Поиск обрыва кабеля: Определение места повреждения кабеля — 3 проверенных метода

Определение места повреждения кабеля — 3 проверенных метода

Производство и обслуживание кабелей и кабельных сетей – это хорошо знакомый и отлаженный процесс. Но повреждения кабеля всё равно случаются даже у профессионалов. Поэтому для ликвидации и предупредительной локализации повреждений очень важно иметь не только квалифицированный персонал, но и профессиональное оборудование.

Содержание статьи

Виды повреждений кабельных линий

Кабельные линии регулярно подвергаются неблагоприятному воздействию капризов природы. Но чаще всего неприятности происходят по вине человека. Например, при земляных работах или сдвигах грунта, среди самых частых причин повреждений можно назвать следующие: старение или окончание расчётного срока эксплуатации, перенапряжение, тепловая перегрузка, коррозия, неквалифицированная прокладка кабеля, дефекты производства, а также дефекты, возникающие при транспортировке и хранении.

1. Короткое замыкание
   Поврежденная изоляция приводит к низкоомному замыканию двух или более проводников в месте повреждения.
2. Замыкание на землю/ короткое замыкание на землю
   Повреждения могут возникать из-за замыкания на землю (низкоомное соединение с потенциалом земли) индуктивно заземленной сети или изолированной сети, и/или из-за короткого замыкания на землю заземленной сети. Еще один вид повреждения — двойное замыкание на землю, характеризующееся двумя замыканиями на землю на разных проводниках с отдельно расположенными начальными точками.
3. Обрывы кабеля
   Механические повреждения и движение земной поверхности могут вызвать обрывы одного или нескольких проводников.
4. Заплывающие повреждения
   Зачастую повреждение не стабильно, носит эпизодический характер и зависит от нагрузки на кабель. Причиной может быть высыхание кабелей с масляной изоляцией при низкой нагрузке. Еще одна причина — частичный разряд вследствие старения или электрического триинга в кабелях с полимерной изоляцией.
5. Повреждения кабельной оболочки
   Повреждения внешней кабельной оболочки не всегда ведут к немедленному выходу кабельной линии из строя, но с течением времени могут вызывать повреждения кабеля, в частности, из-за проникновения влаги и повреждений изоляции.

Один участок может состоять из отрезков различных типов кабелей, особенно в густонаселённых местах с большим скоплением инженерных коммуникаций. Используются кабели с полимерной изоляцией или пропитанной бумажной изоляцией. На практике повреждения кабеля приходится определять на всех уровнях напряжения — как в низковольтных, так и в средне- и высоковольтных системах. Поэтому для каждодневного использования целесообразно применять оборудование для поиска повреждений кабеля, разработанное для средне- и высоковольтного диапазона, однако с таким же успехом могло бы использоваться и в низковольтных системах.

Поиск повреждений кабеля в нестандартных ситуациях к содержанию

Методика поиска повреждений кабеля предполагает следующий логический порядок выполнения действий в четыре этапа: При анализе повреждения устанавливаются характеристики дефекта и определяется дальнейшие действия. При предварительной локализации дефекта определяется место дефекта с точностью до одного метра. Далее выполняется точная локализация места повреждения, чтобы по возможности ограничить объем экскавации грунта и минимизировать время ремонта.

1. анализ повреждения;
2. предварительная локализация
3. идентификация кабелей
4. точная локализация

Повреждения кабеля необходимо локализовать быстро и точно, чтобы обеспечить условия для последующих ремонтных работ и ввода линии в эксплуатацию. Как можно быстрее и как можно точнее: главное — правильно выбрать метод измерения!

При работе с протяжёнными кабельными линиями может случиться так, что распространённый метод импульсной рефлектометрии окажется непригодным по причине слишком сильного угасания измерительного импульса или его отражения. Здесь на помощь может прийти метод импульсного тока (ICM). Для поиска заплывающих, т.е. нерегулярных и зависящих от напряжения повреждений – отлично подходит метод затухающего сигнала (Decay).

В случае, если наиболее распространённые методы определения мест повреждений кабеля, такие как метод импульсной рефлектометрии (TDR) или метод вторичного импульса/мультиимпульсный метод (SIM/MIM) оказались неэффективными, причиной может быть слишком сильное угасание измерительного сигнала на больших расстояниях, существенно усложняющее оценку импульса. Другой причиной может стать высокая ёмкость кабеля, препятствующая импульсному разряду, используемому в методе SIM/MIM, поскольку при выполнении SIM-измерения емкость импульсного конденсатора должна значительно превышать ёмкость кабеля. Поэтому в случае очень длинных кабелей рекомендуется использовать другой метод, а именно — метод импульсного тока ICM (Impulse Current Method).

Первая возможность — с помощью импульсного генератора с замкнутым импульсным переключателем зарядить кабель постоянным током до напряжения пробоя, что позволит использовать собственную ёмкость кабеля. Это повысит потенциальную ёмкость импульса. Тогда расстояние от импульсного генератора до повреждения импульсная энергия будет преодолевать не самостоятельно, а «переноситься» ёмкостью кабеля. Кроме того не требуется учитывать время ионизации, как в случае с импульсами.

Обнаружение повреждения с помощью импульсов тока к содержанию

При использовании метода импульсного тока в кабель подается импульс напряжения, чтобы в месте повреждения спровоцировать пробой. Этот пробой приводит к возникновению переходной волны, которая несколько раз проходит между местом повреждения и концом кабеля. При этом в каждой точке отражения она меняет свою полярность, поскольку в обоих случаях речь идет о низкоомных соединениях.

На основании интервала времени, с которым повторяется это отражение, можно определить расстояние до места повреждения (l=t*v/2 — измерительный кабель). Такой метод лучше всего предназначен для работы с длинными кабелями, поскольку распространяющийся по кабелю импульс очень широк (высокая энергия импульса).

У коротких кабелей множественные отражения накладываются друг на друга, что не позволяет определить временной интервал. Однако при использовании с длинными кабелями метод импульсного тока даёт хорошие результаты предварительной локализации дефектов.

Для анализа переходного импульса служит индуктивный датчик, регистрирующий ток в кабельной оболочке. Сигналы датчика отображаются с помощью импульсного рефлектометра (приборы BAUR серии IRG). На основании интервала времени между вторым и третьим, или между третьим и четвертым импульсом можно рассчитать расстояние. Для этого пользователю необходимо лишь отметить два следующих друг за другом пика или фронта отображаемой прибором IRG переходной волны. Расстояние от генератора импульсного напряжения до места повреждения равняется разнице рассчитанных прибором расстояний в метрах до обоих пиков (см. рис. ниже).

Расстояние до повреждения наглядно определяется по графику программного обеспечения импульсного рефлектометра. Чтобы на экране были отображены по возможности все пики этой переходной волны, диапазон расстояния импульсного рефлектометра IRG следует настроить таким образом, чтобы он в несколько раз превышал длину кабеля.

Метод затухающего сигнала к содержанию

Для трудно обнаруживаемых повреждений и, прежде всего, для повреждений, возникающих при высоких напряжениях подходит метод затухающего сигнала.

Большинство повреждений средне- и даже высоковольтных кабелей можно определить с помощью стандартного импульсного напряжения до 32 кВ. Однако в случае периодически возникающих повреждений (заплывающих повреждений) может произойти так, что это напряжение является недостаточным для возникновения пробоя и не даёт возможности достоверно определить место повреждения. Тогда добиться цели позволит метод затухающего сигнала (метод Decay).

При использовании данного метода кабель подключается к источнику испытательного напряжения и его ёмкость «заряжается» до тех пор, пока воздействующее напряжение не приведет к пробою.

В случае использования метода затухающего сигнала, импульсный рефлектометр выполняет оценку волны напряжения, осциллирующей после пробоя между источником напряжения и местом повреждения. В качестве датчика используется емкостный делитель напряжения.

Оценка полученных данных также проста, как и при использовании метода ICM, выполняется с помощью импульсного рефлектометра IRG. На диаграмме оценки пользователь отмечает два следующих друг за другом положительных пика напряжения, фронта кривой напряжения или, например, две точки прохождения кривой через нуль и считывает расстояние. Разница этих двух значений, деленная на 2, за вычетом длины измерительного кабеля образует расстояние до повреждения.

Поскольку у источника генератора высокий выходной импеданс, напряжение отражается только в месте повреждения, прибор самостоятельно рассчитывает отображаемое расстояние по заданной формуле.

Как и при использовании метода импульсного тока, настройки для отображения результата должны быть сделаны таким образом, чтобы зона отображения в несколько крат превышала длину кабеля. Это позволит показать несколько осцилляций.

Дифференциальный метод сравнения к содержанию

Ещё один проверенный метод определения повреждений кабельных линий – это дифференциальный метод сравнения.

Дифференциальный метод сравнения или дифференциальный метод относится к методам предварительной локализации повреждений кабеля. Используется в разветвленных электросетях, где стандартные рефлектометрические методы не могут дать необходимых результатов. Этот метод позволяет выполнять предварительную локализацию высокоомных и заплывающих повреждений. Название «дифференциальный метод сравнения» происходит от того, что выполняется сравнение двух параллельно полученных ICM-графиков, возникающих после подачи импульсной волны. Для этого генератор импульсной волны одновременно подсоединяется к поврежденной и к исправной фазе. Измерение методом импульсного тока выполняется один раз без перемычки и второй раз — с установленной в конце кабеля перемычкой между исправной и поврежденной фазой.

Если повреждение расположено на главной жиле между генератором и перемычкой, измерительный прибор выдаёт расстояние от перемычки до места повреждения. Однако если повреждение расположено на ответвлении, то измерение показывает расстояние от перемычки до начала этого ответвления.

По причине сложности и трудоемкости процесса реализации данного метода, он используется относительно редко – только в случае нечасто встречающихся разветвленных средневольтных сетей.

В оборудовании BAUR используются все современные методы измерения с максимальным уровнем поддержки в процессе поиска повреждений.

Повреждение кабеля, обрыв: поиск места повреждения кабеля, проверка на обрыв

Повреждение кабеля, кроме обрыва, часто проявляется в пробое изоляции и коротком замыкании. В любом случае понадобится поиск места повреждения кабеля, чтобы восстановить электроснабжение в сети. Явное место обрыва несложно найти даже человеку не имеющему специальных знаний. Но что делать, если кабель проложен в стене, полу или вообще под землей?

Определение обрыва кабеля стоит доверить профессионалам «ИНЖ Сервис». Мы владеем методиками, умеем устранять причину, а также располагаем всем необходимым для этого оборудованием. Многолетний опыт работы, регулярное совершенствование знаний позволяют специалистам выполнять работы качественно и в минимальные сроки.

Причины повреждения и обрыва кабеля

К сожалению, даже своевременная замена электрических сетей не гарантирует, что обрыв кабеля не произойдет и, уж тем более, не защищает от его повреждения. Причины, при этом, самые разнообразные: однофазное или двухфазное короткое замыкание, обрыв жилы или же короткое замыкание между фазами, механическая порча в ходе каких-либо строительно-монтажных работ и прочие негативные факторы.

Как производится поиск?

Для того чтобы найти обрыв или повреждение кабеля специалисты электролаборатории, занимающиеся решением таких вопросов, применяют различные приборы, например кабелеискатели, трассоискатели, металлоискатели, а также современные мультисканеры и прочие устройства. Это специальное оборудование выводит поиск обрыва или повреждения кабеля на качественно новый уровень.

Не стоит проводить поиск повреждения кабеля самостоятельно. Во-первых: это опасно. Во-вторых: даже если Вы и вычислите это место, все равно понадобиться специализированная помощь для устранения неполадки.

Специалисты проводят измерение сопротивления изоляции и выполняют анализ состояния изоляции. Затем можно будет сделать вывод о типе повреждения и при помощи прибора провести предварительное выявление расстояния до изъяна.  Обнаружение обрыва кабеля иногда требует дожига (прожига) с помощью специализированных установок.  После того, как повреждение найдено, Ваше присутствие необязательно — мы выполним оставшиеся работы под ключ, в том числе, оформим доступ в ТП. 

Методы поиска

Определение места повреждения кабеля – вопрос, который интересует всех: владельцев обесточенных квартир, строителей, которые хотят заменить поврежденный кабель в стене. Поиск кабеля необходим и для того, чтобы не повредить его во время ремонтных работ, а также для соблюдения безопасности. Повреждение кабеля чревато серьезными последствиями, поэтому понимание того где именно проходит силовой кабель – полезное знание необходимое всем пользователем сети, в том числе и владельцу жилья.

Существуют различные методы поиска точного местонахождения повреждения в силовом кабеле. Из них следует выделить индукционный и акустический метод. Для определения глубины залегания существует отдельная методика. В любом случае, проверка кабеля на обрыв происходит на основании навыков и знаний, которыми владеют специалисты компаний занимающихся электрокоммуникациями. Без богатого опыта и знаний любые приборы и методики будут бессильны.

Профессиональные услуги поиска места повреждения кабеля позволяют максимально оперативно устранить неисправность и пустить подачу тока по сетям. А это значит, что можно будет продолжить ремонтно-строительные работы, возвратиться к нормальному ритму жизни и снова пользоваться всеми благами цивилизации.

Индукционный метод поиска повреждений кабеля :: Ангстрем

С помощью индукционного метода поиска локализуются обрывы жил, замыкания жила-жила, жила-оболочка, двух- и трехфазные замыкания устойчивого характера при различных значениях переходного сопротивления в месте дефекта. Основные принципы поиска индукционным методом, изложенные в статье реализуются с применением специализированного оборудования. Указанные в статье конкретные величины параметров получены при использовании поискового оборудования семейства КП-100К, КП-250К и КП-500К производства компании «АНГСТРЕМ» (применение иного оборудования с использованием указанных в статье величин параметров может оказаться безуспешным). Для всех видов повреждений перед началом ОМП (определение места повреждения) определяют и размечают трассу кабеля.

Поиск обрыва жилы

Генератор поисковый подключается к кабельной линии по схеме «оборванная жила-броня» — Рис. 1 (а)

Рис.1 — Непосредственное подключение генератора по схеме «оборванная жила — броня»

Этот вариант поиска использует наличие распределенной емкости кабельной линии. Сигнальный ток генератора протекает через подключенную к нему поврежденную жилу, распределенную емкость кабеля и броню кабельной линии. При удалении от начала кабеля ток в подключенной жиле постепенно убывает из-за ответвления на распределенную по длине емкость. Соответственно интенсивность поля, вокруг кабеля, при удалении от точки подключения к генератору также убывает. Напряженность магнитного поля над кабелем в месте обрыва становится нулевой. Характер изменения магнитного поля вдоль кабельной линии показано на Рис. 1 (б).

Как видно из графика точность определения места обрыва невысока. Чтобы уменьшить погрешность определения места обрыва целесообразно подключать генератор поочередно к разным концам поврежденной жилы, проводя поиск на участке, к которому подключен генератор.

Для увеличения напряженности магнитного поля над кабельной линией, необходимо увеличить ток, протекающий по кабелю. Это позволит более четко отслеживать сигнал. Увеличения тока можно добиться уменьшением емкостного сопротивления, либо увеличением частоты генератора. Уменьшить емкостное сопротивление можно увеличив погонную емкость кабеля параллельным соединением нескольких жил кабеля.

Для повышения точности определения места повреждения можно рекомендовать следующую последовательность действий. Генератор подключают к одному концу кабеля. Следуют вдоль трассы, контролируя уровень сигнала на приемнике. При уменьшении сигнала до определенного уровня, например, до 5 ед. отмечают на трассе эту точку. Затем генератор подключают к другому концу кабеля и повторяют процедуру. Расстояние между двумя отмеченными точками с одинаковым уровнем сигнала делят пополам. Это и будет наиболее вероятная точка обрыва.

Поиск междуфазного повреждения

При стандартной по глубине прокладке кабеля этот вид повреждения как правило не вызывает затруднений в его локализации.Генератор для поиска повреждений кабеля подключается к двум замкнутым в месте повреждения жилам кабельной линии по схеме, показанной на Рис. 2.

Рис.2 — Схема подключения генератора к двум поврежденным жилам кабельной линии в случае их короткого замыкания.

Сигнальный ток генератора протекает непосредственно по поврежденным жилам кабельной линии во встречных направлениях. Как известно в этом случае магнитное поле, создаваемое током обратно пропорционально квадрату расстояния от кабеля. Генератор при поиске включен в режиме непрерывной генерации. Поиск производится на минимальной частоте — 480 Гц. Эта частота оптимальна с точки зрения минимизации потерь и наводок на соседние коммуникации и позволяет локализовать междуфазные повреждения на расстояниях в несколько километров.

Перед началом поиска повреждения необходимо выбрать и задать минимальный ток генератора, при котором приемник уверенно принимает сигнал генератора на максимальной чувствительности. Реализация этого правила требует наличия двух операторов. Один из операторов регулирует уровень сигнального тока, пошагово повышая его и одновременно фиксируя его стабильность. Второй оператор, находящийся над трассой кабеля в зоне повреждения с приемником ПП-500А или ПП-500К, фиксирует момент появления сигнала достаточного для уверенного поиска. На практике достаточно сигнального тока, обеспечивающего при максимальной чувствительности приемника уровень сигнала в 25…50% полной шкалы его индикатора. Хотя решающим в выборе может быть личный опыт оператора. Например, для кабеля ААБ сечением 50 кв.см, проложенного на глубине 70 см при частоте генератора 480 Гц и небольшом расстоянии от места подключения генератора до повреждения достаточно тока 100…200 мА. Работа на частоте 9796 Гц требует существенно большего тока.

Если выбранный сигнальный ток остается стабильным, значит, сопротивление в точке повреждения кабеля не изменяется под воздействием протекающего тока. Это гарантирует успех поиска не зависимо от величины переходного сопротивления в точке повреждения — стабильность сопротивления дефекта здесь ключевой фактор. В случаях, когда замыкание произошло в результате аварии его сопротивление, как правило, близко к нулю и достаточно стабильно. Повреждения обнаруженные в процессе испытания могут иметь очень большие сопротивления. Если это сопротивление не меняет свою величину при протекании тока от поискового генератора и приемник обладает достаточной чувствительностью, то для локализации места повреждения можно применять индукционный метод поиска (без прожига). Однако элементарный расчет показывает, что такая ситуация возможна только для достаточно низких переходных сопротивлений.

Кроме того, минимальный сигнальный ток позволяет минимизировать сигнал, наведенный на близко расположенные коммуникации и помехи на приемник от этих коммуникаций.

Если в месте повреждения есть электрический контакт поврежденной жилы с оболочкой желательно устранить его, например, воздействуя на ненужный контакт высоковольтным импульсом.

При движении оператора с приемником вдоль трассы кабельной линии уровень принимаемого сигнала будет периодически уменьшаться и увеличиваться. Это объясняется наличием повива (скрутки) жил кабельной линии. Из-за повива жил и взаимовлияния магнитных полей от двух противоположно направленных токов в жилах вокруг кабеля возникает результирующее спиральное поле («твист-эффект»). На индикаторе приемника это и будет проявляться периодическим изменением сигнала с шагом повива. На Рис. 3 (а) показаны повив двух короткозамкнутых жил кабельной линии и токи в них. На Рис.3 (б) приведен график уровня сигнала при движении с горизонтально расположенной катушкой приемника вдоль трассы кабельной линии. На Рис.3 (в) показано распределение магнитных полей от двух свитых жил в разрезе А–А и В–В кабельной линии. При вертикальном расположении поисковой катушки слышимость также периодически изменяется из-за скрутки, рис. 3 (г). В точке повреждения может быть, как увеличение, так и уменьшение уровня сигнала. Это зависит от ориентации жил в месте повреждения. После прохождения места повреждения уровень сигнала снижается до нуля, периодически меняющийся сигнал обусловленный шагом скрутки отсутствует. Наличие сигнала скрутки до места повреждения и отсутствие после — главный признак, позволяющий точно локализовать место междуфазного повреждения. Следует помнить, что сигнал с шагом повива будет наблюдаться при глубине прокладки кабеля не превышающей шаг повива более чем на 20…50%.

