CH645846A5

CH645846A5 - Verfahren und vorrichtung zur regelung eines schaumbeschichtungs-extrusionsverfahrens, sowie kabel hergestellt nach diesem verfahren.

Info

Publication number: CH645846A5
Application number: CH613383A
Authority: CH
Inventors: John Kyriakis
Original assignee: Beta Instr Co
Priority date: 1982-11-15
Filing date: 1983-11-15
Publication date: 1984-10-31
Also published as: US4592881A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Schaumbeschichtungs-Extrusionsverfahrens.

Es ist bekannt, dass zur Herstellung von elektrischen Kabeln ein Extrusionsprozess verwendet wird, bei welchem der elektrische Leiter in eine Maschine eingeführt wird, die Extruder genannt wird und Kunststoff auf den Leiter anbringt, um so ein elektrisch isoliertes Kabel zu schaffen, das zu verschiedenen Zwecken verwendet werden kann, z. B. zur Übertragung elektrischer Energie oder elektrischer Signale usw.

Dieser Extrusionsprozess ist über die Jahre weiterentwik-kelt worden. In der Übermittlungstechnik werden elektrische Kabel verwendet, welche aus hunderten von Leitern bestehen, welche zusammengefasst sind, um ein Fernleitungskabel zu bilden. Solche Fernleitungskabel werden zwischen Telefonzentralen verwendet, um einen Teil zu bilden, der die Telefonnetze verbindet.

Damit das Kabel wirtschaftlich hergestellt werden kann, sind verschiedene Methoden verwendet worden, um die Materialkosten dadurch zu senken, dass die Kunststoffbe-schichtung auf eine minimale Dicke reduziert wird. Um die Materialkosten weiter zu senken, ist eine Methode eingeführt worden, bei welcher die Kunststoffbeschichtung des Kabels chemisch «aufgeblasen» oder «geschäumt» wird, um eine zelluläre Struktur zu bilden, welche die gleichen Wanddicken der Isolation aufrecht erhält, aber weniger Kunstharz braucht. Diese Methode erwies sich als sehr erfolgreich, und zelluläre Kabel, die so produziert werden, besitzen alle notwendigen elektrischen Eigenschaften, welche für den vorbestimmten Einsatz notwendig sind. Des weiteren erweisen sich solche Kabel als sehr kostengünstig in der Herstellung.

Bei allen bisherigen Beschichtungsprozessen wird die Kapazitanz und/oder der Durchmesser des extrudierten Kabels überwacht, wobei die notwendigen Veränderungen gemacht werden, wenn die gemessenen Werte von den Sollwerten abweichen.

Die bisherigen Methoden berücksichtigen nicht, dass Durchmesser und Kapazitanz zwei einander widersprechende Parameter bei der Prozesssteuerung darstellen und dass die Korrektur eines Parameters beim anderen eine Toleranzabweichung verursachen kann. In den meisten Fällen ist die Kapazitanzregelung der dominierende Korrekturfaktor, was einen extrem langsamen Korrekturvorgang zur Folge hat.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter anderen Dingen die Regelung des Beschichtungsverfahrens zu verbessern, insbesondere die Menge des zur Beschichtung notwendigen Materials zu senken. Dies wird erreicht durch Regelung der Beschichtung mit zwei Prozessvariabeln, welche voneinander abhängig sind, aber einander nicht beeinflussen. Diese Variabein werden individuell korrigiert durch eine gleichzeitige kontinuierliche Handlung, um die Abweichung in den Variabein auf Null zu bringen, wobei die zeitaufwendige Zickzack-Korrektur der bisherigen Systeme vermieden wird.

