- 同軸電纜芯線電容測量方法研究
- 利用同軸電纜芯線電容測量裝置
- 解決離線抽樣測量芯線電容的問題
前言
同軸電纜和高速數(shù)字通訊電纜的芯線電容，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。測量成品同軸電纜電容，只需用電容測試儀的兩個測試夾，分別連接到電纜的內(nèi)外兩個導(dǎo)體即可。而對于沒有加上外導(dǎo)體的電纜絕緣芯線，只有一個內(nèi)導(dǎo)體電極，無法用電容測試儀直接測量。為此，我們對如何測量同軸電纜芯線電容的方法進行了研究。
1 同軸電纜電容
1．1 電容計算公式
式中：C為電纜單位長度電容(pF／m)；ε為絕緣介質(zhì)的相對介電常數(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)系參見表1。
2 電容的測量
1．1小節(jié)中的電容計算公式可用于設(shè)計同軸電纜，在實際生產(chǎn)中內(nèi)導(dǎo)體直徑、絕緣外徑的變化，會引起電容值的變化。只有通過測量，才能知道實際電容值。電容通常有兩個電極，電極之間夾以絕緣層，而同軸電纜芯線只有一個內(nèi)導(dǎo)體電極，外面是絕緣層，要測量芯線的電容，須在絕緣層外面再設(shè)置一個電極，這樣就組成了一個圓柱體電容。
2．1 測量途徑分析
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，測量內(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，會對測量結(jié)果造成較大影響。
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2．1．2 水銀作為電極
在一個管狀容器中放入導(dǎo)電的水銀，將電纜芯線浸入水銀中，測量內(nèi)導(dǎo)體和水銀電極之間的電容值。由于水銀密度較大，芯線浸入其中，對絕緣層有一定的壓力，容易使塑料等軟性材料變形，改變原有的幾何尺寸，而且該方法在測量中會產(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，電纜芯線浸入水中，測量內(nèi)導(dǎo)體和水電極之間的電容值。該方法成本低，安全無污染。
2．2 芯線電容測量裝置
2．2．1 測量裝置結(jié)構(gòu)
按2．1．2及2．1．3小節(jié)提出的測量方法，均需要制作一個專門的電容測量裝置。根據(jù)待測電纜直徑、長度，考慮測量誤差等因素，設(shè)計制作了一個測量裝置(結(jié)構(gòu)示意見圖1)。
底盤有足夠的面積和質(zhì)量，以保持裝置的穩(wěn)定，立柱長時相應(yīng)增加底盤面積；立柱長度根據(jù)樣品長度設(shè)計；絲桿長度主要考慮樣品浸入水中對準(zhǔn)刻線時的調(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)動而上下移動，靜止時，其上下活動問隙盡可能小；為了減小環(huán)境中電磁場的干擾，要采取屏蔽措施。
2．2．3 測量原理
將被測樣品下端用絕緣物質(zhì)封住端口，放入盛有自來水的容器，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(裸銅線)，相當(dāng)于在絕緣層外增加一個電極。將電容測試儀的測量夾，分別連接到內(nèi)外兩個導(dǎo)體，即可測量外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體之間的電容值。
2．2．4 電容測試儀的選擇
根據(jù)被測樣品對電容測量結(jié)果示值誤差的要求，選擇電容測試儀的準(zhǔn)確度等級。滿足電容測試儀誤差小于等于1／3樣品測量結(jié)果的允許誤差，例如，芯線電容測量結(jié)果允許誤差±0．6pF，則電容測試儀的示值誤差要小于等于±0．2pF。也可以選用LCR數(shù)字電橋測量電容。
