ИНДУКТИВНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЯ ЭКСЦЕНТРИЧНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ
INDUCTIVE-OPTICAL TRANSDUCER OF ELECTRICAL CABLE ECCENTRICITY METRE

Изобретение относится к средствам измерения эксцентричности проводника электрического кабеля относительно его изоляционной оболочки с использованием магнитного и оптического методов измерительных преобразований.
Известен индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности и диаметра электрического кабеля (WO 03085354, МПК G01B 7/312, опубл. 16.10.2003 г.), содержащий индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе с обмоткой возбуждения, две симметрично расположенные относительно продольной оси симметрии преобразователя и ортогональные друг другу системы взаимоиндуктивных и оптических преобразователей, состоящих каждая из источника и приемника оптического излучения и двух расположенных по разные стороны от оси симметрии встречно включенных измерительных обмоток, имеющих каждая по две согласно включенные секции. Секции измерительных обмоток лежат в плоскости, проходящей через ось симметрии систем преобразователей. При этом секции измерительных обмоток разнесены в продольном относительно направления движения кабеля направлении на некоторое расстояние, обеспечивающее возможность размещения в промежутке между секциями обмоток источника и приемника оптического излучения. Взаимоиндуктивными преобразователями обеспечивается измерение поперечного смещения продольной оси проводника относительно продольной оси преобразователя, а оптическими преобразователями - смещение продольной оси оболочки относительно продольной оси преобразователя, а также диаметра оболочки. Значение эксцентричности проводника и оболочки, т.е. поперечного смещения продольной оси проводника относительно продольной оси оболочки кабеля, определяется геометрическим вычитанием векторов поперечного смещения продольных осей проводника и оболочки относительно оси симметрии преобразователя. Недостатками такого технического решения, обусловленными конструктивными особенностями преобразователя, являются нелинейность функций преобразования поперечных смещений проводника в электрические сигналы (эдс измерительных обмоток), зависимость сигнала измерительных обмоток, предназначенных для измерения смещения проводника по одной из ортогональных осей от смещения по другой ортогональной оси, ухудшение эксплуатационных параметров измерителя ввиду увеличенного по сравнению с аналогами размера преобразователя в продольном направлении.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности электрического кабеля (Патент РФ на изобретение №2300737 МПК G01B 7/312, опубл. 10.06.2007 г., бюл. №16), содержащий индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе с обмоткой возбуждения, две симметрично расположенные относительно продольной оси симметрии преобразователя и ортогональные друг другу системы взаимоиндуктивных и оптических преобразователей, состоящих каждая из источника и приемника оптического излучения и пары расположенных по разные стороны от оси симметрии встречно включенных измерительных обмоток, имеющих каждая по две согласно включенные секции. При этом секции измерительных обмоток расположены в параллельных плоскостях и для каждой пары измерительных обмоток отношение расстояния между измерительными обмотками к расстоянию между их секциями находится в интервале от 1,6 до 1,8.
Принцип действия устройства заключается в следующем. Движущийся контролируемый кабель пропускается сквозь кольцо магнитопровода, по возбуждающей обмотке которого протекает переменный электрический ток. В результате этого в проводнике кабеля индуцируется переменный электрический ток, создающий вокруг проводника переменное магнитное поле. Это магнитное поле наводит эдс в секциях измерительных обмоток. Суммарные эдс измерительных обмоток каждой из систем преобразователей функционально связаны со значениями поперечных смещений проводника по соответствующим ортогональным осям, лежащим в плоскостях, параллельных секциям измерительных обмоток. Таким образом, обеспечивается получение информации о местоположении (координатах) продольной оси проводника кабеля. Получение измерительной информации о местоположении (координатах) продольной оси оболочки кабеля осуществляется на основе теневого оптического метода с использованием расположенных по разные стороны от контролируемого кабеля источника и приемника оптического излучения. Значение эксцентричности проводника и оболочки определяется геометрическим вычитанием векторов поперечного смещения продольных осей проводника и оболочки относительно оси симметрии преобразователя.
