НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
Рудаков Сергій Валерійович
УДК 621.315.
ЕЛЕКТРИЧНИЙ СУМІСНИЙ ДВОХПАРАМЕТРОВИЙ КОНТРОЛЬ СТАНУ ІЗОЛЯЦІЇ БАГАТОЖИЛЬНИХ КАБЕЛІВ
Спеціальність 05.11.13. – прилади і методи контролю
та визначення складу речовин
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Харківському військовому університеті, Міністерство оборони України, м. Харків
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Козлов Валентин Євгенович,
Харківський військовий університет,
доцент кафедри метрології та стандартизації
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент
Гурин Анатолій Григорович,
Національний технічний університет “ХПІ”,
завідувач кафедри електроізоляційної і
кабельної техніки
кандидат технічних наук, доцент
Невзлін Борис Ісакович,
Східноукраїнський національний університет
імені Володимира Даля,
заступник зав. кафедри електромеханіки
Провідна установа: Національний технічний університет радіоелектроніки,
кафедра метрології та вимірювальної техніки,
Міністерство освіти і науки України, м. Харків
Захист відбудеться 4 лютого 2003р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.09 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою:
61002. м. Харків, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”
Автореферат розісланий “3” __01____ 2003 р.
Вчений секретар
Спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Безпека експлуатації ядерних об’єктів значною мірою залежить від стану та перевантажної здатності трас силових та контрольних кабелів, що використовуються в системах внутріреакторного контролю. Систематичні спостереження за якістю кабельних трас, які включають і лабораторні дослідження на відібраних зразках-свідках, є основою своєчасного виявлення дрейфу параметрів і вжиття адекватних заходів аж до заміни застарілих виробів новими.
Останніми роками вимоги до кабелів для ядерних об’єктів суттєво зросли. Разом з тим з’явилися нові методики та більш чутливі прилади, в тому числі цифрові, що дають змогу здійснювати неруйнівний контроль кабелів на вищому технічному рівні.
Для оцінки стану ізоляції застосовується близько півтора десятка різних показників: механічних, теплофізичних, фізико-хімічних, електричних. Електричні показники (опір, ємність, тангенс кута діелектричних втрат, пробивна напруга, абсорбційні характеристики) привабливі тим, що можуть бути визначені як на зразках-свідках, так і на діючих виробах (крім руйнівних випробувань). Проте електричні показники дають, як правило, інтегральну оцінку якості ізоляції.
Завданням даного дослідження стала розробка такої методики електричних обстежень ізоляції кабелів, за якою з’явилася б можливість оцінювати показники якості кожного із компонентів ізоляції окремо, а не всієї конструкції в цілому. Для цього електромагнітне поле слід локалізувати в окремій ділянці конструкції: в ізоляції тільки однієї з жил. Частка цього поля може проникати і в сусідні елементи конструкції. Щоб із результатів таких вимірювань – так званих сукупних вимірювань - виділити внесок саме вибраного елемента, треба виконати ряд подібних вимірювань, локалізуючи поле кожного разу дещо по-іншому. Тоді невідомі показники якості окремих ділянок контрукції знайдуться в результаті розв’язку відповідних систем алгебраїчних рівнянь (САР). В окремих випадках САР можуть бути лінійними (СЛАР).
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася згідно з “Концепцією державних систем стандартизації, метрології та сертифікації” // Постанова Кабінету Міністрів України від 16.08.94 р.” та “Програмою випробувань та досліджень в АТ ВНДІКП зразків кабелів типу КПЕТІнг, відібраних з трас енергоблоків Запорізької АЕС”// М., АТ ВНДІКП, 1998.
Результати проведених досліджень використано в науково-дослідних роботах, виконаних в інтересах Міністерства оборони за темами “Дослідження досвіду провідних країн світу у впровадженні автоматизованої магістрально-модульної багатофункціональної та цільової малогабаритної контрольно-діагностичної апаратури для комплексної оцінки технічного стану озброєння та військової техніки”, “Дослідження напрямків розвитку вольтметрів груп В1, В2, В3, В4 та приладів спостереження, вимірювання та дослідження форми сигналу та спектру С1, С2, С3, С4”.
Мета і задачі дослідження. Підвищення інформативності електричного неруйнівного двохпараметрового контролю стану ізоляції кабелів шляхом сукупних вимірювань часткових ємностей (С) і тангенсів кутів діелектричних втрат (tg) з подальшим визначенням внесків окремих компонентів.
Для досягнення поставленої мети було вирішено такі завдання:
- розроблено методику оцінки параметрів C і tg окремих компонентів ізоляції кабелів (наприклад, фазної та поясної ізоляції силових кабелів, ізоляції жил та захисних оболонок контрольних кабелів) шляхом поліваріантних вимірювань з подальшою обробкою результатів на підставі відповідних систем алгебраїчних рівнянь (САР);
- оцінено перешкодостійкість і точність сукупних вимірювань діагностичних параметрів С і tg багатожильних кабелів;
- вироблено рекомендації щодо вибору оптимальних схем вимірювань параметрів, які призводять до однозначної інтерпретації результатів контролю шляхом розв’язку систем лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР);
- удосконалено спеціалізовані генератори випадкових чисел для малих виборок.
