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

Monitorowanie gorących punktów termicznych w cewkach elektrycznych ma kluczowe znaczenie w obszarze przewodzenia mocy, ponieważ umożliwia znacznie lepsze zrozumienie stanu urządzenia, pozostałej żywotności i bliskości granic projektowych. Technika silnikowa umożliwia monitorowanie termicznych gorących punktów w zwijanej strukturze elektrycznej w oparciu o zastosowanie multipleksowanej odporności elektromagnetycznej i zasilania za pomocą czujników światłowodowych. Zaawansowana wydajność wykrywania FPG opisana w tym filmie jest wyjątkowa i nie może przypominać zastosowania konwencjonalnych czujników, takich jak aktywne pary termiczne, ani zastosowania technik szacowania temperatury opartych na rezystancji.

Czujniki FBG z natury reagują na wzbudzenie termiczne i mechaniczne oraz są delikatne. W związku z tym ich zastosowanie do ścisłego wykrywania termicznego za pomocą struktur cewki elektrycznej wymaga specjalnej procedury, która została wyjaśniona w tym protokole. Najpierw zidentyfikuj konstrukcję i specyfikacje czujnika w oparciu o strukturę cewki docelowej i cechy systemu przesłuchań.

Pokazana tutaj cewka testowa to standardowa cewka IEEE klasy H, typowa dla cewek maszyn elektrycznych. Podczas projektowania ekranu czujnikowego należy upewnić się, że światłowód czujnika pozostaje aktywny w środowiskach termicznych i mechanicznych typowych dla zastosowań wykrywania cewek nawiniętych. Zastosowanie standardowego, niewrażliwego na zginanie poliamidu jednomodowego zapewnia, że czujnik jest w stanie pracować w temperaturach przekraczających 200 stopni Celsjusza i że ma właściwości mechaniczne, które pozwalają na jego gięcie w celu dostosowania do pożądanej geometrii cewki.

W tym zastosowaniu cztery punkty detekcji termicznej mają być zainstalowane w czterech środkowych lokalizacjach przekroju cewki testowej. Poszczególne lokalizacje czujników są identyfikowane na podstawie ich utajonych standardów monitorowania termicznego dla maszyn elektrycznych. Odległość między głowicami czujnikowymi zależy od geometrii cewki i wybranych lokalizacji czujników.

Następnie określ poszczególne głowice FBG tak, aby miały długość pięciu milimetrów i były stopniowane różnymi długościami fal rozmieszczonymi w paśmie od 1529 do 1560 nanometrów, aby dopasować je do używanej komercyjnej oceny interrogatora i zapobiec zakłóceniom przesuniętych długości fal. Tutaj całkowita długość światłowodu jest określona na 1,5 metra. Początkowe 1,2 metra jest zapakowane w teflon i umożliwia podłączenie do zewnętrznego urządzenia interrogatora.

Dodatkowa długość 3 metrów zawiera cztery nieopakowane głowice czujnikowe. Na tym filmie pokazano określony czujnik matrycowy, który został wyprodukowany komercyjnie. Najpierw zdejmij nasadkę ochronną ze złącza FC/APC feral.

Następnie wyczyść powierzchnię czołową złącza, delikatnie przecierając ją środkiem do czyszczenia złączy optycznych. Następnie upewnij się, że rowek wpustowy jest prawidłowo wyrównany i podłącz oczyszczone złącze sondy FBG do złącza kanału interrogatora. Włącz interrogator i uruchom oprogramowanie konfiguracyjne.

Na karcie ustawień przyrządu obserwuj odbite widma długości fal z sondy matrycowej FBG. W powiązanym widmie kanału należy zaobserwować cztery szczyty. W oprogramowaniu ustaw częstotliwość próbkowania na 10 Hz i ustaw granice widma między FBG, aby zapobiec zakłóceniom pomiaru.

Następnie w ustawieniach pomiaru nazwij głowice FBG jako FBG-1, FBG-2, FBG-3 i FBG-4. Wybierz długości fal jako rodzaj wielkości, która ma być przedstawiona graficznie na tym etapie. Odpowiednio upakuj obszar wykrywania, w którym głowice FBG są odciśnięte we włóknie matrycy, za pomocą kapilary peek.

Ochroni to włókno szklane i zapewni, że głowica pomiarowa będzie odizolowana od wzbudzenia mechanicznego i zapewni czujnik reagujący wyłącznie na wzbudzenie termiczne. Przytnij odpowiednią długość komercyjnej rurki peek do długości docelowej struktury cewki z kilkoma dodatkowymi centymetrami, aby umożliwić wprowadzenie włókna i zakryć teflon, aby zajrzeć do złącza kapilarnego. Następnie wykonaj dokładne pomiary matrycy FBG i kapilary podglądu, aby dokładnie zidentyfikować lokalizacje wykrywania na zewnętrznej powierzchni kapilary podglądu.

Pozwala to na umieszczenie głowic czujnikowych FBG w docelowych lokalizacjach w cewce testowej silnika. Następnie przygotuj rurkę termokurczliwą o odpowiedniej wielkości do późniejszego użycia. Włóż obszar wykrywania światłowodów do kapilary peek i utrzymuj połączenie peek i teflon za pomocą taśmy kaptonowej.

