Тема: РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПОГОННОЙ ЕМКОСТИ ОДНОЖИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОВОДА В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА
Характеристики работы
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОВОДА 16
1.1 Основные понятия 16
1.2 Обзор методов измерения емкости 20
1.2.1 Метод вольтметра-амперметра 20
1.2.2 Мостовой метод 22
1.2.3 Резонансный метод 23
1.2.4 Метод переходного процесса 25
1.2.5 Метод фазового сдвига 27
1.2.6 Методы измерения емкости одножильного провода 28
1.3 Контроль емкости электрического провода 28
1.3.1 Контроль емкости провода согласно нормативным документам . 30
1.3.2 Влияние на результат измерения емкости провода по ГОСТ 27893¬
88 свойств воды, выполняющей функции измерительного электрода, и температурных условий измерения 32
1.4 Технологический контроль емкости электрического провода 37
1.4.1 Выбор измерительного преобразователя, применимого для
технологического контроля емкости провода 39
1.4.2 Реализации измерительного преобразователя емкости провода на
основе трубчатого электрода 46
1.5 Выводы по главе 1 51
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОЕМКОСТНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОГОННОЙ ЕМКОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОВОДА 53
2.1 Требования к конструкции электроемкостного измерительного
преобразователя 54
2.2 Определение оптимальных параметров измерительного
преобразователя на основе компьютерного моделирование 56
2.3 Выводы по главе 2 67
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СИГНАЛА 68
3.1 Экспериментальное исследование влияния на функцию преобразования
электропроводности воды 69
3.2 Методы отстройки от влияния изменения электропроводности воды . 72
3.2.1 Отстройка от влияния изменения электропроводности воды на
основе измерения фазы тока измерительного электрода 73
3.2.2 Отстройка от влияния изменения электропроводности воды на
основе измерения тока генератора 76
3.3 Выводы по главе 3 79
ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ ЕМКОСТИ 80
4.1 Измеритель емкости СAP-10 80
4.1.1 Алгоритм программного преобразования сигнала измерительной
информации в CAP-10 82
4.1.2 Техническая реализация измерителя емкости СAP-10 85
4.2 Техническая реализация измерителя емкости CAP-10.1 88
4.3 Использование измерителя емкости CAP-10 для обнаружения
локальных дефектов изоляции провода 90
4.4 Выводы по главе 4 92
ГЛАВА 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ЕМКОСТИ CAP-10 94
5.1 Первичная настройка CAP-10 95
5.2 «Рабочая» настройка измерителя емкости CAP-10 97
5.3 Реализация программной автоматизированной корректировки 99
5.4 Калибровка 102
5.5 Выводы по главе 5 104
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 105
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 105
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЕ
ЕМКОСТИ ОБРАЗЦОВ ПРОВОДА 111
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ «РАБОЧЕЙ» НАСТРОЙКИ И
КАЛИБРОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ ЕМКОСТИ CAP-10.1 120
ПРИЛОЖЕНИЕ В. АКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127
📖 Аннотация
📖 Введение
Обязательным этапом при производстве кабельных изделий является выходной контроль, порядок которого регламентируется соответствующими нормативными документами [5-8]. Данный вид контроля проводится на отрезке уже готового изделия, и информация о годности кабельного изделия становится известной после завершения процесса производства, когда уже нет возможности внести какие-либо коррективы в технологический процесс.
С экономической точки зрения, при производстве кабельных изделий необходимо обеспечивать до 100% выхода годных изделий. В случае обнаружения брака оперативное вмешательство в технологический процесс может существенно сократить экономические затраты, поэтому для уменьшения брака необходимо совершенствовать технологию контроля в процессе производства [1-4].
Для кабелей связи, кабелей управления, радиочастотных кабелей одним из наиболее важных параметров является волновое сопротивление, постоянство которого по всей длине кабеля определяет качество передачи информации. Значение волнового сопротивления, в первую очередь, определяется электрической емкостью. Емкостью кабельного изделия считается емкость между токопроводящей жилой и другим электродом, охватывающим поверхность изоляционной оболочки. Это может быть экран, металлическая оплетка или вторая жила кабеля.
