eng
Выпуск #4/2014
М.Былина, С.Глаголев
Особенности практического использования рефлектометров во временной области
Особенности практического использования рефлектометров во временной области
Просмотры: 3717
Импульсный метод измерений применяется для профилактических и аварийных работ на кабельных линиях связи и электропередачи для локализации неоднородностей и повреждений. Приборы, реализующие этот метод, называют рефлектометрами во временной области. В статье рассмотрены наиболее распространенные ошибки, допускаемые при исследовании кабельных цепей с помощью рефлектометров, и сформулированы основанные на теоретических и экспериментальных исследованиях рекомендации по практическому использованию и совершенствованию рефлектометров.
Импульсный метод измерений основан на зондировании двухпроводных кабельных цепей (КЦ) короткими импульсами напряжения. Импульсные приборы, реализующие этот метод измерения, называют рефлектометрами во временной области. Упрощенная структурная схема импульсного прибора представлена на рис.1. Зондирующие импульсы от генератора коротких импульсов через устройство ввода/вывода поступают в исследуемую КЦ. Распространяясь по КЦ, импульсы отражаются от имеющихся в ней неоднородностей или повреждений. Совокупность отраженных импульсов образует сигнал обратного потока, который через устройство ввода/вывода поступает на усилитель, а затем отображается на экране. Развертка экрана запускается передним фронтом зондирующего импульса.
На экране наблюдают рефлектограмму – зависимость сигнала обратного потока от времени или расстояния. На рефлектограмме неоднородной КЦ (рис.1) наблюдаются отраженные импульсы, амплитуда, форма и полярность которых зависит от характера неоднородностей, коэффициентов отражения и расстояний до них.
Данный метод применяется для профилактических и аварийных измерений на воздушных, симметричных и коаксиальных линиях связи, а также на линиях электропередачи для локализации неоднородностей и повреждений. Его достоинства – возможность оперативно выявлять и локализовать неоднородности и повреждения в кабельных цепях при одностороннем доступе; простота проведения и наглядность результатов измерений; высокая информативность и широкие функциональные возможности.
До начала 90-х годов импульсные измерения входили в комплекс обязательных измерений на магистральных, внутризоновых и местных отечественных сетях связи [1–3]. Однако из более поздних редакций нормативных документов эти измерения были изъяты [4], что повлекло за собой потерю интереса к импульсному методу. Многие специалисты ошибочно полагают, что данный метод пригоден только для обнаружения и определения расстояния до грубых повреждений (обрыва и короткого замыкания).
Такое отношение к высокоинформативному методу измерений может быть частично обусловлено незнанием или пренебрежением обязательными процедурами подготовки прибора к проведению измерений. Эти процедуры включают в себя согласование рефлектометра с измеряемой КЦ и правильную установку его параметров – коэффициента укорочения, диапазона измерения расстояния (максимального расстояния), длительности зондирующего импульса, коэффициента усиления, начала и конца наблюдаемого участка рефлектограммы (параметров растяжки). Отметим, что для определения некоторых параметров неоднородных КЦ приходится регистрировать несколько рефлектограмм при различных установках параметров рефлектометра. Кроме того, в некоторых случаях измерение расстояния до места повреждения или неоднородности в симметричном кабеле должно проводиться только с использованием симметрирующих устройств.
В статье представлены рекомендации по практическому использованию рефлектометров, основанные на теоретических и многочисленных экспериментальных исследованиях.
СОГЛАСОВАНИЕ ВЫХОДНОЙ
ЦЕПИ ИМПУЛЬСНОГО ПРИБОРА С ВОЛНОВЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ КЦ
Эта процедура обязательна для исследования КЦ. Для корректного согласования необходим доступ к дальнему концу КЦ. Процедура согласования состоит из следующих этапов.
Идентификация импульса, отраженного от конца КЦ, и оценка длины КЦ
Для этого необходимо наблюдать рефлектограмму КЦ при ее замыкании и размыкании. Импульс, отраженный от конца КЦ, должен при этом менять свою полярность. Длина КЦ определяется расстоянием от начала зондирующего импульса до начала импульса, отраженного от конца КЦ. Дальнейшие действия могут проводиться при работе линии в режиме короткого замыкания или холостого хода.
Установка диапазона измерения расстояния
Диапазон измерения расстояния необходимо установить более чем в два раза превышающим длину КЦ l. В этом случае на расстоянии 2l можно наблюдать сигнал, который иногда не вполне корректно называют "фантомным". Он обусловлен трехкратным отражением от концов КЦ.
Согласование выходной цепи рефлектометра с исследуемой КЦ
Для достижения согласования необходимо изменять выходное сопротивление рефлектометра до максимального подавления трехкратного отражения.
Отметим, что процедура согласования может быть проведена при любом установленном в приборе коэффициенте укорочения.
Поскольку выходное сопротивление рефлектометра активное (в отличие от волнового сопротивления кабельной цепи, которое имеет как активную, так и реактивную составляющие, зависящие от частоты), достичь полного согласования прибора с исследуемой кабельной цепью невозможно. При приближении к режиму согласования сигнал после трехкратного отражения изменит свою форму (рис.2), приобретя два выброса разной полярности (первый – отрицательный, как при работе линии в режиме короткого замыкания, так и в режиме холостого хода).
Для достижения наилучшего согласования рекомендуется добиться равенства амплитуд выбросов положительной и отрицательной полярности (рис.3). Контролировать амплитуды выбросов рекомендуется при увеличенном усилении, растянув отраженный сигнал на большую часть экрана рефлектометра.
