Projektowanie, oprzyrządowanie i protokoły użytkowania do rozproszonego monitorowania gorących punktów termicznych in situ w cewkach elektrycznych za pomocą multipleksowania czujników FBG

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia protokół, który umożliwia oprzyrządowanie losowo uzwojonych cewek elektrycznych z czujnikami termicznymi światłowodowej siatki Bragga (FBG) w celu rozproszonego monitorowania stanu wewnętrznych termicznych gorących punktów.

Streszczenie

Losowo uzwojone cewki są kluczowym elementem operacyjnym większości urządzeń elektrycznych w nowoczesnych systemach przemysłowych, w tym w maszynach elektrycznych niskiego napięcia. Jednym z głównych obecnych wąskich gardeł w poprawie eksploatacji urządzeń elektrycznych jest wysoka wrażliwość ich elementów uzwojonych na naprężenia termiczne podczas eksploatacji. Zastosowanie konwencjonalnych metod detekcji termicznej (np. termopar, rezystancyjnych detektorów temperatury) do monitorowania stanu termicznego cewek przewodzących prąd z uzwojeniami losowo może nakładać znaczne ograniczenia operacyjne ze względu na rozmiar czujnika, czułość EMI i obecność materiału przewodzącego prąd elektryczny w ich konstrukcji. Kolejne istotne ograniczenie istnieje w zastosowaniach czujników rozproszonych i jest spowodowane często znaczną długością i objętością przewodów okablowania konwencjonalnych czujników.

Ten artykuł opisuje projekt światłowodowego systemu wykrywania FBG, przeznaczonego do umożliwienia rozproszonego w czasie rzeczywistym monitorowania stanu termicznego w losowo uzwojonych cewkach. Procedura oprzyrządowania cewki z uzwojeniem losowym za pomocą systemu wykrywania FBG została opisana w studium przypadku na znormalizowanej cewce uzwojonej IEEE reprezentatywnej dla tych stosowanych w maszynach elektrycznych. W przedstawionej pracy przedstawiono również i omówiono ważne praktyczne i techniczne aspekty wdrożenia i zastosowania systemu detekcji FBG, w tym projekt geometrii matrycy FBG, głowicę detekcyjną i opakowanie światłowodów, procedurę instalacji i kalibracji matrycy czujników oraz zastosowanie komercyjnego systemu przesłuchań do uzyskiwania pomiarów termicznych. Wreszcie, wydajność monitorowania termicznego systemu wykrywania FBG w multipleksowaniu in situ została zademonstrowana w reprezentatywnych statycznych i dynamicznych warunkach termicznych.

Wprowadzenie

Losowo uzwojone cewki są kluczowym elementem konstrukcyjnym większości urządzeń elektrycznych w nowoczesnych systemach przemysłowych i są powszechnie stosowane w maszynach elektrycznych niskiego napięcia. Główną przeszkodą w lepszym wykorzystaniu zwojów zwijanych w tych zastosowaniach jest ich wrażliwość na naprężenia elektromagnetyczne podczas pracy. Przeciążenia termiczne są szczególnie istotne w tym względzie, ponieważ mogą one spowodować awarię systemu izolacji cewki izolacyjnej, a ostatecznie jego całkowitą awarię¹; Może to wynikać z nadmiernego poziomu prądu cewki lub innych przyczyn, takich jak usterka elektryczna cewki lub awaria układu chłodzenia, w której w strukturze cewki indukowane są zlokalizowane gorące punkty, co prowadzi do przebicia izolacji. Umożliwienie operacyjnego, rozproszonego monitorowania termicznego wewnętrznej struktury cewki w trakcie eksploatacji pozwala na opracowanie ulepszonych procedur konserwacji opartych na wykorzystaniu i stanie; Pozwoliłoby to na zaawansowane zrozumienie i identyfikację stanu pracy cewek i wszelkich procesów degradacji, a tym samym na podjęcie działań naprawczych w oparciu o stan w celu utrzymania stanu pracy i zapobieżenia lub spowolnienia dalszych uszkodzeń^2,3.

