Summary
تقدم هذه الورقة بروتوكولًا يمكّن أجهزة اللف الكهربائية العشوائية ذات الألياف براج (FBG) من أجهزة الاستشعار الحرارية بغرض مراقبة حالة النقاط الساخنة الحرارية الداخلية.
Abstract
لفائف الجروح العشوائية هي عنصر تشغيلي رئيسي لمعظم الأجهزة الكهربائية في الأنظمة الصناعية الحديثة ، بما في ذلك الآلات الكهربائية ذات الجهد المنخفض. واحدة من الاختناقات الحالية الرئيسية في تحسين استغلال الأجهزة الكهربائية هو الحساسية العالية لمكونات الجروح الخاصة بهم للإجهاد الحراري أثناء الخدمة. تطبيق أساليب الاستشعار الحراري التقليدية (على سبيل المثال، الحرارية، وأجهزة الكشف عن درجة حرارة المقاومة) لرصد الحالة الحرارية للتيار يحمل لفائف الجروح العشوائية يمكن أن تفرض قيودا تشغيلية كبيرة بسبب حجم الاستشعار، EMI الحساسية ووجود مواد موصلة كهربائيا في بنائها. ويوجد قيد كبير آخر في تطبيقات الاستشعار الموزعة وينجم عن ما هو في كثير من الأحيان طول وحجم كبيران من خيوط أسلاك الاستشعار التقليدية.
هذه الورقة تقارير تصميم نظام استشعار الألياف البصرية FBG تهدف إلى تمكين في الوقت الحقيقي وزعت رصد حالة الحرارية الداخلية داخل لفائف الجروح العشوائية. يتم الإبلاغ عن إجراء أجهزة لفائف الجروح العشوائية مع نظام استشعار FBG في دراسة حالة على ممثل لفائف الجرح القياسية IEEE من تلك المستخدمة في الآلات الكهربائية. كما يعرض العمل المبلغ عنه ويناقش الجوانب العملية والتقنية الهامة لتنفيذ وتطبيق نظام استشعار FBG ، بما في ذلك تصميم هندسة مجموعة FBG ، واستشعار الرأس والألياف التعبئة والتغليف ، وتركيب مجموعة الاستشعار و إجراء المعايرة واستخدام نظام الاستجواب التجاري للحصول على القياسات الحرارية. وأخيراً، يتم إظهار أداء الرصد الحراري لنظام استشعار FBG متعدد المضاعف في الموقع في الظروف الحرارية الثابتة والديناميكية التمثيلية.
Introduction
لفائف الجروح العشوائية هي عنصر التصميم الرئيسي لمعظم الأجهزة الكهربائية في النظم الصناعية الحديثة وتستخدم عادة في الآلات الكهربائية ذات الجهد المنخفض. عائق رئيسي أمام تحسين استخدام لفائف الجروح في هذه التطبيقات هو حساسيتها للإجهاد الكهربائي الحراري أثناء الخدمة. الأحمال الحرارية ذات الصلة بشكل خاص في هذا الصدد لأن هذه يمكن أن تسبب انهيار نظام العزل لفائف العزل وفي نهاية المطاف فشلها الكلي1; هذا يمكن أن تنشأ بسبب المستويات الحالية لفائف المفرطة، أو أسباب أخرى مثل خلل كهربائي لفائف أو خلل في نظام التبريد، حيث يتم حث النقاط الساخنة المترجمة في هيكل لفائف مما يؤدي إلى انهيار العزل. تمكين المنطوق في الموقع توزيع الرصد الحراري للهيكل الداخلي لفائف في الخدمة يسمح لتطوير تحسين الاستخدام والظروف على أساس إجراءات الصيانة؛ فإنه يسمح لفهم متقدمة وتحديد حالة التشغيل لفائف 'وأي عملية تدهور، وبالتالي شرط الإجراءات التصحيحية القائمة للحفاظ على حالة التشغيل ومنع أو إبطاء المزيد من الضرر2،3.