Поскольку в общем случае условия согласования исследуемой цепи зависят от длительности зондирующего импульса, процедуру согласования рекомендуется проводить при той же длительности зондирующего импульса, при которой будут осуществляться измерения. Наличие крупных неоднородностей ухудшает качество согласования.
УСТАНОВКА КОЭФФИЦИЕНТА УКОРОЧЕНИЯ
Коэффициент укорочения представляет собой отношение скорости света в вакууме к скорости распространения импульсов по КЦ и определяет связь между временем и расстоянием на рефлектограмме.
При установке коэффициента укорочения для цепей многопарного симметричного кабеля могут возникать следующие ситуации:
коэффициент укорочения КЦ kук известен, его и устанавливают;
коэффициент укорочения неизвестен, но известна длина кабеля l, тогда сначала устанавливают любое значение kук0, регистрируют рефлектограмму КЦ, работающей в режиме холостого хода или короткого замыкания, измеряют по ней длину КЦ lизм и рассчитывают коэффициент укорочения КЦ kyk, который можно впоследствии использовать для цепей кабеля данного типа:
kук = kук0l/lизм; (1)
коэффициент укорочения и длина кабеля неизвестны, тогда необходимо проводить дополнительные исследования, направленные либо на установление типа кабеля, либо на определение длины кабельной цепи, например, по измерениям рабочей емкости или сопротивления шлейфа при известном диаметре жил.
Среди специалистов-измерителей бытует упрощенное представление о коэффициенте укорочения как о параметре кабеля и уверенность в существовании для каждого типа кабеля единственного "правильного" значения коэффициента укорочения. В действительности скорость распространения импульсов по КЦ, а значит, и коэффициент укорочения зависят от формы и длительности зондирующего импульса. Кроме того, отдельные КЦ в многопарном симметричном кабеле имеют разные шаги скрутки, которые подбираются для эффективного подавления взаимных влияний между всеми кабельными цепями. За счет различных шагов скрутки все КЦ в кабеле имеют разную длину и, следовательно, разные коэффициенты укорочения. Поэтому коэффициент укорочения в строгом смысле – не параметр кабельной цепи, а рекомендуемые в литературе его значения для различных кабелей приближенны.
При измерениях длины кабеля и расстояний до неоднородностей импульсным методом и использовании рекомендованного значения kук возникает некоторая погрешность. Показано [5], что последующая обработка зарегистрированной и сохраненной в виде файла рефлектограммы позволяет исключить эту погрешность и уточнить расстояние до неоднородностей и длину кабельной цепи независимо от того, при каком коэффициенте укорочения была зарегистрирована рефлектограмма.
Коэффициент укорочения – единственная настройка рефлектометра, которую можно впоследствии откорректировать на уже зарегистрированных рефлектограммах.
ВЫБОР ДИАПАЗОНА
ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ
Обычно диапазон измерения расстояния устанавливают в соответствии с полной длиной измеряемой кабельной цепи. Если длина кабельной цепи неизвестна, но имеется доступ к ее дальнему концу, можно идентифицировать отраженный от дальнего конца импульс и оценить длину по методике, описанной выше в разделе "Согласование выходной цепи импульсного прибора с волновым сопротивлением КЦ". При установке максимального расстояния, меньшего длины кабельной цепи, на рефлектограмме могут возникнуть ложные (фантомные) отражения. При увеличении диапазона измерения они исчезают.
ВЫБОР ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСА
Длительность зондирующего импульса tp должна выбираться по двум критериям. Во-первых, отраженные от неоднородностей и повреждений импульсы на рефлектограмме исследуемого участка должны иметь амплитуду, достаточную для их уверенной локализации. Во-вторых, разрешающая способность рефлектограммы на исследуемом участке должна по возможности обеспечить различение импульсов, отраженных от соседних неоднородностей. Для увеличения амплитуды отраженных импульсов необходимо увеличивать длительность (мощность) зондирующего импульса, однако при этом ухудшается разрешающая способность. В [6] предлагается методика определения оптимального значения длительности зондирующего импульса tp опт для каждого расстояния l до анализируемого участка, предполагающая проведение большого объема вычислений. На ее основе авторами получено простое выражение для определения tp опт:
tp опт = Aτ0l2, (2)
где τ0 – удельная конструктивная постоянная КЦ в с/км2 (этот параметр для разных кабелей приведен, например, в [7]), l – расстояние в км, A = 10,6 – коэффициент аппроксимации. На рис.4 представлены графики зависимости tp опит от l для кабелей структурированных кабельных систем.
ВЫБОР КОЭФФИЦИЕНТА
УСИЛЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ РАСТЯЖКИ
Увеличение и уменьшение коэффициента усиления увеличивает или уменьшает амплитуды всех отраженных импульсов на рефлектограмме. Поэтому выбирать его величину следует, исходя из цели проводимых измерений.
Измерение затухания зондирующих импульсов в кабельной цепи
Измерения затухания импульсов могут проводиться по рефлектограмме разомкнутой или замкнутой кабельной цепи при использовании рефлектометров с объединенным входом/выходом. Методика измерения сводится к определению амплитуды зондирующего импульса Y1 и абсолютной величины амплитуды отраженного от конца кабельной цепи импульса Y2 и расчету затухания по выражению:
ap = 20lg(Y1/Y2). (3)
Для одновременного измерения амплитуд отраженного и зондирующего импульсов необходимо выбрать небольшой коэффициент усиления, чтобы исключить насыщение усилителя (рис.5). Растяжка при этих измерениях, как правило, не используется.
