أخطاء القياس لمستشعرات ملفات الآلات الكهربائية

ضرورة تحديد أخطاء القياس لمستشعرات ملفات الآلات الكهربائية

يبحث هذا الطرح في التصميم الرئيسي والميزات التشغيلية لاستشعار شبكة الألياف الزجاجية المدمجة (FBG) لمراقبة النقاط الساخنة الحرارية في ملفات اللف العشوائية، مثل المستخدمة في الآلات الكهربائية ذات الجهد المنخفض، وتحقيقا لهذه الغاية؛ فإنه يتم إجراء تجارب حرارية على لفائف اختبار الجرح المدمجة مع مستشعرات (FBG) لفحص ميزات التطبيق الحيوية لتصميم المستشعر المضمن، مثل اختيار مواد تعبئة المستشعر والمعايرة في الموقع والحساسية للاهتزاز ووقت الاستجابة الحرارية.

كما أنه يتم فحص معدلات أخطاء القياس وتحديد مقدارها في الاختبارات العملية التمثيلية، بحيث تتيح النتائج التي تم الإبلاغ عنها فهماً محسّناً بشكل كبير لآثار الأداء لميزات تصميم مستشعر (FBG) المضمّن وأداء المراقبة الحرارية التي يمكن تحقيقها في الموقع في ملفات الجرح العشوائية.

تجديد خطأ القياس في الموقع الخاص بالألة

يتم فحص الخطأ المحتمل في قياس درجة حرارة (FBG) المضمن بسبب وضع المستشعر في الموقع في هذا القسم، كما أنه يمكن أن يؤدي إجراء تركيب المستشعر إلى إجهاد المستشعر مسبقاً وبالتالي تغيير خصائص المعايرة بشكل كبير بسبب حساسية (FBG) الحرارية الميكانيكية، كما تعتبر عملية معايرة المستشعر المثبتة غير عملية لأنها ستشمل معايرة هندسة الملف الماكينة بالكامل ضمن عملية حرارية يتم التحكم فيها.

وبالتالي، عادة ما يتم تفسير استجابة المستشعر في الموقع بناءً على خاصية معايرة المستشعر التي تم الحصول عليها قبل دمجها في الهيكل المرصود، ومع ذلك يمكن أن تختلف خاصية التضمين المسبق هذه اختلافاً كبيراً عن تلك الخاصة بجهاز الاستشعار في الموقع، كما يعد التقدير الكمي لخطأ القياس الحراري المحتمل في الموقع الناجم عن إجراء التثبيت هو المفتاح لفهم دقة المراقبة الحرارية التي يمكن تحقيقها في تركيبات ملف الجرح النموذجية.

لذلك سينتج عن الإجهاد الميكانيكي الناجم عن التثبيت في مستشعر درجة حرارة (FBG) في الموقع تحولاً في ذروة الطول الموجي لـ [Bragg (λB)] في الخاصية الحرارية المُعايرة التي تم الحصول عليها مسبقاً للتضمين، ومع ذلك فقد ثبت أن طبيعة المستشعر الحراري (FBG) ووحدات الاستجواب والمعايرة (نظام الاستشعار FBG) يمكن أن تقدم أيضاً مصدر إزاحة ذروة (λB)، بحيث يعتبر التمييز بين التحول (λB) الناجم عن نظام استشعار (FBG).

بالإضافة الى تلك الناتجة عن أي إجهاد مفروض من التثبيت مهماً لتحديد الخطأ الناجم عن التأثير الأخير، وهذا موضح في الشكل التالي (1)، حيث يمثل الخط المركزي الذروة المنعكسة (FBG) الفعلية (λB)، وهي المقابلة لدرجة حرارة المحددة والمقيسة، بحيث تشير المنطقة (A) إلى هامش الخطأ المحتمل في قياس الذروة (λB) الناجم عن عدم دقة نظام استشعار (FBG) المتأصل بينما تمثل المنطقة (B) الخطأ الإضافي المحتمل بسبب عملية التثبيت التي تسببها الإثارة الميكانيكية لحزمة المستشعر.

ولتحديد حدود الخطأ للمنطقة (B)؛ فإنه يجب تحديد حدود المنطقة (A) أولاً، وهكذا ينقسم العمل التجريبي المذكور في هذا القسم إلى مرحلتين، أولاً يتم تحديد خطأ قياس الذروة (λB)، وبالتالي خطأ قياس درجة الحرارة (حدود المنطقة A) بسبب نظام الاستشعار (FBG) المستخدم، كما يتم بعد ذلك تحديد مقدار الذروة (λB)، وبالتالي خطأ قياس درجة الحرارة بسبب الإجهاد الميكانيكي في الموقع (حدود المنطقة B).

