ТЕРМОЭЛЕКТРОДНЫЙ КАБЕЛЬ

Полезная модель относится к кабельной технике и может быть использована в конструкциях термоэлектродных кабелей применяемых в системах теплового контроля, в случаях, когда расстояние до считывающего прибора значительно превышает длину концов термопары.
Известна группа кабелей по патенту на полезную модель №30459 «термоэлектродный кабель (варианты)» МПК Н01В 7/00. Конструкции содержат пары изолированных токопроводящих жил из материалов: медь и константан, хромель и копель. Изоляция и оболочка могут быть выполнены, как из поливинилхлоридного пластиката пониженной горючести, так и из поливинилхлоридного пластиката пониженной пожароопасности.
Жилы скручены в сердечник повивной скруткой. На сердечник может быть наложена ленточная обмотка. На обмотку может быть наложен экран из медной или алюминиевой фольги, на который накладывается оболочка. Известна группа кабелей по патентам на полезную модель №56049-№56057, №57952, №57955, №57956, №66844-№66855 МПК Н01В 7/00. Конструкции содержат изолированные токопроводящие жилы из пар материалов: медь и константан, хромель и капель, причем может использоваться как хромель Т, так и хромель К. Изоляция токопроводящих жил может быть выполнена из теплостойкого поливинилхлоридного пластиката. Изолированные жилы скручены в жгут (сердечник). Поверх сердечника может быть наложен разделительный слой в виде поясной изоляции из поливинилхлоридного пластиката. Поверх пластиката может быть наложен экран из алюмофлекса. На экран или поясную изоляцию наложена защитная оболочка, которая может быть выполнена из поливинилхлоридного пластиката, или теплостойкого поливинилхлоридного пластиката, или поливинилхлоридного пластиката пониженной горючести, или негорючего поливинилхлоридного пластиката.
Общим недостатком обеих групп кабелей является скрутка в сердечник из одиночных жил.
Кабели термоэлектродные прокладываются преимущественно внутри цеховых помещений крупных производств.
В настоящее время технологическое оборудование, как правило, окружено электрическими и магнитными полями с высокой напряженностью. Применяемых в кабелях экранов оказывается недостаточно для защиты от подобных полей и на паре токопроводящих жил образуется разность потенциалов. В соответствии с ГОСТ 8.585-2001 измеряемая термоэлектродвижущая сила, развиваемая термопарой, лежит в пределах от 0,000001 В до 0,1 В. Поэтому наведенная полями помех разность потенциалов может значительно исказить результаты измерения.
Известен взрывобезопасный электрический кабель по патенту на полезную модель №67763 МПК Н01В 7/04. Кабель имеет сердечник, скрученный из изолированных многопроволочных токопроводящих медных или медных луженых жил, одиночных или предварительно скрученных в группы - пары, тройки или четверки, снабженных, соответственно, индивидуальными или групповыми экранами с поясной изоляцией поверх них, выполненной из диэлектрических лент с перекрытием или в виде экструдированного сплошного слоя, заполнитель, влагозащитную оболочку, в котором изоляция токопроводящих жил, экструдированный слой поясной изоляции, заполнитель и влагозащитная оболочка выполнены из поливинилхлоридного пластиката или резины. Заполнитель введен во все свободные полости кабеля и обеспечивает сплошное круглое поперечное сечение, а экранированные жилы или группы разделены между собой комбинированным диэлектрическим слоем, состоящим из диэлектрических лент или сплошного экструдированного слоя и заполнителя. Предусмотрено холодостойкое, теплостойкое исполнение, а также исполнение с поливинилхлоридным пластикатом или резиной не поддерживающей горение с пониженным дымовыделением.
Известно (И.И.Гроднев, С.М.Верник «Линии связно, М., «Радио и связью, 1988), что скрутка жил в пару позволяет значительно снизить уровень помех от внешних источников. Разность потенциалов, наведенное источником помех и в соседних витках скрутки, имеет разный знак, в результате чего по длине происходит взаимное вычитание сигнала помехи и общее значительное снижение уровня помех.