Для получения корректного результата перед измерением амплитуд необходимо устранить эффект "лыжи" и смещение нулевой линии. Некоторые современные рефлектометры снабжены функцией автоматической коррекции эффекта "лыжи" [8]. В этом случае достаточно снимать рефлектограмму, включив эту функцию. В противном случае рефлектограмму рекомендуется обработать по методике, описанной в [9].
Измерение параметров импульсов, отраженных от неоднородностей или повреждений КЦ
К измерению параметров импульсов сводятся многие задачи, решаемые рефлектометром, например, определение расстояния до неоднородности и коэффициента отражения от неоднородности.
Для измерения расстояния до неоднородности необходимо использовать растяжку и выбирать начало и конец наблюдаемого участка рефлектограммы, а также коэффициент усиления так, чтобы отраженный импульс по возможности занимал большую часть экрана как по вертикали, так и по горизонтали. Это позволит точнее локализовать точку начала отраженного импульса для определения расстояния до неоднородности.
Для корректного определения коэффициента отражения от неоднородности необходимо измерить амплитуду зондирующего импульса Y1 и амплитуду отраженного от неоднородности импульса Yr. Коэффициент отражения от неоднородности можно определить по выражению:
, (4)
где A1 и Ar – коэффициенты усиления в дБ, при которых измерялись амплитуды Y1 и Yr соответственно.
Амплитуда зондирующего импульса измеряется при небольшом коэффициенте усиления, который исключает насыщение усилителя.
Для измерения амплитуды отраженного импульса необходимо выбрать коэффициент усиления так, чтобы отраженный импульс по возможности занимал большую часть экрана по вертикали. Начало и конец наблюдаемого участка рефлектограммы следует выбрать с учетом необходимости устранения эффекта "лыжи" и смещения нулевой линии. Началом участка следует выбрать точку, расположенную после окончания зондирующего импульса, а концом – точку, расположенную после окончания отраженного от неоднородности импульса (рис.6).
Отметим, что для реализации возможности определения коэффициентов отражения от неоднородностей необходимо, чтобы у оператора была информация об установленном коэффициенте усиления.
ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СИММЕТРИЧНЫХ КЦ
Особую актуальность имеет исследование именно симметричных кабелей, которые продолжают использоваться на местных сетях (городских и сельских). Помимо традиционных телеграфных и телефонных сигналов по ним передают широкополосные цифровые сигналы. Симметричные кабели находят широкое применение также в локальных вычислительных сетях, в системах пожарной и охранной сигнализации и системах видеонаблюдения.
Современные цифровые импульсные приборы отечественного производства, например РЕЙС-205 и РИ-20М, имеют несимметричные входы/выходы с коаксиальными разъемами. При исследовании симметричных КЦ это может приводить к дополнительным погрешностям измерений. Проиллюстрируем это на примерах.
Пример 1. Одновременное подключение к рефлектометру двух КЦ для проведения измерений в режиме с общим входом и выходом
На рис.7 показаны две схемы подключения КЦ к рефлектометру для проведения измерений в режиме с общим входом и выходом. Схема на рис.7б с подключением к рефлектометру двух КЦ используется для экономии времени измерителя при работе с многопарным кабелем. Она позволяет одновременно регистрировать рефлектограммы сразу двух КЦ в режиме с общим входом и выходом, а также быстро переходить к режиму с раздельными входом и выходом.
Сравним фрагменты рефлектограмм (рис.8а) подключенной к входу L1 КЦ1, содержащие отраженные от повреждения (обрыва и короткого замыкания) импульсы, в схемах на рис.7а и 7б. Все представленные рефлектограммы были зарегистрированы рефлектометром РЕЙС-205 при одних и тех же настройках. Видно, что подключение КЦ2 исказило рефлектограммы исследуемой КЦ1. Причину искажения рефлектограмм можно пояснить следующим образом. В схеме на рис.7б зондирующий сигнал поступает одновременно в две линии, одна из которых – исследуемая КЦ1, а вторая образуется незаземленным проводником КЦ1 и двумя заземленными проводниками, один из которых принадлежит КЦ1, а другой – КЦ2. Вторая линия имеет свое затухание, удельную задержку, волновое сопротивление и такую же длину, как исследуемая КЦ1. Она разомкнута на конце. Наблюдаемый отраженный сигнал (рис.8) состоит из основного импульса, отраженного от конца КЦ1, и дополнительного – отраженного от конца второй линии. Дополнительное отражение начинается раньше основного, так как скорость распространения импульсов по второй линии оказалась выше, чем по КЦ1. Вторая линия остается разомкнутой даже при замыкании исследуемой линии, поэтому полярность дополнительного отраженного импульса совпадает с полярностью зондирующего.
Искажение рефлектограмм привело к возникновению дополнительной погрешности измерения расстояния до обрыва и короткого замыкания. Расстояния до обрыва и короткого замыкания, измеренные по неискаженным рефлектограммам 1 и 3, одинаковы и составляют 243 м. Расстояние до обрыва, измеренное по искаженной рефлектограмме 2, составляет 231 м, а расстояние до короткого замыкания, измеренное по искаженной рефлектограмме 4, составляет 248 м. Кроме того, наличие искажающего рефлектограмму отражения может быть ошибочно объяснено наличием неоднородности вблизи конца КЦ.
Результат этого эксперимента показывает, что при проведении измерений одной пары рефлектометром с двумя несимметричными входами/выходами ко второму входу/выходу нельзя подключать длинные проводники.
Решение проблемы заключается в использовании симметрирующих устройств, обеспечивающих симметричное подключение прибора к линии. На рис.7в показан вариант подключения с использованием симметрирующих трансформаторов. При симметричном подключении зондирующий сигнал поступает только в исследуемую КЦ и искажения отраженных импульсов на рефлектограммах отсутствуют (рис.8б).