Przedstawiona metoda ma na celu umożliwienie monitorowania in situ warunków termicznych osadzonych w cewce elektrycznej poprzez użycie elastycznych i odpornych na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) światłowodowych czujników termicznych Bragga. Metoda ta oferuje szereg zalet funkcjonalnych w porównaniu z istniejącymi technikami monitorowania termicznego stosowanymi w cewkach elektrycznych: prawie zawsze opierają się one na zastosowaniu termopar (TC) lub rezystancyjnych detektorów temperatury (RTD), które nie są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne; Wykonane są z materiałów przewodzących; Są one na ogół dość nieporęczne, dlatego nie nadają się idealnie do zastosowań czujnikowych w strukturze uzwojonych cewek elektrycznych. Zastosowanie wytrzymałych i elastycznych światłowodowych czujników termicznych FBG zapewnia szereg znacznych ulepszeń w tym zakresie, nie tylko ze względu na odporność czujnika na zakłócenia elektromagnetyczne, ale także ze względu na jego niewielkie rozmiary, możliwość multipleksowania i elastyczność, która umożliwia ich osadzenie i dostosowanie się do dowolnej architektury cewki uzwojonej w celu uzyskania wykrywania termicznego z najwyższą dokładnością w żądanych lokalizacjach strukturalnych⁴. Cechy te są szczególnie atrakcyjne w zastosowaniach maszyn elektrycznych (EM), w których limity termiczne urządzeń są określane przez warunki termiczne cewki elektrycznej i są szczególnie istotne w świetle spodziewanego znacznego wzrostu zużycia EM wraz z rozpowszechnieniem się transportu elektrycznego.

Ten artykuł przedstawia metodologię instrumentowania typowej niskonapięciowej struktury cewki z losowo uzwojoną cewką z termicznymi czujnikami FBG, aby umożliwić monitorowanie on-line wewnętrznych hotspotów. Podano szczegółowy protokół wyboru, projektu, opakowania, oprzyrządowania, kalibracji i użytkowania czujnika FBG. Jest to prezentowane w standardowym systemie motorette z cewką z cewką z uzwojeniem losowym IEEE. W artykule przedstawiono również uzyskane pomiary termiczne in situ w statycznych i niejednorodnych warunkach pracy termicznej badanej cewki testowej.

FBG są formowane w procesie "kratowania" rdzenia światłowodu w celu tworzenia okresowych podłużnych odcisków (zwykle nazywanych głowicami czujnikowymi w aplikacjach wykrywania FBG); gdy światłowód zawierający FBG jest wystawiony na działanie światła ultrafioletowego, każda istniejąca głowica FBG spowoduje okresową modulację swojego współczynnika załamania światła⁵. Na długości fal odbitych od głowicy pomiarowej będą miały wpływ warunki termiczne i mechaniczne, na które narażone jest światłowód, a tym samym umożliwią zastosowanie startego włókna jako czujnika termicznego lub mechanicznego, przy założeniu odpowiedniego projektu i zastosowania.

Technologia FBG jest szczególnie atrakcyjna dla zastosowań detekcji rozproszonej: pozwala na poprowadzenie pojedynczego światłowodu, aby zawierał wiele głowic detekcyjnych FBG, gdzie każda głowica jest kodowana odrębną długością fali Bragga i działa jako odrębny punkt detekcji. Ten typ czujnika opartego na FBG jest znany jako czujnik matrycowy FBG⁶, a jego koncepcja działania jest zilustrowana na Rysunek 1. Światło szerokopasmowe jest używane do wzbudzania matrycy, co skutkuje odrębnymi odbitymi długościami fal od każdej zawartej głowicy FBG; tutaj każda głowica odbija określoną długość fali (tj. długość fali Bragga), która pasuje do jej konstrukcji siatki, a także zależy od panujących warunków termicznych i mechanicznych w lokalizacji głowicy (tj. Wykrywania). Potrzebne jest urządzenie interrogatora, aby umożliwić wzbudzenie światłowodów matrycowych światłem i inspekcję odbitych widm dla odrębnych długości fal Bragga, zawierających informacje o zlokalizowanych warunkach termicznych i/lub mechanicznych.

Szczególnie ważnym aspektem implementacji czujnika termicznego FBG jest łagodzenie termomechanicznych efektów czułości krzyżowej, aby uzyskać jak najbardziej zbliżone do odczytów wyłącznie termicznych⁷. Nieodłączna cecha FBG termomechanicznej czułości krzyżowej wymaga starannego projektowania czujników FBG przeznaczonych wyłącznie do zastosowań termicznych lub tylko mechanicznych. W przypadku wykrywania termicznego skuteczną metodą łagodzenia czułości wzbudzenia mechanicznego FBG jest odizolowanie głowicy czujnikowej za pomocą kapilary uszczelniającej wykonanej z materiału odpowiedniego do danego zastosowania; W aplikacji Coil Embedded Thermal Sensing analizowanej w tej pracy, nie tylko zmniejsza to problemy z czułością krzyżową, ale także służy do ochrony delikatnej struktury światłowodu czujnikowego przed spodem i potencjalnie niszczącymi naprężeniami mechanicznymi⁸.