Об’єкт дослідження: процес фокусування електромагнітного зондуючого поля в окремих ділянках кабеля з метою визначення параметрів саме цих ділянок для оцінки якості кабеля шляхом порівняння властивостей ізоляції сусідніх жил.
Предмет дослідження: метод неруйнівного двохпараметрового контролю стану ізоляції багатожильних кабелів та реалізуючий його пристрій на основі застосування індуктивного моста та двохпозиційного комутатора між багатоелектродним об’єктом контролю та чотириелектродним входом вимірювального приладу (дві токових та дві – потенціальних вхідні клеми).
Методи дослідження грунтуються на застосуванні теорії електричних мереж, теорії імовірностей та випадкових сигналів, математичної статистики, теорії систем алгебраїчних рівнянь, алгебри кодових матриць.
Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в тому, що:
- уперше розроблено методику визначення параметрів - C і tg - компонентів ізоляції багатожильних кабелів, безпосередній доступ до яких неможливий. Методика грунтується на виборі схем вимірювань із закорочуванням окремих часткових ємностей, організації серії вимірювань і розвязку систем рівнянь, за якими і визначаються шукані параметри;
- обґрунтовано рекомендації щодо вибору схем вимірювань, що забезпе-чують однозначну інтерпретацію результатів аналізу конструкції кабелів;
- вперше розроблено методику перевірки стійкості відновлення параметрів обєкта контролю за допомогою математичного моделювання із використанням RC - схем заміщення та генераторів випадкових чисел;
- удосконалено методику ідентифікації закону розподілу випадкової величини за малою кількостю спостережень, сутність якої полягає у визначенні параметрів теоретично можливого розподілу для апріорно сформованого набору декількох розподілів, побудові й порівнянні кожної теоретичної функції з емпіричною за сумою середньоквадратичних відхилень та за сумою абсолютних відхилень із подальшим визначенням кращої з функцій;
- удосконалено генератори випадкових чисел із заданими законами розподілу, методика побудови яких ґрунтується на апроксимації теоретичної функції щільності ймовірності у вигляді східчастої функції та заповненні кожного східця випадковими числами, розподіленими за рівномірним законом.
Практичне значення одержаних результатів досліджень полягає в тому, що:
- запропоновано спосіб знаходження якісних показників (C і tg) окремих компонентів ізоляції кабелю (ізоляції кожної з жил окремо, міжфазного заповнення, внутрішньої та зовнішньої оболонок тощо), за якими можливі контроль геометрії виробу (товщин компонентів) та оцінка якості ізоляції;
- запропоновано схеми вимірювань кабелів, що містять до восьми окремих електродів (жили, екрани, бронепокрови). Такий об’єкт містить 28 часткових ємностей, для визначення яких існує 126 різних варіантів приєднання до засобу вимірювання;
- виконано обстеження зразків контрольних кабелів АЕС і показано можливість неруйнівної оцінки їх стану. Доведено, що вибраний показник якості ізоляції залежить від передісторії зразка та інтенсивності зовнішніх діючих чинників, що імітують прискорене старіння кабелів;
- запропоновано елемент апаратної реалізації методики контролю параметрів ізоляції кабелів – пристрій для обчислення середнього значення, який може використовуватися в цифрових мережних фільтрах.
Результати дослідження впроваджено в розробках Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України (м. Миколаїв), у Сертифікаційному центрі АСУ Міністерства екологічної безпеки України (м. Харків), у навчальному процесі Харківського військового університету на кафедрі метрології та стандартизації, про що є відповідні акти.
Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати дисертації одержані здобувачем особисто. В наукових працях, написаних у співавторстві, йому належать: метрологічна модель зразка дослідження [1], принцип обчислення середнього арифметичного [3,4], аналіз методів обробки результатів вимірювального експерименту [6], методика оцінки стану ізоляції окремих жил кабелів за значеннями їх часткових ємностей (С) і тангенсами кутів діелектричних втрат (tg) [7], методика оцінювання похибки параметрів ізоляції, виміряних методом сукупних вимірювань [8], обчислення модуля комплексного сигналу в реальному часі [10], методи побудови співпроцесорів-частотомірів [11,12], узагальнення результатів досліджень [13] і рекомендації щодо їх практичного застосування [14,15].
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та були схвалені на 4 науково-технічних конференціях міжнародного і державного рівня: на 2-му Міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті" (ХНУРЕ, Харків, 1998), на III Міжнародній науково-технічній конференції "Метрологічне забезпечення у сфері електричних, магнітних та радіовимірювань" (Метрологія в електроніці - 2000), ДНВО "Метрологія" 2000 р., на 6-му Міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті" (ХНУРЕ, Харків, 2002), на Х міжнародної науково-технічної конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я” НТУ “ХПІ”, 2002 р.
