JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

עיצוב, מיכשור ופרוטוקולי שימוש עבור מופץ באתרו כתמים תרמיים מקומיים ניטור סלילים חשמליים באמצעות FBG חיישן ריבוב

Published: March 08, 2020
doi:
10.3791/59923
,
1School of Electrical and Electronic Engineering,University of Manchester

Summary

נייר זה מציג פרוטוקול המאפשר מכשור של סלילים חשמליים אקראיים עם סיבי בראג (FBG) חיישנים תרמיים לצורך ניטור מצב מבוזר של נקודות חמות תרמית פנימי.

Abstract

סלילי הפצעים האקראיים הם מרכיב מבצעי מרכזי של רוב המכשירים החשמליים במערכות תעשייתיות מודרניות, כולל מכונות חשמליות במתח נמוך. אחד בקבוק הצווארי הנוכחי הגדול בניצול משופר של מכשירי חשמל הוא רגישות גבוהה של מרכיבי הפצע שלהם לחץ תרמי בשירות. היישום של שיטות החישה התרמי קונבנציונאלי (למשל, התרמוזוגות, גלאי טמפרטורה התנגדות) עבור ניטור מצב תרמי של סלילי הפצע הנוכחי אקראי יכול להטיל מגבלות מבצעיות ניכרת בשל גודל החיישן, EMI רגישות וקיום חומר מוליך חשמלית בבניה. מגבלה נוספת משמעותית קיימת ביישומי חישה מבוזרים והיא נגרמת על ידי מה הוא לעתים קרובות אורך ניכר ונפח של חיווט החיישן הקונבנציונלי מוביל.

נייר זה מדווח על העיצוב של מערכת החישה סיב אופטי FBG מיועד לאפשר בזמן אמת במצב תרמי פנימי מופץ בתוך סלילי הפצע אקראי. ההליך של מכשור הסליל האקראי של הפצע עם מערכת חישה FBG מדווח במחקר מקרה על נציג הפצע תקן IEEE של המקרים הללו משתמשים במכשירי חשמל. העבודה דיווחו גם מציג ודנה היבטים מעשיים וטכניים חשובים של היישום ויישום מערכת חישה fbg, כולל העיצוב הגיאומטריה של מערך fbg, הראש חישה אריזות סיבים, ההתקנה מערך חיישן ו הליכי כיול ושימוש במערכת חקירה מסחרית להשגת מדידות תרמיות. בסופו של דבר, the באתרו של FBG חישה מערכת ביצועים תרמית ניטור תרמי מוצג בתנאים סטטיים סטטי ודינמי.

Introduction

סלילי הפצע אקראית הם מרכיב עיצוב מפתח של מכשירים חשמליים ביותר במערכות התעשייה המודרנית, משמשים בדרך כלל מכונות חשמל מתח נמוך. המכשול העיקרי כדי לשפר את השימוש של סלילי הפצע ביישומים אלה הוא רגישות שלהם בשירות מתח אלקטרו תרמי. עומסים תרמיים הם הרלוונטיים במיוחד בהקשר זה כמו אלה יכולים לגרום בידוד סליל בידוד מערכת התמוטטות בסופו של דבר כישלון הכולל1; זה יכול לנבוע עקב הרמות הנוכחיות סליל מוגזם, או גורמים אחרים כגון תקלה בחשמל סליל או תקלה במערכת קירור, שם נקודות חמות מקומי מושרה במבנה סליל המוביל להתמוטטות בידוד. הפעלת פעיל בניטור תרמי מופץ באתרו של המבנה הפנימי של סליל בשירות מאפשר פיתוח של ניצול משופר של שגרות תחזוקה מבוססת תנאי; זה יאפשר הבנה מתקדמת וזיהוי של מצבי הפעולה של סלילים ואת כל תהליך השפלה, ולכן מצב מבוסס פעולה מתקנת כדי לשמור על מצב הפעולה ולמנוע או להאט נזק נוסף2,3.

