Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: 学ぶFBGセンサ多重法による電気コイルの分散熱ホットスポットモニタリング。IEEE Class Hモトレットを用いた設計・計測・使用プロトコルで、電気機器の熱状態監視精度を向上させる手法を解説する。

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この研究は、英国工学物理科学研究評議会(EPSRC)HOME-オフショア:助成金EP/P009743/1の下で洋上風力発電所コンソーシアムからのエネルギーのためのホリスティックな運用とメンテナンスによってサポートされました。

1. 光ファイバー熱センサー設計
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>2. 尋問システムとセンサ構成
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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)。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>3. 包装準備
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>4. 無料の熱校正
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>5. テストコイルのビルドとFBGの計装
<ol><li>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。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>コイルの風の半分が回ります。</li>
		<li>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。</li>
		<li>残りのコイルを巻き上げます。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>コイル端子を準備し、モレット端子に接続します。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>FBG アレイインストルメンテーション:<ol>
<li>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。</li>
		<li>準備された縮小チューブを通して繊維を引っ張ります。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. その場合のキャリブレーションと評価
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>手順 4.3 と 4.4 を繰り返します。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>7. テスト
<ol><li>静的温度条件テストを実行します。<ol>
<li>モーターレットをDC電源に接続します。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>不均一な熱条件試験を行います。<ol>
<li>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。</li>
		<li>外部コイルを別のDC電源に接続します。</li>
		<li>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。</li>
		<li>熱平衡に達したら、熱測定の記録を開始します。</li>
		<li>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。</li>
		<li>熱平衡に達したら測定の記録を停止します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Stone, G. C., Boulter, E. A., Culbert, I., Dhirani, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+insulation+for+rotating+machines-design%2C+evaluation%2C+aging%2C+testing%2C+and+repair-Book+Review%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electrical+Insulation+Magazine%22%5BJournal%5D)">Electrical insulation for rotating machines-design, evaluation, aging, testing, and repair-Book Review.</a> IEEE Electrical Insulation Magazine. 20 (3), 65-65 (2004).</li>
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<li>IEC. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotating+electrical+machines+-+Part+1%3A+Rating+and+performance%5BTitle%5D)+AND+%22IEC%22%5BJournal%5D)">Rotating electrical machines - Part 1: Rating and performance.</a> IEC. , IEC 60034-1 (2010).</li>
<li>Mohammed, A., Djurović, S., Smith, A. C., Tshiloz, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FBG+sensing+for+hot+spot+thermal+monitoring+in+electric+machinery+random+wound+components%5BTitle%5D)+AND+%222016+XXII+International+Conference+on+Electrical+Machines+%28ICEM%29%22%5BJournal%5D)">FBG sensing for hot spot thermal monitoring in electric machinery random wound components.</a> 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM). , Lausanne. 2266-2272 (2016).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

この論文は、低電圧巻線のSITU FBGサーマルセンサーの設計、較正、テストに必要な手順を実証しました。これらのセンサーは、巻ドコイル構造を運ぶ電流内のsituセンシングアプリケーションに多くの利点を提供します:それらは完全にEMI免疫があり、柔軟であり、任意の所望のセンシングポイント位置を提供するために任意の所望の幾何学に準拠することができます高い精度で、単一のセンサーに多数のセンシングポイントを提供できます。熱電対または抵抗温度検出器を採用した従来の熱モニタリング技術により、創傷コイル内の熱感知を実現できるが、FBGの適用は多くの魅力的な機能的利点を提供することが示されている。
FBGアレイセンサの適切なパッケージングは、その効果的な利用の鍵です。個々のセンシングヘッドまたはファイバーのセンシング領域全体を適切にパッケージ化して、剛性でありながら柔軟な熱伝導性キャピラリーで機械的励起からFBGヘッドを分離することが重要です。これは、電流搬送コイルの特性EMIリッチ環境で最適な性能を確保するように、非電気伝導性材料の毛細管設計することが望ましいです。
対応するセンシング位置に正確にパッケージセグメントを配置するために、コイルにキャピラリーの取り付けのプロセス中に注意が必要です。また、非常にダイナミックな熱条件が観察される場合に、毛細血管の形状を最適化することも不可欠です。
コイル埋め込みセンサーの正確な特性を確保することが重要です。これは、傷コイルジオメトリ内の設置前に、パッケージ化された無料のセンサーキャリブレーションを実行することで最適です。機械励起からの保護の高度はin situパッケージによって提供されるが、取り付けプロセスはひずみ感受性による波長シフトをもたらす可能性がある。慎重に実行すれば、これは無視できる可能性があります。ただし、可能な限り、この検査は、その時点でのキャリブレーションテストで確認することをお勧めします。
創傷コイル内のFBGのこのアプリケーションは比較的新しく、電気機械の設計、利用、監視、健康診断を改善するための多くの機会を開きます。これらのコストを削減し、電気機械の大規模なアプリケーションのための信じられないほど実行可能なオプションにするために、さらなる作業が必要です。

