Помощь студентам в учебе
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ 12
1.1 Общая характеристика кабельных изделий 12
1.2 Классификация методов измерения сопротивления изоляции кабельных изделий 17
1.2.1 Методы непосредственной оценки 17
1.2.1.1 Метод стабилизированного тока в цепи делителя 17
1.2.1.2 Метод преобразования сопротивления в напряжение 19
1.2.2 Мостовой метод 20
1.2.3 Метод вольтметра-амперметра 22
1.2.4 Метод заряда-разряда конденсатора 24
1.2.5 Метод преобразования сопротивления в напряжение с интегрированием 27
1.3 Выводы по Главе 1 28
ГЛАВА 2. УВЕЛИЧЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ТОЧНОСТИ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 29
2.1 Особенности применения Т-образной обратной связи 29
2.1. Быстродействие ПСН с Т-образной обратной связью 37
2.2.1 Теоретическое исследование быстродействия ПСН с Т-образной обратной связью . 39
2.2.2 Экспериментальное исследование быстродействия ПСН с Т-образной обратной
связью 48
2.3 Выводы по Главе 2 55
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПОМЕХ НА
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 57
3.1 Исследование влияния электростатического заряда на ПСН 58
3.2 Исследование влияния электростатического заряда на ПСН с подключенным к нему
кабелем 63
3.3 Исследование влияния магнитного поля на ПСН с подключенным к нему кабелем 66
3.4 Выводы по Главе 3 67
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ В
НАПРЯЖЕНИЕ ПРИ КОНТРОЛЕ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 69
4.1 Дифференциальный метод с использованием двух измерительных каналов 69
4.2 Разработка алгоритмов адаптивной обработки сигналов 72
4.2.1 Алгоритм с использованием минимальных и максимальных отклонений 73
4.2.2 Алгоритм с использованием линейной аппроксимации 74
4.2.3 Классификация возможных алгоритмов адаптивной обработки сигналов для
двухканальной схемы ПСН 75
4.3 Установка для исследования помехоустойчивости одноканальной и двухканальной схем
ПСН 76
4.4 Экспериментальное исследование помехоустойчивости одноканальной и двухканальной
схем ПСН 78
4.5 Выводы по Главе 4 86
ГЛАВА 5. МАКЕТ ТЕРАОММЕТРА Т-01 И ЕГО МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 87
5.1 Назначение 87
5.2 Технические характеристики 87
5.3 Устройство прибора 89
5.4 «Рабочая» настройка прибора 91
5.5 Режимы измерения 94
5.5.1 Ручной выбор пределов измерения 94
5.5.2 Автоматический выбор пределов измерения 97
5.6 Выводы по главе 5 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТКИ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС ТПУ .. 108
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ ИСПЫТАНИЙ МАКЕТА ТЕРАОММЕТРА Т-01 109
ПРИЛОЖЕНИЕ В. АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 110
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ 12
1.1 Общая характеристика кабельных изделий 12
1.2 Классификация методов измерения сопротивления изоляции кабельных изделий 17
1.2.1 Методы непосредственной оценки 17
1.2.1.1 Метод стабилизированного тока в цепи делителя 17
1.2.1.2 Метод преобразования сопротивления в напряжение 19
1.2.2 Мостовой метод 20
1.2.3 Метод вольтметра-амперметра 22
1.2.4 Метод заряда-разряда конденсатора 24
1.2.5 Метод преобразования сопротивления в напряжение с интегрированием 27
1.3 Выводы по Главе 1 28
ГЛАВА 2. УВЕЛИЧЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ТОЧНОСТИ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 29
2.1 Особенности применения Т-образной обратной связи 29
2.1. Быстродействие ПСН с Т-образной обратной связью 37
2.2.1 Теоретическое исследование быстродействия ПСН с Т-образной обратной связью . 39
2.2.2 Экспериментальное исследование быстродействия ПСН с Т-образной обратной
связью 48
2.3 Выводы по Главе 2 55
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПОМЕХ НА
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 57
3.1 Исследование влияния электростатического заряда на ПСН 58
3.2 Исследование влияния электростатического заряда на ПСН с подключенным к нему
кабелем 63
3.3 Исследование влияния магнитного поля на ПСН с подключенным к нему кабелем 66
3.4 Выводы по Главе 3 67