השיטה המוצגת מיועדת לאפשר ניטור באתרו של מבנה סליל חשמלי מוטבע תנאים תרמיים באמצעות התערבות גמישה אלקטרומגנטית החיסונית (EMI) סיבים בראג מגורר חיישנים תרמיים אופטיים. השיטה מציעה מספר יתרונות פונקציונליים על פני טכניקות מעקב תרמית קיימות בשימוש בסלילים חשמליים: אלה כמעט תמיד להסתמך על השימוש של זוג תרמי (TCs) או חיישני טמפרטורה התנגדות (RTDs) כי הם לא החיסון EMI; הם עשויים מחומרים מוליכי חשמל; והם בדרך כלל מגושם באופן סביר ולכן לא מתאים באופן אידיאלי ליישומי חישה בתוך המבנה של סלילים חשמליים הפצע. השימוש החזקים וגמיש סיבים אופטיים fbg חיישן תרמי מספק מספר שיפורים ניכרים במובן זה, לא בלבד בשל החסינות EMI באופן משמעותי, אך גם גודלו הקטן, יכולת ריבוב והגמישות שלה, אשר מאפשר להם להיות מוטבע ולהתאים לארכיטקטורה שרירותית סליל הפצע כדי להשיג חישה תרמית עם דיוק מדויקבמיקומיםמבניים ה תכונות אלה מושכות במיוחד ביישומי מחשב חשמלי (EM), שבו מגבלות תרמיות המכשיר מוגדרות על ידי מצבים התרמית סליל חשמלי והם רלוונטיים במיוחד לאור הצמיחה הצפויה צפוי בשימוש EM עם התפשטות של תחבורה חשמלית.

מסמך זה מציג את המתודולוגיה של הפעלת מבנה של מתח נמוך ובעל פצע אקראי עם חיישני FBG תרמיים כדי לאפשר ניטור מקוון של נקודות חמות פנימיות. פרוטוקול מפורט של בחירת חיישן FBG, עיצוב, אריזה, מיכשור, כיול ושימוש מדווחים. זה מוצג על מערכת מתקן. של מכונית מסוג IEEE הנייר מדווח גם על המתקבלים מדידות תרמית באתרו תחת סטטי ולא אחיד מצב הפעולה תרמית של סליל מבחן נבדק.

FBGs נוצרות על ידי תהליך ‘ פומפיה ‘ הליבה סיבים אופטיים כדי ליצור דפוסים האורך תקופתי (המכונה בדרך כלל ראשי חישה ביישומי חישה FBG); כאשר סיבים המכילים FBGs חשופים לאור אולטרה סגול כל הראש הקיים FBG יגרום מדד השבירה שלה להיות מאופנן מדי פעם5. הראש חישה משתקף אורכי גל יושפעו התנאים תרמית ומכנית כי סיבים חשופים, ובכך לאפשר את הסיבים מגורר להיות מיושם כחיישן תרמי או מכני בהנחה תכנון ויישום נאותה.

טכנולוגיית FBG אטרקטיבית במיוחד ליישומי חישה מבוזרים: היא מאפשרת להגורר סיבים אופטיים בודדים כדי להכיל ראשי חישה מרובים של FBG, כאשר כל ראש מקודד באורך-גל ברור ומתפקד כנקודת חישה מובחנת. סוג זה של התקן חישה מבוסס FBG נקרא חיישן מערך FBG6 ומושג ההפעלה שלו מומחש באיור 1. אור פס רחב משמש להלהיב את המערך וכתוצאה מכך משתקף אורכי גל מכל אחד מראשי FBG הכלול; כאן, כל ראש משקף אורך גל מוגדר (כלומר, בראג אורך הגל) המתאים לעיצוב הסורג והוא תלוי גם בתנאים התרמיים והמכניים השוררים בראש (כלומר, חישה) מיקום. התקן חוקר נדרש כדי לאפשר עירור סיבי מערך עם האור ואת הבדיקה של הספקטרום המשתקף עבור אורכי גל בראג ברורים המכילים מידע על תנאים תרמית ו/או מכני מקומי.

היבט חשוב במיוחד של היישום חיישן תרמי FBG הוא הקלה של אפקטים תרמו מכני הצלב כדי להשיג קרוב ככל האפשר באופן בלעדי קריאות תרמיות7. FBG התכונה הטבועה של רגישות מכנית תרמו-מכני דורש עיצוב קפדני של חיישני FBG מכוון תרמי רק או מכני רק לחישה יישומים. איפה חישה תרמית הוא מודאג שיטה יעילה של הקלה FBG רגישות מכנית עירור היא לבודד את הראש חישה עם נימי אריזות עשוי חומר מתאים ליישום נתון; ב הסליל מוטבע ביישום חישה תרמית נבדק בעבודה זו לא רק מפחית את בעיות הרגישות הצולבת, אלא גם משמש כדי להגן על מבנה סיבי חישה שביר מן התחתון הרסנית הלחץ מכני8.

