Индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности электрического кабеля

Предложенное изобретение относится к средствам измерения эксцентричности проводника электрического кабеля относительно его изоляционной оболочки с использованием магнитного и оптического методов измерительных преобразований. Техническим результатом при использовании данного изобретения является повышение точности измерений и эксплуатационных характеристик измерителя. Индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности электрического кабеля содержит индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе с обмоткой возбуждения, две симметрично расположенные относительно оси проводника испытываемого кабеля и ортогональные друг другу системы взаимоиндуктивных и оптических преобразователей, состоящих каждая из источника и приемника оптического излучения и пары расположенных по разные стороны от оси симметрии встречно включенных измерительных обмоток, имеющих каждая по две согласно включенные секции. При этом секции измерительных обмоток расположены в параллельных плоскостях и для каждой пары измерительных обмоток отношение расстояния между измерительными обмотками к расстоянию между их секциями находится в интервале от 1,6 до 1,8. 4 ил.

 

Изобретение относится к средствам измерения эксцентричности проводника электрического кабеля относительно его изоляционной оболочки с использованием магнитного и оптического методов измерительных преобразований.

Известен взамоиндуктивный преобразователь устройства измерения эксцентричности проводника относительно оболочки электрического кабеля (pat. US 5541509, МПК G01B 7/30, опубл. 30.07.1996 г.), содержащий индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе с обмоткой возбуждения и измерительную обмотку. Принцип действия устройства основан на возбуждении в проводнике кабеля электрического тока и зависимости наводимой его магнитным полем эдс измерительной обмотки от толщины изоляционной оболочки кабеля. Получение информации об эксцентричности проводника обеспечивается за счет измерения толщины оболочки в разных точках ее поверхности.

Недостатками такого технического решения являются необходимость механического контакта корпуса измерительной обмотки с поверхностью оболочки кабеля и необходимость механического вращения обмотки вокруг кабеля. Это существенно снижает эксплуатационные характеристики устройства и делает непригодным преобразователь для использования при контроле процесса экструзионного нанесения изоляции ввиду высокой температуры оболочки кабеля и незавершенности на данной стадии процесса ее затвердевания.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности и диаметра электрического кабеля (WO 03085354, МПК G01B 7/312, опубл. 16.10.2003 г.), содержащий индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе с обмоткой возбуждения, две симметрично расположенные относительно оси проводника испытываемого кабеля и ортогональные друг другу системы взаимоиндуктивных и оптических преобразователей, состоящих каждая из источника и приемника оптического излучения и двух расположенных по разные стороны от оси симметрии встречно включенных измерительных обмоток, имеющих каждая по две согласно включенные секции. Секции измерительных обмоток лежат в плоскости, проходящей через ось симметрии систем преобразователей. При этом секции измерительных обмоток разнесены в продольном относительно направления движения кабеля направлении на некоторое расстояние, обеспечивающее возможность размещения в промежутке между секциями обмоток источника и приемника оптического излучения. Принцип действия устройства заключается в следующем. Движущийся контролируемый кабель пропускается сквозь кольцо магнитопровода, по возбуждающей обмотке которого протекает переменный электрический ток. В результате этого в проводнике кабеля индуцируется переменный электрический ток, создающий вокруг проводника переменное магнитное поле. Это магнитное поле наводит эдс в секциях измерительных обмоток. Суммарные эдс измерительных обмоток каждой из систем преобразователей функционально связаны со значениями поперечных смещений проводника по соответствующим ортогональным осям, лежащим в плоскостях секций измерительных обмоток. Таким образом, обеспечивается получение информации о местоположении (координатах) продольной оси проводника кабеля. Получение измерительной информации о диаметре оболочки кабеля и местоположении (координатах) ее продольной оси осуществляется на основе теневого оптического метода с использованием расположенных по разные стороны от контролируемого кабеля источника и приемника оптического излучения. Значение эксцентричности проводника и оболочки, т.е. поперечного смещения продольной оси проводника относительно продольной оси оболочки кабеля, определяется геометрическим вычитанием векторов поперечного смещения продольных осей проводника и оболочки относительно оси симметрии преобразователя.

Недостатками такого технического решения, обусловленными конструктивными особенностями преобразователя, являются нелинейность функций преобразования поперечных смещений проводника в электрические сигналы (эдс измерительных обмоток), зависимость сигнала измерительных обмоток, предназначенных для измерения смещения проводника по одной из ортогональных осей от смещения по другой ортогональной оси, ухудшение эксплуатационных параметров измерителя ввиду увеличенного по сравнению с аналогами размера преобразователя в продольном направлении.