Gemäss der Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung eines Schaumbeschichtungs-Extrusionsverfahrens vorgesehen, das gekennzeichnet ist durch Messung der Abweichung der relativen Permittivität der extrudierten Beschichtung zwischen der geforderten Permittivität der Beschichtung und der tatsächlichen Permittivität der geschäumten Beschichtung, um ein erstes Abweichungssignal zu liefern, welches die Abweichung anzeigt, durch Messung der Abweichung der ringförmigen Fläche der extrudierten Beschichtung zwischen der geforderten ringförmigen Fläche der extrudierten Beschichtung und der tatsächlich extrudierten Fläche, um ein zweites Abweichungssignal zu bilden, welches die letztgenannte Abweichung anzeigt, durch laufende Korrektur der tatsächlichen Fläche entsprechend den Abweichungen in relativer Permittivität der Beschichtung zur Zeit der Messung und durch gleichzeitige Verstellung des Abschreckpunktes oder der Temperatur der geschäumten Beschichtung, welche extrudiert wird, und des Verhältnisses zwischen Extrusionsgeschwindigkeit und Vorschub beim Extrusionsvorgang, um dadurch das erste und das zweite Abweichungssignal auf Null zurückzuführen.

Dieses Verfahren erlaubt es, den zellulären Beschich-tungsprozess präziser und besser zu regeln, als dies bisher möglich war. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren erlaubt

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das neue Verfahren eine sehr rasche Regelung und hält eine engere Toleranz der benötigten Parameter des Endproduktes aufrecht.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung. Diese ist gekennzeichnet durch einen Kapazitanzfühler und mindestens einem Durchmesserfühler, die an einen Computer angeschlossen sind, und Mitteln zur Änderung der Extrusions-geschwindigkeit, der Vorschubsgeschwindigkeit und der Distanz zwischen Extruder und dem Abschreckpunkt, oder Mitteln zur Änderung der Extrusionstemperatur.

Weiter betrifft die Erfindung ein Kabel hergestellt nach dem erfindungsgemässen Verfahren.

Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ersichtlich. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein chemisch geschäumtes zelluläres Kabel,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Extruders zum Extrudieren von zellulärem Kunststoff,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Extruder von Fig. 2 und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Extrusionsstras-se gemäss der Erfindung.

Das in Figur 1 gezeigte zelluläre Kabel besitzt einen elektrischen Leiter, der vollständig von zellulärem Isoliermaterial 2, 3 umgeben ist. Es ist aber auch möglich, ein Bündel von Leitern zu beschichten. Möglich ist auch die Anwendung des Verfahrens auf optische Leiter, wie sie beispielsweise Glasfasern darstellen. Solche Kabel können mit der Extrusionsstras-se von Fig. 4 hergestellt werden, welche einen Extruder 4 enthält, der in den Figuren 2 und 3 näher dargestellt ist.

Wie die Figuren 2 und 3 zeigen, besitzt der Extruder 4 der Extrusionsstrasse einen Einfüllbehälter 5 mit Kunstharzpulver 6, dem ein chemisches Schäummittel beigemengt ist. Dieses Material wird zu Beginn des Extrusionsverfahrens auf eine Temperatur von etwa 250 °C aufgeheizt. Der geschmolzene Kunststoff wird mit Hilfe einer drehenden Schraube 8 im Zylinder 11 des Extruders zu einer Matrize 9 am Ende des Zylinders 7 gefördert.

Die Schraube 8 extrudiert das geschmolzene Material bei der Matrize 9 auf einen Leiter 10, der in Figur 2 ersichtlich ist. Der Leiter 10 läuft durch das Zentrum der Matrize 9.

Wie Figur 4 zeigt, befindet sich der Extruder 4 in einer Extrusionsstrasse, die der Beendigung des Extrusionsverfahrens und dem Aufwickeln des fertigen kunststoffschaum-isolierten Kabels dient. Die Extrusionsstrasse besitzt am Anfang eine Abgaberolle 11 für den Leiter 10, welcher zur Matrize 9 geführt wird, und nach dem Extruder 4 einen wassergekühlten Kühltrog 12 und schliesslich eine Aufnahmerolle 13 für das Endprodukt.

Der geschmolzene Kunststoff, welcher die Matrize 9 ver-lässt und auf den Leiter 10 extrudiert wird, schäumt oder expandiert infolge der Anwesenheit eines speziellen Schäummittels. Diese Expansion wird beendet bei einem Abschreckpunkt 14, welcher durch den Eintritt in das verstellbare Vorderende 12' des Kühltrogs 12 definiert wird.