איור 2A מראה את הפצע אקראי מבחן סליל חשמלי המשמש כרכב הדגמה בנייר זה. הסליל מתוכנן על פי תקני IEEE9 להליכי הערכה תרמית של מערכת הבידוד של סלילי הפצעים האקראיים; מערכת הבדיקה המתקבלת המוצג באיור 2B מכונה מערכת מוטורי והיא מייצגת את מערכת הבידוד שלה במכונת חשמל במתח נמוך. במקרה של המחקר המוצג, הרכב יהיה אינסטרומנטציה עם חיישן מערך FBG תרמית המורכב מארבע נקודות חישה תרמית, כדי לחקות את טיפוסי התרמי חישה תרמית נקודות העניין ביישומי מחשב מעשיים, כי נוטים להיות מותאמים לקצה סליל הסלילה ואת החריץ מקטעים. לצורך כיול והערכת ביצועים, הרכב המוטבע FBG יהיה מתרגש מאוד באמצעות תא תרמי מסחרי וספק כוח DC.

Protocol

1. עיצוב סיבים אופטיים תרמית ראשית לזהות את העיצוב חיישן ומפרטים מבוסס על מבנה סליל היעד ואת מערכת החקירה תכונות. סליל הבדיקה המשמש בעבודה זו יש גאומטריה אליפטית אופייני סלילי מכונה חשמלית (כפי שמודגם באיור 1A. לפני מיקומים חישה בודדים נקבעים, לעשות החלטות העיצוב כדי להבטיח כי סיבי חישה אופטית נשאר פעיל בסביבה מכני ותרמי אופייני של סליל הפצע מוטבע היישום. השתמש בסיב רגיל לעיקול שאינו רגיש באופן כללי, שידוע בדרך כלל על היכולת לפעול בטמפרטורות של עד 300 ° c בקירוב; סיבים זה מתאים ובכך ליישום סלילי הפצע בשימוש מכונות חשמלי קונבנציונלי.הערה: הסיבים האופטיים שנבחרו מבטיחים פונקציונליות חיישן בסביבה תרמית של סליל הפצע אקראי טיפוסי הפועלים במכונות חשמל כגון שימוש בעבודה זו (class F ו-H עם טמפרטורה מדורג של 155 ו 180 ° צ’10, בהתאמה. סיבים לא תלויי-כפיפה הוא המועדף עבור יישום זה מאחר שהוא נועד לאפשר רדיוס כיפוף קטן ולקבל אובדן כיפוף נמוך יותר. דבר זה מאפשר לחיישן להיות תואם ביעילות למבנה הסליל הרצוי ולמיקום החישה (עם) עם השפעה מזיקה מינימלית לפונקציונליות החישה. הגדר אורך סיבים ל 1.5 מ’.הערה: אורך סיבים מוגדר על פי הגיאומטריה של סליל הפצע היעד להיות אינסטרומנטציה ואת המרחק הרצוי ליחידת החקירה. הסליל מבחן לאורך השטח (המוצג באיור 1A) הוא 0.3 מטרים ואת אורך סיבים שנבחרו לחוקר מסליל הוא 1.2 מטרים נותן אורך כולל של 1.5 m – זה מאפשר אורך סיבים מספיק כדי להיות בלולאה בתוך סליל הבדיקה כדי להבטיח מיקומי חישה הרצוי הוקמה כראוי ויש מרחק מתאים בין סליל הבדיקה לאיור 3a ממחיש את הגישה הכללית באורך העיצוב.הערה: המלון יכול להימצא במרחק של כמה קילומטרים מיחידת החקירות. הסיבה לכך היא סיב אופטי הוא נשא יחיד יעיל. עצב את מערך FBG כדי לכלול ארבעה ראשי FBG (5 מ”מ) כדי לאפשר חישה מבוזרת בתוך מבנה הסליל, כך ששני מיקומי חישה ממוקמים בצדדים הסליל ושניים נמצאים בקצוות הסליל.הערה: מיקומי חישה תרמיים מזוהים על בסיס תקני ניטור תרמי רלוונטיים עבור מכונות חשמליות (כלומר, 2 FBGS עבור מקטעים חריץ ו 2 עבור מקטעים הסלילה)10. עיצוב החוקר המסחרי המשמש בעבודה זו יכול לאפשר חקירה בו של עד 16 נקודות חישה FBG לאורך סיב אופטי אחד. השתמש באורך ראש חישה של FBG של 5 מ”מ; זה נחשב מספיק כדי לאפשר ניטור ספוט חם מקומי בנושא הנוכחי סלילים הפצע אקראי.