Rysunek 2A pokazuje losowo nawiniętą próbkę testową cewki elektrycznej, użytą jako pojazd demonstracyjny w tym artykule. Cewka została zaprojektowana zgodnie ze standardami IEEE⁹ do procedur oceny termicznej systemu izolacji cewek z losowo uzwojonymi cewkami; wynikowy system testowy pokazany na Rysunek 2B jest znany jako system motorette i jest reprezentatywny dla uzwojenia i jego układu izolacyjnego w maszynie elektrycznej niskiego napięcia. W przedstawionym studium przypadku motoretka zostanie wyposażona w matrycowy czujnik termiczny FBG składający się z czterech punktów wykrywania termicznego, aby naśladować typowe gorące punkty wykrywania termicznego, które są interesujące w praktycznych zastosowaniach maszynowych, które zwykle są zlokalizowane w sekcjach uzwojenia końcowego cewki i szczeliny. W celu kalibracji i oceny wydajności, wbudowana w FBG motorette zostanie wzbudzona termicznie przy użyciu komercyjnej komory termicznej i zasilacza prądu stałego.

Protokół

1. Konstrukcja światłowodowego czujnika termicznego

1. Najpierw zidentyfikuj konstrukcję i specyfikacje czujnika w oparciu o strukturę cewki docelowej i cechy systemu przesłuchań. Cewka testowa użyta w tej pracy ma owalną geometrię typową dla cewek maszyn elektrycznych (jak pokazano w Rysunek 1A. Przed określeniem poszczególnych lokalizacji czujników należy podjąć decyzje projektowe, aby zapewnić, że światłowód czujnikowy pozostaje sprawny w środowisku mechanicznym i termicznym typowym dla zastosowań z wbudowanymi cewkami uzwojonymi.
2. Należy użyć standardowego, niewrażliwego na zginanie włókna jednomodowego pokrytego poliimidem, o którym ogólnie wiadomo, że jest w stanie pracować w temperaturach do około 300 °C; włókno to nadaje się zatem do stosowania w cewkach zwijanych stosowanych w konwencjonalnych maszynach elektrycznych.
   UWAGA: Wybrany światłowód zapewnia funkcjonalność czujnika w środowisku termicznym typowej cewki o uzwojeniu losowym pracującej w maszynach elektrycznych takich jak stosowane w tej pracy (klasa F i H o temperaturze znamionowej odpowiednio 155 i 180 °C¹⁰. Włókno niewrażliwe na zginanie jest preferowane do tego zastosowania, ponieważ zostało zaprojektowane tak, aby umożliwić mały promień gięcia i mniejsze straty przy zginaniu. Umożliwia to skuteczne dopasowanie czujnika do żądanej struktury cewki i lokalizacji wykrywania przy minimalnym szkodliwym wpływie na funkcjonalność czujnika.
3. Ustaw długość światłowodu na 1.5 m.
   UWAGA: Długość światłowodu jest ustawiana zgodnie z geometrią docelowej cewki nawiniętej, która ma być oprzyrządowana, oraz żądaną odległością od jednostki przesłuchującej. Długość obwodowa cewki testowej (pokazana na Rysunek 1A) wynosi 0,3 metra, a wybrana długość włókna do interrogatora z cewki wynosi 1,2 metra, co daje całkowitą długość 1,5 m - pozwala to na zapętlenie wystarczającej długości światłowodu w cewce testowej, aby zapewnić odpowiednie ustalenie pożądanych miejsc wykrywania i odpowiednią odległość między cewką testową a interrogatorem: Rysunek 3A ilustruje ogólne podejście do projektowania długości.
   UWAGA: FBGS mogą znajdować się w odległości kilku kilometrów od jednostki przesłuchań. Dzieje się tak, ponieważ światłowód jest wydajnym pojedynczym nośnikiem.
4. Zaprojektuj matrycę FBG tak, aby składała się z czterech głowic FBG (5 mm), aby umożliwić rozproszone wykrywanie w strukturze cewki, tak aby dwa miejsca wykrywania były umieszczone po bokach cewki, a dwa na końcach cewki.
   UWAGA: Lokalizacje wykrywania termicznego są identyfikowane na podstawie odpowiednich standardów monitorowania termicznego dla maszyn elektrycznych (tj. 2 FBGS dla sekcji szczelinowych i 2 dla sekcji z uzwojeniem końcowym)¹⁰. Komercyjna konstrukcja interrogatora zastosowana w tej pracy może umożliwić jednoczesne przeszukiwanie do 16 punktów detekcyjnych FBG w dół jednego światłowodu.
5. Użyj głowicy pomiarowej FBG o długości 5 mm; jest to uważane za wystarczające, aby umożliwić miejscowe monitorowanie gorących punktów w cewkach o losowo uzwojonych cewkach przenoszących prąd.
   UWAGA: Alternatywne wartości handlowe długości głowicy FBG (3 mm, 5 mm lub 10 mm) mogą być również stosowane w przypadku, gdy aplikacja czujnikowa wymaga innego wymiaru punktu wykrywania.
6. Określ poszczególne głowice FBG, które mają być siatkowane o różnych długościach fal rozmieszczonych w paśmie 1529–60 nm, aby dopasować je do używanej komercyjnej wartości znamionowej interrogatora; zapewnia to zapobieganie zakłóceniom przesuniętych długości fal FBG.
   UWAGA: Długość fali głowic FBG, ich oczekiwana szerokość pasma przesunięcia długości fali oraz zmiany temperatury aplikacji muszą mieścić się w szerokopasmowym paśmie światła jednostki pytającej, aby zapewnić prawidłowe działanie systemu czujników.
7. Użyj złącza sondy światłowodowej FC/APC, która jest zgodna z modułem interrogatora.
   UWAGA: FC/APC jest ogólnie preferowanym wyborem do wykrywania FBG ze względu na niskie straty odbicia.
8. Dostarcz projekt i specyfikację czujnika komercyjnemu producentowi FBG - Rysunek 3B przedstawia ostateczny szkic projektu matrycy FBG użytej w tej pracy.