В принципе два первых недостатка, непосредственно влияющие на основные метрологические параметры преобразователя, могут быть устранены путем сложной совместной вычислительной обработки сигналов измерительных обмоток обеих ортогональных систем преобразователей. Однако алгоритм такой обработки должен корректироваться в этом случае для каждого значения диаметра проводника, что является крайне неудобным и практически не реализуемым. В прототипе предлагается для уменьшения негативного влияния на точность измерения указанных недостатков использовать механический привод, с помощью которого в процессе контроля осуществляется автоматическое центрирование проводника относительно оси преобразователя и, таким образом, обеспечивается работа преобразователя в диапазоне поперечных смещений, в котором его недостатки проявляются в меньшей степени. Однако реализация данного технического решения существенно снижает эксплуатационные параметры измерителя.

Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является повышение точности измерений и эксплуатационных характеристик измерителя.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве, содержащем индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе с обмоткой возбуждения, две симметрично расположенные относительно оси проводника испытываемого кабеля и ортогональные друг другу системы взаимоиндуктивных и оптических преобразователей, состоящих каждая из источника и приемника оптического излучения и пары расположенных по разные стороны от оси симметрии встречно включенных измерительных обмоток, имеющих каждая по две согласно включенные секции, в соответствии с предлагаемым решением секции измерительных обмоток расположены в параллельных плоскостях и для каждой пары измерительных обмоток отношение расстояния между измерительными обмотками к расстоянию между их секциями находится в интервале от 1,6 до 1,8.

На фиг.1 изображен индуктивно-оптический преобразователь; на фиг.2 - схема электрических соединений обмоток преобразователя; на фиг.3 - поперечное сечение контролируемого кабеля; на фиг.4 - функциональные зависимости электрического сигнала от поперечного смещения для предлагаемого преобразователя (зависимости 16, 18) и устройства-прототипа (зависимости 17, 19).

Преобразователь содержит индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе 1 с обмоткой возбуждения 2, две одинаковые системы взаимоиндуктивных и оптических преобразователей, первая из которых состоит из источника оптического излучения 3, приемника оптического излучения 4, двух измерительных обмоток с секциями 5, 6 и 7, 8, а вторая - из источника оптического излучения 9, приемника оптического излучения 10, двух измерительных обмоток с секциями 11, 12 и 13, 14.

Первая и вторая системы преобразователей симметричны относительно оси OZ (фиг.1) и ортогональны между собой. Двухсекционные измерительные обмотки первой системы преобразователей с секциями 5, 6 и 7, 8 и второй системы преобразователей с секциями 11, 12 и 13, 14 расположены по разные стороны от оси OZ. Секции измерительных обмоток 5, 7 и 6, 8 первой системы преобразователей и 11, 13 и 12, 14 второй системы преобразователей расположены в параллельных плоскостях и не имеют взаимного пространственного сдвига в продольном направлении (вдоль оси OZ). Источник 3 и приемник 4 оптического излучения первой системы преобразователей, источник 9 и приемник 10 оптического излучения второй системы преобразователей располагаются в промежутке между плоскостями, в которых расположены секции измерительных обмоток, и не имеют пространственного сдвига относительно измерительных обмоток в продольном направлении. Секции измерительных обмоток 5 и 6, 7 и 8, 11 и 12, 13 и 14 включены согласно, а сами измерительные обмотки каждой из систем преобразователей включены встречно (фиг.2).

Строго говоря, оптические преобразователи, входящие в состав каждой из систем измерительных преобразователей, в отличие от индуктивных не являются абсолютно симметричными относительно оси проводника, поскольку по разные стороны от оси симметрии находятся разные элементы - источник и приемник оптического излучения. Под симметрией оптических преобразователей в данном случае имеется в виду симметричное расположение относительно оси отдельных элементов.

Индуктивно-оптический преобразователь работает следующим образом. Движущийся контролируемый кабель с проводником 15 пропускается сквозь кольцо магнитопровода 1, по обмотке возбуждения 2 которого протекает переменный электрический ток (фиг.1). Проводник кабеля 15 образует с электропроводящими элементами производственной линии нанесения изолирующей оболочки (подающими роликами, корпусом охлаждающей ванны, распределенной электрической емкостью между проводником и корпусом ванны и т.п.) замкнутую электрическую цепь, а кроме того, фактически является вторичной обмоткой трансформатора, другими составными частями которого являются магнитопровод 1 и обмотка возбуждения 2 индуктора. В результате в проводнике 15 кабеля индуцируется переменный электрический ток I, создающий вокруг проводника переменное магнитное поле. Это магнитное поле наводит эдс в секциях измерительных обмоток. При совпадении продольной оси проводника 15 кабеля с осью симметрии OZ индуктивно-оптического преобразователя ввиду встречного включения измерительных обмоток суммарная эдс измерительных обмоток каждой системы преобразователей равна нулю. При поперечном смещении проводника 15 кабеля относительно продольной оси OZ в направлении оси ОХ, лежащей в плоскости симметрии измерительных обмоток с секциями 5-8 и проходящей через ось OZ, суммарная эдс этих измерительных обмоток Е₁ функционально связана по амплитуде со значением смещения X. При поперечном смещении проводника 15 кабеля относительно продольной оси OZ в направлении оси OY, лежащей в плоскости симметрии измерительных обмоток с секциями 11-14 и проходящей через ось OZ, суммарная эдс этих измерительных обмоток E₂ функционально связана по амплитуде со значением смещения Y. Таким образом обеспечивается получение информации о местоположении (координатах Х_п и Y_п) продольной оси проводника 15 кабеля.

