Измерительные мосты. Принципы измерений: мосты Уитстона, Муррея, Хилборна/Графа, Купфмюллера.

Измерения при переменном токе удобно использовать для локализации обрывов жил. В случае экранированного кабеля это лучше всего сделать посредством измерения емкости каждой из жил относительно экрана. Зная погонную емкость жилы Cпог, длину оборванной жилы можно рассчитать по формуле L_пары = C_ж-э/C_пог.

При измерении емкости жил оборванной цепи жилы остальных цепей кабельного пучка соединяют между собой и с надежно заземленным экраном. Если результаты измерений емкости обеих жил одинаковы, то это означает, что и та и другая оборваны в одном месте. Разные значения указывают на наличие обрыва только в одной жиле, причем в той, емкость которой меньше. Расстояние до места обрыва вычисляется по формуле L_пары = C_ж-э/C_пог, где C_ж-э и C_пог — измеренная и погонная емкость жилы.

Очень важно помнить, что существенное влияние на результат измерений оказывают дефекты экрана кабеля. С помощью рассмотренной выше схемы можно определить и место обрыва экрана кабеля. Для этого экран отключают от заземления и затем с обеих сторон измеряют его емкость относительно земли. Место обрыва вычисляется исходя из отношения результатов этих измерений и длины кабеля (если она неизвестна, необходимо использовать измерения длины шлейфа жил любой пары при постоянном токе). Расстояние до обрыва устанавливается приблизительно — на основании измеренной емкости экрана и его погонной емкости (она оценивается как 0,083 от погонной емкости жилы относительно экрана).

Если кабель не экранирован, то расстояние до места обрыва можно определить, измерив емкость пары жил. Однако применение мостовой схемы Уитстона (Wheatstone) не обеспечивает достаточную точность. Впрочем, и в случае измерений при постоянном токе к схеме Уитстона для локализации неисправности прибегают редко.

Чаще всего предпочтение отдается мосту Муррея (Murray), поскольку эта схема обеспечивает возможность измерения разности сопротивлений в двух плечах. Так, например, измеряют асимметрию при постоянном токе, которая оценивается относительной величиной разности сопротивлений жил. Из рисунка хорошо видно, что именно она и будет определена посредством моста Муррея. Асимметрия витой пары при переменном токе измеряется аналогично.

Это же свойство моста Муррея используется и при локализации еще целого ряда неисправностей. Наиболее распространенные — пониженное сопротивление изоляции и замыкание одной из жил. При измерениях неизвестные значения сопротивления дефекта RF и сопротивления экрана Rэкр включаются в оба плеча моста, поэтому они взаимно компенсируются, и их величина не играет роли.

При переменном токе место обрыва одного из проводников пары можно локализовать с помощью моста Муррея намного точнее, чем это обеспечивает мост Уитстона. Более того, в этом случае не нужна информация о погонной емкости жил кабеля — отношение емкостей С₁ и С₂ укажет на соотношение расстояния до дефекта к длине всей пары.

Немного сложнее схема измерения для локализации места с пониженным сопротивлением изоляции между жилами одной пары. И здесь используется эффект компенсации неизвестных величин.

Во всех измерительных схемах при постоянном токе для моста Муррея помимо жилы с локализуемым дефектом задействуется дополнительный проводник. Им может быть только жила той же пары или одной из свободных пар в том же кабеле, так как важно, чтобы RDTS (сопротивление дополнительной жилы) равнялось сумме сопротивлений R_DTF+R_STF для жилы, в которой имеется дефект. Поскольку всегда существует вероятность дефекта в одной жиле из-за некачественного контакта в месте сращивания двух участков кабеля, то никогда нельзя быть до конца уверенным в точности измерения.

Устранить этот недостаток позволяет измерительная схема моста Хилборна/Графа (Hilborn/Graf). Как видно из рисунка, хотя схема основана на двух дополнительных проводниках, вклад их сопротивления можно свести к минимуму, если будет выполняться соотношение R₃+R₄ ≥ R_DTS. Так же, как и мост Муррея, мост Хилборна/Графа пригоден для локализации пониженного сопротивления изоляции одной или двух жил.

Мост Хилборна/Графа имеет и другие достоинства — только с его помощью можно локализовать неисправность в кабеле, где все жилы замкнуты. Благодаря нечувствительности к значению сопротивления дополнительных проводников для локализации можно задействовать не только жилы кабеля, в котором ищется неисправность, но и два других проводника (как пару жил другого кабеля, так и пару любых других проводников). Именно это свойство моста Хилборна/Графа обеспечивает успешный поиск места в кабеле, где все его жилы имеют пониженное сопротивление изоляции (такой дефект возникает, например, в результате сплавления жил при ударе молнии или сильного замыкания кабеля с бумажной изоляцией жил).

Дополнительная пара проводников имеется не всегда. Второго параллельно идущего кабеля может попросту не оказаться, а при больших расстояниях тянуть внешние проводники невыгодно. Данную проблему решает измерительная схема моста Купфмюллера (Kupfmuller): с ее помощью можно обойтись без дополнительных проводников за счет выполнения двух измерений на разомкнутой (1) и замкнутой (2) паре с последующим вычислением результата. Метод Купфмюллера накладывает два ограничения на параметры элементов измерительной схемы, но тем не менее иногда он остается последней надеждой — некоторые дефекты такого рода невозможно локализовать даже с помощью рефлектометра из-за их «невыраженности».

Принятые обозначения

В большинстве зарубежных приборов для обозначения длин различных участков кабеля с локализуемой неисправностью используются следующие интуитивно понятные и удобные обозначения, которые и были выбраны для приведенных в статье рисунков:

DTS = Distance To Strap (расстояние от места подключения прибора до места установки перемычки-замыкателя на дальнем конце);

DTF = Distance To Fault (расстояние от места подключения прибора до места повреждения пары);

STF = Strap To Fault (расстояние от места повреждения до места установки перемычки-замыкателя на дальнем конце пары);

DTE = Distance To End (расстояние от места подключения прибора до конца витой пары);

ETF = End To Fault (расстояние от места повреждения до дальнего от прибора конца кабельной линии).