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2．2．5 長度測量儀器選擇
根據(jù)樣品長度測量需要，選擇1m或2m，分辨率1mm的鋼直尺。為了測量方便，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準(zhǔn)鋼直尺起點端。測量時只要把電纜一端頂住擋板就可量取規(guī)定的長度，并標(biāo)注刻線。
2．2．6 溫度測量儀器的選擇
可選擇玻璃溫度計或數(shù)字式溫度表，測量范圍0～50℃，分辨率0．5℃。溫度計插入容器中不影響樣品插入的位置。
2．3 芯線電容測量步驟
2．3．1 樣品長度的選擇
為了減小測量誤差，樣品要有足夠長度，使長度測量誤差所引起的電容測量結(jié)果誤差可以忽略。經(jīng)過誤差分析，樣品長度可選500至1500mm，太長不便于操作。測量前，先在樣品上量取一定長度(例如從底端開始量取500mm)用記號筆畫上刻線。
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，只適用于即時測量。b．玻璃膠：封頭容易，有足夠的絕緣電阻，用500V兆歐表測量絕緣電阻大于500MΩ。膠體固化前也可以用于測量，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規(guī)定的位置為宜。調(diào)節(jié)升降螺母，使被測電纜的垂直位置緩慢下降，直到水面對準(zhǔn)樣品上預(yù)先標(biāo)注的長度刻線。
2．3．4 電容測試儀連接
將電容測試儀的兩個測試夾分別連接到樣品的內(nèi)外兩個導(dǎo)體，即可測量電容(內(nèi)導(dǎo)體與水電極之間的電容值)。
2．3. 5 電容測試儀的使用要求
(1)電容測試儀機殼要連同屏蔽設(shè)施接地；
(2)由于測量電容的值較小，使用前必須對電容測試儀做零點校準(zhǔn)，以減小零位誤差的影響。校準(zhǔn)零位前，要使兩個測量夾之間的距離與實際測量時的距離基本相同；
(3) 設(shè)置儀器參數(shù)：工作頻率：10kHz；速度：慢速；測試信號電平：0．3V或1V(在顯示值穩(wěn)定的情況下，選低電平測試)。
2．3．6 單位長度電容的計算
式中：C為樣品的單位長度電容(pF／m)：C1為電容測試儀測量的樣品實際長度電容值(pF)；L為樣品浸入水中的長度(m)
設(shè)樣品浸入水中的長度為500mm，電容測試儀顯示值為25．02pF，就可以測得單位長度電容為：
2．3．7 測量數(shù)據(jù)記錄
測量電容數(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)被測電纜的相關(guān)信息，如型號規(guī)格、工藝控制要求等；
(2)測量時間、樣品長度、測量數(shù)據(jù)、測量人員；
(3)測量儀器的相關(guān)信息，如型號、準(zhǔn)確度等級、制造廠、編號，檢定／校準(zhǔn)日期等；
(4)測量時的環(huán)境條件，如溫度、濕度，以及測量容器中的水溫；
2．3．8 數(shù)據(jù)圖表
利用同軸電纜芯線電容測量裝置，測量型號為50-5芯線，各時段樣品的測量結(jié)果及變化曲線見表2。只要在數(shù)據(jù)表(電子版)中輸入數(shù)據(jù)，就會自動繪制曲線。該圖表可以監(jiān)視芯線電容的變化情況。
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2．3．9 溫度對電容的影響。
不同絕緣材料的電纜芯線，其電容隨溫度變化而改變。例如如表3所示。
2．4 電容測量結(jié)果的誤差來源分析
(1)用于測量芯線電容值的電容測試儀(LCR數(shù)字電橋TH2819A)的基本允許誤差：±0．05％；
(2)量取芯線長度時的測量誤差。以75Ω電纜為例，一般為50pF／m，長度測量誤差約為±0．5mm，電容誤差為±0．025pF，相對誤差為±0．05％；
(3)芯線浸入水中時刻線與水面相切，調(diào)節(jié)位置時視覺誤差帶來的測量誤差，約為±0．5 mm，電容誤差為±0．025 pF，相對誤差為±0．05％；