2. System przesłuchań i konfiguracja czujnika

1. Sprawdź i skonfiguruj zaprojektowany i wyprodukowany czujnik matrycowy FBG do współpracy z komercyjnym systemem przesłuchań.
2. Zdejmij nasadkę ochronną z tulejki złącza FC/APC.
3. Oczyść powierzchnię czołową złącza, delikatnie przecierając ją środkiem do czyszczenia złączy optycznych.
   UWAGA: Zdecydowanie zaleca się wykonywanie tego kroku za każdym razem, gdy czujnik jest podłączony do interrogatora. W tej pracy użyto optycznego środka czyszczącego z serii Cletop-s.
4. Podłącz oczyszczone złącze sondy FBG do złącza kanału interrogatora.
   UWAGA: Upewnij się, że rowek wpustowy jest prawidłowo wyrównany podczas łączenia złączy.
5. Włącz interrogator.
   UWAGA: Interrogator jest podłączony do komputera za pomocą złącza RJ45 i internetowego.
6. Uruchom oprogramowanie konfiguracyjne.
   UWAGA: Oprogramowanie interrogatora jest zastrzeżonym pakietem oprogramowania opartym na LabVIEW dostarczonym przez producenta interrogora, zaprojektowanym w celu umożliwienia działania jednostki sprzętowej interrogatora.
7. Na karcie ustawień przyrządu obserwuj odbite widma długości fal z sondy matrycowej FBG (dla konstrukcji matrycy FBG użytej w tej pracy należy zaobserwować cztery piki w odpowiednim widmie kanału).
   UWAGA: Natężenie światła odbitego zależy od charakterystyki FBG (dopuszczalne jest powyżej 50%).
8. Ustaw częstotliwość próbkowania na 10 Hz. To bezpośrednio określa liczbę odczytów temperatury dostarczanych w danym okresie 1 s.
   UWAGA: Zastosowany system przesłuchań może pracować na częstotliwościach próbkowania do 2,5 kHz; jednak dla dynamiki termicznej cewek przewodzących prąd monitorowanych w tej pracy 10 Hz jest uważane za wystarczającą szybkość akwizycji.
9. W ustawieniach pomiarów nazwij głowice FBG jako FBG1, FBG2, FBG3 i FBG4. Wybierz długość fali jako rodzaj wielkości, która ma być przedstawiona graficznie na tym etapie. Macierz FBG jest skonfigurowana i gotowa do etapu kalibracji.