بالنسبة لهذه الدراسة، تم إجراء سلسلة من التجارب على حجم عينة من أربعة (FBGs)، وذلك لضمان أن النتائج تمثل الاختلافات التي تمت مواجهتها في تصميم ألياف الاستشعار التجاري النموذجي، ففي المرحلة الأولى تم إدخال رؤوس (FBG) في شعيرات دموية سيراميك فردية مثبتة على لوحة دعم خزفية باستخدام شريط (Kapton)، وذلك لتمكين معايرة (FBG) في بيئة معبأة غير مقيدة.

كذلك تم اختيار السيراميك بسبب تمدده الحراري المنخفض، وذلك لتقليل أي تأثير تمدد حراري بصري على القياسات التي تم الحصول عليها، بحيث تم وضع الصفيحة الخزفية المزودة بأجهزة استشعار (FBG) في غرفة حرارية مضبوطة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، بحيث تعرضت رؤوس (FBG) لأربع دورات حرارية متطابقة.

تأثير الاهتزاز على أداء جهاز الاستشعار المدمج في النقطة الساخنة

يفحص هذا الجزء تأثير مستويات الاهتزاز النموذجية لملفات الجرح العشوائية في الآلات الكهربائية على القياس الحراري (FBG) في الموقع، وهو مصدر القلق عند استخدام الاستشعار الحراري (FBG) هو حساسيته المتأصلة لأي إجهاد ميكانيكي واهتزاز موجود والذي قد يثير المستشعر وينتج عنه خطأ غير مرغوب فيه.

كما تم تصميم المستشعر الحراري المضمن بالملف عن طريق وضع ألياف الاستشعار داخل أنبوب شعري للتعبئة، وفي حين أن هذا يوفر مستوى كبير من المناعة ضد هيكل ملف الجرح الذي يفرض ضغطاً ميكانيكياً؛ فإنه يؤدي أيضاً إلى وضع ألياف غير محكم نسبياً داخل فجوة هواء العبوة، وفي هذا الصدد يمكن للألياف أن تزيح عند تعرضها للاهتزاز، مما يتسبب في الانحناء الجزئي في رأس مستشعر (FBG) وبالتالي فرض خطأ غير مرغوب فيه في القياسات الحرارية.

كما تم استخدام مجموعة أجهزة استشعار تحتوي على أربعة رؤوس (FBG) في هذه الدراسة، بحيث تم تعبئة المصفوفة في أنبوب شعري (PEEK)، ووضعها في وسط ملف اختبار، كما وقد أتاح ذلك فحص نقاط استشعار حرارية متعددة النقاط الساخنة الموجودة في أقسام مختلفة من الملف، كذلك تم اختيار (PEEK) كمواد تغليف لهذا الاختبار.

ونظراً لأن مرونته جنباً إلى جنب مع خصائصه غير المعدنية تجعله خياراً جذاباً للاستشعار الحراري الموزع المدمج في ملفات الجرح حيث يمكن أن تتوافق حزمة المستشعر مع شكل الملف، ومع ذلك يمكن أن تشكل مرونة (PEEK) الكامنة تحديات في بيئة اهتزاز عالية وتتطلب تقييماً دقيقاً.

لذلك يوضح الشكل (3-A)، وهذا ملف الاختبار المضمن للصفيف، وذلك مع نقطتي استشعار مصممتين ليتم تحديد موقعهما في أقسام فتحة الملف (FBG1 و FBG3) والقطعتين المتبقيتين في أقسام الملف النهائي (FBG2 و FBG4)، ولفحص تأثير الاهتزاز على أداء المراقبة الحرارية في الموقع، كما تم تركيب الملف المختبَر على شاكر تجاري كما هو موضح في الشكل (3-B).

كما تم تصميم لوحة عازلة مصممة خصيصاً (TUFNOL) لتمكين ملف الاختبار ليتم تثبيته على شاكر، كما تم اختيار (TUFNOL) لقوتها الميكانيكية العالية وقدرتها الحرارية المنخفضة، كما تم تحديد أبعاد اللوحة للسماح بتثبيت جوانب ملف الاختبار مع ترك نهايات الملف مجانية، كما أن هذا يحاكي وضع الملف داخل الآلات الكهربائية، حيث يتم عادةً تعريض الملفات الطرفية.

وبالتالي تتعرض لضغط ميكانيكي أكبر من أقسام فتحة الملف الموجودة داخل قلب الحديد الصلب، تم استخدام ملف الاختبار المُثبَّت بالاهتزاز لإجراء مجموعة من التجارب باستخدام الإعداد الموضح في الشكل (4)، كما تم تحفيز شاكر بواسطة مولد وظيفي ومكبر للصوت لتعريض الملف لمقدار الاهتزاز المطلوب والتردد الكهربائي، بحيث تم استخدام مصدر طاقة تيار مستمر لإثارة ملف الاختبار حرارياً وتحقيق درجة حرارة التشغيل المطلوبة.