Амплитуды отраженных импульсов на фрагментах рефлектограмм 1 и 2 на рис.8б несколько меньше, чем на фрагментах рефлектограмм 1 и 2 на рис.8а. Это обусловлено затуханием, вносимым симметрирующим трансформатором.
Пример 2. Измерение расстояния до места "разбитости" пар в режиме раздельных входа и выхода
Для строительства протяженных кабельных участков используют последовательные соединения нескольких строительных длин кабеля. При соединении (монтаже) строительных длин симметричных кабелей могут возникать ошибки, обусловленные неправильным соединением жил в соединительных муфтах (рис.9). Помимо единственного абсолютно правильного варианта (рис.9а), существуют ошибки монтажа, которые не приводят к увеличению взаимных влияний между парами: скрещивание проводников одной пары (рис.9б) и перепутывание пар (рис.9в). Во многих случаях с этими ошибками можно мириться. Иногда скрещивания соединяемых в муфтах КЦ делаются умышленно в каждой муфте для уменьшения систематической составляющей взаимных влияний между КЦ кабельного участка, состоящего из одинаковых строительных длин.
Разбитость пар (рис.9г) приводит к значительному увеличению взаимных влияний и должна быть обнаружена и исправлена. Для обнаружения и локализации "разбитости пар" часто используется режим с раздельными входом и выходом (рис.10), когда зондирующий сигнал подается в одну пару, а принимается из другой пары.
На рис.11 показаны рефлектограммы, зарегистрированные в этих схемах. Из рисунка видно, что несимметричное подключение приводит к существенным искажениям отраженных импульсов. Расстояние до места "разбитости пар", измеренное по неискаженной рефлектограмме 2, которая получена в схеме на рис.10б, составляет 147 м. Расстояние, измеренное по искаженной рефлектограмме 1, которая получена в схеме на рис.10а, составляет 137 м. Измеренное по оболочке кабеля расстояние до "разбитости пар", принимаемое за истинное, составляет 146 м. Погрешность измерения расстояния при несимметричном подключении прибора существенно выше. Искажение импульса, отраженного от "разбитости пар" на рис.11 (кривая 1), может быть ошибочно объяснено наличием расположенной рядом неоднородности, находящейся немного ближе к началу КЦ.
При работе с рефлектометром, имеющим несимметричные входы/выходы, без использования симметрирующих устройств в схеме с раздельными входом и выходом необходимо обращать внимание на порядок подключения проводников к рефлектометру. Будем считать исправными проводниками те, которые в муфте соединяются напрямую (проводники 0 и 3 на рис.9г), а неисправными те, которые в муфте соединяются с проводниками другой пары (проводники 1 и 2 на рис.9г). При правильном включении к общему проводу подключаются исправный проводник одной пары и неисправный проводник другой пары. Рефлектограмма, представленная на рис.11, зарегистрирована при таком включении. При неправильном включении (заземлении двух исправных или двух неисправных проводников) рефлектограмма дополнительно искажается (рис.12).
ИТОГИ
Представленные в статье материалы являются частью многолетних экспериментальных и теоретических исследований авторов, посвященных импульсной рефлектометрии. Они позволяют сформулировать следующие рекомендации для специалистов в области измерений параметров неоднородных КЦ и для разработчиков импульсных приборов и программного обеспечения к ним:
для корректного проведения измерений необходимо правильно выбрать параметры импульсного прибора и провести его настройку с учетом исследуемой КЦ и поставленных задач. На этапе разработки прибора необходимо предусмотреть наличие устройства согласования его выходной цепи с исследуемой КЦ, обеспечить вывод установленных значений всех параметров (в том числе величины выходного сопротивления и коэффициента усиления) на экран, выбрать пределы изменения параметров прибора в соответствии с его назначением;
для получения верных результатов измерений во многих случаях необходимо проведение дополнительной цифровой обработки зарегистрированных рефлектограмм. Отметим, что измерение некоторых параметров, например, затухания импульсов, коэффициента отражения, невозможно без проведения цифровой обработки [9]. Благодаря ей могут быть значительно уменьшены погрешности измерения других параметров, например расстояний. Мы рекомендуем разработчикам программного обеспечения для импульсных приборов предусматривать возможность применения цифровой обработки рефлектограмм;
для корректного проведения измерений на симметричных кабелях необходимо использовать симметрирующие устройства, которые следует включать в комплект поставки импульсного прибора.
В одной статье невозможно охватить все проблемы импульсных измерений, но авторы надеются, что их рекомендации окажутся полезными. В рефлектограммах содержится огромный объем информации о КЦ, которую можно извлечь путем их математической обработки и использовать для повышения точности и расширения функциональных возможностей импульсного метода.
Часть затронутых в статье вопросов, по мнению авторов, носят дискуссионный характер. Поэтому авторы рассчитывают на конструктивную критику, которая поможет им в дальнейшей работе.
Литература
1. Руководство по электрическим измерениям линий сельских телефонных сетей. – М.: Связь, 1977.
2. Руководство по электрическим измерениям линий магистральной и зоновой сетей связи. – М.: Связь, 1973.
3. Руководство по электрическим измерениям коаксиальных кабелей связи. – М, 1969.
4. ОСТ 45.01-98 Участки кабельные элементарные и секции кабельные линий передачи. Нормы электрические. Методы испытаний.
5. Былина М.С., Глаголев С.Ф. Повышение точности определения расстояний по рефлектограммам кабельных цепей. – КАБЕЛЬ-News, 2011, № 5.