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ В
НАПРЯЖЕНИЕ ПРИ КОНТРОЛЕ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 69
4.1 Дифференциальный метод с использованием двух измерительных каналов 69
4.2 Разработка алгоритмов адаптивной обработки сигналов 72
4.2.1 Алгоритм с использованием минимальных и максимальных отклонений 73
4.2.2 Алгоритм с использованием линейной аппроксимации 74
4.2.3 Классификация возможных алгоритмов адаптивной обработки сигналов для
двухканальной схемы ПСН 75
4.3 Установка для исследования помехоустойчивости одноканальной и двухканальной схем
ПСН 76
4.4 Экспериментальное исследование помехоустойчивости одноканальной и двухканальной
схем ПСН 78
4.5 Выводы по Главе 4 86
ГЛАВА 5. МАКЕТ ТЕРАОММЕТРА Т-01 И ЕГО МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 87
5.1 Назначение 87
5.2 Технические характеристики 87
5.3 Устройство прибора 89
5.4 «Рабочая» настройка прибора 91
5.5 Режимы измерения 94
5.5.1 Ручной выбор пределов измерения 94
5.5.2 Автоматический выбор пределов измерения 97
5.6 Выводы по главе 5 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТКИ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС ТПУ .. 108
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ ИСПЫТАНИЙ МАКЕТА ТЕРАОММЕТРА Т-01 109
ПРИЛОЖЕНИЕ В. АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 110
Актуальность. Кабели, шнуры, провода являются одними из самых востребованных изделий, применяемых в радиотехническом, электрическом и электронном оборудовании. В современном мире ни одно техническое устройство не сможет работать без кабелей и проводов [1]. Эксплуатация кабельных изделий происходит в различных средах: в космосе, под землей, под водой; под воздействием температуры, проникающих излучений, химических веществ, механических нагрузок. Кабельная продукция подвергается большому
количеству испытаний, цель которых оценить качество изготовленных кабелей и проводов [2, 3]. Одним из таких испытаний является измерение сопротивления изоляции кабеля. Приборы, применяемые для измерения сопротивления изоляции кабеля, называют тераомметрами.
Основными характеристиками тераомметра являются верхний предел измерения, рабочее напряжение, быстродействие, погрешность измерения.
Согласно ГОСТ 3345-76 напряжение для контроля сопротивления изоляции кабельных изделий должно быть от 100 до 1000 В. Погрешность измерения не более 10 % в диапазоне до 1010 Ом, 20 % в диапазоне до 1014 Ом, 25 % в диапазоне свыше 1014 Ом. Отсчеты значений электрического сопротивления изоляции при измерении проводят по истечению 1 мин. с момента приложения измерительного напряжения к образцу, но не более чем через 5 мин., если в стандартах или технических условиях на конкретные кабельные изделия не предусмотрены другие требования [4].
В настоящее время на рынке имеются тераомметры с верхним пределом измерения сопротивления до 106 ТОм [5-7]. В большинстве случаев требуемая точность и быстродействие в них обеспечивается высоким опорным напряжением и экранированием объекта контроля.
На быстродействие и погрешность прибора существенное влияние оказывает электрическая емкость кабельных изделий. В то время как приведенные в технической документации характеристики приборов справедливы для измерения активного сопротивления. Наличие емкостной составляющей увеличивает время установления показаний прибора в десятки и более раз, что в большинстве случаев не соответствует требованиям ГОСТ 3345-76.
Другой существенный фактор, влияющий на контроль сопротивления изоляции кабельных изделий - внешние электромагнитные помехи промышленной частоты (50 Гц) и низкочастотные помехи (десятые доли - единицы Гц). И если от помех промышленной частоты имеется возможность избавиться интегрированием за оптимальный период времени, то для подавления непериодических низкочастотных помех необходим другой подход. Минимизировать данные помехи можно при экранировании объекта контроля, но такой подход сложно применить к кабельным изделиям в производственных условиях. Так, например, в некоторых приборах предусмотрены специальные измерительные камеры, но они позволяют работать только с образцом кабеля [6].