Публікації: основні результати роботи опубліковані в 15 наукових статтях, з них: 1 стаття у науковому журналі, 13 статей у збірниках наукових праць, 1 патент України на винахід.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, восьми додатків. Повний обсяг дисертації вміщує 153 сторінки, з них 37 ілюстрацій по тексту і 7 окремо на 6 сторінках, 7 таблиць по тексту, 8 додатків на 28 сторінках, 95 найменувань використаних літературних джерел містяться на 12 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету і завдання дисертації, показано зв’язок роботи з науковими темами і програмами, наукову новизну і практичне значення здобутих результатів, визначено особистий внесок автора в друкованих працях із співавторами, наведено дані про апробацію, публікації та впровадження основних результатів роботи.
У першому розділі проведено аналіз системи електричної ізоляції кабелів, що перебувають сьогодні в експлуатації, технічний ресурс яких давно вичерпаний. Проаналізовано близько півтора десятків тільки найбільш широко застосовуваних показників якості ізоляції кабелів і розглянуто методи їх контролю, на підставі чого було виявлено суперечності між інтегральним характером електричних показників якості ізоляції та необхідністю локалізувати місце дефекту об’єкта контролю. Сформульовано основні завдання досліджень і обгрунтовано методи їх рішення.
У другому розділі запропоновано методику неруйнівного контролю стану окремих компонентів ізоляції багатожильних кабелів шляхом сукупних вимірювань.
Рис.1. Трифазний кабель з окремо екранованими жилами та його схема заміщення.
1 - жила; 2 - фазна ізоляція жили; 3 - напівпровідне покриття по ізоляції та екран;
4 – допоміжні ізольовані жили; 5 - захисна внутрішня оболонка; 6 - броня;
7 - зовнішня захисна оболонка.
Розглянемо, для прикладу, конструкцію трифазного кабелю (рис.1). Нехай екрани окремих фаз недоступні для підключень до вимірювального прилада. Тоді параметри ізоляції окремих жил знайдемо за результатами сукупних вимірювань, наприклад, за схемою, показаною в табл.1.
Для знаходження невідомих маємо системи рівнянь: (1) – для невідомих часткових ємностей, (2) – для тангенсів кутів діелектричних втрат. |
Таблиця 1. | Схема вимірювань часткових ємностей | N досліду | Номери електродів, під’єднаних до першого затискача моста | Номери електродів, під’єднаних до другого затискача моста | Код досліду | 1 | 1, 2 | 3, 4 | a | 2 | 3, 2 | 1, 4 | b
3 | 1, 3 | 2, 4 | c
4 | 1, 2, 4 | 3 | d
5 | 2, 3, 4 | 1 | e | 6 | 1, 3, 4 | 2 | F |
)
, (2)
або =
де С1, С2, С3 – часткові ємності кожної з жил на свої екрани; С4 – ємність екранів щодо броні кабелю; ; tga ч tgf – тангенси кута діелектричних втрат, виміряні безпосередньо в дослідах aч f ; tg1, tg2, tg3, tg4 - тангенси кута діелектричних втрат, що характеризують втрати в ізоляції.
Наприклад, для зразка шахтного кабеля ЭПВБВ 3х95-6 були отриманы такі значення ємностей (в пФ) і тангенсів кутів діелектричних втрат (в %) : Сa =1497,70 ; tga =3,457; Cb= 1478,80; tgb = 3,394; Cc= 1491,58; tgc =3,288; Cd= 858,88; tgd =3,034; Ce = 877,57; tge = 3,213; Cf = 860,10; tgf =3,508.
В результаті чисельного розв’язку (1) маємо 4 варіанти відповідей:
C1 | C2 | C3 | C4
922.58 | 6328.34 | 954.60 | 933.00
5410.70 | 955.74 | 967.27 | 991.15
1010.91 | 985.67 | 973.48 | 5020.50
1678.52 | 1570.86 | 1031.35 | 1746.89
Тільки третій варіант відповідей є істинний, решта – сторонні корені рівняння (1). Це визначається певними фізичними передумовами: ємності фазних ізоляцій жил мають бути близькими між собою, а ємність захисної внутрішньої оболонки може бути дещо іншою.
Підставляючи знайдені ємності С1 – С4 в (2), знайдемо невідомі тангенси кутів діелектричних втрат: tg1 =3.07%; tg2 =3.40% ; tg3 =2.89%; tg4 =4.37% .
Фактичні ж значення параметрів, знайдені при вимірюванні із застосуван-ням екранів жил, склали: tg1 =3.08% ; tg2 =3.47% ; tg3 =2.89%; tg4 =4.40% .
Визначення двох параметрів ізоляції кожної з жил дає змогу виконати більш детальний аналіз якості. З діаграми (рис.2) можна зробити висновок, що ізоляція другої жили гірша за інші: на всіх частотах вона має більше значення tgд. Ще гірша якість матеріалу оболонки кабеля (порівняйте tg4 з tg1 - tg3).
Щоб уникнути неоднозначності інтерпретації результатів сукупних вимірювань слід обирати такі схеми, при яких часткові ємності вмикаються паралельно. В цьому разі задача знаходження параметрів ізоляції окремих жил зводиться до розвязку систем лінійних алгебраїчних рівнянь.