6. Дюбов А.С. Разработка и исследование методики количественной оценки внутренних неоднородностей кабельных цепей методом импульсной рефлектометрии: автореф. дис. канд. техн. наук. СПб, 2011.
7. Андреев В.А. Временные характеристики кабельных линий связи. М.: Радио и связь, 1986.
8. Кабельный прибор – рефлектометр Гамма [Электронный ресурс]: Руководство по эксплуатации/Связьприбор. – URL: http://www.svpribor.ru/docs/6e797f73.pdf (дата обращения 01.08.2014).
9. Былина М.С., Глаголев С.Ф., Дюбов А.С. Новые возможности импульсного метода измерений параметров кабелей для цифровых систем передачи. – Электросвязь. 2010. № 2.
На экране наблюдают рефлектограмму – зависимость сигнала обратного потока от времени или расстояния. На рефлектограмме неоднородной КЦ (рис.1) наблюдаются отраженные импульсы, амплитуда, форма и полярность которых зависит от характера неоднородностей, коэффициентов отражения и расстояний до них.
Данный метод применяется для профилактических и аварийных измерений на воздушных, симметричных и коаксиальных линиях связи, а также на линиях электропередачи для локализации неоднородностей и повреждений. Его достоинства – возможность оперативно выявлять и локализовать неоднородности и повреждения в кабельных цепях при одностороннем доступе; простота проведения и наглядность результатов измерений; высокая информативность и широкие функциональные возможности.
До начала 90-х годов импульсные измерения входили в комплекс обязательных измерений на магистральных, внутризоновых и местных отечественных сетях связи [1–3]. Однако из более поздних редакций нормативных документов эти измерения были изъяты [4], что повлекло за собой потерю интереса к импульсному методу. Многие специалисты ошибочно полагают, что данный метод пригоден только для обнаружения и определения расстояния до грубых повреждений (обрыва и короткого замыкания).
Такое отношение к высокоинформативному методу измерений может быть частично обусловлено незнанием или пренебрежением обязательными процедурами подготовки прибора к проведению измерений. Эти процедуры включают в себя согласование рефлектометра с измеряемой КЦ и правильную установку его параметров – коэффициента укорочения, диапазона измерения расстояния (максимального расстояния), длительности зондирующего импульса, коэффициента усиления, начала и конца наблюдаемого участка рефлектограммы (параметров растяжки). Отметим, что для определения некоторых параметров неоднородных КЦ приходится регистрировать несколько рефлектограмм при различных установках параметров рефлектометра. Кроме того, в некоторых случаях измерение расстояния до места повреждения или неоднородности в симметричном кабеле должно проводиться только с использованием симметрирующих устройств.
В статье представлены рекомендации по практическому использованию рефлектометров, основанные на теоретических и многочисленных экспериментальных исследованиях.
СОГЛАСОВАНИЕ ВЫХОДНОЙ
ЦЕПИ ИМПУЛЬСНОГО ПРИБОРА С ВОЛНОВЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ КЦ
Эта процедура обязательна для исследования КЦ. Для корректного согласования необходим доступ к дальнему концу КЦ. Процедура согласования состоит из следующих этапов.
Идентификация импульса, отраженного от конца КЦ, и оценка длины КЦ
Для этого необходимо наблюдать рефлектограмму КЦ при ее замыкании и размыкании. Импульс, отраженный от конца КЦ, должен при этом менять свою полярность. Длина КЦ определяется расстоянием от начала зондирующего импульса до начала импульса, отраженного от конца КЦ. Дальнейшие действия могут проводиться при работе линии в режиме короткого замыкания или холостого хода.
Установка диапазона измерения расстояния
Диапазон измерения расстояния необходимо установить более чем в два раза превышающим длину КЦ l. В этом случае на расстоянии 2l можно наблюдать сигнал, который иногда не вполне корректно называют "фантомным". Он обусловлен трехкратным отражением от концов КЦ.
Согласование выходной цепи рефлектометра с исследуемой КЦ
Для достижения согласования необходимо изменять выходное сопротивление рефлектометра до максимального подавления трехкратного отражения.
Отметим, что процедура согласования может быть проведена при любом установленном в приборе коэффициенте укорочения.
Поскольку выходное сопротивление рефлектометра активное (в отличие от волнового сопротивления кабельной цепи, которое имеет как активную, так и реактивную составляющие, зависящие от частоты), достичь полного согласования прибора с исследуемой кабельной цепью невозможно. При приближении к режиму согласования сигнал после трехкратного отражения изменит свою форму (рис.2), приобретя два выброса разной полярности (первый – отрицательный, как при работе линии в режиме короткого замыкания, так и в режиме холостого хода).
Для достижения наилучшего согласования рекомендуется добиться равенства амплитуд выбросов положительной и отрицательной полярности (рис.3). Контролировать амплитуды выбросов рекомендуется при увеличенном усилении, растянув отраженный сигнал на большую часть экрана рефлектометра.
Поскольку в общем случае условия согласования исследуемой цепи зависят от длительности зондирующего импульса, процедуру согласования рекомендуется проводить при той же длительности зондирующего импульса, при которой будут осуществляться измерения. Наличие крупных неоднородностей ухудшает качество согласования.
УСТАНОВКА КОЭФФИЦИЕНТА УКОРОЧЕНИЯ
Коэффициент укорочения представляет собой отношение скорости света в вакууме к скорости распространения импульсов по КЦ и определяет связь между временем и расстоянием на рефлектограмме.