Благодаря указанному расположению секций измерительных обмоток описанный выше преобразователь характеризуется высокой линейностью функций преобразования поперечных смещений проводника в электрические сигналы (эдс измерительных обмоток) и малой зависимостью сигналов измерительных обмоток, предназначенных для измерения смещения проводника по одной из ортогональных осей от смещения по другой ортогональной оси. Однако для решения ряда практических задач, требующих высокой точности измерений, эти параметры оказываются недостаточными. Кроме того, взаимоиндуктивные преобразователи описанной конструкции характеризуются малым значением коэффициента преобразования, что также ограничивает точность измерений.
Задачей, решаемой при использовании предлагаемого изобретения, является повышение точности измерений.
Поставленная задача достигается тем, что в индуктивно-оптическом преобразователе измерителя эксцентричности электрического кабеля, содержащем индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе с обмоткой возбуждения, две симметрично расположенные относительно продольной оси симметрии преобразователя и ортогональные друг другу системы взаимоиндуктивных и оптических преобразователей, состоящих каждая из источника и приемника оптического излучения и пары расположенных по разные стороны от оси симметрии встречно включенных измерительных обмоток, имеющих каждая по две согласно включенные секции, в соответствии с предлагаемым решением секции измерительных обмоток расположены в проходящих через ось симметрии и пересекающихся под углом 60° плоскостях.
На фиг.1 изображен индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности электрического кабеля; на фиг.2 - схема электрических соединений обмоток преобразователя; на фиг.3 - поперечное сечение контролируемого кабеля; на фиг.4 - функциональные зависимости электрического сигнала от поперечного смещения для предлагаемого преобразователя (зависимости 16, 18) и устройства-прототипа (зависимости 17, 19).
Индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности электрического кабеля содержит индуктор на замкнутом кольцевом магнитопроводе 1 с обмоткой возбуждения 2, две одинаковые системы взаимоиндуктивных и оптических преобразователей, первая из которых состоит из источника оптического излучения 3, приемника оптического излучения 4, двух измерительных обмоток с секциями 5, 6 и 7, 8, а вторая - из источника оптического излучения 9, приемника оптического излучения 10, двух измерительных обмоток с секциями 11, 12 и 13, 14.
Первая и вторая системы преобразователей симметричны относительно оси OZ (фиг.1) и ортогональны между собой. Двухсекционные измерительные обмотки первой системы преобразователей с секциями 5, 6 и 7, 8 и второй системы преобразователей с секциями 11, 12 и 13, 14 расположены по разные стороны от оси OZ. Секции измерительных обмоток 5, 8 и 6, 7 первой системы преобразователей и 11, 14 и 12, 13 второй системы преобразователей расположены в проходящих через ось симметрии OZ и пересекающихся под углом 60° плоскостях. Источник 3 и приемник 4 оптического излучения первой системы преобразователей, источник 9 и приемник 10 оптического излучения второй системы преобразователей располагаются в промежутке между секциями измерительных обмоток. Секции измерительных обмоток 5 и 6, 7 и 8, 11 и 12, 13 и 14 включены согласно, а сами измерительные обмотки каждой из систем преобразователей включены встречно (фиг.2).
1
2
п
п
Индукционно-оптический преобразователь работает следующим образом. Движущийся контролируемый кабель с проводником 15 пропускается сквозь кольцо магнитопровода 1, по обмотке возбуждения 2 которого протекает переменный электрический ток (фиг.1). Проводник 15 кабеля образует с электропроводящими элементами производственной линии нанесения изолирующей оболочки (подающими роликами, корпусом охлаждающей ванны, распределенной электрической емкостью между проводником и корпусом ванны и т.п.) замкнутую электрическую цепь, а кроме того, фактически является вторичной обмоткой трансформатора, другими составными частями которого являются магнитопровод 1 и обмотка возбуждения 2 индуктора. В результате в проводнике 15 кабеля индуцируется переменный электрический ток I, создающий вокруг проводника переменное магнитное поле. Это магнитное поле наводит эдс в секциях измерительных обмоток. При совпадении продольной оси проводника 15 кабеля с осью симметрии OZ индуктивно-оптического преобразователя ввиду встречного включения измерительных обмоток суммарная эдс измерительных обмоток каждой системы преобразователей равна нулю. При поперечном смещении проводника 15 кабеля относительно продольной оси OZ в направлении оси ОХ, лежащей в плоскости симметрии измерительных обмоток с секциями 5-8 и проходящей через ось OZ, суммарная эдс этих измерительных обмоток Е функционально связана по амплитуде со значением смещения X. При поперечном смещении проводника 15 кабеля относительно продольной оси OZ в направлении оси ОY, лежащей в плоскости симметрии измерительных обмоток с секциями 11-14 и проходящей через ось OZ, суммарная эдс этих измерительных обмоток Е функционально связана по амплитуде со значением смещения Y. Таким образом обеспечивается получение информации о местоположении (координатах Х и Y) продольной оси проводника 15 кабеля.
