一種電纜絕緣單線絕緣層缺陷的檢測裝置和方法
2023-05-27 07:03:06
一種電纜絕緣單線絕緣層缺陷的檢測裝置和方法
【專利摘要】本發明涉及一種電纜絕緣單線絕緣層缺陷的檢測裝置和方法。該檢測裝置包括：外絕緣套筒，在該外絕緣套筒中嵌設有屏蔽電極；與外絕緣套筒配合的內絕緣套筒，該內絕緣套筒設置有供電纜絕緣線縱向穿過的孔，並且在該內絕緣套筒中嵌設有測量電極；用於產生信號源的信號發生器，測量電極與該信號發生器相連；標準電容器，該標準電容器與信號發生器相連並且與測量電極形成測量橋路；數據採集器，該數據採集器用於採集從測量橋路所提取的電容變化量；以及工控機，該工控機用於對從數據採集器輸入的數據進行處理。整個檢測裝置檢測迅速、原理簡單，可以廣泛地應用於電纜線束質量監控或有類似需求的絕緣層破損和水電容測量中。
【專利說明】一種電纜絕緣單線絕緣層缺陷的檢測裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電纜絕緣檢測技術，特別是涉及一種電纜絕緣單線絕緣層缺陷的 檢測裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 在通信電纜的生產過程中，絕緣單線的絕緣層缺陷嚴重地影響通信電纜的質量， 而絕緣單線絕緣層的水電容值是反應絕緣層缺陷的一個重要指標，因此成為監測電纜絕緣 層缺陷的重要依據。絕緣單線水電容參數的準確性和分布均勻性直接決定單股芯線的阻抗 波動和回波特性，反映生產過程和環境參數的變化，影響後續成纜過程中電纜的實際通信 質量，因此成為電纜生產中重要的被測參數。
[0003] 1963 年美國貝爾實驗室（Bell Telephone Laboratories)的 Alfred S. Windeler 對多股線中的絕緣線絕緣層水電容波動值進行了研究，實現低容值波動的音頻數據線生產 控制；1966年，美國貝爾實驗室的William F. MacPherson對絕緣雙線絕緣層水電容在多 股電纜缺陷檢驗中的應用進行了闡述。1969年，美國的Richard W. Hodgson設計了一種高 效充電式電纜電容器測試結構。1973年，美國的Charles E. Jones研究了一種電話線中絕 緣單線用水電容測量系統，首次闡明利用4個電極檢測絕緣單線電容的變化，實現對絕緣 單線絕緣層厚度和同心度的控制。1974年，美國的Robert C. Abbe闡明了一種導線絕緣層 電容測量裝置，採用參考電容進行自平衡電容測量對比，提高了電纜電容測量精度。1988 年，美國的Allan I. Bennett研究了一種絕緣層偏心測量裝置，利用多組正交的測試極板通 過相位檢測的方式對絕緣單線偏心率進行檢驗，其核心還是進行電容測量。1999年，德國 Sikora Harald(Sikora公司創始人）公開了一種絕緣單線絕緣層電容測量裝置，詳細闡明 了電容傳感管的技術細節。
[0004] 在國內，1979年王育清首次提出了一種CJ-78型數字式電纜水電容監測儀，對擠 塑生產中的絕緣單線電容的絕對值和偏差值進行連續測量，核心電路是一個機械探頭和一 個變壓器比例臂交流電橋。2001年，侯馬普天通信電纜有限公司的淮平在"光纜電纜學術年 會"上分析了電纜工作電容的影響因素。2003年，天水鐵路電纜工廠的鄭清忠對通信電纜絕 緣單線加工工藝的計算進行了詳細說明。2004年，哈爾濱理工的李敏、趙洪、姜華利用電纜 絕緣層電容的FFT變換在線預測電纜結構回波損耗，首次在國內對電纜水電容的應用進行 了探討。