При установке коэффициента укорочения для цепей многопарного симметричного кабеля могут возникать следующие ситуации:
коэффициент укорочения КЦ kук известен, его и устанавливают;
коэффициент укорочения неизвестен, но известна длина кабеля l, тогда сначала устанавливают любое значение kук0, регистрируют рефлектограмму КЦ, работающей в режиме холостого хода или короткого замыкания, измеряют по ней длину КЦ lизм и рассчитывают коэффициент укорочения КЦ kyk, который можно впоследствии использовать для цепей кабеля данного типа:
kук = kук0l/lизм; (1)
коэффициент укорочения и длина кабеля неизвестны, тогда необходимо проводить дополнительные исследования, направленные либо на установление типа кабеля, либо на определение длины кабельной цепи, например, по измерениям рабочей емкости или сопротивления шлейфа при известном диаметре жил.
Среди специалистов-измерителей бытует упрощенное представление о коэффициенте укорочения как о параметре кабеля и уверенность в существовании для каждого типа кабеля единственного "правильного" значения коэффициента укорочения. В действительности скорость распространения импульсов по КЦ, а значит, и коэффициент укорочения зависят от формы и длительности зондирующего импульса. Кроме того, отдельные КЦ в многопарном симметричном кабеле имеют разные шаги скрутки, которые подбираются для эффективного подавления взаимных влияний между всеми кабельными цепями. За счет различных шагов скрутки все КЦ в кабеле имеют разную длину и, следовательно, разные коэффициенты укорочения. Поэтому коэффициент укорочения в строгом смысле – не параметр кабельной цепи, а рекомендуемые в литературе его значения для различных кабелей приближенны.
При измерениях длины кабеля и расстояний до неоднородностей импульсным методом и использовании рекомендованного значения kук возникает некоторая погрешность. Показано [5], что последующая обработка зарегистрированной и сохраненной в виде файла рефлектограммы позволяет исключить эту погрешность и уточнить расстояние до неоднородностей и длину кабельной цепи независимо от того, при каком коэффициенте укорочения была зарегистрирована рефлектограмма.
Коэффициент укорочения – единственная настройка рефлектометра, которую можно впоследствии откорректировать на уже зарегистрированных рефлектограммах.
ВЫБОР ДИАПАЗОНА
ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ
Обычно диапазон измерения расстояния устанавливают в соответствии с полной длиной измеряемой кабельной цепи. Если длина кабельной цепи неизвестна, но имеется доступ к ее дальнему концу, можно идентифицировать отраженный от дальнего конца импульс и оценить длину по методике, описанной выше в разделе "Согласование выходной цепи импульсного прибора с волновым сопротивлением КЦ". При установке максимального расстояния, меньшего длины кабельной цепи, на рефлектограмме могут возникнуть ложные (фантомные) отражения. При увеличении диапазона измерения они исчезают.
ВЫБОР ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСА
Длительность зондирующего импульса tp должна выбираться по двум критериям. Во-первых, отраженные от неоднородностей и повреждений импульсы на рефлектограмме исследуемого участка должны иметь амплитуду, достаточную для их уверенной локализации. Во-вторых, разрешающая способность рефлектограммы на исследуемом участке должна по возможности обеспечить различение импульсов, отраженных от соседних неоднородностей. Для увеличения амплитуды отраженных импульсов необходимо увеличивать длительность (мощность) зондирующего импульса, однако при этом ухудшается разрешающая способность. В [6] предлагается методика определения оптимального значения длительности зондирующего импульса tp опт для каждого расстояния l до анализируемого участка, предполагающая проведение большого объема вычислений. На ее основе авторами получено простое выражение для определения tp опт:
tp опт = Aτ0l2, (2)
где τ0 – удельная конструктивная постоянная КЦ в с/км2 (этот параметр для разных кабелей приведен, например, в [7]), l – расстояние в км, A = 10,6 – коэффициент аппроксимации. На рис.4 представлены графики зависимости tp опит от l для кабелей структурированных кабельных систем.
ВЫБОР КОЭФФИЦИЕНТА
УСИЛЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ РАСТЯЖКИ
Увеличение и уменьшение коэффициента усиления увеличивает или уменьшает амплитуды всех отраженных импульсов на рефлектограмме. Поэтому выбирать его величину следует, исходя из цели проводимых измерений.
Измерение затухания зондирующих импульсов в кабельной цепи
Измерения затухания импульсов могут проводиться по рефлектограмме разомкнутой или замкнутой кабельной цепи при использовании рефлектометров с объединенным входом/выходом. Методика измерения сводится к определению амплитуды зондирующего импульса Y1 и абсолютной величины амплитуды отраженного от конца кабельной цепи импульса Y2 и расчету затухания по выражению:
ap = 20lg(Y1/Y2). (3)
Для одновременного измерения амплитуд отраженного и зондирующего импульсов необходимо выбрать небольшой коэффициент усиления, чтобы исключить насыщение усилителя (рис.5). Растяжка при этих измерениях, как правило, не используется.
Для получения корректного результата перед измерением амплитуд необходимо устранить эффект "лыжи" и смещение нулевой линии. Некоторые современные рефлектометры снабжены функцией автоматической коррекции эффекта "лыжи" [8]. В этом случае достаточно снимать рефлектограмму, включив эту функцию. В противном случае рефлектограмму рекомендуется обработать по методике, описанной в [9].
Измерение параметров импульсов, отраженных от неоднородностей или повреждений КЦ
К измерению параметров импульсов сводятся многие задачи, решаемые рефлектометром, например, определение расстояния до неоднородности и коэффициента отражения от неоднородности.
Для измерения расстояния до неоднородности необходимо использовать растяжку и выбирать начало и конец наблюдаемого участка рефлектограммы, а также коэффициент усиления так, чтобы отраженный импульс по возможности занимал большую часть экрана как по вертикали, так и по горизонтали. Это позволит точнее локализовать точку начала отраженного импульса для определения расстояния до неоднородности.