Третій розділ присвячено аналізу похибок методики відновлення параметрів ізоляції кабелів. Вимірювання ємностей (Са ч Cf) і тангенсів кутів діелектричних втрат (tga ч tgf) виконуються з певними похибками. Для того, щоб оцінити, як вони впливають на точність результатів контролю було запропоновано наступну методику.
1) Візьмемо довільні параметри часткових ємностей, близькі до реальних, тобто виберемо С1 ч С6 і відповідні тангенси кутів діелектричних втрат: tg1 ч tg6. Назвемо ці дані початковими.
2) Обчислимо за початковими даними параметри схеми, доступні для вимірювання, тобто: Са ч Cf та відповідні тангенси кутів діелектричних втрат: tga ч tgf. Дістанемо модельні результати.
3) Далі за допомогою генераторів випадкових чисел внесемо збурення в модельні данні, наприклад, мультиплікативним способом:
(3)
де ea - ef - випадкові числа (шуми) з нульовим математичним сподіванням і заданим розмахом. Так, для нормально розподілених випадкових чисел розмах визначатиметься дисперсією, для рівномірно розподілених випадкових чисел – інтервалом невизначеності тощо.
Аналогічно внесемо збурення і в модельні результати для тангенсів кутів діелектричних втрат. Дістанемо збурені модельні значення:
. (4)
4) За збуреними модельними даними відновимо початкові дані, розв’язуючи систему рівнянь (1) і (2). Дістанемо відновлені дані:
(5)
(6)
5) Порівнюючи відновлені дані з початковими, дістанемо похибку методики.
Розрахунки по пунктах 1 - 5 виконаємо багато разів, щоб вивчити статистичні властивості обраних схем випробувань кабелю. Як видно з рис.3 похибка відновлених значень ємностей зростає в 1,5 – 2 рази, а тангенсів кутів діелектричних втрат – в 10 разів порівняно з похибками початкових данних. Тому при використанні методики сукупних вимірювань треба суттєво підвищувати точність вимірювань.
В роботі запропоновано методику побудови генераторів випадкових чисел, ефективну саме для малих виборок. Вона грунтується на апроксимації теоретичної функції щільності імовірності у вигляді східчастої функції та заповненні кожної сходинки випадковими числами, розподіленими за рівномірним законом. Це дало змогу за малих об’ємах виборок (до 50) здобути точніші результати, ніж з відомим генератором RND.
Розроблено методику ідентифікації закону розподілу випадкових величин для малих виборок, що грунтується на порівнянні функцій розподілу експериментальних даних із теоретичними за сумою максимальних відхилень емпіричного закону від теоретичного. Методика дає змогу ідентифікувати малі виборки, де класичні оцінки, наприклад за критерієм 2 Пірсона, дають більший інтервал невизначеності.
У четвертому розділі показано, що підвищення точності вихідних даних понад порядок, необхідне для отримання достовірних результатів аналізу стану окремих компонентів ізоляції багатожильних кабелів, може бути досягнуто комплексом заходів організаційного й технічного характеру:
а) вибором схем вимірювань, що призводять до паралельного ввімкнення найбільших часткових ємностей конструкції, наприклад, між сусідніми жилами крученої пари. Так, для 4-парного кабелю розглянуті три схеми обстежень (рис.4):
I - одна жила проти всіх інших (схема “ 1 проти 7”) ;
II - чотири жили відносно решти (схема “4 проти 4”);контролю
III – чотири попарно поєднаних між собою жил (схема “4 пари разом ”).
Пари скручені з різними періодами (щоб зменшити взаємний вплив). Тому часткові ємності між жилами усереднюються, внаслідок чого вимірювання за схемою I дадуть:
; (7)
вимірювання за схемою II:
; (8)
при вимірюваннях за схемою III (оптимальною):
(9)
б) збільшенням числа накопичень. За n = 100 накопичень випадкова похибка зменшується в n = 10 разів і в результатах з’являється додаткова значаща цифра.
Ємності визначалися з точністю до 4 - 5 значущих цифр. Величина tg визначалася з меншою точністю незважаючи на всі вказані вище заходи (рис.5);
в) фільтрацією джерела живлення вимірювального приладу та екрануванням об’єкта контролю.
Коефіцієнти варіації результатів вимірювань склали:
Var tg I_10 = 0.409;
Var tg I_100 = 0.131;
Var tg II_10 = 0.364;
Var tg II_100 = 0.158 .
Збільшення числа накопи-чень у 10 разів (від n = 10 до n = 100) зумовило зменшення кое-фіцієнта варіації в очікуванні 10 3,16 раза лише у випадку першої схеми вимірювань:
Var tg I_10 / Var tg I_100 =
= 0.409 / 0.131 = 3,12 .
Щодо другої схеми вимірювань, то тут зростання числа накопичень було менш результативним: Var tg II_10 / Var tg II_100 = 0.364 / 0.158 = 2,30. Можливо, це є наслідком фліккер-шумів – повільних флуктуацій при тривалих вимірюваннях.
