Summary
이 백서는 내부 열 핫스팟의 분산 상태 모니터링을 목적으로 섬유 브래그 격자(FBG) 열 센서가 있는 임의 의상처 전기 코일을 계측할 수 있는 프로토콜을 제공합니다.
Abstract
랜덤 와인드 코일은 저전압 전기 기계를 포함한 현대 산업 시스템에서 대부분의 전기 장치의 핵심 작동 요소입니다. 전기 장치의 개선된 악용의 주요 현재 병목 현상 중 하나는 사용 중 열 응력에 대한 상처 부품의 높은 민감도입니다. 무작위 감장 코일을 운반하는 전류의 열 상태 모니터링을 위한 기존의 열 감지 방법(예: 열전대, 저항 온도 검출기)의 적용은 센서 크기, EMI로 인해 상당한 작동 제한을 부과할 수 있습니다. 감도 및 그들의 건설에 전기 전도성 재료의 존재. 분산 감지 어플리케이션에는 또 다른 상당한 한계가 있으며, 이는 종종 기존의 센서 배선 리드의 상당한 길이와 부피에 기인합니다.
이 백서는 무작위 감장 코일 내에서 실시간 분산 내부 열 상태 모니터링을 가능하게 하기 위한 광섬유 FBG 감지 시스템의 설계를 보고합니다. FBG 감지 시스템을 사용하여 임의의 상처 코일 계측의 절차는 전기 기계에 사용되는 것을 대표하는 IEEE 표준 상처 코일에 대한 사례 연구에서 보고됩니다. 보고된 작업은 또한 FBG 어레이 지오메트리 설계, 감지 헤드 및 섬유 패키징, 센서 어레이 설치 및 열 측정을 얻기 위한 상용 심문 시스템의 사용. 마지막으로, 내부 멀티플렉스 FBG 감지 시스템 열 모니터링 성능은 대표적인 정적 및 동적 열 조건에서 입증됩니다.
Introduction
랜덤 와인드 코일은 현대 산업 시스템에서 대부분의 전기 장치의 핵심 설계 요소이며 일반적으로 저전압 전기 기계에 사용됩니다. 이러한 응용 분야에서 상처 코일의 사용 개선에 대한 주요 장벽은 서비스 내 전기 열 응력에 대한 민감도입니다. 열 과부하는 이러한 절연 코일 절연 시스템 고장 및 궁극적으로 총 실패1을일으킬 수 있기 때문에이 점에서 특히 관련이있다; 이는 과도한 코일 전류 수준 또는 코일 전기 고장 또는 냉각 시스템 오작동과 같은 다른 원인으로 인해 발생할 수 있으며, 코일 구조에서 지역화된 핫스팟이 절연 고장으로 이어지면서 발생할 수 있습니다. 서비스 내 코일의 내부 구조에 대한 분산 열 모니터링을 통해 가동률 향상 및 상태 기반 유지 관리 루틴을 개발할 수 있습니다. 코일의 작동 상태 및 분해 공정을 고급적으로 이해하고 식별할 수 있으며, 따라서 작동 상태를 유지하고 추가 손상을 방지 또는 느리게 하기 위한 조건 기반 시정 조치2,3.
제시된 방법은 유연하고 전자기 간섭 면역 (EMI) 섬유 브래그 강판 광학 열 센서의 사용을 통해 내장 된 열 조건의 전기 코일 구조의 현장에서 모니터링을 가능하게하기위한 것입니다. 이 방법은 전기 코일에 사용되는 기존 열 모니터링 기술에 비해 여러 가지 기능적 이점을 제공합니다: 이들은 거의 변함없이 EMI 면역이 아닌 열전대 (TC) 또는 저항 온도 검출기 (RTDs)의 사용에 의존; 그들은 전도성 재료로 만들어집니다. 그리고 그들은 일반적으로 합리적으로 부피가 큰 따라서 이상적으로 상처 전기 코일의 구조 내에서 응용 프로그램을 감지에 적합하지 않습니다. 견고하고 유연한 광섬유 FBG 열 센서의 사용은 센서 EMI 내성뿐만 아니라 작은 크기, 멀티플렉싱 능력 및 유연성으로 인해 원하는 구조 위치에서 정밀한 정확도로 열 감지를 달성하기 위해 임의의 상처 코일 아키텍처에 내장하고 준수 할 수있는 유연성으로 인해 이러한 측면에서 상당한 개선을 제공합니다4. 이러한 기능은 전기 코일 열 조건에 의해 장치 열 제한이 정의되고 전기 운송의 확산과 함께 EM 사용이 크게 증가할 것으로 예상되는 상황에서 특히 관련이 있는 전기 기계(EM) 응용 분야에서 특히 유용합니다.
