ДАТЧИК ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ПРОВОДОВ
SENSOR FOR CONTINUOUS MONITORING OF WIRE INSULATION

Изобретение относится к технике электрических испытаний и может быть использовано для контроля качества изоляции проводов.
Известен способ контроля дефектности изоляции проводов, описанный в [1].
2
4
В упомянутом способе в качестве датчика для непрерывного контроля изоляции проводов используют две фетровые пластины, погруженные в электролитический раствор сернокислого натрия NaSO  в воде (концентрация 30 г/л).
При этом между жилой провода и раствором, соединенными в электрическую цепь, прикладывают испытательное напряжение постоянного тока (50±3) В при разомкнутой цепи. В соответствии с этим способом при помощи упомянутого датчика определяют целостность изоляции, которая выражается числом точечных повреждений изоляции провода, зафиксированных с помощью электрического испытательного устройства.
Точечные повреждения фиксируют соответствующим реле со счетчиком. Счетчик должен срабатывать при сопротивлении изоляции провода менее 10 кОм в течение не менее 0,04 с. Счетчик не должен срабатывать при сопротивлении 15 кОм и более. Цепь для определения повреждений должна работать со скоростью срабатывания (5±1) мс, обеспечивая регистрацию с частотой (500±25) повреждений в минуту при протягивании провода без изоляции.
Недостаток указанного датчика заключается в том, что, во-первых, электролитический состав в течение работы может изменять свою концентрацию, а его электропроводимость зависит от температуры контроля, что влечет за собой изменение сопротивления в контакте между датчиком точечных повреждений и влияет на точность и информативность контроля. Кроме того, чувствительность датчика низка, поэтому его используют только для контроля изоляции тонких проводов, диаметр которых не превышает 0, 5 мм.
Наиболее близким к заявляемому является датчик для непрерывного контроля изоляции проводов, описанный в [2].
Датчик-прототип содержит расширительный элемент, формирующую обойму, нагреватель, проводящий эластичный обжим, источник света, фотоэлектрический преобразователь, контролируемый провод, преобразователь ток - напряжение, управляемый источник тока, причем расширительный элемент расположен внутри расточки обоймы, обжим находится внутри отверстия в расширительном элементе, источник и преобразователь расположены внутри обоймы по разные стороны от обжима, при этом выход преобразователя соединен с входом преобразователя, выход которого соединен с входом источника, выход которого соединен с входом нагревателя.
Недостатком датчика является сложность его конструкции, низкая надежность и долговечность, низкая точность и чувствительность.
Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции, в повышении надежности, долговечности, чувствительности и точности контроля.
1
2
1
Задача решается тем, что в датчик для непрерывного контроля изоляции проводов, содержащий корпус, внутри которого расположен проводящий рабочий элемент, дополнительно введены колпак, греющий источник с плавно изменяющейся мощностью, термодатчик, труб кожуха, схема регулирования мощностью греющего источника, стойка с платформой, и подвижная стойка, причем в качестве рабочего элемента взят галлий, а корпус и колпак выполнены из теплопроводящего материала (меди) в виде перевернутых в вертикальной плоскости на 180° по отношению друг к другу прямоугольных сосудов, по периметру которых в верхней торцевой части корпуса и в нижней части колпака выполнены одинаковые по конфигурации фланцы, причем внешние размеры фланцев одинаковы, внутренний же размер фланца колпака меньше внутреннего размера фланца корпуса, во фланце корпуса выточена проточка, в которую вставлен уплотнитель, корпус и колпак идентичны по конфигурации, но объем внутренней полости колпака V больше объема V внутренней полости корпуса, при этом объем V полностью заполнен галлием, фланцы корпуса и колпака присоединены друг к другу крепежными деталями, в стенках корпуса просверлены сквозные соосные отверстия, вокруг которых с внешней стороны корпуса выполнены проточки, в которые вставлены уплотняющие манжеты, с противоположных внешних сторон корпуса датчика прикреплены две трубчатые оси, имеющие с одних торцов крепежные фланцы, а с других торцов фланцы-ограничители, крепежные фланцы трубчатых осей прикреплены крепежными деталями к корпусу, уплотняющие манжеты находятся между корпусом и фланцами трубчатых осей, внутренний диаметр трубчатых осей соответствует диаметру просверленных в корпусе отверстий, а наружный диаметр этих осей соответствует отверстиям в стойке с платформой и в подвижной стойке, одна трубчатая ось входит в отверстие стойки с платформой, а другая трубчатая ось входит в отверстие подвижной стойки, отверстие в стойке с основанием соосно отверстию в подвижной стойке, фланцы - ограничители трубчатых осей расположены за отверстиями упомянутых стоек, нижний конец подвижной стойки расположен в пазу платформы стойки с платформой и может перемещаться в продольном направлении по расположенным внутри паза направляющим, к верхней части стойки платформы закреплена труба, выполненная из меди, внутри трубы по ее центральной оси прикреплен к стойки с платформой патрон, в который вкручен греющий источник с плавно изменяющейся мощностью, к внешней стороне колпака одним из торцов прикреплена труба кожуха, внутренний диаметр которой соответствуют внешнему диаметру трубы, прикрепленной к верхней части стойки с платформой, а оси вращения упомянутых туб совпадают, труба кожуха снабжена резьбовым фиксатором, с противоположной стороны корпуса от трубы кожуха расположено гнездо, в которое вставлен термодатчик, выход которого соединен с входом схемы регулирования мощностью греющего источника, выход которой соединен с входом греющего источника с плавно изменяющейся мощностью.