ランダムな巻きコイルは、現代の産業システムにおけるほとんどの電気装置の重要な設計要素であり、一般的に低電圧電気機械で使用されています。これらのアプリケーションにおける創傷コイルの使用を改善するための主要な障壁は、サービス内の電気熱応力に対するその感受性です。熱過負荷は、これらが絶縁コイル絶縁システムの故障を引き起こし、最終的にその総故障1を引き起こす可能性があるとして、この点で特に関連しています。これは、過度のコイル電流レベル、またはコイル電気的欠陥や冷却システムの誤動作などの他の原因が原因で発生する可能性があり、そこで、局在化されたホットスポットが絶縁破壊につながるコイル構造に誘導されます。インサービスコイルの内部構造のその際の分散熱監視での操作を可能にすることで、使用率の向上と条件ベースのメンテナンスルーチンの開発が可能になります。コイルの動作状態と劣化プロセスの高度な理解と識別を可能にし、したがって、動作状態を維持し、さらなる損傷を防ぐか、または減速するための条件ベースの是正措置2、3.
この方法は、柔軟で電磁的な干渉免疫(EMI)ファイバーブラッグすりおろした光学熱センサーを使用して、電気コイル構造埋め込み熱条件の現場での監視を可能にすることを目的としています。この方法は、電気コイルで使用される既存の熱監視技術よりも多くの機能的な利点を提供します:これらはほとんど常にEMI免疫ではない熱電対(TC)または抵抗温度検出器(RTD)の使用に依存しています。彼らは導電性材料で作られています。それらは一般的に合理的にかさばる従って傷ついた電気コイルの構造内のアプリケーションを感知するのに理想的に適さない。堅牢で柔軟な光ファイバFBGサーマルセンサーの使用は、センサーEMI耐性だけでなく、小型、多重化能力、柔軟性だけでなく、任意の巻きコイルアーキテクチャに組み込んで適合させ、所望の構造位置で正確に熱センシングを達成することを可能にする、この点で多くの大幅な改善を提供します。これらの機能は、電気コイルの熱条件によってデバイスの熱限界が定義され、特に電気輸送の急増に伴うEM使用量の予想されるかなりの成長に照らして関連する電気機械(EM)用途で特に魅力的です。
本論文では、一般的な低電圧ランダム巻きコイル構造を熱FBGセンサで計測し、内部ホットスポットのオンラインモニタリングを可能にする方法論を紹介する。FBGセンサーの選択、設計、パッケージング、計装、校正および使用の詳細なプロトコルが報告されています。これはIEEE標準のランダム巻きコイルモレットシステムで提示される。また、調査したテストコイルの静的および不均一な熱動作条件下で得られたその結果をその中で報告しています。
FBGは、光ファイバコアを「格子」にして周期的な縦方向の刻印(通常はFBGセンシングアプリケーションでセンシングヘッドと呼ばれる)を作成するプロセスによって形成されます。FBGを含む繊維が紫外線にさらされると、既存のFBGヘッドごとにその屈折率が周期的に変調される5が生じる。センシングヘッド反射波長は、光ファイバが露出する熱や機械的条件の影響を受け、適切な設計と適用を想定して、熱または機械的なセンサとして適用されるすりおろされた繊維を可能にします。
FBG技術は、分散型センシングアプリケーションにとって特に魅力的です:各ヘッドが明確なブラッグ波長でコード化され、異なるセンシングポイントとして機能する複数のFBGセンシングヘッドを含むように単一の光ファイバをすりおろすことができます。このタイプのFBGベースのセンシングデバイスは、FBGアレイセンサ6として知られており、その動作概念を図1に示す。広帯域光は、配列を励起するために使用され、各FBGヘッドから異なる反射波長が得られます。ここで、各頭部は、その格子設計に一致する定義された波長(すなわちブラッグ波長)を反映し、また頭部(すなわち、感知)位置で一般的な熱および機械的条件に依存する。信号によるアレイファイバーの励起と、局在した熱や機械的条件に関する情報を含むブラッグ波長の反射スペクトルの検査を可能にする必要があります。
FBG熱センサ実装の特に重要な側面は、熱と機械的な交差感度の影響を緩和し、熱測定値7に対してできるだけ近く得ることだ。熱機械交差感度のFBG固有の特徴は、熱のみまたは機械的なみのセンシングアプリケーションを対象としたFBGセンサの慎重な設計を必要とします。熱感知が懸念される場合、FBG機械的興奮感度を軽減する効果的な方法は、特定の用途に適した材料で作られた包装毛細血管でセンシングヘッドを隔離することである。本研究で検討したコイル埋め込み熱センシングアプリケーションでは、これは交差感度の問題を軽減するだけでなく、脆弱な感知繊維構造を下側および潜在的に破壊的な機械的ストレス8から保護する役割を果たす。
図2Aは、本論文で実証車両として用いたランダムな創傷電気コイル試験片を示す。コイルは、ランダムな創傷コイルの絶縁システムの熱評価手順のためのIEEE規格9に従って設計されています。図2Bに示す結果の試験システムは、モータレットシステムとして知られており、低電圧電気機械における巻線およびその絶縁システムを代表するものです。提示されたケーススタディでは、モジェットは4つの熱感知点から成るFBGアレイ熱センサーで計測され、コイルエンド巻きおよびスロットセクションに局在する傾向がある実用的な機械用途における典型的な熱感知ホットスポットをエミュレートします。校正と性能評価のために、FBG組込みモトレットは、商用の熱室とDC電源を使用して熱励起されます。