وتهدف الطريقة المقدمة إلى تمكين الرصد في الموقع من بنية لفائف الكهربائية جزءا لا يتجزأ من الظروف الحرارية من خلال استخدام مرنة والكهرومغناطيسية التدخل المناعي (EMI) الألياف براغ المبشور أجهزة الاستشعار الحرارية البصرية. وتوفر هذه الطريقة عدداً من المزايا الوظيفية على تقنيات الرصد الحراري القائمة المستخدمة في اللفائف الكهربائية: فهذه المزايا تعتمد دائماً تقريباً على استخدام البُرَب الحرارية أو أجهزة الكشف عن درجة حرارة المقاومة (RTDs) التي لا تكون محصنة من EMI؛ وهي مصنوعة من مواد موصلة؛ وهي عموما ضخمة بشكل معقول وبالتالي لا تناسب بشكل مثالي لتطبيقات الاستشعار داخل هيكل لفائف كهربائية الجرح. يوفر استخدام أجهزة الاستشعار الحرارية FBG القوية والمرنة من الألياف البصرية عددًا من التحسينات الكبيرة في هذا الصدد ، ليس فقط بسبب مناعة جهاز الاستشعار EMI ولكن أيضًا حجمه الصغير وقدرته المتعددة الشينغ ومرونته ، مما يمكنهم من الدمج في بنية لفائف الجروح التعسفية ومطابقتها لتحقيق الاستشعار الحراري بدقة دقيقة في المواقع الهيكلية المطلوبة4. هذه الميزات جذابة بشكل خاص في تطبيقات الماكينة الكهربائية (EM) حيث يتم تحديد الحدود الحرارية للجهاز من خلال الظروف الحرارية للملف الكهربائي وهي ذات صلة خاصة في ضوء النمو الكبير المتوقع في استخدام EM مع انتشار النقل الكهربائي.
تقدم هذه الورقة منهجية وضع هيكل لفائف الجروح العشوائية النموذجية ذات الجهد المنخفض مع مستشعرات FBG الحرارية لتمكين المراقبة على الإنترنت للنقاط الساخنة الداخلية. تم الإبلاغ عن بروتوكول مفصل لاختيار جهاز استشعار FBG والتصميم والتعبئة والتغليف والأجهزة والمعايرة والاستخدام. يتم تقديم هذا على معيار IEEE نظام لفائف لفائف الجرح العشوائي. كما تشير الورقة إلى القياسات الحرارية التي تم الحصول عليها في الموقع في ظل حالة التشغيل الحرارية الثابتة وغير الموحدة للفائف الاختبار التي تم فحصها.
يتم تشكيل FBGs من خلال عملية "صريف" قلب الألياف البصرية لإنشاء بصمات طولية دورية (يشار إليها عادة باسم رؤساء الاستشعار في تطبيقات استشعار FBG)؛ عندما تتعرض الألياف التي تحتوي على FBGs للضوء فوق البنفسجي كل رئيس FBG القائمة سوف يسبب مؤشر الانكسار الخاص به أن تعدل دوريا5. سوف تتأثر الأطوال الموجية المنعكسة رأس الاستشعار بالظروف الحرارية والميكانيكية التي تتعرض لها الألياف ، وبالتالي تمكن من تطبيق الألياف المبشورة كمستشعر حراري أو ميكانيكي على افتراض التصميم والتطبيق المناسبين.
تكنولوجيا FBG جذابة بشكل خاص لتطبيقات الاستشعار الموزعة: فهي تسمح برش ألياف بصرية واحدة لتحتوي على رؤوس استشعار FBG متعددة ، حيث يتم ترميز كل رأس بطول موجي متميز براج ويعمل كنقطة استشعار متميزة. ويعرف هذا النوع من جهاز الاستشعار القائم على FBG كمستشعر صفيف FBG6 ويتضح مفهوم التشغيل في الشكل 1. يستخدم ضوء النطاق العريض لإثارة الصفيف مما يؤدي إلى أطوال موجية منعكسة متميزة من كل رأس FBG الواردة؛ هنا، يعكس كل رأس طول موجة محدد (أي الطول الموجي براج) الذي يطابق تصميمه الصريف ويعتمد أيضًا على الظروف الحرارية والميكانيكية السائدة في موقع الرأس (أي الاستشعار). هناك حاجة إلى جهاز محقق لتمكين إثارة ألياف الصفيف مع الضوء وفحص الأطياف المنعكسة للأطوال الموجية المتميزة براج التي تحتوي على معلومات عن الظروف الحرارية و/ أو الميكانيكية المترجمة.
ومن الجوانب الهامة بشكل خاص لتنفيذ أجهزة الاستشعار الحرارية FBG هو التخفيف من آثار الحساسية الحرارية والميكانيكية عبر للحصول على أقرب وقت ممكن إلى القراءات الحرارية حصرا7. تتطلب الميزة المتأصلة في FBG للحساسية الحرارية الميكانيكية المتقاطعة تصميمًا دقيقًا لمستشعرات FBG التي تهدف إلى تطبيقات الاستشعار الحرارية فقط أو الميكانيكية فقط. عندما يتعلق الأمر الاستشعار الحراري طريقة فعالة للتخفيف FBG حساسية الإثارة الميكانيكية هو عزل رئيس الاستشعار مع التعبئة والتغليف الشعيرات الشعيرات المصنوعة من مواد مناسبة لتطبيق معين؛ في تطبيق الاستشعار الحراري جزءا لا يتجزأ من لفائف درست في هذا العمل هذا ليس فقط يقلل من مشاكل الحساسية المتقاطعة ولكن أيضا يعمل على حماية بنية الألياف الاستشعار الهشة من الجانب السفلي والإجهاد الميكانيكي المدمر المحتمل8.