הערה: ערכים מסחריים חלופיים של אורך ראש FBG (3 מ”מ, 5 מ”מ או 10 מ”מ) יכולים לשמש גם במקרה של מימד של נקודת חישה שונה נדרש על-ידי יישום החישה. ציין ראשי FBG בודדים להיות מגורר עם אורכי גל שונים ברוחב פס של 1529 – 60 ננומטר כדי להתאים את דירוג החוקר המסחרי המשמש; זה מבטיח מניעה של FBG השתנה הפרעה אורכי גל.הערה: ה-FBG ראשי אורך הגל, רוחב הפס הצפוי לתזוזה של אורך הגל, והווריאציה של טמפרטורת היישום צריכה להיות בתוך רוחב הפס של יחידת החקירה בפס רחב, כדי להבטיח שמערכת החישה תוכל לפעול כהלכה. השתמש בסוג מחבר לבדוק סיבי FC/APC, התואם ליחידת החוקר.הערה: FC/APC היא בדרך כלל הבחירה המועדפת על החישה FBG עקב הפסדים תשואה נמוכה. לספק את העיצוב ואת המפרטים של החיישן ליצרן FBG מסחרי- איור 3B מראה סקיצה סופית של עיצוב מערך fbg המשמש בעבודה זו. 2. תצורת מערכת החקירה והחיישן בדוק וקבע את התצורה של חיישן מערך FBG מעוצב ומיוצר כדי לפעול עם מערכת החקירה המסחרית. הסר את המכסה המגן מכלל מחבר FC/APC. נקה את מחבר הקצה-פרצוף על-ידי ניגוב בעדינות עם מנקה מחבר אופטי.הערה: מומלץ מאוד לבצע שלב זה בכל פעם שהחיישן מחובר לחוקר. שימש בעבודה זו. מנקה מסחרי של קלטופ הכנס את מחבר הגשוש FBG הנקי למחבר ערוץ החוקר.הערה: ודא שצורת המפתח מיושרת כראוי בעת ההזדווגות של המחברים. . הפעל את החוקרהערה: החוקר מחובר למחשב באמצעות מחבר RJ45 וכבל אינטרנט. הפעל את תוכנת התצורה.הערה: תוכנת החוקר היא חבילת תוכנה קניינית מבוססת LabVIEW המסופקת על ידי יצרן החוקר שנועד לאפשר את פעולת יחידת החומרה של החוקר. על הכרטיסייה הגדרת מכשיר להתבונן את אורך הגל משתקף נסרה מתוך בדיקה FBG מערך (עבור עיצוב מערך FBG המשמש בעבודה זו ארבע פסגות יש לצפות בספקטרום הערוץ הקשור).הערה: עוצמת האור המשתקף תלויה במאפייני FBG (מעל 50% מתקבלים). הגדר את תדירות הדגימה ל-10 Hz. פעולה זו קובעת ישירות את מספר קריאות הטמפרטורה המסופקות בתקופה של 1.הערה: מערכת החקירה בשימוש יכול לפעול בתדרי דגימה עד 2.5 kHz; עם זאת, עבור דינמיקה תרמית של סלילים הנושא הנוכחי במעקב בעבודה זו 10 הרץ נחשב שיעור הרכישה מספיק. בהגדרת המידות, ציין את הראשים של FBG כFBG1, FBG2, FBG3 וFBG4. בחר אורך הגל כסוג של כמות שתוצג בשלב זה באופן גרפי. מערך FBG מוגדר ומוכן עבור שלב הכיול. 3. הכנת אריזות כראוי לארוז את האזורים שבהם ראשי FBG הם מוטבעים (כלומר, מגורר) בסיבי מערך כדי להבטיח בידוד ראש מכני מתוך עירור המכני ובכך להניב בלעדית עירור תרמי חיישן תגובה. בנוסף, מבנה סיבים הוא שברירי והוא לא רצוי ישירות מוטבע בתוך מנצחים סליל: זה דורש הגנה מכנית נאותה כדי לשמור על היושר. בעבודה זו, אזור החישה המכיל את ארבעת ראשי FBG המוטבע בתוך מבנה הסליל הוא ארוז עם polyetheretherketone (הצצה) ושאר סיבים מוגנים על ידי טפלון – זה מומחש באיור 3C. לעצב את האריזה בצורה של צינור הקפילר עגול צר כך סיבי חישה ניתן לנתב דרך ובכך מוגן על ידי נימי.