SK50322007A3 - Spôsob mapovania vybranej zložky vlastného magnetického poľa kábla - Google Patents

Description

Spôsob mapovania vybranej zložky vlastného magnetického poľa kábla.

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu mapovania tzv, vybranej zložky magnetického poľa kábla, kolmej na jeho os, vrátane supravodivých káblov, najmä s cieľom získať vstupné dáta na výpočet rozloženia pozdĺžnej zložky prúdu vo vybranom priereze pozdĺž kábla.

Doterajší stav techniky

Problematika rozloženia prúdu v priereze kábla je univerzálna, aleje pálčivá, hlavne v prípade supravodivých káblov. Nerovnomerné rozloženie prúdu v supravodivom kábli znižuje jeho prúdovú kapacitu a stabilitu. Napríklad v prípade supravodivého kábla pre zariadenie termojadrovej fúzie ITER zníženie prúdovej kapacity kábla sa premietne do zníženia magnetického poľa toroidálnej magnetické nádoby určenej na uchovávanie horúcej plazmy a teda do dosahovaných parametrov termojadrovej reakcie prebiehajúcej v plazme. Je preto potrebné poznať rozloženie vlastného magnetického poľa kábla, ktoré umožňuje určiť rozloženie prúdu v priereze.

Pri jednosmerných prúdoch je použitie Hallovej sondy asi jediným možným riešením. Na meranie sa už používajú i čítacie hlavice hard diskov, ale tie reagujú na absolútnu hodnotu vektora magnetického poľa, nie na jednu voliteľnú zložku. Tú možno v prípade Hallovej sondy zvoliť tak, aby bola potlačená dominantná zložka externého poľa, čo je potrebné napríklad v prípade supravodivého kábla ITER vo vonkajšom poli obrieho vinutia fragmentu magnetickej nádoby.

Na predbežných modelových kábloch pre supravodivé vinutia ITERu sa rozloženie prúdu rátalo z nameraných radiálnych a azimutálnych zložiek vlastného magnetického poľa kábla, meraných v relatívne malom počte fixných bodov pomocou sústav Hallových sond, umiestnených v týchto bodoch radiálne, alebo azimutálne. V prvom priblížení platí, že Hallova sonda sníma zložku vonkajšieho magnetického poľa kolmú na jej rovinu. Hallova sonda orientovaná radiálne merala radiálnu zložku vlastného poľa kábla, Hallova sonda orientovaná azimutálne merala azimutálnu zložku vlastného magnetického poľa kábla.

Počet diskrétnych prúdovodičov, ktorými sa aproximovalo reálne rozdelenie prúdového poľa v priereze kábla, bol limitovaný počtom fixných Hallových sond uložených v meracej hlavici fixne pripevnenej ku káblu v oblasti prierezu ktorý bol mapovaný. Počet Hallových sond bol typicky 12 a boli rozmiestnené v kruhu, koncentrickom s osou kábla. Krok skratu subkáblov v celkovom kábli je známy, ale nie je známa lokálna poloha subkáblov v meranom priereze kábla, ktorá ovplyvňuje výpočet prúdov z merania poľa. Niekedy sa preto používa ďalšia pomocná meracia hlavica s meracími Hallovými sondami o počte 12, posunutá v pozdĺžnom smere voči základnej meracej hlavici. Z nameraných napäťových signálov oboch sústav okalibrovaných Hallových sond sa potom stanovuje lokálna poloha subkáblov v meranom priereze. Takto získané informácie o geometrickom usporiadaní sa potom používajú pri výpočte rozloženia prúdu v jednotlivých (šiestych) subkábloch.

Nevýhodou metódy je pomerne vysoká cena sústavy Hallových sond, limitovaný počet voľných parametrov a pretrvávajúca neistota v presných polohách subkáblov. Meranie komplikuje dominantná zložka vonkajšieho magnetického poľa z blízkeho supravodivého vinutia, ktorá rôznym spôsobom (podľa meniacej sa orientácie sond) vstupuje do meraného Hallovho napätia jednotlivých sond. Fixne uložené Hallove sondy vyžadujú náročnejšie započítavanie zložky externého poľa a je ich treba toľko, koľko je bodov merania. Nezanedbateľná je prácnosť kalibrácie každej sondy. S rastúcim počtom Hallových sond sa meranie predražuje. Hlavná prekážka je ale v nemožnosti potlačiť externú zložku poľa, ktorá

-2sa do každej sondy premieta inak, podľa jej orientácie, meniacej sa v závislosti na polohe v meracej hlavici, merajúcej radiálnu alebo azimutálnu zložku magnetického poľa kábla.

Podstata vynálezu

Metóda podľa vynálezu spočíva v mapovaní ľubovolnej vybranej zložky vlastného magnetického poľa kábla, napríklad vybranej tak, aby zložka externého magnetického poľa ležala v rovine rovnako orientovaných Hallových sond a teda minimálne prispievala k užitočnému signálu vlastného poľa kábla, ktorý jediný sa používa na výpočet rozloženia prúdu v jeho priereze.