يوضح الشكل 2A عينة اختبار اللفائف الكهربائية للجرح العشوائي المستخدمة كمركبة عرض في هذه الورقة. تم تصميم لفائف وفقا لمعايير IEEE9 لإجراءات التقييم الحراري لنظام العزل لفائف الجروح العشوائية؛ ومن المعروف أن نظام الاختبار الناتج المبين في الشكل 2B هو نظام المحرك وهو ممثل لنظام اللف والعزل الخاص به في آلة كهربائية ذات جهد منخفض. في دراسة الحالة المقدمة ، سيتم توصيل المحرك بمستشعر حراري صفيف FBG يتكون من أربع نقاط استشعار حرارية ، لمحاكاة النقاط الساخنة النموذجية للاستشعار الحراري ذات الاهتمام في تطبيقات الماكينة العملية التي تميل إلى أن تكون مترجمة في لف نهاية الملف وأقسام الفتحة. للمعايرة وتقييم الأداء، سيكون المحرك المضمن FBG متحمسًا حراريًا باستخدام غرفة حرارية تجارية وإمدادات طاقة DC.
Protocol
1. الألياف البصرية تصميم أجهزة الاستشعار الحرارية
- أولا تحديد تصميم أجهزة الاستشعار والمواصفات على أساس هيكل لفائف الهدف وميزات نظام الاستجواب. يحتوي لفائف الاختبار المستخدمة في هذا العمل على هندسة بيضاوية نموذجية للفائف الماكينة الكهربائية (كما هو موضح في الشكل 1A. قبل تحديد مواقع الاستشعار الفردية، اتخاذ قرارات التصميم لضمان أن ألياف الاستشعار البصري لا تزال تعمل في البيئة الميكانيكية والحرارية نموذجية من تطبيق لفائف الجرح جزءا لا يتجزأ.
- استخدام معيار الانحناء غير حساسة البولي يلمع الألياف وضع واحد التي من المعروف عموما أن تكون قادرة على العمل في درجات حرارة تصل إلى ما يقرب من 300 درجة مئوية؛ وبالتالي فإن هذه الألياف مناسبة للتطبيق في لفائف الجروح المستخدمة في الآلات الكهربائية التقليدية.
ملاحظة: تضمن الألياف البصرية المختارة وظيفة المستشعر في البيئة الحرارية للفائف الجروح العشوائية النموذجية التي تعمل في الآلات الكهربائية مثل المستخدمة في هذا العمل (الفئة F وH مع درجة حرارة 155 و 180 درجة مئوية10، على التوالي. ويفضل الألياف غير الحساسة الانحناء لهذا التطبيق لأنه مصمم للسماح نصف قطرها الانحناء الصغيرة ويكون أقل فقدان الانحناء. وهذا يتيح للاستشعار أن تكون مطابقة بشكل فعال لهيكل لفائف المطلوب وموقع الاستشعار (المواقع) مع الحد الأدنى من التأثير الضار على وظيفة الاستشعار. - تعيين طول الألياف إلى 1.5 م.
ملاحظة: يتم تعيين طول الألياف وفقا لهندسة لفائف الجرح الهدف لتكون الأجهزة والمسافة المطلوبة إلى وحدة الاستجواب. طول لفائف الاختبار المحيطية (هو مبين في الشكل 1A)هو 0.3 متر وطول الألياف المختارة للمحقق من لفائف هو 1.2 متر إعطاء طول إجمالي من 1.5 متر – وهذا يسمح لطول الألياف كافية لتكون حلقة داخل لفائف اختبار لضمان مواقع الاستشعار المطلوب ة يتم تحديدها بشكل مناسب وهناك مسافة مناسبة بين لفائف الاختبار والمحقق: الشكل 3A يوضح نهج تصميم الطول العام.
ملاحظة: يمكن أن تقع FBSs على بعد عدة كيلومترات من وحدة الاستجواب. وذلك لأن الألياف البصرية هي الناقل واحد كفاءة. - تصميم مجموعة FBG تتكون من أربعة رؤساء FBG (5 ملم) لتمكين الاستشعار الموزعة داخل هيكل لفائف بحيث يتم وضع موقعين الاستشعار في الجانبين لفائف واثنين في نهايات لفائف.
ملاحظة: يتم تحديد مواقع الاستشعار الحراري على أساس معايير الرصد الحراري ذات الصلة للآلات الكهربائية (أي 2 FBGS لأقسام الفتحات و 2 لأقسام اللف النهائي)10. يمكن لتصميم المحقق التجاري المستخدم في هذا العمل تمكين الاستجواب المتزامن لـ ما يصل إلى 16 نقطة استشعار FBG أسفل ألياف بصرية واحدة. - استخدام طول رأس استشعار FBG من 5 ملم؛ ويعتبر هذا كافيا لتمكين رصد بقعة ساخنة موضعية في الحالية تحمل لفائف الجرح العشوائي.