Качество большинства кабельных изделий можно оценить по соответствию конструктивных размеров требованиям стандартов. Для этого необходимо контролировать соответствие требованиям нормативных документов геометрических размеров кабельных изделий, таких, как диаметр жилы, диаметр внешней оболочки изоляции, толщина изоляции, эксцентричность (смещение центра жилы от центра кабеля). Также важным для качества кабельных изделий является отсутствие в конструкции кабельного изделия различного рода дефектов изоляции, например: трещин, порезов, локальных увеличений и уменьшений внешнего диаметра изоляции, инородных включений в изоляции [2, 13-14].
К основным электрическим параметрам кабельных изделий относятся сопротивление жилы постоянному току, сопротивление изоляции, емкость, индуктивность, волновое сопротивление и т.д. [1-2, 11].
Погонная емкость является одной из основных нормируемых величин, определяющих качество кабельного изделия. Известно, что емкость провода в значительной степени зависит от его геометрических размеров и электрических свойств изоляции. Поэтому изменение погонной емкости может свидетельствовать об отклонении каких-либо геометрических параметров провода или электрических характеристик изоляции . Кроме того, резкое изменение емкости является показателем наличия несплошностей в изоляции (трещин, порезов, инородных включений и т.д.), так как при этом наблюдается резкое, скачкообразное изменение геометрических параметров провода и электрических характеристик изоляции.
Таким образом, постоянство как электрических, так и геометрических параметров можно контролировать, измеряя емкость провода.
Потребность обеспечения постоянства электрических и геометрических параметров по всей длине кабельного изделия приводит к необходимости осуществлять постоянный контроль емкости непосредственно в процессе производства. Емкость обуславливается характеристиками технологического процесса нанесения изоляции на токопроводящую жилу, поэтому контроль емкости целесообразно проводить в процессе экструзии [15-16].
В настоящее время приборы для технологического контроля емкости разрабатываются, главным образом, зарубежными фирмами Sikora (Германия), Zumbach (Швецария), Proton Products (Великобритания), а также фирмой НПО Редвилл (Россия) [17-23]. Ограничение использования приборов зарубежного производства связано с их высокой стоимостью и трудоемкостью обслуживания в условиях отечественных кабельных предприятий. Также немаловажным фактом является требование импортозамещения. Поэтому у кабельной промышленности есть потребность в отечественных приборах для контроля емкости, учитывающих эксплуатационные особенности российского производства кабельных изделий.
Прибор для контроля емкости провода должен обладать следующими свойствами:
• малой чувствительностью к изменениям внешних факторов: температуры воды, используемой при измерении емкости в процессе производства, химического состава воды, концентрации примесей в воде и т.п.;
• надежностью работы в реальных условиях эксплуатации на отечественных кабельных предприятиях;
• низкой стоимостью;
• простотой обслуживания;
• удобством встраивания прибора в информационную сеть кабельного предприятия.
Цель диссертационной работы- разработка методов и средств контроля погонной емкости электрического одножильного провода в процессе производства на стадии нанесения изоляции на токопроводящую жилу.
Для достижения указанной цели в работе необходимо решение следующих задач:
• исследование степени влияния изменения свойств воды, выполняющей функции измерительного электрода, на результат измерения емкости провода;
• разработка конструкции измерительного преобразователя для технологического контроля погонной емкости электрического провода;
• определение оптимальных конструктивных параметров
измерительного преобразователя, позволяющих обеспечить минимальную зависимость результата измерения емкости провода от его геометрических размеров, электрических свойств изоляции и изменения электропроводности воды;
• разработка алгоритма преобразования сигналов измерительной информации в значение емкости контролируемого провода, реализующего отстройку от влияния изменения электропроводности воды;
• техническая реализация измерителя емкости, позволяющая осуществлять отстройку результата измерения емкости провода от влияния изменения электропроводности воды;
• разработка методики проведения настройки измерителя емкости, позволяющей исключить систематическую погрешность при измерении погонной емкости провода, а также методики его калибровки.
Объектом исследования является контроль параметров изделий в кабельной промышленности.
Предмет исследования- погонная емкость провода как самостоятельного изделия или составной части кабеля связи.
Методы исследования. В работе были использованы методы решения уравнений математической физики, методы цифровой обработки данных, методы компьютерного моделирования с использованием пакетов прикладных программ MathCad, Comsol Multiphysics, аппарат теории вероятностей и математической статистики, теории погрешностей для обработки экспериментальных данных.
