FBGセンサ多重法を用いた電気コイルにおけるその場での分散熱ホットスポットモニタリング用設計、計測、使用プロトコル

1. 光ファイバー熱センサー設計 まず、ターゲットコイル構造と尋問システムの特徴に基づいて、センサーの設計と仕様を特定します。この作業で使用されるテストコイルは、電気機械コイルに典型的な楕円形の幾何学を有する(図1Aに示すように。個々のセンシング位置を決定する前に、設計上の決定を行い、埋め込み巻コイルアプリケーションの典型的な機械的および熱環境において光センシングファイバが動作することを確認します。 一般的に約300°Cまでの温度で動作することが知られている標準的な曲げ無感ポリイミドコーティングシングルモード繊維を使用してください。この繊維は従って慣習的な電気機械で使用される傷のコイルの適用のために適している。注:選択された光ファイバーは、この作業で使用されるような電気機械で動作する典型的なランダムな傷コイルの熱環境でセンサーの機能を保証します(クラスFとH、それぞれ定格温度155と180 °C10)。曲げに敏感な繊維は、小さな曲げ半径を可能にし、より低い曲げ損失を有するように設計されているので、このアプリケーションのために好ましい。これにより、センサーは、センサー機能を検出する最小の有害な影響で、目的のコイル構造とセンシング位置に効果的に適合させることができます。 ファイバー長を 1.5 m に設定します。メモ: ファイバー長は、計測対象の巻線コイルのジオメトリと、尋問ユニットまでの所望の距離に従って設定されます。テストコイルの周長(図1A)は0.3メートルで、コイルから尋問するファイバー長は1.2メートルで、全長は1.5mで、テストコイル内で十分な長さのファイバーをループして、所望のセンシング位置が適切に確立され、テストコイルと尋問者の間に適切な距離があることを確認できます。メモ: FBGS は、尋問ユニットから数キロ離れた場所に配置できます。これは、光ファイバが効率的な単一キャリアであるためです。 FBG アレイを 4 つの FBG ヘッド(5 mm)で構成するように設計し、コイル構造内の分散センシングを可能にし、2 つのセンシング位置をコイルの側面に配置し、2 つのセンシング位置をコイルの端に配置します。注: 熱センシング位置は、電気機械に関連する熱監視規格(スロットセクションの場合は 2 FBGS、エンドワインディングセクションの場合は2)に基づいて識別されます。この作業で使用される商用尋問者設計により、1つの光ファイバを下に最大16のFBGセンシングポイントの同時問い合わせが可能になります。 5 mm の FBG センシング ヘッド長を使用します。これは、ランダムな巻きコイルを運ぶ電流で局所的なホットスポット監視を可能にするのに十分であると考えられる。注:FBGヘッド長(3mm、5mmまたは10mm)の代替商用値は、センシングアプリケーションで異なるセンシングポイント寸法が必要な場合にも使用できます。 使用される商業尋問者の評価に合わせて1529-60 nmの帯域幅で間隔をあけて異なる波長で個々のFBGヘッドをすりおろされるように指定します。これにより、FBGシフト波長干渉の防止が保証されます。注: FBG ヘッドの波長、予想される波長シフト帯域幅、アプリケーションの温度変化は、検出システムが正しく動作するように、問い合わせユニットのブロードバンド光帯域幅内にする必要があります。 尋問装置と一致するFC/APCファイバープローブコネクタタイプを使用します。注: FC/APC は一般的に、低リターン損失のために FBG センシングの推奨される選択肢です。 商用FBGメーカーにセンサーの設計と仕様を提供する -図3Bは、この作業で使用されるFBGアレイ設計の最終スケッチを示しています。 2. 尋問システムとセンサ構成 設計および製造された FBG アレイ センサーを確認し、商業用の尋問システムで動作するように構成します。 FC/APCコネクタフェルールから保護キャップを取り外します。 コネクタの端面を光学式コネクタクリーナーで優しく拭いて清掃します。メモ:センサーが尋問者に接続されるたびにこの手順を実行することを強くお勧めします。この作品では、Cletop-sの市販シリーズの光学クリーナーが使用されました。 クリーニングされた FBG プローブ コネクタを、尋問者チャネル コネクタにプラグインします。メモ:コネクタを合致させるときに、キーウェイが正しく位置合わせされていることを確認します。 尋問官をオンにします。メモ:尋問者は、RJ45コネクタとインターネットケーブルを介してPCに接続されています。 