ملاحظة: يمكن أيضاً استخدام القيم التجارية البديلة لطول رأس FBG (3 مم أو 5 مم أو 10 مم) في حالة الحاجة إلى بُعد نقطة استشعار مختلف من خلال تطبيق الاستشعار. - حدد رؤوس FBG الفردية لتكون مبشورة بأطوال موجية مختلفة متباعدة في عرض نطاق ترددي من 1529-60 نانومتر لتتناسب مع تصنيف المحقق التجاري المستخدم؛ وهذا يضمن الوقاية من تدخل الأطوال الموجية المتغيرة FBG.
ملاحظة: يرأس FBG الطول الموجي، وعرض النطاق الترددي لإزاحة الطول الموجي المتوقع، واختلاف درجة حرارة التطبيق يجب أن يكون ضمن عرض النطاق الترددي الخفيف لوحدة الاستجواب ذات النطاق العريض لضمان أن نظام الاستشعار يمكن أن يعمل بشكل صحيح. - استخدام FC / APC نوع موصل التحقيق الألياف، والتي تتفق مع وحدة المحقق.
ملاحظة: FC/APC هو الخيار المفضل بشكل عام لاستشعار FBG بسبب الخسائر في العائد المنخفض. - توفير تصميم ومواصفات جهاز الاستشعار إلى الشركة المصنعة FBG التجارية - الشكل 3B يظهر رسم نهائي لتصميم مجموعة FBG المستخدمة في هذا العمل.
2- نظام الاستجواب وتكوين أجهزة الاستشعار
- فحص وتكوين تصميم وتصنيع أجهزة الاستشعار مجموعة FBG للعمل مع نظام الاستجواب التجاري.
- قم بإزالة الغطاء الواقي من قاعدة موصل FC/APC.
- قم بتنظيف الوجه النهائي للموصل عن طريق مسحه بلطف باستخدام منظف موصل بصري.
ملاحظة: يوصى بشدة بتنفيذ هذه الخطوة في كل مرة يتم فيها توصيل المستشعر بالمحقق. واستخدمت في هذا العمل منظف بصري من السلسلة التجارية من طراز Cletop-s. - المكونات في موصل التحقيق FBG تنظيفها إلى موصل قناة المحقق.
ملاحظة: تأكد من محاذاة طريق المفتاح بشكل صحيح عند تزاوج الموصلات. - قم بتشغيل المحقق.
ملاحظة: يتم توصيل المحقق إلى جهاز الكمبيوتر عبر موصل RJ45 وكابل إنترنت. - تشغيل برنامج التكوين.
ملاحظة: برنامج المحقق هو حزمة برامج قائمة على LabVIEW خاصة مقدمة من الشركة المصنعة للمحقق مصممة لتمكين تشغيل وحدة أجهزة المحقق. - في علامة التبويب إعداد الصك لاحظ طيف الطول الموجي المنعكس من مسبار صفيف FBG (لتصميم صفيف FBG المستخدم في هذا العمل يجب ملاحظة أربع قمم في طيف القنوات ذات الصلة).
ملاحظة: تعتمد شدة الضوء المنعكس ة على خصائص FBG (يتم قبول أكثر من 50٪). - تعيين تردد أخذ العينات إلى 10 هرتز. هذا يحدد مباشرة عدد قراءات درجة الحرارة المقدمة في فترة 1 ق معينة.
ملاحظة: يمكن لنظام الاستجواب المستخدم أن يعمل بترددات أخذ العينات حتى 2.5 كيلو هرتز؛ ومع ذلك ، بالنسبة للديناميات الحرارية لللفائف المحمولة الحالية التي يتم رصدها في هذا العمل ، يعتبر 10 هرتز معدل استحواذ كافٍ. - في إعداد القياسات، قم بتسمية رؤوس FBG باسم FBG1 و FBG2 و FBG3 و FBG4. اختر الطول الموجي كنوع من الكمية التي سيتم تقديمها بيانيًا في هذه المرحلة. تم تكوين صفيف FBG وجاهز لخطوة المعايرة.
3. إعداد التعبئة والتغليف
- قم بحزم المناطق التي يتم فيها طباعة رؤوس FBG بشكل مناسب (أي المبشور) في ألياف الصفيف لضمان عزل الرأس عن الإثارة الميكانيكية وبالتالي ينتج مستشعرًا سريعًا للإثارة الحراري حصريًا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بنية الألياف هشة وليس من المرغوب فيه أن تكون جزءا لا يتجزأ مباشرة من موصلات الملف: فهو يتطلب حماية ميكانيكية كافية للحفاظ على النزاهة. في هذا العمل ، يتم حزم منطقة الاستشعار التي تحتوي على رؤساء FBG الأربعة المضمنة في بنية الملف مع البوليميثاتيركيتون (PEEK) وبقية الألياف محمية بواسطة تفلون - وهذا موضح في الشكل 3C.