Научная новизнадиссертационной работы состоит в том, что впервые
• предложена методика расчета и оптимизации основных
конструктивных параметров электроемкостного измерительного преобразователя, обеспечивающая минимальную зависимость результата измерения емкости провода от его геометрических размеров, электрических свойств изоляции и изменения электропроводности воды;
• разработаны методы отстройки от влияния изменения электропроводности воды на основе определения фазы тока измерительного электрода и измерения тока генератора;
• разработана методика проведения первичной настройки измерителя емкости, позволяющая обеспечить требуемую функцию преобразования сигналов измерительной информации.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Конструкция электроемкостного измерительного преобразователя обеспечивающая высокую однородность поля в продольном направлении измерительной зоны преобразователя и минимизацию методической погрешности измерения за счет влияния геометрических размеров провода, электрических свойств изоляции и изменения электропроводности воды.
2. Метод отстройки от влияния изменения электропроводности воды на основе измерения фазы тока измерительного электрода, уменьшающий погрешность измерения погонной емкости провода до 2,5 % в диапазоне изменения емкости от 50 до 500 пФ/м и в диапазоне изменения солености воды от 0 до 4 г/л.
3. Метод отстройки от влияния изменения электропроводности воды на основе измерения тока генератора, обеспечивающий уменьшение погрешности измерения погонной емкости провода до 2,0 % в тех же диапазонах изменения влияющих факторов.
4. Измерители погонной емкости провода CAP-10 и CAP-10.1, реализованные с использованием предложенных конструкции электроемкостного измерительного преобразователя и алгоритмов преобразования сигналов измерительной информации, обеспечивающие погрешность измерения не более 2,5 % в диапазоне изменения емкости провода от 50 до 500 пФ/м в условиях изменения солености воды от 0 до 4 г/л.
Практическая значимость работы заключается в том, что
1) разработанные в диссертации методы и средства технологического контроля емкости позволят решить задачу минимизации брака, улучшения качества выпускаемой продукции кабельного производства, уменьшения материальных затрат, что, соответственно, снизит себестоимость кабельных изделий, повысит энергоэффективность кабельного предприятия, решит задачи импортозамещения иностранных приборов на отечественных кабельных предприятиях;
2) разработаны методики калибровки и настроек измерителя емкости;
3) разработанные в диссертации измерители емкости провода позволят расширить линейку приборов для кабельной промышленности, разрабатываемых и выпускаемых отечественными предприятиями;
4) результаты работы внедрены в учебный процесс студентов,
обучающихся по направлению «Приборостроение»;
5) результаты работы использованы для разработки измерителя емкости CAP-10.1, подготавливаемые к серийному выпуску фирмой ООО «НПО Редвилл» (г. Томск, Россия).
Апробация работы.Результаты проведенных исследований обсуждались на Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2013 г., 2014 г.), на Всероссийской с международным участием научно-практической конференции по инновациям в неразрушающем контроле “SibTest” (г. Томск, 2013 г., 2015 г.), на Научно-практической конференции с международным участием «Информационно-измерительная техника и технологии» (г. Томск, 2013 г., 2014 г., 2015 г.), на Международной научно-практической конференции «Наука, образование и производство - ведущие факторы Стратегии "Казахстан - 2050" (Сагиновские чтения № 6)» (г. Караганда, Казахстан, 2014 г.), на Международной конференции датчиков и сигналов «SENSIG '15» (г. Будапешт, Венгрия, 2015 г.).
Практические результаты работы экспонировались на Международной выставке научно-технических и инновационных разработок «Измерение, мир, человек» (г. Барнаул, 2013 г., 2015 г.), на Выставке научно-технических и инновационных разработок в рамках Всероссийской научно-практической конференция с международным участием «Информационно-измерительная техника и технологии» (г. Томск, 2014 г., 2015 г.).
Значимые результаты работы:
• Золотая медаль за разработку «Измеритель погонной емкости одножильного провода для технологического контроля» (авторы Гольдштейн А.Е., Вавилова Г.В., Мазиков С.В.) на V Международной выставке научно-технических и инновационных разработок «Измерение, мир, человек - 2015» (г. Барнаул).
