В этой публикации мы расскажем о том каким образом можно измерять диаметр и эксцентричность кабельной жилы одним измерительным прибором, установив его на производстенной линии.
Эксцентричностью называют степень смещения кабельной жилы внутри кабеля от его геометричского центра. Она равна нулю, когда жила располагается точно по центру кабеля и не имеет смещений в любую сторону к внешнему краю кабеля, т.е. изоляция жилы со всех сторон имеет одинаковую толщину, что опередяет его качество.
Измерение эксцентричности осуществляется специальными приборами, основанными на индуктивно-оптических методах. Смотри например патент на такое устройство и примененный в нем метод измерения по ссылке.
Индуктивно-оптический метод предназначен для точного измерения диаметра и эксцентричности одножильных электрических кабелей на производственной линии. Он использует комбинацию индуктивных и оптических сенсоров для реального времени мониторинга и контроля качества продукции, что позволяет обеспечить высокую точность и надежность производства.
Задача измерения смещения токоведущей жилы относительно центра изоляционного материала очень важна при производстве проводов и другой кабельной продукции, особенно проводов ВЧ и проводов ЛВС. Такой параметр, как эксцентриситет, очень важен для данного вида изделий и напрямую определяет его технические и эксплуатационные характеристики (частотные характеристики, пропускная способность) и, следовательно, влияет на качество и цену готового изделия. Непрерывный контроль эксцентриситета также снижает расход дорогостоящих изоляционных материалов (поливинилхлорида, полиэтилена, полиамида и других пластикатов) при производстве сигнальных и силовых проводов и кабелей. Необходимость измерения на выходе экструдера (изолированный стержень с температурой ~130°С) и непрерывность технологического процесса не позволяют использовать контактные и разрушающие методы контроля эксцентриситета.
Для эффективного контроля эксцентричности токоведущей жилы в условиях высоких температур и непрерывного производственного процесса, можно предложить следующие подходы:
1. Оптический контроль
Принцип: Использование оптических систем, таких как высокоразрешающие камеры или лазерные сканеры, для определения расстояния от центра токоведущей жилы до центра изоляции.
Преимущества:
- Быстрое определение эксцентричности в реальном времени;
- Возможность контроля без контакта, что исключает возможность повреждения изоляции или токоведущей жилы;
- Высокая точность измерений.
2. Радиочастотный контроль
Принцип: Использование радиочастотных сигналов для определения расстояния от центра токоведущей жилы до центра изоляции.
Преимущества:
- Возможность контроля при высоких температурах без прямого контакта;
- Независимость от контактных дефектов или искажений;
- Быстрое определение эксцентричности.
3. Индуктивный контроль
Принцип: Использование индуктивных датчиков для определения расстояния от центра токоведущей жилы до центра изоляции.
Преимущества:
- Возможность контроля при высоких температурах;
- Непрерывный контроль без прерывания производственного процесса;
- Высокая точность измерений.
Реализация контроля эксцентричности
Для реализации контроля эксцентричности на выходе экструзионной головки, где изоляция жилы имеет температуру около 130 °С, можно использовать сочетание вышеперечисленных методов. Например, оптический контроль может быть применен для быстрого определения эксцентричности, а радиочастотный или индуктивный контроль – для непрерывного мониторинга и корректировки процесса.
Контроль эксцентричности является критически важным для производства высококачественных проводов и кабелей, особенно высокочастотных и LAN проводов. Использование современных технологий, таких как оптический, радиочастотный и индуктивный контроль, позволяет осуществлять точный и непрерывный контроль эксцентричности, что снижает расход изоляционных материалов и повышает качество продукции.
На картинке. На рис. 1 показано поперечное сечение изолированной жилы электрического кабеля, на котором расстояние между центром токопроводящей жилы и центром оболочки кабеля (отрезок е) является ее эксцентриситетом, а отрезки ex и ey – проекции эксцентриситета на соответствующие оси.
Рисунок 1. Рис. 1. Сечение контролируемой изолированной жилы электрического кабеля
Лучший бесконтактный метод измерения этого параметра реализован в оборудовании ведущих мировых компаний по разработке и производству контрольно-измерительного оборудования для кабельной промышленности, такие как «Sikora Industriee elektronik» (Германия), «Zumbach Electronic Automatic» (Швейцария), ООО «Технологии машинного зрения» (Россия).