Počet Hallových sond je znížený na Štyri, teda dve dvojice sond, umiestnené okolo prierezu kábla tak, že sondy každej dvojice sú uložené 180° vzájomne voči sebe, pričom v rámci dvojice sú sondy orientované rovnako, paralelne, a voči druhej dvojici sú orientované kolmo na ich smer. Pre umiestnenie oboch dvojíc sond v okolí kábla je vhodný napríklad prípravok v tvare vidlice, ktorej ramená majú rozpätie väčšie ako je priemer kábla. Na koncoch ramien vidlice sú umiestnené sondy a celá vidlica je spojená s prípravkom, ktorý umožňuje polohovanie vidlice voči káblu. Vidlica sa nastaví ta, aby prvá dvojica sond bola v rovine kolmej na os kábla. Po zmapovaní zložky vlastného poľa, kolmej na os kábla v dvoch paralelných dráhach nad a pod prierezom kábla saprípravok pootočí o 90° stupňov v rovine prierezu kábla a mapovanie prebehne druhou dvojicou Hallových sond, zorientovaných po pootočení o 90 stupňov v rovnakom smere ako bola prvá dvojica. Mapovanie tej istej zložky vlastného poľa, kolmej tentokrát na rovinu druhej dvojice Hallových sond, prebehne opäť v dvoch paralelných dráhach, kolmých na prvá dvojicu mapovacích dráh, teda vľavo a vpravo voči prierezu kábla. Mapovacie dráhy tak vytvoria pravouhlý mapovací rámec ktorý obkľučuje prierez kábla. Vo všeobecnosti nezáleží na tvare prierezu kábla, môže byť ľubovoľného tvaru, napr. kruhového, pravouhlého, atď. V každom bode rámca bude zmeraná len zvolená zložka vlastného magnetického poľa kábla, s potlačenou dominantnou zložkou externého poľa, v ideálnom prípade dominantná zložka externého poľa leží v rovine Hallovej sondy.

Počet mapovaných bodov je daný hustotou snímania pri postupnom posuve prípravku a nie je limitovaný. Napríklad v overovacích meraniach bolo použitých až 192 bodov. Prípravok možno posúvať aj spojité a polohu možno stanoviť z napätia na reostate spriahnutom s posuvom prípravku. Podstatne vyšší počet voľných parametrov (12 oproti 192) umožňuje získať oveľa hustejšiu diskrétnu sieť prúdovodičov nahrádzajúcich reálne rozloženie prúdu v priereze kábla. Nie je pritom potrebné poznať presnú geometrickú polohu subkáblov (šiestich v prípade kábla pre ITER) v danom meranom priereze kábla a to všetko s podstatne menším počtom Hallových sond (2x12 oproti 2x2).

Mapovanie pri jednosmernom prúde je jednoduchšie. Merané Hallove napätia sa snímajú dvojkanálovým voltmetrom, alebo meracou kartou a ukladajú sa do pamäte počítača a zapisujú na jeho disk. Pri striedavom prúde sa momentálne snímané napätie trigeruje na zvolenú fázu prúdu a ukladajú sa len hodnoty odpovedajúce tejto fáze, pri relatívne pomalom posúvaní prípravku so sondami počas mapovania. Podmienkou trigerovania môže byť napríklad hodnota prúdu káblom odpovedajúca zvolenej fáze.

-3Výhodou je teda ušetrenie počtu sond pri dosiahnutí vysokej hustoty mapovania, potlačenie vplyvov vonkajších magnetických polí, eliminácia nutnosti poznať rozloženie subkáblov a rýchlejšia kalibrácia.

Pri mapovaní prípravkom s dvomi dvojicami Hallových sond podľa vynálezu, je počet voľných parametrov (meracích bodov) daný hustotou mapovania. S rastúcim počtom bodov merania magnetického poľa stúpa aj presnosť určenia rozdelenie prúdu v priereze kábla. Čím väčší počet bodov merania (voľných parametrov), tým presnejšie je určenie rozloženia prúdu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Celkový pohľad na overovacie meranie na modeli kábla je na obr.l a obr.2. Mapovanie vertikálnej zložky vo vertikálnom smere je na obr.l. Ide o prvú fázu mapovania.

Celkový pohľad na overovacie meranie na modeli kábla je aj na obr.2. Tu ide o druhú fázu merania: mapovanie vertikálnej zložky v horizontálnom smere.

Na obr.3 je schéma mapovania vo vertikálnom smere (fáza 1). Meria sa vertikálna zložka dvojicou sond (2) uložených horizontálne.

Na obr.4 je schéma mapovania v horizontálnom smere (fáza 2). Opäť sa meria vertikálna zložka poľa, tentokrát druhou dvojicou sond (3), ktorá je opäť uložená horizontálne (po natočení o 90°).

Mapovací rámec tvorený mapovacími dráhami oboch dvojíc sond pri navzájom kolmých polohách prípravku (grafy na obr.l a obr.2) je na obr.5. Ku každému bodu rámca je priradená nameraná hodnota vybranej zložky vlastného poľ a kábla, v tomto prípade orientovanej zhora nadol.