Рис.3 — Изменение сигнала кабельной линии из-за повива

На рис. 4 показана кабельная линия с муфтой и участком, имеющим увеличение глубины залегания. Вверху приведена зависимость интенсивности магнитного поля кабельной линии от длины. Над муфтами и другими неоднородностями кабельной линии интенсивность магнитного поля изменяется. Непосредственно над муфтой уровень сигнала увеличивается за счёт большего расстояния между жилами в муфте. Длина интервала с максимальным уровнем сигнала увеличивается относительно шага скрутки кабеля (c>d, рис. 4). За муфтой сигнал опять меняется по уровню с шагом скрутки. По этим признакам определяется место расположения муфты на кабеле. В местах, где кабельная линия плавно уходит на большую глубину наблюдается плавное уменьшение интенсивности магнитного поля. В местах, требующих особой защиты кабельной линии от механических повреждений, кабель прокладывают в металлических трубах. В этих случаях из-за экранирования наблюдается значительное ослабление интенсивности магнитного поля. В месте короткого замыкания между жилами кабельной линии ток от индукционного генератора меняет свое направление, структура магнитного поля вокруг кабеля изменяется, и компенсация от жил проявляется более слабо. Поэтому над местом повреждения интенсивность магнитного поля увеличивается (Рис. 4), а после прохождения места повреждения плавно уменьшается, при этом сигнал от шага скрутки практически не наблюдается.

Рис.4 — Кабельная линия с неоднородностями и распределение магнитного поля по длине

Трудности при локализации междуфазного повреждения возникают, когда кроме основного полезного сигнального тока протекающего по жилам кабеля присутствуют, так называемые, токи растекания. Эти токи возникают, если кроме основного пути для тока (генератор — жила 1 — повреждение — жила 2 — генератор) существуют пути утечки тока на «землю». Например, в месте повреждения есть утечка или замыкание на оболочку и броню. Ток растекания в отличие от сигнального является током одиночного проводника. Поле, создаваемое таким током, убывает обратно пропорционально расстоянию от кабеля в то время как поле сигнального (ток пары проводников) обратно пропорционально квадрату расстояния. Понятно, что в таком случае токи растекания даже значительно меньшие сигнального могут создать поле «забивающее» полезное поле сигнального тока. Радикально решить эту проблему можно ликвидировав замыкание или утечку в месте повреждения и разорвав все связи кабеля с землей. Однако если кабель имеет не одно повреждение и заземленные муфты такое решение проблематично.

Поиск места повреждения кабеля, определение короткого замыкания и обрыва кабеля

Повреждение кабеля

В результате ухудшения общего состояния кабельной линии (износ, повреждение изоляции, нарушение технологий изготовления и прокладки) велика вероятность возникновения короткого замыкания «на землю» фазы или же короткого замыкания межфазного. При возникновении аварийных ситуаций необходимо выполнять поиск обрыва кабеля. Выбор метода, при помощи которого производится определение места повреждения кабеля, напрямую зависит от характера имеющегося повреждения и сопротивления (переходного) в повреждённом месте. К тому же, зависит и от условий нахождения кабеля — нужно производить поиск кабеля в земле или на открытом участке. Для определения характера повреждения кабеля используют мегаомметр.

Методы определения места повреждения силового кабеля

Поиск трассы кабеля и имеющихся повреждений кабельных линий выполняют следующими методами:

• импульсным;
• емкостным;
• колебательного разряда;
• акустическим;
• индукционным.

Определение места повреждения кабеля

Импульсный метод используют, выполняя поиск обрыва силового кабеля при любом характере повреждения, кроме заплывающего пробоя, переходное сопротивление при этом – не больше 150 Ом. Отыскание повреждения кабеля импульсивным методом основывается на измерении временного интервала между моментами осуществления подачи импульса переменного тока и приёма импульса, отражённого от места повреждения. Учитывая то, что скорость, с которой распространяются импульсы в КЛ низкого и высокого напряжения является постоянной величиной и составляет 160м/мкс, установив время пробега импульса до повреждённого места и обратно, можно установить расстояние до участка с повреждением.

Ёмкостный метод даёт возможность произвести поиск места повреждения кабеля, основываясь на измерении ёмкости жилы, которая оборвана при помощи моста тока (переменного или постоянного).

Метод колебательного разряда используется тогда, когда необходимо произвести поиск повреждения силового кабеля при заплывающем пробое. Измерение осуществляется при подаче на повреждённую жилу напряжения от кенотронной установки для испытаний, плавно повышаемого до напряжения пробоя. В кабеле при пробое возникает разряд, имеющий колебательный характер. Расстояние до повреждённого участка определяется периодом колебаний, распространение электромагнитной волны в кабеле происходит с постоянной скоростью. Для проведения измерений используется рефлектометр РЕЙС-105Р.

Установка для прожига кабеля

Суть акустического метода, при помощи которого проводится поиск скрытых коммуникаций и мест их повреждений заключается в создании в точке повреждения искрового разряда с прослушиванием звуковых колебаний, которые вызвал данный разряд, возникшим над точкой повреждения. Данным методом выполняют поиск короткого замыкания в кабеле при любых видах повреждений, если соблюдено следующее условие: возможность создания электрического разряда в повреждённом месте. Устойчивый искровой разряд создаётся при величине переходного сопротивления, превышающей в повреждённом месте 40 Ом.

Определение места короткого замыкания индукционным способом применяется довольно широко и обеспечивает высокую точность результатов. Основан данный метод на улавливании магнитного поля при пропускании тока высокой частоты по кабелю. Метод применяется в тех случаях, когда в точке повреждения можно образовать электрическое соединение жил (одной или двух) при малом переходном сопротивлении.

Специалисты компании «Лаб-электро» имеют все необходимое оборудование, опыт и разрешительные документы для определения мест повреждений силовых кабелей. Обращайтесь по тел.: (495) 669-40-84 Далее, после определения места повреждения, следует ремонт силового кабеля, с чем мы тоже можем помочь!

Поиск обрыва провода периметра — Роботы-газонокосилки

Как найти обрывы в цепи установки проводов?

Как найти обрыв провода в земле для робота-косилки?

Проверить кабель робота газонокосилки можно с помощью радиоприемника:

Отсоедините один конец провода периметра  (зеленый разъем) от базовой станции.

Убедитесь, что плата базовой станции / переключатель периметра / блок питания включены. Установите радиоприемник на частоту AM, чтобы трансляция не обнаруживалась, а слышались только «белые» шумы. Начните ходить по проводу (край, который все еще соединен с платой, а не край, который был отсоединен). Откройте антенну и пройдите по периметру, пока антенна находится близко к земле. Пока провод не порван, будут последовательные звуковые сигналы, которые прекратятся в том месте, где находится перерезанный провод.

 

С помощью прибора:

«Поиск повреждения кабеля» — статья компании ООО «ЭЛ-сервис»

Повреждения кабеля — очень серьезная проблема, которая может привести к аварийным ситуациям, короткому замыканию и даже пожару. Изношенность электрических линий, особенно в странах СНГ составляет более 70 %, также это касается и крупных городов. Поэтомучем быстрее будет найден и изолирован поврежденный участок, тем быстрее потребители смогут снова получить электричество в своих домах. На рынке работает много фирм, которые предоставляют услуги поиски поврежденных кабелей. Эл-сервис — одна из лучших.

Во время монтажа, а также эксплуатации кабельных трас, могут возникнуть различные ситуации, которые приводят к повреждению линий и нарушению нормальной работы сети электроснабжения. Есть компании, неограниченные в средствах, которые в случаях повреждения, просто прокладывают новую линию. Это крайне невыгодно с экономической точки зрения и занимает очень много времени. Уже давно подсчитано, что поиск и устранения повреждения кабеля на линии обходиться гораздо дешевле, чем долгий процесс новой прокладки.

Компания ООО «Эл-Сервис» выполнит поиск и устранения такой проблемы в кратчайшие сроки. Квалифицированные работники со всей скрупулезностью проведут все необходимые экспертизы и замеры и предоставят отчет, а также окажут консультацию по вопросам дальнейшей эксплуатации линии. Цена за такую услугу у Эл-сервис очень лояльная. Специалисты способны обнаружить любой вид повреждения, вне зависимости от того, возник он в процессе эксплуатации или монтажа. Кабельные повреждения условно можно поделить на такие виды:

• Короткое замыкание. Когда одна или несколько жил кабеля замыкаются между собой, на землю, либо оболочку. Одно из самых опасных видов повреждений.
• Обыкновенный обрыв линии. Он бывает как частичным, так и полным.
• Плавающий характер пробоя. Бывает при определенном значении напряжения.

Компания ООО «Эл-Сервис» использует только самые эффективные и щадящие способы поиска повреждения кабеля, которые не приводят к разрушению оболочки. Методы тестирования кабеля бывают такими:

• Импульсный метод.
• Метод колебательного разряда.
• Эхолокация, или акустический метод.
• Индукционный метод и метода разности потенциалов.

Во время проведения всех испытаний, электрическая линия полностью отключается от источника. Одним из самых точных и наиболее передовых методов — является акустический. Он обеспечивает точность до 0.2м. Поэтому если возникла необходимость найти поврежденный кабель, Эл-сервис с радостью окажет такую услугу.

Поиск мест повреждения кабеля | ПЭБ

Описание услуги:

При эксплуатации кабеля могут возникать повреждения различного характера и происхождения. Их причиной могут являться дефекты при изготовлении кабеля, нарушения правил его эксплуатации, а также некачественные монтажные работы. Специалисты нашей компании выезжают на объект и с помощью специализированных приборов осуществляют поиск мест повреждения кабеля.

Кому необходима услуга:

Юридическим и физическим лицам, которые эксплуатируют, обслуживают, а также занимаются монтажом, прокладкой и ремонтом кабельных линий.

Для чего необходима услуга:

Выход из строя кабельной линии приводит к большим экономическим потерям. При большой плотности прокладки кабельных линий, что характерно для крупных городов, точное определение места повреждения на кабельной трассе под силу лишь профессионалам. Своевременный поиск мест повреждения кабельной линии способствует быстрому восстановлению рабочего режима.

Преимущества работы с нами:

1.Поиск мест повреждения кабеля с бумажно-масляной изоляцией и с изоляцией из сшитого полиэтилена, напряжением до 10 кВ:

• однофазное повреждение;

• междуфазное повреждение;
• обрыв всех жил кабельной линии;

• повреждение оболочки.

2. Оперативный выезд на объект.

3. Проведение работ не только в Самарской области, но и за ее пределами (Волгоград, Казань, Выборг, Оренбург, Тбилиси).

4. Выполнение работ квалифицированным персоналом.

5. Высокий уровень качества предоставляемых услуг.

Схема работы с клиентами:

• Для того чтобы заказать услугу по поиску места повреждения кабеля, Вы можете обратиться к

• специалисту по работе с клиентами.
• Мы заключаем с Вами договор на оказание услуги.

• После заключения договора специалисты электролаборатории определяют точное местонахождение повреждения кабеля.

Стоимость:

Для индивидуального расчета стоимости Вы можете обратиться к нашим специалистам.

Определение места повреждения кабеля | Как найти шаг за шагом

Определение места повреждения кабеля требуется в любом месте, где неисправность не видна. Это многоэтапный процесс, который необходимо выполнять как можно быстрее и безопаснее, чтобы клиенты не остались без электричества.

Шаг 1 — Изоляция кабеля и меры безопасности. Повреждение кабеля почти всегда является постоянным. Это означает, что рассматриваемый кабель будет в состоянии, при котором сработают защитные устройства на одном или обоих концах кабеля, в результате чего кабель останется изолированным, но НЕ заземленным (заземленным).
Первая задача для уполномоченного лица на объекте — сделать кабель безопасным, изолировав, а затем заземлив один или оба конца. Только после выполнения соответствующих процедур любому персоналу, проводящему тестирование, разрешается приближаться к кабелю и готовиться к тестированию.

Шаг 2 — Идентификация кабеля: при наличии нескольких кабелей тестирование идентификации кабеля определит правильный кабель для работы. Четкая идентификация перед разрезанием кабеля является неотъемлемой частью безопасного технического обслуживания.Любые ошибки здесь могут быть фатальными и могут привести к более длительным отключениям подключенных клиентов.

Шаг 3 — Отслеживание кабеля: при первой прокладке подземного кабеля он редко проходит по прямой линии, а скорее извивается по глубине и направлению. Отслеживание кабеля выполняется для определения того, что маршрут кабеля следует ожидаемому пути.

Шаг 4 — Идентификация неисправности: первая основная процедура — определить фазу, на которой возникла неисправность, и определить, имеет ли она низкое или высокое сопротивление.Этот тест определяет правильную технику и, следовательно, оборудование, необходимое для диагностики неисправности. Обычно, если обнаруживается, что неисправность ниже 100 Ом, можно использовать импульс низкого напряжения (например, 40 В) от TDR (рефлектометра во временной области). Если неисправность связана с более высоким сопротивлением (> 100 Ом), импульс низкого напряжения, скорее всего, его не увидит. Для таких типов неисправностей потребуется импульсный генератор (ударный разряд) или мост.

Шаг 5 — Предварительное определение места повреждения: для быстрого и эффективного определения места повреждения кабеля необходим надежный и точный метод предварительного определения местоположения.Правильное предварительное определение местоположения может определить место повреждения с точностью до нескольких процентов длины кабеля и сократит время точного определения местоположения до нескольких минут.
Помните:
а) Если это короткое замыкание с низким сопротивлением, предварительное определение местоположения, вероятно, будет единственным средством, необходимым для определения местоположения.
b) Для повреждений с высоким сопротивлением следует использовать методы ARM (отражение дуги) или ICE (импульсный ток) на SWG (генераторе импульсных волн). В качестве альтернативы для предварительного определения местоположения можно использовать метод затухания с помощью тестера постоянного тока высокого напряжения (мост).

Шаг 6 — Точное определение: Вышеупомянутые методы испытаний позволяют оператору находиться на расстоянии 5% от места повреждения. На этом этапе необходимо использовать методы акустической локализации, чтобы сузить погрешность до 0,1%. В большинстве случаев генераторы ударного разряда используются для точной локализации в сочетании с акустическими методами. Разряд создает громкий шум, который точно определяется с помощью акустического устройства определения местоположения. Это устройство оценивает разницу во времени между акустическим сигналом (скоростью звука) и электромагнитным (почти со скоростью света) импульсом ударного разряда.Когда указывается самая короткая разница во времени, выявляется точное место неисправности.

Шаг 7 — Повторное включение кабеля: после завершения всех испытаний и ремонта документация по безопасности / тестированию аннулируется, и кабель возвращается соответствующим операторам, чтобы они могли восстановить его и снова включить нагрузки на только что отремонтированный кабель.

Важный совет при использовании оборудования ARM / ICE:
Во время описанной выше процедуры тестирования важно найти наименьшее напряжение, которое вызовет появление неисправности.Нельзя мириться с идеей «нагружать кабель максимально доступным напряжением (Джоулей)». Например, если повреждение кабеля привело к повреждению поврежденной фазы, которое при постепенно увеличивающемся напряжении ARM составляет 6 кВ, то, как только это будет установлено, только на 10% больше напряжения, скажем 7 кВ, необходимо приложить для Положение места неисправности отображается четко. Что принципиально важно, так это то, что используемая энергия пропорциональна квадрату напряжения (V2). Если по кабелю неоднократно «ударяют с очень высоким избыточным напряжением», другие точки повреждения арендодателя могут привести к повреждению изоляции, что приведет к дополнительным соединениям / ремонтам, необходимым на кабеле.

A Датчик для обнаружения обрыва стального троса на основе принципа магнитного концентрирования.

Датчики

(Базель). 2019 сен; 19 (17): 3763.

Колледж машиностроения и автомобильной инженерии, Технологический университет Циндао, Циндао 266520, Китай

Поступило 14 августа 2019 г .; Принято 29 августа 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0 /).

Реферат

Электромагнитные испытания — это наиболее широко используемый метод контроля стальных канатов. Как один из подходов к электромагнитному обнаружению, метод рассеяния магнитного потока (MFL) лучше всего подходит для обнаружения обрыва проводов. Однако существующие датчики, основанные на методе MFL, по-прежнему имеют некоторые проблемы. (1) Размер возбудителя с постоянным магнитом обычно определяется исходя из опыта или грубых расчетов, и для его характеристик возбуждения недостаточно анализа глубины; (2) Поскольку обнаруживаемый угловой диапазон для одного компонента Холла ограничен, матрицы датчиков Холла часто используются в конструкции датчиков MFL, что увеличивает сложность последующей обработки сигналов из-за широкого использования компонентов Холла; (3) Хотя новый датчик магниторезистивного сопротивления имеет более высокую чувствительность, его трудно применять на практике из-за необходимости отрыва на микронном уровне.Для решения этих проблем разработан датчик обнаружения обрыва стальных канатов, основанный на принципе магнитной концентрации. Круговой многоконтурный возбудитель с постоянными магнитами (CMPME) используется для намагничивания троса до насыщения. Традиционная матрица датчиков Холла заменена магнитным концентратором для сбора MFL. Структурные параметры CMPME оптимизированы, а производительность магнитного концентратора анализируется методом конечных элементов.Наконец, эффективность разработанного датчика подтверждается экспериментом по обрыву провода. Можно четко идентифицировать 1–5 внешних обрывов проволоки, изготовленных вручную на тросе диаметром 24 мм, что показывает большой потенциал для проверки стальных тросов.

Ключевые слова: магнитная концентрация , рассеяние магнитного потока, метод конечных элементов, обрыв проволоки, стальной канат

1. Введение

Стальные канаты имеют важное применение в шахтных подъемах, вантовых мостах, металлургии, лифтах и ​​т. Д. скоро.Они получили широкое распространение благодаря высокой прочности, небольшому весу, надежности и эффективности [1]. Поскольку канаты обычно работают в суровых условиях окружающей среды, они страдают от различных видов повреждений, таких как обрыв проволоки и износ, что влияет на безопасность производства и даже угрожает жизни рабочих [2]. Во избежание несчастных случаев в машиностроении обычно используются ручной осмотр и регулярная замена. Однако ручная проверка требует много времени и усилий, а регулярная замена обычно приводит к большим экономическим потерям.Согласно исследованию, более 70% замененных стальных канатов все еще имеют первоначальную прочность на разрыв [3]. Поэтому очень важно разработать научные и эффективные устройства для проверки стальных тросов.

Существует два типа дефектов стальных тросов: потеря площади металлического поперечного сечения (LMA) и локализованная неисправность (LF), а обрыв провода является наиболее типичным результатом LF. Среди различных методов неразрушающего контроля метод утечки магнитного потока (MFL) является наиболее экономичным и эффективным для обнаружения обрыва провода [4,5,6,7,8].Основной принцип метода MFL показан в, где постоянный магнит намагничивает часть троса до насыщения, и между тросом, магнитом и ярмом образуется замкнутая магнитная цепь. При отсутствии повреждений большая часть линий магнитной индукции проходит через внутреннюю часть троса. Когда есть повреждение, такое как обрыв провода, магнитное сопротивление поврежденного места увеличивается, и часть линии магнитной индукции выходит наружу, образуя МПС. Магнитные чувствительные элементы помещаются между полюсами магнита для восприятия сигнала MFL.Состояние троса можно определить по полученному сигналу.

Схема метода MFL.

На протяжении десятилетий многие эксперты и ученые проводили множество исследований по разработке датчиков обнаружения повреждений на основе метода MFL [9,10,11,12,13]. Цао Ю. и другие. В [9] предложен подход к обнаружению НЧ стальных тросов с использованием кольцевого массива компонентов Холла. Сеть обратного распространения (BP) используется для классификации неисправностей. Этот метод позволяет различать степень и ширину локальных дефектов.Zhang J. et al. [10] применили датчик гигантского магнито-сопротивления (GMR) для обнаружения LF и LMA каната. Благодаря использованию вейвлет-фильтрации со сжатым зондированием и нейронной сети АД повышается точность и надежность датчика MFL. Ву Б. [13] разработал датчик МПС на основе туннельного магниторезистивного устройства. Для датчика обнаруживается глухое отверстие размером 0,3 мм как по глубине, так и по диаметру. Осевое разрешение до двух соседних выемок шириной 0,2 мм датчика MFL на основе TMR может быть менее 2.5 мм. Однако размещение кольцевых массивов холловских компонентов, несомненно, увеличивает сложность обработки сигналов. Использование магниторезистивных датчиков может улучшить чувствительность датчика, но его трудно применить в реальных проверках из-за требований к микронному уровню отрыва [13]. Следовательно, разработка датчика, который может быть применен для обнаружения в реальной инженерии, а также простой и эффективный, всегда была проблемой при мониторинге состояния тросов.