На фиг.1 А и В приведена конструкция заявляемого датчика. На фиг.2 приведена принципиальная схема датчика. Фиг.1 и фиг.2 служат для пояснения принципа работы датчика.
1
1
Датчик (фиг.1) состоит из корпуса 1, колпака 2, рабочего элемента - галлия 5, греющего источника 17 с плавно изменяющейся мощностью, термодатчика 19, трубы кожуха 13, схемы 25 (фиг.2) регулирования мощности греющего источника, стойкие платформой 10, и подвижной стойки 14. Корпус 1 и колпак 2 выполнены из теплопроводящего материала (меди), в виде перевернутых в вертикальной плоскости на 180° по отношению друг к другу прямоугольных сосудов, по периметру которых в верхней торцевой части корпуса 1 и в нижней части колпака 2 выполнены одинаковые по конфигурации фланцы 3 и 4. Внешние размеры фланцев 3 и 4 одинаковы. Внутренний размер фланца 4 колпака 2 меньше внутреннего размера фланца 3 корпуса 1. Во фланце корпуса 1 выточена проточка, в которую вставлен уплотнитель 22. Корпус 1 и колпак 2 идентичны по конфигурации, но объем внутренней полости колпака V больше объема V2 внутренней полости корпуса 1. Объем V полностью заполнен рабочим элементом-галлием 5. Фланцы корпуса 1 и колпака 2 присоединены друг к другу крепежными деталями. В стенках корпуса 1 просверлены сквозные соосные отверстия 7, вокруг которых с внешней стороны корпуса 1 выполнены проточки. В упомянутые проточки вставлены уплотняющие манжеты 8. С противоположных внешних сторон корпуса датчика 1 прикреплены две трубчатые оси 6 и 9, имеющие с обоих торцов фланцы. Одними торцевыми фланцами оси прикреплены крепежными деталями к корпусу датчика 1. Другие торцевые фланцы осей 21 и 23 являются ограничителями продольных перемещений. Уплотняющие манжеты 8 находятся между корпусом 1 и фланцами трубчатых осей 6 и 9. Внутренний диаметр трубчатых осей соответствует диаметру просверленных в корпусе 1 отверстий. Наружный диаметр этих осей соответствует отверстию 11 в стойке 10. Трубчатая ось 6 входит в отверстие 11 стойки с платформой 10, а ось 9 входит в отверстие 15 подвижной стойки 14. Фланцы - ограничители осей 21 и 23 расположены с противоположной от датчика стороны отверстий 11 и 15. Отверстие 11, в стойке с основанием 10, соосно отверстию 15 в подвижной стойке 14. Нижний конец подвижной стойки 14 расположен в пазу 20 платформы стойки с платформой 10, и может перемещаться в продольном направлении по расположенным внутри паза направляющим. К верхней части стойки платформы закреплена труба 16, выполненная из меди. Внутри трубы по ее центральной оси прикреплен к стойке с платформой 10 патрон 18, в который вкручен греющий источник 17 с плавно изменяющейся мощностью. К внешней стороне колпака 2 одним из торцов прикреплена труба кожуха 13, внутренний диаметр которой соответствуют внешнему диаметру трубы 16, прикрепленной к верхней части стойки с платформой 10. Труба кожуха 13 имеет отверстие с резьбой, в которое вкручен резьбовой фиксатор 24 оси вращения упомянутых туб 13 и 16 совпадают. С противоположной стороны корпуса 1 от трубы кожуха 13 расположено гнездо, в которое вставлен термодатчик 19, выход которого соединен с входом схемы 24 (фиг. 2) регулирования мощностью греющего источника, выход которой соединен с входом греющего источника 17 с плавно изменяющейся мощностью.