Аналіз трьох схем показав, що завдяки вибору оптимальної схеми вимірювань (у даному випадку – схеми III), збільшенню числа накопичень (до 100), та використанню фільтра в джерелі живлення і екранів об’єкта контролю вдається суттєво підвищити точність оцінок значень часткових ємностей та тангенсів кутів діелектричних втрат багатожильного кабеля. Це створює передумови для успішної подальшої інтерпретації результатів у напрямі визначення індивідуальних (а не сукупних) характеристик виробів.
Для досліджень було вибрано зразки контрольних кабелів КПЕТІнг 7х0,5:
А - що працював в гермозоні реакторного блоку АЕС, В – в чистій зоні, С – зберігався на складі.
Обстеження показало (рис.6), що в кабелях А спостерігаються значно вищі рівні tg порівняно з кабелями В або С. Крім того, спостерігається сильна кореляція значень tg ізоляції сусідніх жил (tgд1, tgд2), яка наводить на думку, що волога проникає в мікропори саме в зоні контакту між жилами.
У п’ятому розділі розглянуто можливості апаратурної реалізації елементів методики, пов’язаних з фільтрацією сигналів у реальному часі на мікропроце-сорах зага-льного призначення: амп-літуд комплексних вели-чин та середнього в ков-зному вікні шири-ною m відліків. Останнє вико-нується за схемою:
Si = Si - 1 + xi - xi - m , (10)
де xi та xi-m миттєві реалізації випадкового процесу на межах “вікна” (на початку і в кінці). Схема (10) передбачає виконання однієї операції додавання і однієї опера-ції віднімання. Тра-диційно таку процедуру можна виконати лише по-слідовно за два цикли роботи накопичувального суматора. Загальний час додавання в тактах роботи однорозрядного суматора TS для k-розряд-них доданків складе T1=(2k+1)TS.
Щоб запобігти перепов-ненню розрядної сітки внаслідок формування середнього значення Si обираємо k = n+log2m, де n розрядність відліків. Засобами алгебри кодових матриць (АКМ) операція алгебраїчного додавання трьох доданків (10) замінюється операцією згортання трирядного коду до дворядного на тривхідних суматорах; при цьому утворюються рядки переносів pj та порозрядних сум sj за один такт роботи однорозрядного суматора; подальше перетворення результату можна виконати традиційним способом за один цикл роботи паралельного суматора за час kTS (рис.7). Час отримання результату складе T2=(k+1)TS. Виграш у швидкодії становить T1-T2 = kTS. Розряди кодів прямого Xi, зворотнього Xi-m та Si-1 подаються на відповідні входи одно-розрядних трьохвходових суматорів Sm1 – Sm6, виходи яких приєднані відповідно до входів Sj та Pj паралельного суматора Sm7.
Розмір ковзного вікна пропорційний до степеня двійки: m=2L. Це дає змогу відмовитися від операції ділення на m при одержані середнього, надавши їй комутаційного змісту: результат можна зчитувати зі зсувом вправо на L=log2m розрядів.
При цифровій обробці сигналів широко використовується процедура обчислення модуля комплексної величини:
Z = . (11)
Для виконання операції (11) у реальному масштабі часу запропонована апроксимуюча послідовність:
Z* = max{a1А + b1B, ajА + bjB,...,amA + bmB, m = 1,2,..., j=1…m (12)
де A = max{ X , Y } ; B = min { X , Y } .
У роботі розглянутий ряд апроксимацій різної точності залежно від значень m та коефіцієнтів aj та bj. Запропоновано також методику розрахунку коефіцієнтів апроксимації.
Апаратна реалізація (12) містить множення на константу та порівняння. У разі використання апроксимацій, коефіцієнти aj, bj яких є кратними до степеня двійки, операція множення може бути замінена операцією додавання операндів А, В, зсунутих вправо на таке число розрядів, що відповідають позиціям одиниць у двійковому представленні коефіцієнтів. Тоді така реалізація можлива на мікропроцесорах, що виконують операції типу зсув-додавання.
Для зменшення часу обчислень з використанням АКМ аналізують двійковий код коефіцієнтів апроксимації. Якщо кількість одиниць у коді перевіщує половину, доцільний перехід до подання константи у вигляді К = 1-Кдоп , де Кдоп –додатковий код коефіцієнта апроксимації. Це дає змогу зменшити кількість рядків у вихідній кодовій матриці, утвореній у результаті відповідних зсувів операндів і зменшити час згортання та (або) апаратурні витрат.
Запропонований підхід дає змогу збільшити тактову частоту обробки інформації при зменшенні апаратурних витрат і може бути використаний при побудові спеціалізованих процесорів трактів цифрової обробки сигналів реального часу.
ВИСНОВКИ
Стан компонентів ізоляції кабелів контролюється за допомогою різних показників - механічних, теплофізичних, фізико-хімічних та електричних. Електричні показники - опір, ємність, тангенс кута діелектричних втрат та ін. - визначаються при неруйнівних випробуваннях. Проте вони дають інтегральну оцінку обєкта в цілому. Завданням цього дослідження стала розробка методики контролю, яка б дала змогу оцінити стан компонентів ізоляції кожного окремо.