הערה: מידות נימי ומאפיינים תרמיים חשובים במיוחד כאשר האריזה של האזור המכיל את ראשי חישה FBG הוא מודאג. בדרך כלל רצוי להבטיח עובי קיר צר יחסית וחומר שימוש שאינו מוליך חשמלית, אך מספק רמה סבירה של מוליכות תרמית. הקוטר החיצוני של נימי ההצצה המשמשים בעבודה זו היה 0.8 מ”מ ועובי הקיר שלה הוא 0.1 מ”מ. הכינו את נימי ההצצה על-ידי גזירה של האורך הנאות של אבובים הצצה מסחרית (אורך מבנה סליל היעד עם כמה סנטימטרים נוספים כדי לאפשר החדרת סיבים וטפלון הכנה משותפת קפילר).הערה: המכשור האתרו של מערך FBG דורש התקנת האריזה הראשונה שנוספה לאחר מכן עם סיבי חישה. יש לנקוט בטיפול כדי להבטיח פתחים חלקים ומנוקים. קח את המדידות הזהירות של מערך FBG ואת נימי ההצצה כדי לזהות במדויק את מיקומי החישה במשטח החיצוני של נימי ההצצה. זה מאפשר מיצוב של ראש חישה FBG במיקומים היעד בתוך הסליל מבחן מכונית. הכינו את נימי טפלון על ידי חיתוך אורך הולם של צינורות טפלון מסחריים כדי להבטיח כי סעיף סיבים מחוץ הגיאומטריה סליל הבדיקה מוגן והכיל.הערה: חומר האריזה החיצוני של מערך המערך שאינו רגיש צריך להיות בעל קשיחות מספקת כדי לספק הגנה מכנית נאותה, אך גם להיות גמיש כדי לאפשר חיבור מעשי לחוקר; הוא רצוי גם עבור החומר הזה להיות החיסונית של EMI ביישום זה. טפלון נמצא כדי לספק ביצועים משביע רצון במחקר זה אולם חומרים חלופיים ניתן להחיל. הכן את אורך צינור הכיווץ המתאים כדי להפוך את המפרק בין ההצצה לנימים טפלון. 4. כיול תרמי חופשי כיול את חיישן מערך FBG הארוז על-ידי הוספתו לתוך התא התרמי כדי לחלץ את הטמפרטורה הדיסקרטית שלו מול נקודות אורך הגל.הערה: רצוי אזור החישה מעוצב כדי להתאים את זה של מבנה סליל היעד כדי לספק כיול תחת רמות המתח דומה לאלה כאשר החבילה מוטבע בתוך סליל הבדיקה. חבר את הסיב האופטי המגורר לחוקר והפעל את רוטינת תוכנת החוקר המוגדרת מראש. הגדר את התנור התרמי לפעול ברצף של נקודות מדינה קבועות באופן תרמי-מדובר במגוון רחב של הסביבה עד 170 ° c ובצעדים של כל 10 מעלות בעבודה זו. צור טבלה מאורכי הגל המשתקף הנמדד של כל FBG בודד במערך עבור כל טמפרטורה קבועה המדומה בתא.הערה: יש להתיר זמן מספיק במהלך בדיקות כיול לשיווי משקל תרמי שניתן להגיע אליו בכל נקודה תרמית מדינה קבועה. השתמש הקליט אורך הגל לעומת מדידות טמפרטורה ב 10 מעלות צלזיוס כדי לקבוע את הטמפרטורה האופטימלית של שינוי אורך הגל התאמה עקומות ומקדמים שלהם עבור כל FBG. איור 4 וטבלה 1 הצג את מדידות הנתונים של הכיול המוקלט ואת עקומת ההתאמה המחושבת, בהתאמה.הערה: הקשר בין שינוי אורך הגל לבין וריאציה הטמפרטורה של ראשי FBG במערך מנותח על ידי רגרסיה ריבועית פולינומיאלית בעבודה זו, כפי שנמצאה כדי לספק את האפיון האופטימלי. מניתוח זה, מקדמי הרגרסיה הפולינומי הפולינומיאלית מחושבים11. הקלט את המקדמים המחושבים בהגדרה הרלוונטית של תוכנת החוקר כדי לאפשר מדידות טמפרטורה מקוונת ממערך FBG. 5. מבחן סליל לבנות מכשור FBG ראשית לבנות ולכלי מכשיר הסליל הפצע אקראי. עיצוב הסליל מתפתל כדי להתאים את המכשיר המתקן.