Кабель по патенту на полезную модель №67763 имеет скрутку жил в пары и хорошую защищенность от внешних помех, но не предназначен для подсоединения к термопарам.
В качестве прототипа выберем кабель по патенту на полезную модель №30459.
Сущность предлагаемой полезной модели выражается в создании кабеля термоэлектродного с повышенной защищенностью от внешних электромагнитных, электростатических и магнитостатических полей.
Технический результат достигается тем, что предлагается кабель термоэлектродный, состоящий из сердечника, скрученного из четного числа токопроводящих жил, изолированных поливинилхлоридным пластикатом или безгалогенной полимерной композицией, или резиной, не менее, чем одного экрана, и влагозащитной оболочки. При этом жилы в сердечнике попарно скручены между собой с шагом скрутки не более 200 мм.
Разность потенциалов, наведенная под воздействием электромагнитных, электростатических или магнитостатических полей в соседних витках скрутки, имеет разный знак, вследствие чего сигнал помехи, попадая в соседний виток практически взаимоуничтожается. Некомпенсированной остается весьма незначительная часть, что является результатом снижения электромагнитных влияний.
Так как термоэлектродвижущая сила создает постоянный ток, то физические свойства изоляции практически не влияют на его прохождение.
Поэтому для изоляции может быть применен любой полимерный материал. Перечисленные материалы служат для достижения косвенных целей. Так как к кабелям промышленного применения, прокладываемым в производственных помещениях предъявляются требования пожаробезопасности, то выбор материала изоляции производится из ряда: поливинилхлоридный пластикат, поливинилхлоридный пластикат пониженной пожароопасности, безгалогенная полимерная композиция, производится в соответствии с показателями, приведенными в таблице 1.
Таблица 1.
Наименование материала
КИ, %, не менее
Снижение светопроницаемости при дымообразовании, %, не более
Массовая доля НСl, выделяющегося при горении, %, не более
Обычный поливинилхлоридный пластикат
19-24
80
40
Специальный поливинилхлоридный пластикат
28-35
60
15
Безгалогенная полимерная композиция на основе полиолефинов
28-45
40
0,5
Изоляцию из резины выбирают в случае необходимости повышенных требований к эластичности изоляции: для кабелей монтируемых в условиях малых радиусов изгибов и при подвижном монтаже, когда в процессе эксплуатации возникает необходимость прокладки кабеля по другому направлению или маршруту.
Преимущественно изоляцию и влагозащитную оболочку изготавливают из однородных материалов, поэтому для влагозащитной оболочки предусмотрен тот же ряд материалов, что и для изоляции.
При менее высоких требованиях к эластичности изоляции и влагозащитной оболочки преимущественно применяются кабели с изоляцией и влагозащитной оболочкой из обычного поливинилхлоридного пластиката, что обусловлено малым количеством рядом прокладываемых кабелей и обеспечением выполнения требования пожарной безопасности - нераспространения горения кабелей при одиночной прокладке ГОСТ Р МЭК 60332-1-2-2007. Гарантией обеспечения выполнения этого требования является параметр «кислородный индекс», который у обычного поливинилхлоридного пластиката лежит в пределах (19-24) %.
При необходимости выполнения более жестких требований по пожарной безопасности - групповой прокладки кабелей во внутренних помещениях ГОСТ Р МЭК 60332-3-22-2005 - применяют кабели с изоляцией и влагозащитной оболочкой из специального поливинилхлоридного пластиката с пониженным дымогазовыделением и кислородным индексом не менее 28. При прокладке в помещениях с электронной аппаратурой с целью исключения коррозионной активности выделяющихся газов используют кабели с изоляцией и влагозащитной оболочкой из безгалогенного полимерного материала на основе полиолефинов с кислородным индексом не менее 28.
Общие показатели пожарной безопасности представлены в таблице 1.
