- 同軸電纜芯線(xiàn)電容測(cè)量方法研究
- 利用同軸電纜芯線(xiàn)電容測(cè)量裝置
- 解決離線(xiàn)抽樣測(cè)量芯線(xiàn)電容的問(wèn)題
前言
同軸電纜和高速數(shù)字通訊電纜的芯線(xiàn)電容,是影響電纜傳輸性能的重要參數(shù),將同軸電纜單位長(zhǎng)度電容控制在允許范圍之內(nèi),可以保證電纜傳輸阻抗的均勻。測(cè)量成品同軸電纜電容,只需用電容測(cè)試儀的兩個(gè)測(cè)試夾,分別連接到電纜的內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體即可。而對(duì)于沒(méi)有加上外導(dǎo)體的電纜絕緣芯線(xiàn),只有一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體電極,無(wú)法用電容測(cè)試儀直接測(cè)量。為此,我們對(duì)如何測(cè)量同軸電纜芯線(xiàn)電容的方法進(jìn)行了研究。
1 同軸電纜電容
1.1 電容計(jì)算公式
式中:C為電纜單位長(zhǎng)度電容(pF/m);ε為絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);D為電纜的外導(dǎo)體內(nèi)徑即絕緣層外徑(mm);d為電纜的內(nèi)導(dǎo)體外徑(mm)。
由上式可知,電容的大小和內(nèi)導(dǎo)體外徑、絕緣材料(不同材料ε不同)、外導(dǎo)體內(nèi)徑(絕緣層外徑)、發(fā)泡度(影響ε)相關(guān)。只要D、d、ε控制在一定范圍內(nèi),當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體直徑d和絕緣層外徑D確定后,介電常數(shù)ε就決定了電纜的電容。
1.2 發(fā)泡度對(duì)電容的影響
發(fā)泡度就是發(fā)泡體中含多少百分比的氣體,可按下式計(jì)算:
式中:P為發(fā)泡度(%);do-為基材原有的密度;d為發(fā)泡體的密度。
對(duì)于發(fā)泡電纜,ε與發(fā)泡度有直接聯(lián)系,PE材料發(fā)泡度與電容的關(guān)系參見(jiàn)表1。 由表1可以看出,發(fā)泡度大時(shí)ε?。话l(fā)泡度小時(shí)ε大。在內(nèi)導(dǎo)體外徑及絕緣外徑確定的情況下,只要控制發(fā)泡度的大小,就能控制電容值。反過(guò)來(lái),測(cè)量電容有助于電纜芯線(xiàn)在擠出過(guò)程中及時(shí)調(diào)整發(fā)泡度。
2 電容的測(cè)量
1.1小節(jié)中的電容計(jì)算公式可用于設(shè)計(jì)同軸電纜,在實(shí)際生產(chǎn)中內(nèi)導(dǎo)體直徑、絕緣外徑的變化,會(huì)引起電容值的變化。只有通過(guò)測(cè)量,才能知道實(shí)際電容值。電容通常有兩個(gè)電極,電極之間夾以絕緣層,而同軸電纜芯線(xiàn)只有一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體電極,外面是絕緣層,要測(cè)量芯線(xiàn)的電容,須在絕緣層外面再設(shè)置一個(gè)電極,這樣就組成了一個(gè)圓柱體電容。
2.1 測(cè)量途徑分析
2.1.1 金屬箔作為外電極
在絕緣層外面繞包一層銅箔或鋁箔等金屬箔,測(cè)量?jī)?nèi)導(dǎo)體和金屬箔之間的電容。由于金屬箔繞包的松緊、疊縫空隙等因素,會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大影響。
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2.1.2 水銀作為電極
在一個(gè)管狀容器中放入導(dǎo)電的水銀,將電纜芯線(xiàn)浸入水銀中,測(cè)量?jī)?nèi)導(dǎo)體和水銀電極之間的電容值。由于水銀密度較大,芯線(xiàn)浸入其中,對(duì)絕緣層有一定的壓力,容易使塑料等軟性材料變形,改變?cè)械膸缀纬叽?,而且該方法在測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生水銀蒸發(fā),污染環(huán)境,不利于身體健康。
2.1.3 用普通清水作為電極
將清水注入管狀容器,電纜芯線(xiàn)浸入水中,測(cè)量?jī)?nèi)導(dǎo)體和水電極之間的電容值。該方法成本低,安全無(wú)污染。
2.2 芯線(xiàn)電容測(cè)量裝置
2.2.1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)