3. Przygotowanie opakowania

1. Odpowiednio upakuj obszary, w których głowice FBG są nadrukowane (tj. Rusztowane) we włóknie matrycy, aby zapewnić izolację głowicy czujnikowej od wzbudzenia mechanicznego, a tym samym uzyskać czujnik reagujący wyłącznie na wzbudzenie termiczne. Ponadto struktura włókna jest delikatna i nie jest pożądane bezpośrednie osadzanie go w przewodnikach cewki: wymaga odpowiedniej ochrony mechanicznej, aby zachować integralność. W tej pracy obszar wykrywania zawierający cztery głowice FBG, który jest osadzony w strukturze cewki, jest upakowany w polieteroeteroketon (PEEK), a pozostała część włókna jest chroniona przez teflon - jest to zilustrowane w Rysunek 3C.
2. Zaprojektuj opakowanie w formie wąskiej okrągłej rurki kapilarnej, aby włókno czujnikowe mogło być poprowadzone przez kapilarnę, a tym samym chronione przez kapilarę.
   UWAGA: Wymiary kapilary i właściwości termiczne są szczególnie ważne w przypadku pakowania obszaru zawierającego głowice czujnikowe FBG. Ogólnie pożądane jest zapewnienie stosunkowo wąskiej grubości ścianki i użycie materiału, który nie przewodzi prądu elektrycznego, ale zapewnia rozsądny stopień przewodności cieplnej. Średnica zewnętrzna kapilary PEEK użytej w tej pracy wynosiła 0,8 mm, a grubość jej ścianki 0,1 mm.
3. Przygotuj kapilarnę PEEK, przecinając odpowiednią długość komercyjnej rurki PEEK (długość docelowej struktury cewki z kilkoma dodatkowymi centymetrami, aby umożliwić wprowadzenie włókna i przygotowanie złącza kapilarnego teflon do PEEK).
   UWAGA: Oprzyrządowanie in situ matrycy FBG wymaga najpierw instalacji opakowania, które jest następnie wkładane wraz ze światłowodem czujnikowym. Należy zadbać o to, aby otwory końcowe kapilar były gładkie i czyste.
4. Wykonaj dokładne pomiary matrycy FBG i kapilary PEEK, aby dokładnie zidentyfikować miejsca wykrywania na zewnętrznej powierzchni kapilary PEEK. Umożliwia to pozycjonowanie głowic czujnikowych FBG w docelowych lokalizacjach w cewce testowej silnika.
5. Przygotuj kapilarnę teflonową, przecinając odpowiednią długość komercyjnej rurki teflonowej, aby upewnić się, że sekcja włókna poza geometrią cewki testowej jest chroniona i zawarta.
   UWAGA: Zewnętrzny materiał opakowaniowy sekcji matrycy bez czujników musi mieć wystarczającą sztywność, aby zapewnić odpowiednią ochronę mechaniczną, ale także być elastyczny, aby umożliwić praktyczne połączenie z interrogatorem; pożądane jest również, aby materiał ten był odporny na zakłócenia elektromagnetyczne w tym zastosowaniu. W tym badaniu stwierdzono, że teflon zapewnia zadowalającą wydajność, jednak można zastosować alternatywne materiały.
6. Przygotuj odpowiednią długość rurki termokurczliwej, aby wykonać połączenie między kapilarami PEEK i teflonowymi.

4. Darmowa kalibracja termiczna

1. Skalibruj zapakowany czujnik matrycowy FBG, wkładając go do komory termicznej, aby wyodrębnić jego dyskretną temperaturę w stosunku do punktów długości fali.
   UWAGA: Najlepiej, aby obszar wykrywania był ukształtowany tak, aby pasował do struktury cewki docelowej, aby zapewnić kalibrację przy poziomach naprężeń podobnych do tych, gdy pakiet jest osadzony w cewce testowej.
2. Podłącz siatkowane światłowód do interrogatora i uruchom wstępnie skonfigurowaną procedurę oprogramowania interrogatora.
3. Ustawić termiczny piec komorowy tak, aby działał w sekwencji punktów termicznego stanu ustalonego – są one w zakresie temperatury otoczenia do 170 °C i w krokach co 10 stopni w tej pracy. Utwórz tabelę ze zmierzonych odbitych długości fal każdego pojedynczego FBG w tablicy dla każdej stałej temperatury emulowanej w komorze.
   UWAGA: Podczas prób kalibracyjnych należy przewidzieć wystarczająco dużo czasu, aby równowaga termiczna została osiągnięta w każdym badanym punkcie termicznym w stanie ustalonym.
4. Użyj zarejestrowanych pomiarów przesuniętej długości fali w funkcji temperatury w krokach co 10 °C, aby określić optymalne krzywe dopasowania przesunięcia temperatury i długości fali oraz ich współczynniki dla każdego FBG. Rysunek 4 i Tabela 1 pokazują odpowiednio zarejestrowane pomiary danych kalibracyjnych i obliczoną krzywą dopasowania.
   UWAGA: Zależność między przesunięciem długości fali a zmianą temperatury głowic FBG w matrycy jest analizowana za pomocą wielomianowej regresji kwadratowej w tej pracy, ponieważ stwierdzono, że zapewnia ona optymalną charakterystykę. Na podstawie tej analizy obliczane są współczynniki dopasowania krzywej regresji wielomianowej regresji kwadratowej¹¹.
5. Wprowadź obliczone współczynniki w odpowiednich ustawieniach oprogramowania interrogatora, aby umożliwić pomiary temperatury on-line z matrycy FBG.

