Sự tiến bộ trong Đo độ lệch tâm cáp dựa trên cảm ứng điện từ: Vượt qua rung động và tăng cường độ chính xác

Một thách thức cốt lõi trong việc đo độ lệch tâm cáp trực tuyến là chuyển động tốc độ cao của cáp. Điều này yêu cầu thiết bị đo không tiếp xúc có thể xử lý sự rung lắc của cáp. Đồng hồ đo độ lệch tâm cáp dựa trên tia X, sử dụng hình ảnh truyền qua quang học, đo kích thước đường viền đa lớp để tính toán tâm hình học của dây dẫn so với độ lệch tâm cách điện. Tuy nhiên, chúng có những nhược điểm: tốc độ đo chậm (chỉ vài lần mỗi giây), lỗi tăng do rung lắc cáp và chi phí cao.

1 Nguyên tắc của Đồng hồ Đo Độ Lệch Tâm Cáp Dựa trên Từ Trường Điện Từ

Đồng hồ đo độ lệch tâm cáp dựa trên cảm ứng điện từ kết hợp đo đường kính quang học và cảm ứng điện từ để phát hiện dây dẫn. Chúng đo tâm điện (tốt hơn so với độ lệch tâm hình học) với tốc độ hàng nghìn lần mỗi giây. Tốc độ đo nhanh giảm thiểu tác động của rung lắc, thay thế các thiết bị tia X trong các trường hợp không yêu cầu kích thước đa lớp.

Các sản phẩm nhập khẩu hiện tại (theo nguyên tắc công khai) sử dụng bốn cuộn cảm ứng để phát hiện từ trường (như trong Hình 1). Một số xác định vị trí trung tâm dây dẫn thông qua cường độ tín hiệu bằng nhau (điều chỉnh cửa sổ bằng động cơ nếu không bằng nhau); một số khác tính toán tâm dây dẫn từ cường độ tín hiệu được phát hiện.

2 Kiểm soát Độ Chính Xác Đo Lường

Quá trình điều chỉnh động cơ gây ra độ trễ. Điều này dẫn đến sự không đồng bộ giữa đo lường cách điện và dây dẫn, tạo ra lỗi do độ trễ - càng rung lắc mạnh, lỗi càng lớn. Trong thực tế, khuyết điểm này thể hiện: nếu cáp rung lắc, kết quả đo độ lệch tâm trở nên không ổn định, dao động vượt quá 1%. Điều này phản ánh lỗi đo của thiết bị, không phải tình trạng thực tế của cáp.

Tuy nhiên, việc đánh giá tâm dây dẫn bằng cường độ tín hiệu bằng nhau không luôn đúng. Định luật Biot-Savart cho biết: cường độ cảm ứng từ (B) được kích thích bởi phần tử dòng điện Idl tại bất kỳ điểm nào trong không gian ở khoảng cách r là:

Công thức này cho thấy cường độ cảm ứng từ tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách và tỷ lệ thuận với sin của góc hướng θ, như được hiển thị trong Hình 2.

Dựa trên điều này, một phép tính mô phỏng về mối quan hệ giữa cường độ từ trường tại bốn điểm trong không gian được thực hiện. Để tiện lợi, một mô hình như trong Hình 3 được thiết lập.

Các điểm 1, 2, 3 và 4 được phân bố vuông góc và đối xứng, với O là điểm trung tâm. Giả sử phần tử dòng điện di chuyển dọc theo đường trung tuyến OP của trục 2 và 3. Theo Công thức (1), khi phần tử dòng điện ở bất kỳ điểm nào trên OP, B1 = B4 và B2 = B3. Do đó, chỉ cần xem xét sự biến đổi của B1/B2 theo ∠θ. Sau khi tính toán, một tập dữ liệu được thu được, và biểu đồ xu hướng điểm được tạo ra, như được hiển thị trong Bảng 1 và Hình 4.

Như thấy trong Hình 4, xu hướng là một đường cong không đều. Khi ∠θ tăng, B1/B2 giảm từ 1 xuống ~0.268 (tối thiểu), sau đó tăng trở lại 1. Trong khi từ trường tại bốn điểm cân bằng, phần tử dòng điện xa trung tâm O. Trong khoảng thời gian này, mỗi giá trị (ngoại trừ tối thiểu) có hai điểm - gần hơn với tối thiểu, các điểm gần nhau hơn.

Điều này áp dụng cho một tứ giác, và tương tự cho các tứ giác khác. Relying on four-point magnetic field magnitudes can’t judge conductor centering or determine its center (magnetic field is a vector, not scalar).