Význam označenia jednotlivých súčastí výkresov:

- meraný kábel (objekt)

- meracie sondy 1 a 2, tvoriace prvú dvojicu 3_- meracie sondy 3 a 4, tvoriace druhú dvojicu

- posuvný prípravok na ktorom sú upevnené sondy

- meracia karta

- počítač na vyhodnotenie nameraných údajov

- mapovacie body dvojice sond 2

- mapovacie body dvojice sond 3

-4Príklad uskutočnenia vynálezu

Úlohou bolo zmapovať vybranú zložku vlastného magnetického poľa kábla L Pravouhlý mapovací rámec 7-8 (obr.5), bol natočený tak, aby vybraná mapovaná zložka bola pokiaľ možno kolmá na dominantnú zložku externého poľa v oblasti okolo meraného prierezu, v rovine kolmej na os kábla vo vybranom meranom mieste, prierez i na obr. 1. Dosiahli sme to natočením prípravku na mapovanie poľa okolo osi kábla tak, aby mapovacie dráhy prvej dvojice 2 Hallových sond boli čo naj kolmej šie na smer dominantnej zložky externého poľa v mieste mapovania (tzv. základné natočenie). To súčasne zabezpečilo, že mapovacie dráhy druhej dvojice vertikálnych Hallových sond 3 po pootočení prípravku o 90° po skončení mapovania prvou dvojicou, boli približne rovnobežné s vektorom externého poľa, čiže kolmé na prvú dvojicu mapovacích dráh. V každom mapovanom bode bola druhou dvojicou sond 3 opäť mapovaná tá istá vybraná zložka vlastného poľa kábla s tou istou orientáciou ako pri mapovaní prvou dvojicou sond, ako je to na obr.2 a obr.4.

Pri posuve prípravku s Hallovými sondami sa paralelne merali dve hodnoty zložky magnetického poľa v mieste prvej a v mieste druhej sondy na ľavom a pravom ramene prípravku 4. Teda meralo sa v dvoch paralelných dráhach dvoch súbežne posúvaných Hallových sond (obr.l, obr.3). To platí pre každé z dvoch natočení: základné i pootočené o 90° (sekundárne natočenie, obr.2 a obr.4, vidlica 4_ v novej polohe).

Po zmapovaní v základnom natočení a následnom zmapovaní v sekundárnom natočení sme získali súbor bodov pravouhlého mapovacieho rámca obopínajúceho prierez kábla (body 7 a 8 na Obr.5). Ku každému bodu mapovacieho rámca 7^ _8 bola priradená nameraná hodnota vybranej zložky vlastného magnetického poľa kábla. Keďže táto zložka bola vybraná tak, aby bola pokiaľ možno kolmá na lokálny vektor externého magnetického poľa, vplyv externého poľa na údaj Hallovej sondy v každom mapovanom bode kolmej na vybranú zložku bol potlačený. Užitočný signál meranej zložky vlastného poľa bol tak oveľa menej zaťažený balastovým príspevkom z externého poľa, než v prípade merania radiálnej alebo azimutálnej komponenty vlastného poľa kábla, ako sa to robilo doteraz.

-5Priemyselná využiteľnosť

Navrhnutá metóda mapovania vybranej zložky vlastného magnetického poľa kábla zaťaženého elektrickým prúdom je univerzálna, ale významná je najmä v prípade supravodivých káblov (napr. supravodivého kábla pre zariadenie termojadrovej fúzie ITER, alebo supravodivého kábla na transport energie). Tieto káble sú citlivé na nehomogenity v prechodvých odporoch na styku normálny vodič-supravodič a hrozí pri nich nehomogenita v rozložení prúdu, znižujúca ich prúdovú kapacitu. Metóda, ako zdroj dát pre následný výpočet rozloženia prúdu v kábli, je nástrojom monitorovania kvality takéhoto kábla, resp. kvality prúdových kontaktov.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1) Spôsob mapovania vybranej zložky vlastného magnetického poľa kábla vyznačujúci sa tým, že dve dvojice meracích Hallových sond sú okolo mapovaného kábla umiestnené tak, aby ich orientácia k rovine vonkajšieho magnetického poľa bola taká aby potlačenie jeho vplyvu na presnosť mapovania bolo maximálne, ďalej v rámci tejto roviny sú dvojice sond orientované kolmo na seba a jednotlivé sondy každej dvojice sú zhodne orientované, umiestnené na oboch stranách kábla tak, že prvá sonda prvej dvojice je umiestnená vedľa na ňu kolmej prvej sondy druhej dvojice a druhá sonda prvej dvojice je umiestnená vedľa na ňu kolmej druhej sondy druhej dvojice.
2. 2) Spôsob mapovania vybranej zložky vlastného magnetického poľa kábla podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že sústava oboch dvojíc Hallových sond sa postupne posúva a otáča vzhľadom na os mapovaného kábla, čím sa pri meraných polohách dosiahne vytvorenie diskrétnej mapy vybranej zložky vlastného magnetického poľa kábla.