Датчик работает следующим образом.
1
В исходном состоянии датчик имеет вид изображенный на фиг.1 А. Рабочий элемент - галлий 5 полностью заполняет объем V внутренней полости колпака 4, и галлий в этой полости находится в твердом состоянии. Заполняют эту полость расплавленным галлием при сборке датчика. Колпак 4 находится внизу, а корпус 1 вверху датчика. Контролируемый провод 12 протягивают через внутреннюю полость трубчатых осей 6 и 9, уплотнительные манжеты 8 и сквозные соосные отверстия 7, просверленные в корпусе 1.
После этого перемещают подвижную стойку 14 по направляющим в пазу 20 стойки с платформой 10 и трубчатые оси 6 и 9 в продольном направлении (вправо), после чего переворачивают датчик с колпаком на 180° вокруг осей 6 и 9. Фланцы - ограничители 21 и 23 расположены за отверстиями 11 и 15 стоек на расстоянии, достаточном для того, чтобы трубу кожуха 13 можно было насадить на трубу 16. Подвижную стойку 14, оси 6 и 9 и жестко связанные с ними корпус 1 и колпак 2 перемещают (вправо) и оси 6 и 9 поворачивают на 180°. Эти продольные и вращательные перемещения происходит до тех пор, пока труба 16 не войдет в трубчатый кожух 13 и датчик примет положение, изображенное на фиг.1 В. В этом положении колпак 2 находится вверху, а корпус 1 внизу. Галлий 5 в твердом состоянии также находится вверху над корпусом 1 внутри колпака 2. Поскольку галлий 5 находится в твердом состоянии, внутренний размер фланца 4 колпака 2 меньше, чем внутренний диаметр фланца 3 корпуса, то галлий 5, упираясь в образованный буртик, не проваливается вниз.
После установления датчика в положение, изображенное на фиг.1 В на вход схемы 25, регулирования мощности греющего источника (фиг.2), подают переменное напряжение 220 В.
1
2
Греющий источник 17, с регулируемой мощностью, включается на полную мощность, предусмотренную схемой 25. Тепловая энергия от теплового источника 17 начинает прогревать пространство вокруг себя, которое включает трубу 16, трубу кожуха 17, полость кожуха 17 и корпус колпака 2. При достижении в колпаке 2 температуры 302,93 К (29,8°С) галлий начнет плавится и стекать в полость корпуса 1. Поскольку объем V галлия (внутренней полости колпака 2) больше объема V полости корпуса 1, то расплавленный галлий полностью заполнит объем полости корпуса 1 и контролируемый провод 12 покроется слоем жидкого галлия 5. После этого можно приступать к контролю. По завершению контроля датчик вновь переводится в положение, изображенное на фиг.1 А. При этом из корпуса 1 стекает в колпак 2. При отключении греющего источника 17 галлий 5 застывает в колпаке 2. Датчик подготовлен к следующему этапу контроля.