- تصميم التعبئة والتغليف في شكل أنبوب الشعيرات الدموية جولة ضيقة بحيث يمكن توجيه الألياف الاستشعار من خلال وبالتالي حمايتها من قبل الشعيرات الدموية.
ملاحظة: الأبعاد الشعرية والخصائص الحرارية مهمة بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بتغليف المنطقة التي تحتوي على رؤوس استشعار FBG. من المستحسن بشكل عام ضمان سمك جدار ضيق نسبيًا واستخدام مواد غير موصلة كهربائيًا ولكنها توفر درجة معقولة من الموصلية الحرارية. وكان القطر الخارجي للشعيرات الدموية PEEK المستخدمة في هذا العمل 0.8 ملم وسمك جدارها هو 0.1 ملم. - إعداد الشعيرات الدموية PEEK عن طريق خفض طول كاف من أنابيب PEEK التجارية (طول هيكل لفائف الهدف مع بضعة سنتيمترات إضافية للسماح لإدراج الألياف وتفلون لإعداد مشترك PEEK الشعرية).
ملاحظة: يتطلب الأجهزة في الموقع من صفيف FBG تركيب التعبئة والتغليف أولاً الذي يتم إدراجه بعد ذلك مع ألياف الاستشعار. يجب توخي الحذر لضمان فتحات نهاية الشعيرات الدموية على نحو سلس وتنظيفها. - خذ قياسات دقيقة لمجموعة FBG وشعيرات PEEK لتحديد مواقع الاستشعار بدقة على السطح الخارجي لشعيرات PEEK الشعرية. وهذا يتيح تحديد المواقع من رؤساء الاستشعار FBG في المواقع المستهدفة داخل لفائف اختبار المحرك.
- إعداد الشعيرات الدموية تفلون عن طريق قطع طول كاف من أنابيب تفلون التجارية لضمان أن قسم الألياف خارج هندسة لفائف الاختبار محمي والواردة.
ملاحظة: تحتاج مواد التعبئة والتغليف الخارجية لقسم الصفيف غير الاستشعاري إلى صلابة كافية لتوفير حماية ميكانيكية كافية ولكنها أيضاً مرنة للسماح بالاتصال العملي بالمحقق؛ ومن المستحسن أيضا لهذه المواد لتكون محصنة EMI في هذا التطبيق. تم العثور على تفلون لتوفير أداء مرض في هذه الدراسة ولكن يمكن تطبيق مواد بديلة. - إعداد طول أنبوب يتقلص المناسبة لجعل مشتركة بين PEEK والشعيرات الدموية تفلون.
4. المعايرة الحرارية الحرة
- معايرة مُسَح صفيف FBG المعبأ عن طريق إدخاله في الغرفة الحرارية لاستخراج درجة حرارته المنفصلة مقابل نقاط الطول الموجي.
ملاحظة: يفضل أن تكون منطقة الاستشعار على شكل مطابقة لبنية اللفافة المستهدفة لتوفير معايرة تحت مستويات إجهاد مماثلة لتلك التي تكون فيها الحزمة مضمنة في لفائف الاختبار. - قم بتوصيل الألياف البصرية المبشورة بالمحقق وقم بتشغيل روتين برنامج المحقق الذي تم تكوينه مسبقًا.
- تعيين الفرن الغرفة الحرارية للعمل في سلسلة من نقاط الحالة الحرارية الثابتة – هذه هي في مجموعة من المحيطة إلى 170 درجة مئوية وعلى خطوات من كل 10 درجات في هذا العمل. إنشاء جدول من الأطوال الموجية المنعكسة المقاسة لكل FBG الفردية في الصفيف لكل درجة حرارة ثابتة تحاكي في الغرفة.
ملاحظة: يجب السماح بوقت كافٍ أثناء اختبارات المعايرة للتوازن الحراري التي سيتم الوصول إليها في كل نقطة حرارية ثابتة يتم فحصها. - استخدم الطول الموجي المتحول المسجل مقابل قياسات درجة الحرارة في خطوات 10 درجات مئوية لتحديد منحنيات الإزاحة المثلى لموجة الحرارة ومعاملاتها لكل عامل FBG. ويبين الشكل 4 والجدول 1 قياسات بيانات المعايرة المسجلة ومنحنى الملاءمة المحسوب، على التوالي.
ملاحظة: يتم تحليل العلاقة بين تحول الطول الموجي واختلاف درجة حرارة رؤساء FBG في الصفيف بواسطة الانحدار التربيعي متعدد الحدود في هذا العمل حيث تم العثور على هذا لتقديم التوصيف الأمثل. من هذا التحليل يتم حساب معامل منحنى منحنى منحنى الانحدار التربيعي متعدد الحدود11. - إدخال المعاملات المحسوبة في الإعداد ذي الصلة من برنامج المحقق لتمكين قياسات درجة الحرارة على الخط من صفيف FBG.