Для корректного определения коэффициента отражения от неоднородности необходимо измерить амплитуду зондирующего импульса Y1 и амплитуду отраженного от неоднородности импульса Yr. Коэффициент отражения от неоднородности можно определить по выражению:
, (4)
где A1 и Ar – коэффициенты усиления в дБ, при которых измерялись амплитуды Y1 и Yr соответственно.
Амплитуда зондирующего импульса измеряется при небольшом коэффициенте усиления, который исключает насыщение усилителя.
Для измерения амплитуды отраженного импульса необходимо выбрать коэффициент усиления так, чтобы отраженный импульс по возможности занимал большую часть экрана по вертикали. Начало и конец наблюдаемого участка рефлектограммы следует выбрать с учетом необходимости устранения эффекта "лыжи" и смещения нулевой линии. Началом участка следует выбрать точку, расположенную после окончания зондирующего импульса, а концом – точку, расположенную после окончания отраженного от неоднородности импульса (рис.6).
Отметим, что для реализации возможности определения коэффициентов отражения от неоднородностей необходимо, чтобы у оператора была информация об установленном коэффициенте усиления.
ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СИММЕТРИЧНЫХ КЦ
Особую актуальность имеет исследование именно симметричных кабелей, которые продолжают использоваться на местных сетях (городских и сельских). Помимо традиционных телеграфных и телефонных сигналов по ним передают широкополосные цифровые сигналы. Симметричные кабели находят широкое применение также в локальных вычислительных сетях, в системах пожарной и охранной сигнализации и системах видеонаблюдения.
Современные цифровые импульсные приборы отечественного производства, например РЕЙС-205 и РИ-20М, имеют несимметричные входы/выходы с коаксиальными разъемами. При исследовании симметричных КЦ это может приводить к дополнительным погрешностям измерений. Проиллюстрируем это на примерах.
Пример 1. Одновременное подключение к рефлектометру двух КЦ для проведения измерений в режиме с общим входом и выходом
На рис.7 показаны две схемы подключения КЦ к рефлектометру для проведения измерений в режиме с общим входом и выходом. Схема на рис.7б с подключением к рефлектометру двух КЦ используется для экономии времени измерителя при работе с многопарным кабелем. Она позволяет одновременно регистрировать рефлектограммы сразу двух КЦ в режиме с общим входом и выходом, а также быстро переходить к режиму с раздельными входом и выходом.
Сравним фрагменты рефлектограмм (рис.8а) подключенной к входу L1 КЦ1, содержащие отраженные от повреждения (обрыва и короткого замыкания) импульсы, в схемах на рис.7а и 7б. Все представленные рефлектограммы были зарегистрированы рефлектометром РЕЙС-205 при одних и тех же настройках. Видно, что подключение КЦ2 исказило рефлектограммы исследуемой КЦ1. Причину искажения рефлектограмм можно пояснить следующим образом. В схеме на рис.7б зондирующий сигнал поступает одновременно в две линии, одна из которых – исследуемая КЦ1, а вторая образуется незаземленным проводником КЦ1 и двумя заземленными проводниками, один из которых принадлежит КЦ1, а другой – КЦ2. Вторая линия имеет свое затухание, удельную задержку, волновое сопротивление и такую же длину, как исследуемая КЦ1. Она разомкнута на конце. Наблюдаемый отраженный сигнал (рис.8) состоит из основного импульса, отраженного от конца КЦ1, и дополнительного – отраженного от конца второй линии. Дополнительное отражение начинается раньше основного, так как скорость распространения импульсов по второй линии оказалась выше, чем по КЦ1. Вторая линия остается разомкнутой даже при замыкании исследуемой линии, поэтому полярность дополнительного отраженного импульса совпадает с полярностью зондирующего.
Искажение рефлектограмм привело к возникновению дополнительной погрешности измерения расстояния до обрыва и короткого замыкания. Расстояния до обрыва и короткого замыкания, измеренные по неискаженным рефлектограммам 1 и 3, одинаковы и составляют 243 м. Расстояние до обрыва, измеренное по искаженной рефлектограмме 2, составляет 231 м, а расстояние до короткого замыкания, измеренное по искаженной рефлектограмме 4, составляет 248 м. Кроме того, наличие искажающего рефлектограмму отражения может быть ошибочно объяснено наличием неоднородности вблизи конца КЦ.
Результат этого эксперимента показывает, что при проведении измерений одной пары рефлектометром с двумя несимметричными входами/выходами ко второму входу/выходу нельзя подключать длинные проводники.
Решение проблемы заключается в использовании симметрирующих устройств, обеспечивающих симметричное подключение прибора к линии. На рис.7в показан вариант подключения с использованием симметрирующих трансформаторов. При симметричном подключении зондирующий сигнал поступает только в исследуемую КЦ и искажения отраженных импульсов на рефлектограммах отсутствуют (рис.8б).
Амплитуды отраженных импульсов на фрагментах рефлектограмм 1 и 2 на рис.8б несколько меньше, чем на фрагментах рефлектограмм 1 и 2 на рис.8а. Это обусловлено затуханием, вносимым симметрирующим трансформатором.
