Протоколы проектирования, инструментов и использования для распределенных в Situ тепловых горячих точках Мониторинг в электрических катушки с использованием FBG датчик мультиплексирования

1. Конструкция волоконно-оптического теплового датчика Сначала определите конструкцию датчиков и спецификации, основанные на структуре целевой катушки и особенностях системы допроса. Испытательная катушка, используемая в этой работе, имеет овальную геометрию, характерную для электрических машин (как показано на рисунке 1A. Прежде чем отдельные места зондирования определены, принимать проектные решения для обеспечения того, чтобы оптическое зондирование волокна остается оперативной в механической и тепловой среде, типичной для встроенного применения раны катушки. Используйте стандартный изгиб-нечувствительный полиимид покрытием одного режима волокна, которые, как известно, быть в состоянии работать при температурах до примерно 300 градусов по Цельсию; это волокно, таким образом, подходит для применения в раневых катушки, используемые в обычных электрических машин.ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранное оптическое волокно обеспечивает функциональность датчика в тепловой среде типичной случайной раневой катушки, работающей в электрических машинах, таких как используемые в этой работе (класс F и H с номинальной температурой 155 и 180 градусов по Цельсию10, соответственно. Изгиб нечувствительных волокна является предпочтительным для этого приложения, поскольку он предназначен, чтобы позволить небольшой радиус изгиба и иметь более низкую потерю изгиба. Это позволяет датчику эффективно соответствовать желаемой структуре катушки и расположению зондирования (ы) с минимальным пагубным эффектом для функциональности зондирования. Установите длину волокна до 1,5 м.ПРИМЕЧАНИЕ: Длина волокна устанавливается в соответствии с геометрией катушки раны цели, которая будет инструментальной, и желаемого расстояния до единицы допроса. Длина испытательной катушки окружной (показано на рисунке 1A)составляет 0,3 метра, а выбранная длина волокна для дознавателя из катушки составляет 1,2 метра, что дает общую длину 1,5 м – это позволяет зацикливаться на достаточной длине волокна в тестовой катушке, чтобы обеспечить правильное зондирование мест, и есть подходящее расстояние между испытательной катушкой и допрашивающим: Рисунок 3A иллюстрирует общую длину.ПРИМЕЧАНИЕ: FBGSs могут быть расположены в нескольких километрах от следственного изолятора. Это потому, что оптическое волокно является эффективным одного носителя. Дизайн массива FBG состоит из четырех головок FBG (5 мм), чтобы позволить распределенное зондирование в структуре катушки, так что два места зондирования расположены в катушки сторон и два находятся в концах катушки.ПРИМЕЧАНИЕ: Места теплового зондирования определены на основе соответствующих стандартов теплового мониторинга для электрических машин (т.е. 2 FBGS для слот-секций и 2 для секций с конечным извином)10. Коммерческая конструкция дознавателя, используемая в этой работе, может позволить одновременное допрос до 16 точек зондирования FBG вниз по одному оптическому волокну. Используйте зондирующую голову FBG длиной 5 мм; это считается достаточным для того, чтобы локализованный мониторинг горячих точек в токе, перевозящих случайные раневые катушки.ПРИМЕЧАНИЕ: Альтернативные коммерческие значения длины головы FBG (3 мм, 5 мм или 10 мм) также могут быть использованы в случае, если приложение зондирования требует сярвидевого измерения. Укажите отдельные головы FBG, которые будут натерты с различными длинами волн, расположенными в пропускной способности 1529-60 нм, чтобы соответствовать используемому коммерческому рейтингу дознавателя; это обеспечивает предотвращение FBG смещенных волнорезов вмешательства.ПРИМЕЧАНИЕ: FBG главы длины волны, их ожидаемой ширины волны сдвиг пропускной способности, и изменение температуры приложения должны быть в пределах допроса единицы широкополосной легкой пропускной способности, чтобы гарантировать, что система зондирования может нормально работать. Используйте тип разъема волокнистого зонда FC/APC, который согласуется с дознавателем.ПРИМЕЧАНИЕ: FC/APC, как правило, является предпочтительным выбором для зондирования FBG из-за низких потерь возврата. Предоставьте дизайн и спецификации датчика коммерческому производителю FBG – На рисунке 3B показан окончательный эскиз конструкции массива FBG, используемой в этой работе. 2. Система допроса и конфигурация датчиков Проверьте и настроили разработанный и изготовленный датчик массива FBG для работы с коммерческой системой допросов. Снимите защитную крышку с разъема FC/APC ferrule. Очистите конец лица разъема, аккуратно вытирая его оптическим очистителем разъема.ПРИМЕЧАНИЕ: Настоятельно рекомендуется выполнять этот шаг каждый раз, когда датчик подключен к дознавательу. В этой работе использовался коммерческий очиститель серии Cletop. Подключаемый разъем зонда FBG к разъему канала дознавателя.ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что ключ правильно выровнены при спаривании разъемов. Включите следователя.