1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нові розв’язання важливої наукової та практичної задачі контролю стану окремих компонентів ізоляцій кабелів енергетичних установок за результатами сукупних неруйнівних електричних вимірювань.
2. Н а й б і л ь ш в а ж л и в и м и н а у к о в и м и і п р а к т и ч н и м и р е з у л ь т а т а м и, здобутими в роботі, є:
- формалізація задачі сукупних вимірювань, яка полягає у виокремленні електродів (жил, екранів, бронепокривів, обпліток) об’єкта випробувань, доступних для підєднання до засобу вимірювання, визначенні всіх можливих варіантів підєднання та формування раціональної стратегії вибору деяких із них, за яких похибки вимірювань будуть мінімальними. Оптимальними вважаються варіанти під’єднання об’єкта із закорочуванням окремих часткових ємностей. Вони зумовлюють паралельне з’єднання решти часткових ємностей, за якого інтерпретація результатів вимірювань однозначна. Схеми без закорочування часткових ємностей приводять до нелінійних рівнянь, неоднозначність розв’язання яких спричиняє проблеми інтерпретації даних;
- показано, що схеми вимірювань, що приводять до нелінійних рівнянь, можуть забезпечити високу точність визначення параметрів об’єкта контролю, причому похибка визначення тангенса кута діелектричних втрат (tg) може бути менше 1 %. Проте, коли кількість вузлів більша за 3, система нелінійних рівнянь не піддається аналітичному розв’язанню;
- похибка оцінки tg завжди вища, ніж похибка оцінки часткових ємностей (Сі), оскільки система рівнянь для знаходження tg містить наближені коефіцієнти, що визначаються через часткові ємності;
- план експерименту слід вибирати такий, щоб виключити виродження матриці коефіцієнтів СЛАР. Неприпустима поява не тільки однакових рядків (стовпців), але навіть – протилежних рядків (стовпців) ( виду “110” та “001”);
- одним із недоліків методу сумісного електричного контролю параметрів ізоляції багатожильних кабелів є різке зростання похибок порівняно з первинними даними. При 6 невідомих похибка оцінки часткових ємностей зростає в 7 разів, а tg - у 15 разів порівняно з похибками безпосередніх вимірювань цих же параметрів. Ця обставина вимагає значного (майже на порядок) підвищення точності первинних даних;
- для підвищення точності первинних даних рекомендується вибирати схеми вимірювань, що зумовлюють паралельне ввімкнення найбільших часткових ємностей конструкції (наприклад, ємностей між сусідніми проводами в кручених парах); кількість повторних вимірювань має бути не більшою за 100 (при більшій кількості можуть виникнути проблеми повільного дрейфу результатів вимірювань, пов’язаного зі зміною стану об’єкта – флікер-шуми). Екранування об’єкта випробувань та захист засобів вимірювальної техніки від зовнішніх перешкод також обов’язкові, причому останнє можна реалізувати за допомогою сучасних цифрових фільтрів;
- для оцінки метрологічних властивостей методик рекомендуються спеціалізовані генератори шумів, ефективні за малих об’ємів виборок. Запропоновано генератор рівномірної послідовності випадкових чисел, ефективність якого при малих вибірках досягається заповненням проміжків по інтервалах. На основі зазначеного генератора було запропоновано й інші генератори із характерними законами розподілення;
- запропоновано методику ідентифікації закону розподілу випадкової величини по малим вибіркам, яка відрізняється тим, що порівняння функцій розподілу емпіричного закону виконується одразу з кількома теоретичними законами розподілу за сумою максимальних відхилень по всьому інтервалу розподілу. Це підвищує ймовірність точного розпізнавання сигналів, близьких за видом функцій розподілу (закони розподілу Симпсона та нормальний);
- запропоновано апаратурну реалізацію елементів методики контролю шляхом цифрової фільтрації за допомогою підсумовування зсунутих послідовностей сигналу. Для апаратної реалізації операції підсумовування використано кодово-матричний метод із застосуванням додаткового коду.
У цілому здобуті результати в сукупності розвязують наукову задачу знаходження локальних характеристик окремих компонентів об’єкта контролю.
3. Значення розв’язаної в дисертації задачі для науки й практики полягає в подальшому розвитку теоретичних та прикладних основ техніки неруйнівного контролю, а саме – в розробці методики виокремлення характеристик окремих компонентів об’єкта на тлі сукупних вимірювань.