Der Abstand zwischen dem Eintritt in den Kühltrog 12 und der Matrize 9 definiert zu einem gewissen Ausmass den Betrag der zellulären Expansion des Kunststoffes.

Die Extrusionsstrasse besitzt femer Geräte, welche eine gewisse Überwachung ermöglichen, damit das Endprodukt den Erfordernissen seiner Anwendung entspricht. Ein Durchmesserfühler, vorteilhaft eine berührungsfreie Einrichtung 15, ist vor dem Extruder 4 zwischen der Abgaberolle 11 und dem Extruder 4 angebracht und misst den Durchmesser des zugeführten Leiters 10. Ein zweiter Durchmesserfühler 16 befindet sich zwischen dem Kühltrog 12 und der Aufnahmerolle 13 und misst den Aussendurchmesser des fertigen Kabels. Ein Kapazitanzfühler 17 ist im Kühltrog 12 installiert und misst die elektrische Kapazitanz des Kabels direkt in picofarad pro Längeneinheit.

Die genannten Fühler können ihre Messungen an elektronischen Anzeigen 18,19 und 20 darstellen, so dass eine vollständige Überwachung der Produktion jederzeit möglich ist. Des weiteren geben die Fühler Abweichsignale ab, welche die Differenz zwischen den Ist- und Sollwerten der benötigten Parameter darstellen.

Diese Anordnung kann als eine instrumentierte Strasse in offener Schleife betrachtet werden, in welcher die verschiedenen variablen Parameter beobachtet aber nicht automatisch gesteuert werden, sondern nur durch die Intervention einer Bedienungsperson, welche die Änderungen der Geschwindigkeit der Strasse durch Justierung des Motors (nicht gezeigt) vornimmt, der mit der Aufnahmerolle 13 am Ende der Produktionsstrasse gekuppelt ist. Weitere manuelle Justierungen können am Vorderende 12' des Kühltroges 12 gemacht werden, um den Abstand zwischen dem Abschreckpunkt 14 und der Matrize 9 zu ändern. Dadurch wird die zelluläre Expansionsrate der Kabelisolierung gesteuert. Weitere Justierungen können bei der Umdrehungsgeschwindigkeit der Schraube 8 gemacht werden, wodurch die Menge des auf den Leiter 10 extrudierten Kunststoffes gesteuert wird. Weitere Justierungen können die Temperatur des Zylinders 7 des Extruders betreffen, welche einen Einfluss auf das Ausmass der chemischen Expansion des Schaumkunststoffes hat, welcher aus der Matrize 9 kommt.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Daten von der Extrusionsstrasse zu rechnen, wobei der Durchmesser und die Kapazitanz des Kabels benützt werden, eine Berechnung stattfindet und eine wirksame Regelung über eine geschlossene Schleife stattfindet, welche eine vorbestimmte Lage der Parameter des gewünschten Kabels aufrecht erhält. Dies wird mit einer elektronischen Recheneinheit 21 erreicht, welche die Signale von dem Durchmesserfühler 16 erhält, welcher den Aussendurchmesser des Kabels misst, sowie des Kapazitanzfühlers 17 und des Durchmesserfühlers 15. Es ist auch möglich, ein vorbestimmtes Durchmessersignal, das dem entsprechenden Kerndurchmesser entspricht, für das Durchmessersignal vom Durchmesserfühler 15 zu substituieren.

Die Recheneinheit 21, z.B. ein Mikroprozessor, prüft diese Signale und produziert zwei Ausgänge, welche gebraucht werden, um den Abschreckpunkt 14 des Kühltroges 12 und das Verhältnis zwischen den Schraubenumdrehungen und der Geschwindigkeit der Strasse zu regeln. Um näher darzustellen wie dies geschieht, wird auf die nachfolgenden Berechnungen verwiesen.

