FBG 센서 멀티플렉싱을 사용하여 전기 코일의 소간 핫스팟 모니터링에 분산된 설계, 계측 및 사용 프로토콜

1. 광섬유 열 센서 디자인 먼저 대상 코일 구조와 심문 시스템 특징을 기반으로 센서 설계 및 사양을 식별합니다. 이 작업에 사용되는 테스트 코일은 전기 기계 코일의 전형적인 타원형 형상을 가지고 있습니다 (그림 1A에도시 된 바와 같이) 개별 감지 위치를 결정하기 전에 광학 감지 섬유가 임베디드 상처 코일 응용 분야의 일반적인 기계적 및 열 환경에서 작동하도록 설계 결정을 내십시오. 일반적으로 약 300 °C의 온도에서 작동 할 수있는 것으로 알려져 표준 굴곡 에 민감한 폴리 이미드 코팅 단일 모드 섬유를 사용; 이 섬유는 따라서 기존의 전기 기계에 사용되는 상처 코일에 응용 프로그램에 적합합니다.참고: 선택한 광섬유는 이 작업에 사용되는 전기 기계에서 작동하는 일반적인 무작위 감형 코일의 열 환경에서 센서 기능을 보장합니다(등급 F 및 H등급(정격 온도가 각각 155 및 180°C10). 굽힘 에 민감한 섬유는 작은 굽힘 반경을 허용하고 낮은 굽힘 손실을 갖도록 설계되었기 때문에이 응용 프로그램에 선호됩니다. 이를 통해 센서가 원하는 코일 구조와 감지 위치를 효과적으로 준수하고 감지 기능에 대한 해로운 영향을 최소화할 수 있습니다. 섬유 길이를 1.5m로 설정합니다.참고: 섬유 길이는 계측할 대상 상처 코일의 형상과 심문 부까지의 원하는 거리에 따라 설정됩니다. 시험 코일 둘레 길이(도 1A에나타남에 나타남)는 0.3미터이고 코일로부터 인터로게이터에게 선택된 섬유 길이는 1.2미터이며 총 길이는 1.5m이며, 이는 원하는 감지 위치가 적절히 확립되고 테스트 코일과 인터로 사이의 적절한 거리가 있는지 확인하기 위해 테스트 코일 내에서 반복될 수 있는 충분한 섬유 길이를 허용한다: 도 3A는 일반적인 설계를 예시한다.참고 : FBGS는 심문 장치에서 몇 킬로미터 를 배치 할 수 있습니다. 광섬유가 효율적인 단일 캐리어이기 때문입니다. 4개의 FBG 헤드(5mm)로 구성된 FBG 어레이를 설계하여 코일 구조 내에서 분산 감지를 가능하게 하여 두 개의 감지 위치가 코일 측에 배치되고 두 개의 감지 위치가 코일 끝에 있도록 합니다.참고: 열 감지 위치는 전기 기계에 대한 관련 열 모니터링 표준(예: 슬롯 섹션용 FBGS 2개, 엔드 와인딩 섹션의 경우 2개)을 기준으로 식별됩니다10. 이 작업에 사용되는 상용 인터로게이터 설계는 단일 광섬유에서 최대 16개의 FBG 감지 지점을 동시에 심문할 수 있습니다. 5mm의 FBG 감지 헤드 길이를 사용하십시오. 이것은 임의의 상처 코일을 운반하는 현재의 지역화 된 핫스팟 모니터링을 가능하게하기에 충분한 것으로 간주됩니다.참고: 감지 어플리케이션에서 다른 감지 지점 치수가 필요한 경우 FBG 헤드 길이(3mm, 5mm 또는 10mm)의 대체 상용 값을 사용할 수도 있습니다. 사용된 상용 인터로게이터 등급과 일치하도록 1529-60 nm의 대역폭으로 간격이 다른 파장으로 강판될 개별 FBG 헤드를 지정합니다. 이를 통해 FBG 이동 파장 간섭을 방지할 수 있습니다.참고: FBG 헤드 파장, 예상 파장 시프트 대역폭 및 애플리케이션 온도 변화는 감지 시스템이 제대로 작동할 수 있도록 심문 유닛 광대역 광 대역폭 내에 있어야 합니다. 