УДК 621.3.08
ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОГОННОЙ ЕМКОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА
А.Е. Гольдштейн, Г.В. Вавилова, В.Ю. Белянков
Описана конструкция электроемкостного измерительного преобразователя для технологического контроля погонной емкости электрического кабеля в процессе производства. На основе анализа результатов компьютерного моделирования взаимодействия электрического поля преобразователя с электрическим кабелем в среде COMSOL Multiphysics осуществлен выбор оптимальных конструктивных параметров основных элементов преобразователя.
Ключевые слова: емкость электрического кабеля, электроемкостный преобразователь, компьютерное моделирование, конструктивные параметры.
ВВЕДЕНИЕ
Для ряда кабельных изделий, таких как кабели связи, кабели управления, радиочастотные кабели, одной из основных характеристик является погонная электрическая емкость кабеля и связанное с ней волновое сопротивление. Значение погонной емкости нормируется стандартами на соответствующие виды кабелей [1].
Контроль емкости кабеля на соответствие требованиям к рабочей емкости осуществляется по ГОСТ 27893—88 [2]. Данный стандарт определяет порядок выходного контроля, который осуществляется с использованием отрезка готового кабеля. Такая методика имеет существенные недостатки, связанные с невозможностью контроля кабеля по всей его длине и получением информации о качестве кабеля уже после завершения процесса его изготовления.
Эти недостатки устраняются в случае проведения контроля еще в процессе производства, на стадии нанесения изоляции на электропроводящую жилу. Для этого используется трубчатый электрод, погруженный в воду (обычно в охлаждающую ванну экструзионной линии). В процессе контроля измеряется 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. Данный метод контроля реализован в разработках ведущих фирм, специализирующихся в выпуске приборов контроля для кабельной промышленности: Sikora, Zumbach, Proton Products.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
На рис. 1 изображена конструкция используемого для реализации описанного выше метода контроля электроемкостного измерительного преобразователя (ЭЕИП). Составными элементами преобразователя являются: цилиндрический металлический корпус 1, трубчатый измерительный электрод 2, два дополнительных трубчатых электрода 3. Измерительный и дополнительные электроды изолированы от корпуса изоляционным материалом 4. Контролируемый кабель 5 пропускается через трубчатые электроды преобразователя. Дополнительные
Александр Ефремович Гольдштейн, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета. Тел. (3822) 418911. E-mail: algol54@yandex.ru
Галина Васильевна Вавилова, аспирант кафедры информационно-измерительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета. Тел. (3822) 418911. E-mail: wgw@tpu.ru
Василий Юрьевич Белянков, магистрант кафедры информационно-измерительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета. Тел. (3822) 418911. E-mail: belyankovvy@sibmail.com
з *
электроды используются для обеспечения однородности электрического поля на краях измерительного электрода. Электропроводящая жила кабеля и корпус преобразователя соединены с общей точкой (землей). Трубчатые электроды соединены с генератором переменного напряжения V, имеющим угловую частоту ю. Измерение силы тока в электрической цепи измерительного электрода осуществляется с использованием трансформатора тока 6. Преобразователь вместе с размещенным в нем участком контролируемого кабеля находится в воде, а точнее, в водном электропроводящем растворе имеющихся в технической воде солей, кислот и оснований [3].
Цель данной работы — исследование влияния на функцию преобразо-
Рис. 1. Конструкция электроемкостного измерительного преобразователя.
вания рассматриваемого ЭЕИП его основных конструктивных параметров и выбор их оптимальных значений, обеспечивающих максимальную достоверность контроля погонной емкости электрического кабеля.
Основными конструктивными параметрами ЭЕИП являются: внутренний диаметр трубчатых электродов, длина измерительного и дополнительных электродов, расстояние (зазор) между измерительным и дополнительными электродами, внутренний диаметр цилиндрического корпуса преобразователя.
Оптимальной конструкцией ЭЕИП будем считать такую, при которой обеспечивается наиболее высокая однородность в продольном (осевом) направлении электрического поля между внутренней поверхностью трубчатого измерительного электрода и проводящей жилой контролируемого электрического кабеля (рис. 2). Только в этом случае возможна минимальная зависимость функции преобразования погонной емкости электрического кабеля в выходной сигнал ЭЕИП от геометрических размеров кабеля, электрических свойств изоляции и изменения электропроводности воды.
2
Рис. 2. Поле внутри преобразователя: 1 — кабель; 2 — измерительный электрод.