В общем случае термоэлектродные кабели применяют в тех случаях, когда расстояние между термопарой и фиксирующим приборам превышает длину проводников термопары.
Все применяемые в России термопары перечислены в ГОСТ Р 8.585-2001.
В простейшем случае пара токопроводящих жил в термоэлектродном кабеле подбирается с материалами, соответствующими материалам проводников термопары. Такие кабели называются удлинительными.
Однако в ряде случаев для термопар используются драгоценные металлы и изготавливать удлинительные кабели к таким термопарам экономически не выгодно. В этом случае изготавливают компенсационные кабели, в которых материалы токопроводящих жил в паре подбирают такими, чтобы они вносили минимальные искажения в измеряемую термоэлектродвижущую силу, причем материалы подбирают из дешевых проводников.
При необходимости придания кабелю повышенной гибкости токопроводящие жилы изготавливают многопроволочными, скрученными из нескольких проволок. При отсутствии такого требования применяется более экономичный однопроволочный вариант - жила из круглой проволоки.
Для обеспечения работы кабелей в аварийных режимах изоляцию и оболочку изготавливают из теплостойкого поливинилхлоридного пластиката. Для эксплуатации кабелей в условиях, когда температура окружающей среды может достигать значений минус 60°С, изоляцию и оболочку изготавливают из холодостойкого поливинилхлоридного пластиката.
Для выполнения требования по огнестойкости ГОСТ Р МЭК 60331-23-2003 изоляцию и оболочку изготавливают из кремнийорганической резины или с использованием термического барьера по токопроводящим жилам и сердечнику кабеля из стеклослюденитовых лент. Выбор варианта исполнения огнестойкости определяется экономическими соображениями и учетом дополнительных требований. Например, для выполнения более высоких требований по нераспространению горения в пучке по ГОСТ Р МЭК 60332-3-22-2005 используют термический барьер в комбинации с полимером изоляции и оболочки, имеющими более высокое значение кислородного индекса, чем у кремнийорганической резины.
С целью плотного формирования сердечника кабеля и предотвращения оплавления изоляции токопроводящих жил тепловым потоком в процессе экструдирования оболочки целесообразно поверх сердечника наложить разделительный слой в виде обмотки полимерной лентой с перекрытием или экструдированной полимерной внутренней оболочки, значительно более тонкой, чем внешняя оболочка, благодаря чему она не успевает в процессе охлаждения расплавить изоляцию токопроводящих жил.
Экраны используют с целью защиты от внешних электромагнитных влияний в качестве дополнительной меры к защите, обеспечиваемой попарно скруткой жил. Общий экран используется для защиты всего сердечника. Если существует необходимость в какой-то пространственной точке разборки сердечника и без разрыва кабеля (без муфты) дальнейшей прокладки одиночных пар или нескольких пар, к которым также предъявляется требование по наличию экрана, то изготавливают кабель, в котором отдельные пары или группы пар также имеют свой групповой экран.
В зависимости от частотного диапазона экранирования экран изготавливается из металлополимерной ленты с перекрытием металлом внутрь сердечника в контакте с подпущенной под экран экранной проволокой, в виде оплетки из медных проволок или комбинированным, в виде металлополимерной ленты, наложенной с перекрытием металлом наружу, и наложенной поверх него оплетки из медных или медных луженых проволок. С целью предотвращения коррозии в контакте с алюминиевым слоем металлополимерной ленты используется оплетка из медных луженых проволок. Экранная проволока применяется для удобства монтажа.
Для кабелей, прокладываемых во взрывоопасных зонах с использованием взрывозащиты вида «искробезопасная электрическая цепь «i»» поверх каждого группового экрана наложена оболочка в виде экструдированного слоя из полимера однородного с полимером влагозащитной оболочки или поясная изоляция в виде обмотки полимерной лентой не менее, чем одним слоем с перекрытием, с целью гальванической развязки экранов. Толщина оболочки или поясной изоляции поверх группового экрана выбрана такой, чтобы она выдерживала испытание напряжением не менее 500 В переменного тока частотой 50 Гц, приложенным между любыми групповыми и общим экранами, в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51330.13-99 и ГОСТ Р 52350.14-2006.