2007年，寧波的徐興華介紹了通信電纜水電容的在線檢測技術，提到當時國內暫無 自產的在線水電容測量設備這一現狀。2008年，深圳亞迪威科技的陳延年等第一個開始對 水電容測試儀進行產業化研究並有樣機生產。2009年11月，在"高品質射頻電纜技術研討 會"上，浙江萬馬集團的王永忠等人總結了對同軸電纜芯線生產線改造過程中各種工藝參 數完善的過程，提出了在纜芯的各種測試參數中，水電容是最具代表性的綜合性控制指標。 2011年10月，臨安市質量監督中心的樓裡敏等人對同軸電纜芯線的電容測量進行了研究， 闡述了詳細的測量過程。2012年6月，浙江省臨安市質檢中心對"水電容測試儀校準方法與 校準裝置研究"進行了驗收，提到了該項目填補了在水電容測試儀檢測領域沒有國家檢定 規程的空白；同時，課題組中的樓裡敏等人以論文的形式闡明了水電容測試儀的校準過程， 所用測量儀器為英國貝塔的KG2008測試儀。
[0005] 然而，在以上的絕緣單線生產過程中，不能實現既對絕緣單線的水電容值波動進 行監測，又能實時檢測絕緣層的均勻性和破損情況。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是克服上述現有技術的某種或某些缺點，提供一種通過水電容測量 原理設計的新型絕緣單線絕緣層缺陷檢測裝置和方法，以針對絕緣單線生產過程中，既需 要對絕緣單線的水電容值波動進行監測，又需要實時檢測絕緣層的均勻性和破損情況的技 術需求，通過水電容測量原理設計一種新型絕緣單線絕緣層缺陷檢測裝置和方法。
[0007] 為了實現本發明的目的，採用以下技術方案。
[0008] 根據本發明的一方面，提供了一種電纜絕緣線的絕緣層缺陷的檢測裝置，該檢測 裝置包括：外絕緣套筒，在該外絕緣套筒中嵌設有屏蔽電極；與外絕緣套筒配合的內絕緣 套筒，該內絕緣套筒設置有供電纜絕緣線縱向穿過的孔，並且在該內絕緣套筒中嵌設有測 量電極；用於產生信號源的信號發生器，測量電極與該信號發生器相連；標準電容器，該標 準電容器與信號發生器相連並且與測量電極形成測量橋路；數據採集器，該數據採集器用 於採集從測量橋路所提取的電容變化量；以及工控機，該工控機用於對從數據採集器輸入 的數據進行處理。
[0009] 進一步地，屏蔽電極和測量電極均為環狀電極。
[0010] 進一步地，測量電極至少為三個，這三個測量電極中的兩個測量電極構成測量橋 路，另一個測量電極與標準電容器形成另一測量橋路。
[0011] 進一步地，測量電極和標準參考電容均通過標準電阻連接到信號發生器。
[0012] 進一步地，屏蔽電極和測量電極經引線引出到測量裝置外。
[0013] 進一步地，還設置有差動運算放大器，該差動運算放大器用於將從測量橋路所提 取的電容變化量輸入到數據採集器之前進行放大。
[0014] 根據本發明的另一方面，提供了一種用於檢測電纜絕緣線的絕緣層缺陷的方法， 包括：將檢測裝置置入水中，該檢測裝置包括外絕緣套筒和與該外絕緣套筒配合的內絕緣 套筒；使絕緣線穿過縱向貫穿形成於內絕緣套筒中的孔，並且在牽引裝置的作用下通過該 孔，其中絕緣線包括絕緣護套和導體；向檢測裝置的屏蔽電極施加屏蔽電壓，其中屏蔽電極 嵌設在外絕緣套筒中；向嵌設在內絕緣套筒中的測量電極施加交變電壓信號，其中測量電 極、水、絕緣線護套和導體形成電容結構；向標準電容器施加交變電壓信號；利用交流測量 橋路提取所施加的電壓信號，以獲取電容不平衡信息，該測量橋路由測量電極與標準電容 器構成；提取測量橋路的電容變化量，並且將所提取的電容變化量送至數據採集器；將數 據採集器的電容變化量的測量信號送入工控機進行數據處理，獲得偏差信號；以及當偏差 值大於設定的閾值時，則報警輸出。