Получение измерительной информации о местоположении (координатах X_o и Y_o) продольной оси оболочки кабеля осуществляется на основе теневого оптического метода с использованием расположенных по разные стороны от контролируемого кабеля источников 3, 9 и приемников 4, 10 оптического излучения. Для этого, в частности, возможно применение того же принципа измерительного преобразования, что и в устройстве-прототипе.

Значение эксцентричности е проводника 15 и оболочки 16 кабеля (фиг.3) определяется геометрическим вычитанием векторов и поперечных смещений продольных осей проводника и оболочки относительно оси симметрии преобразователя OZ.

где e_x и e_y - проекции вектора эксцентричности соответственно на координатные оси OX и OY.

Предлагаемая конструкция измерительных обмоток с разнесенными в поперечном направлении секциями обеспечивает высокую линейность зависимостей сигналов измерительных обмоток Е₁ и Е₂ соответственно от измеряемых смещений Х_п и Y_п и пренебрежимо малую зависимость этих сигналов от смещений в ортогональных направлениях в широком диапазоне поперечных смещений самого кабеля в контролируемой зоне преобразователя. На основе математического и физического моделирования работы преобразователя было установлено, что оптимальное соотношение расстояния b между секциями измерительных обмоток и расстояния а между находящимися по разные стороны от контролируемого кабеля измерительными обмотками равно (фиг.1). Однако метрологические параметры устройства существенно не изменяются при использовании соотношения указанных конструктивных параметров в диапазоне от 1:1,8 до 1:1,6.

На фиг.4 приведены полученные для предлагаемого преобразователя с оптимальным соотношением параметров зависимости сигнала E₂ измерительных обмоток, предназначенных для измерения смещения по оси OY, от изменения координат продольной оси проводника кабеля Y (кривая 16) и Х (кривая 18). Вторая зависимость определялась при значении Y=0,1a. Здесь же представлены аналогичные зависимости для преобразователя-прототипа (кривые 17 и 19). Сравнительный анализ этих зависимостей показывает, что функция преобразования предлагаемого преобразователя, имеющего оптимально выбранные конструктивные параметры, характеризуется на порядок большей линейностью и на порядок меньшей зависимостью от смещения проводника в ортогональном измеряемому смещению направлении.

Более высокие метрологические характеристики преобразователя обеспечивают достижение и более высокой точности определения местоположения оси проводника, что в свою очередь позволяет достичь и более высокую точность определения эксцентричности проводника и оболочки кабеля. Причем это преимущество достигается без применения механического привода и усложнения электронной схемы, а только за счет конструктивных отличий преобразователя и использования оптимальных соотношений его геометрических параметров. Кроме того, предлагаемый преобразователь имеет и эксплуатационные преимущества по сравнению с прототипом, обусловленные меньшим продольным размером и заключающиеся в меньших габаритах преобразователя и больших допустимых перекосах оси кабеля относительно продольной оси преобразователя.

Источники информации

1. Pat. US 5541509. IC G01B 7/30. Electrical cable jacket and conductor eccentricity detector including energizing coil formed about a toroid core and moveable pickup coil / Beta Instr Co (GB). Publ. 30.07.1996, esp@cenet database. - 11 p.: I1.

2. Pat. WO 03085354. IC G01B 7/312. Contactless system for measuring centricity and diameter / Zumbach Electronic AG (CH). Publ. 16.10.2003, esp@cenet database. - 18 p.: I1.

Индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности электрического кабеля, содержащий индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе с обмоткой возбуждения, две симметрично расположенные относительно оси проводника испытываемого кабеля и ортогональные друг другу системы взаимоиндуктивных и оптических преобразователей, состоящих каждая из источника и приемника оптического излучения и пары расположенных по разные стороны от оси симметрии встречно включенных измерительных обмоток, имеющих каждая по две согласно включенные секции, отличающийся тем, что секции измерительных обмоток расположены в параллельных плоскостях и для каждой пары измерительных обмоток отношение расстояния между измерительными обмотками к расстоянию между их секциями находится в интервале от 1,6 до 1,8.