Технология обнаружения магнитной концентрации представляет собой новое направление в разработке датчиков MFL. Обнаружение стальных тросов обычно требует расположения множества магнитных чувствительных элементов. Обычно для канатов большого диаметра требуются десятки магнитных датчиков, что значительно увеличивает сложность обработки сигналов на более поздних этапах. Принцип магнитного концентрирования может обеспечить обнаружение без утечек тросов большого диаметра с помощью небольшого количества магнитных чувствительных элементов [14,15].Канг и др. В [14] теоретически проанализирована возможность обнаружения магнитных концентраций. Расчетным путем доказано, что магнитный концентратор может собирать МПС и направлять его в компонент Холла через мост между концентраторами, чтобы реализовать сбор слабого потока рассеяния. В то же время он может устранить шум волновой формы проволочных тросов и улучшить отношение сигнал / шум сигнала MFL. Wang et al. [15] проанализировали характеристики магнитных концентраторов по сбору МПС с помощью моделирования методом конечных элементов и предложили структуру, которая подходит для сбора магнитного потока утечки.Структура была подтверждена экспериментами, которые в дальнейшем способствовали развитию обнаружения магнитного концентрирования.

В данном исследовании датчик, состоящий из кольцевых магнитов, ярма и магнитного концентратора, предназначен для обнаружения обрыва стальных тросов. Мы оптимизировали конструктивные параметры кольцевого многоконтурного возбудителя с постоянными магнитами (CMPME) и проанализировали производительность магнитного концентратора по сбору МПС методом конечных элементов.Наконец, предлагаемый датчик применяется в эксперименте по обнаружению обрыва провода. Индуцированный сигнал MFL можно четко распознать, а отношение сигнал / шум сигнала MFL можно улучшить с помощью дискретного вейвлет-преобразования (DWT).

Остальная часть статьи организована следующим образом. Раздел 2 описывает принцип конструкции магнитной цепи CMPME и основную теорию обнаружения магнитной концентрации. В разделе 3 с помощью моделирования оптимизируются параметры структуры возбудителя и анализируются характеристики магнитного концентратора по сбору МПС.Раздел 4 иллюстрирует экспериментальные настройки, шаги и анализ результатов. Наконец, выводы сделаны в Разделе 5.

2. Теоретические основы

2.1. Принцип конструкции CMPME

Круговой многоконтурный возбудитель с постоянными магнитами (CMPME) предназначен для намагничивания троса до насыщения с помощью кольцевого магнита. Направление намагничивания кольцевого магнита радиальное. Эта структура может сделать эффект возбуждения более однородным, и трос может легче намагничиваться до насыщения.Трехмерная структура CMPME показана на a, а двумерная структура показана на b. Эквивалентная упрощенная магнитная цепь [16] при отсутствии повреждения троса показана на c.

Схема CMPME: ( a ) Трехмерная структура; ( b ) Двумерная структура; ( c ) Эквивалентная упрощенная магнитная цепь.

В ц ,. Fm. представляет собой магнитодвижущую силу магнита; Rδ — магнитное сопротивление воздушного зазора между магнитом и поверхностью троса; RLW обозначает сопротивление воздушного зазора между внутренней и внешней торцевыми поверхностями ярма и поверхностью троса; RW — магнитное сопротивление намагниченного троса, а RL — магнитное сопротивление ярма; Φm — магнитный поток в магните; ΦLW обозначает магнитный поток воздушного зазора между ярмом и поверхностью троса; ΦW — магнитный поток внутри троса.Слабый магнитный поток, утекающий в воздух на магнитном полюсе, здесь не учитывается. Согласно закону Кирхгофа для магнитной цепи соотношение между магнитными параметрами представляется следующим образом:

RLWΦLW = Hmhm − RδΦmRLWΦLW − 12 (RW + RL) ΦW = 0

(2)

Для удобства расчета , вводится магнитная проводимость G . G определяется следующим образом:

Определение уравнений магнитной проводимости каждого участка магнитной цепи аналитическим методом, которые представлены следующим образом:

Gδ = 2πμ0lmlnDmw + 2δ / Dmw

(4)

GL = μrLπhbDmw + 2h2 + hb / лм

(6)

GLW = 4μ0Dmw2 + (δ + hm) h2lnh2δ + hm + 4μ0Dmw2 + (δ + hm) h2 + hblnh2 + hbδ + hm

где Gδ, GW, GL, GLW — магнитная проводимость, соответствующая каждому магнитному сопротивлению.Dmw — это расчетный диаметр стального стержня, равный эффективной площади металла каната. Как показано на b, lm — длина постоянного магнита в осевом направлении троса; δ обозначает воздушный зазор между постоянным магнитом и поверхностью троса; hm представляет собой радиальную толщину магнита; Lm — расстояние между двумя магнитными полюсами; h2 обозначает радиальный зазор между внутренней стороной ярма и поверхностью троса; hb — толщина стенки ярма.В соответствии с плотностью магнитного потока, которая требуется для намагничивания троса, параметры возбудителя с постоянным магнитом могут быть рассчитаны по уравнениям (2) — (7), затем оптимизированы с помощью моделирования и экспериментальных результатов и, наконец, размер возбудитель определен.

2.2. Принцип обнаружения магнитной концентрации

Обнаружение магнитной концентрации осуществляется с помощью магнитных концентраторов, изготовленных из материалов с высокой магнитной проницаемостью. Наилучший эффект обнаружения может быть достигнут путем определения подходящей формы и размера концентратора.схематическая диаграмма [14].

Схема магнитного концентрирующего детектора.

Как видно из, одиночный датчик Холла собирает компонент пространственного магнитного потока утечки, и его выходной потенциал Холла рассчитывается по уравнению (8):

VH = KHIC∬SHBZ (x, y, z) dxdy = KHICΦH (x, y, z)

(8)

где KH — постоянная, определяемая характеристиками холловской составляющей; IC — это ток, протекающий в холловской составляющей, а SH — чувствительная область холловской составляющей.Следовательно, потенциал Холла напрямую связан с зоной восприятия холловской компоненты, которая связана с магнитным потоком ΦHx, y, z.

Магнитные концентраторы добавлены с обеих сторон чувствительной поверхности холловского компонента, и его размер составляет l × w × h . Магнитный поток Φ1 между двумя концентраторами рассчитывается следующим образом:

F1 (x, y, z) = ∬S1BZ (x, y, z) dydz

(9)

Собирающий эффект магнитного поля на обоих концах намагничивания здесь игнорируется.В уравнении (9) S1 — это площадь боковых граней двух концентраторов, параллельная плоскости xoz. Если магнитный поток Φ1 полностью импортируется в компонент Холла, поскольку S1 больше, чем SH, потенциал Холла соответственно возрастет, что, в свою очередь, увеличит силу сигнала MFL.

3. Анализ конструкции сенсора с помощью конечных элементов

В качестве одного из самых популярных численных методов в настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) широко используется при моделировании магнитного поля [17,18,19].В этой статье исследуются структурные параметры CMPME и анализируются характеристики магнитного концентратора по улавливанию магнитного потока рассеяния с помощью FEM.

3.1. Моделирование основных параметров CMPME

CMPME в этой статье спроектирован для троса диаметром 24 мм. Параметры возбудителя, подлежащие определению, показаны на b. Воздушный зазор δ и осевое расстояние Lm являются наиболее важными параметрами, влияющими на эффект возбуждения [20,21].Из уравнения (4) можно узнать, что при неизменных других параметрах магнитная проводимость Gδ. будет уменьшаться вместе с увеличением воздушного зазора δ. Согласно уравнению (3) магнитосопротивление Rδ будет увеличиваться, что приведет к большему падению магнитного потенциала. Следовательно, магнитная энергия не может быть эффективно использована для намагничивания троса. Однако слишком маленький воздушный зазор не способствует прохождению троса через датчик во время процесса обнаружения. Для минимизации падения магнитного потенциала и с учетом проходимости троса оптимальным для конструкции датчика является δ = 2 мм.По принципу легкости радиальная толщина магнита hm = 10 мм и толщина стенки ярма hb = 5 мм. Из-за необходимости размещения детектирующих элементов в возбудителе выбрано h2 = 30 мм.

Для обеспечения хорошего эффекта обнаружения трос должен быть намагничен до состояния насыщения, и в случае повреждения может возникнуть достаточный магнитный поток рассеяния [4]. Кривая намагничивания троса диаметром 24 мм, измеренная лабораторным прибором, отображается в.Из рисунка видно, что необходимо обеспечить, чтобы плотность магнитного потока B каната была не менее 2,5 T.

Кривая намагничивания каната диаметром 24 мм.

Длина постоянного магнита lm = 20 мм и расстояние между двумя магнитными полюсами Lm = 160 мм, которые рассчитываются по уравнениям в разделе 2.1. Чтобы добиться идеального эффекта намагничивания, установите lm = 15 мм, 20 мм, 25 мм и 30 мм соответственно, в то время как другие размеры остаются неизменными.Создана и смоделирована трехмерная модель. представляет результат. Абсцисса представляет осевое положение троса, точка координаты 0 — это центр осевого направления возбудителя, координата 0 также является осевым центром намагниченного троса (то же самое ниже). Ордината представляет плотность магнитного потока троса. Когда lm мала, трос не может быть намагничен до насыщения, особенно в среднем положении, плотность магнитного потока троса значительно снижается.Обычно здесь требуется разместить магнитный чувствительный элемент, что повлияет на производительность обнаружения. Когда lm увеличивается, увеличивается и плотность магнитного потока троса. Когда lm = 25 мм, плотность магнитного потока в тросе достигает 2,5 Тл или более. Однако, если lm продолжает увеличиваться, плотность магнитного потока троса не сильно меняется. Это происходит из-за того, что трос достиг насыщения. Поэтому выбор lm = 25 мм является наиболее подходящим вариантом.

Плотность магнитного потока канатов с магнитами разной длины.

На поверхности троса интенсивность магнитного потока постепенно уменьшается от двух магнитных полюсов к середине датчика, образуя переходную секцию намагничивания, как показано на. Если расстояние между полюсами достаточно велико, в середине возбудителя образуется однородный участок намагничивания с нулевым магнитным потоком. Это значительно облегчит обнаружение магнитного потока рассеяния. Однако из рациональности конструкции невозможно сформировать абсолютно однородный участок намагничивания.Только соответствующее расстояние между магнитными полюсами может быть установлено для формирования относительно однородного участка намагничивания. Если расстояние между магнитными полюсами слишком мало, магнитный поток будет проходить через поверхность троса, что повлияет на эффект обнаружения. Между тем, слишком большое расстояние между магнитными полюсами приведет к увеличению веса датчика. Поэтому очень важно выбрать подходящее расстояние между магнитными полюсами.

Изменение плотности магнитного потока от магнитных полюсов к промежуточному положению возбудителя.

Оставив lm = 25 мм и другие размеры без изменений, установите Lm = 140 мм, 150 мм, 160 мм, 170 мм и 180 мм соответственно. Результаты моделирования показаны в. Из графика видно, что сечение однородного намагничивания становится все более очевидным с увеличением Lm. Кроме того, плотность магнитного потока в среднем положении меньше, а флуктуация меньше, что указывает на то, что линии магнитной индукции более однородны. Когда здесь происходит повреждение, исходный магнитный поток влияет на сигнал MFL в меньшей степени.Однако длина троса, намагничиваемого возбудителем, становится больше с увеличением Lm, в результате чего часть троса не достигает насыщения. Когда Lm = 180 мм, плотность магнитного потока троса показана в. Видно, что в среднем положении есть перепад, который показывает, что трос не пропитан. Следовательно, чтобы обеспечить хороший эффект намагничивания и сформировать как можно более однородные сегменты намагничивания, лучшим выбором будет установка Lm = 170 мм.

Плотность магнитного потока в промежуточных положениях возбудителя с разными Lm

Плотность магнитного потока троса с Lm = 180 мм.

3.2. Моделирование магнитного концентратора

Структура и размеры магнитного концентратора [15] показаны на рис. Концентратор расположен в середине разработанного датчика и состоит из магнитных собирающих колец и магнитных мостов, которые изготовлены из материала с высокой магнитной проницаемостью, такого как промышленное чистое железо, чернилоотталкивающий сплав и т. Д.Когда создается магнитный поток рассеяния, магнитное собирающее кольцо может собирать магнитный поток и передавать его на магнитное кольцо на другой стороне через магнитный мост, а вокруг троса формируется путь обнаружения в форме шеи. Компонент Холла размещается на мосту, обеспечивая прохождение большей части потока утечки через компонент Холла. Чтобы устранить шум магнитного потока утечки между жилами, длина магнитного собирающего кольца l должна составлять половину интервала между жилами [14].В данной статье датчик рассчитан на тросы диаметром 24 мм, поэтому l = 12 мм, Δh = 2 мм [14]. Внешний диаметр D1 и внутренний диаметр d1 магнитного собирающего кольца будут определяться в соответствии с отрывом. Датчик смоделирован в соответствии с указанными выше размерами. В таблице представлены различные параметры магнитного коллекторного кольца. Общая модель показана в. Канат заменяется семью стальными прядями в качестве образца для моделирования, и на образце делается излом 2 мм × 2 мм × 2 мм.

Устройство и размеры магнитного концентратора.

Общая имитационная модель.

Таблица 1

Наружный и внутренний диаметры магнитного кольца при разном отталкивании.

Отрывной	D1	d1
2 мм	38 мм	28 мм
3 мм	40 мм	40 мм	42 мм	32 мм
5 мм	44 мм	34 мм

Моделирование выполняется с магнитными концентраторами или без них соответственно.Компонент Холла расположен непосредственно над трещиной. Плотность магнитного потока холловской компоненты с разным отрывом отображается в. На рисунке правильные треугольники и перевернутые треугольники представляют собой магнитный концентратор, а квадрат и круг — отсутствие концентратора. Очевидно, что плотность магнитного потока холловской компоненты уменьшается с увеличением отрыва. В отсутствие магнитного концентратора плотность магнитного потока, индуцированная холловской составляющей, не сильно меняется после повреждения.При наличии магнитного концентратора разница в плотности магнитного потока до и после повреждения более очевидна. Это различие легче обнаруживается магнитными датчиками, что свидетельствует о хороших характеристиках концентратора при сборе сигнала MFL.

Плотность магнитного потока холловской компоненты при разном отлете.

Более того, можно обнаружить, что, когда отрыв становится больше, разница в плотности магнитного потока становится небольшой независимо от наличия или отсутствия магнитного концентратора.Поэтому отрыв должен быть как можно меньше. Однако, если отрыв слишком мал, небольшое изменение троса в осевом центре датчика будет иметь большое влияние на эффект обнаружения. Фактически, многие физические факторы могут вызвать колебания троса примерно на 2–3 мм [21], поэтому отрыв не может быть установлен слишком маленьким. Как видно из, когда расстояние составляет 4 мм, все еще сохраняется хорошее разрешение до и после повреждения в случае использования магнитного концентратора.Следовательно, в этой статье отрыв составляет 4 мм, что означает D1 = 42 мм, d1 = 32 мм.

Исследован эффект обнаружения магнитного концентратора при изменении угла между холловской составляющей и повреждением. Когда компонент Холла находится чуть выше повреждения, а повреждение и компонент Холла находятся ближе всего друг к другу, угол определяется как 0 °; Когда радиальное расстояние между повреждением и компонентом Холла самое большое, оно определяется как 180 °. Каждое изменение угла составляет 30 °, а подъем — 4 мм.Результат моделирования представлен на рисунке без магнитного концентратора, плотность магнитного потока является наибольшей при угле 0 °. Значение постепенно уменьшается с изменением угла. Когда угол больше 120 °, плотность магнитного потока холловского компонента почти равна значению без повреждений, что показывает, что холловский компонент по существу не смог определить поток магнитной утечки, создаваемый повреждением. Когда есть концентратор, плотность магнитного потока холловской компоненты не сильно меняется с изменением угла, и разница в основном находится в пределах 0.4 мТл. Это показывает, что магнитный концентратор имеет хорошие характеристики по улавливанию МПС, и на него практически не влияет угол между элементом Холла и повреждением. В целом, сбор магнитного потока рассеяния по всей окружности может быть реализован с помощью магнитного концентратора и небольшого количества компонентов Холла, а обработка сигналов может быть упрощена.

Плотность магнитного потока холловской компоненты под разными углами.

4. Эксперимент и обсуждение

4.1. Датчик, основанный на принципе магнитной концентрации

Структура конфигурации предлагаемого датчика проиллюстрирована на a. При комбинированном датчике диаметр датчика составляет 94 мм, а общая длина составляет 220 мм. Вся конструкция разделена, что удобно для монтажа. Кольцевой постоянный магнит NdFeB35 используется для намагничивания троса, магнитные свойства NdFeB35 представлены в Направление намагничивания магнита радиальное.Магнитное собирающее кольцо также выполнено в виде полукольца. На каждую пару полуколец устанавливается по одному мосту, а на каждый мост размещается по одному компоненту Холла. Материал магнитного коллекционного кольца и ярма — промышленное чистое железо DT4. Постоянный магнит, ярмо и магнитное коллекторное кольцо встроены в нейлоновую втулку. Когда датчик объединен, две половины магнита объединяются в единое кольцо для намагничивания стального троса, а магнитное собирающее кольцо объединяется для сбора MFL.Печатная плата (PCB), показанная на b, предназначена для выполнения предварительной обработки исходного сигнала. Компонент Холла и печатная плата соединены проводными клеммами. PCB подает питание на компонент Холла. Компонент Холла имеет статическое выходное напряжение, поэтому плата имеет функцию обнуления. Когда нет повреждений, с помощью регулировки скользящего реостата выход всей схемы становится нулевым. Печатная плата имеет двухкаскадную схему усиления с увеличением в 100 раз, а выходное напряжение платы является суммой выходных сигналов двух компонентов Холла.

Прототип сконструированного датчика: ( а ) Фотографический вид датчика; ( b ) Печатная плата.

Таблица 2

Свойства постоянного магнита NdFeB35.

Марка	Br	Hcb	maxBH
N35	1170–1230 mT	10.7–12.0 kOe			264 м	11,7–12,3 кГс	852–955 кА / м	33–36 MGOe

показывает систему сбора данных.Выходной сигнал компонента Холла обрабатывается печатной платой и затем подключается к интегрированной карте сбора данных PXI-6281 через распределительную коробку сигнала SCB-68 NI. Карта сбора данных имеет программируемый фильтр нижних частот, который обладает хорошей способностью подавлять явление наложения частот во время процесса обнаружения сигнала. Карта сбора данных может преобразовывать сигнал напряжения в цифровой сигнал. Программа сбора данных LabVIEW используется для получения сигнала, и сигнал отображается в реальном времени на мониторе.

4.2. Экспериментальный процесс

Оцинкованный трос 6 × 24 + FC диаметром 24 мм предназначен для обнаружения обрыва проволоки, диаметр проволоки составляет 1,1 мм, а общая длина троса составляет 5350 мм. Пять оборванных проволок, расположенных в разных положениях по окружности, вручную обрабатываются на поверхности троса. Расстояние между оборванными проводами поддерживается на уровне 250 мм, что немного больше длины предлагаемого датчика (220 мм). Как показано на, количество оборванных проводов составляет от 1 до 5 слева направо на рисунке, а размер излома каждого оборванного провода составляет 10 мм.

Как показано на, трос помещается на испытательный стенд для стального троса для проверки. На обоих концах троса есть пряжки, которые закреплены на обоих концах испытательного стенда. Рама всей установки изготовлена ​​из алюминиевого сплава, что позволяет избежать воздействия на сигналы MFL. Датчик устанавливается на тросе и фиксируется двумя заглушками, а затем фиксируется двумя скобами из алюминиевого сплава на подвижном поддоне. На внешнем конце датчика есть направляющее колесо, обеспечивающее нахождение троса в осевом центре датчика.Печатная плата фиксируется на поддоне четырьмя фиксирующими штифтами (b), а выходной сигнал печатной платы передается в распределительную коробку по кабелю буксируемой цепи. Тяговая цепь гарантирует, что линия передачи не запутается и не рассыпается, а цепь движется вместе с поддоном, чтобы гарантировать стабильность печатной платы. Мобильный поддон приводится в движение двумя направляющими рельсами, и обнаружение повреждения троса может быть реализовано с помощью движения датчика. Во время эксперимента скорость движения датчика составляет 0,25 м / с.