構成ソフトウェアを実行します。メモ:尋問ソフトウェアは、尋問者のハードウェアユニットの操作を可能にするために設計された尋問者の製造業者によって提供される専有LabVIEWベースのソフトウェアパッケージです。 計測器のセットアップタブでは、FBGアレイプローブからの反射波長スペクトルを観察します(この作業で使用されるFBGアレイ設計では、関連するチャンネルスペクトルで4つのピークを観測する必要があります)。注意:反射光強度はFBG特性に依存します(50%以上が許容されます)。 サンプリング周波数を10 Hzに設定します。これは、指定された1s期間に提供される温度測定値の数を直接決定します。注:使用された尋問システムは2.5 kHzまでのサンプリング周波数で動作することができます。しかし、この作業で監視されるコイルを運ぶ電流の熱力学のために10 Hzは十分な取得率とみなされます。 測定設定で、FBG ヘッドに FBG1、FBG2、FBG3、FBG4 という名前を付けます。この段階でグラフィカルに表示される量の種類として波長を選択します。FBGアレイが構成され、キャリブレーションステップの準備が整います。 3. 包装準備 FBGヘッドがインプリントされている領域(すなわち、すりおろした)を配列繊維に適切にパッケージ化して、機械的励起からのセンシングヘッド分離を確実にし、熱励起応答センサのみを得る。さらに、繊維構造は壊れやすく、コイル導体内に直接埋め込むのは望ましくありません:完全性を保つためには十分な機械的保護が必要です。この研究では、コイル構造内に埋め込まれた4つのFBGヘッドを含むセンシング領域をポリエテアテルケトン(PEEK)で包装し、残りの繊維はテフロンによって保護されています- これは図3Cに示されています。 センシングファイバを通してキャピラリーで保護できるように、狭い円形のキャピラリーチューブの形でパッケージを設計します。注: キャピラリー寸法と熱特性は、FBGセンシングヘッドを含む領域のパッケージングが関係する場合に特に重要です。一般的に、比較的狭い壁厚さを確保し、電気伝導性ではないが、合理的な程度の熱伝導率を提供する材料を使用することが望ましい。PEEK毛細管の外径は0.8mmで、壁厚は0.1mmです。 商業用PEEKチューブの十分な長さ(繊維挿入を可能にするために数センチメートルのターゲットコイル構造の長さ、およびPEEKキャピラリー関節調製にテフロン)を切断することによってPEEKキャピラリーを準備します。メモ:FBGアレイのイン・イン・イン・インストゥルメンテーションでは、まずセンシング・ファイバで挿入されるパッケージのインストールが必要です。スムーズで清掃された毛細管端の開口部を確保するために注意する必要があります。 FBGアレイとPEEKキャピラリーを注意深く測定して、PEEKキャピラリーの外面のセンシング位置を正確に特定します。これにより、モータレットテストコイル内のターゲット位置にFBGセンシングヘッドを配置できます。 テフロンキャピラリーは、試験コイルジオメトリの外側のファイバーセクションが保護され、含まれていることを確認するために、適切な長さの商業テフロンチューブを切断して準備します。注:非センシングアレイセクションの外部梱包材は、十分な機械的保護を提供するのに十分な剛性を持っている必要がありますが、尋問者との実用的な接続を可能にするために柔軟である必要があります。また、このアプリケーションではEMI免疫を持つ材料が望ましい。テフロンは、この研究で満足のいく性能を提供することが判明したが、代替材料を適用することができる。 PEEKとテフロン毛細血管の間のジョイントを作るために適切な収縮管の長さを準備します。 4. 無料の熱校正 パッケージ化されたFBGアレイセンサーを熱室に挿入して、個別の温度対波長点を抽出してキャリブレーションします。注: 好ましくは、センシング領域は、テストコイル内にパッケージが埋め込まれている場合と同様の歪みレベルでキャリブレーションを提供するために、ターゲットコイル構造のそれと一致するように整形されています。 すりおろした光ファイバを尋問者に接続し、事前設定された尋問者ソフトウェアルーチンを起動します。 熱定常状態点のシーケンスで動作するように熱チャンバーオーブンを設定する – これらは、170°Cに周囲の範囲にあり、この作業では10度ごとにステップです。チャンバ内でエミュレートされる各定温度の配列内の個々のFBGの測定された反射波長からテーブルを作成します。注: 温度平衡を検査したすべての定常熱点で到達するために、校正テスト中に十分な時間を許す必要があります。 