이 백서는 내부 핫스팟의 온라인 모니터링을 가능하게 하는 열 FBG 센서를 사용하여 일반적인 저전압 랜덤 와인드 코일 구조를 계측하는 방법을 제시합니다. FBG 센서 선택, 설계, 패키징, 계측, 교정 및 사용에 대한 자세한 프로토콜이 보고됩니다. 이것은 IEEE 표준 랜덤 상처 코일 모터렛 시스템에 제시된다. 또한 이 백서는 검사된 테스트 코일의 정적 및 불균일한 열 작동 조건 하에서 상태 열 측정에서 얻은 것을 보고합니다.
FBG는 주기적인 세로 각인을 만들기 위해 광섬유 코어를 '격자'하는 과정에 의해 형성됩니다(일반적으로 FBG 감지 응용 분야에서 감지 헤드라고 함);; FBG를 함유하는 섬유가 자외선에 노출되면 기존의 FBG 헤드마다 굴절률이 주기적으로변조되는5. 감지 헤드 반사 파장은 섬유가 노출되는 열 및 기계적 조건에 의해 영향을 받아 강판된 섬유를 적절한 설계 및 적용을 가정하여 열 또는 기계 센서로 적용할 수 있습니다.
FBG 기술은 분산 감지 애플리케이션에 특히 매력적입니다: 단일 광섬유를 여러 FBG 감지 헤드를 포함하도록 강판할 수 있으며, 각 헤드는 고유한 브래그 파장으로 코딩되고 뚜렷한 감지 지점역할을 합니다. 이러한 유형의 FBG 기반 감지 장치는 FBG 어레이 센서6으로 알려져 있으며 그 작동 개념은 그림 1에나와 있습니다. 광대역 광은 각 포함 FBG 헤드에서 뚜렷한 반사 파장의 결과로 배열을 흥분하는 데 사용됩니다; 여기서 각 헤드는 격자 설계와 일치하고 헤드(즉, 감지) 위치에서 일반적인 열 및 기계적 조건에 의존하는 정의된 파장(즉, 브래그 파장)을 반영합니다. 인터로게이터 장치는 현지화된 열 및/또는 기계적 조건에 대한 정보를 포함하는 뚜렷한 브래그 파장에 대한 빛과 반사된 스펙트럼의 검사와 어레이 섬유 여기를 가능하게 하는 데 필요합니다.
FBG 열 센서 구현의 특히 중요한 측면은 열 판독값7에최대한 가깝게 얻을 수 있도록 열 기계적 교차 감도 효과의 완화입니다. 열 기계 식 교차 감도의 FBG 고유의 기능은 열 전용 또는 기계적 감지 응용 프로그램을 대상으로 하는 FBG 센서의 신중한 설계가 필요합니다. 열 감지가 우려되는 경우 FBG 기계적 여기 감도완화의 효과적인 방법은 주어진 용도에 적합한 재료로 만들어진 포장 모세관으로 감지 헤드를 분리하는 것이다; 이 작업에서 검사된 코일 내장 열 감지 어플리케이션에서는 교차 감도 문제를 줄일 뿐만 아니라 취약한 감지 섬유 구조를 밑면및 잠재적으로 파괴적인 기계적 응력8로부터보호하는 역할을 합니다.