4.3. Экспериментальные результаты и анализ

показывает экспериментальные результаты, полученные для троса с рядом оборванных проволок. По оси абсцисс отложено расстояние перемещения датчика по тросу, а по оси ординат — амплитуда напряжения. Хорошо видно, что в сигнале есть пять скачков. Пять скачков соответствуют пяти оборванным проводам, что указывает на то, что разработанный датчик может идентифицировать 1–5 внешних оборванных проводов каната диаметром 24 мм.

Сигнал обрыва провода.

Исходный сигнал содержит шум, создаваемый схемой и внешней средой. Чтобы улучшить отношение сигнал / шум (SNR) сигнала, вейвлет-преобразование используется для шумоподавления сигнала [22,23,24].

Вейвлет Добеши третьего порядка выбирается в качестве исходного вейвлета, и одномерное дискретное вейвлет-преобразование выполняется для исходного сигнала в среде Matlab. представляет процесс шумоподавления.Можно видеть, что низкочастотный коэффициент сохраняет характеристики повреждения исходного сигнала, а шум в основном сосредоточен в высокочастотной части. Сигнал восстанавливается с использованием низкочастотных коэффициентов, а часть сигнала с высокочастотными коэффициентами отбрасывается. Очевидно, что восстановленный сигнал эффективно удаляет большую часть шума и полностью сохраняет характеристики сигнала обрыва провода, а отношение сигнал / шум сигнала MFL значительно улучшается.

4.4. Комментарий и обсуждение

Приведенные выше результаты показывают, что предлагаемый датчик может распознавать внешние обрывы троса диаметром 24 мм. Однако мы проверили эффект обнаружения только при определенной длине трещины. Мы не исследовали мельчайшие трещины, которые датчик может идентифицировать, из-за сложности подготовки образца. При этом расстояние между оборванными проводами остается постоянным. Ближайшее расстояние между двумя оборванными проводами, которое датчик может распознать, также является важной частью, на которой мы сосредоточимся на следующем шаге.

5. Выводы

Чтобы удовлетворить требованиям обнаружения повреждений стальных тросов в различных рабочих условиях, предлагается инновационный датчик для обнаружения обрыва проволоки, основанный на принципе магнитного концентрирования.

Чтобы сделать возбуждение более однородным и более легким намагничиванием каната до насыщения, в этой конструкции используется CMPME. Влияние двух его параметров lm и Lm на эффект возбуждения анализируется с помощью метода конечных элементов, который обеспечивает основу для оптимизации конструкции возбудителя с постоянным магнитом.

Традиционная матрица датчиков Холла заменена магнитным концентратором. Магнитный концентратор может обеспечить полный сбор утечки магнитного потока (MFL) по сравнению с отдельным компонентом Холла, а использование компонентов Холла может быть значительно сокращено, что упрощает последующую обработку сигнала.

Разработанный датчик проверяется экспериментально. Результаты показывают, что датчик может явно распознать 1–5 внешних обрывов проводов, что указывает на превосходные характеристики разработанного датчика при обнаружении дефектов стальных тросов.

Хотя датчик, предложенный в этой статье, имеет хорошие характеристики при проверке внешних обрывов проводов, мы еще не исследовали его минимальное обнаруживаемое повреждение и осевое разрешение. Между тем, он не тестировался на наличие других повреждений канатов, таких как внутренний обрыв проводов и износ. Кроме того, если датчик может обнаруживать сигналы этих повреждений, необходимо предоставить соответствующий метод классификации неисправностей в будущей работе.

Вклад авторов

Концептуализация, Ю.Z. and J.T .; методология, L.J .; программное обеспечение, W.X .; проверка, W.X., W.Z. и Y.Z .; формальный анализ, Ю.З .; расследование, W.X .; ресурсы, L.J .; курирование данных, Y.Z .; письменность — подготовка оригинального черновика, Я.З .; письмо — обзор и редактирование, L.J .; визуализация, W.X .; надзор, W.Z .; администрация проекта, J.T .; привлечение финансирования, J.T.

Финансирование

Исследование поддержано Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта № 51475249.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Ким Дж. У., Парк С. Зондирование утечки магнитного потока и автоматическое обнаружение повреждений на основе распознавания образов искусственной нейронной сети и количественная оценка для неразрушающей оценки троса. Датчики. 2018; 18: 109. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 2. Peng P.C., Wang C.Y. Использование гамма-излучения при контроле стальных тросов подвесных мостов. NDT E Int. 2015; 75: 80–86. DOI: 10.1016 / j.ndteint.2015.06.006. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Вайшедель Х., Рэмси Р.П. Электромагнитные испытания, надежный метод проверки тросов в эксплуатации. NDT Int. 1989; 22: 155–161. [Google Scholar] 5. Гу В., Чу Дж. Преобразователь, состоящий из феррозондовых датчиков, для проверки дефектов каната. IEEE Trans. Instrum. Измер. 2002. 51: 120–124. DOI: 10.1109 / 19.989914. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Лэй Х.М., Тиан Г.Ю. Обнаружение обрыва проволоки в стальных лентах с покрытием методом рассеяния магнитного потока. В поле зрения. 2013; 55: 126–131. DOI: 10.1784 / insi.2012.55.3.126. [CrossRef] [Google Scholar] 7.Вайшдель Х.Р. Проверка тросов в эксплуатации: критический обзор. Матер. Eval. 1985. 43: 1592–1605. [Google Scholar] 8. Джомдеча К., Пратепасен А. Разработка модифицированного электромагнитного основного потока для контроля стальных тросов. Ndt & E Int. 2009; 42: 77–83. [Google Scholar] 9. Цао Ю.Н., Чжан Д.Л., Ван К. Новый электромагнитный метод проверки локальных дефектов стального каната; Материалы Международной конференции TENCON, IEEE Region 10; Гонконг, Китай. 14–17 ноября 2006 г. [Google Scholar] 11.Лю X.C., Ван Ю.Дж., Ву Б., Гао З., Хе З. Конструкция массива круглых многожильных датчиков с туннельным магниторезистивным сопротивлением для обнаружения дефектов в стальном тросе. J. Sens. 2016 DOI: 10.1155 / 2016/6198065. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Сингх В.С., Рао Б.П.С., Тирунавуккарасу С. Гибкая матрица датчиков GMR для испытания на утечку магнитного потока стальных путевых канатов. J. Sens. 2012 г. DOI: 10.1155 / 2012/129074. [CrossRef] [Google Scholar] 13. У Б., Ван Й.Дж., Лю X.C., Хэ К.Ф. Новый датчик MFL на основе TMR для контроля стальных тросов с использованием метода ортогональных испытаний.Smart Mater. Struct. 2015; 24: 075007. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 24/7/075007. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Кан Ю., Сюэ Х., Ян К., Ян С. Принцип магнитной концентрации для измерения магнитного потока рассеяния, вызванного обрывом проводов в тросах. China Mech. Англ. 1993; 4: 4–6. [Google Scholar] 15. Ван Х., Тиан Дж., Мэн Г. Модель сенсора для обнаружения дефектов в канатах для подъёма мин, основанная на магнитной фокусировке. В поле зрения. 2017; 59: 143–148. [Google Scholar] 16. Сюй Ф., Ван Х., Ву Х. Метод проверки вантового моста с использованием обнаружения утечки магнитного потока: принцип, конструкция датчика и обработка сигналов.J. Mech. Sci. Tech. 2012; 26: 661–669. DOI: 10.1007 / s12206-011-1234-х. [CrossRef] [Google Scholar] 17. Цзе П.В., Лю X.C., Лю З.Х., Ву Б., Хэ К.Ф. Инновационная конструкция для использования гибких печатных катушек для магнитострикционных датчиков продольной направленной волны при контроле стальных прядей. Smart Mater. Struct. 2011; 20: 055001. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 20/5/055001. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Цзоин Х., Пейвен К., Лян С. Анализ методом 3D FEM методом рассеяния магнитного потока. Ndt E Int. 2006; 39: 61–66. DOI: 10.1016 / j.ndteint.2005.06.006. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Аль-Наэми Ф.И., Холл Дж. П., Моисей А.Дж. Методы моделирования методом конечных элементов для неразрушающего контроля типа утечки магнитного потока для контроля ферромагнитных пластин. J. Magn. Magn. Матер. 2006; 304: e790 – e793. DOI: 10.1016 / j.jmmm.2006.02.225. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Хуа Г., Ван Х., Чен Ф. Дж., Лу Ю. Х., Сюй З., Тиан Дж., Чжоу Б. Б. Улучшение отношения сигнал / шум MFL-сигнала при дефектоскопии канатов для угольных шахт; Материалы 2-го Международного конгресса по обработке изображений и сигналов 2009 г .; Тяньцзинь, Китай.17–19 октября 2009 г. [Google Scholar] 21. Ван Х.Ю., Чжао С.Ю., Ганг Х. Ключевой метод датчика обнаружения канатов для угольных шахт. Мин. Sci. Tech. 2009. 19: 170–175. DOI: 10.1016 / S1674-5264 (09) 60032-6. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Чен С.В., Чен Ю.Х. Аппаратная разработка и реализация процедуры шумоподавления вейвлетов для предварительной обработки медицинских сигналов. Датчики. 2015; 5: 26396–26414. DOI: 10,3390 / s151026396. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Лежандр С., Массикотт Д., Гойетт Дж., Бозе Т.К. Метод анализа ультразвуковых сигналов неразрушающего контроля на основе волны Лэмба на основе вейвлет-преобразования. IEEE Trans. Instrum. Измер. 2000; 49: 524–530. DOI: 10,1109 / 19,850388. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Риццо П., ди Скалея Ф.Л. Ультразвуковой контроль многопроволочных стальных прядей с помощью вейвлет-преобразования. Smart Mater. Struct. 2005; 14: 685. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 14/4/027. [CrossRef] [Google Scholar]

Датчик для обнаружения обрыва стального троса на основе принципа магнитной концентрации.

Датчики

(Базель).2019 сен; 19 (17): 3763.

Колледж машиностроения и автомобильной инженерии, Технологический университет Циндао, Циндао 266520, Китай

Поступило 14 августа 2019 г .; Принято 29 августа 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Реферат

Электромагнитные испытания — это наиболее широко используемый метод контроля стальных канатов.Как один из подходов к электромагнитному обнаружению, метод рассеяния магнитного потока (MFL) лучше всего подходит для обнаружения обрыва проводов. Однако существующие датчики, основанные на методе MFL, по-прежнему имеют некоторые проблемы. (1) Размер возбудителя с постоянным магнитом обычно определяется исходя из опыта или грубых расчетов, и для его характеристик возбуждения недостаточно анализа глубины; (2) Поскольку обнаруживаемый угловой диапазон для одного компонента Холла ограничен, матрицы датчиков Холла часто используются в конструкции датчиков MFL, что увеличивает сложность последующей обработки сигналов из-за широкого использования компонентов Холла; (3) Хотя новый датчик магниторезистивного сопротивления имеет более высокую чувствительность, его трудно применять на практике из-за необходимости отрыва на микронном уровне.Для решения этих проблем разработан датчик обнаружения обрыва стальных канатов, основанный на принципе магнитной концентрации. Круговой многоконтурный возбудитель с постоянными магнитами (CMPME) используется для намагничивания троса до насыщения. Традиционная матрица датчиков Холла заменена магнитным концентратором для сбора MFL. Структурные параметры CMPME оптимизированы, а производительность магнитного концентратора анализируется методом конечных элементов.Наконец, эффективность разработанного датчика подтверждается экспериментом по обрыву провода. Можно четко идентифицировать 1–5 внешних обрывов проволоки, изготовленных вручную на тросе диаметром 24 мм, что показывает большой потенциал для проверки стальных тросов.

Ключевые слова: магнитная концентрация , рассеяние магнитного потока, метод конечных элементов, обрыв проволоки, стальной канат

1. Введение

Стальные канаты имеют важное применение в шахтных подъемах, вантовых мостах, металлургии, лифтах и ​​т. Д. скоро.Они получили широкое распространение благодаря высокой прочности, небольшому весу, надежности и эффективности [1]. Поскольку канаты обычно работают в суровых условиях окружающей среды, они страдают от различных видов повреждений, таких как обрыв проволоки и износ, что влияет на безопасность производства и даже угрожает жизни рабочих [2]. Во избежание несчастных случаев в машиностроении обычно используются ручной осмотр и регулярная замена. Однако ручная проверка требует много времени и усилий, а регулярная замена обычно приводит к большим экономическим потерям.Согласно исследованию, более 70% замененных стальных канатов все еще имеют первоначальную прочность на разрыв [3]. Поэтому очень важно разработать научные и эффективные устройства для проверки стальных тросов.

Существует два типа дефектов стальных тросов: потеря площади металлического поперечного сечения (LMA) и локализованная неисправность (LF), а обрыв провода является наиболее типичным результатом LF. Среди различных методов неразрушающего контроля метод утечки магнитного потока (MFL) является наиболее экономичным и эффективным для обнаружения обрыва провода [4,5,6,7,8].Основной принцип метода MFL показан в, где постоянный магнит намагничивает часть троса до насыщения, и между тросом, магнитом и ярмом образуется замкнутая магнитная цепь. При отсутствии повреждений большая часть линий магнитной индукции проходит через внутреннюю часть троса. Когда есть повреждение, такое как обрыв провода, магнитное сопротивление поврежденного места увеличивается, и часть линии магнитной индукции выходит наружу, образуя МПС. Магнитные чувствительные элементы помещаются между полюсами магнита для восприятия сигнала MFL.Состояние троса можно определить по полученному сигналу.

Схема метода MFL.

На протяжении десятилетий многие эксперты и ученые проводили множество исследований по разработке датчиков обнаружения повреждений на основе метода MFL [9,10,11,12,13]. Цао Ю. и другие. В [9] предложен подход к обнаружению НЧ стальных тросов с использованием кольцевого массива компонентов Холла. Сеть обратного распространения (BP) используется для классификации неисправностей. Этот метод позволяет различать степень и ширину локальных дефектов.Zhang J. et al. [10] применили датчик гигантского магнито-сопротивления (GMR) для обнаружения LF и LMA каната. Благодаря использованию вейвлет-фильтрации со сжатым зондированием и нейронной сети АД повышается точность и надежность датчика MFL. Ву Б. [13] разработал датчик МПС на основе туннельного магниторезистивного устройства. Для датчика обнаруживается глухое отверстие размером 0,3 мм как по глубине, так и по диаметру. Осевое разрешение до двух соседних выемок шириной 0,2 мм датчика MFL на основе TMR может быть менее 2.5 мм. Однако размещение кольцевых массивов холловских компонентов, несомненно, увеличивает сложность обработки сигналов. Использование магниторезистивных датчиков может улучшить чувствительность датчика, но его трудно применить в реальных проверках из-за требований к микронному уровню отрыва [13]. Следовательно, разработка датчика, который может быть применен для обнаружения в реальной инженерии, а также простой и эффективный, всегда была проблемой при мониторинге состояния тросов.

Технология обнаружения магнитной концентрации представляет собой новое направление в разработке датчиков MFL. Обнаружение стальных тросов обычно требует расположения множества магнитных чувствительных элементов. Обычно для канатов большого диаметра требуются десятки магнитных датчиков, что значительно увеличивает сложность обработки сигналов на более поздних этапах. Принцип магнитного концентрирования может обеспечить обнаружение без утечек тросов большого диаметра с помощью небольшого количества магнитных чувствительных элементов [14,15].Канг и др. В [14] теоретически проанализирована возможность обнаружения магнитных концентраций. Расчетным путем доказано, что магнитный концентратор может собирать МПС и направлять его в компонент Холла через мост между концентраторами, чтобы реализовать сбор слабого потока рассеяния. В то же время он может устранить шум волновой формы проволочных тросов и улучшить отношение сигнал / шум сигнала MFL. Wang et al. [15] проанализировали характеристики магнитных концентраторов по сбору МПС с помощью моделирования методом конечных элементов и предложили структуру, которая подходит для сбора магнитного потока утечки.Структура была подтверждена экспериментами, которые в дальнейшем способствовали развитию обнаружения магнитного концентрирования.

В данном исследовании датчик, состоящий из кольцевых магнитов, ярма и магнитного концентратора, предназначен для обнаружения обрыва стальных тросов. Мы оптимизировали конструктивные параметры кольцевого многоконтурного возбудителя с постоянными магнитами (CMPME) и проанализировали производительность магнитного концентратора по сбору МПС методом конечных элементов.Наконец, предлагаемый датчик применяется в эксперименте по обнаружению обрыва провода. Индуцированный сигнал MFL можно четко распознать, а отношение сигнал / шум сигнала MFL можно улучшить с помощью дискретного вейвлет-преобразования (DWT).

Остальная часть статьи организована следующим образом. Раздел 2 описывает принцип конструкции магнитной цепи CMPME и основную теорию обнаружения магнитной концентрации. В разделе 3 с помощью моделирования оптимизируются параметры структуры возбудителя и анализируются характеристики магнитного концентратора по сбору МПС.Раздел 4 иллюстрирует экспериментальные настройки, шаги и анализ результатов. Наконец, выводы сделаны в Разделе 5.

2. Теоретические основы

2.1. Принцип конструкции CMPME

Круговой многоконтурный возбудитель с постоянными магнитами (CMPME) предназначен для намагничивания троса до насыщения с помощью кольцевого магнита. Направление намагничивания кольцевого магнита радиальное. Эта структура может сделать эффект возбуждения более однородным, и трос может легче намагничиваться до насыщения.Трехмерная структура CMPME показана на a, а двумерная структура показана на b. Эквивалентная упрощенная магнитная цепь [16] при отсутствии повреждения троса показана на c.

Схема CMPME: ( a ) Трехмерная структура; ( b ) Двумерная структура; ( c ) Эквивалентная упрощенная магнитная цепь.

В ц ,. Fm. представляет собой магнитодвижущую силу магнита; Rδ — магнитное сопротивление воздушного зазора между магнитом и поверхностью троса; RLW обозначает сопротивление воздушного зазора между внутренней и внешней торцевыми поверхностями ярма и поверхностью троса; RW — магнитное сопротивление намагниченного троса, а RL — магнитное сопротивление ярма; Φm — магнитный поток в магните; ΦLW обозначает магнитный поток воздушного зазора между ярмом и поверхностью троса; ΦW — магнитный поток внутри троса.Слабый магнитный поток, утекающий в воздух на магнитном полюсе, здесь не учитывается. Согласно закону Кирхгофа для магнитной цепи соотношение между магнитными параметрами представляется следующим образом:

RLWΦLW = Hmhm − RδΦmRLWΦLW − 12 (RW + RL) ΦW = 0

(2)

Для удобства расчета , вводится магнитная проводимость G . G определяется следующим образом:

Определение уравнений магнитной проводимости каждого участка магнитной цепи аналитическим методом, которые представлены следующим образом:

Gδ = 2πμ0lmlnDmw + 2δ / Dmw

(4)

GL = μrLπhbDmw + 2h2 + hb / лм

(6)

GLW = 4μ0Dmw2 + (δ + hm) h2lnh2δ + hm + 4μ0Dmw2 + (δ + hm) h2 + hblnh2 + hbδ + hm

где Gδ, GW, GL, GLW — магнитная проводимость, соответствующая каждому магнитному сопротивлению.Dmw — это расчетный диаметр стального стержня, равный эффективной площади металла каната. Как показано на b, lm — длина постоянного магнита в осевом направлении троса; δ обозначает воздушный зазор между постоянным магнитом и поверхностью троса; hm представляет собой радиальную толщину магнита; Lm — расстояние между двумя магнитными полюсами; h2 обозначает радиальный зазор между внутренней стороной ярма и поверхностью троса; hb — толщина стенки ярма.В соответствии с плотностью магнитного потока, которая требуется для намагничивания троса, параметры возбудителя с постоянным магнитом могут быть рассчитаны по уравнениям (2) — (7), затем оптимизированы с помощью моделирования и экспериментальных результатов и, наконец, размер возбудитель определен.