Skalibruj czujnik matrycowy FBG, wkładając go do komory termicznej, aby wyodrębnić jego dyskretną temperaturę w zależności od długości fali. Obszar wykrywania matrycy FBG jest tworzony w oparciu o geometrię cewki. Następnie podłącz stopniowany światłowód do interrogatora i uruchom wstępnie skonfigurowaną procedurę oprogramowania interrogatora.

Uruchom piec w sekwencji punktów stanu ustalonego termicznie, utwórz tabelę ze zmierzonych długości fal odbiciowych każdego pojedynczego FBG w układzie. Dla każdej stałej temperatury naśladuj ją w komorze. Następnie użyj zarejestrowanych pomiarów przesuniętej długości fali w funkcji temperatury, aby określić optymalne krzywe dopasowania długości fali temperatury i ich współczynniki dla każdego FBG.

Wprowadź obliczone współczynniki w odpowiednich ustawieniach oprogramowania interrogatora, aby umożliwić pomiary temperatury online z macierzy FBG. Najpierw zbuduj i oprzyrząduj cewkę z losowo uzwojoną cewką motoryzacji. Aby to osiągnąć, należy ustawić wybraną szpulę z emaliowanego drutu miedzianego klasy H w urządzeniu nawijarki i nawinąć połowę zwoju cewki z małą prędkością.

Następnie zamontuj przygotowaną kapilarnę peek na środku cewki za pomocą taśmy kaptonowej. Po prawidłowym ustawieniu nawiń resztę zwojów cewki. Umieść gotową cewkę w ramie silnika.

Następnie zwiąż cewkę i uzwojenia motoretki. Gdy matryca FBG jest podłączona do interrogatora, ostrożnie włóż włókno obszaru wykrywania do kapilary peek, aż końcowe otwory kapilar teflonu i peek zetkną się ze sobą. Przesuń rurkę termokurczliwą, aby zakryć końce kapilary i odpowiednio ją kieruj, aż do uzyskania pożądanego dopasowania.

Aby rozpocząć test statyczny, podłącz motomedkę do źródła zasilania prądem stałym i podłącz zasilacz prądu stałego, aby wstrzyknąć do motoryzacji prąd stały. Rejestruj pomiary aż do osiągnięcia równowagi termicznej cewki silnika. Następnie wykonaj test niejednorodnych warunków termicznych.

W tym teście najpierw nawiń zewnętrzną cewkę zawierającą 20 zwojów wokół wybranej sekcji cewki testowej. Gdy cewka zewnętrzna jest podłączona do oddzielnego zasilacza prądu stałego, zasil motomedytkę tym samym prądem stałym, który jest używany w teście statycznym. Po osiągnięciu równowagi termicznej rozpocznij rejestrację pomiarów termicznych.

Na koniec zasil cewkę zewnętrzną prądem stałym, aby zapewnić niejednorodne warunki termiczne, dostarczając zlokalizowane wzbudzenie termiczne na cewce testowej. Zatrzymaj rejestrowanie pomiarów po osiągnięciu równowagi termicznej. Podczas tego reprezentatywnego statycznego testu termicznego cztery odczyty temperatury wewnętrznej zostały wykonane przez odpowiednie głowice FBG w odpowiednich lokalizacjach cewki.

Odczyty są bardzo podobne, z niewielkimi różnicami między zarejestrowanymi pojedynczymi pomiarami wynoszącymi mniej niż około 1,5 stopnia Celsjusza. Po wzbudzeniu zewnętrznej cewki 20-zwojowej, w celu emulacji niejednorodnego stanu cewki w strukturze cewki, zaobserwowano wyraźną zmianę w pomiarach termicznych z redystrybucją temperatury wewnętrznej cewki. Punkt detekcji i najbliższa odległość cewki zewnętrznej, FBG4, mierzyły najwyższy poziom termiczny, a najbardziej oddalony punkt detekcji, FBG 2, mierzył najniższy.

Obserwowane odczyty wyraźnie odnoszą się do zmian w rozkładzie poszczególnych głowic pomiarowych, badanej geometrii cewki testowej. Pokazuje to możliwości funkcjonalne czujnika matrycowego wbudowanego w cewkę w zakresie monitorowania i identyfikacji termicznych rozkładów gorących punktów w cewkach o losowym uzwojeniu. W tym filmie pokazaliśmy, w jaki sposób pojedynczy światłowód wykorzystujący technologię FBG może umożliwić rozproszone pomiary gorących punktów termicznych w strukturze cewki elektrycznej.

Osiągnięcie tego celu będzie niezwykle trudne przy użyciu konwencjonalnych czujników. Aby zapewnić dokładne pomiary, należy zwrócić szczególną uwagę na pakowanie, instalację i procedury kalibracji. Są one potrzebne do złagodzenia termicznej mechanicznej wrażliwości krzyżowej FBG, ochrony włókna i umożliwienia wykonywania wiarygodnych odczytów termicznych.

Przedstawiona technika stwarza nowe możliwości rozwoju dedykowanych aplikacji do monitorowania termicznego in situ w urządzeniach do konwersji energii, w których konwencjonalne czujniki są wyzwaniem.