CC BY
5РАЗДЕЛ 3. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.3.08
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ
ЕМКОСТИ САР-10.1
С.В. Мазиков, Г.В. Вавилова
Показаны функциональные возможности измерителя емкости САР-10.1, представлен его внешний вид. Предложена методика проведения первичной настройки измерителя емкости, заключающаяся в подборе коэффициентов функции преобразования сигнала измерительной информации в значение погонной емкости провода. Также предложена методика «рабочей» настройки, позволяющая, в случае необходимости, скорректировать результат измерения путем исключения систематической погрешности измерения. Для проведения первичной и «рабочей» настроек используются заранее подготовленные контрольные образцы провода с известным действительным значением погонной емкости.
Ключевые слова: первичная настройка, калибровка, рабочая настройка.
ВВЕДЕНИЕ
Измеритель емкости САР-10.1 предназначен для контроля емкости электрического провода непосредственно в процессе производства на стадии нанесения изоляции на токопроводящую жилу. Объектом контроля являются одножильный провод с наружным диаметром изоляции (0,5...12) мм и значением погонной емкости (50.500) пФ/м.
САР-10.1 обеспечивает измерение емкости с максимально допустимой погрешностью 2,5 % от номинального значения погонной емкости провода в условиях значительного изменения электропроводности воды, эквивалентной изменению концентрации №С1 в диапазоне (0.4) г/л.
САР-10.1 способен измерять текущее значение погонной емкости провода, осуществлять индикацию результата измерения и сравнение измеренного значения с предельно допустимыми значениями емкости [1]. В случае отклонения текущего значения емкости провода от допустимого значения производится световая и звуковая сигнализация.
Внешний вид измерителя емкости САР-10.1, состоящего из электроемкостного измерительного преобразователя (ЭЕИП) и пульта отображения информации и допускового контроля БИ-1, представлен на рисунке Рисунок 1.
Принцип действия измерителя емкости основан на измерении силы тока, по значению которой при известных амплитуде и час-
тоте приложенного напряжения можно судить о значении емкости провода.
Для реализации предложенного метода используется единственно возможный вариант [2, 3] реализации измерительного преобразователя, основанный на применении трубчатого электрода, погружаемого вместе с контролируемым проводом в охлаждающую ванну экструзионной линии, в которую помещается провод сразу после нанесения изоляции. Значение погонной емкости провода определяется по значению силы тока, протекающего через измерительный электрод ЭЕИП при известных амплитуде и частоте приложенного к электроду гармонического напряжения.
Рисунок 1 - Внешний вид прототипа измерителя емкости CAP-10.1
Для обеспечения соответствия требованиям технической документации характеристик измерителя емкости САР-10.1 проводится
настройка прибора. В качестве контрольных образцов используются специально подготовленные отрезки одножильных проводов с изоляцией из различных материалов с известными значениями погонной емкости от 180 до 460 пФ/м в пределах диапазона измерения САР-10.1 [4]. Действительные значения емкости этих образцов определяются измерениями в соответствии с методикой, рекомендуемой ГОСТом 27893-88 «Кабели связи. Методы испытаний» [5].
ПЕРВИЧНАЯ НАСТРОЙКА
На этапе изготовления измерителя емкости САР-10.1 проводится первичная настройка прибора, которая заключается в определении коэффициентов функции преобразования выходного сигнала ЭЕИП в значение емкости контролируемого провода.
Первичная настройка проводится в нормальных климатических условиях, регламентируемых стандартами [6], по методике, определяемой ГОСТом 27893-88 [5].
Значение погонной емкости провода Сп, пФ/м определяется по силе тока, протекающей через трубчатый электрод, и описывается линейной функцией преобразования вида:
С = С + к ■ Т
(1)
где С0, пФ/м и к, пФ/(мА) - постоянная составляющая и коэффициент пропорциональности.
Коэффициенты функции преобразования (1) зависят от конструктивных параметров конкретного ЭЕИП, поэтому значения коэффициентов для каждого типа измерителя емкости рассчитываются индивидуально на основе экспериментальных данных.
Экспериментальные исследования [7, 8] показывают значительную зависимость измеренного значения погонной емкости контролируемого провода от текущего значения электропроводности воды, в которую погружен ЭЕИП. В ходе экспериментальных исследований [7] изменение электропроводности воды обеспечивалось изменением весовой концентрации соли N801 в диапазоне от 0 до 4 г/л. Анализ результатов данных исследований показал, что подобное изменение электропроводности воды приводит к появлению погрешности измерения емкости порядка 20 %.
Для устранения этого влияния на результат измерения емкости провода используется методика отстройки, основанная на косвенном измерении значения электропроводности воды. Текущее значение электро-
проводности может быть определено путем измерения фазы тока измерительного электрода, вернее соотношения £ = , равного
1д ф (ф - угол между вектором тока и мнимой осью комплексной плоскости) [7] или измерения тока/ генератора, нагруженного на измерительный и оба дополнительных электродов ЭЕИП [9].