ПРИМЕЧАНИЕ: Дознаватель подключен к компьютеру через разъем RJ45 и интернет-кабель. Запустите программное обеспечение конфигурации.ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение для допрашивателя представляет собой запатентованный пакет программного обеспечения на основе LabVIEW, предоставленный производителем дознавателя, предназначенным для обеспечения работы аппаратного подразделения дознавателя. На вкладке настройки прибора наблюдают отраженные спектры длин волн от зонда массива FBG (для конструкции массива FBG, используемой в этой работе, четыре пика должны наблюдаться в соответствующем спектре каналов).ПРИМЕЧАНИЕ: Интенсивность отраженного света зависит от характеристик FBG (принимается выше 50%). Установите частоту выборки до 10 Гц. Это непосредственно определяет количество температурных показаний, предусмотренных в данном периоде 1 с.ПРИМЕЧАНИЕ: Используемая система допросов может работать на частотах выборки до 2,5 кГц; однако для тепловой динамики текущих несущих катушек, контролируемых в этой работе, 10 Гц считаются достаточным коэффициентом приобретения. В настройках измерений назовите глав FBG: FBG1, FBG2, FBG3 и FBG4. Выберите длину волны в качестве типа количества, которое будет представлено графически на данном этапе. Массив FBG настроен и готов к этапу калибровки. 3. Подготовка упаковки Соответствующим образом упакуем области, где головы FBG отпечатаны (т.е. тертые) в волокно массива, чтобы обеспечить зондирование изоляции головы от механического возбуждения и, таким образом, дать исключительно тепловое возбуждение отзывчивый датчик. Кроме того, структура волокна является хрупкой и не желательно непосредственно встраивать его в проводники катушки: она требует адекватной механической защиты для сохранения целостности. В этой работе область зондирования, содержащая четыре головки FBG, встроенная в структуру катушки, упакована с политереторкетоном (PEEK), а остальная часть волокна защищена тефлоном – это иллюстрируется на рисунке 3C. Дизайн упаковки в виде узкой круглой капиллярной трубки, чтобы зондирующее волокно может быть направлено через и, таким образом, защищены капилляром.ПРИМЕЧАНИЕ: Капиллярные размеры и тепловые свойства особенно важны в тех случаях, когда речь идет об упаковке участка, содержащего зондирующие головы FBG. Как правило, желательно обеспечить относительно узкую толщину стени и использовать материал, который не является электрически проводящий, но обеспечивает разумную степень теплопроводности. Внешний диаметр капилляра PEEK, используемого в этой работе, составлял 0,8 мм, а толщина стены – 0,1 мм. Подготовка CApillary PEEK путем сокращения адекватной длины коммерческих труб PEEK (длина целевой катушки структуры с несколькими дополнительными сантиметрами, чтобы для волокна вставки и тефлона для ПИЕК капиллярного совместного приготовления).ПРИМЕЧАНИЕ: Приборирование in situ массива FBG требует установки упаковки, которая затем вставляется с зондирующей волокней. Необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить гладкие и очищенные конечные отверстия капилляров. Тщательно измеряйте массив FBG и капилляр PEEK, чтобы точно определить местопроведения зондирования на внешней поверхности капилляра PEEK. Это позволяет позиционировать головки зондирования FBG в целевых местах в испытательной катушке Motorette. Подготовьте тефлоновый капилляр, разрезав адекватную длину коммерческих тефлоновых труб, чтобы гарантировать, что оптоволоконная секция вне геометрии испытательной катушки защищена и содержится.ПРИМЕЧАНИЕ: Внешний упаковочный материал секции, не ощущающей зондирования, должен иметь достаточную жесткость для обеспечения надлежащей механической защиты, но также и быть гибким, позволяющим обеспечить практическую связь с дознавателем; также желательно, чтобы этот материал был иммунным EMI в этом приложении. Тефлон установлен, чтобы обеспечить удовлетворительные показатели в этом исследовании, однако альтернативные материалы могут быть применены. Подготовьте соответствующую длину термопрокладки, чтобы сделать соединение между PEEK и тефлоновыми капиллярами. 4. Бесплатная термическая калибровка Откалибровать упакованный датчик массива FBG, вставив его в тепловую камеру, чтобы извлечь его дискретную температуру по сравнению с точками длины волны.ПРИМЕЧАНИЕ: Предпочтительно, что область зондирования формируется в соответствии с структурой целевой катушки, чтобы обеспечить калибровку под уровней напряжения, аналогичные тем, когда пакет встроен в тестовую катушки. Подключите тертое оптическое волокно к следователю и запустите предварительно настроенное программное обеспечение для следователя. Установите тепловую камеру печи для работы в последовательности тепловых устойчивых точек состояния – они находятся в диапазоне окружающей среды до 170 градусов по Цельсию и в шагах каждые 10 градусов в этой работе. Создайте таблицу из измеренных отраженных длин волн каждого отдельного FBG в массиве для каждой постоянной температуры, эмулированной в камере.