Vì vậy, để phát triển một đồng hồ đo độ lệch tâm tốt hơn, tránh mù quáng theo các công ty nước ngoài. Nguyên tắc mới: đo góc hướng từ trường θ₁, θ₂ tại P₁/P₂ để xác định tâm nguồn O (Hình 5).

Nguyên tắc này được tổng kết theo hình học: Một tam giác được xác định duy nhất bởi một cạnh và hai góc kề. Trong khi điều này đúng, việc thực hiện đòi hỏi đo lường từ trường yếu với tốc độ và độ chính xác cao.

Dây dẫn cáp tạo ra dòng điện ~10mA trong trường điện xoay chiều bên ngoài. Các cảm biến, cách xa cáp, phát hiện từ trường yếu (~chục nT) - đòi hỏi độ nhạy cao, đáp ứng tần số và nhiễu thấp (nhiễu cố hữu ảnh hưởng đến độ chính xác).

3 Thực hiện Đồng hồ Đo Độ Lệch Tâm Dựa trên Điện Từ

Hầu hết các sản phẩm nhập khẩu sử dụng cảm biến cuộn; bài viết này chọn cảm biến kháng từ. Cảm biến nhỏ gọn tích hợp đo lường điện từ và quang học trên cùng một mặt cắt ngang (giảm lỗi), với độ nhất quán cao giữa các cảm biến. Cảm biến kháng từ dựa trên kỹ thuật khắc mịn là lý tưởng. Trong khi đó, các sản phẩm nhập khẩu sử dụng cảm biến cuộn tách biệt các đo lường, coi các đoạn dây dẫn không quang như nhau - tăng lỗi.

Đo lường dựa trên kháng từ: 1000/lần đo, độ lặp lại ±2% (100-200nT), ±0.2% cho trung bình 1000 lần đo, độ tuyến tính <0.5%. So sánh với sản phẩm nhập khẩu bị hạn chế (không có dữ liệu).

Kết hợp với đo lường quang học LED×CCD nhanh cho phép đo độ lệch tâm theo thời gian thực (Hình 6).

Trong mỗi lần đo, vị trí của bốn điểm (A, B, C, D) trên lớp cách điện và vị trí tâm dây dẫn P được lấy đồng thời. Độ lệch tâm theo hướng X và Y và độ lệch tâm tổng cộng được tính bằng các công thức sau:

Đối với mỗi lần đo, e_x, e_y và e được trung bình (trên một số mẫu cụ thể) làm kết quả độ lệch tâm cuối cùng. Để hiển thị độ đồng tâm, sử dụng Độ đồng tâm = 1 - Độ lệch tâm. Δx/Δy (sai lệch theo hướng X/Y) cho phép điều chỉnh đầu ép theo thời gian thực để tự động sửa độ lệch tâm cáp.

Tốc độ đo nhanh hơn giảm lỗi do rung lắc: 1000 lần đo/giây đạt độ chính xác đến hàng nghìn. Hầu hết các sản phẩm nhập khẩu (hàng trăm lần đo/giây) tuyên bố độ chính xác độ lệch tâm giả định dây dẫn nằm ở trung tâm (trùng khớp với độ chính xác đường kính ngoài, được đưa ra dưới dạng ±μm tuyệt đối, không phải phần trăm - không tuân thủ).

3.1 Đo Đường Kính LED×CCD

Dựa trên quang học telecentric, nó sử dụng chặn sáng để tạo ra vùng CCD sáng-tối. Các thuật toán phân tích cạnh để tính toán kích thước. Việc phơi sáng toàn bộ CCD (cảm nhận pixel đồng thời) gây mờ cạnh do rung lắc (dọc → đường chéo), nhưng thuật toán giải quyết các cạnh và loại bỏ lỗi.

3.2 Lưu ý về Đo Đường Kính Quang Học

Không phải là trọng tâm, nhưng quan trọng: Đo độ lệch tâm cáp yêu cầu chụp quang học theo thời gian thực bốn vị trí đỉnh của lớp cách điện (không chỉ kích thước). Phương pháp laser quét bằng động cơ có nguy cơ lỗi đo không đồng bộ. Do đó, đồng bộ hóa đo lường quang học và điện từ là quan trọng cho việc phát triển thiết bị.

4 Kết luận

Thiết bị dựa trên cảm ứng điện từ đo nhanh tâm điện của dây dẫn, với chi phí thấp và lợi ích. Giải quyết các khuyết điểm đo lường điện từ của sản phẩm nhập khẩu, một đồng hồ đo độ lệch tâm cáp photoelectromagnetic mới được phát triển (độ chính xác đến hàng nghìn). Công nghệ phát triển - tiến bộ vật liệu trong tương lai sẽ cho phép độ chính xác cao hơn, thúc đẩy sự tiến bộ của ngành công nghiệp.