Схема 25 регулирования мощности греющего источника (фиг.2) предназначена для поддержания стабильной температуры внутри датчика, несколько превышающей температуру плавления галлия. Разогрев галлия происходит непрерывно при строго определенной температуре следующим образом. Силовой элемент (тиристор VS1) управляется фазоимпульсным методом. В момент включения нагревательный элемент 3 работает на полную мощность. По мере повышения температуры в формообразующей обойме 1, мощность нагревательного элемента 3 плавно уменьшается. В рабочем режиме, при достижении заданной температуры, величина которой должна несколько превышать температуру плавления галлия, устанавливается термодинамическое равновесие, при котором количество тепла, получаемого от нагревательного элемента 3, становится равным количеству тепла, рассеиваемому в окружающую среду. Назначение элементов схемы тиристорного регулятора. Транзисторы VT1, VT2 образуют аналог однопереходного транзистора. Диод VD9, включенный в обратном направлении, выполняет роль термодатчика 5, который установлен под формообразующей обоймой 1. Когда температура меньше рабочей, сопротивление термодатчика 5 велико, транзистор VT3 закрыт и не оказывает влияние на работу однопереходного транзистора. Тиристор открывается в начале каждого полупериода напряжения сети. В первоначальный момент нагревательный элемент 3 включен на полную мощность. При повышении температуры в формообразующей обойме, сопротивление термодатчика VD9 уменьшается, транзистор VT3 переходит в проводящее состояние и начинает шунтировать интегрирующий конденсатор С1. Время его зарядки увеличивается, аналог однопереходного транзистора (VT1, VT2) начинает включаться с некоторой задержкой позже. Время включенного состояния тиристора VS1 становится меньше, мощность нагревательного элемента уменьшается. При достижении рабочей температуры в  колпаке и корпусе датчика транзистор VT3 будет почти полностью открыт, а время включенного состояния тиристора становится минимальным, мощность нагревательного элемента 4 также достигает минимальных значений. Греющий элемент будет отдавать внутрь датчика столько тепла, сколько из него теряется в окружающую среду. Такое состояние теплового равновесия будет сохраняться сколь угодно долго. Если температура в датчике начнет понижаться, то сопротивление термодатчика VD9 увеличится, сопротивление коллектор-эмиттер транзистора VT3 становится больше, интегрирующий конденсатор начинает заряжаться быстрее, аналог однопереходного транзистора и тиристор будут открываться раньше, нагревательный элемент 3 будет дольше подключен к сети и количество выделяемого греющим элементом тепла становится больше. Такой процесс будет происходить до тех пор, пока температура не повысится до рабочих значений. Если температура начнет повышаться выше значений рабочей температуры, то сопротивление термодатчика становится еще меньше, транзистор VT3 открывается полностью и шунтирует интегрирующий конденсатор С1. Тиристор VS1 выключается, а нагревательный элемент отключится от сети. При понижении температуры процесс пойдет в обратном направлении. Переменный резистор R6 задает значение рабочей температуры внутри датчика. Стабилитрон VD8 стабилизирует работу аналога однопереходного транзистора. Если его исключить, точность поддержания температуры в датчике станет равной ±1,5°С, что, конечно, нежелательно. Диод VD5 защищает транзисторы VT1, VT2 от пробоя. Последовательно включенные стабилитроны VD6, VD7 можно заменить одним стабилитроном, у которого напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилизации VD6 и VD7. Резистор R3 определяет напряжение открывания аналога однопереходного транзистора. На начальном этапе настройки вместо него включают переменный резистор сопротивлением 20 кОм, стабилитрон VD8 также временно отключают. Добиваются устойчивой работы терморегулятора в рабочем режиме. Отключают терморегулятор, измеряют сопротивление переменного резистора, и вместо него подключают постоянный резистор такого значения. Эта операция наиболее ответственна, и ее, возможно, придется повторить несколько раз, чтобы наиболее точно подобрать R3, может быть также понадобится уточнить значение резистора R2. Транзистор VT3 должен иметь коэффициент усиления по току β=60-100. Большие значения коэффициента усиления делают терморегулятор слишком чувствительным, и даже незначительные флуктуации теплового потока в датчике изменяют режим его работы: он становится «колебательным». Меньшие значения коэффициента снижают точность поддержания температуры. Пример конкретного выполнения.