2.2. Принцип обнаружения магнитной концентрации

Обнаружение магнитной концентрации осуществляется с помощью магнитных концентраторов, изготовленных из материалов с высокой магнитной проницаемостью. Наилучший эффект обнаружения может быть достигнут путем определения подходящей формы и размера концентратора.схематическая диаграмма [14].

Схема магнитного концентрирующего детектора.

Как видно из, одиночный датчик Холла собирает компонент пространственного магнитного потока утечки, и его выходной потенциал Холла рассчитывается по уравнению (8):

VH = KHIC∬SHBZ (x, y, z) dxdy = KHICΦH (x, y, z)

(8)

где KH — постоянная, определяемая характеристиками холловской составляющей; IC — это ток, протекающий в холловской составляющей, а SH — чувствительная область холловской составляющей.Следовательно, потенциал Холла напрямую связан с зоной восприятия холловской компоненты, которая связана с магнитным потоком ΦHx, y, z.

Магнитные концентраторы добавлены с обеих сторон чувствительной поверхности холловского компонента, и его размер составляет l × w × h . Магнитный поток Φ1 между двумя концентраторами рассчитывается следующим образом:

F1 (x, y, z) = ∬S1BZ (x, y, z) dydz

(9)

Собирающий эффект магнитного поля на обоих концах намагничивания здесь игнорируется.В уравнении (9) S1 — это площадь боковых граней двух концентраторов, параллельная плоскости xoz. Если магнитный поток Φ1 полностью импортируется в компонент Холла, поскольку S1 больше, чем SH, потенциал Холла соответственно возрастет, что, в свою очередь, увеличит силу сигнала MFL.

3. Анализ конструкции сенсора с помощью конечных элементов

В качестве одного из самых популярных численных методов в настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) широко используется при моделировании магнитного поля [17,18,19].В этой статье исследуются структурные параметры CMPME и анализируются характеристики магнитного концентратора по улавливанию магнитного потока рассеяния с помощью FEM.

3.1. Моделирование основных параметров CMPME

CMPME в этой статье спроектирован для троса диаметром 24 мм. Параметры возбудителя, подлежащие определению, показаны на b. Воздушный зазор δ и осевое расстояние Lm являются наиболее важными параметрами, влияющими на эффект возбуждения [20,21].Из уравнения (4) можно узнать, что при неизменных других параметрах магнитная проводимость Gδ. будет уменьшаться вместе с увеличением воздушного зазора δ. Согласно уравнению (3) магнитосопротивление Rδ будет увеличиваться, что приведет к большему падению магнитного потенциала. Следовательно, магнитная энергия не может быть эффективно использована для намагничивания троса. Однако слишком маленький воздушный зазор не способствует прохождению троса через датчик во время процесса обнаружения. Для минимизации падения магнитного потенциала и с учетом проходимости троса оптимальным для конструкции датчика является δ = 2 мм.По принципу легкости радиальная толщина магнита hm = 10 мм и толщина стенки ярма hb = 5 мм. Из-за необходимости размещения детектирующих элементов в возбудителе выбрано h2 = 30 мм.

Для обеспечения хорошего эффекта обнаружения трос должен быть намагничен до состояния насыщения, и в случае повреждения может возникнуть достаточный магнитный поток рассеяния [4]. Кривая намагничивания троса диаметром 24 мм, измеренная лабораторным прибором, отображается в.Из рисунка видно, что необходимо обеспечить, чтобы плотность магнитного потока B каната была не менее 2,5 T.

Кривая намагничивания каната диаметром 24 мм.

Длина постоянного магнита lm = 20 мм и расстояние между двумя магнитными полюсами Lm = 160 мм, которые рассчитываются по уравнениям в разделе 2.1. Чтобы добиться идеального эффекта намагничивания, установите lm = 15 мм, 20 мм, 25 мм и 30 мм соответственно, в то время как другие размеры остаются неизменными.Создана и смоделирована трехмерная модель. представляет результат. Абсцисса представляет осевое положение троса, точка координаты 0 — это центр осевого направления возбудителя, координата 0 также является осевым центром намагниченного троса (то же самое ниже). Ордината представляет плотность магнитного потока троса. Когда lm мала, трос не может быть намагничен до насыщения, особенно в среднем положении, плотность магнитного потока троса значительно снижается.Обычно здесь требуется разместить магнитный чувствительный элемент, что повлияет на производительность обнаружения. Когда lm увеличивается, увеличивается и плотность магнитного потока троса. Когда lm = 25 мм, плотность магнитного потока в тросе достигает 2,5 Тл или более. Однако, если lm продолжает увеличиваться, плотность магнитного потока троса не сильно меняется. Это происходит из-за того, что трос достиг насыщения. Поэтому выбор lm = 25 мм является наиболее подходящим вариантом.

Плотность магнитного потока канатов с магнитами разной длины.

На поверхности троса интенсивность магнитного потока постепенно уменьшается от двух магнитных полюсов к середине датчика, образуя переходную секцию намагничивания, как показано на. Если расстояние между полюсами достаточно велико, в середине возбудителя образуется однородный участок намагничивания с нулевым магнитным потоком. Это значительно облегчит обнаружение магнитного потока рассеяния. Однако из рациональности конструкции невозможно сформировать абсолютно однородный участок намагничивания.Только соответствующее расстояние между магнитными полюсами может быть установлено для формирования относительно однородного участка намагничивания. Если расстояние между магнитными полюсами слишком мало, магнитный поток будет проходить через поверхность троса, что повлияет на эффект обнаружения. Между тем, слишком большое расстояние между магнитными полюсами приведет к увеличению веса датчика. Поэтому очень важно выбрать подходящее расстояние между магнитными полюсами.

Изменение плотности магнитного потока от магнитных полюсов к промежуточному положению возбудителя.

Оставив lm = 25 мм и другие размеры без изменений, установите Lm = 140 мм, 150 мм, 160 мм, 170 мм и 180 мм соответственно. Результаты моделирования показаны в. Из графика видно, что сечение однородного намагничивания становится все более очевидным с увеличением Lm. Кроме того, плотность магнитного потока в среднем положении меньше, а флуктуация меньше, что указывает на то, что линии магнитной индукции более однородны. Когда здесь происходит повреждение, исходный магнитный поток влияет на сигнал MFL в меньшей степени.Однако длина троса, намагничиваемого возбудителем, становится больше с увеличением Lm, в результате чего часть троса не достигает насыщения. Когда Lm = 180 мм, плотность магнитного потока троса показана в. Видно, что в среднем положении есть перепад, который показывает, что трос не пропитан. Следовательно, чтобы обеспечить хороший эффект намагничивания и сформировать как можно более однородные сегменты намагничивания, лучшим выбором будет установка Lm = 170 мм.

Плотность магнитного потока в промежуточных положениях возбудителя с разными Lm

Плотность магнитного потока троса с Lm = 180 мм.

3.2. Моделирование магнитного концентратора

Структура и размеры магнитного концентратора [15] показаны на рис. Концентратор расположен в середине разработанного датчика и состоит из магнитных собирающих колец и магнитных мостов, которые изготовлены из материала с высокой магнитной проницаемостью, такого как промышленное чистое железо, чернилоотталкивающий сплав и т. Д.Когда создается магнитный поток рассеяния, магнитное собирающее кольцо может собирать магнитный поток и передавать его на магнитное кольцо на другой стороне через магнитный мост, а вокруг троса формируется путь обнаружения в форме шеи. Компонент Холла размещается на мосту, обеспечивая прохождение большей части потока утечки через компонент Холла. Чтобы устранить шум магнитного потока утечки между жилами, длина магнитного собирающего кольца l должна составлять половину интервала между жилами [14].В данной статье датчик рассчитан на тросы диаметром 24 мм, поэтому l = 12 мм, Δh = 2 мм [14]. Внешний диаметр D1 и внутренний диаметр d1 магнитного собирающего кольца будут определяться в соответствии с отрывом. Датчик смоделирован в соответствии с указанными выше размерами. В таблице представлены различные параметры магнитного коллекторного кольца. Общая модель показана в. Канат заменяется семью стальными прядями в качестве образца для моделирования, и на образце делается излом 2 мм × 2 мм × 2 мм.

Устройство и размеры магнитного концентратора.

Общая имитационная модель.

Таблица 1

Наружный и внутренний диаметры магнитного кольца при разном отталкивании.

Отрывной	D1	d1
2 мм	38 мм	28 мм
3 мм	40 мм	40 мм	42 мм	32 мм
5 мм	44 мм	34 мм

Моделирование выполняется с магнитными концентраторами или без них соответственно.Компонент Холла расположен непосредственно над трещиной. Плотность магнитного потока холловской компоненты с разным отрывом отображается в. На рисунке правильные треугольники и перевернутые треугольники представляют собой магнитный концентратор, а квадрат и круг — отсутствие концентратора. Очевидно, что плотность магнитного потока холловской компоненты уменьшается с увеличением отрыва. В отсутствие магнитного концентратора плотность магнитного потока, индуцированная холловской составляющей, не сильно меняется после повреждения.При наличии магнитного концентратора разница в плотности магнитного потока до и после повреждения более очевидна. Это различие легче обнаруживается магнитными датчиками, что свидетельствует о хороших характеристиках концентратора при сборе сигнала MFL.

Плотность магнитного потока холловской компоненты при разном отлете.

Более того, можно обнаружить, что, когда отрыв становится больше, разница в плотности магнитного потока становится небольшой независимо от наличия или отсутствия магнитного концентратора.Поэтому отрыв должен быть как можно меньше. Однако, если отрыв слишком мал, небольшое изменение троса в осевом центре датчика будет иметь большое влияние на эффект обнаружения. Фактически, многие физические факторы могут вызвать колебания троса примерно на 2–3 мм [21], поэтому отрыв не может быть установлен слишком маленьким. Как видно из, когда расстояние составляет 4 мм, все еще сохраняется хорошее разрешение до и после повреждения в случае использования магнитного концентратора.Следовательно, в этой статье отрыв составляет 4 мм, что означает D1 = 42 мм, d1 = 32 мм.

Исследован эффект обнаружения магнитного концентратора при изменении угла между холловской составляющей и повреждением. Когда компонент Холла находится чуть выше повреждения, а повреждение и компонент Холла находятся ближе всего друг к другу, угол определяется как 0 °; Когда радиальное расстояние между повреждением и компонентом Холла самое большое, оно определяется как 180 °. Каждое изменение угла составляет 30 °, а подъем — 4 мм.Результат моделирования представлен на рисунке без магнитного концентратора, плотность магнитного потока является наибольшей при угле 0 °. Значение постепенно уменьшается с изменением угла. Когда угол больше 120 °, плотность магнитного потока холловского компонента почти равна значению без повреждений, что показывает, что холловский компонент по существу не смог определить поток магнитной утечки, создаваемый повреждением. Когда есть концентратор, плотность магнитного потока холловской компоненты не сильно меняется с изменением угла, и разница в основном находится в пределах 0.4 мТл. Это показывает, что магнитный концентратор имеет хорошие характеристики по улавливанию МПС, и на него практически не влияет угол между элементом Холла и повреждением. В целом, сбор магнитного потока рассеяния по всей окружности может быть реализован с помощью магнитного концентратора и небольшого количества компонентов Холла, а обработка сигналов может быть упрощена.

Плотность магнитного потока холловской компоненты под разными углами.

4. Эксперимент и обсуждение

4.1. Датчик, основанный на принципе магнитной концентрации

Структура конфигурации предлагаемого датчика проиллюстрирована на a. При комбинированном датчике диаметр датчика составляет 94 мм, а общая длина составляет 220 мм. Вся конструкция разделена, что удобно для монтажа. Кольцевой постоянный магнит NdFeB35 используется для намагничивания троса, магнитные свойства NdFeB35 представлены в Направление намагничивания магнита радиальное.Магнитное собирающее кольцо также выполнено в виде полукольца. На каждую пару полуколец устанавливается по одному мосту, а на каждый мост размещается по одному компоненту Холла. Материал магнитного коллекционного кольца и ярма — промышленное чистое железо DT4. Постоянный магнит, ярмо и магнитное коллекторное кольцо встроены в нейлоновую втулку. Когда датчик объединен, две половины магнита объединяются в единое кольцо для намагничивания стального троса, а магнитное собирающее кольцо объединяется для сбора MFL.Печатная плата (PCB), показанная на b, предназначена для выполнения предварительной обработки исходного сигнала. Компонент Холла и печатная плата соединены проводными клеммами. PCB подает питание на компонент Холла. Компонент Холла имеет статическое выходное напряжение, поэтому плата имеет функцию обнуления. Когда нет повреждений, с помощью регулировки скользящего реостата выход всей схемы становится нулевым. Печатная плата имеет двухкаскадную схему усиления с увеличением в 100 раз, а выходное напряжение платы является суммой выходных сигналов двух компонентов Холла.

Прототип сконструированного датчика: ( а ) Фотографический вид датчика; ( b ) Печатная плата.

Таблица 2

Свойства постоянного магнита NdFeB35.

Марка	Br	Hcb	maxBH
N35	1170–1230 mT	10.7–12.0 kOe			264 м	11,7–12,3 кГс	852–955 кА / м	33–36 MGOe

показывает систему сбора данных.Выходной сигнал компонента Холла обрабатывается печатной платой и затем подключается к интегрированной карте сбора данных PXI-6281 через распределительную коробку сигнала SCB-68 NI. Карта сбора данных имеет программируемый фильтр нижних частот, который обладает хорошей способностью подавлять явление наложения частот во время процесса обнаружения сигнала. Карта сбора данных может преобразовывать сигнал напряжения в цифровой сигнал. Программа сбора данных LabVIEW используется для получения сигнала, и сигнал отображается в реальном времени на мониторе.

4.2. Экспериментальный процесс

Оцинкованный трос 6 × 24 + FC диаметром 24 мм предназначен для обнаружения обрыва проволоки, диаметр проволоки составляет 1,1 мм, а общая длина троса составляет 5350 мм. Пять оборванных проволок, расположенных в разных положениях по окружности, вручную обрабатываются на поверхности троса. Расстояние между оборванными проводами поддерживается на уровне 250 мм, что немного больше длины предлагаемого датчика (220 мм). Как показано на, количество оборванных проводов составляет от 1 до 5 слева направо на рисунке, а размер излома каждого оборванного провода составляет 10 мм.

Как показано на, трос помещается на испытательный стенд для стального троса для проверки. На обоих концах троса есть пряжки, которые закреплены на обоих концах испытательного стенда. Рама всей установки изготовлена ​​из алюминиевого сплава, что позволяет избежать воздействия на сигналы MFL. Датчик устанавливается на тросе и фиксируется двумя заглушками, а затем фиксируется двумя скобами из алюминиевого сплава на подвижном поддоне. На внешнем конце датчика есть направляющее колесо, обеспечивающее нахождение троса в осевом центре датчика.Печатная плата фиксируется на поддоне четырьмя фиксирующими штифтами (b), а выходной сигнал печатной платы передается в распределительную коробку по кабелю буксируемой цепи. Тяговая цепь гарантирует, что линия передачи не запутается и не рассыпается, а цепь движется вместе с поддоном, чтобы гарантировать стабильность печатной платы. Мобильный поддон приводится в движение двумя направляющими рельсами, и обнаружение повреждения троса может быть реализовано с помощью движения датчика. Во время эксперимента скорость движения датчика составляет 0,25 м / с.

4.3. Экспериментальные результаты и анализ

показывает экспериментальные результаты, полученные для троса с рядом оборванных проволок. По оси абсцисс отложено расстояние перемещения датчика по тросу, а по оси ординат — амплитуда напряжения. Хорошо видно, что в сигнале есть пять скачков. Пять скачков соответствуют пяти оборванным проводам, что указывает на то, что разработанный датчик может идентифицировать 1–5 внешних оборванных проводов каната диаметром 24 мм.

Сигнал обрыва провода.

Исходный сигнал содержит шум, создаваемый схемой и внешней средой. Чтобы улучшить отношение сигнал / шум (SNR) сигнала, вейвлет-преобразование используется для шумоподавления сигнала [22,23,24].

Вейвлет Добеши третьего порядка выбирается в качестве исходного вейвлета, и одномерное дискретное вейвлет-преобразование выполняется для исходного сигнала в среде Matlab. представляет процесс шумоподавления.Можно видеть, что низкочастотный коэффициент сохраняет характеристики повреждения исходного сигнала, а шум в основном сосредоточен в высокочастотной части. Сигнал восстанавливается с использованием низкочастотных коэффициентов, а часть сигнала с высокочастотными коэффициентами отбрасывается. Очевидно, что восстановленный сигнал эффективно удаляет большую часть шума и полностью сохраняет характеристики сигнала обрыва провода, а отношение сигнал / шум сигнала MFL значительно улучшается.

4.4. Комментарий и обсуждение

Приведенные выше результаты показывают, что предлагаемый датчик может распознавать внешние обрывы троса диаметром 24 мм. Однако мы проверили эффект обнаружения только при определенной длине трещины. Мы не исследовали мельчайшие трещины, которые датчик может идентифицировать, из-за сложности подготовки образца. При этом расстояние между оборванными проводами остается постоянным. Ближайшее расстояние между двумя оборванными проводами, которое датчик может распознать, также является важной частью, на которой мы сосредоточимся на следующем шаге.

5. Выводы

Чтобы удовлетворить требованиям обнаружения повреждений стальных тросов в различных рабочих условиях, предлагается инновационный датчик для обнаружения обрыва проволоки, основанный на принципе магнитного концентрирования.

Чтобы сделать возбуждение более однородным и более легким намагничиванием каната до насыщения, в этой конструкции используется CMPME. Влияние двух его параметров lm и Lm на эффект возбуждения анализируется с помощью метода конечных элементов, который обеспечивает основу для оптимизации конструкции возбудителя с постоянным магнитом.

Традиционная матрица датчиков Холла заменена магнитным концентратором. Магнитный концентратор может обеспечить полный сбор утечки магнитного потока (MFL) по сравнению с отдельным компонентом Холла, а использование компонентов Холла может быть значительно сокращено, что упрощает последующую обработку сигнала.

Разработанный датчик проверяется экспериментально. Результаты показывают, что датчик может явно распознать 1–5 внешних обрывов проводов, что указывает на превосходные характеристики разработанного датчика при обнаружении дефектов стальных тросов.

Хотя датчик, предложенный в этой статье, имеет хорошие характеристики при проверке внешних обрывов проводов, мы еще не исследовали его минимальное обнаруживаемое повреждение и осевое разрешение. Между тем, он не тестировался на наличие других повреждений канатов, таких как внутренний обрыв проводов и износ. Кроме того, если датчик может обнаруживать сигналы этих повреждений, необходимо предоставить соответствующий метод классификации неисправностей в будущей работе.

Вклад авторов

Концептуализация, Ю.Z. and J.T .; методология, L.J .; программное обеспечение, W.X .; проверка, W.X., W.Z. и Y.Z .; формальный анализ, Ю.З .; расследование, W.X .; ресурсы, L.J .; курирование данных, Y.Z .; письменность — подготовка оригинального черновика, Я.З .; письмо — обзор и редактирование, L.J .; визуализация, W.X .; надзор, W.Z .; администрация проекта, J.T .; привлечение финансирования, J.T.

