王 兵,邵 帥,華晉偉,林 森
(1.遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院,遼寧沈陽(yáng) 110032;2.遼河油田公司資產(chǎn)裝備部,遼寧盤錦 124010;3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息中心,遼寧沈陽(yáng) 110870)
文中主要針對(duì)編織式鋼絲繩損傷的信號(hào)檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)問(wèn)題,這類鋼絲繩主要用于電力系統(tǒng)中的送電工程用來(lái)懸掛電線,其截面不是圓形而是近似方形。由于它采用了一種特殊的方式,像編織的一樣,因此稱作編織式鋼絲繩。這種鋼絲繩具有許多優(yōu)點(diǎn),如靈活、扭曲后無(wú)痕跡,所以非常適合牽引。編織式鋼絲繩的工作環(huán)境非常惡劣,且要求具有高可靠性的強(qiáng)度,這就需要維修與檢測(cè)。因其特殊的結(jié)構(gòu)和維修工藝,現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)不能滿足操作要求。
文中采用基于主磁通原理的磁阻監(jiān)測(cè)原理,實(shí)現(xiàn)這種鋼絲繩的斷絲檢測(cè),其特點(diǎn)是輸出信號(hào)明顯,但背景噪聲復(fù)雜。文中采用差動(dòng)變壓器作為傳感器,以提高損傷信號(hào)的靈敏度,所以差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)決定了信號(hào)處理的精確程度。
在文中鋼絲繩用作電樞,如圖1所示。如果鋼絲里有損傷,磁阻將會(huì)發(fā)生變化,沿著軸線移動(dòng)鋼絲,會(huì)使兩個(gè)次級(jí)繞組產(chǎn)生變化的的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),輸出電壓。磁阻變化是由電樞與常見差動(dòng)變壓器內(nèi)鐵之間的氣隙隙變化引起的,這代表?yè)p傷鋼絲的變化。常見的差動(dòng)變壓器的電樞位置發(fā)生變化時(shí),次級(jí)繞組的互感M1、M2會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)用于鋼絲檢測(cè)時(shí),M2、M1由磁阻決定,其信號(hào)的特點(diǎn)是差動(dòng)的。
圖1 用于鋼絲檢測(cè)的差動(dòng)變壓器原理
由于鋼絲的直徑φ≤30 mm,單回路勵(lì)磁可以滿足要求,但內(nèi)徑應(yīng)足夠大使焊接點(diǎn)能通過(guò)。該傳感器是由勵(lì)磁線圈、檢測(cè)線圈、支架和鐵軛組成,支架使用絕緣尼龍制成。為減少漏磁通,支架由具有導(dǎo)磁能力的鐵軛覆蓋。勵(lì)磁線圈纏繞在中間,檢測(cè)線圈對(duì)稱的纏繞在兩側(cè)。為了增強(qiáng)輸出信號(hào),采用線圈的匝數(shù)比為1∶1,與此同時(shí),焊接兩個(gè)固定輪保證鋼絲移動(dòng)時(shí)位于軸線上,增強(qiáng)磁導(dǎo)及其檢測(cè)效果,如圖2所示。
圖2 傳感器結(jié)構(gòu)
為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,對(duì)于圖2所示傳感器結(jié)構(gòu)的磁路,根據(jù)對(duì)稱性取磁路的一半進(jìn)行分析。
根據(jù)基爾霍夫的磁路法:∑Hili=∑NI,即:
NIφ=H1l1+H12L+H3l3
(1)
式中:Iφ為激磁電流;N為激磁線圈匝數(shù);H1、H2、H3分別為鐵軛、傳感器內(nèi)鋼絲繩、氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度;l1、l2、l3分別為各部分對(duì)應(yīng)的有效磁路長(zhǎng)度。
(2)
如果考慮鐵耗,有
根據(jù)式(2)
(3)
把φ=BS帶入式(3)有
(4)
對(duì)式(4)兩邊求導(dǎo)
(5)
帶入式(5)得
(6)
從式(6)可以得出
所以可以通過(guò)如下手段提高傳感器的靈敏度:
(a)沒(méi)有損傷時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度
(b)損傷在右邊時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度
(c)損傷在左邊時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度
(d)損傷在中間時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度
(1)提高線圈的品質(zhì)因數(shù);
(2)選擇較高的勵(lì)磁頻率;
(3)在不增大傳感器尺寸的情況下增加繞組的線圈數(shù);
(4)在不使線圈過(guò)熱的情況下增加勵(lì)磁電壓;
(5)縮短傳感器的氣隙長(zhǎng)度;
(6)軸的長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)的短些。
利用ANSYS電磁場(chǎng)的便利,仿真不同的激勵(lì)電壓﹑不同損傷位置時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
從圖3,可以發(fā)現(xiàn)大部分的磁力線通過(guò)鐵軛和鋼絲,只有一些漏磁通,但檢測(cè)結(jié)果不受影響;在圖3(b)和圖3(c)中,損傷發(fā)生在次級(jí)線圈的對(duì)稱位置上,可以發(fā)現(xiàn)漏磁沒(méi)有出現(xiàn)在破裂處的附近,漏磁是由于所加10 V激勵(lì)使磁路飽和而引起的,所以主磁通不受影響。此外,磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加,是由損傷引起的;從圖3(d)可以看到,當(dāng)損傷出現(xiàn)在傳感器軸線時(shí),磁力線分布是完全對(duì)稱的,所以采用差動(dòng)變壓器作為傳感器是合理的。
表1記錄了10.03 V激磁電壓時(shí),不同損傷產(chǎn)生的不同電壓,U21和U22是傳感器的次級(jí)線圈對(duì)稱位置的輸出電壓,U2是損傷在軸線時(shí)的輸出電壓。從圖4可以看到,輸出電壓隨著損傷的增加而近似線性的增加。此外,從表1可以看到,U21和U22接近,符合基本要求。
利用差動(dòng)變壓器原邊的線性激勵(lì)和副邊兩個(gè)繞組的反接,可以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩斷絲的在線檢測(cè)。理論分析和仿真分析結(jié)果和文本數(shù)據(jù)證實(shí)了,文中研究構(gòu)思的合理性。
表1 不同損傷產(chǎn)生的差動(dòng)電壓
圖4 不同損傷產(chǎn)生的不同電壓
參考文獻(xiàn):
[1]WU D D.Non-electric Detection Technolgy.Xi’an:Xi’an Jiaotong University,2001.
[2]GUO A F,YANG J Y,ZHANG X H.The Character Analyse of Differential Transformer.Zhengzhou Institue of Textile Technolgy Transaction,1996(4):62-65.
[3]HU M J,YANG T Z,XU B,et al.The Study of Differntial Transform Sensitivity.Zhengzhou Institue of Light Industry Technology Transaction,2004(2):49-51.