о
о
Получение измерительной информации о местоположении (координатах X и Y) продольной оси оболочки кабеля осуществляется на основе теневого оптического метода с использованием расположенных по разные стороны от контролируемого кабеля источников 3, 9 и приемников 4, 10 оптического излучения. Для этого, в частности, возможно применение того же принципа измерительного преобразования, что и в устройстве-аналоге.
Значение эксцентричности е проводника 15 и оболочки 16 кабеля (фиг.3) определяется геометрическим вычитанием векторов  и  поперечных смещений продольных осей проводника и оболочки относительно оси симметрии преобразователя OZ:
;
;
,
x
y
где e и e - проекции вектора эксцентричности соответственно на координатные оси ОХ и OY.
1
2
п
п
Предлагаемая конструкция измерительных обмоток с секциями, расположенными в пересекающихся под углом плоскостях, обеспечивает высокую линейность зависимостей сигналов измерительных обмоток Е и E соответственно от измеряемых смещений Х и Y и пренебрежимо малую зависимость этих сигналов от смещений в ортогональных направлениях в широком диапазоне поперечных смещений самого кабеля в контролируемой зоне преобразователя. Оптимальное значение угла α между плоскостями секций обмоток, равное 60°, установлено на основе математического моделирования и подтверждено результатами физического моделирования. Однако метрологические параметры устройства существенно не изменяются при изменении угла α в пределах от 58° до 62°.
Следует отметить, что для предлагаемого преобразователя при оптимальном значении угла α=60° отношение расстояния b между секциями измерительных обмоток и расстояния a между находящимися по разные стороны от контролируемого кабеля измерительными обмотками, как и для преобразователя-прототипа, равно  (фиг.1).
Отличие же заключается в том, что если для предлагаемого преобразователя секции измерительных обмоток находятся в пересекающихся плоскостях, то для преобразователя-прототипа - в параллельных.
2
На фиг.4 приведены полученные для предлагаемого преобразователя с оптимальным значением угла между плоскостями секций обмоток α=60° зависимости сигнала Е измерительных обмоток, предназначенных для измерения смещения по оси OY, от изменения координат продольной оси проводника кабеля Y (кривая 16) и Х (кривая 18). Вторая зависимость определялась при значении Y=0,15a. Здесь же представлены аналогичные зависимости для преобразователя-прототипа (кривые 17 и 19). Сравнительный анализ этих зависимостей показывает, что функция преобразования предлагаемого преобразователя, имеющего оптимально выбранные конструктивные параметры, характеризуется приблизительно в два раза меньшим отклонением от линейности и в два раза меньшей зависимостью от смещения проводника в ортогональном измеряемому смещению направлении. Кроме того, предлагаемый преобразователь имеет приблизительно на 25% большее значение коэффициента преобразования измеряемых смещений проводника в эдс измерительных обмоток.
Более высокие метрологические характеристики преобразователя обеспечивают достижение и более высокой точности определения местоположения оси проводника, что в свою очередь позволяет достичь и более высокую точность определения эксцентричности проводника и оболочки кабеля.
Источники информации
1. Pat. WO 03085354. IC G01B 7/312. Contactless system for measuring centricity and diameter / Zumbach Electronic AG (CH). Publ. 16.10.2003, esp@cenet database. - 18 p.: I1.
2. Патент РФ на изобретение №2300737. МПК G01B 7/312. Индуктивно-оптический преобразователь измерителя эксцентричности электрического кабеля. Опубл. 10.06.2007, бюл. №16.