인터로게이터 장치와 일치하는 FC/APC 파이버 프로브 커넥터 유형을 사용합니다.참고: FC/APC는 일반적으로 낮은 수익 손실로 인해 FBG 감지에 선호되는 선택입니다. 상업용 FBG 제조업체에 센서의 설계 및 사양제공-도 3B는 이 작업에 사용된 FBG 어레이 설계의 최종 스케치를 나타낸다. 2. 심문 시스템 및 센서 구성 상용 심문 시스템과 함께 작동하도록 설계 및 제조된 FBG 어레이 센서를 확인하고 구성합니다. FC/APC 커넥터 페룰에서 보호 캡을 분리합니다. 광학 커넥터 클리너로 부드럽게 닦아 커넥터 끝면을 청소합니다.참고: 센서가 인터로게이터에 연결될 때마다 이 단계를 수행하는 것이 좋습니다. 이 작품에는 클탑의 상업용 시리즈 광학 클리너가 사용되었습니다. 정리된 FBG 프로브 커넥터를 인터로게이터 채널 커넥터에 플러그인합니다.참고: 커넥터를 결합할 때 키웨이가 올바르게 정렬되었는지 확인합니다. 인터로게이터를 켭니다.참고: 인터로게이터는 RJ45 커넥터와 인터넷 케이블을 통해 PC에 연결됩니다. 구성 소프트웨어를 실행합니다.참고: 인터로게이터 소프트웨어는 인터로게이터 하드웨어 장치 작동을 가능하게 하도록 설계된 인터로게이터 제조업체에서 제공하는 독점 LabVIEW 기반 소프트웨어 패키지입니다. 계측기 설정 탭에서 FBG 어레이 프로브의 반사파장 스펙트럼을 관찰합니다(이 작업에 사용되는 FBG 어레이 설계의 경우 관련 채널 스펙트럼에서 4개의 피크를 관찰해야 합니다).참고: 반사된 광도는 FBG 특성에 따라 달라집니다(50% 이상 허용됨). 샘플링 주파수를 10Hz로 설정합니다. 이는 주어진 1s 기간에 제공된 온도 판독 횟수를 직접 결정합니다.참고: 사용된 심문 시스템은 최대 2.5kHz의 샘플링 주파수에서 작동할 수 있습니다. 그러나, 이 작업에서 모니터링되는 전류 운반 코일의 열 역학의 경우 10 Hz는 충분한 획득 속도로 간주됩니다. 측정 설정에서 FBG 헤드를 FBG1, FBG2, FBG3 및 FBG4로 지정합니다. 이 단계에서 그래픽으로 표시할 수량 유형으로 파장을 선택합니다. FBG 어레이는 캘리브레이션 단계에 맞게 구성되고 준비됩니다. 3. 포장 준비 어레이 섬유에 FBG 헤드가 각인된 영역(즉, 강판)을 적절히 패키징하여 기계적 여기로부터 헤드를 감지하고 독점적으로 열 여기 반응형 센서를 생성합니다. 또한, 섬유 구조는 깨지기 쉽고 코일 도체 내에 직접 내장하는 것은 바람직하지 않다: 무결성을 유지하기 위해 적절한 기계적 보호가 필요하다. 이 작업에서, 코일 구조 내에 내장된 4개의 FBG 헤드를 포함하는 감지 영역은 폴리에테르케톤(PEEK)으로 패키징되고 섬유의 나머지 는 테프론에 의해 보호된다 – 이것은 도 3C에도시되어 있다. 감지 섬유가 모세관에 의해 라우팅되어 보호될 수 있도록 좁은 원형 모세관 형태로 포장을 설계합니다.참고: FBG 감지 헤드가 포함된 영역의 포장이 중요한 경우 모세관 치수와 열 특성이 특히 중요합니다. 일반적으로 상대적으로 좁은 벽 두께를 보장하고 전기전도성이 없지만 합리적인 수준의 열 전도성을 제공하는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이 작업에 사용되는 PEEK 모세관의 외경은 0.8 mm이고 벽 두께는 0.1 mm입니다. 