도 2A는 본 백서에서 데모 차량으로서 사용되는 임의의 상처 전기 코일 시험편을 나타낸다. 코일은 임의 상처 코일의 절연 시스템의 열 평가 절차를 위해 IEEE 표준9에 따라 설계되었습니다. 그림 2B에 표시된 결과 테스트 시스템은 모터렛 시스템으로 알려져 있으며 저전압 전기 기계의 권선 및 절연 시스템을 대표합니다. 제시된 사례 연구에서 모터렛은 4개의 열 감지 지점으로 구성된 FBG 어레이 열 센서로 계측되어 코일 엔드 와인딩 및 슬롯 섹션에 국한되는 경향이 있는 실용적인 기계 응용 분야에서 관심 있는 일반적인 열 감지 핫스팟을 에뮬레이트합니다. 교정 및 성능 평가를 위해 FBG 임베디드 모터렛은 상업용 열 챔버와 DC 전원 공급 장치를 사용하여 열적으로 흥분됩니다.
Protocol
1. 광섬유 열 센서 디자인
- 먼저 대상 코일 구조와 심문 시스템 특징을 기반으로 센서 설계 및 사양을 식별합니다. 이 작업에 사용되는 테스트 코일은 전기 기계 코일의 전형적인 타원형 형상을 가지고 있습니다 (그림 1A에도시 된 바와 같이) 개별 감지 위치를 결정하기 전에 광학 감지 섬유가 임베디드 상처 코일 응용 분야의 일반적인 기계적 및 열 환경에서 작동하도록 설계 결정을 내십시오.
- 일반적으로 약 300 °C의 온도에서 작동 할 수있는 것으로 알려져 표준 굴곡 에 민감한 폴리 이미드 코팅 단일 모드 섬유를 사용; 이 섬유는 따라서 기존의 전기 기계에 사용되는 상처 코일에 응용 프로그램에 적합합니다.
참고: 선택한 광섬유는 이 작업에 사용되는 전기 기계에서 작동하는 일반적인 무작위 감형 코일의 열 환경에서 센서 기능을 보장합니다(등급 F 및 H등급(정격 온도가 각각 155 및 180°C10). 굽힘 에 민감한 섬유는 작은 굽힘 반경을 허용하고 낮은 굽힘 손실을 갖도록 설계되었기 때문에이 응용 프로그램에 선호됩니다. 이를 통해 센서가 원하는 코일 구조와 감지 위치를 효과적으로 준수하고 감지 기능에 대한 해로운 영향을 최소화할 수 있습니다. - 섬유 길이를 1.5m로 설정합니다.
참고: 섬유 길이는 계측할 대상 상처 코일의 형상과 심문 부까지의 원하는 거리에 따라 설정됩니다. 시험 코일 둘레 길이(도 1A에나타남에 나타남)는 0.3미터이고 코일로부터 인터로게이터에게 선택된 섬유 길이는 1.2미터이며 총 길이는 1.5m이며, 이는 원하는 감지 위치가 적절히 확립되고 테스트 코일과 인터로 사이의 적절한 거리가 있는지 확인하기 위해 테스트 코일 내에서 반복될 수 있는 충분한 섬유 길이를 허용한다: 도 3A는 일반적인 설계를 예시한다.
참고 : FBGS는 심문 장치에서 몇 킬로미터 를 배치 할 수 있습니다. 광섬유가 효율적인 단일 캐리어이기 때문입니다. - 4개의 FBG 헤드(5mm)로 구성된 FBG 어레이를 설계하여 코일 구조 내에서 분산 감지를 가능하게 하여 두 개의 감지 위치가 코일 측에 배치되고 두 개의 감지 위치가 코일 끝에 있도록 합니다.
참고: 열 감지 위치는 전기 기계에 대한 관련 열 모니터링 표준(예: 슬롯 섹션용 FBGS 2개, 엔드 와인딩 섹션의 경우 2개)을 기준으로 식별됩니다10. 이 작업에 사용되는 상용 인터로게이터 설계는 단일 광섬유에서 최대 16개의 FBG 감지 지점을 동시에 심문할 수 있습니다. - 5mm의 FBG 감지 헤드 길이를 사용하십시오. 이것은 임의의 상처 코일을 운반하는 현재의 지역화 된 핫스팟 모니터링을 가능하게하기에 충분한 것으로 간주됩니다.