Наукове значення здобутих результатів досліджень полягає в тому, що вони можуть бути теоретичним та прикладним обгрунтуванням використання локальних характеристик розглядуваного об’єкта для контролю його в цілому і створенні відповідного науково-методичного апарата. Практичне застосування полягає в тому, що розроблена методика визначення параметрів - C і tg - компонентів ізоляції багатожильних кабелів, а також рекомендації щодо вибору схем вимірювань, що зумовлюють однозначну інтерпретацію результатів аналізу конструкцій кабелів; одержана методика перевірки стійкості відновлення параметрів об’єкта контролю шляхом математичного моделювання з використанням RC - схем заміщень та генераторів випадкових шумів. Це відкриває можливості для неруйнівного контролю стану ізоляції багатожильних кабелів, що перебувають в експлуатації на відповідальних енергетичних комплексах. Введення й використання співпроцесора обчислень середнього значення та кодово-матричного методу перетворення інформації із застосуванням зворотнього коду рекомендується для апаратної реалізації цифрових фільтрів.
Список опублікованих праць за темою дисертації:
1. Рудаков С.В., Фролов В.Я., Яковлев М.Ю. Завдання метрологічних вимог до складних технічних систем артилерійського озброєння на стадії проектуван-ня // Артиллерийское и стрелковое вооружение. - Киев: НТЦ АСВ. - 2000. - вып. 2. - С. 77-79.
Автор розробив метрологічну модель об’єкту контролю.
2. Рудаков С.В. Методика идентификации вида закона распределения параметров при проведении контроля состояния автоматизированных систем // Информационные технологии. – Москва: из-во “Машиностроение”. –2002. - №3. – С.21-26.
3. Пат. 29092 А України, МПК G 06F17/00. Пристрій для обчислення середнього арифметичного. Козлов В.Є., Рудаков С.В.; реєстраційний номер заяви: №98010022; Опубл. 05.10.2000. Бюл. №5-ІІ; ДПІВ.-6с. ил.
4. Козлов В.Е., Рудаков С.В. Способ вычисления скользящего среднего // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ. – 1998. вып. 14. – С.117-119.
Автор вдосконалив методику обчислення середнього у “ковзному вікні”
5. Рудаков С.В. Методы обработки результатов измерительного эксперимента // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - вып. 42. - С. 54-57.
6. Рудаков С.В., Фролов В.Я., Чернов А.Б. Методы повышения достоверности контроля информационно-измерительных комплексов летательных аппаратов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. – Харьков: ХГАУ. – 1999. – вып. 4. – С. 96-100.
Автор розробив методику оцінки законів розподілення параметрів об’єкту, що контролюється.
7. Набока Б.Г., Беспрозванных А.В., Рудаков С.В. Контроль параметров изоляции трехфазных кабелей методом косвенных измерений. // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2002. - № 7, т.1 - С. 103-108.
Автор розробив методику контролю параметрів ізоляції трьохфазних кабелів. 8. Набока Б.Г., Беспрозванных А.В., Рудаков С.В. Анализ устойчивости методики восстановления параметров схемы замещения трехфазного кабеля по результатам косвенных измерений // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНИ, ХВУ. - 2002. - вип. 4(20). - С. 182-187.
Автор вдосконалив генератори випадкових чисел та розрахував початкові данні (часткові ємності).
9. Рудаков С.В. Статистические характеристики случайных помех при косвенных измерениях параметров частичных емкостей кабелей // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2002. - № 9, т.3 - С. 88-92.
10. Козлов В.Е., Рудаков С.В. Вычисление модуля амплитуды сигнала в реальном времени // Вестник Харьковского государственного политехни-ческого университета. – Харьков: ХГПУ. - 1998. – вып. 11. – С. 94-100.
Автор розробив методику побудови спецпроцесора обчислення модуля комплексного сигналу у реальному часі.
11. Козлов В.Е., Волобуев А.П., Козлов Ю.В., Рудаков С.В. Сопроцессор-частотомер // Збірник наукових праць Харківського військового університету. - Х.: ХВУ.- 2001.- вып.4 (34) С. 116.
Автор виконав розрахунки апаратурних витрат, необхідних для побудови сопроцесора-частотоміра.
12. Козлов В.Е., Волобуев А.П., Козлов Ю.В., Рудаков С.В. Упрощение аппаратурных реализаций цифровых частотомеров // Збірник наукових праць Харківського військового університету. - Х.: ХВУ.- 2001.- вып.2 (32) С. 69-70.
Автор обгрунтував можливість використання кодово-матрічного методу для зменшення апаратних витратах при обробці вимірювальної інформації.
13. Швец С.В., Яковлев М.Ю., Рудаков С.В. Характеристика задачи синтеза систем измерения и контроля параметров сложных технических комплексов // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ. – 1999. - вып. 74. – С.76-78.
Автор обгрунтував номенклатуру вимірювальних модулів для типової автоматизованої системи вимірювання і контролю.
14. Клейменова Т.Ю., Рудаков С.В. Компьютерная информационная технология обработки результатов измерительного эксперимента // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. – Харьков: ХАИ. – 1998. – вып. 1. – С. 88-91.
Автор вдосконалив компютерну технологію обробки результатів вимірювань.
15. Немшилов Ю.А., Рудаков С.В. Методика спектрального анализа многочастотных сигналов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. – Харьков: ХГАУ. – 1999. – вып. 5. – С. 57-65.
Автор провів розрахунок оцінки похибки методики спектрального аналізу багаточастотних сигналів.