<table><tbody><tr><td>Cletop-S</td><td>フジクラ</td><td>14110601</td><td>業務用光コネクタクリーナー</td></tr><tr><td>銅線 AWG24</td><td>RS</td><td>357-744</td><td>業務用絶縁銅線</td></tr><tr><td>DC電源</td><td>TTi</td><td>CPX400SP</td><td>業務用420W DC電源</td></tr><tr><td>FBGセンサー</td><td>ATGratings</td><td>NA</td><td>FBGアレイ 設計仕様</td></tr><tr><td>熱収縮チューブ</td><td>RS</td><td>700-4532</td><td>熱収縮チューブ スリーブ径 3 mm x 10 m</td></tr><tr><td>カプトン マスキング</td><td>テープ RS</td><td>436-2762</td><td>オレンジ マスキング テープ Tesa 51408</td></tr><tr><td>PEEK チューブ</td><td>ポリフロン</td><td>4901000060</td><td>商用 PEEK チューブ</td></tr><tr><td>SmartScan04 Smartfibres</td><td>UK</td><td>S-Scan-04-F-60-U-UK</td><td>商用尋問システム</td></tr><tr><td>サーマル オーブン</td><td>Lenton</td><td>WHT6/30</td><td>商業熱オーブン</td></tr><tr><td>のワインダー機械</td><td>RS</td><td>244-2636</td><td>商業ワインダー機械</td></tr></tbody></table>

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

Design, Instrumentation and Usage Protocols for Distributed In Situ Thermal Hot Spots Monitoring in Electric Coils using FBG Sensor Multiplexing