참고: 감지 어플리케이션에서 다른 감지 지점 치수가 필요한 경우 FBG 헤드 길이(3mm, 5mm 또는 10mm)의 대체 상용 값을 사용할 수도 있습니다. - 사용된 상용 인터로게이터 등급과 일치하도록 1529-60 nm의 대역폭으로 간격이 다른 파장으로 강판될 개별 FBG 헤드를 지정합니다. 이를 통해 FBG 이동 파장 간섭을 방지할 수 있습니다.
참고: FBG 헤드 파장, 예상 파장 시프트 대역폭 및 애플리케이션 온도 변화는 감지 시스템이 제대로 작동할 수 있도록 심문 유닛 광대역 광 대역폭 내에 있어야 합니다. - 인터로게이터 장치와 일치하는 FC/APC 파이버 프로브 커넥터 유형을 사용합니다.
참고: FC/APC는 일반적으로 낮은 수익 손실로 인해 FBG 감지에 선호되는 선택입니다. - 상업용 FBG 제조업체에 센서의 설계 및 사양제공-도 3B는 이 작업에 사용된 FBG 어레이 설계의 최종 스케치를 나타낸다.
2. 심문 시스템 및 센서 구성
- 상용 심문 시스템과 함께 작동하도록 설계 및 제조된 FBG 어레이 센서를 확인하고 구성합니다.
- FC/APC 커넥터 페룰에서 보호 캡을 분리합니다.
- 광학 커넥터 클리너로 부드럽게 닦아 커넥터 끝면을 청소합니다.
참고: 센서가 인터로게이터에 연결될 때마다 이 단계를 수행하는 것이 좋습니다. 이 작품에는 클탑의 상업용 시리즈 광학 클리너가 사용되었습니다. - 정리된 FBG 프로브 커넥터를 인터로게이터 채널 커넥터에 플러그인합니다.
참고: 커넥터를 결합할 때 키웨이가 올바르게 정렬되었는지 확인합니다. - 인터로게이터를 켭니다.
참고: 인터로게이터는 RJ45 커넥터와 인터넷 케이블을 통해 PC에 연결됩니다. - 구성 소프트웨어를 실행합니다.
참고: 인터로게이터 소프트웨어는 인터로게이터 하드웨어 장치 작동을 가능하게 하도록 설계된 인터로게이터 제조업체에서 제공하는 독점 LabVIEW 기반 소프트웨어 패키지입니다. - 계측기 설정 탭에서 FBG 어레이 프로브의 반사파장 스펙트럼을 관찰합니다(이 작업에 사용되는 FBG 어레이 설계의 경우 관련 채널 스펙트럼에서 4개의 피크를 관찰해야 합니다).
참고: 반사된 광도는 FBG 특성에 따라 달라집니다(50% 이상 허용됨). - 샘플링 주파수를 10Hz로 설정합니다. 이는 주어진 1s 기간에 제공된 온도 판독 횟수를 직접 결정합니다.
참고: 사용된 심문 시스템은 최대 2.5kHz의 샘플링 주파수에서 작동할 수 있습니다. 그러나, 이 작업에서 모니터링되는 전류 운반 코일의 열 역학의 경우 10 Hz는 충분한 획득 속도로 간주됩니다. - 측정 설정에서 FBG 헤드를 FBG1, FBG2, FBG3 및 FBG4로 지정합니다. 이 단계에서 그래픽으로 표시할 수량 유형으로 파장을 선택합니다. FBG 어레이는 캘리브레이션 단계에 맞게 구성되고 준비됩니다.
