СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОГОННОЙ ЕМКОСТИ ОДНОЖИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОВОДА
METHOD OF MEASUREMENT CAPACITANCE OF A SOLID STRAND ELECTRICAL WIRE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям погонной емкости одножильного электрического провода в процессе его производства.
Известен способ измерения погонной емкости одножильного провода (одиночной жилы), регламентируемый ГОСТ 27893-88 (СТ СЭВ 1101-87). Кабели связи. Методы испытаний. Москва: Изд-во стандартов, 1989, 26 с. [1]. Способ заключается в измерении емкости между жилой и водой после погружения отрезка провода в бак с водой, соединенный с землей.
Недостатки данного способа заключаются в невозможности контроля провода по всей его длине и получении информации о качестве провода уже после завершения его изготовления.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является свободный от указанных недостатков способ измерения погонной емкости одножильного электрического провода, реализованный в системе контроля емкости (US 20030128038 A1, МПК G01R 27/26, опубл. 10.07.2003) [2]. Способ заключается в том, что создают гармоническое электрическое поле между участком поверхности изоляции провода и заземленной электропроводящей жилой посредством помещенного в воду трубчатого измерительного преобразователя с измерительным и двумя обеспечивающими однородность электрического поля дополнительными защитными электродами. При известных амплитуде и частоте приложенного к электродам гармонического напряжения измеряют силу тока, протекающего через измерительный электрод, по которой судят о значении погонной емкости. Контроль осуществляют непосредственно в технологическом процессе изготовления электрических кабелей на стадии нанесения изоляционной оболочки электропроводящей жилы методом экструзии. Измерительный преобразователь погружают в воду охлаждающей ванны. В процессе контроля, таким образом, измеряют емкость конденсатора, одной из обкладок которого является электропроводящая жила кабеля, а другой - вода, окружающая его изоляционную оболочку и находящаяся в электрическом контакте с трубчатым электродом, через который непрерывно движется контролируемый кабель.
m
m
Конструкция измерительного преобразователя, используемого для реализации описанного способа, схематично показана на фиг. 1. Измерительный преобразователь содержит измерительный 1 и два дополнительных 2 и 3 трубчатых электрода, размещенных в металлическом корпусе 4, изолированном от электродов изоляционным материалом 5. Контролируемый электрический провод, имеющий электропроводящую жилу 6 и изоляционную оболочку 7, перемещают через трубчатые электроды измерительного преобразователя. Электроды преобразователя подключают к генератору 8 гармонического напряжения Usinωt с известными амплитудой U и частотой ω. Измерительный преобразователь и провод погружают в воду обязательной для производственной линии ванны, служащей для охлаждения нагретой при экструзии изоляции провода (на рисунке не показана). Электропроводящая жила провода 6 соединена с общим проводом (металлическим корпусом охлаждающей ванны).
x
п
п
x
Сила тока I в электрической цепи измерительного электрода связана линейной зависимостью с погонной емкостью C участка провода, взаимодействующего с электрическим полем измерительного электрода. Соответственно погонная емкость C может быть определена по результатам измерения силы тока I:
0
где С и k - постоянная составляющая и коэффициент пропорциональности, значения которых зависят от амплитуды и частоты напряжения генератора 8, а также конструктивных параметров преобразователя и определяются экспериментально при первичной калибровке измерителя.
0
x
Недостатком известного способа контроля является существенная зависимость величин С и k от электропроводности воды охлаждающей ванны, в которую погружен измерительный преобразователь. Изменение электропроводности воды в процессе контроля может быть обусловлено как изменением концентрации растворенных в ней солей, кислот и оснований, так и температуры воды. Для иллюстрации этой зависимости на фиг. 2 показан характер изменения относительного комплексного значения тока
от весовой концентрации λ поваренной соли (NaCl) для случая контроля провода МГШВ-0,35 с наружной изоляцией из поливинилхлорида. Нормирование значений тока производилось по амплитудному значению тока для случая дистиллированной воды (λ→0). Принималось, что фаза действительной составляющей тока
совпадает с фазой выходного напряжения генератора 8. Анализ зависимости фиг. 2 показывает, что при изменении концентрации соли в диапазоне (0…3) г/л наблюдаются изменения, как амплитуды, так и фазы измеряемого тока I. Данный эффект объясняется тем, что в электрическую цепь измерительного электрода кроме участка провода входят и другие элементы, электрические параметры которых зависят от электропроводности воды.
