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推開集團研發中心的大門-量測技術

ABB集團研發中心孕育著未來前瞻技術的種子,更左右著ABB中長期技術發展與事業方向。若說第三季connects分享的電磁學是影響電力與自動化領域最深遠的基礎科學,那麼量測技術就是應用最為廣泛的明日之星了。

ABB於全球有七個集團研發中心(Corporate Research Center, CRC),專注於中長期技術研究,也針對特定產業需求與事業單位合作。CRC的九大核心技術領域分別為通訊(communication)、控制(control)、電磁學(electromagnetics)、材料(material)、機械(mechanics)、電力電子(power electronics)、傳感器(sensors)、軟體(software)及開關技術(switching)。上一期connects介紹了電磁學實驗室,這次要帶領大家一窺究竟的是廣泛應用於電力與自動化領域的「量測實驗室」。

 

明日科技裡的點點繁星

在工業化初始時期,每道工序,每個關鍵製程查核點都需要人力於現場查看、量測紀錄並視情況需要即時調整設備參數。隨著時序更迭,感測器(sensors)問世,從機械式到電子式,大幅降低現場人力巡查的需求,逐步帶來工業生產力的飆升。時至今日,從工廠、電廠、都會區裡的商辦大樓、交通運輸設備,甚至是受人類保護的自然環境中,都遍佈著各式各樣的量測裝置,不間斷地傳遞著數據至中央控制中心。然而這樣的普及度,不意味著量測技術的發展到此劃下句點。ABB量測實驗室負責人Andrea Andenna認為:能滿足未來需求的理想量測產品應具備「超精準」、「免維護」及「價格相對低廉」的特點。 

Andrea Andenna說明:量測產品廣泛應用於ABB的各個事業單位,依屬性可分為三大類。第一類是量測化學特性、濃度、組成物的分析儀器,常見於各種化學品、化學製程、發電廠、煉油廠等。在台灣,光電、半導體產業的濕式製程,或是近期在食安風暴下詢問度極高的食品飲料成份檢測,都是分析儀器的重點應用領域。第二類是量測重量、壓力、溫度、流量等物理特性的製程感測器與工業儀表,遍佈於廠區的桶槽與管線上。此外在煉鋼廠和造紙廠內尚有測量速度、張力、平滑度、顏色等參數的特殊感測器,用以提升生產良率。最後一類是量測電流與電壓的感測器,從輸送電力的電線到馬達,都可見其蹤影,用來預防電流短路等故障狀況。另外還有用於確保電網穩定性、量測用電度數以計算費用的感測器。

磁與光的共舞,開啟量測新頁

體現法拉第效應(Faraday effect)的光纖電流感測器(Fiber Optic Current Sensors, FOCS)可謂是量測實驗室近年來的代表性成果。由於電流與電壓的量測是電網保護與監控系統需具備的基本功能,多年來各界都在思索現有技術方案的再突破。ABB於2000年開始加速FOCS的研究工作,2005年CRC正式推出FOCS,可量測最高600kA的DC電流,並在金屬電解提取應用累積不少實績,如煉鋁廠。在額定電流1%到120%,溫度在-40°C到80°C的區間內,FOCS的精確度(accuracy)小於0.1%。

爾後CRC將FOCS的應用進一步推展到高壓變電站。雖然法拉第效應的原理廣為人知,但由於光纖中存在些許線性雙折射,造成輸出信號的誤差,且振動、機械應力、溫度變化等,都限制了感測器的分辨率,使得多年來市場上並無商品化案例。2010年ABB於瑞典開啟第一個420kV的先導專案,將FOCS整合入高壓隔離式斷路器(disconnecting circuit breaker, DCB),輔以數位保護電驛,取代傳統上以重達數噸的比流器(current transformer, CT)來量測電流的作法。此一劃時代的技術成果,不僅大大降低高壓變電站的佔地面積,將環境衝擊最小化,更達到數位通訊、高精確度與高操作安全性的效益。

產品經理Aleksander Vujanic表示:「徹底發揮磁光效應(magneto-optic effect)的FOCS,在電流量測上展現絕佳的速度與精確性,且數據監測採集過程中沒有觸電、爆炸或電磁干擾的風險。特別是在400kV以上的應用時,效益更加顯著,因此FOCS著實為ABB贏得市場上相當的掌聲。」

運用法拉第效應的ABB光纖電流感測器,可謂是量測實驗室近年來的代表性研發成果。
遍佈於廠區管線的ABB流量計,可靠度高,提供用戶端極精準量測數據。

未來的方向

對ABB量測實驗室的科學家們而言,分析儀器和製程感測器、電流與電壓感測器、感測器的應用開發,各佔據了三分之一的研究工作。他們不僅要找出還有哪些可置入感測器的應用領域,更要妥善認識、了解感測器所安置的環境狀態,譬如劇烈溫差、強酸強鹼、高強度振動等,才能以最適技術因應需求。 

Andrea Andenna說明,「狀態監控」與「環境紀錄」(ambient logging)依然是未來量測產品的核心應用與研發方向。利用低成本的感測器來監控昂貴的設備,確保正常運行,或是提供設備狀態資訊作為預防性維護服務的重要參考依據。 

對製程感測器來說,夾式裝置(clamp-on device)與零維護需求(maintenance free)是研發重點。為提升安裝感測器的彈性應用且減少內部調校機率,透過超音波以非侵入性方式對管線和桶槽進行外部測量,已成趨勢。此外,廣佈於應用場域的感測器最怕遇到故障失能或更換零件的繁瑣作業,因而減少外部線材的使用及採用自產電源是實驗室的另一項研究主題。展望未來,感測器將不可避免地變得更加複雜與智能化。以機器人應用來說,ABB的科學家透過整合多種感測器讓機器人擁有3D視覺、觸覺、力控制,甚至是自我診斷的能力,一步步打造智能化的機器人幫手。 

下一期connects編輯團隊將繼續為您介紹CRC的技術研發成果,以及影響電力與自動化領域的關鍵技術。

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