상업적인 PEEK 튜브의 적당한 길이를 절단하여 PEEK 모세관을 준비하십시오 (섬유 삽입및 테프론을 PEEK 모세관 조인트 제제에 허용하기 위해 몇 센티미터를 추가로 표적 코일 구조의 길이).참고: FBG 어레이의 내부 계측기는 먼저 포장을 설치한 다음 감지 섬유로 삽입해야 합니다. 부드럽고 세척된 모세관 말단 개구부를 보장하기 위해 주의를 기울여야 합니다. FBG 어레이와 PEEK 모세관을 주의 깊게 측정하여 PEEK 모세관의 외부 표면에서 감지 위치를 정확하게 식별합니다. 이를 통해 모터렛 테스트 코일 내의 대상 위치에 FBG 감지 헤드를 배치할 수 있습니다. 테스트 코일 지오메트리 외부의 섬유 섹션이 보호되고 포함되도록 상업용 테프론 튜브의 적절한 길이를 절단하여 테프론 모세관을 준비합니다.참고 : 비 감지 어레이 섹션의 외부 포장 재료는 적절한 기계적 보호를 제공하기에 충분한 강성을 가질 뿐만 아니라 인터로게이터에 대한 실질적인 연결을 허용하도록 유연해야합니다. 또한 이 응용 분야에서 EMI 면역물질이 되는 것이 바람직하다. 테프론은 이 연구에서 만족스러운 성능을 제공하는 것으로 밝혀졌지만 대체 물질을 적용할 수 있다. PEEK와 테프론 모세 혈관 사이의 조인트를 만들기 위해 적절한 수축 튜브 길이를 준비합니다. 4. 무료 열 보정 포장된 FBG 어레이 센서를 열 챔버에 삽입하여 이산 온도 대 파장 지점을 추출하여 보정합니다.참고: 바람직하게는 감지 영역은 패키지가 테스트 코일 내에 포함될 때와 유사한 변형 수준에서 교정을 제공하기 위해 대상 코일 구조와 일치하도록 형성됩니다. 강판에 간 광섬유를 인터로게이터에 연결하고 사전 구성된 인터로게이터 소프트웨어 루틴을 시작합니다. 열 체온 오븐을 열 정상 상태 점의 순서로 작동하도록 설정 – 이들은 170 ° C의 주변 범위와이 작업에서 매 10도의 단계에 있습니다. 챔버에 에뮬레이트된 모든 일정한 온도에 대해 어레이에서 각 개별 FBG의 측정된 반사 파장에서 테이블을 작성합니다.참고: 검사된 모든 정상 상태 열 지점에서 열 평형을 검사하는 동안 충분한 시간을 허용해야 합니다. 기록된 이동 파장 대 온도 측정을 10°C 단계로 사용하여 각 FBG에 대한 최적의 온도 파장 시프트 핏 곡선과 그 계수를 결정합니다. 도 4 및 표 1은 각각 기록된 교정 데이터 측정 및 계산된 맞춤 곡선을 나타낸다.참고: 어레이의 파장 이동과 FBG 헤드의 온도 변화 사이의 관계는 최적의 특성화를 제공하는 것으로 밝혀졌기 때문에 이 작업에서 다항식 이차 회귀에 의해 분석됩니다. 이 분석으로부터 다항식 이차 회귀 적합 곡선 계수가계산됩니다 11. FBG 어레이에서 온라인 온도 측정을 가능하게 하기 위해 인터로게이터 소프트웨어의 관련 설정에 계산된 계수를 입력합니다. 5. 테스트 코일 빌드 및 FBG 계측 먼저 모터레트 랜덤 상처 코일을 구축하고 계측합니다. 와인더 장치에 맞게 권선 보빈을 디자인합니다.주: 보빈 형상은 코일의 원하는 회전 형상과 일치하도록 설계되었으며 원하는 상처 코일 치수를 보장합니다. 보빈은 절연을 손상시키지 않고 상처 코일을 쉽게 제거 할 수 있도록 쉽게 분해 될 수 있도록 설계되었습니다. 선택한 에나멜 구리 와이어 릴을 와인더 장치에 놓고 와인더 롤러와 장력 컨트롤러를 통해 구리 와이어를 당깁니다.