CN111998980B - 一种用于电缆冷缩接头的界面压力测量方法及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置及方法。采用尺寸经过优化的阵列式薄膜传感器，克服了单个传感器一次只能测量一个点或一个小范围界面压力的不足，以阵列方式一次性测量多点的压力值，快速准确地获得整个界面压力，同时测压点之间也不会相互影响。在测量过程中每个测压点平均受力，克服了现有技术中标定时难以确定每个测压点受力情况的问题。

Description

一种用于电缆冷缩接头的界面压力测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于电缆冷缩接头的界面压力测量方法及测量装置，属于超特高压输变电工程启动调试领域。
背景技术
电缆中间接头是配网电缆线路的重要组成部分，能够在维持电缆绝缘性能的同时延长电缆线路长度，从而保证电缆线路的连续性与完整性。冷缩式中间接头凭借体积合理、安装简易、产品规格少等优点，在近20年快速发展，基本取代其他种类的中间接头，得到广泛的使用。冷缩中间接头靠冷缩管与电缆本体形成过盈配合，产生界面压力，从而保证接头的绝缘强度与密封性能。而已有的国际标准与国家标准缺少冷缩中间接头界面压力相关的规定与指导。IEEE Std.404TM-2012及JBT10740.2-2007中，仅规定了冷缩管各个组成材料的抗张强度、最大伸长量等范围，这些参量与冷缩管界面压力大小关联度较小。GBT528-2009中仅规定了橡胶件拉伸时与拉伸方向相同的应力测量与相关计算，无法指导冷缩管环状结构中应力的测量。IEC60502.4-2010、GBT12706.4-2008以及GBT18889—2002规定的电缆附件试验方法均为电气类试验，未规定冷缩中间接头界面压力相关的测量方法。已有研究表明，冷缩中间接头的界面压力情况会影响其放电程度、击穿强度等绝缘性能。
发明内容
发明目的：本发明提出一种用于电缆冷缩接头的界面压力测量方法及测量装置，测量冷缩中间接头的界面压力。
技术方案：本发明采用的技术方案为一种用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置，包括安装在外壳中的装置本体，以及连接至装置本体中传感器转接口的薄膜传感器；所述薄膜传感器为阵列式薄膜传感器；
所述装置本体包括MCU控制芯片、线性化模块、传感器转接口以及LCD显示屏幕，薄膜传感器采集的压力信号经过传感器转接口输入线性化模块，MCU控制芯片从线性化模块获取薄膜传感器信号并将压力值显示在LCD显示屏幕上。
所述薄膜传感器按照下式优化：
min Sresidue
s.t.Stotal＝CcableLshrink/5
r≥1.5cm
Figure GDA0003513966390000011
Sresidue＝Stotal-NSsensor
Figure GDA0003513966390000012
Figure GDA0003513966390000021
其中，Sresidue——薄膜传感器不含测压点的剩余面积；
Ccable——电缆截面周长；
Lshrink——冷缩接头长度；
r——测量点初始半径；
(xi，yi)、(xj，yj)——相邻两个圆的圆心坐标；
ζ——刚度薄膜与测压点的刚度比；
E——弹性模量；
Lfilm——测量点的杆体长度；
Lsensor——薄膜的杆体长度。
所述薄膜传感器通过外接薄膜FPC排线连接至装置本体的传感器转接口。
所述LCD显示屏幕贯穿式设置在外壳上表面。
所述MCU控制芯片、线性化模块、传感器转接口以及LCD显示屏幕均集成在同一块电路板上。
所述薄膜传感器包括N*M个测压点，每个测压点为独立的压力传感器单元，每个测压点分别引出一端用于输出传感器信号，所有测压点均引出一端用于连接负极。
每个测压点周围预留有直径为D的圆形区域。
所述薄膜传感器可弯曲成中空圆柱状。
一种用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：
将阵列式薄膜传感器包裹在待测电缆外表面；
使用塑料芯绳从内向外撑开冷缩接头；
将冷缩接头套装在待测电缆外表面并抽去塑料芯绳，由内向外地形成待测电缆、薄膜传感器和冷缩接头的三层结构。
所述阵列式薄膜传感器的引出线接口沿待测电缆表面引出置于冷缩接头外并与传感器转接口连接。