Поэтому исследования, направленные на разработку методов по минимизации влияния низкочастотных помех и электрической емкости кабеля на быстродействие и погрешность средств контроля сопротивления изоляции, являются актуальными.
Степень научной проработанности темы. Исследованиям по контролю сопротивления изоляционных материалов посвящено немалое количество работ отечественных и зарубежных ученых. Особое внимание в них уделено вопросам разработки новых методов увеличения верхнего предела измерения, быстродействия, точности и помехозащищенности средств контроля.
В работе И.М. Бородянского разработаны емкостный и резистивный методы контроля сопротивления изоляции в электрических цепях под напряжением. Методы обладают высоким быстродействием в большей степени из-за того, что используется относительно небольшой предел измерения (до 5 МОм) [8].
Существенных результатов в вопросе повышения быстродействия средств контроля сопротивления, при работе с объектами, имеющими большую емкость, добился Е.В. Якимов [9]. Результат был получен методом введения ключевого элемента в инвертирующий операционный усилитель. Данный метод эффективен, но требует доработки в плане защиты от низкочастотных помех.
Значительный вклад в разработку и совершенствование методов контроля сопротивления изоляционных материалов внесли И.М. Бородянский, В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, С.Л. Эпштейн, Е.В. Якимов [8-12].
Определенное влияние, на решение проблемы помехозащищенности средств контроля сопротивления изоляции оказали М.Х. Ансо, И.М. Бородянский, М.П. Пярн, О.В. Сакс, В.Г. Шор [9, 13]. Однако, эти работы не могут быть применены в чистом виде, когда объектом контроля является изоляция кабельных изделий, потому что кабель является хорошей антенной и улавливает всевозможные помехи, которые вносят значительную погрешность в измерения.
Таким образом, выявленные недостатки, существующих методов контроля сопротивления изоляции кабельных изделий, требуют усовершенствования старых методов и средств, либо создания новых.
Объект исследования - средства контроля сопротивления изоляции кабельных изделий.
Предмет исследования - методы построения средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий.
Цель диссертационной работы - разработка и усовершенствование методов и средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий с техническими характеристиками (опорное напряжение, верхний предел измерения, погрешность и быстродействие) удовлетворяющими требованиям ГОСТ 3345-76 на пределах измерения более 1 ТОм.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
- разработать методы и средства контроля сопротивления изоляции кабельных изделий при ограниченном значении опорного напряжения (100 В);
- разработать технические решения по повышению быстродействия, средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий;
- разработать технические решения для уменьшения влияния помех на процесс контроля сопротивления изоляции кабельных изделий без применения специальных средств экранирования объекта контроля;
- реализовать разработанные технические решения в виде средства контроля сопротивления изоляции кабельных изделий.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что
- предложена методика выбора параметров одноканального преобразователя сопротивления в напряжение (ПСН) с Т-образной обратной связью, которые позволяют значительно увеличить быстродействие и точность тераомметра при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий;
- предложен метод компенсации низкочастотных помех при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий на базе двухканальной схемы ПСН с Т-образной обратной связью;
- разработана аппаратно-программная реализация алгоритма обработки сигнала двухканальной схемы ПСН, основанная на вычитании низкочастотных помех с оценкой параметров помехи по минимальным и максимальным отклонениям значения сигнала.
Практическая ценность работы состоит в том, что
1) предложенные технические решения позволяют обеспечить в разработанном приборе установленные требованиями ГОСТ 3345-76 характеристики;
2) предложенный метод компенсации низкочастотных помех и помех промышленной частоты при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий на основе двухканальной схемы ПСН с Т-образной обратной связью позволяет решить задачу повышения быстродействия, помехозащищенности, точности измерения и может быть использован разработчиками средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий.
Методы исследования. При выполнении настоящей работы использованы методы цифровой обработки сигналов, теории электрических цепей, теории измерений, математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ MathCad, Altium Designer, LabView.