按2.1.2及2.1.3小節(jié)提出的測(cè)量方法,均需要制作一個(gè)專(zhuān)門(mén)的電容測(cè)量裝置。根據(jù)待測(cè)電纜直徑、長(zhǎng)度,考慮測(cè)量誤差等因素,設(shè)計(jì)制作了一個(gè)測(cè)量裝置(結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1)。 2.2.2 測(cè)量裝置韻設(shè)計(jì)要求
底盤(pán)有足夠的面積和質(zhì)量,以保持裝置的穩(wěn)定,立柱長(zhǎng)時(shí)相應(yīng)增加底盤(pán)面積;立柱長(zhǎng)度根據(jù)樣品長(zhǎng)度設(shè)計(jì);絲桿長(zhǎng)度主要考慮樣品浸入水中對(duì)準(zhǔn)刻線(xiàn)時(shí)的調(diào)節(jié)范圍,至少有30mm的可調(diào)范圍;樣品固定板隨升降螺母轉(zhuǎn)動(dòng)而上下移動(dòng),靜止時(shí),其上下活動(dòng)問(wèn)隙盡可能??;為了減小環(huán)境中電磁場(chǎng)的干擾,要采取屏蔽措施。
2.2.3 測(cè)量原理
將被測(cè)樣品下端用絕緣物質(zhì)封住端口,放入盛有自來(lái)水的容器,利用樣品固定板將樣品固定。由于水是導(dǎo)電液體,流動(dòng)性好,能夠均勻地包裹在絕緣層外面,在水中插入一根導(dǎo)線(xiàn)(裸銅線(xiàn)),相當(dāng)于在絕緣層外增加一個(gè)電極。將電容測(cè)試儀的測(cè)量夾,分別連接到內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體,即可測(cè)量外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體之間的電容值。
2.2.4 電容測(cè)試儀的選擇
根據(jù)被測(cè)樣品對(duì)電容測(cè)量結(jié)果示值誤差的要求,選擇電容測(cè)試儀的準(zhǔn)確度等級(jí)。滿(mǎn)足電容測(cè)試儀誤差小于等于1/3樣品測(cè)量結(jié)果的允許誤差,例如,芯線(xiàn)電容測(cè)量結(jié)果允許誤差±0.6pF,則電容測(cè)試儀的示值誤差要小于等于±0.2pF。也可以選用LCR數(shù)字電橋測(cè)量電容。
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2.2.5 長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器選擇
根據(jù)樣品長(zhǎng)度測(cè)量需要,選擇1m或2m,分辨率1mm的鋼直尺。為了測(cè)量方便,把鋼直尺固定在一端裝有擋板的木板上,擋板的垂直端面正好對(duì)準(zhǔn)鋼直尺起點(diǎn)端。測(cè)量時(shí)只要把電纜一端頂住擋板就可量取規(guī)定的長(zhǎng)度,并標(biāo)注刻線(xiàn)。
2.2.6 溫度測(cè)量?jī)x器的選擇
可選擇玻璃溫度計(jì)或數(shù)字式溫度表,測(cè)量范圍0~50℃,分辨率0.5℃。溫度計(jì)插入容器中不影響樣品插入的位置。
2.3 芯線(xiàn)電容測(cè)量步驟
2.3.1 樣品長(zhǎng)度的選擇
為了減小測(cè)量誤差,樣品要有足夠長(zhǎng)度,使長(zhǎng)度測(cè)量誤差所引起的電容測(cè)量結(jié)果誤差可以忽略。經(jīng)過(guò)誤差分析,樣品長(zhǎng)度可選500至1500mm,太長(zhǎng)不便于操作。測(cè)量前,先在樣品上量取一定長(zhǎng)度(例如從底端開(kāi)始量取500mm)用記號(hào)筆畫(huà)上刻線(xiàn)。
2.3.2 樣品底端的絕緣處理
因樣品底端浸入水中,需要做絕緣處理。為了減小邊緣效應(yīng)的影響,絕緣封頭的厚度大于兩倍的樣品絕緣層厚度,絕緣材料可選擇:a.凡士林:封頭容易,有足夠的絕緣電阻,用500V兆歐表測(cè)量絕緣電阻大于500MΩ??梢约醋黾从?,但容易變形損壞絕緣封頭,只適用于即時(shí)測(cè)量。b.玻璃膠:封頭容易,有足夠的絕緣電阻,用500V兆歐表測(cè)量絕緣電阻大于500MΩ。膠體固化前也可以用于測(cè)量,但容易變形損壞絕緣封頭。膠體固化后不易變形,適宜制作校準(zhǔn)棒的封頭,可多次使用。
2.3.3 樣品位置調(diào)整
將樣品小心放入容器內(nèi),并固定在固定板中。容器內(nèi)注入清水,注入量以樣品插入后水面不超過(guò)規(guī)定的位置為宜。調(diào)節(jié)升降螺母,使被測(cè)電纜的垂直位置緩慢下降,直到水面對(duì)準(zhǔn)樣品上預(yù)先標(biāo)注的長(zhǎng)度刻線(xiàn)。
2.3.4 電容測(cè)試儀連接
將電容測(cè)試儀的兩個(gè)測(cè)試夾分別連接到樣品的內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體,即可測(cè)量電容(內(nèi)導(dǎo)體與水電極之間的電容值)。