3. 포장 준비
- 어레이 섬유에 FBG 헤드가 각인된 영역(즉, 강판)을 적절히 패키징하여 기계적 여기로부터 헤드를 감지하고 독점적으로 열 여기 반응형 센서를 생성합니다. 또한, 섬유 구조는 깨지기 쉽고 코일 도체 내에 직접 내장하는 것은 바람직하지 않다: 무결성을 유지하기 위해 적절한 기계적 보호가 필요하다. 이 작업에서, 코일 구조 내에 내장된 4개의 FBG 헤드를 포함하는 감지 영역은 폴리에테르케톤(PEEK)으로 패키징되고 섬유의 나머지 는 테프론에 의해 보호된다 - 이것은 도 3C에도시되어 있다.
- 감지 섬유가 모세관에 의해 라우팅되어 보호될 수 있도록 좁은 원형 모세관 형태로 포장을 설계합니다.
참고: FBG 감지 헤드가 포함된 영역의 포장이 중요한 경우 모세관 치수와 열 특성이 특히 중요합니다. 일반적으로 상대적으로 좁은 벽 두께를 보장하고 전기전도성이 없지만 합리적인 수준의 열 전도성을 제공하는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이 작업에 사용되는 PEEK 모세관의 외경은 0.8 mm이고 벽 두께는 0.1 mm입니다. - 상업적인 PEEK 튜브의 적당한 길이를 절단하여 PEEK 모세관을 준비하십시오 (섬유 삽입및 테프론을 PEEK 모세관 조인트 제제에 허용하기 위해 몇 센티미터를 추가로 표적 코일 구조의 길이).
참고: FBG 어레이의 내부 계측기는 먼저 포장을 설치한 다음 감지 섬유로 삽입해야 합니다. 부드럽고 세척된 모세관 말단 개구부를 보장하기 위해 주의를 기울여야 합니다. - FBG 어레이와 PEEK 모세관을 주의 깊게 측정하여 PEEK 모세관의 외부 표면에서 감지 위치를 정확하게 식별합니다. 이를 통해 모터렛 테스트 코일 내의 대상 위치에 FBG 감지 헤드를 배치할 수 있습니다.
- 테스트 코일 지오메트리 외부의 섬유 섹션이 보호되고 포함되도록 상업용 테프론 튜브의 적절한 길이를 절단하여 테프론 모세관을 준비합니다.
참고 : 비 감지 어레이 섹션의 외부 포장 재료는 적절한 기계적 보호를 제공하기에 충분한 강성을 가질 뿐만 아니라 인터로게이터에 대한 실질적인 연결을 허용하도록 유연해야합니다. 또한 이 응용 분야에서 EMI 면역물질이 되는 것이 바람직하다. 테프론은 이 연구에서 만족스러운 성능을 제공하는 것으로 밝혀졌지만 대체 물질을 적용할 수 있다. - PEEK와 테프론 모세 혈관 사이의 조인트를 만들기 위해 적절한 수축 튜브 길이를 준비합니다.
4. 무료 열 보정
- 포장된 FBG 어레이 센서를 열 챔버에 삽입하여 이산 온도 대 파장 지점을 추출하여 보정합니다.
참고: 바람직하게는 감지 영역은 패키지가 테스트 코일 내에 포함될 때와 유사한 변형 수준에서 교정을 제공하기 위해 대상 코일 구조와 일치하도록 형성됩니다. - 강판에 간 광섬유를 인터로게이터에 연결하고 사전 구성된 인터로게이터 소프트웨어 루틴을 시작합니다.
- 열 체온 오븐을 열 정상 상태 점의 순서로 작동하도록 설정 - 이들은 170 ° C의 주변 범위와이 작업에서 매 10도의 단계에 있습니다. 챔버에 에뮬레이트된 모든 일정한 온도에 대해 어레이에서 각 개별 FBG의 측정된 반사 파장에서 테이블을 작성합니다.
참고: 검사된 모든 정상 상태 열 지점에서 열 평형을 검사하는 동안 충분한 시간을 허용해야 합니다. - 기록된 이동 파장 대 온도 측정을 10°C 단계로 사용하여 각 FBG에 대한 최적의 온도 파장 시프트 핏 곡선과 그 계수를 결정합니다. 도 4 및 표 1은 각각 기록된 교정 데이터 측정 및 계산된 맞춤 곡선을 나타낸다.
