قياس تيار التسرب الكهربائي في حركة السفن

ضمنياً تم تكييف مستشعر التيار الكهربائي الكامل للألياف الضوئية لقياس تيار التسرب للسفن، كا تم بناء النموذج التحليلي بنظام إحداثيات ديكارت ثنائي الأبعاد (2D)، بحيث يتم نمذجة ومحاكاة توزيع المجال المغناطيسي للتيار الضعيف لسلك طويل مستقيم واحد وتيار التسرب المتكون من سلكين على التوالي، وبالإضافة إلى ذلك يتم التحقق من صحة النموذج التحليلي بطريقة العناصر المحدودة.

أهمية قياس تيار التسرب الكهربائي بمستشعر الألياف الضوئية

يتقادم أداء المواد العازلة بمرور الوقت نظراً لتأثرها ببيئة العمل الفريدة للمعدات الكهربائية البحرية، كما وتعد مراقبة مستوى العزل أمراً بالغ الأهمية لتجنب الحوادث الكبيرة، مثل الصدمات الكهربائية والحرائق الكهربائية، كما يمكن أن يتسم مستوى عزل السفينة بتيار التسرب، كذلك قياس تيار التسرب للسفينة غير متسق مع العوازل وأكسيد الفلز قضبان الصواعق.

وفي شبكة الطاقة الخاصة بالسفينة؛ فإنه تم اعتماد بنية أرضية “عائمة”، ولا يتم تأريض النقطة المحايدة، لذلك؛ فإنه من غير المحتمل أن تقيس هذه الشبكة تيار التسرب بواسطة موصل التأريض الكهربائي، بحيث يجب ضبط المستشعر خارج الدائرة الفرعية لقياس تيار التسرب، ووفقاً لذلك يعد العيار الكبير إلى جانب مستشعر التيار عالي الدقة هو المفتاح لقياس التسرب الحالي لشبكة الطاقة البحرية.

كما أن أجهزة استشعار قياس تيار التسرب الشائعة ليست مناسبة؛ وذلك بسبب بيئة العمل الخاصة للسفن، لذلك تتكون المستشعرات المطبقة في قياس تيار التسرب من السفينة من مستشعرات التيار الكهرومغناطيسي ومستشعرات “روجوفسكي” ذاتية التكامل وأجهزة استشعار التيار المعدلة مغناطيسياً، ومع ذلك؛ فإن هذه المستشعرات مخصصة لأنظمة التيار المتردد.

وعلى الرغم من تصميم (Luo) لمستشعر تيار التسرب بالتيار المستمر؛ فإنه لا يمكن تطبيق المستشعر في بيئة سفينة عالية الطاقة في ظل قيود العيار، بحيث تم العثور على مستشعر التيار بالكامل من الألياف الضوئية كمستشعر واعد للغاية، والذي يعرض مزايا العزل الكهرومغناطيسي والعيار القابل للتحكم، كما ويمكنه قياس إشارات التيار المتردد والتيار المستمر في وقت واحد.

الآن يوجد لدى مستشعر تيار الألياف الضوئية تطبيقات مختلفة في قياسات التيار الكبير، على سبيل المثال قياس البرق واللحام المعدني، ومع ذلك؛ فإن المجال المغناطيسي الذي يولده التيار الضعيف صغير بشكل ملحوظ وثابت (Verdet) لألياف الاستشعار صغير أيضاً، وخاصةً عندما يكون الطول الموجي حوالي (1300) نانومتر.

آلية تحسين حساسية قياس تيار التسرب الكهربائي

يبقى من الصعب تحسين حساسية قياس التيار المنخفض للنظام، أما في الوقت الحاضر؛ فإن هناك ثلاث طرق رئيسية لتحسين حساسية قياس التيار الصغير، الطريقة الأولى هي الطريقة المكافئة، والتي تعتمد على هيكل الملف اللولبي، كما سيولد التيار الصغير الذي يمر عبر هيكل الملف اللولبي مجالاً مغناطيسياً كبيرًا مماثلاً لملف ليف ضوئي متعدد الدورات يلف موصلاً.

كما أن هذا المخطط قادر على إجراء قياس التيار بالمللي أمبير، ومع ذلك؛ فإنه يتجاهل آثار انكسار الألياف الضوئية، لذلك سوف تنحرف نتائج القياس عن التطبيقات الفعلية، وعلاوة على ذلك؛ فإن كبل التيار سميك للغاية بحيث لا يشكل هيكل الملف اللولبي بسبب زيادة طاقة السفينة، ولهذا السبب لا ينطبق الحل أعلاه على قياس تيار التسرب في السفينة.

أما الطريقة الثانية تشير إلى تصنيع ألياف استشعار جديدة. تم تصميم الألياف الضوئية المعدنية المخدرة كألياف ضوئية استشعار معينة لتحقيق قياسات تيار صغيرة، كذلك تم الإبلاغ عن ثابت (Verdet) لهذه الألياف عند (1300) نانومتر على أنه (19.5μ rad / A) في حين يصعب التغلب على مشكلة فقدان الألياف، ووفقاً لذلك يصعب تحقيق تطبيقاته العملية.