הערה: הגיאומטריה הבוסלילים מיועדת להתאים את הגיאומטריה הרצויה של הסליל ולהבטיח כי הפצע הרצוי סליל מידות. הסליל נועד להיות בקלות פורק כך כדי להקל על הסרה ישירה של סליל הפצע מבלי לפגוע בבידוד שלה. מניחים את גלגל האמייל הנבחר חוט נחושת במכשיר מושך ומשוך את חוט הנחושת דרך הגלילים והמתח בקר.הערה: מחלקה F אמייל חוט נחושת משמש בעבודה זו. הגדר את התקן המתקן את מונה המספרים לאפס. הגדר את הינדר לפעול במהירות נמוכה ולשלוט במתח החוט הרצוי. . הרוח החצי של הסליל מסתובבת התאימו את נימי ההצצה המוכנים במרכז הסליל באמצעות קלטת Kapton.הערה: יש לנקוט בטיפול כדי לוודא שהאינדקסים בנימי ההצצה ממוקמים במקומות היעד. . רוח שאר הסליל מסתובב להסיר את הסליל מן המכונה להוציא ולפרק כדי לשחרר את סליל הפצע מוטבע עם נימי הצצה. מניחים את הסליל. בתוך מסגרת האוטוהערה: מערכת בידוד סליל מכונית (בידוד חריץ פרוסות חריץ) חייב להיות מותקן כראוי עם הסליל. הכינו מסופי סליל וחברו אותם למסופים מוטורי. לקה את האוטו בציפוי מתפתל ובמקום בתנור בטמפרטורה מתאימה (150 ° c) כדי לרפא. מכשור מערך FBG: ראשית חברו את מערך FBG לחוקר; הפעל את תוכנת החוקר כדי לפקח על ה-FBG משתקף אורך הגל בעת התקנת. משוך את הסיב דרך צינור מוכן מתכווץ. הכנס בזהירות את הסיבים (אזור החישה) לתוך הקפילר עד שפתחי הקצה של הנימים וההצצה נמצאים במגע. הזז את צינור הכיווץ כדי לכסות את קצות נימים ולחמם אותו כראוי עד להשגת ההתאמה הרצויה. 6. בכיול והערכה באתרו אמת את הכיול התרמי שהושג בשלב 4 לאחר embedment ונכון במידת הצורך. הבדיקה מאפשרת גם להעריך את ביצועי המערך FBG במצב תרמי סטטי מבוקר. מניחים את האוטו מוטבע עם מערך תרמי FBG בתנור תרמי.הערה: ניתן להשתמש בחיישן תרמי קונבנציונלי למטרות השוואת ביצועים. כאן זוגות תרמותרמיים המותקנים על משטח סליל מכונית משמשים. חזור על שלבים 4.3 ו-4.4. חזור על שלב 4.5 כולל הטמפרטורה הנמדדת על-ידי ראשי FBG בהתבסס על התאמה מכויל בשלב 4. הערך והשווה את מדידות טמפרטורת המערך של FBG עם טמפרטורת ההפניה. אם שגיאת המדידה גבוהה, ניתן להשתמש במדידה המוקלטת בשלב 6.4 כדי לעדכן את הכיול. הוציא את האוטו מהתנור התרמי; הוא מוכן לבדיקה. 7. בדיקות בצע בדיקת תנאי תרמי סטטי. חבר את האופנוע לספק הכוח הDC. חבר את מערך FBG לחוקר; הצג והקלט את מדידות הטמפרטורה של FBG. שלוט בספק כוח ה-DC כדי להזריק את הרכב עם זרם DC.הערה: הרמה הנוכחית של DC שנבחרה חייבת להבטיח שעליית ה-T בסליל של נקודות חמות פנימיות היא פחות מטמפרטורת הבידוד המותרת; זה מאפשר בדיקות שאינן הרסניות על סליל אב טיפוס. הפסק את מדידות ההקלטה כאשר מגיעים לאיזון התרמי של סליל האופנועים. בצע בדיקת מצב תרמי לא אחיד. הרוח סליל חיצוני המכיל 20 פונה סביב מקטע שנבחרו סליל מבחן. חבר את הסליל החיצוני לספק כוח DC נפרד. להמריץ את הרכב עם זרם DC מוחל 7.1.3. התחל להקליט מדידות תרמיות לאחר הגעת האיזון התרמי. להמריץ את הסליל החיצוני עם זרם DC לספק תנאים תרמיים שאינם אחידים על ידי אספקת עירור תרמי מקומי על סליל הבדיקה. הפסק את מדידות ההקלטה לאחר ההגעה לשיווי משקל תרמי.