有益效果：本发明采用尺寸经过优化的阵列式薄膜传感器，克服了单个传感器一次只能测量一个点或一个小范围界面压力的不足，以阵列方式一次性测量多点的压力值，快速准确地获得整个界面压力，同时测压点之间也不会相互影响。在测量过程中每个测压点平均受力，克服了现有技术中标定时难以确定每个测压点受力情况的问题。
附图说明
图1为本发明压力测量装置的结构示意图；
图2为本发明压力测量装置的电路结构图；
图3为本发明阵列式薄膜传感器结构示意图；
图4为本发明阵列式薄膜传感器静态标定示意图；
图5为本发明压力测量装置安装示意图；
图6为本发明压力测量装置安装后结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置，其装置本体8安装在外壳12中，薄膜传感器5通过外接的薄膜FPC排线9连接至装置本体8的传感器转接口4。在外壳12的上表面设置贯穿外壳的LCD显示屏幕6。
如图2所示，装置本体8包括MCU控制芯片1，来自传感器转接口4的传感器信号经过线性化模块3输入MCU控制芯片1。MCU控制芯片1将计算的压力数值发送至LCD显示屏幕6显示。供电系统2向MCU控制芯片1供电。上述MCU控制芯片1、线性化模块3、传感器转接口4以及LCD显示屏幕6均集成在同一块电路板上。供电系统2通过附加的导线与电路板连接，采用LM117电源管理芯片向装置本体8供电。所述转接口为间隔0.5mm的FFC排线接口。所述线性化模块3为运算放大器，根据压力电压之间反函数关系，对电压取倒数得到线性曲线。
如图5和图6所示，而薄膜传感器5包裹在待测电缆11外表面。在自然状态下，冷缩接头7的内径略小于待测电缆11直径。因此使用时，应当先用塑料芯绳13从内向外撑开冷缩接头7，使其内径大于待测电缆11的直径，接着将冷缩接头7套装在待测电缆11外表面并抽去塑料芯绳13。这样冷缩接头7依靠自身弹性与待测电缆11过盈配合地完成套装。最终形成由内向外的三层结构，依次分别为待测电缆11、薄膜传感器5和冷缩接头7。
薄膜传感器5在受到压力时，其电阻随压力增大而减小，电阻与压力呈幂函数关系，电阻的倒数与压力呈近似线性关系。薄膜传感器5具有多个独立压力传感器单元，各压力传感器单元呈阵列式排布。阵列式的薄膜传感器5克服了单个压力传感器单元只能测某一个点或某一个小范围的界面压力的缺点，将电缆冷缩接头7与电缆本体11贴合的面上的各个位置的压力采集出来，以点成面，获得整个界面的压力。
对所述阵列式的薄膜传感器5进行如下优化：
min Sresidue
s.t.Stotal＝CcableLshrink/5
r≥1.5cm
Figure GDA0003513966390000031
Sresidue＝Stotal-NSsensor
Figure GDA0003513966390000032
Figure GDA0003513966390000033
其中，Sresidue——薄膜传感器不含测压点的剩余面积；
Ccable——电缆截面周长；
Lshrink——冷缩接头长度；
r——测量点初始半径；
(xi，yi)、(xj，yj)——相邻两个圆的圆心坐标；
ζ——刚度薄膜与测压点的刚度比；
E——弹性模量；
Lfilm——测量点的杆体长度；
Lsensor——薄膜的杆体长度。
计算得出阵列式柔性传感器5严格规定每个测压点的面积占传感器总面积的2.7％，过小会导致接触面小而不能获得准确压力值，过大则会增加形变同样影响结果；测每个测压点圆心间距离不能低于相当于一个测压点直径的长度，过近会使测压点之间相互影响。根据弹性模量和杆体长度计算，每个测压点周围需保留直径为28mm的圆形区域保证薄膜形变不影响测量精度，传感器整体面积为Stotal为8170mm2，进而优化得出所用压力传感器测压点需控制为3×3阵列共计9个，每个测压点分别引出一端用于输出传感器信号，所有测压点均引出一端用于连接负极，如图3所示。再根据上述优化公式计算出传感器薄膜与测压点的刚度比ζ需控制在1:1.6-1:2.3，既能使薄膜产生形变时不对测压点产生影响，也能使薄膜保持一定刚度完全贴合电缆表面。
在安装薄膜传感器5之前先进行静态标定，获得薄膜传感器5的静态标定曲线。所述静态标定曲线给出了薄膜传感器5的输入量与输出量之间的关系，也就是压力值与输出电压值之间的关系。
具体地如图4所示，首先使用9个与压力传感器单元的单个测压点面积相等的底面积的圆柱体10，将其固定于薄膜传感器5上，随后在圆柱体10上放置砝码使所有测压点平均受力，挤压已经连接至测压装置的薄膜传感器5，由于所使用的薄膜传感器5每个测压点的直径为16mm，冷缩接头7压力范围要求为0.1-0.3MPa，所以测取10N-150N中具有代表性的10个数据。随后利用最小二乘法求出静态标定的线性拟合公式：