5. اختبار بناء لفائف وأجهزة FBG
- أول بناء والصك لفائف الجرح عشوائي ة motorette.
- تصميم بوببين متعرج ة لتناسب على جهاز اللفاف.
ملاحظة: تم تصميم هندسة bobbin لتتناسب مع هندسة الدورة المطلوبة للملف وضمان أبعاد لفائف الجرح المطلوبة. تم تصميم bobbin ليتم تفكيكها بسهولة وذلك لتسهيل الإزالة المباشرة للملف الجرح دون الإضرار العزل. - ضع بكرة الأسلاك النحاسية المحددة المطلية بالمينا في جهاز اللفاف واسحب السلك النحاسي من خلال بكرات اللفاف ووحدة تحكم التوتر.
ملاحظة: يتم استخدام الأسلاك النحاسية المطلية من الفئة F في هذا العمل. - تعيين جهاز اللفاف بدوره عداد رقم إلى الصفر.
- تعيين اللفاف للعمل بسرعة منخفضة والسيطرة على التوتر الأسلاك المطلوبة.
- الرياح نصف لفائف يتحول.
- تناسب الشعيرات الدموية PEEK أعدت في وسط لفائف باستخدام شريط كابتون.
ملاحظة: يجب توخي الحذر لضمان وضع الفهارس الموجودة على الشعيرات الدموية PEEK في الأماكن المستهدفة. - الرياح بقية لفائف يتحول.
- إزالة bobbin من آلة اللفاف وتفكيك لتحرير لفائف الجرح جزءا لا يتجزأ مع الشعيرات الدموية PEEK.
- ضع اللولب في إطار المحرك.
ملاحظة: يجب تثبيت نظام عزل لفائف المحرك (عزل الفتحة وأسافين الفتحة) بشكل مناسب مع الملف. - إعداد محطات لفائف وربطها إلى محطات السيارات.
- الورنيش المحرك باستخدام الورنيش المتعرجة ووضعها في فرن في درجة حرارة مناسبة (150 درجة مئوية) لعلاج.
- تصميم بوببين متعرج ة لتناسب على جهاز اللفاف.
- أجهزة صفيف FBG:
- أولاً قم بتوصيل صفيف FBG بالمحقق. إطلاق برنامج المحقق لمراقبة الطول الموجي المنعكس FBG أثناء التثبيت.
- سحب الألياف من خلال أنبوب تقلص المعدة.
- أدخل بعناية الألياف (منطقة الاستشعار) في الشعيرات الدموية PEEK حتى فتحات نهاية الشعيرات الدموية تفلون وPEEK على اتصال.
- نقل أنبوب يتقلص لتغطية ينتهي الشعيرات الدموية وتسخين بشكل مناسب حتى يتم تحقيق تناسب المطلوب.
6 - المعايرة والتقييم في الموقع
- التحقق من صحة المعايرة الحرارية التي تم الحصول عليها في الخطوة 4 بعد التضمين وتصحيحها إذا لزم الأمر. يتيح الاختبار أيضًا تقييم أداء صفيف FBG في حالة حرارية ثابتة يتم التحكم فيها.
- ضع المحرك المضمن مع مجموعة FBG الحرارية في الفرن الحراري.
ملاحظة: يمكن استخدام المستشعر الحراري التقليدي لأغراض مقارنة الأداء. هنا يتم استخدام الأزواج الحرارية المثبتة على سطح لفائف المحرك. - كرر الخطوتين 4.3 و 4.4.
- كرر الخطوة 4.5 بما في ذلك درجة الحرارة التي تقاس برؤوس FBG استنادًا إلى الملاءمة المعايرة في الخطوة 4.
- تقييم ومقارنة قياسات درجة حرارة صفيف FBG مع درجة الحرارة المرجعية. إذا كان خطأ القياس مرتفعًا، يمكن استخدام القياس المسجل في الخطوة 6.4 لتحديث المعايرة.
- أخرج المحرك من الفرن الحراري. انها جاهزة للاختبار.
7- الاختبار
- إجراء اختبار حالة حرارية ثابتة.
- قم بتوصيل المحرك بمصدر طاقة DC.
- ربط صفيف FBG بالمحقق؛ رصد وتسجيل قياسات درجة الحرارة FBG لها.
- السيطرة على التيار الكهربائي العاصمة لحقن المحرك مع تيار العاصمة.
ملاحظة: يجب أن المستوى الحالي DC المختار ضمان أن T-الارتفاع في الساخن الحرارية الداخلية لفائف أقل من درجة حرارة العزل المسموح بها; وهذا يسمح للاختبار غير المدمرة على لفائف النموذج الأولي. - توقف عن تسجيل القياسات عند الوصول إلى التوازن الحراري لفائف المحرك.