Пример 2. Измерение расстояния до места "разбитости" пар в режиме раздельных входа и выхода
Для строительства протяженных кабельных участков используют последовательные соединения нескольких строительных длин кабеля. При соединении (монтаже) строительных длин симметричных кабелей могут возникать ошибки, обусловленные неправильным соединением жил в соединительных муфтах (рис.9). Помимо единственного абсолютно правильного варианта (рис.9а), существуют ошибки монтажа, которые не приводят к увеличению взаимных влияний между парами: скрещивание проводников одной пары (рис.9б) и перепутывание пар (рис.9в). Во многих случаях с этими ошибками можно мириться. Иногда скрещивания соединяемых в муфтах КЦ делаются умышленно в каждой муфте для уменьшения систематической составляющей взаимных влияний между КЦ кабельного участка, состоящего из одинаковых строительных длин.
Разбитость пар (рис.9г) приводит к значительному увеличению взаимных влияний и должна быть обнаружена и исправлена. Для обнаружения и локализации "разбитости пар" часто используется режим с раздельными входом и выходом (рис.10), когда зондирующий сигнал подается в одну пару, а принимается из другой пары.
На рис.11 показаны рефлектограммы, зарегистрированные в этих схемах. Из рисунка видно, что несимметричное подключение приводит к существенным искажениям отраженных импульсов. Расстояние до места "разбитости пар", измеренное по неискаженной рефлектограмме 2, которая получена в схеме на рис.10б, составляет 147 м. Расстояние, измеренное по искаженной рефлектограмме 1, которая получена в схеме на рис.10а, составляет 137 м. Измеренное по оболочке кабеля расстояние до "разбитости пар", принимаемое за истинное, составляет 146 м. Погрешность измерения расстояния при несимметричном подключении прибора существенно выше. Искажение импульса, отраженного от "разбитости пар" на рис.11 (кривая 1), может быть ошибочно объяснено наличием расположенной рядом неоднородности, находящейся немного ближе к началу КЦ.
При работе с рефлектометром, имеющим несимметричные входы/выходы, без использования симметрирующих устройств в схеме с раздельными входом и выходом необходимо обращать внимание на порядок подключения проводников к рефлектометру. Будем считать исправными проводниками те, которые в муфте соединяются напрямую (проводники 0 и 3 на рис.9г), а неисправными те, которые в муфте соединяются с проводниками другой пары (проводники 1 и 2 на рис.9г). При правильном включении к общему проводу подключаются исправный проводник одной пары и неисправный проводник другой пары. Рефлектограмма, представленная на рис.11, зарегистрирована при таком включении. При неправильном включении (заземлении двух исправных или двух неисправных проводников) рефлектограмма дополнительно искажается (рис.12).
ИТОГИ
Представленные в статье материалы являются частью многолетних экспериментальных и теоретических исследований авторов, посвященных импульсной рефлектометрии. Они позволяют сформулировать следующие рекомендации для специалистов в области измерений параметров неоднородных КЦ и для разработчиков импульсных приборов и программного обеспечения к ним:
для корректного проведения измерений необходимо правильно выбрать параметры импульсного прибора и провести его настройку с учетом исследуемой КЦ и поставленных задач. На этапе разработки прибора необходимо предусмотреть наличие устройства согласования его выходной цепи с исследуемой КЦ, обеспечить вывод установленных значений всех параметров (в том числе величины выходного сопротивления и коэффициента усиления) на экран, выбрать пределы изменения параметров прибора в соответствии с его назначением;
для получения верных результатов измерений во многих случаях необходимо проведение дополнительной цифровой обработки зарегистрированных рефлектограмм. Отметим, что измерение некоторых параметров, например, затухания импульсов, коэффициента отражения, невозможно без проведения цифровой обработки [9]. Благодаря ей могут быть значительно уменьшены погрешности измерения других параметров, например расстояний. Мы рекомендуем разработчикам программного обеспечения для импульсных приборов предусматривать возможность применения цифровой обработки рефлектограмм;
для корректного проведения измерений на симметричных кабелях необходимо использовать симметрирующие устройства, которые следует включать в комплект поставки импульсного прибора.
В одной статье невозможно охватить все проблемы импульсных измерений, но авторы надеются, что их рекомендации окажутся полезными. В рефлектограммах содержится огромный объем информации о КЦ, которую можно извлечь путем их математической обработки и использовать для повышения точности и расширения функциональных возможностей импульсного метода.
Часть затронутых в статье вопросов, по мнению авторов, носят дискуссионный характер. Поэтому авторы рассчитывают на конструктивную критику, которая поможет им в дальнейшей работе.
Литература
1. Руководство по электрическим измерениям линий сельских телефонных сетей. – М.: Связь, 1977.
2. Руководство по электрическим измерениям линий магистральной и зоновой сетей связи. – М.: Связь, 1973.
3. Руководство по электрическим измерениям коаксиальных кабелей связи. – М, 1969.
4. ОСТ 45.01-98 Участки кабельные элементарные и секции кабельные линий передачи. Нормы электрические. Методы испытаний.
5. Былина М.С., Глаголев С.Ф. Повышение точности определения расстояний по рефлектограммам кабельных цепей. – КАБЕЛЬ-News, 2011, № 5.
6. Дюбов А.С. Разработка и исследование методики количественной оценки внутренних неоднородностей кабельных цепей методом импульсной рефлектометрии: автореф. дис. канд. техн. наук. СПб, 2011.
7. Андреев В.А. Временные характеристики кабельных линий связи. М.: Радио и связь, 1986.
8. Кабельный прибор – рефлектометр Гамма [Электронный ресурс]: Руководство по эксплуатации/Связьприбор. – URL: http://www.svpribor.ru/docs/6e797f73.pdf (дата обращения 01.08.2014).
9. Былина М.С., Глаголев С.Ф., Дюбов А.С. Новые возможности импульсного метода измерений параметров кабелей для цифровых систем передачи. – Электросвязь. 2010. № 2.
Отзывы читателей