Положения, выносимые на защиту:
- схема одноканального ПСН тераомметра на основе инвертирующего усилителя с интегратором в первом каскаде, ФНЧ во втором и Т-образной обратной связью позволяет уменьшить номинал образцового сопротивления более чем в 100 раз;
- схема одноканального ПСН тераомметра с Т-образной обратной связью позволяет увеличить быстродействие до 3 раз при контроле сопротивления изоляции кабелей с высокой емкостью по сравнению с ПСН с классическим вариантом обратной связи;
- метод компенсации низкочастотных помех при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий на базе двухканальной схемы ПСН с Т-образной обратной связью и алгоритмом обработки сигналов с оценкой параметров помехи по минимальным и максимальным отклонениям значений сигналов позволяет обеспечить помехозащищенность до 3,7 раз лучше, чем одноканальный ПСН с усредняющим фильтром.
Личный вклад автора заключается в личном участии на всех этапах работы: формулировка цели и задач работы, подготовка экспериментальных стендов, проведение теоретических и экспериментальных исследований, обработка и интерпретация полученных результатов, формулировка заключений и выводов, подготовка научных публикаций по теме исследования.
Достоверность результатов работы обеспечивается большим объемом экспериментальных данных, сходимостью теоретических и экспериментально полученных зависимостей, непротиворечивостью результатам исследований других авторов.
Апробация работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, были обсуждены на следующих российских и международных конференциях:
- VII Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» с международным участием, г. Томск, 25-28 мая 2016 г.
- VI, VII, IX Международные конференции школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», г. Томск, 2017 г., 2018 г., 2020 г.
- IV Международная конференция «Инновации в неразрушающем контроле (SibTest 2017)», г. Новосибирск, 27-30 июня 2017 г.
- V Международная конференция «Инновации в неразрушающем контроле (SibTest 2019)», г. Екатеринбург, 26-28 июня 2019 г.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ, в том числе 5 статей в международных журналах, индексируемых в базе данных Scopus и Web of Science, 6 докладов и тезисов в материалах Международных и Всероссийских научных конференций, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 73 наименований, 3 приложений, содержит 110 страниц текста, 62 рисунка и 8 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту и описана структура работы.
В первой главе представлен обзор методов и средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий. Приведены схемы измерения, реализующие предложенные методы и описаны их достоинства и недостатки. Представлены характеристики современных средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий. Выбран наиболее перспективный метод, при усовершенствовании которого будет разрабатываться средство контроля сопротивления, удовлетворяющее по характеристикам требованиям ГОСТ 334576 и обладающее приемлемой помехозащищенностью.
Во второй главе рассмотрены особенности применения Т-образной обратной связи в тераомметрах и ее влияние на быстродействие при контроле сопротивления изоляции кабелей.
Приведен обзор операционных усилителей, которые имеют наименьший входной ток, что позволяет увеличить верхний предел измерения сопротивления. Представлено обоснование достоинств Т-образной обратной связи, которая позволяет уменьшить номинал образцового резистора, и, соответственно, его погрешность. В результате уменьшается погрешность разрабатываемого средства контроля. Определено, что использование Т-образной обратной связи в схеме ПСН тераомметра позволяет уменьшить номинал образцового сопротивления более чем в 100 раз.
В работе приведены теоретические и экспериментальные результаты подтверждающие, что ПСН с Т-образной обратной связью обладает до 3 раз лучшим быстродействием, чем ПСН с классической обратной связью.
В третьей главе рассмотрено влияние низкочастотных помех на ПСН при контроле изоляции кабеля, вызванных электростатическими зарядами, скапливающимися на поверхности предметов и людей, а также помех, вызванных воздействием постоянных и переменных магнитных полей.
Выяснено, что при динамическом воздействии электростатических зарядов на выходе ПСН помимо полезного сигнала появляется низкочастотный сигнал помехи.
В работе экспериментально определено, что амплитуда напряжения помехи увеличивается линейно при увеличении потенциала электростатического заряда. Также увеличение амплитуды напряжения помехи происходит при уменьшении расстояния между заряженным электродом и преобразователем сопротивления или объектом контроля.