참고 : 클래스 F 에나멜 구리 와이어는이 작품에 사용됩니다. 와인더 장치 회전 번호 카운터를 0으로 설정합니다. 윈더가 저속으로 작동하고 원하는 와이어 장력을 제어하도록 설정합니다. 코일의 바람 절반이 회전합니다. 칼튼 테이프를 사용 하 여 코일 중앙에 준비 된 PEEK 모세관을 맞춥니다.참고: PEEK 모세관의 인덱스가 대상 위치에 배치되도록 주의해야 합니다. 코일의 나머지 부분을 돌려 감습니다. 와인더 기계에서 보빈을 제거하고 분해하여 PEEK 모세관이 내장된 상처 코일을 풀어보세요. 코일을 모터 프레임에 놓습니다.참고 : 모터 레트 코일 절연 시스템 (슬롯 절연 및 슬롯 웨지)는 적절하게 코일과 함께 설치해야합니다. 코일 단자 기를 준비하고 모터렛 터미널에 연결합니다. 구불 구불 한 바니시를 사용 하 여 모터렛을 바니시 하 고 적정 한 온도 (150 °C)에서 오븐에 배치 하 고 경화 합니다. FBG 어레이 계측: 먼저 FBG 어레이를 인터로게이터에 연결합니다. 설치하는 동안 FBG 반사 파장을 모니터링하는 인터로게이터 소프트웨어를 시작합니다. 준비된 수축 튜브를 통해 섬유를 당깁니다. 테프론과 PEEK 모세혈관의 끝이 닿을 때까지 섬유(감지 영역)를 PEEK 모세관에 조심스럽게 삽입합니다. 수축 튜브를 이동하여 모세혈관 끝을 덮고 원하는 핏이 달성될 때까지 적절하게 가열합니다. 6. 시재 보정 및 평가 임베디드 후 4단계에서 얻은 열 교정을 검증하고 필요한 경우 수정하십시오. 또한 이 테스트를 통해 제어된 정적 열 조건에서 FBG 어레이 성능을 평가할 수 있습니다. 열 오븐에 FBG 열 배열이 내장 된 모터렛을 놓습니다.참고: 기존의 열 센서는 성능 비교 목적으로 사용할 수 있습니다. 여기서 모터트 코일 표면에 설치된 열전대가 사용된다. 4.3단계와 4.4단계를 반복합니다. 4.5 단계에서 보정 된 적합을 기반으로 FBG 헤드에 의해 측정 된 온도를 포함하여 반복 단계 4. FBG 어레이 온도 측정을 기준 온도와 평가하고 비교합니다. 측정 오차가 높은 경우 6.4단계에서 기록된 측정을 사용하여 교정을 업데이트할 수 있습니다. 열 오븐에서 모터렛을 꺼내; 테스트할 준비가 되었습니다. 7. 테스트 정적 열 조건 테스트를 수행합니다. 모터렛을 DC 전원 공급 장치에 연결합니다. FBG 어레이를 인터로게이터에 연결합니다. FBG 온도 측정을 모니터링하고 기록할 수 있습니다. DC 전원 공급 장치를 제어하여 모터렛에 DC 전류를 주입합니다.참고: 선택한 DC 전류 레벨은 코일 내부 열 핫스팟의 T 상승이 허용 절연 온도보다 낮도록 해야 합니다. 이를 통해 프로토타입 코일에서 비파괴 테스트를 수행할 수 있습니다. 모터레트 코일 열 평형에 도달하면 기록 측정을 중지합니다. 불균일열 상태 테스트를 수행합니다. 선택한 테스트 코일 섹션을 20회전으로 포함하는 외부 코일을 감습니다. 외부 코일을 별도의 DC 전원 공급 장치에 연결합니다. 7.1.3에 적용된 DC 전류로 모터렛에 에너지를 불어넣습니다. 열 평형에 도달하면 열 측정 기록을 시작합니다. 테스트 코일에 국부적인 열 여기를 제공함으로써 불균일한 열 조건을 제공하기 위해 DC 전류로 외부 코일에 에너지를 공급합니다. 열 평형에 도달하면 기록 측정을 중지합니다.