Используемый в этих устройствах [2] метод измерения эксцентричности токопроводящей жилы основан на возбуждении переменного магнитного поля вокруг проводника путем пропускания через него электрического тока (тока возбуждения) и зависимости от боковых перемещений токопроводящей жилы сигнала, который улавливается приемными катушками и передается на дифференциально-индукционный преобразователь (см. рис. 2).
Рисунок 2. На рисунке: 1 – выносной индуктор; 2 – лазеры; 3 – линейки фотоприемников; 4 – обмотки приемников.
Преобразователи, используемые в зарубежных аналогах, имеют следующие недостатки:
- При перемещении проводника вдоль одной из осей сигнал появляется не только в индукционном приемнике, предназначенном для измерения перемещения вдоль соответствующей оси, но и в ортогональном ему риемнике;
- В функции, которая преобразует смещение в электрический сигнал, присутствует нелинейность.
Теоретически указанные недостатки можно устранить путем комплексной компьютерной обработки сигналов, поступающих с двух индуктивных преобразователей. Однако такой алгоритм обработки необходимо подстраивать под каждое значение диаметра проволоки, что на практике неосуществимо.
В исследовании [2] для повышения точности измерений было предложено использовать механический привод, с помощью которого осуществляется автоматическое центрирование привода относительно оси преобразователя в процессе управления. Это обеспечивает работу преобразователя в диапазоне горизонтальных перемещений, где практически не проявляются дефекты преобразователя. Реализация данного технического решения в известных разработках хотя и позволяет добиться высоких параметров измерения, во многом определяет их высокую стоимость и низкие эксплуатационные параметры.
Принцип работы
В основе данной разработки лежит оптико-индукционный метод контроля эксцентриситета электрических кабелей. Сущность метода заключается в использовании двухкоординатной оптической системы для определения положения центра жилы, диаметра внешней оболочки кабельного изделия и преобразователя от взаимно-индуктивного трансформатора для измерения смещения от центра изделия. токоведущей жилы. Путем совместной обработки данных оптического и электромагнитного каналов можно определить эксцентриситет с достаточной точностью. На рисунке 3 представлена измерительная схема прибора, где К1.1 – К1.4 и К2.1 – К2.4 – катушки магнитного преобразователя, измеряющие перемещение токоведущей жилы по первому и второму каналам; Л1; П1 и Л2; П2 – приемники лазерного излучения первого и второго каналов оптической измерительной системы.
Рисунок 3. Индуктивно-оптический преобразователь: а) схема включения обмоток магнитного преобразователя одного из каналов; б) конструкция преобразователя.
Описываемая нами конструкция имеет уникальную особенность, заключающуюся в том, что каждая измерительная катушка, предназначенная для измерения осевых координат проводника в одной из ортогональных плоскостей, имеет четыре соединенных между собой прямоугольных участка. Каждая последовательная часть преобразователя, описанного в [2], заменяется парой соответствующих соединенных частей (рис. 3, а). Подбирая оптимальное соотношение геометрических параметров такого преобразователя, можно добиться высокой линейности функции преобразования и независимости сигнала в катушке измерения смещения вдоль оси от смещения вдоль ортогональной оси в широком диапазоне. измеренных перемещений [3].
Оптическая измерительная часть схемы зарубежных аналогов для этого типа приборов реализуется методом измерения размера тени в расходящемся лазерном луче [4]. При разработке устройств геометрического контроля это наиболее часто используемый метод, который может быть реализован с помощью многоэлементного или сканирующего оборудования. Данный метод кратко описан в нашей статье “Измерители диаметра для быстрых бесконтактных измерений на промышленных линиях”. Здесь лазер с помощью оптической системы создает расходящийся луч в рабочей зоне прибора, через который горизонтально перемещается кабель. Тень кабеля падает на многоэлементный фотоприемник, ячейки которого расположены в ряд. Количество затененных ячеек в фотодетекторе, умноженное на ширину ячейки, соответствует диаметру кабеля, что также позволяет найти положение центра кабеля в рабочем азоре прибора.
Анализ работы измерителя, использующего теневой метод измерения в параллельных световых потоках, показывает, что основная причина погрешности при использовании этих схем обусловлена оптической системой коллиматора, преобразующей свет от одного точечного источника. в параллельном пучке. Наличие аберрации и погрешности юстировки приводит к тому, что световой поток в рабочей зоне отличается от параллельного светового потока даже при перемещении измеряемого объекта в рабочей зоне, что сильно влияет на точность измерения. Ситуация усугубляется еще и тем, что счетчик приходится устанавливать в зоне экструзионной головки, где температура окружающей среды достигает 90°C. Применение описанных схем затруднено из-за большого объема и сложности совмещения конструкции с электромагнитным измерительным блоком.