• Серебряная медаль за разработку «Методика отстройки от влияния изменения электропроводности воды на результаты технологического контроля погонной емкости электрического кабеля» (авторы Вавилова Г.В., Гольдштейн А.Е.) на III Международной выставке научно-технических и инновационных разработок «Измерение, мир, человек - 2013» (г. Барнаул).
• Серебряная медаль за разработку «Макет измерителя погонной емкости кабеля» (авторы Гольдштейн А.Е., Вавилова Г.В.) на III Международной выставке научно-технических и инновационных разработок «Измерение, мир, человек - 2013» (г. Барнаул).
• Диплом за научную работу «Отстройка от влияния изменения электропроводности воды на результаты технологического контроля погонной емкости электрического кабеля» на XV Международной научно¬технической конференции «Измерение, контроль, информатизация - 2014» (г. Барнаул).
• Диплом II степени за научную разработку «Устройство для контроля погонной емкости кабелей» (авторы Гольдштейн А.Е., Вавилова Г.В., Чапайкина А.В.) на Выставке научно-технических и инновационных разработок в рамках IV Всероссийской с международным участием научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии - 2014» (г. Томск).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 22 работы, в том числе 7 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК и 3 статьи, индексируемые в базах Scopus.
Личный вклад авторазаключается а) в разработке математической модели электроемкостного измерительного преобразователя и методики подбора его оптимальных конструктивных параметров; б) в проведении экспериментальных исследований влияния изменений электропроводности воды на результат измерения погонной емкости провода; в) в разработке алгоритма преобразования выходного сигнала измерительного преобразователя в значение емкости провода при использовании отстроек от влияния изменения электропроводности воды; г) в разработке методик первичной, «рабочей» настроек, а также методики калибровки измерителей емкости CAP-10 и CAP-10.1; д) в проведении лабораторных и заводских испытаний измерителя емкости CAP-10 и лабораторных испытаний прототипа CAP-10.1.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 86 источников и трех приложений. Работа содержит 140 страниц текста, 45 рисунков, 2 таблицы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту, описана структура диссертационной работы.
В первой главе представлен обзор существующих методов измерения емкости. Для осуществления контроля емкости провода в процессе его производства выбран наиболее простой и легко реализуемый метод амперметра-вольтметра. Этот метод заключается в измерении силы тока, по значению которой при известных амплитуде и частоте приложенного гармонического напряжения можно судить о значении емкости одножильного электрического провода. Данный метод обладает высокой точностью, помехозащищённостью, быстродействием, а также характеризуется линейной функцией преобразования.
На основе обзора возможных вариантов реализации измерительного преобразователя для проведения контроля емкости провода на стадии нанесения изоляции выбран единственно возможный метод измерения, основанный на использовании трубчатого электрода, погруженного вместе с контролируемым проводом в охлаждающую ванну экструзионной линии.
Анализ стандартов на проведение измерения емкости провода в кабельной промышленности показал, что существуют нормативные документы, регламентирующие порядок только выходного контроля. Выявлены недостатки этих документов в части отсутствия требований к качеству воды, играющей роль измерительного электрода при проведении измерения емкости провода.
Проведен анализ влияния свойств воды на результат контроля, который показал, что изменение температуры, состава и концентрации примеси в водном растворе приводят к существенному влиянию на результат измерения емкости провода вследствие значительного изменения удельной электропроводности воды. Было отмечено, что при увеличении температуры воды для ряда материалов изоляции провода (например, для поливинилхлорида) происходит значительное изменение диэлектрической проницаемости, что также оказывает существенное влияние на результат измерения емкости. Из этого следует, что для определения действительного значения емкости образца провода необходимо проводить измерение в строго определенных условиях, параметры которых целесообразно внести в новую редакцию ГОСТа, регламентирующего методику измерения емкости проводов при проведении испытаний кабельных изделий.
Во второй главе описана конструкция электроемкостного измерительного преобразователя (ЭЕИП), используемого для измерения емкости одножильного электрического провода в процессе его производства. На основе компьютерного моделирования взаимодействия электрического поля электроемкостного измерительного преобразователя с электрическим проводом в среде COMSOL Multiphysics определены оптимальные конструктивные параметры измерительного преобразователя, позволяющие обеспечить минимальную зависимость результата измерения емкости провода от его геометрических размеров, электрических свойств изоляции и изменения электропроводности воды. Оптимальный вариант конструкции преобразователя обеспечивает однородное электрическое поле внутри измерительного электрода. Подбор оптимальных конструктивных параметров измерительного преобразователя обеспечивает высокую однородность поля в продольном направлении в зоне измерения, что позволяет уменьшить методическую погрешность измерения емкости провода, обусловленную искажением поля на концах измерительного электрода.