Для кабелей, прокладываемых во взрывоопасных зонах, предъявляется требование по ограниченному массопереносу газа по сердечнику, в связи с чем все пустоты в сердечнике заполнены полимерным заполнителем.
С целью защиты от механических воздействий целесообразно на влагозащитную оболочку положить броню из круглых стальных оцинкованных проволок или стальных нержавеющих, или из фосфористой бронзы в виде оплетки или обмотки или броню из стальных лент или из стальных лент с полимерным подслоем. Преимущественно изготавливают бронированные кабели с оплеткой из круглых стальных оцинкованных проволок. Если по условиям прокладки кабелей возможно воздействие мощных звуковых полей или непрерывной вибрации, то с целью исключения магнитострикционных эффектов оплетку изготавливают из стальных нержавеющих или из фосфористой бронзы проволок. Выбор между ними производится на основе экономических соображений, а так же по требуемому значению магнитной проницаемости.
Броня из стальных лент применяется для кабелей, прокладываемых на прямолинейных участках или в случае изгибов с большим радиусом. Ленточная броня с полимерным подслоем используется для кабелей, прокладываемых на участках с возможным затоплением. При этом подслой должен быть однородным с материалом влагозащитного шланга, при наложении брони продольно подслоем наружу происходит сплавление подслоя с материалом влагозащитного шланга с образованием влагозащитного барьера из полимера и стали.
Для защиты брони от коррозии поверх брони целесообразно положить влагозащитный шланг из материалов, однородных с материалом влагозащитной оболочки.
С целью предотвращения возможного распространения влаги под броней в случае повреждения влагозащитного шланга под броней целесообразно проложить водоблокирующий слой.
Предлагаемая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения прилагаемым чертежом, на котором изображено поперечное сечение термоэлектродного кабеля бронированного, состоящего из сердечника, скрученного из трех пар с шагом скрутки не более 200 мм, каждая из которых включает по две токопроводящие жилы 1 изолированные поливинилхлоридным пластикатом или безгалогенной композицией, или резиной 2, на которые по скрутке наложен групповой экран 3, на который, в свою очередь, наложена оболочка или поясная изоляция 4, под экраном подпущена экранная проволока 5, с воздушными пустотами, заполненными полимерным заполнителем 6, общего экрана 7, влагозащитной оболочки 8 из поливинилхлоридного пластиката или безгалогенной полимерной композиции, или резины, водоблокирующего слоя 9, брони 10 и влагозащитного шланга 11 из поливинилхлоридного пластиката или безгалогенной полимерной композиции, или резины.
Технология изготовления кабелей согласно заявляемой полезной модели включает следующие операции.
Для медных токопроводящих жил: медную проволоку для токопроводящих жил 1 изготавливают, как правило, из медной проволоки «катанки» преимущественно диаметром 8 мм методом волочения. В зависимости от диаметра готовой проволоки применяют либо только грубое, либо грубое и среднее волочение. После чего проволоку отжигают либо в специальных печах отжига, либо в устройствах отжига на проход, встроенных в машины среднего волочения.
Луженую проволоку изготавливают на установках непрерывного лужения, горячим способом. При этом предварительно проволоку не отжигают, она отжигается в процессе лужения.
Для токопроводящих жил 1 из других металлов: стали и прецизионных сплавов, таких как константан, хромель, копель, нисил, нихросил - проволоку приобретают готовую.
Многопроволочная токопроводящая жила 1 скручивается из отдельных проволок на машинах сигарного или рамочного типов.
Изоляция 2 из поливинилхлоридного пластиката и безгалогенной полимерной композиции накладывается на экструзионных линиях.
Изоляция 2 из этиленпропиленовой резины накладывается на специальных экструзионных линиях, из кремнийорганической - на агрегатах непрерывной вулканизации.