5. Budowa cewki testowej i oprzyrządowanie FBG

1. Najpierw zbuduj i oprzyrząduj cewkę z losowo uzwojoną cewką silnika.
   1. Zaprojektuj szpulkę do nawijania tak, aby pasowała do urządzenia nawijania.
      UWAGA: Geometria szpulki została zaprojektowana tak, aby pasowała do pożądanej geometrii zwoju cewki i zapewniała pożądane wymiary cewki zwijanej. Szpulka została zaprojektowana tak, aby można ją było łatwo zdemontować, aby ułatwić łatwe wyjęcie cewki bez uszkadzania jej izolacji.
   2. Umieść wybrany szpul z emaliowanego drutu miedzianego w urządzeniu do nawijania i przeciągnij drut miedziany przez rolki nawijarki i regulator naprężenia.
      UWAGA: W tej pracy używany jest emaliowany drut miedziany klasy F.
   3. Ustaw licznik obrotów urządzenia nawijającego na zero.
   4. Ustaw nawijarkę tak, aby pracowała z niską prędkością i kontroluj żądane naprężenie drutu.
   5. Nawiń połowę cewki.
   6. Zamontuj przygotowaną kapilę PEEK na środku cewki za pomocą taśmy kaptonowej.
      UWAGA: Należy zadbać o to, aby indeksy na kapilarze PEEK były umieszczone w miejscach docelowych.
   7. Nawiń resztę zwojów cewki.
   8. Wyjmij szpulkę z maszyny do nawijania i zdemontuj, aby uwolnić nawiniętą cewkę osadzoną w kapilarze PEEK.
   9. Umieść cewkę w ramie silnika.
      UWAGA: System izolacji cewki silnika (izolacja szczeliny i kliny szczelinowe) musi być odpowiednio zainstalowany z cewką.
   10. Przygotuj zaciski cewki i podłącz je do zacisków silnika.
   11. Lakierować motoryzację za pomocą lakieru do nawijania i wstawić do piekarnika w odpowiedniej temperaturze (150 °C) do utwardzenia.
2. Oprzyrządowanie macierzy FBG:
   1. Najpierw podłącz matrycę FBG do interrogatora; uruchom oprogramowanie interrogatora, aby monitorować odbitą długość fali FBG podczas instalacji.
   2. Przeciągnij włókno przez przygotowaną rurkę obkurczającą.
   3. Ostrożnie włóż włókno (obszar wykrywania) do kapilary PEEK, aż końcowe otwory kapilar teflonowych i PEEK zetkną się ze sobą.
   4. Przesuń rurkę termokurczliwą, aby zakryć końce kapilar i odpowiednio ją podgrzej, aż do uzyskania pożądanego dopasowania.

6. Kalibracja i ocena in situ

1. Zatwierdź uzyskaną kalibrację termiczną w kroku 4 po osadzeniu i popraw w razie potrzeby. Test umożliwia również ocenę wydajności macierzy FBG w kontrolowanych statycznych warunkach termicznych.
2. Umieść motorówkę z wbudowaną matrycą termiczną FBG w piekarniku termicznym.
   UWAGA: Konwencjonalny czujnik termiczny może być używany do celów porównawczych wydajności. W tym przypadku stosuje się termopary zainstalowane na powierzchni cewki silnika.
3. Powtórz kroki 4.3 i 4.4.
4. Powtórz krok 4.5, uwzględniając temperaturę mierzoną przez głowice FBG w oparciu o skalibrowane pasowanie w kroku 4.
5. Oceń i porównaj pomiary temperatury matrycy FBG z temperaturą odniesienia. Jeśli błąd pomiaru jest wysoki, pomiar zarejestrowany w kroku 6.4 można wykorzystać do aktualizacji kalibracji.
6. Wyjmij motoretkę z piekarnika termicznego, jest gotowa do testów.

7. Testowanie

1. Wykonaj statyczny test warunków termicznych.
   1. Podłącz motokietę do zasilania prądem stałym.
   2. Podłącz matrycę FBG do interrogatora; monitoruj i rejestruj jej pomiary temperatury FBG.
   3. Kontroluj zasilanie prądem stałym, aby wstrzyknąć do motoryzacji prąd stały.
      UWAGA: Wybrany poziom prądu stałego musi zapewniać, że wzrost litery T w wewnętrznych gorących punktach termicznych cewki jest mniejszy niż dopuszczalna temperatura izolacji; Pozwala to na przeprowadzenie badań nieniszczących na prototypowej cewce.
   4. Zatrzymaj rejestrowanie pomiarów po osiągnięciu równowagi termicznej cewki silnika.
2. Wykonaj test niejednorodnych warunków termicznych.
   1. Nawiń cewkę zewnętrzną zawierającą 20 zwojów wokół wybranej sekcji cewki testowej.
   2. Podłącz cewkę zewnętrzną do oddzielnego zasilacza prądu stałego.
   3. Zasilić silnik prądem stałym przyłożonym w ppkt 7.1.3.
   4. Rozpocznij rejestrowanie pomiarów termicznych po osiągnięciu równowagi termicznej.
   5. Zasil cewkę zewnętrzną prądem stałym, aby zapewnić niejednorodne warunki termiczne, dostarczając zlokalizowane wzbudzenie termiczne na cewce testowej.
   6. Zatrzymaj rejestrowanie pomiarów po osiągnięciu równowagi termicznej.