2.3. 5 電容測(cè)試儀的使用要求
(1)電容測(cè)試儀機(jī)殼要連同屏蔽設(shè)施接地;
(2)由于測(cè)量電容的值較小,使用前必須對(duì)電容測(cè)試儀做零點(diǎn)校準(zhǔn),以減小零位誤差的影響。校準(zhǔn)零位前,要使兩個(gè)測(cè)量夾之間的距離與實(shí)際測(cè)量時(shí)的距離基本相同;
(3) 設(shè)置儀器參數(shù):工作頻率:10kHz;速度:慢速;測(cè)試信號(hào)電平:0.3V或1V(在顯示值穩(wěn)定的情況下,選低電平測(cè)試)。
2.3.6 單位長(zhǎng)度電容的計(jì)算
式中:C為樣品的單位長(zhǎng)度電容(pF/m):C1為電容測(cè)試儀測(cè)量的樣品實(shí)際長(zhǎng)度電容值(pF);L為樣品浸入水中的長(zhǎng)度(m)
設(shè)樣品浸入水中的長(zhǎng)度為500mm,電容測(cè)試儀顯示值為25.02pF,就可以測(cè)得單位長(zhǎng)度電容為:
2.3.7 測(cè)量數(shù)據(jù)記錄
測(cè)量電容數(shù)據(jù)要形成記錄,以便于連續(xù)監(jiān)控電容值的變化。記錄內(nèi)容應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容:
(1)被測(cè)電纜的相關(guān)信息,如型號(hào)規(guī)格、工藝控制要求等;
(2)測(cè)量時(shí)間、樣品長(zhǎng)度、測(cè)量數(shù)據(jù)、測(cè)量人員;
(3)測(cè)量?jī)x器的相關(guān)信息,如型號(hào)、準(zhǔn)確度等級(jí)、制造廠(chǎng)、編號(hào),檢定/校準(zhǔn)日期等;
(4)測(cè)量時(shí)的環(huán)境條件,如溫度、濕度,以及測(cè)量容器中的水溫;
2.3.8 數(shù)據(jù)圖表
利用同軸電纜芯線(xiàn)電容測(cè)量裝置,測(cè)量型號(hào)為50-5芯線(xiàn),各時(shí)段樣品的測(cè)量結(jié)果及變化曲線(xiàn)見(jiàn)表2。只要在數(shù)據(jù)表(電子版)中輸入數(shù)據(jù),就會(huì)自動(dòng)繪制曲線(xiàn)。該圖表可以監(jiān)視芯線(xiàn)電容的變化情況。
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2.3.9 溫度對(duì)電容的影響。
不同絕緣材料的電纜芯線(xiàn),其電容隨溫度變化而改變。例如如表3所示。 測(cè)量電容時(shí)要考慮溫度帶來(lái)的誤差。實(shí)際情況下同軸電纜芯線(xiàn)的發(fā)泡度不同,溫度影響程度也不同。為了減小溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,要測(cè)量容器中的水溫,根據(jù)實(shí)測(cè)溫度,將測(cè)量結(jié)果修正到20℃時(shí)的電容值。
2.4 電容測(cè)量結(jié)果的誤差來(lái)源分析
(1)用于測(cè)量芯線(xiàn)電容值的電容測(cè)試儀(LCR數(shù)字電橋TH2819A)的基本允許誤差:±0.05%;
(2)量取芯線(xiàn)長(zhǎng)度時(shí)的測(cè)量誤差。以75Ω電纜為例,一般為50pF/m,長(zhǎng)度測(cè)量誤差約為±0.5mm,電容誤差為±0.025pF,相對(duì)誤差為±0.05%;
(3)芯線(xiàn)浸入水中時(shí)刻線(xiàn)與水面相切,調(diào)節(jié)位置時(shí)視覺(jué)誤差帶來(lái)的測(cè)量誤差,約為±0.5 mm,電容誤差為±0.025 pF,相對(duì)誤差為±0.05%;
(4)外部電磁干擾對(duì)顯示值波動(dòng)、讀數(shù)估計(jì)帶來(lái)的測(cè)量誤差。由實(shí)際測(cè)量時(shí)估計(jì),約±0.005pF,相對(duì)誤差為±0.01%:
(5)測(cè)量過(guò)程中的溫度變化引起的誤差,若溫度變化±3℃,約±0.05 pF,相對(duì)誤差為±0.1%;
(6)由測(cè)量重復(fù)性引起的測(cè)量誤差,從實(shí)際測(cè)量情況看約±0.005 pF,相對(duì)誤差為±0.01%。
3 水電容測(cè)試儀
隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用水作為測(cè)量電極的動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x器一水電容測(cè)試儀已開(kāi)始在高端產(chǎn)品中應(yīng)用。該儀器能在線(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量電纜(未加屏蔽層的芯線(xiàn))的單位長(zhǎng)度電容量,并可預(yù)置電容控制值輸出反饋信號(hào),通過(guò)控制擠出速度或牽引速度自動(dòng)控制電纜的單位長(zhǎng)度電容量。
3.1 測(cè)量原理
水電容測(cè)試儀由測(cè)量管、測(cè)量信號(hào)發(fā)生器、顯示器等組成(見(jiàn)圖2)。測(cè)量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波交流電壓同時(shí)加到浸沒(méi)于水中的測(cè)量管中的測(cè)量電極和保護(hù)電極,測(cè)量電極上的電流通過(guò)被測(cè)電纜的電容流回電源地線(xiàn),在信號(hào)源電壓和頻率固定時(shí),流過(guò)電容的電流與電容量大小成正比。 即:
I=uωC (5)
式中:u為電容兩端的電壓;ω為電流的角頻率;C為電容量。
根據(jù)公式可以看出,只要測(cè)得電流的大小即可測(cè)量出電容的大小。通過(guò)測(cè)量信號(hào)發(fā)生器的轉(zhuǎn)換將測(cè)量信號(hào)送顯示器顯示。
3.2 水電容測(cè)試儀的校準(zhǔn)
3.2.1 校準(zhǔn)原理
根據(jù)水電容測(cè)試儀的測(cè)量原理,選擇一根已知電容值的校準(zhǔn)棒,放入測(cè)量管中模擬電纜,測(cè)量校準(zhǔn)棒的電容值,以此確定儀器的測(cè)量誤差。
3.2.2 校準(zhǔn)棒的選擇
(1)玻璃校準(zhǔn)棒??梢韵蛑圃鞆S(chǎng)商購(gòu)得,出廠(chǎng)時(shí)提供參考值,例如:115.6±0.5pF/m。用戶(hù)可利用校準(zhǔn)棒對(duì)水電容測(cè)試儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)棒絕緣層為玻璃,穩(wěn)定性好,但價(jià)格較高,容易受沖擊力如碰撞、跌落而損壞,特別是長(zhǎng)度較長(zhǎng)的校準(zhǔn)棒更要小心使用。我省暫時(shí)無(wú)法開(kāi)展玻璃校準(zhǔn)棒的量值溯源。
(2)過(guò)程產(chǎn)品,如同軸電纜芯線(xiàn)(只有內(nèi)導(dǎo)體和絕緣層的絕緣導(dǎo)線(xiàn))。測(cè)量何種規(guī)格的電纜,可選該規(guī)格電纜。校準(zhǔn)前,需要先在專(zhuān)用測(cè)量裝置上測(cè)得該電纜的電容值,才能利用該校準(zhǔn)棒對(duì)水電容測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)棒絕緣層是塑料,如聚乙烯,取材容易,成本低,但容易產(chǎn)生如劃傷、壓傷等機(jī)械損傷,定值后長(zhǎng)期穩(wěn)定性差,需要使用前定值,只能短時(shí)間內(nèi)使用。
3.2.3 校準(zhǔn)棒的電容測(cè)量(定值)
利用芯線(xiàn)電容測(cè)量裝置,就可以測(cè)量校準(zhǔn)棒的電容。無(wú)論是玻璃校準(zhǔn)棒,還是電纜芯線(xiàn)校準(zhǔn)棒,只要按2.3小節(jié)芯線(xiàn)電容測(cè)量步驟操作,就可以測(cè)得電容值,即對(duì)校準(zhǔn)棒定值,并利用其對(duì)水電容測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。只要在選擇電容測(cè)試儀時(shí),考慮測(cè)量誤差符合校準(zhǔn)棒的允許誤差要求即可。
4 結(jié)語(yǔ)
利用同軸電纜芯線(xiàn)電容測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn),表明其測(cè)量方法是可行的,測(cè)量裝置是穩(wěn)定實(shí)用的。對(duì)于暫時(shí)無(wú)條件配備水電容測(cè)試儀的企業(yè),可以利用該裝置和測(cè)量方法,解決離線(xiàn)抽樣測(cè)量芯線(xiàn)電容的問(wèn)題,為控制工藝參數(shù)提供測(cè)量數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)水電容測(cè)試儀用于電纜的生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)連續(xù)測(cè)量,快速方便,但投入較大。電容測(cè)量,使芯線(xiàn)在編織工藝前,就能獲得電容值,可將事后(編織工藝以后)測(cè)量變?yōu)槭虑翱刂?。同時(shí),為校準(zhǔn)水電容測(cè)試儀用的校準(zhǔn)棒提供了測(cè)量裝置,使水電容測(cè)試儀的量值溯源成為可能。