Признаками однородности электрического поля являются: одинаковость значений радиальной составляющей Ег вектора напряженности электрического поля Е и равенство нулю продольной составляющей Е (направлена
вдоль оси кабеля x) при любом фиксированном значении радиуса r внутри измерительного электрода (см. рис. 2).
В качестве критерия продольной однородности поля внутри измерительного электрода в данном случае удобно использовать отношение р значений погонной емкости С0 между электродом и проводящей жилой кабеля на участке в центральной части электрода (где поле является заведомо однородным в продольном направлении) и погонной емкости Ск на участках по краям измерительного электрода. Величина р при оптимальных значениях конструктивных параметров стремится к единице. Во всех анализируемых случаях в качестве участка с однородным полем рассматривали центральную часть измерительного электрода, длина которой равна половине его общей длины. В качестве участка измерительного электрода, для которого оценивали однородность электрического поля в продольном направлении, рассматривали остальную часть измерительного электрода.
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЕИП
Для обеспечения продольной однородности поля внутри измерительного электрода внутренний диаметр трубчатых электродов должен быть минимальным. Однако производственные условия требуют, чтобы контролируемый кабель свободно перемещался внутри ЭЕИП, поэтому внутренний диаметр трубчатых электродов должен быть, как минимум, в 2 раза больше наружного диаметра изоляции кабельного изделия.
Чем длиннее измерительный электрод, тем меньшее влияние будет оказывать неоднородность поля в продольном направлении на краях измерительного электрода. Но в этом случае возрастает продольный габаритный размер преобразователя, а кроме того, при большой длине электрода не может быть обеспечена требуемая локальность контроля, для достижения которой, наоборот, рекомендуется использовать измерительный электрод минимальной длины [4]. Компромиссным размером является длина измерительного электрода порядка (200—300) мм.
Внутренний диаметр цилиндрического корпуса определяет значение начальной емкости ЭЕИП (без объекта контроля). Поэтому из соображений его минимизации внутренний диаметр корпуса целесообразно выбирать по крайней мере в два раза превышающим наружный диаметр трубчатых электродов, а в качестве изолятора использовать воздушный зазор.
Оптимальные значения остальных конструктивных параметров ЭЕИП могут быть определены путем компьютерного моделирования преобразователя. Создание 3Б-модели преобразователя осуществляли в среде моделирования COMSOL Multiphysics 3.5a. Использовали физический AC/DC модуль раздела Quasi-Statics Electric (3D) стандартной библиотеки.
Были заданы следующие фиксированные параметры модели: диаметр проводящей жилы кабеля 2 мм; диаметр изоляционной оболочки кабеля 6 мм; длина измерительного электрода 200 мм; внутренний диаметр электродов 20 мм; внутренний диаметр корпуса 40 мм; толщина стенок электродов и корпуса 1 мм; амплитуда потенциала электродов 5 В; частота поля 10 кГц.
При моделировании задавали два варианта электрических свойств воды: дистиллированная (удельная электропроводность а = 10-4 См/м) и соленая (а = 0,8 См/м).
Построение геометрии создаваемой модели осуществляли в разделе Draw, задание электрических свойств материалов — в Physics (меню "Subdomain Settings"). Для задания граничных условий использовали меню "Boundary Settings". При наложении сетки использовали достаточно крупную сетку по всему объекту, а далее в областях повышенной напряженности поля и ее градиента размер сетки уменьшали. Для извлечения требуемых
результатов после окончания расчетов использовали раздел "Postprocessing" с множеством различных функций для построения графиков.
На рис. 3 эквипотенциальными линиями и цветовым спектром показано полученное в среде Comsol Multiphysics распределение электрических потенциалов при взаимодействии электрического поля преобразователя с электрическим кабелем для случая отсутствия дополнительных электродов
щ
Рис. 3. Картина поля для ЭЕИП без дополнительных электродов (вода дистиллированная).
и использования дистиллированной воды. На рис. 4 показано распределение значений продольной Ех и радиальной Ег пространственных составляющих вектора напряженности электрического поля преобразователя. Напряженность электрического поля определяли в средней части оболочки кабеля при значении радиуса, вдвое превышающем радиус проводящей жилы (рис. 4а), и вблизи внутренней поверхности измерительного электрода (рис. 46). Начало координат О здесь и далее совпадает с центром преобразователя.
а 6
Рис. 4. Распределение радиальной Ег и продольной Ех составляющих напряженности электрического поля в средней части оболочки кабеля
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.