С целью устранения описанных выше недостатков была использована ортоганальная оптическая схема (рис. 2, б), в которой точечные источники излучают расходящиеся пучки непосредственно в многоэлементную оптику детекторной матрицы [5]. В качестве источника часто используются полупроводниковые лазеры, излучение которых наиболее близко к точке. Метод измерения диаметра и положения центра расширенных круглых изделий с использованием метода измерения теней в расходящемся световом потоке имеет ряд преимуществ, связанных с отсутствием в конструкции оптических линз и зеркал. В частности, точность измерений, достижимая с помощью таких устройств, составляет доли микрона и ограничивается только дифракционными эффектами на границах тени и разрешающей способностью используемого многоэлементного приемника. Измерение в расходящемся световом луче приводит к изменению размера тени измеряемого объекта по мере его перемещения через зону контроля. Последнее требует использования сложных соотношений для расчета истинного диаметра объекта [6, 7].
Использование данного метода измерения наружного диаметра и центрального положения оболочки сердечника позволяет более успешно, чем устройства-аналоги, объединить оптический и индуктивный измерительные каналы в единый измерительный блок (рис. 2, б), без использования механической системы для центрирования блока измерительных датчиков относительно токопроводящей жилы. Важным преимуществом предлагаемой конструкции является то, что она модет быть изготовлена в разъемном исполнении, в отличие от устройств-аналогов. Это позволяет свободно вставлять измерительное устройство в зону измерения на любом этапе производственного процесса на экструзионной линии, а также при необходимости снимать его, не прерывая технологического процесса.
Конструкция индуктивно-оптического преобразователя [8] основана на трёх принципиальных отличиях от конкурирующих зарубежных измерительных систем:
- Используемый электромагнитный преобразователь имеет возможность преобразования линейного перемещения движущегоя в имерительном зозоре прибора проводника в электрические сигналы, позволяющие убрать электрические помехи. и обеспечить автоматическую фокусировку блока согласно с перемещениями объекта измерения.
- Двухкоординатная оптическая система с расходящимся лазерным лучом не содержит линз и зеркальных оптических элементов, а также механически перемещающихся оптических элементов, что делает ее компактной и надежной.
- Использование оригинальных подходов к реализации фотоиндуктивных измерений позволяет объединить оптические и индуктивные датчики в единый съемный, стационарный и компактный измерительный блок.
Практическая реализация метода
В результате проведенного критического анализа аналогов была разработана конструкция для измерения диаметра и эксцентриситета кабелей, лишенная недостатков, имеющихся у проанализированных устройств. На рис. 4 показан участок экструзионной производственной линии с установленным прибором, который состоит из трех электронных устройств, конструкция которых выполнена в отдельных корпусах: измерительной системы, индуктора и персонального или промышленного компьютера.
Рисунок 4. Общая компоновочная схема системы. Здесь: 1)Измеряемое изделие; 2) Индуктор; 3) Охлаждающая ванна; 4) Измерительная головка; 5) Экструдер; 6) Промышленный или персональный компьютер
Сам измеритель устанавливается с помощью монтажных компонентов на линии производства кабеля, обычно между экструдером и охлаждающим резервуаром (рис. 5). и проводит измерения непосредственно на горячем изделии во время его движения. Контролируемый кабель проходит через рабочую измерительную зону измерителя.
Рисунок 5. Варианты установки системы на линии. Здесь: 1 – отдающий барабан; 2 – измеритель диаметра; 3 – экструдер; 4 – измеритель эксцентриситета; 5 – охлаждающая ванна; 6 – измеритель емкости; 7 – измеритель диаметра; 8 – высоковольтный испытатель; 9 – измеритель длины; 10 – принимающий барабан.