х
x
1
2
1
2
1
2
2
2
Схема замещения электрической цепи измерительного электрода показана на фиг. 3. В нее кроме электрических параметров провода-емкости и активного сопротивления изоляции участка провода, взаимодействующего с электрическим полем измерительного электрода C и R входят также емкости С и С и активные сопротивления R и R. Элементы электрической цепи С и R отражают электрические свойства слоя воды, находящейся между внутренней поверхностью измерительного электрода и наружной поверхностью контролируемого провода, а элементы С и R отражают наличие паразитных емкости и активного сопротивления между измерительным электродом и землей (общим проводом). Значения всех указанных дополнительных элементов электрической цепи в разной мере зависят от электропроводности воды. Без учета этой зависимости погрешность измерения погонной емкости при изменении концентрации соли в указанном диапазоне значений может превышать 10% (в зависимости от значения концентрации, при котором осуществлялась калибровка измерителя).
х
x
x
х
x
В случае неизменности в процессе контроля соотношения электрических характеристик провода-емкости C и активного сопротивления изоляции R возможна отстройка от влияния изменений электропроводности путем измерения фазы тока I, функционально связанной, как показывает анализ зависимости фиг. 2, с электропроводностью воды. Принцип такой отстройки описан, в частности, в [Гольдштейн А.Е., Вавилова Г.В. Технологический контроль погонной емкости электрического кабеля в условиях значительных изменений солености воды - Контроль. Диагностика, 2013, №9, с. 57-60 [3]]. Недостатком данного технического решения является неэффективность его использования в случае, если в процессе контроля изменение фазы измеряемого тока происходит не только из-за изменения электропроводности воды, но и при изменении соотношения электрических параметров провода C и R. Кроме того, в таком случае невозможен раздельный контроль данных электрических параметров, что ограничивает информативность контроля.
Задачей изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения влияния на результат измерения изменений электрической проводимости воды.
п
Поставленная задача решена за счет того, что согласно способу измерения погонной емкости одножильного электрического провода создают гармоническое электрическое поле между участком поверхности изоляции провода и заземленной электропроводящей жилой посредством помещенного в воду трубчатого измерительного преобразователя, через который перемещают контролируемый провод, с измерительным и двумя обеспечивающими однородность электрического поля на его краях дополнительными защитными электродами, измеряют при известных амплитуде и частоте приложенного к электродам гармонического напряжения не только силу тока, протекающего через измерительный электрод, но также измеряют суммарную силу тока, протекающего через все электроды измерительного преобразователя, и определяют значение погонной емкости C по формуле:
x
где I - сила тока, протекающего через измерительный электрод;
1
I - суммарная сила тока, протекающего через все электроды измерительного преобразователя;
0
1
1
1
С(I) и k(I) - экспериментально определенные функции тока I.
1
п
x
Используемый в предлагаемом способе измерения погонной емкости одножильного электрического провода принцип отстройки от изменений электропроводности заключается в получении информации об электропроводности воды путем измерения тока I генератора, нагрузкой которого являются все электроды измерительного преобразователя. Далее это значение тока, отражающее значение электропроводности воды, используют для корректировки функциональной зависимости (1), используемой для определения значения погонной емкости участка провода C по результатам измерения тока I.
1
0
0
1
1
Значение тока I практически линейно связано со значением электропроводности воды. Корректировка функциональной зависимости (1) заключается в замене определяемых при калибровке значений величин С и k, соответствующих фиксированному значению электропроводности (например, при λ→0), на их скорректированные значения С(I) и k(I).
0
1
1
Функции C(I) и k(I) с достаточной степенью приближения могут быть описаны полиномами второй степени, коэффициенты которых зависят от конкретных конструктивных параметров измерительного преобразователя и определяются экспериментально при первичной калибровке измерителя.
Благодаря такой отстройке от изменений электропроводности воды их влияние на результаты измерения емкости может быть уменьшено в несколько раз.
