- 同軸電纜芯線電容測(cè)量方法研究
- 利用同軸電纜芯線電容測(cè)量裝置
- 解決離線抽樣測(cè)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(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)于沒有加上外導(dǎo)體的電纜絕緣芯線，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)系參見表1。
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，而同軸電纜芯線只有一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體電極，外面是絕緣層，要測(cè)量芯線的電容，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)械膸缀纬叽纾以摲椒ㄔ跍y(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)專門的電容測(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(zhǎng)時(shí)相應(yīng)增加底盤面積；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)問隙盡可能小；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(裸銅線)，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。
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(例如從底端開始量取500mm)用記號(hào)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(cè)量絕緣電阻大于500MΩ。可以即做即用，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。
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、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
利用同軸電纜芯線電容測(cè)量裝置，測(cè)量型號(hào)為50-5芯線，各時(shí)段樣品的測(cè)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(huì)自動(dòng)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(duì)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(cè)量結(jié)果的誤差來(lái)源分析
(1)用于測(cè)量芯線電容值的電容測(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)芯線浸入水中時(shí)刻線與水面相切，調(diào)節(jié)位置時(shí)視覺誤差帶來(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)試儀已開始在高端產(chǎn)品中應(yīng)用。該儀器能在線動(dòng)態(tài)測(cè)量電纜(未加屏蔽層的芯線)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，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。
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。可以向制造廠商購(gòu)得，出廠時(shí)提供參考值，例如：115．6±0．5pF／m。用戶可利用校準(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(只有內(nèi)導(dǎo)體和絕緣層的絕緣導(dǎo)線)。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，還是電纜芯線校準(zhǔn)棒，只要按2．3小節(jié)芯線電容測(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，解決離線抽樣測(cè)量芯線電容的問題，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)槭虑翱刂啤Ｍ瑫r(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。