В третьей главе разработан алгоритм преобразования выходного сигнала используемого электроемкостного измерительного преобразователя в значение погонной емкости контролируемого провода, обеспечивающего минимизацию влияния основных мешающих факторов. Выявлено, что без учета влияния изменения электропроводности воды погрешность измерения емкости провода в данном диапазоне изменения влияющих факторов может достигать 20 %.
В работе предложены две методики отстройки от влияния изменения электропроводности на результат измерения емкости на основе измерения фазы тока измерительного электрода и на основе измерения тока генератора. Также показана эффективность использования предложенных отстроек.
Четвертая глава посвящена описанию разработки и реализации измерителя емкости CAP-10, который предназначен для измерения значений погонной емкости одножильного провода и для записи массива данных значений погонной емкости за заданный интервал времени.
Представленный измеритель емкости CAP-10 может реализовывать два вида отстройки от влияния изменения электропроводности воды: на основе определения фазы тока измерительного электрода ЭЕИП и на основе определения тока генератора. Приведены основные технические характеристики измерителя.
В настоящее время измеритель емкости готовится к серийному производству. Для этого изготовлен прототип прибора CAP-10.1, в котором блок вычислительной обработки сигналов измерительной информации реализуется на микроконтроллере. Для визуализации измерительной информации используется пульт отображения информации и допускового контроля БИ-1.
Показана принципиальная возможность измерители емкости CAP-10 выявлять локальные дефекты изоляции провода типа прокол, трещина и т.п., что позволит дополнить возможности дефектоскопии с помощью электроискрового метода контроля.
Пятая глава посвящена метрологическому обеспечению разрабатываемого измерителя емкости CAP-10.
Для проведения первичной настройки, «рабочей» настройки и калибровки измерителя емкости CAP-10 используются контрольные образцы проводов, изготовленные метрологической службой на кабельном предприятии самостоятельно.
Первичная настройка измерителя емкости CAP-10 проводится на этапе его изготовления. Процедура первичной настройки подразумевает определение коэффициентов функции преобразования выходного сигнала ЭЕИП в результат измерения емкости контролируемого провода с использованием отстройки от мешающих факторов.
Задача «рабочей» настройки состоит в определении значения емкости АС, пФ/м, на которое необходимо скорректировать показания измерителя емкости для исключения аддитивной и мультипликативной составляющих систематической погрешности. «Рабочая» настройка в измерителе емкости CAP-10 осуществляется в автоматизированном режиме.
Также предложена методика проведения калибровки измерителя емкости CAP-10 и его модификации CAP-10.1.
✅ Заключение
2. Предложены и реализованы методы отстройки от влияния изменения электропроводности воды на основе определения фазы тока измерительного электрода и на основе определения тока генератора, а также алгоритмы их реализации, позволяющие уменьшить погрешность измерения погонной емкости провода до 2,5 % и 2,0 %, соответственно, в диапазоне изменения емкости от 50 до 500 пФ/м в условиях изменения солености воды от 0 до 4 г/л.
3. Предложены методика проведения первичной настройки измерителя емкости, позволяющая обеспечить требуемую функцию преобразования сигналов измерительной информации, методика «рабочей» настройки, позволяющая скорректировать результат измерения путем исключения систематической погрешности измерения, а также методика калибровки.
4. Разработаны измерители емкости провода CAP-10 и CAP-10.1, реализующие предложенные конструкции ЭЕИП и алгоритмы преобразования сигналов измерительной информации. Погрешность измерения разработанных приборов не превышает 2,5 % в диапазоне изменения емкости провода от 50 до 500 пФ/м в условиях изменения солености воды от 0 до 4 г/л. Проведены лабораторные и заводские испытания приборов, подтверждающие эффективность предложенных отстроек от влияющих факторов, первичной и «рабочей» настроек.
5. Показана принципиальная возможность измерителя емкости CAP-10 выявлять локальные дефекты изоляции провода типа прокол, трещина и т.п., что позволит дополнить возможности электроискрового метода контроля кабельных изделий.