[0015] 進一步地，測量電極的電壓變化作用在電容結構上。
[0016] 進一步地，測量電極為多個，這多個測量電極的電壓變化為同步變化。
[0017] 進一步地，測量電極至少為三個，這三個測量電極中的兩個測量電極構成測量橋 路，另一個測量電極與標準電容器形成另一測量橋路。
[0018] 進一步地，這些測量橋路所測量的電容變化量通過差動運算放大器放大後進行提 取。
[0019] 本發明的有益效果在於：本發明通過雙層電極結構和內層多電極結構，構成一個 絕緣單線水電容測量裝置，通過雙交流橋路可以實現實時檢測絕緣單線絕緣層信息變化的 目的，並能給出與標準電容值的偏差值，具有電路結構清晰、功能模式多樣等特點，同時本 發明可以擴展到多股電纜絕緣層缺損檢測中，具有較強的技術可移植性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1為檢測絕緣單線絕緣層缺陷的檢測裝置的剖視立體圖；
[0021] 圖2(a)為通過圖1的一個測量電極的橫剖視圖，圖2(b)為圖2(a)中所形成的柱 型電容器的串聯結構圖；
[0022] 圖3(a)為測量電極絕緣單線絕緣層缺損的示意圖，圖3(b)為圖3(a)中所形成的 電容器的結構圖；
[0023] 圖4(a)至圖4(d)為由絕緣層缺損（Θ，d)而引起的電容變化率的曲線圖；
[0024] 圖5為絕緣單線絕緣層缺損的測量和處理電路原理圖；以及
[0025] 圖6為交流測量橋路的等效圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖詳細描述本發明的檢測絕緣單線絕緣層缺陷的檢測裝置和方法。本 領域技術人員應當理解，下面描述的實施例僅是對本發明的示例性說明，而非用於對其做 出任何限制。在所有附圖中，相同的附圖標記表示相同或相似的部件。
[0027] 根據本發明，如圖1所示，圓柱形電容器結構構成的絕緣層缺陷用水電容測量模 型。
[0028] 水電容測試管由兩層電極構成，外層為屏蔽電極111，保護測量區域不受外界電磁 幹擾；內層為五個環狀電極112-116,其中，兩端的兩個環狀電極112和116起到保護作用， 中間的三個測試電極113-115與通過中心的絕緣單線200形成圓柱狀電容器結構，此三個 測試電極113-115在兩個保護電極112和116的作用下，極板的邊界效應受到抑制，具體結 構如圖1所示。此時，可以把三個測試電極113-115與電纜絕緣單線200形成的圓柱狀電 容器當作理想的圓柱型電容器。水電容測試管中的所有電極均採用絕緣材料密封，彼此絕 緣；電極通過絕緣導線外引出電容測試管，供測量處理使用。
[0029] 將生產過程中的絕緣單線快速通入冷水槽中，通過快速提取瞬時變化的單線電容 值獲得當前絕緣單線絕緣層的電容變化信息，經數據處理後與絕緣單線閾值電容值進行比 較，實現絕緣層缺陷狀態的判斷並給出絕緣單線瞬時的水電容值。具體如下所述。
[0030] 在進行絕緣單線絕緣層缺陷檢測時，首先將絕緣單線200浸入測試水池中，水池 中的水300為常規自來水，具有導電性。此時水將包圍絕緣單線的外表面，形成一個測試電 極。浸入水中的絕緣單線200通過牽引機構快速地通過水電容測試管。
