Рефлектометры для металлических кабелей: принцип действия

Для локализации дефектов в металлических кабелях может применяться еще один измерительный прибор - рефлектометр.

Рефлектометр использует метод измерения отраженного сигнала, который дополняет ранее рассмотренные нами методы поиска повреждений и в некоторых случаях дает более точные результаты: при определении мест перепутывания проводов, обрыва жил кабеля и поиска «плавающих» неисправностей. Кроме того, он позволяет идентифицировать наличие нескольких повреждений при их наложении, а также определить расстояние до каждого.

�

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РЕФЛЕКТОМЕТРОВ

Рефлектометр выявляет неоднородностилинии связи (и, в частности, витой симметричной пары) путем измерения отраженного от них сигнала. Для этого в проверяемую пару кабеля подаются короткие электрические импульсы постоянного тока. Если в кабеле имеется неоднородность, энергия импульса полностью или частично отражается обратно к прибору. Как посылаемый импульс, так и все его отражения выводятся на дисплей. Неоднородность импеданса может возникать вследствие различных причин, каждой из которых соответствует свойственное только ей отражение. Именно благодаря этому обстоятельству удается по форме и положению отраженного на дисплее импульса определить не только место, но и характер неисправности.

Описанный принцип определения состояния пары кабеля на основе параметров отраженного импульса называют рефлектометрией во временной области (Time Domain Reflectometry, TDR). По своей сути он идентичен используемому в радиосистемах принципу радиолокации.

Метод измерения сигнала на выходе тестируемой линии (называемый также методом падающей волны) дает только интегральную оценку состояния линии и требует наличия двух приборов — генератора на передающей стороне и измерителя сигнала на приемной. Напротив, метод рефлектометрии, во-первых, позволяет определить состояние линии в любой ее точке, а во-вторых, измерительный прибор нужен только на одном конце линии. Именно последняя особенность объясняет широкую популярность рефлектометров TDR при тестировании линий связи.

Для определения расстояния до места повреждения кабеля или неоднородности импеданса необходимо просто задать коэффициент распространения (в отечественных приборах — коэффициент укорочения) и пределы измерения. Установка коэффициента распространения требуется для того, чтобы рефлектометр «знал», как быстро распространяется электрический импульс по кабелю определенного типа. После фиксации импульса прибор автоматически выполнит все расчеты и отобразит расстояние до места повреждения кабеля.

Прежде чем рассмотреть ключевые параметры и возможности рефлектометров, кратко опишем основные особенности витой симметричной пары, поскольку они имеют самое непосредственное отношение к работе рефлектометра.

Как известно, любая симметричная пара представляет собой двухпроводную электрическую линию, состоящую из цепочки последовательно включенных элементарных участков. Каждый такой участок — это симметричный четырехполюсник из четырех элементов: активного сопротивления R, индуктивности L, емкости C и активной проводимости G.

При распространении по витой паре гармонического сигнала отношение напряжения и тока в каждой ее точке называют входным сопротивлением витой пары. Если витую пару нагрузить на ее конце на сопротивление, равное

Zc = ё(R + jwL)/(G + jwC), где w = 2pf, то входное сопротивление витой пары влюбой ее точке будет одинаковым и равным Zc.

Это типичное для каждой витой пары входное сопротивление называют ее волновым или характеристическим сопротивлением. В такой идеальной линии сигнал достигает ее конца и полностью поглощается сопротивлением Zc. Обычно подобными свойствами обладает так называемая строительная длина кабеля, в единицах которой измеряется кабельная продукция завода-изготовителя.

Если витая пара нагружена на сопротивление ZL, отличающееся от Zc, то в этой ее точке часть энергии зондирующего импульса будет поглощена нагрузкой, а часть, изменив направление, станет распространяться обратно в сторону источника сигнала. Относительной мерой мощности отраженного сигнала является так называемый коэффициент отражения p = (ZL – Zc)/ (ZL + Zc).

При ZL = Zc коэффициент отражения равен 0, т. е. отражение отсутствует. В этом случае говорят, что линия согласована с нагрузкой идеально.

При наличии неоднородности или дефекта в произвольной точке линии связи «х», где Zx № Zc, коэффициент отражения p = (Zx — Zc)/(Zx + Zc) будет всегда отличен от нуля, и, следовательно, часть энергии зондирующего импульса будет отражаться. При этом возможны два предельных случая — обрыв витой пары или короткое замыкание ее жил.

При обрыве витой пары Zx имеет бесконечно большое значение, и р = ( – Zc)/(+ Zc) / = 1.

В этом случае зондирующий импульс полностью отразится от точки обрыва без изменения его фазы и вернется на вход приемника рефлектометра с той же полярностью.

Если в точке X произошло короткое замыкание витой пары, то Zx = 0. Тогда р = (0 — Zc)/(0 + Zc) = = –Zc/+Zc = –1. Зондирующий импульс также полностью отразится от точки короткого замыкания. Однако его фаза претерпит скачок на 1800. Поэтому отраженный импульс вернется на вход приемника рефлектометра с противоположной полярностью.

При промежуточных состояниях витой пары, когда имеет место, например, частичный холостой ход (partial open) или частичное короткое замыкание (partial short), картина отраженного сигнала более сложна по сравнению с рефлектограммами для случаев полного обрыва или полного короткого замыкания витой пары. Безусловно, расшифровка каждой рефлектограммы требует привлечения опытного специалиста. Нередко ситуацию облегчает существующий типовой набор возможных комбинаций повреждений витой пары.

Точность определения места неоднородности или дефекта витой пары всецело зависит от точности задания скорости распространения сигнала по витой паре.

Электромагнитная энергия распространяется по симметричной паре с определенной конечной скоростью, которая является функцией параметров витой пары и частоты сигнала. Как известно, абсолютная скорость распространения сигнала в кабеле определяется формулой: V = w/b, где w = 2pf, а b представляет собой коэффициент фазы — функции первичных параметров витой пары. Скорость V увеличивается с ростом частоты, однако всегда меньше скорости света.

Количественной мерой скорости распространения(Velocity of Propagation, VoP) сигнала стал так называемый VOP-фактор, его численное значение равноотношению скорости распространения сигнала в электрической цепи к скорости распространения света в вакууме. Значение VOP-фактора для симметричной пары определяется диаметром провода, расстоянием между жилами и типом диэлектрика, а, кроме того, оно зависит от температуры окружающей среды и может изменяться в процессе старения кабеля. Допустимым отклонением VOP от паспортного значения считается величина не более 3%.