- إجراء اختبار حالة حرارية غير موحدة.
- الرياح لفائف الخارجية التي تحتوي على 20 يتحول حول قسم لفائف اختبار مختارة.
- قم بتوصيل اللفائف الخارجية بمصدر طاقة DC منفصل.
- تنشيط المحرك مع التيار DC تطبيقها في 7.1.3.
- ابدأ بتسجيل القياسات الحرارية بمجرد الوصول إلى التوازن الحراري.
- تنشيط لفائف خارجية مع تيار العاصمة لتوفير الظروف الحرارية غير موحدة من خلال تقديم الإثارة الحرارية المترجمة على لفائف الاختبار.
- توقف عن تسجيل القياسات بمجرد الوصول إلى التوازن الحراري.
Representative Results
ويعرض الشكل 5 درجات الحرارة التي تقاس بواسطة مستشعر الصفيف في الاختبار الحراري الساكن. ويلاحظ أن قراءات درجة الحرارة الداخلية الأربع، التي اتخذتها رؤوس مجموعة من الـ FBG في مواقع اللفائف المقابلة، متشابهة إلى حد كبير كما هو متوقع عموماً في ظروف الاختبار التي تم فحصها؛ هناك اختلاف طفيف بين القياس الفردي المبلغ عنه أقل من 1.5 درجة مئوية بين متوسط درجات الحرارة الساخنة الملاحظة من 75.5 درجة مئوية.
ويفيد الشكل 6 بقياسات استشعار الصفيف التي تم الحصول عليها في اختبار الحالة الحرارية غير الموحدة. وتظهر هذه أولاً للفترة التي لا يوجد فيها إثارة في الملف الخارجي (أول 75 s) تشير إلى مستويات حرارية موحدة ومقاسة بشكل وثيق، كما هو متوقع. ثم يتم تحمس اللفائف الخارجية مما يؤدي إلى إثارة حرارية مترجمة إضافية: وهذا يؤدي إلى تغيير واضح في القياسات الملاحظة ، مع نقطة الاستشعار في أقرب مكان إلى اللولب الخارجي (أي FBG4) الذي يقيس أعلى مستوى حراري (128.6 درجة مئوية) وأبعد ما يكون عن أدنى (117.6 درجة مئوية) ؛ أجهزة استشعار درجة الحرارة FBG الموجودة بين هذه التقارير مستويات درجة الحرارة المتوسطة ومتشابهة بشكل وثيق (122.7 و121.6 درجة مئوية). القراءات الملاحظة تتعلق بوضوح بتوزيع رأس الاستشعار الفردي في هندسة لفائف الاختبار التي تم فحصها. وعلاوة على ذلك، تبين النتائج بوضوح القدرة الوظيفية لمستشعر الصفيف المضمن في الملف لرصد وتحديد التوزيع الداخلي للنقاط الساخنة الحرارية الموزعة في لفائف الجروح العشوائية.
الشكل 1 - ما إذا كان من الـ 1 مفهوم تشغيل مستشعر صفيف FBG. وقد تم تعديل هذا الرقم من منشور سابق4. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2 - ما إذا كان من الـ 2 IEEE القياسية motorette لفائف الجمعية. (أ)لفائف كهربائية عشوائية الجرح؛ انظر معايير IEEE9. (B)تجميعها وملوّنة IEEE القياسية motorette. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3 - ما هي الـ 3- تصميم صفيف مستشعر حراري FBG. (A)FBG صفيف الألياف طول،(B)مواقع رئيس FBG في هيكل الصفيف،(C)تصميم التعبئة والتغليف مجموعة FBG. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4 - ما إذا كان من الأوفى أن جهاز استشعار مجموعة معبأة FBG رؤساء خصائص المعايرة. وتستمد الخصائص من البيانات التي تم الحصول عليها في اختبارات المعايرة الحرارية الحرة للصفيف. وقد تم تعديل هذا الرقم من منشور سابق4. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5 - ما إذا كان من الأوفى أن القياسات الحرارية صفيف FBG التي تم الحصول عليها في حالة ثابتة اختبار الحالة الحرارية. يتم عرض القياسات الحرارية للرأس الفردية التي تم الإبلاغ عنها بواسطة مستشعر صفيف FBG مع عرض قياس ثابت للحالة من التفاصيل. وقد تم تعديل هذا الرقم من منشور سابق4. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6 - ما إذا كان من الأوفى أن القياسات الحرارية في اختبار الحالة الحرارية غير الموحدة. وقد تم تعديل هذا الرقم من منشور سابق4. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| اعتراض | B1 | B2 | الاحصاءات | ||||
| قيمه | خطأ قياسي | قيمه | خطأ قياسي | قيمه | خطأ قياسي | Adj. R-سكوير | |
| 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 |
الجدول 1: معلمات منحنى منحنى الملاءمة المتعددة الحدود المحسوبة. المعلمات المحسوبة الخطأ القياسي ومعاملات تصحيح الرأس الفردية وشملت؛ لوحظ خطية جيدة ومعامل معامل coorection ما يزيد على 0.999 لرؤساء FBG الأربعة المختبرة. تم تعديل هذا الجدول من منشور سابق4.