وبالنسبة الى الطريقة الأخيرة هي الاعتماد على إعادة الدوران البصري في حلقة ليفية، بحيث يمكن تحسين حساسية النظام إلى (10) مللي أمبير عن طريق إعادة تدوير بنية حلقة الألياف (أيضاً مع تطبيق هيكل الملف اللولبي)، كما يعتمد هذا المخطط هيكل قياس نوع الاستقطاب، وبالتالي فإن الثبات والقدرة على مقاومة التداخل ضعيفان.

المحاكاة من خلال توزيع كثافة الحث المغناطيسي

يتوافق مستشعر تيار الألياف الضوئية بالكامل مع مبدأ تأثير فاراداي، كما ويتم تنظيم حالة الاستقطاب للضوء المستقطب بواسطة المجال المغناطيسي المتولد عن التيار المراد قياسه، وبالتالي يجب تحليل خصائص المجال المغناطيسي المنسوبة إلى تيار التسرب للسفينة بدقة.

كما أنه ستتم دراسة توزيع شدة الحث المغناطيسي المتولد عن سلك واحد، بحيث يوضح الشكل التالي (1) المقطع العرضي لسلك طويل مستقيم، كذلك السلك الحامل للتيار الكهربائي هو سلك طويل بلا حدود نصف قطره سم، بحيث يُشار إلى المسافة من مركز السلك ونقطة القياس (M) بالرمز (r)، كما ويُعبر عن متجه كثافة التيار على أنه (J = J0az A / m2)، كما ويمثل (az) متجه الاتجاه.

كذلك يتم كتابة متجه شدة الحث المغناطيسي على النحو التالي:

حيث أن:

(aφ): تشير إلى متجه الاتجاه المماس للقوس حيث توجد نقطة القياس.

(μ1): نفاذية المواد المعدنية.

(μ0): يعبر عن النفاذية في الهواء، بحيث يتم محاكاة توزيع شدة الحث المغناطيسي لسلك طويل مستقيم واحد باستخدام (Matlab) من خلال الشكل التالي (2).

المحاكاة من خلال مبدأ قياس استشعار الألياف الضوئية

في الوقت الحاضر يعتمد مستشعر التيار بالكامل على بنية تداخل عاكس، كما ويظهر المبدأ الأساسي في الشكل التالي (3).

كذلك يتم التعبير عن مبدأ العمل الأساسي والإرسال البصري بحيث تتم كتابة شدة ضوء الخرج على النحو التالي:

حيث أن:

(P ،P0): على التوالي تشير إلى شدة مصدر الضوء الناتج والمدخل. يتم التعبير عن الخسارة في مكونات الألياف.

[φ (t + τ) ، φ (t)]: تمثل فرق الطور بين أوضاع الاستقطاب المتكونة أثناء الانتشار بناءً على المغير تحت زمن (t + τ) و (t) على التوالي.

كذلك يتم التعبير عن الفارق الزمني بين الحزمة التي تمر على أساس معدل الطور للأمام والخلف على أنه (τ)، بحيث يوضح (ΨF) زاوية دوران فاراداي المحددة، بحيث تحسب مصفوفة جونز هذه المعادلة على أساس أن النظام يتوافق مع نظرية حلقة (Ampere).

وبالنهاية يجب أن يستوفي إنشاء المحاكاة الشروط التالية:

• يتم توزيع ثابت (Verdet) للألياف الضوئية بشكل موحد ومستقل عن معلمات موضع الألياف الضوئية.

• لا توجد نقطة مفاجئة في شدة الحث المغناطيسي في الفراغ.

• تؤثر شدة الحث المغناطيسي فقط على الألياف الضوئية المحسوسة، في حين أنها لا تؤثر على ألياف الإرسال الضوئية.

• يجب أن تكون الألياف الضوئية مغلقة تماماً.

ومع ذلك، يمكن إنشاء الافتراضات التالية في ظل ظروف قياس تيار تسرب تيار السفينة من خلال:

• يعتمد ثابت (Verdet) على درجة الحرارة وطول الموجة وغيرها، ووفقاً لذلك وعندما تتغير درجة الحرارة والضغط بسرعة؛ سيكون ثابت (Verdet) مرتبطاً بالموقع المكاني.

• التوزيع المكاني لشدة الحث المغناطيسي لتيار التسرب غير متساوٍ،

• الأجهزة بعيدة عن رأس الاستشعار باستثناء الألياف الضوئية المحسوسة.

• في حالة القياس الحالية الثانوية؛ فإنه يجب أن يتم لف السلك لفائف الألياف متعددة الدورات، كما ويكون (N) كبيراً جداً بحيث يمكن تجاهل المنطقة غير المغلقة.