываются с использованием следующих формул:
Для каждого измерения ex, ey и e усредняются (на основе установленного числа выборок) как окончательный результат эксцентриситета. Для отображения концентричности используется формула: Концентричность = 1 - Эксцентриситет. Δx/Δy (отклонения в направлениях X/Y) позволяют выполнять реальные корректировки головки экструдера для автоматической коррекции эксцентриситета кабеля.
Более высокие скорости измерений снижают ошибки, связанные с дрожанием: 1000 измерений в секунду обеспечивают точность до тысячных долей. Большинство импортных продуктов (сотни измерений в секунду) заявляют о точности эксцентриситета, предполагая, что проводник центрирован (точность соответствует внешнему диаметру, указанному в абсолютных значениях ± микрометры, а не в процентах — что не соответствует стандартам).
3.1 Измерение диаметра с помощью LED×CCD
На основе телецентрической оптики, использует блокировку света для создания ярких и темных областей на CCD. Алгоритмы анализируют края для расчета размеров. Глобальная экспозиция CCD (одновременное считывание пикселей) вызывает размытие краев из-за дрожания (вертикальные линии становятся наклонными), но алгоритмы решают эту проблему и устраняют ошибки.
3.2 Примечания к оптическому измерению диаметра
Хотя это не является основным, важно отметить: измерение эксцентриситета кабеля требует реального времени для оптического захвата положений четырех вершин изоляционного слоя (а не только размеров). Методы сканирования лазером с помощью двигателей могут привести к ошибкам асинхронного измерения. Поэтому синхронизация оптических и электромагнитных измерений критически важна для разработки прибора.
4 Заключение
Прибор на основе электромагнитной индукции быстро измеряет электрический центр проводника с низкой стоимостью и преимуществами. Устраняя недостатки импортных продуктов в электромагнитных измерениях, разработан новый фотоэлектромагнитный эксцентрикометр (точность до тысячных долей). Технология развивается — будущие достижения в материалах позволят достичь еще большей точности, что будет способствовать прогрессу в отрасли.