참고: 어레이의 파장 이동과 FBG 헤드의 온도 변화 사이의 관계는 최적의 특성화를 제공하는 것으로 밝혀졌기 때문에 이 작업에서 다항식 이차 회귀에 의해 분석됩니다. 이 분석으로부터 다항식 이차 회귀 적합 곡선 계수가계산됩니다 11. - FBG 어레이에서 온라인 온도 측정을 가능하게 하기 위해 인터로게이터 소프트웨어의 관련 설정에 계산된 계수를 입력합니다.
5. 테스트 코일 빌드 및 FBG 계측
- 먼저 모터레트 랜덤 상처 코일을 구축하고 계측합니다.
- 와인더 장치에 맞게 권선 보빈을 디자인합니다.
주: 보빈 형상은 코일의 원하는 회전 형상과 일치하도록 설계되었으며 원하는 상처 코일 치수를 보장합니다. 보빈은 절연을 손상시키지 않고 상처 코일을 쉽게 제거 할 수 있도록 쉽게 분해 될 수 있도록 설계되었습니다. - 선택한 에나멜 구리 와이어 릴을 와인더 장치에 놓고 와인더 롤러와 장력 컨트롤러를 통해 구리 와이어를 당깁니다.
참고 : 클래스 F 에나멜 구리 와이어는이 작품에 사용됩니다. - 와인더 장치 회전 번호 카운터를 0으로 설정합니다.
- 윈더가 저속으로 작동하고 원하는 와이어 장력을 제어하도록 설정합니다.
- 코일의 바람 절반이 회전합니다.
- 칼튼 테이프를 사용 하 여 코일 중앙에 준비 된 PEEK 모세관을 맞춥니다.
참고: PEEK 모세관의 인덱스가 대상 위치에 배치되도록 주의해야 합니다. - 코일의 나머지 부분을 돌려 감습니다.
- 와인더 기계에서 보빈을 제거하고 분해하여 PEEK 모세관이 내장된 상처 코일을 풀어보세요.
- 코일을 모터 프레임에 놓습니다.
참고 : 모터 레트 코일 절연 시스템 (슬롯 절연 및 슬롯 웨지)는 적절하게 코일과 함께 설치해야합니다. - 코일 단자 기를 준비하고 모터렛 터미널에 연결합니다.
- 구불 구불 한 바니시를 사용 하 여 모터렛을 바니시 하 고 적정 한 온도 (150 °C)에서 오븐에 배치 하 고 경화 합니다.
- 와인더 장치에 맞게 권선 보빈을 디자인합니다.
- FBG 어레이 계측:
- 먼저 FBG 어레이를 인터로게이터에 연결합니다. 설치하는 동안 FBG 반사 파장을 모니터링하는 인터로게이터 소프트웨어를 시작합니다.
- 준비된 수축 튜브를 통해 섬유를 당깁니다.
- 테프론과 PEEK 모세혈관의 끝이 닿을 때까지 섬유(감지 영역)를 PEEK 모세관에 조심스럽게 삽입합니다.
- 수축 튜브를 이동하여 모세혈관 끝을 덮고 원하는 핏이 달성될 때까지 적절하게 가열합니다.
6. 시재 보정 및 평가
- 임베디드 후 4단계에서 얻은 열 교정을 검증하고 필요한 경우 수정하십시오. 또한 이 테스트를 통해 제어된 정적 열 조건에서 FBG 어레이 성능을 평가할 수 있습니다.
- 열 오븐에 FBG 열 배열이 내장 된 모터렛을 놓습니다.
참고: 기존의 열 센서는 성능 비교 목적으로 사용할 수 있습니다. 여기서 모터트 코일 표면에 설치된 열전대가 사용된다. - 4.3단계와 4.4단계를 반복합니다.
- 4.5 단계에서 보정 된 적합을 기반으로 FBG 헤드에 의해 측정 된 온도를 포함하여 반복 단계 4.