Влияние магнитного поля неподвижного и движущегося постоянного магнита на процесс контроля сопротивления изоляционных материалов незначительно. Также незначительно воздействие на процесс контроля низкочастотного электромагнитного поля с магнитным потоком, который на порядок превышает магнитный поток электромагнитного поля в лаборатории, в которой проводились эксперименты.
В четвертой главе рассмотрена разработка дифференциального метода с использованием двух измерительных каналов и алгоритма, без применения фильтров, подавляющих низкочастотную составляющую. Метод позволяет в режиме реального времени производить компенсацию помехи.
В качестве схемы измерения использовался ПСН с интегратором в первом каскаде и Т-образной обратной связью. Это позволило обеспечить в разрабатываемом средстве контроля технические характеристики в соответствии с требованиями ГОСТ 3345-76. Для выделения сигнала низкочастотной помехи использовался второй измерительный канал.
Пятая глава посвящена описанию технических характеристик, устройства и комплектации тераомметра Т-01, который предназначен для контроля сопротивлений изоляции кабелей в соответствии с требованиями ГОСТ 3345-76.
Для проведения «рабочей» настройки тераомметра Т-01 используются высокоточные резисторы. «Рабочая» настройка позволяет провести корректировку тераомметра Т-01 с целью исключения мультипликативной и аддитивной составляющих погрешностей измерения сопротивления изоляции.
Для прибора реализованы программы с ручным и автоматическим выбором пределов измерения сопротивления. Программа с автоматическим выбором пределов измерения обладает таким же интерфейсом и функционалом, что и программа с ручным выбором пределов.
количеству испытаний, цель которых оценить качество изготовленных кабелей и проводов [2, 3]. Одним из таких испытаний является измерение сопротивления изоляции кабеля. Приборы, применяемые для измерения сопротивления изоляции кабеля, называют тераомметрами.
Основными характеристиками тераомметра являются верхний предел измерения, рабочее напряжение, быстродействие, погрешность измерения.
Согласно ГОСТ 3345-76 напряжение для контроля сопротивления изоляции кабельных изделий должно быть от 100 до 1000 В. Погрешность измерения не более 10 % в диапазоне до 1010 Ом, 20 % в диапазоне до 1014 Ом, 25 % в диапазоне свыше 1014 Ом. Отсчеты значений электрического сопротивления изоляции при измерении проводят по истечению 1 мин. с момента приложения измерительного напряжения к образцу, но не более чем через 5 мин., если в стандартах или технических условиях на конкретные кабельные изделия не предусмотрены другие требования [4].
В настоящее время на рынке имеются тераомметры с верхним пределом измерения сопротивления до 106 ТОм [5-7]. В большинстве случаев требуемая точность и быстродействие в них обеспечивается высоким опорным напряжением и экранированием объекта контроля.
На быстродействие и погрешность прибора существенное влияние оказывает электрическая емкость кабельных изделий. В то время как приведенные в технической документации характеристики приборов справедливы для измерения активного сопротивления. Наличие емкостной составляющей увеличивает время установления показаний прибора в десятки и более раз, что в большинстве случаев не соответствует требованиям ГОСТ 3345-76.
Другой существенный фактор, влияющий на контроль сопротивления изоляции кабельных изделий - внешние электромагнитные помехи промышленной частоты (50 Гц) и низкочастотные помехи (десятые доли - единицы Гц). И если от помех промышленной частоты имеется возможность избавиться интегрированием за оптимальный период времени, то для подавления непериодических низкочастотных помех необходим другой подход. Минимизировать данные помехи можно при экранировании объекта контроля, но такой подход сложно применить к кабельным изделиям в производственных условиях. Так, например, в некоторых приборах предусмотрены специальные измерительные камеры, но они позволяют работать только с образцом кабеля [6].
Поэтому исследования, направленные на разработку методов по минимизации влияния низкочастотных помех и электрической емкости кабеля на быстродействие и погрешность средств контроля сопротивления изоляции, являются актуальными.