Wyniki

Rysunek 5 przedstawia temperatury zmierzone przez sensor macierzowy w statycznym teście termicznym. Cztery odczyty temperatury wewnętrznej, wykonane przez odpowiednie głowice macierzy FBG w odpowiadających im lokalizacjach cewki, są bardzo zbliżone, co jest ogólnie oczekiwane dla badanych warunków testowych; odnotowano niewielką różnicę między poszczególnymi pomiarami, wynoszącą mniej niż ≈1,5 °C w stosunku do obserwowanych średnich temperatur punktów krytycznych wynoszących ≈75,5 °C.

Rysunek 6 przedstawia pomiary z matrycy czujników uzyskane podczas testu w warunkach niejednorodnego rozkładu temperatury. Najpierw zaprezentowano okres, w którym cewka zewnętrzna nie była pobudzana (pierwsze ≈75s), co wskazuje na niemal jednorodne zmierzone poziomy termiczne, zgodnie z oczekiwaniami. Następnie pobudzenie cewki zewnętrznej doprowadziło do dodatkowego lokalnego wzbudzenia termicznego: spowodowało to wyraźną zmianę w obserwowanych pomiarach, gdzie punkt pomiarowy znajdujący się najbliżej cewki zewnętrznej (tj. FBG4) odnotował najwyższy poziom temperatury (≈128.6 °C), a punkt najdalej wysunięty – najniższy (≈117.6 °C); czujniki temperatury FBG znajdujące się pomiędzy nimi wykazały pośrednie i zbliżone do siebie poziomy temperatury (≈122.7 i ≈121.6 °C). Zaobserwowane odczyty wyraźnie korelują z rozmieszczeniem poszczególnych głowic pomiarowych w badanej geometrii cewki testowej. Co więcej, wyniki te jednoznacznie demonstrują funkcjonalną zdolność matrycy czujników zatopionych w cewce do monitorowania i identyfikacji rozkładu wewnętrznych, rozproszonych punktów przegrzania w cewkach o losowym splotcie.

Rysunek 1. Koncepcja działania czujnika z macierzą FBG. Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie poprzedniej publikacji⁴. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2. Zestaw cewki motorette zgodnie ze standardem IEEE. (A) Elektryczna cewka nawijana losowo; patrz standardy IEEE⁹. (B) Zmontowana i polakierowana motorette zgodnie ze standardem IEEE. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3. Projekt macierzy termicznych czujników FBG. (A) Długość włókna macierzy FBG, (B) Położenia głowic FBG w strukturze macierzy, (C) Projekt obudowy macierzy FBG. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 4. Charakterystyki kalibracyjne głowic sensorów FBG w obudowanych macierzach. Charakterystyki zostały opracowane na podstawie danych uzyskanych w testach kalibracji termicznej macierzy wolnej. Rycina ta została zmodyfikowana z poprzedniej publikacji⁴. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 5. Pomiary termiczne macierzy FBG uzyskane podczas testu w warunkach termicznych stanu ustalonego. Indywidualne pomiary termiczne głowic zgłoszone przez czujnik macierzy FBG przedstawiono wraz z powiększeniem widoku pomiaru w stanie ustalonym. Rysunek został zmodyfikowany z poprzedniej publikacji⁴. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6. Pomiary termiczne w teście w warunkach niejednorodności cieplnej. Rysunek ten został zmodyfikowany z poprzedniej publikacji⁴. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

	Przesunięcie (punkt przecięcia)		B1		B2		Statystyka
	Wartość	Błąd standardowy	Wartość	Błąd standardowy	Wartość	Błąd standardowy	Skorygowany współczynnik R-kwadrat
FBG1	1555.771	0.0137	0.00855	2,85E-04	1,50E-05	1,34E-06	0.99978
FBG2	1547.669	0.0112	0.00851	2,34E-04	1,41E-05	1,10E-06	0.99985
FBG3	1539.852	0.0101	0.00871	2,11E-04	1,30E-05	9,90E-07	0.99988
FBG4	1531.768	0.0131	0.00808	2,72E-04	1,67E-05	1,28E-06	0.9998

Tabela 1: Obliczone parametry krzywej dopasowania wielomianowego drugiego stopnia. Uwzględniono obliczone błędy standardowe parametrów oraz indywidualne współczynniki korekcji głowic; dla czterech badanych głowic FBG zaobserwowano dobrą liniowość oraz współczynnik korekcyjny przekraczający 0,999. Tabela została zmodyfikowana na podstawie wcześniejszej publikacji⁴.