ランダムな巻きコイルは、低電圧電気機械を含む現代の産業システムにおけるほとんどの電気装置の主要な操作要素です。電気機器の開発改善における主要な現在のボトルネックの1つは、インサービス熱ストレスに対する創傷成分の高感度です。ランダムな巻きコイルを運ぶ電流の熱状態モニタリングのための従来の熱感知方法(例えば、熱電対、抵抗温度検出器)の適用は、センサーサイズ、EMIのためにかなりの動作制限を課すことができますその構造における、感度と導電性材料の存在分散型センシングアプリケーションには別の大きな制限があり、従来のセンサ配線リード線の長さと体積がかなりあることが多いため、大きな制限があります。
本論文では、ランダムな巻線内でリアルタイムに分散した内部熱状態モニタリングを可能にすることを目的とした光ファイバFBGセンシングシステムの設計について報告する。FBGセンシングシステムを用いたランダムな創傷コイル計装の手順は、電気機械で利用されているものを代表するIEEE標準創傷コイルに関するケーススタディで報告されています。報告された作業はまた、FBGアレイの形状設計、センシングヘッドとファイバのパッケージング、センサーアレイの設置、およびFBGセンシングシステムの実装とアプリケーションの重要な実用的および技術的側面を提示し、議論します校正手順と熱測定を得るための商業用尋問システムの使用。最後に、in in situ多重化されたFBGセンシングシステムの熱監視性能が、代表的な静的および動的熱条件で実証されています。

図5は、静熱試験でアレイセンサで測定した温度を示しています。対応するコイル位置にある各アレイFBGヘッドによって取られる4つの内部温度測定値は、検査された試験条件に対して一般的に予想されるのと同様に密接に観察される。報告された個々の測定値の間には、観測された平均ホットスポット温度の間の≈1.5 °C以下のわずかな変動があります。
図6は、不均一熱条件試験で得られたアレイセンサ測定値を示す。これらは、外部コイルに励起がない期間(最初の≈75s)が、予想通り、測定された熱レベルが密接に均一であることを示す期間に最初に示されています。外部コイルは、追加の局在性熱励起をもたらす励起されます: これは、外部コイルに最も近い位置にあるセンシングポイント(すなわち、FBG4)が最も高い熱レベル(≈128.6°C)を測定し、最も低い(≈117.6°C)離れたところに、観測された測定値に明確な変化をもたらします。これらのレポートの中間温度レベルと近い温度レベルの間にあるFBG温度センサ(≈122.7および≈121.6 °C)。観察された測定値は、検査されたテストコイル形状における個々のセンシングヘッド分布に明確に関連しています。さらに、ランダムな巻きコイルにおける内部分散型熱ホットスポット分布の監視と同定を目的としたコイル埋め込みアレイセンサの機能能力を明らかに示した。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig1.jpg"> 図 1.FBGアレイセンサーの動作コンセプト。この図は、以前の資料4から変更されています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig1large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig2.jpg"> 図 2.IEEE標準のモータレットコイルアセンブリ。(A) ランダム巻電コイル;IEEE 規格9を参照してください。(B) IEEE 標準モトレットを組み立て、ニスを付けた。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig2large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig3.jpg"> 図 3.FBG熱センサアレイ設計。(A)FBG アレイファイバー長、(B)配列構造内の FBG ヘッド位置、(C)FBG アレイパッケージング設計。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig3large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig4.jpg"> 図 4.パッケージされたアレイセンサーFBGヘッド校正特性。特性は、アレイフリーの熱較正試験で得られたデータから導出されます。この図は、以前の資料4から変更されています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig4large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig5.jpg"> 図 5.定常熱条件試験で得られたFBGアレイ熱測定。FBGアレイセンサーによって報告された個々のヘッド熱測定は、差し込み詳細な定常状態測定ビューで示されています。この図は、以前の資料4から変更されています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig5large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig6.jpg"> 図 6.不均一な熱条件試験における熱測定。この図は、以前の資料4から変更されています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig6large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td colspan="2">インターセプト</td>
			<td colspan="2">B1</td>
			<td colspan="2">B2</td>
			<td>統計</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>値</td>
			<td>標準エラー</td>
			<td>値</td>
			<td>標準エラー</td>
			<td>値</td>
			<td>標準エラー</td>
			<td>アジュ・R・スクエア</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG1</td>
			<td>1555.771</td>
			<td>0.0137</td>
			<td>0.00855</td>
			<td>2.85E-04</td>
			<td>1.50E-05</td>
			<td>1.34E-06</td>
			<td>0.99978</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG2</td>
			<td>1547.669</td>
			<td>0.0112</td>
			<td>0.00851</td>
			<td>2.34E-04</td>
			<td>1.41E-05</td>
			<td>1.10E-06</td>
			<td>0.99985</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG3</td>
			<td>1539.852</td>
			<td>0.0101</td>
			<td>0.00871</td>
			<td>2.11E-04</td>
			<td>1.30E-05</td>
			<td>9.90E-07</td>
			<td>0.99988</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG4</td>
			<td>1531.768</td>
			<td>0.0131</td>
			<td>0.00808</td>
			<td>2.72E-04</td>
			<td>1.67E-05</td>
			<td>1.28E-06</td>
			<td>0.9998</td>
		</tr>
</tbody></table>表 1: 計算された多項式四量体適合曲線パラメーター計算パラメータ標準誤差と個別のヘッド補正係数が含まれています。4つのテストされたFBGヘッドに対して、良好な直線性と0.999を超えるクーレクション係数係数が観測されました。このテーブルは、以前のパブリケーション4から変更されています。