Финансирование

Исследование поддержано Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта № 51475249.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Ким Дж. У., Парк С. Зондирование утечки магнитного потока и автоматическое обнаружение повреждений на основе распознавания образов искусственной нейронной сети и количественная оценка для неразрушающей оценки троса. Датчики. 2018; 18: 109. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 2. Peng P.C., Wang C.Y. Использование гамма-излучения при контроле стальных тросов подвесных мостов. NDT E Int. 2015; 75: 80–86. DOI: 10.1016 / j.ndteint.2015.06.006. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Вайшедель Х., Рэмси Р.П. Электромагнитные испытания, надежный метод проверки тросов в эксплуатации. NDT Int. 1989; 22: 155–161. [Google Scholar] 5. Гу В., Чу Дж. Преобразователь, состоящий из феррозондовых датчиков, для проверки дефектов каната. IEEE Trans. Instrum. Измер. 2002. 51: 120–124. DOI: 10.1109 / 19.989914. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Лэй Х.М., Тиан Г.Ю. Обнаружение обрыва проволоки в стальных лентах с покрытием методом рассеяния магнитного потока. В поле зрения. 2013; 55: 126–131. DOI: 10.1784 / insi.2012.55.3.126. [CrossRef] [Google Scholar] 7.Вайшдель Х.Р. Проверка тросов в эксплуатации: критический обзор. Матер. Eval. 1985. 43: 1592–1605. [Google Scholar] 8. Джомдеча К., Пратепасен А. Разработка модифицированного электромагнитного основного потока для контроля стальных тросов. Ndt & E Int. 2009; 42: 77–83. [Google Scholar] 9. Цао Ю.Н., Чжан Д.Л., Ван К. Новый электромагнитный метод проверки локальных дефектов стального каната; Материалы Международной конференции TENCON, IEEE Region 10; Гонконг, Китай. 14–17 ноября 2006 г. [Google Scholar] 11.Лю X.C., Ван Ю.Дж., Ву Б., Гао З., Хе З. Конструкция массива круглых многожильных датчиков с туннельным магниторезистивным сопротивлением для обнаружения дефектов в стальном тросе. J. Sens. 2016 DOI: 10.1155 / 2016/6198065. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Сингх В.С., Рао Б.П.С., Тирунавуккарасу С. Гибкая матрица датчиков GMR для испытания на утечку магнитного потока стальных путевых канатов. J. Sens. 2012 г. DOI: 10.1155 / 2012/129074. [CrossRef] [Google Scholar] 13. У Б., Ван Й.Дж., Лю X.C., Хэ К.Ф. Новый датчик MFL на основе TMR для контроля стальных тросов с использованием метода ортогональных испытаний.Smart Mater. Struct. 2015; 24: 075007. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 24/7/075007. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Кан Ю., Сюэ Х., Ян К., Ян С. Принцип магнитной концентрации для измерения магнитного потока рассеяния, вызванного обрывом проводов в тросах. China Mech. Англ. 1993; 4: 4–6. [Google Scholar] 15. Ван Х., Тиан Дж., Мэн Г. Модель сенсора для обнаружения дефектов в канатах для подъёма мин, основанная на магнитной фокусировке. В поле зрения. 2017; 59: 143–148. [Google Scholar] 16. Сюй Ф., Ван Х., Ву Х. Метод проверки вантового моста с использованием обнаружения утечки магнитного потока: принцип, конструкция датчика и обработка сигналов.J. Mech. Sci. Tech. 2012; 26: 661–669. DOI: 10.1007 / s12206-011-1234-х. [CrossRef] [Google Scholar] 17. Цзе П.В., Лю X.C., Лю З.Х., Ву Б., Хэ К.Ф. Инновационная конструкция для использования гибких печатных катушек для магнитострикционных датчиков продольной направленной волны при контроле стальных прядей. Smart Mater. Struct. 2011; 20: 055001. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 20/5/055001. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Цзоин Х., Пейвен К., Лян С. Анализ методом 3D FEM методом рассеяния магнитного потока. Ndt E Int. 2006; 39: 61–66. DOI: 10.1016 / j.ndteint.2005.06.006. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Аль-Наэми Ф.И., Холл Дж. П., Моисей А.Дж. Методы моделирования методом конечных элементов для неразрушающего контроля типа утечки магнитного потока для контроля ферромагнитных пластин. J. Magn. Magn. Матер. 2006; 304: e790 – e793. DOI: 10.1016 / j.jmmm.2006.02.225. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Хуа Г., Ван Х., Чен Ф. Дж., Лу Ю. Х., Сюй З., Тиан Дж., Чжоу Б. Б. Улучшение отношения сигнал / шум MFL-сигнала при дефектоскопии канатов для угольных шахт; Материалы 2-го Международного конгресса по обработке изображений и сигналов 2009 г .; Тяньцзинь, Китай.17–19 октября 2009 г. [Google Scholar] 21. Ван Х.Ю., Чжао С.Ю., Ганг Х. Ключевой метод датчика обнаружения канатов для угольных шахт. Мин. Sci. Tech. 2009. 19: 170–175. DOI: 10.1016 / S1674-5264 (09) 60032-6. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Чен С.В., Чен Ю.Х. Аппаратная разработка и реализация процедуры шумоподавления вейвлетов для предварительной обработки медицинских сигналов. Датчики. 2015; 5: 26396–26414. DOI: 10,3390 / s151026396. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Лежандр С., Массикотт Д., Гойетт Дж., Бозе Т.К. Метод анализа ультразвуковых сигналов неразрушающего контроля на основе волны Лэмба на основе вейвлет-преобразования. IEEE Trans. Instrum. Измер. 2000; 49: 524–530. DOI: 10,1109 / 19,850388. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Риццо П., ди Скалея Ф.Л. Ультразвуковой контроль многопроволочных стальных прядей с помощью вейвлет-преобразования. Smart Mater. Struct. 2005; 14: 685. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 14/4/027. [CrossRef] [Google Scholar]

Датчик для обнаружения обрыва стального троса на основе принципа магнитной концентрации.

Датчики

(Базель).2019 сен; 19 (17): 3763.

Колледж машиностроения и автомобильной инженерии, Технологический университет Циндао, Циндао 266520, Китай

Поступило 14 августа 2019 г .; Принято 29 августа 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Реферат

Электромагнитные испытания — это наиболее широко используемый метод контроля стальных канатов.Как один из подходов к электромагнитному обнаружению, метод рассеяния магнитного потока (MFL) лучше всего подходит для обнаружения обрыва проводов. Однако существующие датчики, основанные на методе MFL, по-прежнему имеют некоторые проблемы. (1) Размер возбудителя с постоянным магнитом обычно определяется исходя из опыта или грубых расчетов, и для его характеристик возбуждения недостаточно анализа глубины; (2) Поскольку обнаруживаемый угловой диапазон для одного компонента Холла ограничен, матрицы датчиков Холла часто используются в конструкции датчиков MFL, что увеличивает сложность последующей обработки сигналов из-за широкого использования компонентов Холла; (3) Хотя новый датчик магниторезистивного сопротивления имеет более высокую чувствительность, его трудно применять на практике из-за необходимости отрыва на микронном уровне.Для решения этих проблем разработан датчик обнаружения обрыва стальных канатов, основанный на принципе магнитной концентрации. Круговой многоконтурный возбудитель с постоянными магнитами (CMPME) используется для намагничивания троса до насыщения. Традиционная матрица датчиков Холла заменена магнитным концентратором для сбора MFL. Структурные параметры CMPME оптимизированы, а производительность магнитного концентратора анализируется методом конечных элементов.Наконец, эффективность разработанного датчика подтверждается экспериментом по обрыву провода. Можно четко идентифицировать 1–5 внешних обрывов проволоки, изготовленных вручную на тросе диаметром 24 мм, что показывает большой потенциал для проверки стальных тросов.

Ключевые слова: магнитная концентрация , рассеяние магнитного потока, метод конечных элементов, обрыв проволоки, стальной канат

1. Введение

Стальные канаты имеют важное применение в шахтных подъемах, вантовых мостах, металлургии, лифтах и ​​т. Д. скоро.Они получили широкое распространение благодаря высокой прочности, небольшому весу, надежности и эффективности [1]. Поскольку канаты обычно работают в суровых условиях окружающей среды, они страдают от различных видов повреждений, таких как обрыв проволоки и износ, что влияет на безопасность производства и даже угрожает жизни рабочих [2]. Во избежание несчастных случаев в машиностроении обычно используются ручной осмотр и регулярная замена. Однако ручная проверка требует много времени и усилий, а регулярная замена обычно приводит к большим экономическим потерям.Согласно исследованию, более 70% замененных стальных канатов все еще имеют первоначальную прочность на разрыв [3]. Поэтому очень важно разработать научные и эффективные устройства для проверки стальных тросов.

Существует два типа дефектов стальных тросов: потеря площади металлического поперечного сечения (LMA) и локализованная неисправность (LF), а обрыв провода является наиболее типичным результатом LF. Среди различных методов неразрушающего контроля метод утечки магнитного потока (MFL) является наиболее экономичным и эффективным для обнаружения обрыва провода [4,5,6,7,8].Основной принцип метода MFL показан в, где постоянный магнит намагничивает часть троса до насыщения, и между тросом, магнитом и ярмом образуется замкнутая магнитная цепь. При отсутствии повреждений большая часть линий магнитной индукции проходит через внутреннюю часть троса. Когда есть повреждение, такое как обрыв провода, магнитное сопротивление поврежденного места увеличивается, и часть линии магнитной индукции выходит наружу, образуя МПС. Магнитные чувствительные элементы помещаются между полюсами магнита для восприятия сигнала MFL.Состояние троса можно определить по полученному сигналу.

Схема метода MFL.

На протяжении десятилетий многие эксперты и ученые проводили множество исследований по разработке датчиков обнаружения повреждений на основе метода MFL [9,10,11,12,13]. Цао Ю. и другие. В [9] предложен подход к обнаружению НЧ стальных тросов с использованием кольцевого массива компонентов Холла. Сеть обратного распространения (BP) используется для классификации неисправностей. Этот метод позволяет различать степень и ширину локальных дефектов.Zhang J. et al. [10] применили датчик гигантского магнито-сопротивления (GMR) для обнаружения LF и LMA каната. Благодаря использованию вейвлет-фильтрации со сжатым зондированием и нейронной сети АД повышается точность и надежность датчика MFL. Ву Б. [13] разработал датчик МПС на основе туннельного магниторезистивного устройства. Для датчика обнаруживается глухое отверстие размером 0,3 мм как по глубине, так и по диаметру. Осевое разрешение до двух соседних выемок шириной 0,2 мм датчика MFL на основе TMR может быть менее 2.5 мм. Однако размещение кольцевых массивов холловских компонентов, несомненно, увеличивает сложность обработки сигналов. Использование магниторезистивных датчиков может улучшить чувствительность датчика, но его трудно применить в реальных проверках из-за требований к микронному уровню отрыва [13]. Следовательно, разработка датчика, который может быть применен для обнаружения в реальной инженерии, а также простой и эффективный, всегда была проблемой при мониторинге состояния тросов.

Технология обнаружения магнитной концентрации представляет собой новое направление в разработке датчиков MFL. Обнаружение стальных тросов обычно требует расположения множества магнитных чувствительных элементов. Обычно для канатов большого диаметра требуются десятки магнитных датчиков, что значительно увеличивает сложность обработки сигналов на более поздних этапах. Принцип магнитного концентрирования может обеспечить обнаружение без утечек тросов большого диаметра с помощью небольшого количества магнитных чувствительных элементов [14,15].Канг и др. В [14] теоретически проанализирована возможность обнаружения магнитных концентраций. Расчетным путем доказано, что магнитный концентратор может собирать МПС и направлять его в компонент Холла через мост между концентраторами, чтобы реализовать сбор слабого потока рассеяния. В то же время он может устранить шум волновой формы проволочных тросов и улучшить отношение сигнал / шум сигнала MFL. Wang et al. [15] проанализировали характеристики магнитных концентраторов по сбору МПС с помощью моделирования методом конечных элементов и предложили структуру, которая подходит для сбора магнитного потока утечки.Структура была подтверждена экспериментами, которые в дальнейшем способствовали развитию обнаружения магнитного концентрирования.

В данном исследовании датчик, состоящий из кольцевых магнитов, ярма и магнитного концентратора, предназначен для обнаружения обрыва стальных тросов. Мы оптимизировали конструктивные параметры кольцевого многоконтурного возбудителя с постоянными магнитами (CMPME) и проанализировали производительность магнитного концентратора по сбору МПС методом конечных элементов.Наконец, предлагаемый датчик применяется в эксперименте по обнаружению обрыва провода. Индуцированный сигнал MFL можно четко распознать, а отношение сигнал / шум сигнала MFL можно улучшить с помощью дискретного вейвлет-преобразования (DWT).

Остальная часть статьи организована следующим образом. Раздел 2 описывает принцип конструкции магнитной цепи CMPME и основную теорию обнаружения магнитной концентрации. В разделе 3 с помощью моделирования оптимизируются параметры структуры возбудителя и анализируются характеристики магнитного концентратора по сбору МПС.Раздел 4 иллюстрирует экспериментальные настройки, шаги и анализ результатов. Наконец, выводы сделаны в Разделе 5.

2. Теоретические основы

2.1. Принцип конструкции CMPME

Круговой многоконтурный возбудитель с постоянными магнитами (CMPME) предназначен для намагничивания троса до насыщения с помощью кольцевого магнита. Направление намагничивания кольцевого магнита радиальное. Эта структура может сделать эффект возбуждения более однородным, и трос может легче намагничиваться до насыщения.Трехмерная структура CMPME показана на a, а двумерная структура показана на b. Эквивалентная упрощенная магнитная цепь [16] при отсутствии повреждения троса показана на c.

Схема CMPME: ( a ) Трехмерная структура; ( b ) Двумерная структура; ( c ) Эквивалентная упрощенная магнитная цепь.

В ц ,. Fm. представляет собой магнитодвижущую силу магнита; Rδ — магнитное сопротивление воздушного зазора между магнитом и поверхностью троса; RLW обозначает сопротивление воздушного зазора между внутренней и внешней торцевыми поверхностями ярма и поверхностью троса; RW — магнитное сопротивление намагниченного троса, а RL — магнитное сопротивление ярма; Φm — магнитный поток в магните; ΦLW обозначает магнитный поток воздушного зазора между ярмом и поверхностью троса; ΦW — магнитный поток внутри троса.Слабый магнитный поток, утекающий в воздух на магнитном полюсе, здесь не учитывается. Согласно закону Кирхгофа для магнитной цепи соотношение между магнитными параметрами представляется следующим образом:

RLWΦLW = Hmhm − RδΦmRLWΦLW − 12 (RW + RL) ΦW = 0

(2)

Для удобства расчета , вводится магнитная проводимость G . G определяется следующим образом:

Определение уравнений магнитной проводимости каждого участка магнитной цепи аналитическим методом, которые представлены следующим образом:

Gδ = 2πμ0lmlnDmw + 2δ / Dmw

(4)

GL = μrLπhbDmw + 2h2 + hb / лм

(6)

GLW = 4μ0Dmw2 + (δ + hm) h2lnh2δ + hm + 4μ0Dmw2 + (δ + hm) h2 + hblnh2 + hbδ + hm

где Gδ, GW, GL, GLW — магнитная проводимость, соответствующая каждому магнитному сопротивлению.Dmw — это расчетный диаметр стального стержня, равный эффективной площади металла каната. Как показано на b, lm — длина постоянного магнита в осевом направлении троса; δ обозначает воздушный зазор между постоянным магнитом и поверхностью троса; hm представляет собой радиальную толщину магнита; Lm — расстояние между двумя магнитными полюсами; h2 обозначает радиальный зазор между внутренней стороной ярма и поверхностью троса; hb — толщина стенки ярма.В соответствии с плотностью магнитного потока, которая требуется для намагничивания троса, параметры возбудителя с постоянным магнитом могут быть рассчитаны по уравнениям (2) — (7), затем оптимизированы с помощью моделирования и экспериментальных результатов и, наконец, размер возбудитель определен.

2.2. Принцип обнаружения магнитной концентрации

Обнаружение магнитной концентрации осуществляется с помощью магнитных концентраторов, изготовленных из материалов с высокой магнитной проницаемостью. Наилучший эффект обнаружения может быть достигнут путем определения подходящей формы и размера концентратора.схематическая диаграмма [14].

Схема магнитного концентрирующего детектора.

Как видно из, одиночный датчик Холла собирает компонент пространственного магнитного потока утечки, и его выходной потенциал Холла рассчитывается по уравнению (8):

VH = KHIC∬SHBZ (x, y, z) dxdy = KHICΦH (x, y, z)

(8)

где KH — постоянная, определяемая характеристиками холловской составляющей; IC — это ток, протекающий в холловской составляющей, а SH — чувствительная область холловской составляющей.Следовательно, потенциал Холла напрямую связан с зоной восприятия холловской компоненты, которая связана с магнитным потоком ΦHx, y, z.

Магнитные концентраторы добавлены с обеих сторон чувствительной поверхности холловского компонента, и его размер составляет l × w × h . Магнитный поток Φ1 между двумя концентраторами рассчитывается следующим образом:

F1 (x, y, z) = ∬S1BZ (x, y, z) dydz

(9)

Собирающий эффект магнитного поля на обоих концах намагничивания здесь игнорируется.В уравнении (9) S1 — это площадь боковых граней двух концентраторов, параллельная плоскости xoz. Если магнитный поток Φ1 полностью импортируется в компонент Холла, поскольку S1 больше, чем SH, потенциал Холла соответственно возрастет, что, в свою очередь, увеличит силу сигнала MFL.

3. Анализ конструкции сенсора с помощью конечных элементов

В качестве одного из самых популярных численных методов в настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) широко используется при моделировании магнитного поля [17,18,19].В этой статье исследуются структурные параметры CMPME и анализируются характеристики магнитного концентратора по улавливанию магнитного потока рассеяния с помощью FEM.

3.1. Моделирование основных параметров CMPME

CMPME в этой статье спроектирован для троса диаметром 24 мм. Параметры возбудителя, подлежащие определению, показаны на b. Воздушный зазор δ и осевое расстояние Lm являются наиболее важными параметрами, влияющими на эффект возбуждения [20,21].Из уравнения (4) можно узнать, что при неизменных других параметрах магнитная проводимость Gδ. будет уменьшаться вместе с увеличением воздушного зазора δ. Согласно уравнению (3) магнитосопротивление Rδ будет увеличиваться, что приведет к большему падению магнитного потенциала. Следовательно, магнитная энергия не может быть эффективно использована для намагничивания троса. Однако слишком маленький воздушный зазор не способствует прохождению троса через датчик во время процесса обнаружения. Для минимизации падения магнитного потенциала и с учетом проходимости троса оптимальным для конструкции датчика является δ = 2 мм.По принципу легкости радиальная толщина магнита hm = 10 мм и толщина стенки ярма hb = 5 мм. Из-за необходимости размещения детектирующих элементов в возбудителе выбрано h2 = 30 мм.

Для обеспечения хорошего эффекта обнаружения трос должен быть намагничен до состояния насыщения, и в случае повреждения может возникнуть достаточный магнитный поток рассеяния [4]. Кривая намагничивания троса диаметром 24 мм, измеренная лабораторным прибором, отображается в.Из рисунка видно, что необходимо обеспечить, чтобы плотность магнитного потока B каната была не менее 2,5 T.

Кривая намагничивания каната диаметром 24 мм.

Длина постоянного магнита lm = 20 мм и расстояние между двумя магнитными полюсами Lm = 160 мм, которые рассчитываются по уравнениям в разделе 2.1. Чтобы добиться идеального эффекта намагничивания, установите lm = 15 мм, 20 мм, 25 мм и 30 мм соответственно, в то время как другие размеры остаются неизменными.Создана и смоделирована трехмерная модель. представляет результат. Абсцисса представляет осевое положение троса, точка координаты 0 — это центр осевого направления возбудителя, координата 0 также является осевым центром намагниченного троса (то же самое ниже). Ордината представляет плотность магнитного потока троса. Когда lm мала, трос не может быть намагничен до насыщения, особенно в среднем положении, плотность магнитного потока троса значительно снижается.Обычно здесь требуется разместить магнитный чувствительный элемент, что повлияет на производительность обнаружения. Когда lm увеличивается, увеличивается и плотность магнитного потока троса. Когда lm = 25 мм, плотность магнитного потока в тросе достигает 2,5 Тл или более. Однако, если lm продолжает увеличиваться, плотность магнитного потока троса не сильно меняется. Это происходит из-за того, что трос достиг насыщения. Поэтому выбор lm = 25 мм является наиболее подходящим вариантом.

Плотность магнитного потока канатов с магнитами разной длины.

На поверхности троса интенсивность магнитного потока постепенно уменьшается от двух магнитных полюсов к середине датчика, образуя переходную секцию намагничивания, как показано на. Если расстояние между полюсами достаточно велико, в середине возбудителя образуется однородный участок намагничивания с нулевым магнитным потоком. Это значительно облегчит обнаружение магнитного потока рассеяния. Однако из рациональности конструкции невозможно сформировать абсолютно однородный участок намагничивания.Только соответствующее расстояние между магнитными полюсами может быть установлено для формирования относительно однородного участка намагничивания. Если расстояние между магнитными полюсами слишком мало, магнитный поток будет проходить через поверхность троса, что повлияет на эффект обнаружения. Между тем, слишком большое расстояние между магнитными полюсами приведет к увеличению веса датчика. Поэтому очень важно выбрать подходящее расстояние между магнитными полюсами.