Die Kapazitanz eines zylindrischen Kabels der Längeneinheit wird bestimmt durch die Formel:

C = Er x k/loge (1)

c =

Kapazitanz per Längeneinheit

Er =

Relative Permittivität der Isolation k =

Konstante

OD =

Aussendurchmesser des extrudierten Kabels

DC =

Durchmesser des Leiters

Die Recheneinheit 21 rechnet zwei Variabein. Die erste Variable ist die relative Permittivität Er des zellulären Materials, und die zweite Variabel ist die ringförmige Fläche des Kunststoffmaterials des Kabels oder das Volumen pro Längeneinheit des Kabels.

Die relative Permittivität Er des Kunststoffes wird durch die Recheneinheit 21 berechnet, welche entsprechend der obigen Gleichung arbeitet und die Kapazitanz, den Aussen-

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durchmesset OD und den Kerndurchmesser DC des Kabels misst. Dies hängt natürlich von der Kunststoffmenge ab, welche expandieren kann, bevor sie abgeschreckt wird. Der Aussendurchmesser OD hängt vom Volumen des Kunststoffes ab, der pro Meter Draht aufgebracht wird sowie dem Betrag, um welchen der Kunststoff expandieren kann, bevor er abgeschreckt wird. Infolgedessen werden sowohl die Kapazitanz als auch der Durchmesser durch den Abschreckpunkt 14 beeinflusst, d.h. durch die Lage des Wassertroges und das pro Längeneinheit aufgebrachte Kunststoffvolumen. Früher wurden die Eigenschaften von Kabeln mit zellulärer Kunststoffisolation bestimmt durch die Durchmesserabweichung zur Steuerung des Volumens des mittels Extruder aufgebrachten Materials und der Kapazitanzabweichung zur Steuerung der Kühltrogstellung. Eine solche Einrichtung bewirkt eine schwerwiegende gegenseitige Beeinflussung der beiden Regelschleifen. Der Zweck der Recheneinheit 21 ist es, dieses Problem zu reduzieren. Dies wird durch folgende Annahmen erreicht:

Der Zweck des Kühltroges 12 ist es, die Elektrizitätskonstante Er des Kunststoffes zu regeln. Dies ist nicht dasselbe wie die Kapazitanz, denn diese ist lediglich richtig, wenn sowohl der Aussendurchmesser OD und Er richtig sind.

Für die zweite Variabel, welche die Recheneinheit 21 rechnet, nämlich die ringförmige Fläche oder das Volumen der Längeneinheit der Kunststoffablagerung auf dem Kabel, werden die Durchmesserfühler 15, 16 gebraucht. Möglich ist aber auch, bloss Durchmesserfühler 16 zusammen mit einem vorbestimmten Signal zu brauchen, das anstelle des Signals von einem Durchmesserfühler verwendet wird.

Der Zweck des Extruders 4 ist es, das Kunststoffvolumen per Längeneinheit zu regeln. Dies ist nicht dasselbe wie der Aussendurchmesser OD, denn es ist nur richtig, wenn sowohl das Ausgabevolumen und der Wert Er richtig sind. Die Recheneinheit 21 verlangt, dass der Kerndurchmesser DC, der benötigte Aussendurchmesser OD und die benötigte Kapazitanz eingegeben werden können. Für den Zweck der späteren Berechnungen werden den verschiedenen Quantitäten folgende Symbole gegeben:

DC = Dem Computer eingegebener Kerndurchmesser DS = Dem Computer eingegebener Sollwert des Aussen-durchmessers des Kabels Istwert des Aussendurchmessers gemessen durch den Durchmesserfühler

Dem Computer eingegebener Sollwert der Kapazitanz

Istwert der Kapazitanz gemessen durch den Kapazitanzfühler

Sollwert der relativen Permittivität (Er)

= Istwert der relativen Permittivität (Er) Der Computer rechnet sowohl den Istwert als auch den Sollwert von Er wie folgt:

DA =

CS =

CA =

Zzi = Y =

Z =

Cs-lge (DS/DC) K

Y Ca-Ige (DA/PC) K

Das Abweichungssignal zur Steuerung des Troges 12 ist Y-Z, d.h. die Abweichung in relativer Permittivität.