- FBG 어레이 온도 측정을 기준 온도와 평가하고 비교합니다. 측정 오차가 높은 경우 6.4단계에서 기록된 측정을 사용하여 교정을 업데이트할 수 있습니다.
- 열 오븐에서 모터렛을 꺼내; 테스트할 준비가 되었습니다.
7. 테스트
- 정적 열 조건 테스트를 수행합니다.
- 모터렛을 DC 전원 공급 장치에 연결합니다.
- FBG 어레이를 인터로게이터에 연결합니다. FBG 온도 측정을 모니터링하고 기록할 수 있습니다.
- DC 전원 공급 장치를 제어하여 모터렛에 DC 전류를 주입합니다.
참고: 선택한 DC 전류 레벨은 코일 내부 열 핫스팟의 T 상승이 허용 절연 온도보다 낮도록 해야 합니다. 이를 통해 프로토타입 코일에서 비파괴 테스트를 수행할 수 있습니다. - 모터레트 코일 열 평형에 도달하면 기록 측정을 중지합니다.
- 불균일열 상태 테스트를 수행합니다.
- 선택한 테스트 코일 섹션을 20회전으로 포함하는 외부 코일을 감습니다.
- 외부 코일을 별도의 DC 전원 공급 장치에 연결합니다.
- 7.1.3에 적용된 DC 전류로 모터렛에 에너지를 불어넣습니다.
- 열 평형에 도달하면 열 측정 기록을 시작합니다.
- 테스트 코일에 국부적인 열 여기를 제공함으로써 불균일한 열 조건을 제공하기 위해 DC 전류로 외부 코일에 에너지를 공급합니다.
- 열 평형에 도달하면 기록 측정을 중지합니다.
Representative Results
그림 5는 정적 열 테스트에서 어레이 센서에 의해 측정된 온도를 제시합니다. 해당 코일 위치에서 각 어레이 FBG 헤드에 의해 취해진 4개의 내부 온도 판독값은 일반적으로 검사된 시험 조건에 대해 예상되는 것과 거의 유사한 것으로 관찰됩니다. 보고된 개별 측정치 사이에는 75.5°C의 관찰된 평균 핫스팟 온도 간에 1.5°C 이하의 약간의 차이가 있습니다.
도 6은 불균일한 열 상태 시험에서 얻은 어레이 센서 측정을 보고합니다. 이들은 예상대로 밀접하게 균일한 측정 된 열 수준을 나타내는 외부 코일 (첫 번째 □75s)에 여기가없는 기간에 대해 먼저 표시됩니다. 외부 코일은 추가 적인 국부적인 열 여기의 결과로 흥분됩니다: 이것은 가장 높은 열 수준 (즉, FBG4)에 가까운 감지 지점과 함께 관찰 된 측정에 명확한 변화를 초래하고 가장 낮은 (117.6 °C)를 멀리; 이러한 보고서 중간 및 거의 유사한 온도 수준 사이에 위치한 FBG 온도 센서(□122.7 및 121.6°C). 관찰된 판독값은 검사된 테스트 코일 형상의 개별 감지 헤드 분포와 명확하게 관련이 있습니다. 또한, 이 결과는 랜덤 와인드 코일에서 내부 분산 열 핫스팟 분포를 모니터링하고 식별하기 위한 코일 임베디드 어레이 센서의 기능적 기능을 명확하게 보여줍니다.