(4)外部電磁干擾對顯示值波動、讀數(shù)估計帶來的測量誤差。由實際測量時估計，約±0．005pF，相對誤差為±0．01％：
(5)測量過程中的溫度變化引起的誤差，若溫度變化±3℃，約±0．05 pF，相對誤差為±0．1％；
(6)由測量重復(fù)性引起的測量誤差，從實際測量情況看約±0．005 pF，相對誤差為±0．01％。
3 水電容測試儀
隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，利用水作為測量電極的動態(tài)測量儀器一水電容測試儀已開始在高端產(chǎn)品中應(yīng)用。該儀器能在線動態(tài)測量電纜(未加屏蔽層的芯線)的單位長度電容量，并可預(yù)置電容控制值輸出反饋信號，通過控制擠出速度或牽引速度自動控制電纜的單位長度電容量。
3．1 測量原理
水電容測試儀由測量管、測量信號發(fā)生器、顯示器等組成(見圖2)。測量信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波交流電壓同時加到浸沒于水中的測量管中的測量電極和保護電極，測量電極上的電流通過被測電纜的電容流回電源地線，在信號源電壓和頻率固定時，流過電容的電流與電容量大小成正比。
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，只要測得電流的大小即可測量出電容的大小。通過測量信號發(fā)生器的轉(zhuǎn)換將測量信號送顯示器顯示。
3．2 水電容測試儀的校準(zhǔn)
3．2．1 校準(zhǔn)原理
根據(jù)水電容測試儀的測量原理，選擇一根已知電容值的校準(zhǔn)棒，放入測量管中模擬電纜，測量校準(zhǔn)棒的電容值，以此確定儀器的測量誤差。
3．2．2 校準(zhǔn)棒的選擇
(1)玻璃校準(zhǔn)棒?？梢韵蛑圃鞆S商購得，出廠時提供參考值，例如：115．6±0．5pF／m。用戶可利用校準(zhǔn)棒對水電容測試儀進行現(xiàn)場校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)棒絕緣層為玻璃，穩(wěn)定性好，但價格較高，容易受沖擊力如碰撞、跌落而損壞，特別是長度較長的校準(zhǔn)棒更要小心使用。我省暫時無法開展玻璃校準(zhǔn)棒的量值溯源。
(2)過程產(chǎn)品，如同軸電纜芯線(只有內(nèi)導(dǎo)體和絕緣層的絕緣導(dǎo)線)。測量何種規(guī)格的電纜，可選該規(guī)格電纜。校準(zhǔn)前，需要先在專用測量裝置上測得該電纜的電容值，才能利用該校準(zhǔn)棒對水電容測試儀進行校準(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、壓傷等機械損傷，定值后長期穩(wěn)定性差，需要使用前定值，只能短時間內(nèi)使用。
3．2．3 校準(zhǔn)棒的電容測量(定值)
利用芯線電容測量裝置，就可以測量校準(zhǔn)棒的電容。無論是玻璃校準(zhǔn)棒，還是電纜芯線校準(zhǔn)棒，只要按2．3小節(jié)芯線電容測量步驟操作，就可以測得電容值，即對校準(zhǔn)棒定值，并利用其對水電容測試儀進行校準(zhǔn)。只要在選擇電容測試儀時，考慮測量誤差符合校準(zhǔn)棒的允許誤差要求即可。
4 結(jié)語
利用同軸電纜芯線電容測量裝置進行測量試驗，表明其測量方法是可行的，測量裝置是穩(wěn)定實用的。對于暫時無條件配備水電容測試儀的企業(yè)，可以利用該裝置和測量方法，解決離線抽樣測量芯線電容的問題，為控制工藝參數(shù)提供測量數(shù)據(jù)。動態(tài)水電容測試儀用于電纜的生產(chǎn)線自動連續(xù)測量，快速方便，但投入較大。電容測量，使芯線在編織工藝前，就能獲得電容值，可將事后(編織工藝以后)測量變?yōu)槭虑翱刂?。同時，為校準(zhǔn)水電容測試儀用的校準(zhǔn)棒提供了測量裝置，使水電容測試儀的量值溯源成為可能。