Отстройка от влияния мешающих факторов заключается в замене коэффициентов С0(Л), пФ/м и к(Л), пФ/(мА) в функции преобразования (1) на соответствующие коэффициенты С0 (?), пФ/м и к(г) , пФ/(мА) (2) или
С0(1), пФ/м и к(I), пФ/(мА) (3):
Сп = С01(г) + к■ 1Х (2)
или
Сп = С01(1) + кх(1) ■ 1х, (3)
где функции С0 (?) , пФ/м, к (?), пФ/(мА),
С0(1{), пФ/м и к(I), пФ/(мА) с достаточной степенью приближения могут быть описаны полиномами второго порядка, коэффициенты которых определяются конструктивными параметрами используемого ЭЕИП.
«РАБОЧАЯ» НАСТРОЙКА
Если при установке измерителя емкости САР-10.1 на технологической линии (впервые или после ремонта) обнаруживается повышение допустимой погрешности измерения емкости (2,5 %), то полученный результат можно скорректировать. Для реализации корректировки в приборе предусмотрена «рабочая» настройка, проводимая в автоматизированном режиме. «Рабочая» настройка необходима для исключения аддитивной и мультипликативной составляющих систематической погрешности. При проведении «рабочей» настройки измеритель емкости находится непосредственно на технологической линии в охлаждающей ванне, в которую помещается изготавливаемый провод сразу после экструдирования.
Задача «рабочей» настройки состоит в определении значения емкости АС, пФ/м, на которое необходимо скорректировать результат измерения емкости Сх, пФ/м для исключения систематической погрешности. Скорректированное значение погонной емкости
С*, пФ/м, для любого образца провода, рассчитывается по формуле:
С* = Сх -АС .
(4)
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ЕМКОСТИ САР-10.1
Алгоритм корректировки производится с помощью стандартной операции исключения систематической погрешности, приведенной на рисунке 2.
X/ 1
дс ТУ
/ // /1 1
/ / \ 1 I
ДС,
Рисунок 2 - Алгоритм корректировки измеренного значения погонной емкости
Значения емкости АС, пФ/м рассчитывается по формуле:
- АСг
АС = АС + АС2
Сх2 Сх1
<СХ - Сх1)
(5)
Проверка качества выполненной «рабочей» настройки проводится при использовании контрольного образца провода с известным действительным значением емкости Сд, пФ/м.
При успешном завершении «рабочей» настройки абсолютная разница АСк между
скорректированным
С
Ск и действительным
дк значениями емкости для контрольного
образца провода не должна превышать заявленной погрешности измерителя емкости САР-10.1 (2,5 %), в противном случае процедуру «рабочей» настройки необходимо повторить.
При проведении «рабочей» настройки необходимо знать точное значение температуры воды охлаждающей ванны, где установлен измеритель емкости. Это связано с тем, что некоторые материалы изоляции имеют значительную зависимость диэлектрической проницаемости от изменения температуры.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВАННЫ НА РЕЗУЛЬТАТ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ
Температурные режимы охлаждения изоляции провода в технологическом процессе
значительно отличаются от нормальных условий, регламентируемых ГОСТом 27893-88, в которых обычно настраиваются и калибруются приборы.
Температура охлаждения изоляции провода в процессе экструзии во многом зависит от материала изоляции [10, 11]. Известно, что полиэтилен низкой плотности не деформируется при температуре - (60...80) °С, для ПВХ пластикат - (60...90) °С, фторопласт - (110.200) °С. В реальных условиях производства изоляция провода охлаждается до (40.50) °С, что необходимо исходя из требований безопасности [12, 13].
В измерителе емкости САР-10.1 реализуется отстройка от изменения электропроводности воды, в том числе и за счет изменения температуры воды. Но указанной температурой обладает не только вода охлаждающей ванны, но и изоляция провода. В [4] показано, что изменение температуры воды (а, значит, и температуры изоляции провода) в диапазоне от 30 до 95 °С приводит к изменению значения емкости образца провода с изоляцией из полиэтилена приблизительно на 5 %, а для образца провода с изоляцией из ПВХ-пластиката это изменение составляет приблизительно 60 %.
Учитывая это, необходимо знать действительное значение емкости образца провода, используемого для проведения «рабочей» настройки, при конкретной температуре технологического процесса [10, 11]. Именно это значение и сравнивается с результатом изменения емкости, выполненное прибором САР-10.1. Следовательно, контрольный образец провода должен иметь паспорт, в котором указаны действительные значения емкости при различных температурах изоляции. Только в этом случае их можно использовать для проведения «рабочей» настройки.
ВЫВОДЫ
1. Для проведения первичной и «рабочей» настроек измерителя емкости САР-10.1 используются контрольные образцы проводов с известными действительными значениями емкости, как в нормальных условиях, так и при различных температурных условиях, соответствующих технологическому процессу охлаждения изоляции провода.
2. Разработана методика проведения первичной настройки измерителя емкости САР-10.1, позволяющая получить коэффициенты функции преобразования выходного сигнала ЭЕИП в значение погонной емкости контролируемого провода, с использованием
отстройки от мешающих факторов на основе измерения фазы тока измерительного электрода и на основе измерения тока генератора, нагруженного на все электроды ЭЕИП.
3. Предложена методика автоматизированного проведения «рабочей» настройки, позволяющая скорректировать показания измерителя емкости CAP-10.1 за счет исключения мультипликативной и аддитивной составляющих погрешностей измерения при измерении емкости провода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гольдштейн, А. Е. Измеритель погонной емкости одножильного провода для технологического контроля / А. Е. Гольдштейн, Г. В. Вавилова // Пол-зуновский вестник. - 2015. - № 3. - С. 38-42.
2. Пат. № 20030128038 US, МПК G01R 27/26. Capacitance monitoring systems [Электронный ресурс] / Patrick Fleming, Lee Robert Coleman. - № 10/182766 ; заявл. 25.01.2001 ; опубл. 10.07.2003. - Режим доступа: URL: http://worldwide.espacenet.com/publica-tionDetails/biblio?DB=EPODOC&II=2&ND=3&adjacent=t rue&locale=en_EP&FT=D&date=20030710&CC=US&N R=2003128038A1 &KC=A1, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ. (дата обращения 17.04.2016).
3. Goldshtein, A. E. An electro-capacitive measuring transducer for the process inspection of the cable capacitance per unit length in the process of production / A. E. Goldshtein, G. V. Vavilova, V. Yu. Belyankov // Russian Journal of Nondestructive Testing. - 2015. -Т. 51, Вып. 2. - С. 35-43.
4. Мазиков, С. В. Определение действительного значение погонной емкости образцов провода [Электронный ресурс] / С. В. Мазиков, Г. В. Вавилова // Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее: сборник научных трудов IV Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых в 3 т. -2015. - Т. 1. - Томск : Изд-во ТПУ. - С. 131-135. -Режим доступа: URL: http://portal.tpu.ru:7777/science/ konf/resurs/proceedings/Сборник%20трудов'15%20Т. 1_3.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус. (дата обращения 25.11.2015).
5. ГОСТ 27893-88 (СТ СЭВ 1101-87). Кабели связи. Методы испытаний [Электронный ресурс]. -Введ. 1990.01.01. - с измен. 2015-01-16. - Режим доступа: URL: http://meganorm.ru/Index/11/11797.htm, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус. (дата обращения 01.02.2016).
6. ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. [Электронный ресурс]. - Введ. 1982.01.01. - с измен. 2015.01.16. - Режим доступа: URL: http://www.internet-law.ru/gosts/gost/30125/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус. (дата обращения 01.08.2015).
7. Гольдштейн, А. Е. Отстройка от влияния изменения электропроводности воды на результаты технологического контроля погонной емкости электрического кабеля / А. Е. Гольдштейн, Г. В. Вавилова // Ползуновский вестник. - 2013. - № 2. -С. 146-150.
8. Starikova, N. S. Control of Cable Insulation Quality by Changing of Electrical Capacitance Per Unit During High Voltage Testing [Электронный ресурс] / N. S. Starikova, V. V. Redko, G. V. Vavilova // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - Т. 671. - С. 1-4. Режим доступа: URL: http://iopscience.iop.org/article/ 10.1088/1742-6596/671/1/012056/pdf, свободный. -Загл. с экрана. - Яз. англ. (дата обращения 01.03.2016).
9. Пат. № 2578658 RU МПК G01R27/26. Способ измерения погонной емкости одножильного электрического провода / Гольдштейн А. Е., Вавилова Г. В., Редько В. В. ; заявл. 29.12.2014 ; опубл. 27.03.2016. - Режим доступа: URL: http://www1.fips.ru/ fips_servl/fips_servlet. - Загл. с экрана. - Яз. англ. (дата обращения 17.04.2016).
10. Притулов, А. М. Влияние степени компак-тирования порошковой смеси реагентов на твердофазный синтез пентаферрита лития / А. М. Притулов, Р. У. Усманов, О. В. Гальцева, А. А. Кондратюк, В. Безуглов, В. И. Сербин // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2007. - Т. 50, № 2. -С. 82-86.
11. Galtseva, O. V. The separation process of methane-butane fraction from natural gas before transport / O. V. Galtseva, S. V. Bordunov // В сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Сер. "International Scientific Conference on "Radiation-Thermal Effects and Processes in Inorganic Materials", RTEP 2014". - 2015. - c. 012062.
12. Балашов, А. И. Кабели и провода. Основы кабельной техники / А. И. Балашов, М. А. Боев, А. С. Воронцов и др.; под редакцией И. Б. Пешкова. - М. : Энергоатомиздат, 2009. - 470 с.
13. Канискин, В. А. Основы кабельной техники : учебное пособие / В. А. Канискин, Б. И. Сажин. -Ленинград : Изд-во Ленинградского технологического ин-та, 1990. - 86 с.
Мазиков С.В., магистрант кафедры Физических методов и приборов контроля качества Томского политехнического университета, тел.: 8-953-922-48-45, e-mail: s-mazikov@mail.ru.
Вавилова Г.В., старший преподаватель кафедры Физических методов и приборов контроля качества Томского политехнического университета, тел.: 8-906947-19-37, e-mail: wgw@tpu.ru.