Der Computer 21 rechnet auch den Istwert und den Sollwert der Querschnittsfläche von Kunststoff, welcher den Draht umgibt. Die Fläche ist natürlich proportional zum Volumen pro Längeneinheit des Kabels.

Sollwert der ringförmigen Kunststoff-Querschnittfläche = ^ (DS2 - DC2)

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Istwert der ringförmigen

Kunststoff-Querschnittfläche = ~ (DA2 - DC2) (4')

Diese Fläche wird jedoch beeinflusst durch eine Abweichung in der relativen Permittivität Er. Dies muss deshalb im Computer kompensiert werden, bevor das Abweichungssignal für den Extruder gefunden werden kann. Die Kunst-stoffbeschichtung hat den höchsten Wert von Er, wenn er sich in festem Zustand ohne darin eingeschlossene Gasblasen befindet. Wenn der Kunststoff expandiert, wird die relative Permittivität durch die Gasblasen verkleinert. Wenn der Kunststoff praktisch um einen unbeschränkt grossen Betrag expandiert würde, so wäre er praktisch voll von Blasen, und deshalb würde die relative Permittivität praktisch auf den Wert eins fallen, d.h. auf den Wert von Er im freien Raum. Es ist jedoch zu bemerken, dass, obwohl die Blasen Gas enthalten, der Wert von Er für die meisten Gase praktisch eins ist, d.h. weniger als 1,005.

Als praktisches Beispiel nehme man einen festen Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2. Wenn dieser Kunststoff mit Gasblasen gefüllt ist, um sein Volumen zu verdoppeln, dann besteht er zur Hälfte aus Gas mit dem Wert von Er von praktisch eins und zur Hälfte aus Kunststoff mit dem Wert von Er = 2. Der resultierende Wert von Er ist dann (0,5 x 2)4- (0,5 x 1) = 1,5. Das Volumen des Kunststoffes ist daher zu Er in folgender Beziehung:

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(4)

VA = V x

(Erx-1) (Era - 1)

(5)

Wobei VA = V = Era = Erx =

tatsächliches Volumen Volumen ohne Basen tatsächliches Er

Wert für blasenlosen Kunststoff Wie bereits früher erwähnt wurde, ist die ringförmige Fläche proportional zum Volumen pro Längeneinheit.

A, = A x

(Erx-1) (Era - 1)

(6)

Bekannt ist der Istwert der Fläche Aa und der Wert von Era, welchen vorher in dieser Beschreibung das Symbol Y 45 gegeben wurde. Welches der Wert von Er sein sollte, ist ebenfalls bekannt. Dies wurde mit dem Symbol Z bezeichnet. Daraus kann ermittelt werden, welches die Fläche sein würde, wenn der Wert für Er richtig ist, obwohl A oder Erx nicht bekannt sind. Dies wird wie folgt gefunden:

(Erx-1) (von6)

Aca X (Z-l)

Aa

A x

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(Erx-1) (Y-l)

Dies wird vereinfacht zu:

Aca _ Y- 1 Aa ~ Z-l

(von 6)

(7)

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Die unbekannten A und Erx fallen weg. Aca = korrigierte Fläche Aa = tatsächliche Fläche Y = Istwert von Er Z = Sollwert von Er

Transposition (7)

Aca

Y-l) (Z-l)

(8)

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Das Abweichungssignal für den Extruder ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Fläche nach der Korrektur für irgendeine Abweichung in Er und der gewünschten Fläche. Dieses Abweichungssignal wird wie folgt gerechnet:

Abweichungssignal = -

(DS2 - DC2) -

(DA2-CD2)

Y-l Z-l

(9)

In der Praxis wird die Konstante II weggelassen und die Gleichung wird durch DC dividiert, um eine ähnliche Verstärkung für die Regelschleife bei verschiedenen Kabel- io durchmessern zu erreichen.