Степень научной проработанности темы. Исследованиям по контролю сопротивления изоляционных материалов посвящено немалое количество работ отечественных и зарубежных ученых. Особое внимание в них уделено вопросам разработки новых методов увеличения верхнего предела измерения, быстродействия, точности и помехозащищенности средств контроля.
В работе И.М. Бородянского разработаны емкостный и резистивный методы контроля сопротивления изоляции в электрических цепях под напряжением. Методы обладают высоким быстродействием в большей степени из-за того, что используется относительно небольшой предел измерения (до 5 МОм) [8].
Существенных результатов в вопросе повышения быстродействия средств контроля сопротивления, при работе с объектами, имеющими большую емкость, добился Е.В. Якимов [9]. Результат был получен методом введения ключевого элемента в инвертирующий операционный усилитель. Данный метод эффективен, но требует доработки в плане защиты от низкочастотных помех.
Значительный вклад в разработку и совершенствование методов контроля сопротивления изоляционных материалов внесли И.М. Бородянский, В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, С.Л. Эпштейн, Е.В. Якимов [8-12].
Определенное влияние, на решение проблемы помехозащищенности средств контроля сопротивления изоляции оказали М.Х. Ансо, И.М. Бородянский, М.П. Пярн, О.В. Сакс, В.Г. Шор [9, 13]. Однако, эти работы не могут быть применены в чистом виде, когда объектом контроля является изоляция кабельных изделий, потому что кабель является хорошей антенной и улавливает всевозможные помехи, которые вносят значительную погрешность в измерения.
Таким образом, выявленные недостатки, существующих методов контроля сопротивления изоляции кабельных изделий, требуют усовершенствования старых методов и средств, либо создания новых.
Объект исследования - средства контроля сопротивления изоляции кабельных изделий.
Предмет исследования - методы построения средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий.
Цель диссертационной работы - разработка и усовершенствование методов и средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий с техническими характеристиками (опорное напряжение, верхний предел измерения, погрешность и быстродействие) удовлетворяющими требованиям ГОСТ 3345-76 на пределах измерения более 1 ТОм.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
- разработать методы и средства контроля сопротивления изоляции кабельных изделий при ограниченном значении опорного напряжения (100 В);
- разработать технические решения по повышению быстродействия, средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий;
- разработать технические решения для уменьшения влияния помех на процесс контроля сопротивления изоляции кабельных изделий без применения специальных средств экранирования объекта контроля;
- реализовать разработанные технические решения в виде средства контроля сопротивления изоляции кабельных изделий.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что
- предложена методика выбора параметров одноканального преобразователя сопротивления в напряжение (ПСН) с Т-образной обратной связью, которые позволяют значительно увеличить быстродействие и точность тераомметра при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий;
- предложен метод компенсации низкочастотных помех при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий на базе двухканальной схемы ПСН с Т-образной обратной связью;
- разработана аппаратно-программная реализация алгоритма обработки сигнала двухканальной схемы ПСН, основанная на вычитании низкочастотных помех с оценкой параметров помехи по минимальным и максимальным отклонениям значения сигнала.
Практическая ценность работы состоит в том, что
1) предложенные технические решения позволяют обеспечить в разработанном приборе установленные требованиями ГОСТ 3345-76 характеристики;
2) предложенный метод компенсации низкочастотных помех и помех промышленной частоты при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий на основе двухканальной схемы ПСН с Т-образной обратной связью позволяет решить задачу повышения быстродействия, помехозащищенности, точности измерения и может быть использован разработчиками средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий.
Методы исследования. При выполнении настоящей работы использованы методы цифровой обработки сигналов, теории электрических цепей, теории измерений, математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ MathCad, Altium Designer, LabView.