Оболочки 4, полимерный заполнитель 6, влагозащитная оболочка 8, влагозащитный шланг 11 накладываются на экструзионных линиях.
Изолированные жилы скручиваются в пары, как правило, на крутильных машинах рамочного типа, группы, а также сердечник из изолированных или групп, в том числе и экранированных, скручивают повивной скруткой на машинах сигарного или фонарного типа.
Экраны 3 и 7 из металлополимерных лент накладывают или продольно с перекрытием металлом внутрь с последующим наложением оболочки или обмоткой по спирали с перекрытием металлом внутрь на лентообмоточной машине. Экранную проволоку 5 подпускают под экран.
Экраны 3 и 7 в виде оплеток из мягких медных проволок накладывают на оплеточных машинах. Проволоку для оплетки изготавливают так же, как и проволоку для токопроводящей жилы, введя дополнительную технологическую операцию тонкого волочения. Для обеспечения требуемой плотности оплетки на тростильных машинах готовят пучки из нескольких проволок. Комбинированный экран 3 и 7 изготавливают на оплеточных машинах. В процессе наложения оплетки под нее подают свернутую продольно металлополимерную ленту металлом наружу для обеспечения контакта между оплеткой и металлическим слоем. Броню из стальных оцинкованных проволок также накладывают на оплеточных машинах. Проволоку приобретают готовую. При необходимости также тростят пучки из нескольких проволок на тростильных машинах. Поясную изоляцию в виде обмотки полимерной лентой групповых экранов накладывают на обмоточных машинах.
Водоблокирующий слой накладывают обмоткой по спирали водоблокирующими лентами на лентобмоточной машине или подпуская продольно под броню на операции оплетки.
Для подтверждения технического результата были изготовлены шесть образцов кабеля двухпарного длиной 5,0 м каждый: по два кабеля с изоляцией и оболочкой из поливинилхлоридного пластиката, по два кабеля с изоляцией и оболочкой из безгалогенной полимерной композиции, по два кабеля с изоляцией и оболочкой из кремнийорганической резины. При этом один кабель из пары имел попарно скрученные жилы с шагом скрутки 120 мм, а пары, скрученные в сердечник, другой кабель имел сердечник, скрученный из одиночных жил, так как это предоставлено в рисунках к патенту на полезную модель №30459.
Материал однопроволочных токопроводящих жил в паре: медь - константан, проводники термопары - медь - константан.
Групповые экраны отсутствуют. Общий экран изготовлен из алюмополиэтилентерефталатной ленты с медной луженой проволокой.
Влияющее поле создавалось неизолированным проводом, проложенным параллельно испытуемому кабелю на расстоянии 1 м с разностью потенциалов между проводом и землей 1000 В. Температура среды, которая измерялась термопарой, равнялась 100°С. Свободные концы с местом подсоединения удлиняющего кабеля находится при температуре 0°С.
Измеряли разность напряжений на выходе кабеля в условиях помех. Результаты измерений сведены в таблицу 2.
Таблица 2.
Состояние пар
Номер пара кабеле
Результаты измерения напряжения, 10<sup>-3</sup>В, для кабелей с изоляцией и оболочкой
Поливинилхлоридного пластиката
Безгалогенной полимерной композиции
Кремнийорганической резины
Скрученные
1
4,331
4,381
4,416
2
4,407
4,400
4,404
Нескрученные
1
3,795
3,440
3,619
2
3,996
3,591
3,493
-3
Напряжение на выходе термопары из пары металлов медь - константан, замкнутые концы которой находятся при температуре плюс 100°С, а свободные концы - при температуре 0°С равно 4,279·10 В.
Как видно из таблицы 2, результаты измерений напряжения на концах удлиняющего кабеля с жилами, скрученными в пару близки к результатам измерения на концах термопары, для кабелей с жилами, не скрученными в пару - отличаются. Данный факт является подтверждением достижения технического результата.