Discussion
وقد أظهرت الورقة الإجراء المطلوب لتصميم ومعايرة واختبار في الموقع أجهزة الاستشعار الحرارية FBG في لفائف الجروح ذات الجهد المنخفض. توفر هذه المجسات عدداً من المزايا لتطبيقات الاستشعار في الموقع داخل هياكل لفائف الجروح الحاملة الحالية: فهي محصنة بالكامل من EMI، ومرنة ويمكن أن تتوافق مع الهندسة التعسفية المطلوبة لتقديم مواقع نقاط الاستشعار التعسفي المطلوبة مع دقة عالية، ويمكن أن توفر عددا كبيرا من نقاط الاستشعار على جهاز استشعار واحد. في حين يمكن تحقيق الاستشعار الحراري داخل لفائف الجروح مع تقنيات المراقبة الحرارية التقليدية التي تستخدم أجهزة الكشف عن درجة الحرارة أو المقاومة ، يظهر تطبيق FBGs لتوفير عدد من المزايا الوظيفية الجذابة.
التعبئة والتغليف المناسب لاستشعار صفيف FBG هو المفتاح لاستخدامها الفعال. من المهم أن يتم حزم رؤساء الاستشعار الفردية أو منطقة الاستشعار بأكملها من الألياف بشكل مناسب لضمان عزل رؤساء FBG من الإثارة الميكانيكية في الشعيرات الدموية موصل ة جامدة ومرنة وموصلة حراريا. من المستحسن أن يتم تصميم الشعيرات الدموية من المواد غير الموصلة كهربائيًا لأن هذا يضمن الأداء الأمثل في بيئة EMI الغنية المميزة للفائف الحمل الحالية.
يجب توخي الحذر أثناء عملية تركيب الشعيرات الدموية في اللفافة لوضع شرائح الحزمة بدقة في مواقع الاستشعار المقابلة لها. ومن الضروري أيضا لتحسين هندسة الشعيرات الدموية في حالة الظروف الحرارية عالية الديناميكية التي يتعين مراعاتها.
من الضروري ضمان التوصيف الدقيق للمستشعر المضمن في الملف. ويتم ذلك على أفضل وجه من خلال إجراء معايرة استشعار تعبئتها مجانا قبل تركيبه داخل هندسة لفائف الجرح. في حين يتم توفير درجة عالية من الحماية من الإثارة الميكانيكية من خلال التعبئة والتغليف في الموقع ، يمكن أن تؤدي عملية التثبيت إلى تحول الطول الموجي بسبب حساسية السلالة. إذا أجريت بعناية هذا يمكن أن يكون لا يكاد يذكر; ومع ذلك، فمن الممارسات الجيدة أن يتم التأكد من ذلك في اختبارات المعايرة في الموقع حيثما أمكن.
هذا التطبيق من FBGs داخل لفائف الجرح هو جديد نسبيا ويفتح عددا من الفرص لتحسين تصميم واستخدام ورصد والتشخيص الصحي للآلات الكهربائية. هناك حاجة إلى مزيد من العمل لخفض تكلفة هذه وجعلها خيارا قابلا للتطبيق مصداقية لتطبيق على نطاق واسع في الآلات الكهربائية.
Disclosures
وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.
Acknowledgments
وقد تم دعم هذا العمل من قبل مجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية في المملكة المتحدة (EPSRC) HOME-Offshore: التشغيل الشامل والصيانة للطاقة من اتحاد مزارع الرياح البحرية في إطار المنحة EP/P009743/1.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- 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).
- 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).
- Zhang, H. Online thermal monitoring models for induction machines. IEEE Transactions on Energy Conversion. 30 (4), 1279-1287 (2015).
- 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). , Bar, Montenegro. 1-4 (2017).
- Rao, Y. J.
- 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).
- Lu, P., Men, L., Chen, Q. Resolving cross sensitivity of fiber Bragg gratings with different polymeric coatings. Applied Physics Letters. 92 (17), 171112 (2008).
- 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).
- IEEE. IEEE standard test procedure for thermal evaluation of systems of insulating materials for random-wound AC electric machinery. IEEE Std 117-2015. , Revision of IEEE Std 117-1974 1-34 (2016).
- IEC. Rotating electrical machines - Part 1: Rating and performance. IEC. , IEC 60034-1 (2010).
- 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). , Lausanne. 2266-2272 (2016).