Измерительная система представляет собой законченное устройство и состоит из блоков, имеющих следующее назначение и функции (рис. 6). ИТП(X) и ИТП(Y) – индуктивные трансформаторы каналов X и Y, которые преобразуют поперечные перемещения токонесущего сердечника кабеля вдоль двух ортогональных осей в электрические сигналы u(X) и u(Y), которые затем передаются на преобразовательно-усилительный блок – БПУ, содержащий несколько каскадов усилителей и амплитудно-фазовых детекторов. После усиления и детектирования нормализованные сигналы u(X) и u(Y) передаются через аналоговый мультиплексор (АМ) в блок аналого-цифрового преобразователя АЦП. Помимо аналоговых электрических сигналов, характеризующих поперечное смещение сердечника, БПУ также формирует ∑(I) – сигнал полного тока, характеризующий величину возбуждаемого тока в измеряемом сердечнике. Этот сигнал также оцифровывается АЦП и в аналоговом виде для стабилизации тока возбуждения подается на датчик БИ, который конструктивно отделен от измерительной головки.
Рис. 6. Функциональная схема измерителя эксцентричности и диаметра электрического кабеля
Оптические преобразователи OП(X) и OП(Y) преобразуют оптические сигналы в электрические сигналы, характеризующие латеральное смещение, диаметр и овальность внешней оболочки ядра. Оси оптического преобразователя X и Y ортогональны и совпадают с осью индуктивного преобразователя. Каждый из них, в свою очередь, состоит из соответствующего источника излучения ЛД – лазерного диода и коллектора излучения – многоэлементного приемника МП. Микроконтроллер МК1 управляет оптическими преобразователями. В частности, он генерирует последовательность цифровых импульсов, необходимую для запуска и работы многокомпонентного фотодетектора, управляет лазерным диодом и считывает в цифровом виде информацию, необходимую для расчета диаметра и смещения основного покрытия. Микроконтроллер МК2, используя стандартную последовательную двунаправленную шину обмена данными SPI, опрашивает блоки МК1 и АЦП, получает данные измерений по сенсорному и оптическому каналам, а затем выполняет необходимые первичные преобразования и передает данные измерений на промышленный или персональный компьютер – ПК. Связь с компьютером осуществляется через электрически изолированный двусторонний последовательный интерфейс промышленного стандарта RS485.
Второй блок, присутствующий в измерителе эксцентриситета, — это индуктор. Он устанавливается на производственной линии за ванной охлаждения или непосредственно внутри этой ванны. В кабеле управления генерируется синусоидальный ток частотой несколько десятков кГц и амплитудой несколько десятков мА. Амплитуда и частота сигнала определяются, с одной стороны, рабочими характеристиками измерительного преобразователя, а с другой – способностью генерировать ток в сердцевине кабельного изделия. Цепь тока формируется между заземленным выходным барабаном, расположенным в начале технологической линии, и емкостью изоляции кабеля, заземленной через охладжадющую ванну.
Третьим устройством в системе является компьютер, для которого разработано программное обеспечение, позволяющее осуществлять окончательный расчет измеряемых величин (эксцентриситет, диаметр, овальность). В программе реализован пользовательский интерфейс, который позволяет оператору легко просматривать результаты измерений в режиме реального времени или накапливать архив результатов за выбранный период времени, выполнять проверку допусков измеряемых величин, искать и вводить виды измеряемой продукции, если таковые имеются. Программа также позволяет.внести корректировки настроек прибора, провести диагностику измерительного оборудования и т.д. На рис. 7 показан пользовательский интерфейс программы, показывающий процесс измерения диаметра кабельной продукции с помощью системы.
Рис. 7. Пользовательский интерфейс оператора линии.
Протокол, содержащийся в программном обеспечении, может поддерживать до 255 измерительных устройств, что позволяет использовать дополнительные измерительные устройства (тестеры высокого напряжения, измерители диаметра, длины, скорости и мощности электрических кабелей) для построения целого измерительного комплекса, который позволяет контролировать все параметры и этапы производства кабеля, с возможностью частичного (на существующих технологических линиях) или полного (на современных технологических линиях) производственного процесса.
Использование описанных электромагнитных и оптических схем для измерения эксцентриситета и диаметра электрических кабелей позволило создать прибор, который в отличие от зарубежных аналогов более компактен, производительнее и существенно дешевле. Нестандартный подход к реализации общей измерительной схемы позволил использовать недорогие механические, оптические и электронные компоненты, получить измерительные характеристики не хуже, чем у зарубежных аналогов. Прибор имеет следующие технические и измерительные характеристики:
- Абсолютная погрешность измерения диаметра и эксцентриситета – 1 мкм;
- Минимальный и максимальный наружный диаметр измеряемого продукта – 0,1/60 мм;
- Время однократного измерения – 10 мкс;
- Количество измерений в секунду – до 300.