[0031] 取圖1中的一個測量電極，看其剖面圖，如圖2 (a)所示。在圖2 (a)中，由測量電極 112 (或113-116)與絕緣材料101、水300、電纜絕緣單線絕緣層201、電纜導體202構成兩 個嵌套的圓柱型電容器，這種結構可以看作兩個電容器串聯，等效電路如圖2(b)所示。根 據圓柱型電容器的電容公式及電容串聯公式，測量電極與電纜導體間的電容值為：
[0032]
【權利要求】
1. 一種電纜絕緣線的絕緣層缺陷的檢測裝置，包括： 外絕緣套筒，在該外絕緣套筒中嵌設有屏蔽電極； 與外絕緣套筒配合的內絕緣套筒，該內絕緣套筒設置有供電纜絕緣線縱向穿過的孔， 並且在該內絕緣套筒中嵌設有測量電極； 用於產生信號源的信號發生器，測量電極與該信號發生器相連； 標準電容器，該標準電容器與信號發生器相連並且與測量電極形成測量橋路； 數據採集器，該數據採集器用於採集從測量橋路所提取的電容變化量；以及 工控機，該工控機用於對從數據採集器輸入的數據進行處理。
2. 如權利要求1所述的電纜絕緣線的絕緣層缺陷的檢測裝置，其中，屏蔽電極和測量 電極均為環狀電極。
3. 如權利要求1或2所述的電纜絕緣線的絕緣層缺陷的檢測裝置，其中，測量電極至少 為三個，這三個測量電極中的兩個測量電極構成測量橋路，另一個測量電極與標準電容器 形成另一測量橋路。
4. 如權利要求3所述的電纜絕緣線的絕緣層缺陷的檢測裝置，其中，測量電極和標準 參考電容均通過標準電阻連接到信號發生器。
5. 如權利要求4所述的電纜絕緣線的絕緣層缺陷的檢測裝置，其中，屏蔽電極和測量 電極經引線引出到測量裝置外。
6. 如權利要求5所述的電纜絕緣線的絕緣層缺陷的檢測裝置，其中，還設置有差動運 算放大器，該差動運算放大器用於將從測量橋路所提取的電容變化量輸入到數據採集器之 前進行放大。
7. -種用於檢測電纜絕緣線的絕緣層缺陷的方法，包括： 將檢測裝置置入水中，該檢測裝置包括外絕緣套筒和與該外絕緣套筒配合的內絕緣套 筒； 使絕緣線穿過縱向貫穿形成於內絕緣套筒中的孔，並且在牽引裝置的作用下通過該 孔，其中絕緣線包括絕緣護套和導體； 向檢測裝置的屏蔽電極施加屏蔽電壓，其中屏蔽電極嵌設在外絕緣套筒中； 向嵌設在內絕緣套筒中的測量電極施加交變電壓信號，其中測量電極、水、絕緣線護套 和導體形成電容結構； 向標準電容器施加交變電壓信號； 利用交流測量橋路提取所施加的電壓信號，以獲取電容不平衡信息，該測量橋路由測 量電極與標準電容器構成； 提取測量橋路的電容變化量，並且將所提取的電容變化量送至數據採集器； 將數據採集器的電容變化量的測量信號送入工控機進行數據處理，獲得偏差信號；以 及 當偏差值大於設定的閾值時，則報警輸出。
8. 如權利要求7所述的用於檢測電纜絕緣線的絕緣層缺陷的方法，其中，測量電極為 多個，這多個測量電極的電壓變化為同步變化。
9. 如權利要求8所述的用於檢測電纜絕緣線的絕緣層缺陷的方法，其中，測量電極至 少為三個，這三個測量電極中的兩個測量電極構成測量橋路，另一個測量電極與標準電容 器形成另一測量橋路。
10.如權利要求9所述的用於檢測電纜絕緣線的絕緣層缺陷的方法，其中，這些測量橋 路所測量的電容變化量通過差動運算放大器放大後進行提取。
【文檔編號】G01N27/24GK104391016SQ201410664796
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】楊海馬, 王光斌, 畢繼耀, 黃凱, 馬賢淑, 宋佳, 陳鑫元, 劉瑾, 顏超超 申請人:上海理工大學