Der Computer 21 kann nach der Berechnung der beiden Variabein ein Signal abgeben, das proportional zur relativen Permittivitätsabweichung ist, d.h. die Differenz zwischen der tatsächlich gemessenen Permittivität und der benötigten Per- 15 mittivität, und ein zweites Signal proportional zur Abweichung der Kreisfläche oder der Abweichung des Volumens der Längeneinheit, welches das tatsächliche Volumen der Längeneinheit oder die errechnete Ringfläche des gemessenen Volumens per Längeneinheit oder gemessenen Fläche 20 per Längeneinheit ist. Die beiden sekundären Signale werden verwendet, um die Extrusionsstrasse zu steuern. Das erste Signal wird gebraucht, um eine Justierung der Distanz zwischen dem Abschreckpunkt und der Matrize vorzunehmen, und das zweite Signal um eine Justierung des Verhältnisses zwischen Schraubenumdrehungen pro Minute und der Vorschubsgeschwindigkeit vorzunehmen. Beide Justierungen werden gleichzeitig ausgeführt. Eine andere Form der Regelung könnte darin bestehen, die relative Permittivitätsabwei-chung zu verwenden, um die Temperatur des Extruderzylinders zu steuern und die elektrische Permittivitätsabweichung könnte verwendet werden, um die genannte Temperatur des Zylinders als auch die Distanz zwischen dem Abschreckpunkt und dem Trog und der Matrize zu steuern.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Regelung eines Schaumbeschichtungs-Extrusionsverfahrens, gekennzeichnet durch Messung der Abweichung der relativen Permittivi-tät der extrudierten Beschichtung zwischen der geforderten Permittivität der Beschichtung und der tatsächlichen Permit-tivität der geschäumten Beschichtung, um ein erstes Abweichungssignal zu liefern, welches die Abweichung anzeigt,

durch Messung der Abweichung der ringförmigen Fläche der extrudierten Beschichtung zwischen der geforderten ringförmigen Fläche der extrudierten Beschichtung und der tatsächlich extrudierten Fläche, um ein zweites Abweichungssignal zu bilden, welches die letztgenannte Abweichung anzeigt,

durch laufende Korrektur der tatsächlichen Fläche entsprechend den bestehenden Abweichungen in relativer Permittivität der Beschichtung zur Zeit der Messung und durch gleichzeitige Verstellung des Abschreckpunktes oder der Temperatur der geschäumten Beschichtung bei der Extrusion und des Verhältnisses zwischen der Extrusionsge-schwindigkeit und des Vorschubes beim Extrusionsvorgang, um dadurch das erste und das zweite Abweichungssignal auf Null zurückzuführen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 bei der Beschichtung eines Kabels, dadurch gekennzeichnet, dass die geforderte Kapa-zitanz des beschichteten Kabels, der Aussendurchmesser und der Kerndurchmesser zuerst gespeichert werden, dass der geforderte Wert der relativen Permittivität von diesen Parametern gerechnet wird, und dass bei der Extrusion der gemessene Wert der relativen Permittivität mit dem geforderten Wert verglichen wird, um das erste Abweichungssignal zu liefern.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geforderte ringförmige Fläche von den gespeicherten Parametern gerechnet und mit der während der Extrusion gemessenen tatsächlichen ringförmigen Fläche verglichen wird, um das zweite Abweichungssignal zu liefern.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitanz des extrudierten beschichteten Kabels und dessen Aussendurchmesser während der Extrusion gemessen werden und dass daraus die tatsächliche relative Permittivität und die tatsächliche Fläche der extrudierten Beschichtung gerechnet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Extruder (5), gekennzeichnet durch einen Kapazitanzfühler (17) und mindestens einem Durchmesserfühler (16,15), die an einen Computer (21) angeschlossen sind, und Mitteln zur Änderung der Extrusionsgeschwindigkeit, der Vorschubsgeschwindigkeit und der Distanz zwischen Extruder (5) und dem Abschreckpunkt (14), oder Mitteln zur Änderung der Extrusionstem-peratur.
6. Kabel hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4.