На фиг. 1 показана конструкция известного измерительного преобразователя и схема его включения.
На фиг. 2 представлена зависимость сигнала измерительного преобразователя от изменения электрической проводимости воды.
На фиг. 3 показана схема замещения электрической цепи измерительного электрода.
На фиг. 4 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг. 4), содержит измерительный преобразователь, который содержит трубчатый измерительный электрод 1 и два защитных трубчатых электрода 2 и 3, размещенных в металлическом корпусе 4, изолированном от электродов 1, 2 и 3 изоляционным материалом 5, генератор 8 (Г), измерители силы тока 9 (ИСТ1) и 10 (ИСТ2). Контролируемый электрический провод, имеющий электропроводящую жилу 6 и изоляционную оболочку 7, перемещают через трубчатые электроды измерительного преобразователя. Измерительный преобразователь и провод погружены в воду охлаждающей ванны (на чертеже не показана).
Измеритель силы тока 9 (ИСТ1) включен между выходом генератора 8 и электрически соединенными дополнительными электродами 2 и 3. Измеритель силы тока 10 (ИСТ2) включен между измерительным 1 и электрически соединенными дополнительными электродами 2 и 3. Корпус измерительного преобразователя 4 и электропроводящая жила провода 6 соединены с общим проводом (металлическим корпусом охлаждающей ванны).
m
x
1
x
1
1
0
1
1
п
Устройство работает следующим образом. На выходе генератора 8 (Г) в процессе измерения поддерживают стабильное по частоте и амплитуде гармоническое напряжение Usinωt, благодаря чему внутри измерительного электрода 1, подключенного к выходу генератора 8 (Г) через измеритель силы тока 9 (ИСТ1), создается электрическое поле. Дополнительными электродами 2 и 3 обеспечивается высокая однородность этого поля в продольном направлении. Измерителем силы тока 10 (ИСТ2) осуществляют измерение тока 1 в электрической цепи измерительного электрода 1, а измерителем силы тока 9 (ИСТ1) - измерение силы тока I генератора 8 (Г). Для реализации способа измеряют амплитудные либо действующие значения токов, либо их комплексные составляющие. Значение тока I связано с электрическими параметрами провода. Значение тока I связано с электропроводностью воды. Измеренное значение тока I используют для определения величин C(I) и k(I). Далее вычисляют значение емкости С по формуле (2).
0
1
1
Эффективность использования предлагаемого способа измерения погонной емкости одножильного электрического провода в условиях существенных изменений электрической проводимости воды была подтверждена результатами лабораторных и производственных испытаний опытного образца устройства на участке экструзии изоляции кабельного предприятия. Был использован измерительный преобразователь с измерительным электродом 1 длиной 0,2 м и внутренним диаметром 0,02 м. Амплитуда и частота напряжения генератора 8 (Г) составляли 3,5 В и 50 кГц. Для первичной калибровки измерителя были использованы образцы одножильного провода с известными значениями погонной емкости в диапазоне (100…400) пФ/м. Диапазон изменений весовой концентрации поваренной соли в воде составлял (0…2) г/л. Экспериментально были определены коэффициенты полиномов второго порядка, используемых для аппроксимации функций C(I) и k(I):
В данном случае использовались амплитудные значения токов в амперах.
Испытания опытного образца показали, что при использовании предлагаемого способа измерения погонной емкости может быть достигнута высокая точность измерения даже при значительных изменениях электрических параметров контролируемого провода и воды и без проведения дополнительной калибровки. Погрешность от влияния изменений электропроводности по результатам испытаний не превышала 2,5%.
Так, для провода МГШВ-0,35 с действительным значением погонной емкости 198 пФ/м, которое было определено в соответствии с [1], в указанном диапазоне изменений концентрации поваренной соли разброс результатов измерений погонной емкости без корректировки функциональной зависимости (1) находился в диапазоне (190…218) пФ/м. Относительная погрешность измерений в этом случае достигает 10%. При использовании функциональной зависимости (2), корректируемой в соответствии с предлагаемым способом с учетом изменений электропроводности (силы тока генератора) согласно (3), разброс результатов измерений погонной емкости находился в диапазоне (195…202) пФ/м. В этом случае относительная погрешность измерений не превышает 2%.