Изменение плотности магнитного потока от магнитных полюсов к промежуточному положению возбудителя.

Оставив lm = 25 мм и другие размеры без изменений, установите Lm = 140 мм, 150 мм, 160 мм, 170 мм и 180 мм соответственно. Результаты моделирования показаны в. Из графика видно, что сечение однородного намагничивания становится все более очевидным с увеличением Lm. Кроме того, плотность магнитного потока в среднем положении меньше, а флуктуация меньше, что указывает на то, что линии магнитной индукции более однородны. Когда здесь происходит повреждение, исходный магнитный поток влияет на сигнал MFL в меньшей степени.Однако длина троса, намагничиваемого возбудителем, становится больше с увеличением Lm, в результате чего часть троса не достигает насыщения. Когда Lm = 180 мм, плотность магнитного потока троса показана в. Видно, что в среднем положении есть перепад, который показывает, что трос не пропитан. Следовательно, чтобы обеспечить хороший эффект намагничивания и сформировать как можно более однородные сегменты намагничивания, лучшим выбором будет установка Lm = 170 мм.

Плотность магнитного потока в промежуточных положениях возбудителя с разными Lm

Плотность магнитного потока троса с Lm = 180 мм.

3.2. Моделирование магнитного концентратора

Структура и размеры магнитного концентратора [15] показаны на рис. Концентратор расположен в середине разработанного датчика и состоит из магнитных собирающих колец и магнитных мостов, которые изготовлены из материала с высокой магнитной проницаемостью, такого как промышленное чистое железо, чернилоотталкивающий сплав и т. Д.Когда создается магнитный поток рассеяния, магнитное собирающее кольцо может собирать магнитный поток и передавать его на магнитное кольцо на другой стороне через магнитный мост, а вокруг троса формируется путь обнаружения в форме шеи. Компонент Холла размещается на мосту, обеспечивая прохождение большей части потока утечки через компонент Холла. Чтобы устранить шум магнитного потока утечки между жилами, длина магнитного собирающего кольца l должна составлять половину интервала между жилами [14].В данной статье датчик рассчитан на тросы диаметром 24 мм, поэтому l = 12 мм, Δh = 2 мм [14]. Внешний диаметр D1 и внутренний диаметр d1 магнитного собирающего кольца будут определяться в соответствии с отрывом. Датчик смоделирован в соответствии с указанными выше размерами. В таблице представлены различные параметры магнитного коллекторного кольца. Общая модель показана в. Канат заменяется семью стальными прядями в качестве образца для моделирования, и на образце делается излом 2 мм × 2 мм × 2 мм.

Устройство и размеры магнитного концентратора.

Общая имитационная модель.

Таблица 1

Наружный и внутренний диаметры магнитного кольца при разном отталкивании.

Отрывной	D1	d1
2 мм	38 мм	28 мм
3 мм	40 мм	40 мм	42 мм	32 мм
5 мм	44 мм	34 мм

Моделирование выполняется с магнитными концентраторами или без них соответственно.Компонент Холла расположен непосредственно над трещиной. Плотность магнитного потока холловской компоненты с разным отрывом отображается в. На рисунке правильные треугольники и перевернутые треугольники представляют собой магнитный концентратор, а квадрат и круг — отсутствие концентратора. Очевидно, что плотность магнитного потока холловской компоненты уменьшается с увеличением отрыва. В отсутствие магнитного концентратора плотность магнитного потока, индуцированная холловской составляющей, не сильно меняется после повреждения.При наличии магнитного концентратора разница в плотности магнитного потока до и после повреждения более очевидна. Это различие легче обнаруживается магнитными датчиками, что свидетельствует о хороших характеристиках концентратора при сборе сигнала MFL.

Плотность магнитного потока холловской компоненты при разном отлете.

Более того, можно обнаружить, что, когда отрыв становится больше, разница в плотности магнитного потока становится небольшой независимо от наличия или отсутствия магнитного концентратора.Поэтому отрыв должен быть как можно меньше. Однако, если отрыв слишком мал, небольшое изменение троса в осевом центре датчика будет иметь большое влияние на эффект обнаружения. Фактически, многие физические факторы могут вызвать колебания троса примерно на 2–3 мм [21], поэтому отрыв не может быть установлен слишком маленьким. Как видно из, когда расстояние составляет 4 мм, все еще сохраняется хорошее разрешение до и после повреждения в случае использования магнитного концентратора.Следовательно, в этой статье отрыв составляет 4 мм, что означает D1 = 42 мм, d1 = 32 мм.

Исследован эффект обнаружения магнитного концентратора при изменении угла между холловской составляющей и повреждением. Когда компонент Холла находится чуть выше повреждения, а повреждение и компонент Холла находятся ближе всего друг к другу, угол определяется как 0 °; Когда радиальное расстояние между повреждением и компонентом Холла самое большое, оно определяется как 180 °. Каждое изменение угла составляет 30 °, а подъем — 4 мм.Результат моделирования представлен на рисунке без магнитного концентратора, плотность магнитного потока является наибольшей при угле 0 °. Значение постепенно уменьшается с изменением угла. Когда угол больше 120 °, плотность магнитного потока холловского компонента почти равна значению без повреждений, что показывает, что холловский компонент по существу не смог определить поток магнитной утечки, создаваемый повреждением. Когда есть концентратор, плотность магнитного потока холловской компоненты не сильно меняется с изменением угла, и разница в основном находится в пределах 0.4 мТл. Это показывает, что магнитный концентратор имеет хорошие характеристики по улавливанию МПС, и на него практически не влияет угол между элементом Холла и повреждением. В целом, сбор магнитного потока рассеяния по всей окружности может быть реализован с помощью магнитного концентратора и небольшого количества компонентов Холла, а обработка сигналов может быть упрощена.

Плотность магнитного потока холловской компоненты под разными углами.

4. Эксперимент и обсуждение

4.1. Датчик, основанный на принципе магнитной концентрации

Структура конфигурации предлагаемого датчика проиллюстрирована на a. При комбинированном датчике диаметр датчика составляет 94 мм, а общая длина составляет 220 мм. Вся конструкция разделена, что удобно для монтажа. Кольцевой постоянный магнит NdFeB35 используется для намагничивания троса, магнитные свойства NdFeB35 представлены в Направление намагничивания магнита радиальное.Магнитное собирающее кольцо также выполнено в виде полукольца. На каждую пару полуколец устанавливается по одному мосту, а на каждый мост размещается по одному компоненту Холла. Материал магнитного коллекционного кольца и ярма — промышленное чистое железо DT4. Постоянный магнит, ярмо и магнитное коллекторное кольцо встроены в нейлоновую втулку. Когда датчик объединен, две половины магнита объединяются в единое кольцо для намагничивания стального троса, а магнитное собирающее кольцо объединяется для сбора MFL.Печатная плата (PCB), показанная на b, предназначена для выполнения предварительной обработки исходного сигнала. Компонент Холла и печатная плата соединены проводными клеммами. PCB подает питание на компонент Холла. Компонент Холла имеет статическое выходное напряжение, поэтому плата имеет функцию обнуления. Когда нет повреждений, с помощью регулировки скользящего реостата выход всей схемы становится нулевым. Печатная плата имеет двухкаскадную схему усиления с увеличением в 100 раз, а выходное напряжение платы является суммой выходных сигналов двух компонентов Холла.

Прототип сконструированного датчика: ( а ) Фотографический вид датчика; ( b ) Печатная плата.

Таблица 2

Свойства постоянного магнита NdFeB35.

Марка	Br	Hcb	maxBH
N35	1170–1230 mT	10.7–12.0 kOe			264 м	11,7–12,3 кГс	852–955 кА / м	33–36 MGOe

показывает систему сбора данных.Выходной сигнал компонента Холла обрабатывается печатной платой и затем подключается к интегрированной карте сбора данных PXI-6281 через распределительную коробку сигнала SCB-68 NI. Карта сбора данных имеет программируемый фильтр нижних частот, который обладает хорошей способностью подавлять явление наложения частот во время процесса обнаружения сигнала. Карта сбора данных может преобразовывать сигнал напряжения в цифровой сигнал. Программа сбора данных LabVIEW используется для получения сигнала, и сигнал отображается в реальном времени на мониторе.

4.2. Экспериментальный процесс

Оцинкованный трос 6 × 24 + FC диаметром 24 мм предназначен для обнаружения обрыва проволоки, диаметр проволоки составляет 1,1 мм, а общая длина троса составляет 5350 мм. Пять оборванных проволок, расположенных в разных положениях по окружности, вручную обрабатываются на поверхности троса. Расстояние между оборванными проводами поддерживается на уровне 250 мм, что немного больше длины предлагаемого датчика (220 мм). Как показано на, количество оборванных проводов составляет от 1 до 5 слева направо на рисунке, а размер излома каждого оборванного провода составляет 10 мм.

Как показано на, трос помещается на испытательный стенд для стального троса для проверки. На обоих концах троса есть пряжки, которые закреплены на обоих концах испытательного стенда. Рама всей установки изготовлена ​​из алюминиевого сплава, что позволяет избежать воздействия на сигналы MFL. Датчик устанавливается на тросе и фиксируется двумя заглушками, а затем фиксируется двумя скобами из алюминиевого сплава на подвижном поддоне. На внешнем конце датчика есть направляющее колесо, обеспечивающее нахождение троса в осевом центре датчика.Печатная плата фиксируется на поддоне четырьмя фиксирующими штифтами (b), а выходной сигнал печатной платы передается в распределительную коробку по кабелю буксируемой цепи. Тяговая цепь гарантирует, что линия передачи не запутается и не рассыпается, а цепь движется вместе с поддоном, чтобы гарантировать стабильность печатной платы. Мобильный поддон приводится в движение двумя направляющими рельсами, и обнаружение повреждения троса может быть реализовано с помощью движения датчика. Во время эксперимента скорость движения датчика составляет 0,25 м / с.

4.3. Экспериментальные результаты и анализ

показывает экспериментальные результаты, полученные для троса с рядом оборванных проволок. По оси абсцисс отложено расстояние перемещения датчика по тросу, а по оси ординат — амплитуда напряжения. Хорошо видно, что в сигнале есть пять скачков. Пять скачков соответствуют пяти оборванным проводам, что указывает на то, что разработанный датчик может идентифицировать 1–5 внешних оборванных проводов каната диаметром 24 мм.

Сигнал обрыва провода.

Исходный сигнал содержит шум, создаваемый схемой и внешней средой. Чтобы улучшить отношение сигнал / шум (SNR) сигнала, вейвлет-преобразование используется для шумоподавления сигнала [22,23,24].

Вейвлет Добеши третьего порядка выбирается в качестве исходного вейвлета, и одномерное дискретное вейвлет-преобразование выполняется для исходного сигнала в среде Matlab. представляет процесс шумоподавления.Можно видеть, что низкочастотный коэффициент сохраняет характеристики повреждения исходного сигнала, а шум в основном сосредоточен в высокочастотной части. Сигнал восстанавливается с использованием низкочастотных коэффициентов, а часть сигнала с высокочастотными коэффициентами отбрасывается. Очевидно, что восстановленный сигнал эффективно удаляет большую часть шума и полностью сохраняет характеристики сигнала обрыва провода, а отношение сигнал / шум сигнала MFL значительно улучшается.

4.4. Комментарий и обсуждение

Приведенные выше результаты показывают, что предлагаемый датчик может распознавать внешние обрывы троса диаметром 24 мм. Однако мы проверили эффект обнаружения только при определенной длине трещины. Мы не исследовали мельчайшие трещины, которые датчик может идентифицировать, из-за сложности подготовки образца. При этом расстояние между оборванными проводами остается постоянным. Ближайшее расстояние между двумя оборванными проводами, которое датчик может распознать, также является важной частью, на которой мы сосредоточимся на следующем шаге.

5. Выводы

Чтобы удовлетворить требованиям обнаружения повреждений стальных тросов в различных рабочих условиях, предлагается инновационный датчик для обнаружения обрыва проволоки, основанный на принципе магнитного концентрирования.

Чтобы сделать возбуждение более однородным и более легким намагничиванием каната до насыщения, в этой конструкции используется CMPME. Влияние двух его параметров lm и Lm на эффект возбуждения анализируется с помощью метода конечных элементов, который обеспечивает основу для оптимизации конструкции возбудителя с постоянным магнитом.

Традиционная матрица датчиков Холла заменена магнитным концентратором. Магнитный концентратор может обеспечить полный сбор утечки магнитного потока (MFL) по сравнению с отдельным компонентом Холла, а использование компонентов Холла может быть значительно сокращено, что упрощает последующую обработку сигнала.

Разработанный датчик проверяется экспериментально. Результаты показывают, что датчик может явно распознать 1–5 внешних обрывов проводов, что указывает на превосходные характеристики разработанного датчика при обнаружении дефектов стальных тросов.

Хотя датчик, предложенный в этой статье, имеет хорошие характеристики при проверке внешних обрывов проводов, мы еще не исследовали его минимальное обнаруживаемое повреждение и осевое разрешение. Между тем, он не тестировался на наличие других повреждений канатов, таких как внутренний обрыв проводов и износ. Кроме того, если датчик может обнаруживать сигналы этих повреждений, необходимо предоставить соответствующий метод классификации неисправностей в будущей работе.

Вклад авторов

Концептуализация, Ю.Z. and J.T .; методология, L.J .; программное обеспечение, W.X .; проверка, W.X., W.Z. и Y.Z .; формальный анализ, Ю.З .; расследование, W.X .; ресурсы, L.J .; курирование данных, Y.Z .; письменность — подготовка оригинального черновика, Я.З .; письмо — обзор и редактирование, L.J .; визуализация, W.X .; надзор, W.Z .; администрация проекта, J.T .; привлечение финансирования, J.T.

Финансирование

Исследование поддержано Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта № 51475249.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Ким Дж. У., Парк С. Зондирование утечки магнитного потока и автоматическое обнаружение повреждений на основе распознавания образов искусственной нейронной сети и количественная оценка для неразрушающей оценки троса. Датчики. 2018; 18: 109. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 2. Peng P.C., Wang C.Y. Использование гамма-излучения при контроле стальных тросов подвесных мостов. NDT E Int. 2015; 75: 80–86. DOI: 10.1016 / j.ndteint.2015.06.006. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Вайшедель Х., Рэмси Р.П. Электромагнитные испытания, надежный метод проверки тросов в эксплуатации. NDT Int. 1989; 22: 155–161. [Google Scholar] 5. Гу В., Чу Дж. Преобразователь, состоящий из феррозондовых датчиков, для проверки дефектов каната. IEEE Trans. Instrum. Измер. 2002. 51: 120–124. DOI: 10.1109 / 19.989914. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Лэй Х.М., Тиан Г.Ю. Обнаружение обрыва проволоки в стальных лентах с покрытием методом рассеяния магнитного потока. В поле зрения. 2013; 55: 126–131. DOI: 10.1784 / insi.2012.55.3.126. [CrossRef] [Google Scholar] 7.Вайшдель Х.Р. Проверка тросов в эксплуатации: критический обзор. Матер. Eval. 1985. 43: 1592–1605. [Google Scholar] 8. Джомдеча К., Пратепасен А. Разработка модифицированного электромагнитного основного потока для контроля стальных тросов. Ndt & E Int. 2009; 42: 77–83. [Google Scholar] 9. Цао Ю.Н., Чжан Д.Л., Ван К. Новый электромагнитный метод проверки локальных дефектов стального каната; Материалы Международной конференции TENCON, IEEE Region 10; Гонконг, Китай. 14–17 ноября 2006 г. [Google Scholar] 11.Лю X.C., Ван Ю.Дж., Ву Б., Гао З., Хе З. Конструкция массива круглых многожильных датчиков с туннельным магниторезистивным сопротивлением для обнаружения дефектов в стальном тросе. J. Sens. 2016 DOI: 10.1155 / 2016/6198065. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Сингх В.С., Рао Б.П.С., Тирунавуккарасу С. Гибкая матрица датчиков GMR для испытания на утечку магнитного потока стальных путевых канатов. J. Sens. 2012 г. DOI: 10.1155 / 2012/129074. [CrossRef] [Google Scholar] 13. У Б., Ван Й.Дж., Лю X.C., Хэ К.Ф. Новый датчик MFL на основе TMR для контроля стальных тросов с использованием метода ортогональных испытаний.Smart Mater. Struct. 2015; 24: 075007. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 24/7/075007. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Кан Ю., Сюэ Х., Ян К., Ян С. Принцип магнитной концентрации для измерения магнитного потока рассеяния, вызванного обрывом проводов в тросах. China Mech. Англ. 1993; 4: 4–6. [Google Scholar] 15. Ван Х., Тиан Дж., Мэн Г. Модель сенсора для обнаружения дефектов в канатах для подъёма мин, основанная на магнитной фокусировке. В поле зрения. 2017; 59: 143–148. [Google Scholar] 16. Сюй Ф., Ван Х., Ву Х. Метод проверки вантового моста с использованием обнаружения утечки магнитного потока: принцип, конструкция датчика и обработка сигналов.J. Mech. Sci. Tech. 2012; 26: 661–669. DOI: 10.1007 / s12206-011-1234-х. [CrossRef] [Google Scholar] 17. Цзе П.В., Лю X.C., Лю З.Х., Ву Б., Хэ К.Ф. Инновационная конструкция для использования гибких печатных катушек для магнитострикционных датчиков продольной направленной волны при контроле стальных прядей. Smart Mater. Struct. 2011; 20: 055001. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 20/5/055001. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Цзоин Х., Пейвен К., Лян С. Анализ методом 3D FEM методом рассеяния магнитного потока. Ndt E Int. 2006; 39: 61–66. DOI: 10.1016 / j.ndteint.2005.06.006. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Аль-Наэми Ф.И., Холл Дж. П., Моисей А.Дж. Методы моделирования методом конечных элементов для неразрушающего контроля типа утечки магнитного потока для контроля ферромагнитных пластин. J. Magn. Magn. Матер. 2006; 304: e790 – e793. DOI: 10.1016 / j.jmmm.2006.02.225. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Хуа Г., Ван Х., Чен Ф. Дж., Лу Ю. Х., Сюй З., Тиан Дж., Чжоу Б. Б. Улучшение отношения сигнал / шум MFL-сигнала при дефектоскопии канатов для угольных шахт; Материалы 2-го Международного конгресса по обработке изображений и сигналов 2009 г .; Тяньцзинь, Китай.17–19 октября 2009 г. [Google Scholar] 21. Ван Х.Ю., Чжао С.Ю., Ганг Х. Ключевой метод датчика обнаружения канатов для угольных шахт. Мин. Sci. Tech. 2009. 19: 170–175. DOI: 10.1016 / S1674-5264 (09) 60032-6. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Чен С.В., Чен Ю.Х. Аппаратная разработка и реализация процедуры шумоподавления вейвлетов для предварительной обработки медицинских сигналов. Датчики. 2015; 5: 26396–26414. DOI: 10,3390 / s151026396. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Лежандр С., Массикотт Д., Гойетт Дж., Бозе Т.К. Метод анализа ультразвуковых сигналов неразрушающего контроля на основе волны Лэмба на основе вейвлет-преобразования. IEEE Trans. Instrum. Измер. 2000; 49: 524–530. DOI: 10,1109 / 19,850388. [CrossRef] [Google Scholar] 24. Риццо П., ди Скалея Ф.Л. Ультразвуковой контроль многопроволочных стальных прядей с помощью вейвлет-преобразования. Smart Mater. Struct. 2005; 14: 685. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 14/4/027. [CrossRef] [Google Scholar]

Обнаружение повреждений подземного кабеля | electricaleasy.com

Обнаружение типа неисправности в подземных кабелях с помощью мегомметра не должно быть сложной задачей.Но для определения точного места повреждения кабеля требуются специальные методы. Двумя популярными методами являются петлевые испытания Мюррея и Варли для обнаружения повреждений в подземных кабелях. В этой статье рассказывается о некоторых других популярных методах для поиска повреждений в подземных кабелях , а именно. (i) Удар по кабелю, (ii) TDR, (iii) высоковольтные радиолокационные методы

Прокладка кабеля для определения места повреждения кабеля под землей

Кабельный молоток — это, по сути, портативный высоковольтный импульсный генератор.Он используется для подачи высокого напряжения постоянного тока (около 25 кВ) в неисправный кабель. Если вы подадите на неисправный кабель достаточно высокое напряжение, неисправность разомкнутой цепи приведет к сбою с образованием сильноточной дуги. Эта сильноточная дуга издает характерный стук в точном месте повреждения.