Положения, выносимые на защиту:
- схема одноканального ПСН тераомметра на основе инвертирующего усилителя с интегратором в первом каскаде, ФНЧ во втором и Т-образной обратной связью позволяет уменьшить номинал образцового сопротивления более чем в 100 раз;
- схема одноканального ПСН тераомметра с Т-образной обратной связью позволяет увеличить быстродействие до 3 раз при контроле сопротивления изоляции кабелей с высокой емкостью по сравнению с ПСН с классическим вариантом обратной связи;
- метод компенсации низкочастотных помех при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий на базе двухканальной схемы ПСН с Т-образной обратной связью и алгоритмом обработки сигналов с оценкой параметров помехи по минимальным и максимальным отклонениям значений сигналов позволяет обеспечить помехозащищенность до 3,7 раз лучше, чем одноканальный ПСН с усредняющим фильтром.
Личный вклад автора заключается в личном участии на всех этапах работы: формулировка цели и задач работы, подготовка экспериментальных стендов, проведение теоретических и экспериментальных исследований, обработка и интерпретация полученных результатов, формулировка заключений и выводов, подготовка научных публикаций по теме исследования.
Достоверность результатов работы обеспечивается большим объемом экспериментальных данных, сходимостью теоретических и экспериментально полученных зависимостей, непротиворечивостью результатам исследований других авторов.
Апробация работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, были обсуждены на следующих российских и международных конференциях:
- VII Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» с международным участием, г. Томск, 25-28 мая 2016 г.
- VI, VII, IX Международные конференции школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», г. Томск, 2017 г., 2018 г., 2020 г.
- IV Международная конференция «Инновации в неразрушающем контроле (SibTest 2017)», г. Новосибирск, 27-30 июня 2017 г.
- V Международная конференция «Инновации в неразрушающем контроле (SibTest 2019)», г. Екатеринбург, 26-28 июня 2019 г.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ, в том числе 5 статей в международных журналах, индексируемых в базе данных Scopus и Web of Science, 6 докладов и тезисов в материалах Международных и Всероссийских научных конференций, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 73 наименований, 3 приложений, содержит 110 страниц текста, 62 рисунка и 8 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту и описана структура работы.
В первой главе представлен обзор методов и средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий. Приведены схемы измерения, реализующие предложенные методы и описаны их достоинства и недостатки. Представлены характеристики современных средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий. Выбран наиболее перспективный метод, при усовершенствовании которого будет разрабатываться средство контроля сопротивления, удовлетворяющее по характеристикам требованиям ГОСТ 334576 и обладающее приемлемой помехозащищенностью.
Во второй главе рассмотрены особенности применения Т-образной обратной связи в тераомметрах и ее влияние на быстродействие при контроле сопротивления изоляции кабелей.
Приведен обзор операционных усилителей, которые имеют наименьший входной ток, что позволяет увеличить верхний предел измерения сопротивления. Представлено обоснование достоинств Т-образной обратной связи, которая позволяет уменьшить номинал образцового резистора, и, соответственно, его погрешность. В результате уменьшается погрешность разрабатываемого средства контроля. Определено, что использование Т-образной обратной связи в схеме ПСН тераомметра позволяет уменьшить номинал образцового сопротивления более чем в 100 раз.
В работе приведены теоретические и экспериментальные результаты подтверждающие, что ПСН с Т-образной обратной связью обладает до 3 раз лучшим быстродействием, чем ПСН с классической обратной связью.
В третьей главе рассмотрено влияние низкочастотных помех на ПСН при контроле изоляции кабеля, вызванных электростатическими зарядами, скапливающимися на поверхности предметов и людей, а также помех, вызванных воздействием постоянных и переменных магнитных полей.
Выяснено, что при динамическом воздействии электростатических зарядов на выходе ПСН помимо полезного сигнала появляется низкочастотный сигнал помехи.
В работе экспериментально определено, что амплитуда напряжения помехи увеличивается линейно при увеличении потенциала электростатического заряда. Также увеличение амплитуды напряжения помехи происходит при уменьшении расстояния между заряженным электродом и преобразователем сопротивления или объектом контроля.
Влияние магнитного поля неподвижного и движущегося постоянного магнита на процесс контроля сопротивления изоляционных материалов незначительно. Также незначительно воздействие на процесс контроля низкочастотного электромагнитного поля с магнитным потоком, который на порядок превышает магнитный поток электромагнитного поля в лаборатории, в которой проводились эксперименты.