그림 1. FBG 어레이 센서 작동 개념입니다. 이 그림은 이전 발행물4에서수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. IEEE 표준 모터 렛 코일 어셈블리. (A)랜덤 상처 전기 코일; IEEE 표준9을참조하십시오. (B)IEEE 표준 모터렛을 조립하고 바니시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. FBG 열 센서 어레이 설계. (A)FBG 어레이 섬유 길이,(B)FBG 헤드 위치 배열 구조,(C)FBG 어레이 패키징 설계. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 패키지 어레이 센서 FBG 헤드 교정 특성. 이러한 특성은 어레이 자유 열 교정 테스트에서 얻은 데이터에서 파생됩니다. 이 그림은 이전 발행물4에서수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5. 정상 상태 열 상태 테스트에서 얻은 FBG 어레이 열 측정. FBG 어레이 센서에 의해 보고된 개별 헤드 열 측정은 인셋 세부 적인 정상 상태 측정 뷰와 함께 표시됩니다. 이 그림은 이전 발행물4에서수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6. 불균일 열 상태 테스트에서 열 측정. 이 그림은 이전 발행물4에서수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 가로채 | B1 | B2 | 통계 | ||||
| 값 | 표준 오류 | 값 | 표준 오류 | 값 | 표준 오류 | Adj. R-스퀘어 | |
| 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 |
표 1: 계산된 다항식 맞춤 곡선 매개변수입니다. 계산된 파라미터 표준 오차 및 개별 헤드 보정 계수가 포함; 4개의 시험된 FBG 헤드에 대해 0.999를 초과하는 양호한 선형성 및 구연 계수 계수가 관찰되었다. 이 테이블은 이전 발행물4에서수정되었습니다.
Discussion
이 백서는 저전압 감장 코일의 SITU FBG 열 센서의 설계, 교정 및 테스트에 필요한 절차를 입증했습니다. 이 센서는 현재 운반되는 상처 코일 구조 내의 내부 감지 애플리케이션에 여러 가지 이점을 제공합니다: 완전히 EMI 면역성이 있고 유연하며 임의원하는 감지 지점 위치를 제공하기 위해 임의의 원하는 형상을 준수할 수 있습니다. 단일 센서에 많은 수의 감지 지점을 제공할 수 있습니다. 감형 코일 내의 열 감지는 열전대 또는 저항 온도 검출기를 사용하는 기존의 열 모니터링 기술로 달성될 수 있지만, FBG의 적용은 여러 가지 매력적인 기능적 이점을 제공하는 것으로 나타났습니다.
FBG 어레이 센서의 적절한 패키징은 효과적인 활용의 핵심입니다. 단단하면서도 유연한 열전도성 모세관에서 FBG 헤드를 기계적 여기로부터 격리할 수 있도록 개별 감지 헤드 또는 섬유의 전체 감지 영역을 적절하게 포장하는 것이 중요합니다. 모세관이 비전기 전도성 재료로 설계되는 것이 바람직하며, 이는 전류 운반 코일의 EMI가 풍부한 환경에서 최적의 성능을 보장합니다.
모세관을 코일에 포장하는 과정에서 포장 세그먼트를 해당 감지 위치에 정확하게 배치하려면 주의를 기울여야 합니다. 또한 매우 동적인 열 조건이 관찰될 경우 모세관 형상을 최적화하는 것이 필수적입니다.
코일 임베디드 센서의 정확한 특성화를 보장하는 것이 중요합니다. 이는 상처 코일 형상 내에 설치하기 전에 무료 패키지 센서 교정을 수행하여 수행하는 것이 가장 좋습니다. 기계적 여기로부터 높은 수준의 보호는 situ 포장에 의해 제공되지만, 설치 과정은 변형 감도로 인해 파장 변화를 초래할 수 있습니다. 신중하게 수행하면 무시할 수 있습니다. 그러나 가능한 경우 실재 교정 테스트에서 이를 확인하는 것이 좋습니다.
상처 코일 내에서 FBG의이 응용 프로그램은 상대적으로 새로운 전기 기계의 개선 된 설계, 활용, 모니터링 및 건강 진단을위한 기회를 엽니 다. 이러한 비용을 절감하고 전기 기계의 대규모 응용 프로그램을 위한 믿을 수 있는 실행 가능한 옵션이 되기 위해서는 추가 작업이 필요합니다.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
이 작업은 영국 엔지니어링 및 물리 과학 연구 위원회 (EPSRC) 홈 오프 쇼어에 의해 지원되었다: 보조금 EP / P009743 /1에 따라 해상 풍력 발전 단지 컨소시엄에서 에너지에 대한 전체적인 운영 및 유지 보수.
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
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