СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОГОННОЙ ЕМКОСТИ ОДНОЖИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОВОДА

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.

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 U_msinωt с известными амплитудой U_m 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).

Сила тока I_x в электрической цепи измерительного электрода связана линейной зависимостью с погонной емкостью C_п участка провода, взаимодействующего с электрическим полем измерительного электрода. Соответственно погонная емкость C_п может быть определена по результатам измерения силы тока I_x:

где С₀ 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.

Недостатком известного способа контроля является существенная зависимость величин С₀ 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_x. Данный эффект объясняется тем, что в электрическую цепь измерительного электрода кроме участка провода входят и другие элементы, электрические параметры которых зависят от электропроводности воды.

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_х и R_x входят также емкости С₁ и С₂ и активные сопротивления R₁ и R₂. Элементы электрической цепи С₁ и R₂ отражают электрические свойства слоя воды, находящейся между внутренней поверхностью измерительного электрода и наружной поверхностью контролируемого провода, а элементы С₂ и R₂ 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).

В случае неизменности в процессе контроля соотношения электрических характеристик провода-емкости C_х и активного сопротивления изоляции R_x возможна отстройка от влияния изменений электропроводности путем измерения фазы тока I_x, 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_х и R_x. 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.

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_п по формуле:

где I_x - сила тока, протекающего через измерительный электрод;

I₁ - суммарная сила тока, протекающего через все электроды измерительного преобразователя;

С₀(I₁) и k(I₁) - экспериментально определенные функции тока I₁.

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 I₁ 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_п по результатам измерения тока I_x.

Значение тока I₁ практически линейно связано со значением электропроводности воды. Корректировка функциональной зависимости (1) заключается в замене определяемых при калибровке значений величин С₀ и k, соответствующих фиксированному значению электропроводности (например, при λ→0), на их скорректированные значения С₀(I₁) и k(I₁).

Функции C₀(I₁) и k(I₁) 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).

Устройство работает следующим образом. На выходе генератора 8 (Г) в процессе измерения поддерживают стабильное по частоте и амплитуде гармоническое напряжение U_msinωt, 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_x в электрической цепи измерительного электрода 1, а измерителем силы тока 9 (ИСТ1) - измерение силы тока I₁ генератора 8 (Г). Для реализации способа измеряют амплитудные либо действующие значения токов, либо их комплексные составляющие. Значение тока I_x связано с электрическими параметрами провода. Значение тока I₁ связано с электропроводностью воды. Измеренное значение тока I₁ используют для определения величин C₀(I₁) и k(I₁). Далее вычисляют значение емкости С_п по формуле (2).

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 C₀(I₁) и k(I₁):

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%.