ПРИМЕЧАНИЕ: Достаточное время должно быть разрешено во время калибровочных испытаний для теплового равновесия, которые будут достигнуты в каждом исследованном устойчивом состоянии тепловой точки. Используйте зарегистрированную сдвинутую длину волны по сравнению с измерениями температуры в 10 шагах по Цельсию, чтобы определить оптимальные кривые соответствия температурно-волновой длины и их коэффициенты для каждого FBG. На рисунке 4 и таблице 1 показаны записанные измерения данных калибровки и расчетная кривая соответствия, соответственно.ПРИМЕЧАНИЕ: Связь между сдвигом длины волны и изменением температуры головок FBG в массиве анализируется по полиномальной квадратной регрессии в этой работе, поскольку это было установлено для обеспечения оптимальной характеристики. Из этого анализа вычисляются11коэффициентов по полиномиальной квадратной регрессии кривой. Ввод рассчитанных коэффициентов в соответствующем настройке программного обеспечения для опроса, позволяющих проводить он-лайн измерения температуры из массива FBG. 5. Сборка испытательной катушки и приборы FBG Сначала построить и инструмент motorette случайных раны катушки. Дизайн извилистый бобин, чтобы поместиться на обмотки устройства.ПРИМЕЧАНИЕ: Геометрия бобины разработана, чтобы соответствовать желаемой геометрии поворота катушки и гарантировать, что желаемые размеры раны катушки. Бобина предназначена для легкого демонтажа, чтобы облегчить прямое удаление раневой катушки, не повреждая ее изоляцию. Поместите выбранную эмалированную медную проволоку катушки в обмотки устройства и потяните медную проволоку через катки обмотки и контроллер напряжения.ПРИМЕЧАНИЕ: Класс F эмалированной медной проволоки используется в этой работе. Установите ветровое устройство поверните номер счетчика к нулю. Установите обмотки работать на низкой скорости и контролировать желаемое напряжение провода. Ветер половина катушки оказывается. Fit подготовленный CApillary PEEK в центре катушки с помощью ленты Kapton.ПРИМЕЧАНИЕ: Необходимо проявлять осторожность, чтобы обеспечить размещение индексов на капилляре PEEK в целевых местах. Ветер остальной катушки оказывается. Снимите бобин с машины для обмотки и разберите, чтобы освободить рану катушки, встроенную с капилляром PEEK. Поместите катушки в рамку Motorette.ПРИМЕЧАНИЕ: Система изоляции катушки мотора (изоляция слотов и клинья слотов) должна быть надлежащим образом установлена с катушки. Подготовьте катушки терминалов и подключить их к мотоциклетных терминалов. Заварите мотористку с помощью извилистого лака и поместите в духовку при соответствующей температуре (150 градусов по Цельсию) для лечения. Приборы массива FBG: Сначала подключите массив FBG к следователю; запуск программного обеспечения для дознавателя для мониторинга FBG отраженной длины волны во время установки. Вытяните волокно через подготовленную сжимающую трубку. Тщательно вставьте волокно (область зондирования) в капилляр PEEK до конца отверстий тефлоновых и пиекка капилляров находятся в контакте. Переместите термоусадочной трубки, чтобы покрыть концы капилляров и соответствующим образом нагрейте ее до достижения желаемой формы. 6. На месте калибровки и оценки Проверить полученную термическую калибровку в шаге 4 после встраивания и исправить, если это необходимо. Тест также позволяет оценить производительность массива FBG в контролируемом статичном тепловом состоянии. Поместите моторет, встроенный в тепловой массив FBG, в термальную печь.ПРИМЕЧАНИЕ: Обычный тепловой датчик может быть использован для целей сравнения производительности. Здесь используются термопары, установленные на поверхности катушки мотора. Повторите шаги 4.3 и 4.4. Повторите шаг 4.5, включая температуру, измеренную главами FBG на основе откалиброванной подгонки в шаге 4. Оцените и сравните измерения температуры массива FBG с эталонной температурой. Если ошибка измерения высока, то для обновления калибровки можно использовать зарегистрированное измерение в шаге 6.4. Вынизуйте моторет из тепловой печи; он готов к тестированию. 7. Тестирование Выполните тест статического теплосостояния. Подключите моторку к блоку питания постоянного тока. Подключите массив FBG к следователю; контролировать и записывать свои измерения температуры FBG. Управление блок питания постоянного тока, чтобы впрыснуть motorette с током постоянного тока.ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранный текущий уровень ПОСТОЯННОГО ТОКа должен гарантировать, что T-подъем во внутренних тепловых горячих точках катушки меньше допустимой температуры изоляции; это позволяет неразрушать испытания на прототипе катушки. Остановить запись измерений, когда моторная катушка теплового равновесия достигается. Выполните неоднородный тест на термическое состояние. Ветер внешней катушки, содержащей 20 поворотов вокруг выбранной секции катушки испытания. Подключите внешнюю катушку к отдельному блоку питания постоянного тока. Энергия моторетки с током DC применяется в 7.1.3. Начните запись тепловых измерений после достижения теплового равновесия. Заряжай внешнюю катушки током постоянного тока, чтобы обеспечить неравномерные тепловые условия, обеспечивая локализованное тепловое возбуждение на испытательной катушке. Прекратите запись измерений после достижения теплового равновесия.