Был изготовлен датчик для непрерывного контроля изоляции проводов по схеме, представленной на фиг.1. Корпус 1, колпак 2, труба кожуха 13 и труба 16 были выполнены из меди, так как она обладает достаточно высокой теплопроводностью. Корпус 1 и колпак 2 были выполнены в виде прямоугольных стаканов, толщина стенки которых была равна 10 мм. Внутреннее расстояние между стенками внутри корпуса 1 и между стенками внутри колпака 2 было равно 20 мм. Труба 16 имела внутренний диаметр, равный 30 мм, а внешний 40 мм. Длина трубы 16 была равна 50 мм. Внутренний диаметр трубы кожуха 13 был равен 41 мм, а наружный диаметр был равен 54 мм. Объем Vi внутренней полости колпака 2 был равен 24000 мм. Объем V2 полости корпуса был равен 1800 мм. Оси 6 и 9 были выполнены из стальных трубок с внутренним диаметром 5 мм, а внешним 10 мм. В стенках корпуса 1 на высоте 10 мм от внутренней поверхности дна стакана были просверлены сквозные соосные отверстия диаметром 0,5 мм, через которые протягивался контролируемый провод. Для предотвращения вытекания расплавленного галлия из проточки вокруг отверстий были выполнены расточки, внутрь которых были вставлены уплотняющие манжеты 7, выполненные из фторопласта. Внутренний диаметр манжет соответствовал диаметру контролируемого провода и был равен 0,5 мм. Через уплотнительные манжеты 7 протягивался контролируемый провод марки ПЭТВ. Диаметр контролируемого провода был равен 0,5 мм. В качестве греющего источника 17 с регулируемой мощностью использовалась лампа накаливания марки РН 220-230-15-4, мощностью 15 Вт, диаметром 22 мм. В гнезде, расположенном на стенке колпака 1, был размещен термодатчик 19, в качестве которого был взят диод VD9, включенный в обратном направлении. В схеме 25 регулирования мощностью греющего источника были использованы постоянные резисторы R2, R3, R5 типа МЛТ, ВС-0,25, Ю-МЛТ-2, R6-Cn4-2M, СПО-1, конденсатор С1-МБМ, К71-5 на напряжение не менее 160 В. В схеме были использованы следующие транзисторы: транзистор VT1-KT-316 Б, транзистор VT2-КТ-315 Б. В качестве диодов VD1- VD4- были взяты диоды КД202М, диод VD5- марки Д226Б. В качестве термодатчика VD6 были использованы использовать р-n- переходы германиевого транзистора Д808А. Тиристор VS1 имел марку КУ201Л. Стабилитроны VD6, VD7, VD8 - марку Д808А. Реле К1 - импортное TSG1, с одной парой замыкающих и одной парой размыкающих контактов. Катушка реле К1 была рассчитана на напряжение 220 В. Общая максимальная мощность нагревательного элемента не должна превышать 100 Вт при использовании тиристоров серии КУ201 и была равна 25 Вт. К корпусу тиристора была прикручена медная пластина площадью не менее 9 см, которая выполняла роль теплового радиатора. Схема была рассчитана на температуру 39,2°С. Схема 6 регулирования мощностью греющего источника 3 обеспечивала не дискретный, а непрерывный (или «аналоговый») режим работы. Точность поддержания температуры внутри датчика составляла ±0,3°С.
Конструкция заявляемого датчика по сравнению с датчиком- прототипом существенно упрощена, так как внутри заявляемого датчика отсутствует оптическая система для определения и корректировки зазора между рабочим элементом датчика и поверхностью контролируемого провода.
Для сравнения эксплуатационных и метрологических характеристик заявляемого датчика с датчиком-прототипом были проведены следующие испытания. В эмаль изоляции провода марки ПЭТВ диаметром 0,5 мм наносились искусственные дефекты протяженностью 0,1 мм, 0,2 мм, 03 мм, 0,4 мм. Провод с указанными размерами дефектов протягивался сначала через датчик-прототип, а потом через заявляемый датчик. С помощью заявляемого датчика надежно были зарегистрированы все дефекты. Датчиком прототипом были зарегистрированы только дефекты, протяженность которых превышала 03 мм. Датчик-прототип после 20-25 контрольных проверок провода 50-метровой длины выходил из строя за счет истирания рабочего элемента. С помощью заявляемого провода было проведено более 500 подобных испытаний, но надежность и точность контроля изоляции проводов с его помощью оставались неизменными.
Таким образом, заявляемый датчик по сравнению с датчиком- прототипом имеет более простую конструкцию, повышенную более чем в 3 раза чувствительность и повышенный более чем на порядок срок службы и надежность.
Используемые источники
1. ГОСТ Р МЭК 60851-5-2008. Провода обмоточные. Методы испытаний. Часть 5. Электрические свойства.
2. Авторское свидетельство СССР №1449949. Датчик для непрерывного контроля электрической прочности изоляции проводов.// Г.В.Смирнов, Н.А.Косенчук и С.А.Щерб. Опубл. 07.01.87. Бюл. №1 (прототип).