В четвертой главе рассмотрена разработка дифференциального метода с использованием двух измерительных каналов и алгоритма, без применения фильтров, подавляющих низкочастотную составляющую. Метод позволяет в режиме реального времени производить компенсацию помехи.
В качестве схемы измерения использовался ПСН с интегратором в первом каскаде и Т-образной обратной связью. Это позволило обеспечить в разрабатываемом средстве контроля технические характеристики в соответствии с требованиями ГОСТ 3345-76. Для выделения сигнала низкочастотной помехи использовался второй измерительный канал.
Пятая глава посвящена описанию технических характеристик, устройства и комплектации тераомметра Т-01, который предназначен для контроля сопротивлений изоляции кабелей в соответствии с требованиями ГОСТ 3345-76.
Для проведения «рабочей» настройки тераомметра Т-01 используются высокоточные резисторы. «Рабочая» настройка позволяет провести корректировку тераомметра Т-01 с целью исключения мультипликативной и аддитивной составляющих погрешностей измерения сопротивления изоляции.
Для прибора реализованы программы с ручным и автоматическим выбором пределов измерения сопротивления. Программа с автоматическим выбором пределов измерения обладает таким же интерфейсом и функционалом, что и программа с ручным выбором пределов.
1. Экспериментально и теоретически были определены оптимальные соотношения сопротивлений Т-образной обратной связи, что позволяет уменьшить номинал образцового сопротивления минимум в 100 раз.
2. Экспериментально подтверждено, что ПСН с Т-образной обратной связью обладает до 3 раз лучшим быстродействием, чем ПСН с классической обратной связью. На всех рассматриваемых пределах измерения сопротивления (RINS=10 ГОм, RINS=100 ГОм и RINS=1000 ГОм) время установления выходного напряжения ПСН не превышает 15 с.
3. На основе исследования влияния низкочастотных помех на показания средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий установлено, что основным источником низкочастотных помех является электростатический заряд, накапливаемый на поверхности ПСН, объекте контроля и на операторе, проводящем контроль.
4. Предложен и реализован метод компенсации низкочастотных помех при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий на основе двухканальной схемы ПСН с Т-образной обратной связью. Данное техническое решение защищено патентом.
5. Экспериментально установлено, что двухканальный ПСН с предложенными адаптивными алгоритмами для фильтрации низкочастотных помех обладает в до 3,7 раз лучшей помехозащищенностью, чем одноканальный ПСН с усредняющим фильтром.
6. Разработан, изготовлен и испытан макет тераомметра Т-01 обеспечивающий технические характеристики (опорное напряжение, верхний предел измерения, погрешность и быстродействие) которые удовлетворяют требованиям ГОСТ 3345-76 на пределах измерения (105... 1013) Ом.
2. Экспериментально подтверждено, что ПСН с Т-образной обратной связью обладает до 3 раз лучшим быстродействием, чем ПСН с классической обратной связью. На всех рассматриваемых пределах измерения сопротивления (RINS=10 ГОм, RINS=100 ГОм и RINS=1000 ГОм) время установления выходного напряжения ПСН не превышает 15 с.
3. На основе исследования влияния низкочастотных помех на показания средств контроля сопротивления изоляции кабельных изделий установлено, что основным источником низкочастотных помех является электростатический заряд, накапливаемый на поверхности ПСН, объекте контроля и на операторе, проводящем контроль.
4. Предложен и реализован метод компенсации низкочастотных помех при контроле сопротивления изоляции кабельных изделий на основе двухканальной схемы ПСН с Т-образной обратной связью. Данное техническое решение защищено патентом.
5. Экспериментально установлено, что двухканальный ПСН с предложенными адаптивными алгоритмами для фильтрации низкочастотных помех обладает в до 3,7 раз лучшей помехозащищенностью, чем одноканальный ПСН с усредняющим фильтром.
6. Разработан, изготовлен и испытан макет тераомметра Т-01 обеспечивающий технические характеристики (опорное напряжение, верхний предел измерения, погрешность и быстродействие) которые удовлетворяют требованиям ГОСТ 3345-76 на пределах измерения (105... 1013) Ом.