АНОТАЦІЇ
Рудаков С.В. Електричний сумісний двохпараметровий контроль стану ізоляції багатожильних кабелів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13. – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2002.
Дисертація присвячена вивченню стану окремих компонентів ізоляції багатожильних кабелів, що перебувають в особливих умовах експлуатації. На основі узагальнення результатів досліджень розроблено рекомендації щодо оцінювання стану компонентів ізоляції (часткових ємностей і тангенса кута діелектричних втрат), кожного окремо, а не всієї конструкції в цілому.
Показано доцільність використання сукупних вимірювань для проведення неруйнівного контролю стану окремих компонентів ізоляції багатожильних кабелів. Розроблені методики і вихідні дані для розрахунків, одержані в процесі виконання дисертаційної роботи, призначено для проведення неруйнівного контролю електричних параметрів кабелів відповідальних енергетичних об’єктів, що є основою для своєчасного виявлення їх дрейфу та вжиття адекватних заходів аж до заміни застарілих виробів новими.
Запропонован співпроцесор обчислення середнього значення контрольованої величини в реальному часі, що дозволило підвищити швидкодію виконання цієї операції у декілька разів.
Ключові слова: кабель, ізоляція, часткова ємність, тангенс кута діелектричних втрат, сукупні вимірювання, генератор випадкових чисел, функція розподілу.
Рудаков С.В. Электрический совместный двухпараметровый контроль состояния изоляции многожильных кабелей. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13. - Приборы и методы контроля и определения состава веществ. Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2002.
Диссертация посвящена изучению состояния отдельных компонентов изоляции многожильных кабелей, находящихся в особых условиях эксплуатации. На основе обобщения результатов исследований разработаны рекомендации по оценке состояния компонентов изоляции (частичных емкостей и тангенса угла диэлектрических потерь) по отдельности, а не всей конструкции в целом. Показана целесообразность применения совокупных измерений для проведения неразрушающего контроля состояния отдельных компонентов изоляции многожильных кабелей.
Разработка методики определения параметров - C и tg - компонентов изоляции многожильных кабелей, прямой доступ к которым невозможен, проводилась с учетом выбора схем измерений с закорачиванием отдельных частичных емкостей, организации серии измерений и решении систем уравнений (в частности, нелинейных), по которым находились искомые параметры. При этом были обоснованы рекомендации по выбору схем измерений, приводящих к однозначной интерпретации результатов анализа конструкций кабелей. Схемы измерений, которые приводят к нелинейным уравнениям, обеспечивают высокую точность параметров объекта контроля, причем погрешность определения тангенса угла диэлектрических потерь (tg) может быть меньше 1 %.
Установлено, что погрешность оценки tg всегда выше чем погрешность оценки частичных емкостей (Сі), так как разрешающая система уравнений для нахождения tg содержит приближенные коэффициенты, определяемые через частичные емкости. Это обстоятельство требует резкого (почти на порядок) повышения точности исходных данных.
Для повышения точности первичных данных рекомендуется выбирать схемы измерений, приводящие к параллельному включению наибольших частичных емкостей конструкции (например, емкости между соседними проводами в витых парах); число повторных измерений должно быть не более 100 (при большем числе могут возникнуть проблемы медленного дрейфа результатов измерений, связанного с изменением состояния объекта – фликкер-шумы). Предложены рекомендации по экранированию объекта испытаний и защиты средств измерительной техники от сетевых помех, в том числе и с использованием цифровых фильтров.
Для оценки метрологических свойств методики были разработаны специализированные генераторы шумов, эффективные при малых объемах выборок. Предложен генератор равномерной последовательности случайных чисел, эффективность которого при малых выборках достигается путем заполнения промежутков по интервалам. На основании указанного генератора были предложены и другие генераторы случайных чисел с характерными законами распределения.
В работе предложена методика идентификации закона распределения случайной величины по малым выборкам, отличающаяся тем, что сравнение функций распределения эмпирического закона выполняется сразу с несколькими теоретическими законами распределения по сумме максимальных отклонений по всему интервалу распределения. Это повышает достоверность точного распознавания сигналов, близких по виду функции распределения (как закон Симпсона и нормальный).
Разработанные методики и исходные данные для расчетов, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, предназначены для проведения неразрушающего контроля электрических параметров кабелей, что является основой для своевременного обнаружения их дрейфа и принятия адекватных мер вплоть до замены устаревших изделий новыми.
Ключевые слова: кабель, изоляция, частичная емкость, тангенс угла диэлектрических потерь, совокупные измерения, генератор случайных чисел, функция распределения.
Rudakov S.V. The electrical complex two-parametrical electrical insulation control of multi wire cables. – Manuscript.
Thesis on claim teaching degrees of candidate of technical sciences on professions 05.11.13. – The instruments and methods of checking and determination of substances compositions.- National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”, Kharkov, 2002.
Thesis is denoted to deciding insulation quality of multi wire cables, which are operating in nuclear power plant components important to safety. It was shown that assessment and management of ageing degradation may be monitoring by dielectric parameter measuring (partial capacity and loss factor), particularly itch of them individually, but not a construction at all.