本論文では、内部熱ホットスポットの分散状態モニタリングを目的として、ファイバーブラッグ格子(FBG)熱センサを用いたランダムな創傷電気コイルの計測を可能にするプロトコルを紹介する。

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

Random wound coils are a key operational element of most electric apparatus in modern industrial systems, including low voltage electric machines. One of ...

電気コイル内の熱ホット スポットを監視することは、デバイスの健全性、寿命の残り、および設計限界への近接性を理解できるため、電力伝導領域において重要です。このモータ技術により、多重化電磁免疫と光ファイバセンシングによる電力の適用に基づいて、電気コイル構造内の熱ホットスポットの監視を行うことができます。このビデオで説明されている高度なFPGセンシング性能はユニークであり、アクティブサーマルカップルなどの従来のセンサーの適用や抵抗ベースの熱推定技術の適用とは比べものにならない。FBGセンサは、熱および機械的励起に対して本質的に反応し、壊れやすい。したがって、電気コイル構造を用いた密温熱センシングの用途は、このプロトコルで説明されている特別な手順を必要とします。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。ここに示すテストコイルは、電気機械コイルの典型的な標準のIEEEクラスHモータレットです。センシング画面を設計する場合、光センシングファイバは、創傷コイルセンシング用途の典型的な熱および機械的環境で動作を維持します。標準的な曲げ無神経なポリアミド単一モード繊維を使用してセンサーが摂氏200度を超える温度で動作し、それが望ましいコイルの幾何学に合致するように曲げられる機械特性を有することを保障する。本アプリケーションでは、4つの熱センシングポイントを4つのテストコイル断面中心位置に設置する。個々のセンシング位置は、電気機械の潜熱監視基準に基づいて特定されます。センシングヘッド間の距離は、コイルジオメトリと選択センシング位置に基づいています。次に、個々の FBG ヘッドの長さが 5 ミリメートルで、使用される商業尋問者の評価に合わせて 1529 ~ 1560 ナノメートルの帯域幅で間隔を合わせた異なる波長で等級付けし、波長のずれ干渉を防ぐように指定します。ここでは、全体の繊維長は1.5メートルに指定されています。最初の1.2メートルはテフロンでパッケージされ、外部の尋問装置への接続を可能にする。3メートルの追加の長さは、4つの未パッケージのセンシングヘッドが含まれています。このビデオに示されているのは、市販された指定アレイセンサーです。まず、FC/APCコネクタから保護キャップを取り外します。次に、光学式コネクタクリーナーでそっと拭いてコネクタの端面を清掃します。次に、キーウェイが正しく位置合わせされ、クリーニングされた FBG プローブ コネクタが、尋問者チャネル コネクタに差し込まれるようにします。尋問官の電源を入れ、構成ソフトウェアを実行します。計測器の設定タブで、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。関連するチャネルスペクトルでは4つのピークが観測されるべきである。ソフトウェアでは、サンプリング周波数を 10 ヘルツに設定し、FBG 間のスペクトル境界を設定して、測定干渉を防ぎます。次に、測定設定で FBG ヘッドに FBG-1、FBG-2、FBG-3、FBG-4 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タイプとして波長を選択します。ピークキャピラリーを使用して、FBGヘッドが配列繊維に刻印されているセンシング領域を適切にパッケージ化します。これにより、ガラス繊維を保護し、センシングヘッドが機械的な励起から分離され、排他的に熱励起応答センサーが得られるようにします。繊維挿入を可能にし、毛細血管関節を覗くためにテフロンをカバーするために、数センチメートルのターゲットコイル構造の長さに商業ピークチューブの十分な長さをカットします。