U＝3.3-(0.0004F+0.3077)
其中，F为界面压力值(N)，U为电压值(V)。
在STM32单片机中开发一套软件程序直接对阵列式的薄膜传感器5进行控制，该程序进行以上线性拟合公式的压力值计算，也包括LCD屏幕显示程序，并将其下载至压力检测装置。
接着按照图5所示的方式，将薄膜传感器5安装在测压区域，并用PVC胶带固定。再安装冷缩接头7，将薄膜传感器5的引出线接口沿待测电缆11表面引出置于冷缩接头7外，并与传感器转接口4连接，打开本实施例压力测量装置的电源开关，就可以通过STM32计算并将检测的压力值显示在LCD显示屏幕6上。由于采用了3×3阵列式压力传感器5进行测量，在程序设计时需要设计9个压力值的计算和显示。通过LCD显示屏幕6显示的压力数值就可以根据公知常识直观地判断待测电缆11与冷缩接头7之间的界面压力是否能够保证冷缩接头7的绝缘强度与密封性能。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置，其特征在于，包括安装在外壳中的装置本体，以及连接至装置本体中传感器转接口的薄膜传感器；所述薄膜传感器为阵列式薄膜传感器；
所述装置本体包括MCU控制芯片、线性化模块、传感器转接口以及LCD显示屏幕，薄膜传感器采集的压力信号经过传感器转接口输入线性化模块，MCU控制芯片从线性化模块获取薄膜传感器信号并将压力值显示在LCD显示屏幕上；所述薄膜传感器按照下式优化：
Figure 98505DEST_PATH_IMAGE001
其中，S residue ——薄膜传感器不含测压点的剩余面积；
C cable ——电缆截面周长；
L shrink ——冷缩接头长度；
r——测量点初始半径；
N为测压点的个数；
（x i ，y i ）、（x j ，y j ）——相邻两个圆的圆心坐标；
ζ——刚度薄膜与测压点的刚度比；
E—— 弹 性 模 量 ；
L film ——测量点的杆体长度；
L sensor ——薄膜的杆体长度。
2.根据权利要求1所述的用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置，其特征在于，所述薄膜传感器通过外接薄膜FPC排线连接至装置本体的传感器转接口。
3.根据权利要求1所述的用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置，其特征在于，所述LCD显示屏幕贯穿式设置在外壳上表面。
4.根据权利要求1所述的用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置，其特征在于，所述MCU控制芯片、线性化模块、传感器转接口以及LCD显示屏幕均集成在同一块电路板上。
5.根据权利要求1所述的用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置，其特征在于，所述薄膜传感器包括N*M个测压点，每个测压点为独立的压力传感器单元，每个测压点分别引出一端用于输出传感器信号，所有测压点均引出一端用于连接负极。
6.根据权利要求5所述的用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置，其特征在于，每个测压点周围预留有直径为D的圆形区域。
7.根据权利要求1所述的用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置，其特征在于，所述薄膜传感器可弯曲成中空圆柱状。
8.一种利用如权利要求1至7任一所述的用于电缆冷缩接头的界面压力测量装置进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将阵列式薄膜传感器包裹在待测电缆外表面；
使用塑料芯绳从内向外撑开冷缩接头；
将冷缩接头套装在待测电缆外表面并抽去塑料芯绳，由内向外地形成待测电缆、薄膜传感器和冷缩接头的三层结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阵列式薄膜传感器的引出线接口沿待测电缆表面引出置于冷缩接头外并与传感器转接口连接。
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