記録されたシフト波長対温度測定を10°Cステップで使用して、最適な温度波長シフトフィット曲線と各FBGの係数を決定します。図4および表1は、それぞれ記録されたキャリブレーションデータ測定値と計算された適合曲線を示す。注: この研究では、配列内のFBGヘッドの波長シフトと温度変化の関係を、最適な特性評価を提供することが分かったため、多項式二次回帰によって解析されます。この分析から多項式2次回帰適合曲線係数は11を計算する。 計測器ソフトウェアの関連設定に計算された係数を入力して、FBGアレイからのインライン温度測定を可能にします。 5. テストコイルのビルドとFBGの計装 最初のビルドとモータレットランダム巻きコイルをインストルメント。 巻き取りボビンを、巻き装置に合うように設計します。注: ボビンジオメトリは、コイルのターンジオメトリに一致するように設計されており、目的の巻きコイル寸法を確保します。ボビンは、その絶縁材を損傷することなく、創傷コイルの簡単な除去を容易にするために簡単に解体されるように設計されています。 選択したエナメル銅線リールを巻き取り装置に配置し、巻き取りローラーとテンションコントローラを通して銅線を引きます。注: クラス F のエナメル銅線は、この作業で使用されます。 ワインダデバイスのターン番号カウンタをゼロに設定します。 低速で動作するように巻き付け、所望のワイヤーテンションを制御します。 コイルの風の半分が回ります。 カプトンテープを使用してコイルの中央に準備したPEEKキャピラリーを合わせます。注: PEEK キャピラリーのインデックスがターゲットの場所に配置されていることを確認するために注意する必要があります。 残りのコイルを巻き上げます。 巻き機からボビンを取り出し、分解して、PEEKキャピラリーに埋め込まれた巻きコイルを解放します。 コイルをモーターレットフレームに入れる。注:モーターレットコイル絶縁システム(スロット絶縁とスロットウェッジ)は、コイルと適切に取り付ける必要があります。 コイル端子を準備し、モレット端子に接続します。 巻きワニスを使用してモトレットをワニスし、適切な温度(150°C)でオーブンに入れ、硬化させます。 FBG アレイインストルメンテーション: まず、FBG アレイを尋問者に接続します。インストール中にFBG反射波長を監視するために尋問ソフトウェアを起動します。 準備された縮小チューブを通して繊維を引っ張ります。 テフロンとPEEK毛細血管の端部の開口部が接触するまで、慎重に繊維(センシング領域)をPEEKキャピラリーに挿入します。 毛細血管の端を覆うように収縮チューブを移動し、適切に所望のフィットが達成されるまで加熱します。 6. その場合のキャリブレーションと評価 埋め込み後のステップ4で得られた温度較正を検証し、必要に応じて修正します。このテストでは、制御された静熱条件でのFBGアレイ性能の評価も可能です。 FBGサーマルアレイに埋め込まれたモレットをサーマルオーブンに入れます。メモ:従来の温度センサは、性能比較のために使用することができます。ここでモータレットコイル表面に設置された熱電対が使用される。 手順 4.3 と 4.4 を繰り返します。 ステップ 4.5 を、ステップ 4 でキャリブレーションされた適合に基づいて FBG ヘッドで測定した温度を含めて繰り返します。 FBG アレイの温度測定値を評価し、参照温度と比較します。測定誤差が高い場合、ステップ6.4で記録された測定値を使用してキャリブレーションを更新することができる。 火のオーブンからモーターレットを取り出します。テストの準備ができています。 7. テスト 静的温度条件テストを実行します。 モーターレットをDC電源に接続します。 FBG アレイを尋問者に接続します。FBG温度測定を監視し、記録します。 DC電源を制御して、DC電流を付けてモータレットを注入します。注:選択したDC電流レベルは、コイル内部熱ホットスポットのT-riseが許容断熱温度よりも低いことを確認する必要があります。これはプロトタイプコイルの非破壊テストを可能にする。 モータレットコイルの熱平衡に達すると測定の記録を停止します。 不均一な熱条件試験を行います。 20を含む外部コイルを、選択したテストコイルセクションを巻き回します。 外部コイルを別のDC電源に接続します。 7.1.3で適用されるDCの流れとモーターレットを通電させる。 熱平衡に達したら、熱測定の記録を開始します。 テストコイルに局在する熱励起を提供することにより、外部コイルをDC電流で通電し、不均一な熱条件を提供します。 熱平衡に達したら測定の記録を停止します。