次に、FBGアレイとピークキャピラリーを注意深く測定し、ピーク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。次に、後で使用するために適当なサイズのシュリンクチューブを調製する。ピークキャピラリーに繊維センシング領域を挿入し、キャプトンテープを使用して覗き見とテフロン接続を維持します。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。FBGアレイの検出領域は、コイルの形状に基づいて形成されます。次に、採点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。オーブンを一連の熱定常状態点で動作し、配列内の個々のFBGの測定反射波長からテーブルを作成する。すべての一定温度のために、チャンバーでそれをエミュレートします。次に、記録されたシフト波長対温度測定値を使用して、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。計測された係数を、尋問ソフトウェアの関連設定に入力して、FBGアレイからのオンライン温度測定を可能にします。まず、モータレットランダム巻きコイルを構築し、計装します。これを実現するには、選択したクラスHエナメル銅線リールを巻き上げ装置にセットし、コイルの半分を低速で巻きます。次いで、キャピラリーをキャピラリーをキャピラリーをキャピラリーをキャピラリーをキャプトンテープを用いてコイルの中央に装着する。適切に配置されたら、残りのコイルを巻きます。完成したコイルをモーターレットフレームに入れる。次に、モーターレットコイルと巻線を結合します。FBGアレイを尋問者に接続した状態で、テフロンの端部の開口部と覗く毛細血管が接触するまで、センシング領域繊維を慎重に覗くキャピラリーに挿入します。収縮チューブを動かして毛細管の端を覆い、適切に目的のフィット感が得られるまで向きます。静的テストを開始するには、モータレットをDC電源に接続し、DC電源を接続して、DC電流をモレットに注入します。モータレットコイルの熱平衡に達するまで測定を記録します。次に、不均一な熱条件試験を行う。このテストでは、まず、選択したテストコイルセクションを20回転に含む外部コイルを巻き付けます。外部コイルを別のDC電源に接続して、静的テストで使用したのと同じDC電流でモータレットを通電させます。熱平衡に達したら、熱測定の記録を開始します。最後に、DC電流で外部コイルを通電し、テストコイルに局在する熱励起を提供することで不均一な熱状態を提供します。熱平衡に達したら測定の記録を停止します。この代表的な静熱試験の間、4つの内部温度測定値は、対応するコイル位置のそれぞれの配列FBGヘッドによって取られた。測定値は、摂氏約1.5度未満の記録された個々の測定値の間のわずかな変動と密接に類似しています。外部20ターンコイルが励起されると、コイル構造内の不均一なコイル状態をエミュレートし、コイル内部温度の再分配による熱測定で明確な変化が観察された。外部コイルに最も近いセンシングポイントと最も近い近接性FBG4は、最も高い熱レベルと最も遠い離れたセンシングポイントであるFBG 2を測定し、最低値を測定した。観察された測定値は、個々のセンシングヘッド分布の変動、検査されたテストコイル幾何学に明確に関連している。ランダムな巻きコイルの熱ホットスポット分布の監視と識別によるコイル埋め込みアレイセンサーの機能を示します。このビデオでは、FBG技術を用いた単一光ファイバが、電気コイルの構造内で熱ホットスポットの分散測定を可能にする方法を実演しました。これを実現することは、従来のセンサーを使用して非常に困難になります。正確な測定を確実に行うために、包装、設置、校正手順に特に注意してください。これらは、熱機械FBGクロス感度を緩和し、ファイバを保護し、信頼性の高い熱読み取りを可能にするために必要です。報告された技術は、従来のセンサーが挑戦されているエネルギー変換装置の専任の熱監視アプリケーションの開発のための新しい機会を提供する。

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JoVE Journal

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