Representative Results

איור 5 מציג את הטמפרטורות הנמדדות בחיישן המערך במבחן התרמי סטטי. ארבע הטמפרטורה הפנימית קריאות, נלקח על ידי ראשי FBG מערך בהתאמה במיקומים סליל המקביל, הם נצפו להיות דומה באופן כללי כצפוי לתנאים בחן בדיקה; יש וריאציה קלה בין המדידה היחידה שדווחה של פחות כי ≈ 1.5 ° צ’ בין טמפרטורות הנקודה הגבוהה בממוצע שנצפו של ≈ 75.5 ° c. איור 6 מדווח על מדידות חיישן המערך המתקבלות בבדיקת המצב התרמי שאינו אחיד. אלה מוצגים הראשון עבור התקופה שבה אין עירור על הסליל החיצוני (first ≈ 75 s) המציין רמות תרמיות מאוד מוערכת, כפי שצפוי. הסליל החיצוני הוא נרגש וכתוצאה מכך עוד עירור תרמי מקומי: התוצאה היא שינוי ברור במדידות הנצפה, עם נקודת חישה בסמיכות הקרובה הסליל החיצוני (כלומר, FBG4) מדידת הרמה התרמית הגבוהה ביותר (≈ 128.6 ° c) וזה הרחוק ביותר (≈ 117.6 ° c); חיישני הטמפרטורה של FBG הממוקמים בין ביניים אלה לבין רמות הטמפרטורה דומה באופן הדוק (≈ 122.7 ו≈ 121.6 ° c). הקריאות שנצפו מתייחסות באופן ברור לחלוקת ראש חישה בודדת בגיאומטריה סליל הבדיקה הנבדק. יתר על כן, התוצאות בבירור להדגים את היכולת הפונקציונלית של סליל מוטבע חיישן מערך עבור ניטור וזיהוי של התפלגות נקודה חמה תרמית מופץ פנימי בסלילים הפצע אקראי. איור 1. מושג ההפעלה של חיישן מערך FBG. איור זה השתנה מפרסום קודם4. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 2. . מתקן לייצור מכונית (א) סליל חשמלילפצע; ראה תקני IEEE9. (ב) הורכב ומלא מוכן תקן IEEE. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 3. FBG חיישן תרמי עיצוב מערך. (A) אורך סיבימערךfbg, (ב) fbg מיקומים בראש במבנה המערך, (ג) fbg עיצוב אריזות מערך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 4. חיישן המערך הארוז FBG מאפייני כיול ראשי. המאפיינים נגזרים מהנתונים שהושגו במבחני הכיול התרמי במערך ללא תשלום. איור זה השתנה מפרסום קודם4. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 5. מדידות תרמית מערך FBG שהתקבלו בבדיקת מצב תרמי של מצב קבוע. מדידות תרמית הראש הבודדות שדווחו על-ידי חיישן המערך FBG מוצגות עם תצוגת מדידה של מצב יציב של מידע כניסה. איור זה השתנה מפרסום קודם4. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 6. מדידות תרמיות בבדיקת מצב תרמי לא אחיד. איור זה שונה מפרסום קודם4. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. יירט B1 B2 סטטיסטיקה ערך שגיאה סטנדרטית ערך שגיאה סטנדרטית ערך שגיאה סטנדרטית (ת’) כיכר ר FBG1 1555.771 0.0137 0.00855 2.85 e-04 1.50 e-05 1.34 e-06 0.99978 FBG2 1547.669 0.0112 0.00851 2.34 e-04 1.41 e-05 1.10 e-06 0.99985 FBG3 1539.852 0.0101 0.00871 2.11 e-04 1.30 e-05 9.90 e-07 0.99988 FBG4 1531.768 0.0131 0.00808 2.72 e-04 1.67 e-05 1.28 e-06 0.9998 טבלה 1: פרמטרים של עקומת התאמה פולינומיאלית מחושבת. הפרמטרים המחושבים שגיאה סטנדרטית ותיקון ראש בודד coefficientsare כלולים; יניאריות טוב ומקדם גורם מקדמי עודף של 0.999 נצפתה עבור ארבעת ראשי FBG נבדק. טבלה זו שונתה מפרסום קודם של4.

Discussion

הנייר הוכיח את ההליך הנדרש כדי לעצב, לכייל ולבדוק באתרו חיישנים תרמיים FBG בסלילים הפצע נמוך. חיישנים אלה מציעים מספר יתרונות ביישומי חישה באתרו בתוך מבני הטבעת הנוכחית של הפצע: הם החיסון המלא של EMI, הם גמישים ויכולים להתאים לגיאומטריה הרצויה שרירותית כדי לספק מיקומים שרירותיים הרצוי חישה המטרה בדיוק גבוה, והוא יכול לספק מספר רב של נקודות חישה בחיישן יחיד. בעוד חישה תרמית בתוך סלילי הפצע ניתן להשיג עם טכניקות ניטור תרמי קונבנציונאלי העסקת השני או גלאי טמפרטורה התנגדות, היישום של FBGs מוצג כדי לספק מספר יתרונות פונקציונליים אטרקטיבי.

האריזה המתאימה של חיישן מערך FBG היא המפתח ניצול יעיל שלה. חשוב כי בודדים חישת ראשי או את אזור החישה כולו של סיבים להיות ארוזים כראוי כדי להבטיח בידוד של ראשי FBG מתוך עירור מכני בנימים נוקשה אך גמיש מוליך תרמי. רצוי כי נימי להיות מעוצב של חומר מוליך לא חשמלית כמו זה מבטיח ביצועים אופטימליים בסביבה עשיר EMI מאפיין של סלילי נשיאה הנוכחי.

הטיפול צריך להילקח במהלך התהליך של אריזת התקנה קפילר לתוך הסליל כדי למקם במדויק את מקטעי החבילה במיקומים חישה המקביל שלהם. זה גם חיוני כדי לייעל את הגיאומטריה נימי במקרה מצבים תרמיים דינמי מאוד יש לצפות.