Чтобы найти место повреждения кабеля с помощью метода удара, ударник настраивают на многократные удары, а затем проходят по трассе кабеля, чтобы услышать звук удара. Чем выше приложенное напряжение постоянного тока, тем громче будет звук.Этот метод полезен для относительно более коротких кабелей. Для более длинных кабелей метод ударов становится непрактичным (представьте, что вы идете по кабелю, проложенному на несколько километров, чтобы услышать удар).

Достоинства и недостатки кабельного глушителя

Основное преимущество заглушки кабеля заключается в том, что он может очень точно определять место повреждения цепи. Кроме того, этот метод прост в применении и в освоении.

Хотя метод удара обеспечивает очень точное определение места повреждения, он имеет свои недостатки.Применение этого метода для более длинных кабелей занимает очень много времени. На то, чтобы пройти по кабелю, чтобы найти неисправность, могут потребоваться часы или даже дни. Кроме того, в это время кабель подвергается высоким скачкам напряжения. Таким образом, пока обнаруживается существующее повреждение, скачки высокого напряжения могут ослабить изоляцию кабеля. Если вы умеете ударять по кабелю, вы можете ограничить повреждение изоляции кабеля, снизив мощность, передаваемую по кабелю, до минимума, необходимого для проведения теста.Хотя умеренные удары могут не вызвать заметных повреждений, частые удары могут привести к ухудшению изоляции кабеля до неприемлемого состояния. Кроме того, этот метод не может найти неисправности, которые не вызывают дугового замыкания (т. Е. Короткое замыкание).

Рефлектометр во временной области (TDR)

Рефлектометр Megger Time Domain Источник: Википедия

Рефлектометр Time Domain Reflectometer (TDR) посылает в кабель кратковременный сигнал низкой энергии (около 50 В) с высокой частотой повторения.Этот сигнал отражается от точки изменения импеданса кабеля (например, неисправности). TDR работает по тому же принципу, что и RADAR. TDR измеряет время, необходимое сигналу для отражения от точки изменения импеданса (или точки повреждения). Отражения отслеживаются на графическом дисплее с амплитудой по оси y и прошедшим временем по оси x. Затраченное время напрямую зависит от расстояния до места повреждения. Если введенный сигнал встречает разрыв цепи (высокий импеданс), это приводит к высокому отклонению кривой вверх по амплитуде.В то время как в случае короткого замыкания кривая покажет отрицательное отклонение большой амплитуды.

Сигнал, прошедший и отраженный обратно от разлома

Преимущества и недостатки TDR

Поскольку TDR посылает в кабель сигнал с низким энергопотреблением, это не вызывает ухудшения изоляции кабеля. Это главное преимущество использования TDR для поиска места повреждения в подземном кабеле.TDR хорошо работает при коротких замыканиях между проводниками и обрывом цепи.
Слабость TDR заключается в том, что он не может точно определить местонахождение неисправности. Это дает приблизительное расстояние до места неисправности. Иногда одной этой информации достаточно, а иногда она служит только для более точного анализа. Когда TDR отправляет тестовый импульс, отражения, которые могут возникнуть во время исходящего тестового импульса, могут быть скрыты от пользователя. Это может произойти с неисправностями на ближнем конце и называется слепыми пятнами.Кроме того, рефлектометр не может обнаружить замыкание на землю с высоким сопротивлением (обычно более 200 Ом). Если есть окружающие электрические помехи, это может помешать сигналу TDR.

[Также читайте: Типы подземных кабелей]

Методы высоковольтного радара

Поскольку низковольтный рефлектометр не может обнаруживать замыкания на землю с высоким сопротивлением, его эффективность в при обнаружении подземных повреждений кабеля ограничена. Чтобы преодолеть это ограничение TDR, ниже приведены некоторые популярные методы высоковольтного радара.(i) метод отражения дуги, (ii) метод отражения импульсного импульса и (iii) метод отражения при затухании напряжения.

Метод отражения дуги

В методе отражения дуги используется рефлектометр с фильтром и перемычкой. Импульсный генератор (или импульсный генератор) используется для создания дуги через шунтирующее короткое замыкание, которое создает кратковременное короткое замыкание, так что рефлектометр может эффективно показывать отклонение вниз. Фильтр отражения дуги защищает рефлектометр от скачков высокого напряжения, создаваемых ударником, и направляет сигнал низкого напряжения по кабелю.

[Также читайте: Классификация подземных кабелей]

Метод отражения импульсного перенапряжения

В этом методе используются токовый ответвитель, тампер и запоминающий осциллограф (анализатор). Этот метод используется для длинномерных кабелей и на коротких замыканиях, которые сложно устранить, и которые не обнаруживаются с помощью метода отражения дуги. В этом методе ударник напрямую подключается к кабелю без фильтра, который может ограничивать как напряжение, так и ток, подаваемые на место повреждения. Молоток подает импульс высокого напряжения в кабель, создавая дугу в месте повреждения, что впоследствии вызывает отражение энергии обратно в ударник.Отражение повторяется взад и вперед между дефектом и ударником, пока его энергия не иссякнет. Токовый ответвитель улавливает отражения от перенапряжения, которые затем фиксируются и отображаются запоминающим осциллографом.

Метод отражения при затухании напряжения

В этом методе используется ответвитель напряжения, диэлектрическая испытательная установка (высоковольтная испытательная установка постоянного тока или контрольный тестер) и запоминающий осциллограф (анализатор). Этот метод используется для кабелей класса передачи, когда для образования дуги в месте повреждения требуется напряжение пробоя, превышающее то, которое может обеспечить типичный ударник или импульсный генератор.Здесь ответвитель напряжения определяет отражения, возникающие в результате пробоя постоянного напряжения в месте повреждения, а анализатор фиксирует и отображает их.

Ссылка: http://www.cablejoints.co.uk/upload/Megger_Cable_Fault_Finding_Solutions.pdf

Могу ли я проверить наличие сломанных прядей?

На протяжении многих лет многочисленные клиенты Cirris спрашивали нас, есть ли способ обнаружить обрыв в их кабелях с помощью стандартных кабельных тестеров Cirris? Если вы когда-либо видели кабельную сборку с обрывом жил или жилы за пределами обжима, было бы разумно предположить, что обычное испытание сопротивления выявит эти неисправности (или нет?).Разве ваш тестер кабелей / жгутов не должен легко находить такие проблемы при таких очевидных видимых дефектах? Результаты могут вас удивить!

Проверить это! — Эмпирические результаты. 4-проводные измерения (Кельвина)

Цифровой микроскоп Dino-Lite

Мы измерили полное сопротивление 38-дюймового провода, чтобы установить сопротивление базовой линии.Затем мы разрезали одну прядь за раз и снимали полученные значения сопротивления после того, как каждая прядь была отрезана. После записи каждого показания мы перемещали цифровой микроскоп Dino-Lite по проводу и делали снимок (изображения в таблице ниже взяты с этого микроскопа).

Особого внимания заслуживают эксперименты, которые мы провели после того, как были разрезаны пять проводов (мы слегка «нагрели» кабель) и после того, как все провода были обрезаны (мы «собрали» все провода вместе). Обратите внимание на эффекты ниже.

Что мы узнали? Наше базовое сопротивление (все провода исправны) равно 0.1290 Ом (129 милли Ом). Сопротивление, измеренное, когда были обрезаны все жилы, кроме одной, составило 0,1320 Ом (132 миллиОм) — разница всего в 3 миллиома! С чем мы можем сравнить это сопротивление для сравнения? Когда мы измерили сопротивление при разрезании 5 жил, мы получили 0,1297 Ом. Когда мы держали в руках около 8 дюймов провода, чтобы согреть его, мы получили измерение 0,1334 Ом — разница в 3,6 миллиом. На самом деле мы получили большее изменение сопротивления, когда держали небольшой участок кабеля, чем мы. это произошло, когда мы разрезали все, кроме одной жилы из 7 многожильных проводов! Замечательно!

Другое сравнение: Какой длины должен быть кабель, чтобы разница в 0.0030 Ом (без обрезки прядей по сравнению с обрезкой всех прядей, кроме одной), которое должно быть поглощено изменением длины? Вот расчеты: 0,0030 делить на 0,0034 (сопротивление 1 дюйма провода 26 калибра) = 0,882 дюйма или почти 0,9 дюйма. Таким образом, если бы ваш кабель был на 0,9 дюйма длиннее, вы легко поглотили бы разницу в 0,0030 Ом между «без обрезания жил». на «все пряди, кроме одной». Обратите внимание, какие вариации длины провода допускают ваши спецификации.

Еще одно сравнение: Спецификации производителя на изменение поперечного сечения в конструкции многожильного провода показывают нам, что плюс или минус 2% является номинальным допустимым отклонением.Итак, если вы возьмете 2% от 0,1290 Ом (которое, как вы помните, представляет собой сопротивление, измеренное со всеми неотрезанными жилами на нашем куске 38-дюймового провода), вы получите 0,00258 Ом или чуть меньше 0,003 Ом, что является таким же отклонением, как и наше «неразрезанные жилы и все жилы, кроме одной». Похоже, что это число 0,0030 Ом, о котором мы говорили, можно честно назвать «числом шума» для этого кабеля.

Стало очевидным, что попытка найти оборванные жилы проводов в вашем кабеле нецелесообразно даже использовать 4-проводные измерения Кельвина на оборудовании, которое может измерять до 1/10 000 Ом.Различия в длине проводов, размерах поперечного сечения и комнатной температуре уменьшают вариацию сопротивления, обнаруженную в обрывках жил проводов. Простите, это физика!

Хотите лучше понять теоретическую модель, лежащую в основе эмпирических данных? Читайте ниже.

Теоретический

Кабель состоит из ряда проводов меньшего сечения:

В этом примере длина нашего кабеля составляет 38 дюймов, и он состоит из 7 жил медного провода сечением примерно 34 AWG.

Сопротивление медного провода 34 AWG равно 0.2609 Ом / фут. при комнатной температуре.

Сопротивление каждой жилы параллельно сопротивлению всех других жил, или, другими словами, общее сопротивление кабеля — это параллельное сопротивление всех жил.

Параллельное сопротивление рассчитывается по следующей формуле:

В нашем теоретическом кабеле сопротивление составляет: 0,1180262 Ом.

Предположим, что у нас есть оборванная нить, и зазор, образованный разорванной нитью, составляет 0,005 дюйма.

Теперь наш кабель состоит из 6 параллельных путей длиной 0,005 дюйма, соединенных последовательно с 7 параллельными путями длиной 37,995 дюйма.

Зазор 0,005 составляет 1/7600 длины кабеля.

Сопротивление 6 жил на длине 38 дюймов составляет 0,1376972 Ом. Разделите это на 7600, и вы получите сопротивление 6 параллельных жил на длине 0,005 дюйма или 0,0000181 Ом. Это небольшое сопротивление последовательно с нашими 7 параллельными путями, равными 37.995 дюймов в длину.

Эти 37,995 дюйма составляют 7599/7600 нашей длины или 0,999868 38 дюймов. Наше исходное сопротивление 0,1180262 Ом для 38 дюймов, умноженных на 7599/7600, дает 0,1180106 Ом для 37,995 дюймов.

Сопротивление серии

просто складывается так, что общее сопротивление нашего кабеля с разорванной жилой составляет: 0,0000181 Ом + 0,1180106 Ом, что в сумме дает 0,1180287 Ом.

Разница в сопротивлении для двух условий (0,1180262 Ом без обрыва цепи vs.0,1180287 для одной оборванной жилы) составляет 2,58 мкОм или 0,00000258 Ом.

Мы думаем, вы согласитесь, что это слишком мало для измерения в любых реальных сценариях, и очень сложно измерить даже в лабораторных условиях!

Обнаружение обрыва провода — Испанский перевод — Linguee

Наивысшая степень e o f Обрыв провода a c у.е…] и запатентованный дизайн RFTC. ppic.com	Эль-мс Альто Градо […] de pr ec isin en la Deteccin de rot uras de кабели gra cias 9 … оптимизировано и запатентовано RFTC. ppic.com
2 полупроводниковых выхода, защита от короткого замыкания и перегрузки ct e d Обнаружение обрыва провода o n A OPD input contrinex.пт	salidas por […] semicon du ctor 2x, proteccin sob recar ga sy cor to -circ uit de 9000 9000 rot 9000 rot 9000 hil o en la […] Entrada AOPD contrinex.com
3000-3050 […] Термин цифрового входа. 10-15, wit ho u t обнаружение обрыва провода web.thomsontechnology.com	3000-3050 Энтрада […] Цифровой тер м. 10-1 5, sin Deteccin de ruptura d e кабель web.thomsontechnology.com
Их входной вариант позволяет платиновым датчикам быть […] соединены 2- или 3 — проводом a n d в комплекте с линеаризацией и se ns o r обнаружение разрыва . дитель.эс	La opcin de entrada permite la conexin de sondas de platino a 2 3 hilos . дитель.эс
Две версии модели RSC […] имеют встроенное преимущество c ab l e обнаружение разрыва . pipelinecomponents.com	Версии для моделей RSC от […] ventaja inc или porad и e l a detccin d e l a rotura d el ca bl e. pipelinecomponents.com
Измерительное устройство h as a обнаружение обрыва провода s y st em. aeberle.com	La unidad de medida […] Integration u na fun cin d e detect e rotura de кабель . aeberle.com
Если ухудшение сохраняется, prestres si n g wire c o nt inue s t o break o a n d проскальзывает, высвобождая больше энергии в серии дискретных событий, примерно n b e обнаружено b y ppic.com	Si el Deterioro pers is te, el cable pr eten sa do co nt ina rompindose y so lt nd energa de event, un libeosrando дискретные очереди p ueden se r detectados p или un si st ema de AET. ppic.com
Модель RSB […] имеет встроенное преимущество c ab l e обнаружение разрыва . pipelinecomponents.com	Модель RSB tiene […] Включение и ntaj и l и e la rotura del c ab le. pipelinecomponents.com
Остановка безопасности […] Управление с помощью C ab l e Обнаружение обрыва pipelinecomponents.com	Control De Parads De Emergencia […] Con Detecci на De Corte De Ca ble pipelinecomponents.com
При измерении […] трансформаторы wi t h обнаружение обрыва провода t h e входной сигнал […] находится под постоянным наблюдением. weidmuller.com.au	En el caso de los transformadores […] de med id a co n Deteccin de rotura d el c на канале , […] la seal de entrada est controlada permanentemente. weidmuller.com.au
Senstar предлагает линию ta u t провод p e ri meter intru si o n 9000 y st ems, предназначенная для предотвращения […] несанкционированный доступ к сайтам с высоким уровнем безопасности. senstar.com	Senstar ofrece una lne a […] de s is te mas d e detect e int ru siones perimetrales por me di o de кабели tensad os ..] для эвитар эль […] Acceso no autorizado a lugares de alta seguridad. senstar.com
эта настройка имеет преимущество […] что сбой питания n d вызовет соответствующий […] Защитное устройство двери березовый.com	Esta configuracin tiene la ventaja de que un corte de […] corrie nt eo un da o en lo s кабели s e interp re ta co mo una Deteccin ya l caracterstica […] de seguridad correiente de la puerta. bircher.com
расход, температура a n d обрыв провода m o ni toring ifmefector.нетто	control de la […] циркуляция, температура и y del кабель ifmefector.net
GlassTech оптимизирован для надежной работы. , проводной a n d закаленный. visonic.com	El GlassTech es un […] equipo pt imo p ara la Deteccin de rotura de cu alquier tipo de cristal — vidrio comn la 9000 ), armado y tem pl ado. visonic.com
Do n o t перерыв t h e d ra i n r удалить любой […] На больше куртки, чем необходимо. veeder.com	N o retirar el fo rr o de blindaje de no ser […] necesario. veeder.com
Они интегрируют ra t e обрыв провода a n d мониторинг температуры. ifmefector.net	Los cont ro les d e rotura d e filamentos y te mp eratura […] estn integrationdos. ifmefector.net
Команда использовала т ч e разрыв провода d a ta , предоставленный PPIC […] для проведения приоритетной и выборочной реабилитации трубопроводов […] , которая нацелена на отдельные трубы в наиболее подозрительных трубопроводах. ppic.com	El equipo ha utilizad o los […] d atos s obre roturas d e кабели p rov istos p или PPIC […] для реализации программы реабилитации […] de tuberas selectivo y organization por orden de prioridad, orientado hacia los tubos Individualuales dentro de las tuberas ms sospechosas. ppic.com
Wire p u ll and brea ka g e обнаружение schmersal.нетто	Detecta tra ccin o ro tura del кабель schmersal.net
Если значение дельты больше допустимой длины инструмента […] допуск для wea r o r обнаружение разрыва , t he TNC будет […] заблокируйте инструмент (статус L в TOOL.T). content.heidenhain.de	Cuando el valor delta es mayor al de la […] толерантность sgast e o rotura AD isibl e для […] longitud de la herramienta, el TNC bloquea dicha hta. content.heidenhain.de
Все эти версии имеют стопор 0 и опционально . […] может поставляться c ro s s — провод s h o r t обнаружение . schmersal.fr	Todas estas versiones tienen una salida de seguridad de paro 0 y opcionalmente […] pueden e qu ipars e c on Deteccin de co rtoci rc uito. schmersal.net
C ro s s — обнаружение провода schmersal.fr	Deteccin de cru ce schmersal.net
C ro s s — обнаружение провода : ye s Wire b r обнаружение : y es Обнаружение утечки на землю: […] да Количество размыкающих контактов schmersal.com	Deteccin de c ruce: s Deteccin de rup tu ra de кабель: s Deteccin de fuga a […] уровень: s Nmero de contactos NC schmersal.net
Wire b r eaka g e обнаружение schmersal.нетто	Detecta r otura d el кабель schmersal.net
Если для вашей системы безопасности требуется […] тампер (обрезка) a n d провод f a ul t (короткое) распознавание, a l l d e vi ces must […] использовать нормально замкнутые контакты. paradox.ca	Si la instalacin Requiere reconocimiento de […] sabotaje y fa ll o de cableado (cor to circuiti to ), to dos los dis posit 9000 deben 9000 deben .] contactos normalmente cerrados. paradox.ca
XP6-MA: Шестизонный интерфейсный модуль FlashScan; соединяет интеллектуальный […] сигнализация на t w o — провод c o nv enti on a l o ne . notifier.com	XP6-MA: Модуль интерфейса сейсмических зон FlashScan; conecta el sistema de alarma […] inteligente a la zona de Deteccin con venc io nal de d os кабели. notifier.com
Особенности IVA var io u s обнаружение s c en arios: loitering, tr i i dl e объект, […] объект удален, траектория, превышение скорости, скорость […] и фильтры размера, и определение цвета. boschsecurity.co.uk	Esta tecnologa […] включая distint as opci one s d e detect: per son as me ro deando, cuerda […] de trampa virtual, objeto inactivo, […] объектов, устраняющих, trayectoria, velocidad, Filters de velocidad y tamao, y Deteccin de color. boschsecurity.es
Er ro r : Обрыв провода ( o pe n load) xdki.festo.com	E r ror: Rotura del hi lo (открытая нагрузка) xdki.festo.com
Не закрепляйте кабель за острый […] угол, потому что t h e провод i n si de кабель m a y break cateye.com	Нет кабеля для подключения к сети […] agudo puesto q ue el hilo interior po dr комбинезон . cateye.com
Для диагностики se s , обрыв провода a n d короткое замыкание […] контролируются на клапане. ifmefector.нетто	Для диагностики […] se comp ru eban rotura d e cable y cor to circuito […] en la vlvula. ifmefector.net
В некоторых случаях t h e обнаружение p i n m a y перерыв . Читайте также Глухозаземленная и изолированная нейтраль отличия: Режимы работы нейтрали в электроустановках и электрических сетях Что такое дребезг контактов: Дребезг контактов, и как с ним бороться Релейная защита трансформатора: Релейная защита силовых трансформаторов Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт