V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Введение

В настоящее время наиболее ценным и важным объектом является информация. Обмен информации, ее передача – это неотъемлемая часть многих информационных и вычислительных систем. При этом используются различные виды линий связи. Наиболее применяемой является проводная связь. Это телефонные, телевизионные и другие кабели.

При передаче информации происходят неизбежные потери искажения полезного сигнала. К причинам этого относятся влияния внешних полей, и параметры самой линии связи. В число таких параметров входит емкость кабеля. Значение емкости необходимо для оптимального выбора кабеля, а также для определения области применения данного вида кабеля. Кроме того, определение емкости кабеля используется с целью определения толщины и других свойств изоляции кабеля.

Емкость в кабельной линии определяется как емкость соответствующего цилиндрического конденсатора, в котором роль обкладок выполняют жилы кабеля и экранирующий слой. Величина емкости кабеля зависит от его конструктивных параметров и относительной диэлектрической проницаемости изоляционного материала:

С=ε∙10-918lnDd, (1)

где D - внешний диаметр изоляционнго слоя кабеля, d - диаметр токопроводящей жилы, -относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала.

Наиболее целесообразным и экономически выгодным является измерение емкости еще в процессе производства кабеля, на стадии нанесение изоляции. Это дает возможность изначально задавать необходимую емкость и контролировать постоянство ее значения по всей длине кабеля.

В настоящей работе представлен емкостной преобразователь, позволяющий определять емкость кабеля в процессе его производства, на стадии охлаждения кабеля после нанесения изоляционного слоя.

Описание преобразователя

Поскольку, измерение емкости кабеля производится при отсутствии экранирующего слоя, в качестве второго электрода используется вода. В этом случае исключается возможность появление воздушных зазоров между кабелем и вторым электродом и, соответственно уменьшается погрешность измерения. Контроль емкости производится в охлаждающей ванне, куда помещается кабель после нанесения изоляционного слоя. Исходя из этого, предполагаемая принципиальная схема емкостного преобразователя имеет вид, представленный на рис.1.

Преобразователь выполнен в виде полого цилиндра и включает в себя два электрода: электрод питания (ЭП), состоящий из двух частей 1, и рабочий электрод (РЭ) 2, расположенный между ЭП, ввод 3 для подачи напряжения питания, информационный вывод 4, металлический корпус 5, закрепленный на металлическом корпусе ванны. В процессе измерения, корпус ванны, корпус преобразователя 5, а также жила кабеля заземляются.

Рис. 1. Принципиальная схема емкостного преобразователя

При подаче переменного напряжения на электрод питания на рабочем электроде возникает потенциал переменного тока. Так как расстояние между электродом питания и заземленным корпусом небольшое, то при достаточно большой площади электрода питания сопротивление переменному току в зоне электрода резко падает и становится близким к нулю на концах первичного преобразователя. Сопротивление между рабочим электродом и жилой кабеля практически постоянно вдоль всей его длины и определяется электрическими параметрами изоляции кабеля. Ток, протекающий от рабочего электрода, определяется свойствами изоляционного слоя кабеля, т.е. емкостью, на рабочем участке преобразователя. Этот ток и является информативным параметром преобразователя. Значение тока линейно зависит от емкости данного участка, равного длине РЭ, и соответствующей длине кабеля.

I=j∙U∙ω∙Cx (2)

Поскольку измерение производится в воде, происходит распределение потенциала вдоль всей ванны. Наличие по краям двух ЭП уменьшает неравномерность распределения электрического поля внутри трубы. Некоторая неравномерность все же присутствует. Ее значение определяется токами утечки. В данном случае основные токи утечки протекают между ЭП и заземленным корпусом. Также существует ток между ЭП и РЭ, поскольку между ними есть небольшой зазор. Между РЭ и корпусом протекает незначительный ток. Он возникает за счет неравномерности электрического поля в области РЭ.

В схеме (рис.2) R1 определяется токами проводимости воды между вспомогательными электродами и корпусом, R2 – сопротивление объемного промежутка между вспомогательным и основным электродом, R3 – сопротивление утечки с основного электрода.

Рис. 2. Электрическая схема замещения емкостного преобразователя

Предполагаемая емкость кабеля, регистрируемая преобразователем, составляет десятки пикофарад. Следовательно, собственная емкость должна быть незначительной, чтобы не влиять на результат измерения. Наличие собственной емкости неизбежно, поскольку прибор работает на переменном токе и сопротивления преобразователя: R1, R2, R3 имеют емкостную составляющую.

Наличие воды ванне является необходимым условием измерения, так как вода обеспечивает не только второй электрод при измерении емкости между жилой и будущим экраном, но и охлаждение изоляции. В производственных условиях для более точного измерения емкости кабеля целесообразно использовать два преобразователя на измерительной линии, так как емкость горячего кабеля отличается от емкости того же кабеля только охлажденного.

Экспериментальные исследования первичного преобразователя

1. Определение нелинейности поля внутри преобразователя

Данные исследования проведены с целью определения нелинейности поля внутри преобразователя. Схема измерения представлена на рис. 3. Для измерения был использован кабель с открытой жилой.

В качестве источника напряжения используется генератор. Измеряемое напряжение регистрируется аналоговым вольтметром ВЗ-38. Измерение проводится в трех режимах источника питания: 10 В, 20 В и 30 В. Результаты исследования представлены на таблице 1. Значение частота генератора фиксированы и равно 50 кГц.

Рис.3. Схема исследования распределения потенциал на постоянном токе

Таблица 1.

U(B) Х (мм)	10(U1)	20(U2)	30(U3)
-10	2.5	4.7	7.2
-5	3.16	7.4	9.32
0	6.15	12.27	18.2
5	8.9	17.6	25.3
10	9.3	18.6	28.5
20	9.90	19.66	29.1
30	9.94	19.66	29.62
40	9.95	19.68	29.67
50	9.95	19.72	29.82
60	9.97	19.70	29.8
100	9.98	19.72	29.76
300	9.97	19.72	29.80
380	9.9	19.68	29.71
390	9.3	18.6	28.5
395	8.9	17.6	25.3
400	6.15	12.27	18.2
405	3.16	7.4	9.32
410	2.5	4.7	7.2

На рис. 3 представлена зависимость напряжения от положения конца кабеля вдоль оси преобразователя.

Рис. 4. Распределение поля внутри преобразователя

Как видно из графика поля, можно сказать что значение напряжения на рабочем участке измерительной трубы постоянно.

1. Характер зависимости тока от частоты

Предлагается три вида кабеля, которые показаны на рис.5.

Рис. 5. Поперечные сечения исследуемых образцов кабелей:

D – диаметр кабеля, d – диаметр токопроводящей жилы

Информация образца показаны на таблице 2.

Таблица 2.

Образец №1		Образец №2		Образец №2
d=2мм	D=4мм	d=2мм	D=7мм	d=3мм	D=7мм

Рис. 6. Схема измерения емкости кабеля

Берем значение напряжение генератор U=30B , частоты изменяется с 10 до 100 кГц .Результаты исследования представлены на таблице 2.

Таблица 3.

f, кГц	Ix, мА
	Образец №1	Образец №2	Образец №3
10	0,091	0,038	0,045
20	0,19	0,08	0,096
30	0,29	0,113	0,14
40	0,37	0,149	0,192
50	0,44	0,186	0,268
60	0,54	0,218	0,313
70	0,62	0,254	0,361
80	0,72	0,285	0,435
90	0,79	0,323	0,481
100	0,86	0,371	0,549

Полученные данные позволяют определить зависимость выходного тока от частоты. Как видно из графика (рис. 5) зависимость при любых емкостях - линейная функция.

Рис. 7. Зависимость выходного тока I_xпреобразователя от частоты f питания

Заключение

Результаты эксперимента показывают, что собственная емкость данного преобразователя довольно мала. Значение напряжения на рабочем участке измерительной трубы постоянно. Это обеспечивает минимизацию погрешности измерений. Измеряемый ток прямо пропорционален частоте питания. Это показано теоретически и подтверждено экспериментально.

Список литературы

1. Гроднев И.И. Основы теории и производство кабелей связи. Учебное пособие для техникумов. М. – Л. Госэнергоиздат, 1956-480 с.

2. Белорусов И.И. Электрические кабели и провода, М.: Свзьидат 1971-456 с.

Код для цитирования: Скопировать