זה חיוני כדי להבטיח אפיון מדויק של הסליל מוטבע חיישן. הדבר הטוב ביותר נעשה על-ידי ביצוע כיול חיישן ארוז חינם לפני ההתקנה שלה בתוך הגיאומטריה סליל הפצע. בעוד רמה גבוהה של הגנה מפני עירור מכני מסופק על ידי אריזה באתרו, תהליך ההתקנה יכול לגרום משמרת גל עקב רגישות המתח. אם בוצע בקפידה זה יכול להיות זניח; עם זאת, זה אימון טוב עבור זה להיות והבחינה בבדיקות כיול באתרו היכן שניתן.

יישום זה של FBGs בתוך סלילי הפצע הוא חדש יחסית ופותח מספר הזדמנויות עבור עיצוב משופר, ניצול, ניטור ואבחון בריאות של מכונות חשמל. עבודה נוספת נחוצה כדי להפחית את העלות של אלה ולהפוך אותם אופציה קיימא בקנה מידה גדול של יישום במכונות חשמל.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי בריטניה הנדסה ומדעי מחקר פיזי המועצה (EPSRC) הבית-Offshore: תפעול הוליסטי ותחזוקה עבור אנרגיה מתוך האיחוד חוות הרוח Offshore תחת גרנט EP/P009743/1.

Materials

Cletop-S Fujikura 14110601 Commercial optic connector cleaner
Copper wire AWG24 RS 357-744 Commercial insulated copper wire
DC power supply TTi CPX400SP Commercial 420W DC power supply
FBG sensors ATGratings NA Commerically manufactured FBG array to design spec
Heat Shrink Tubing RS 700-4532 Heat Shrink Tubing 3mm Sleeve Dia. x 10m
Kapton masking tape RS 436-2762 Orange Masking Tape Tesa 51408
PEEK tubing Polyflon 4901000060 Commercial PEEK tubing
SmartScan04 Smartfibres UK S-Scan-04-F-60-U-UK Commercial interrogator system
Thermal Oven Lenton WHT6/30 Commercial thermal oven
Winder machine RS 244-2636 Commercial winder machine
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Stone, G. C., Boulter, E. A., Culbert, I., Dhirani, H. Electrical insulation for rotating machines-design, evaluation, aging, testing, and repair-Book Review. IEEE Electrical Insulation Magazine. 20 (3), 65-65 (2004).
  2. Mohammed, A., Djurović, S. Stator Winding Internal Thermal Monitoring and Analysis Using In Situ FBG Sensing Technology. IEEE Transactions on Energy Conversion. 33 (3), 1508-1518 (2018).
  3. Zhang, H. Online thermal monitoring models for induction machines. IEEE Transactions on Energy Conversion. 30 (4), 1279-1287 (2015).
  4. Mohammed, A., Djurović, S. FBG array sensor use for distributed internal thermal monitoring in low voltage random wound coils. 2017 6th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). , 1-4 (2017).
  5. Rao, Y. J. In-fibre Bragg grating sensors. Measurement Science and Technology. 8 (4), 355 (1997).
  6. Mohammed, A., Djurović, S. A study of distributed embedded thermal monitoring in electric coils based on FBG sensor multiplexing. Microprocessors and Microsystems. 62, 102-109 (2018).
  7. Lu, P., Men, L., Chen, Q. Resolving cross sensitivity of fiber Bragg gratings with different polymeric coatings. Applied Physics Letters. 92 (17), 171112 (2008).
  8. Mohammed, A., Djurović, S. FBG Thermal Sensing Features for Hot Spot Monitoring in Random Wound Electric Machine Coils. IEEE Sensors Journal. 17 (10), 3058-3067 (2017).
  9. IEEE. IEEE standard test procedure for thermal evaluation of systems of insulating materials for random-wound AC electric machinery. IEEE Std 117-2015. , 1-34 (2016).
  10. IEC. Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. IEC. , (2010).
  11. Mohammed, A., Djurović, S., Smith, A. C., Tshiloz, K. FBG sensing for hot spot thermal monitoring in electric machinery random wound components. 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM). , 2266-2272 (2016).

Tags

Fiber Bragg Grating (FBG)Thermal Hot Spot MonitoringElectric CoilsDistributed SensingMultiplexingSensor DesignInstrumentationUsage Protocols

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Mohammed, A., Durović, S. Design, Instrumentation and Usage Protocols for Distributed In Situ Thermal Hot Spots Monitoring in Electric Coils using FBG Sensor Multiplexing. J. Vis. Exp. (157), e59923, doi:10.3791/59923 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image