Dyskusja

W artykule przedstawiono procedurę wymaganą do projektowania, kalibracji i testowania czujników termicznych FBG in situ w cewkach uzwojonych niskiego napięcia. Czujniki te oferują szereg korzyści w zastosowaniach detekcyjnych in situ w strukturach cewek z uzwojeniami przewodzącymi prąd: są w pełni odporne na zakłócenia elektromagnetyczne, są elastyczne i mogą dostosować się do dowolnej pożądanej geometrii, aby zapewnić dowolnie pożądane lokalizacje punktów wykrywania z dużą dokładnością i mogą zapewnić dużą liczbę punktów wykrywania na jednym czujniku. Podczas gdy wykrywanie termiczne w cewkach uzwojonych można osiągnąć za pomocą konwencjonalnych technik monitorowania termicznego wykorzystujących termoparowe lub rezystancyjne detektory temperatury, wykazano, że zastosowanie FBG zapewnia szereg atrakcyjnych korzyści funkcjonalnych.

Odpowiednie opakowanie czujnika matrycowego FBG jest kluczem do jego efektywnego wykorzystania. Ważne jest, aby poszczególne głowice czujnikowe lub cały obszar wykrywania światłowodu były odpowiednio upakowane, aby zapewnić izolację głowic FBG od wzbudzenia mechanicznego w sztywnej, ale elastycznej kapilarze przewodzącej ciepło. Pożądane jest, aby kapilara była zaprojektowana z materiału nieprzewodzącego prądu, ponieważ zapewnia to optymalną wydajność w środowisku bogatym w zakłócenia elektromagnetyczne, charakterystycznym dla cewek przewodzących prąd.

Podczas procesu instalacji kapilary pakującej w wężownicy należy zachować ostrożność, aby dokładnie ustawić segmenty pakietu w odpowiednich miejscach wykrywania. Niezbędna jest również optymalizacja geometrii kapilar w przypadku obserwacji bardzo dynamicznych warunków termicznych.

Bardzo ważne jest, aby zapewnić dokładną charakterystykę czujnika wbudowanego w cewkę. Najlepiej jest to zrobić, wykonując bezpłatną kalibrację czujnika w pakiecie przed jego instalacją w geometrii cewki uzwojonej. Podczas gdy opakowanie in situ zapewnia wysoki stopień ochrony przed wzbudzeniem mechanicznym, proces instalacji może spowodować przesunięcie długości fali ze względu na wrażliwość na odkształcenie. Jeśli zostanie to wykonane ostrożnie, może to być nieistotne; Dobrą praktyką jest jednak upewnienie się tego w miarę możliwości w badaniach kalibracyjnych in situ.

To zastosowanie FBG w cewkach uzwojonych jest stosunkowo nowe i otwiera szereg możliwości ulepszonego projektowania, wykorzystywania, monitorowania i diagnozowania stanu maszyn elektrycznych. Potrzebne są dalsze prace, aby obniżyć ich koszt i uczynić je wiarygodnie opłacalną opcją do zastosowania na dużą skalę w maszynach elektrycznych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Cletop-S	Fujikura	14110601	Komercyjny środek do czyszczenia złączy optycznych
Drut miedziany AWG24	RS	357-744	Komercyjny izolowany drut miedziany
Zasilacz prądu stałego	TTi	CPX400SP	Komercyjny zasilacz prądu stałego 420 W
Czujniki	FBG ATGratings	NA	Komercyjnie wyprodukowana matryca FBG zgodnie ze specyfikacją projektową
Rurki termokurczliwe	RS	700-4532	Rurka termokurczliwa Tuleja 3 mm Średnica x 10 m
Kaptonowa taśma maskująca	RS	436-2762	Pomarańczowa taśma maskująca Tesa 51408
Rurka PEEK	Polyflon	4901000060	Komercyjne rurki PEEK
SmartScan04 Smartfibres	UK	S-Scan-04-F-60-U-UK	Komercyjny system interrogatorów
Piekarnik termiczny	Lenton	WHT6/30	Komercyjna maszyna do nawijania piekarnika termicznego
	RS	244-2636	Komercyjna maszyna do nawijania