Імпульсний метод вимірювання неоднорідностей ліній зв’язку

Імпульсний метод вимірювання повітряних і кабельних ліній зв’язку ґрунтується на явищі часткового або повного відбиття електромагнітних хвиль у місцях зміни (неоднорідності) хвильового опору кола. Ці зміни виникають у результаті порушень технології виробництва симетричних і коаксіальних кабелів, а також внаслідок механічних та електричних ушкоджень кола при прокладанні, монтажі і експлуатації ліній зв’язку.

Принцип імпульсних вимірювань полягає в тому, що у вимірювану лінію подаються короткочасні імпульси напруги (зондувальні імпульси), які, поширюючись по лінії, частково відбиваються від неоднорідностей хвильового опору і повертаються до місця, звідки були послані. Зондувальний імпульс і відбиті сигнали відтворюються на екрані електронно-променевої трубки з часовою розгорткою променя. Крива, що спостерігається на екрані ЕПТ, називається імпульсною характеристикою лінії. На імпульсній характеристиці відбиті сигнали будуть зміщені за часом відносно зондувального імпульсу пропорційно відстані до неоднорідності (ушкодження). Вимірюючи інтервал часу t між моментом посилки зондувального імпульсу в лінію і моментом приходу відбитого від неоднорідності імпульсу та знаючи швидкість v поширення електромагнітної енергії (імпульсу) у даній лінії, можна обчислити відстань l від місця виміру до неоднорідності за формулою

                                                                           (1)

Швидкість поширення імпульсу (електромагнітної енергії) по лінії визначається її первинними параметрами і дорівнює груповій швидкості електромагнітної хвилі. Для високих частот (> 40 кГц), де можна знехтувати дисперсією, групова швидкість практично не залежить від частоти і збігається з фазовою швидкістю, що визначається зі співвідношення

                                                      (2)

де L - індуктивність кола, Гн/км; С - ємність кола, Ф/км; v - швидкість поширення електромагнітної енергії у вільному просторі (с=3•10⁵ км/с); e - відносна діелектрична проникність ізоляції кабелю.

На практиці для оцінки швидкості поширення електромагнітної енергії в лінії часто використається поняття коефіцієнта укорочення довжини хвилі. Коефіцієнт укорочення довжини хвилі характеризує зменшення швидкості поширення електромагнітної енергії в лінії в порівнянні зі швидкістю поширення енергії у вільному просторі

,                                                           (3)

де e - діелектрична проникливість ізоляції кабеля.

На високих частотах і для високодобротних ліній зв’язку, коли можна зневажити активними первинними параметрами передачі R і G у порівнянні з реактивними L і С, коефіцієнт укорочення, як випливає з (2), чисельно дорівнює квадратному кореню з ефективної діелектричної проникності ізоляції кабелю.

Разом із вищезгаданими параметрами при імпульсних вимірюваннях часто користуються поняттям часу затримки, визначеного як час проходження фронту хвилі по відрізку лінії довжиною в один кілометр:

                                                            (4)

Імпульсний метод дозволяє визначати не тільки відстань до місця ушкодження, але й характер ушкодження, тому що залежно від характеру ушкодження на імпульсній характеристиці досліджуваного кола отримуються викиди різної полярності. Дійсно, амплітуда U_відб відбитого імпульсу пов’язана з амплітудою U₃ зондувальних імпульсів виразом

                                                                (5)

де р={Z_H–Zb) I {Z_H+Zb) – коефіцієнт відбиття в місці ушкодження, а – коефіцієнт згасання кола, l – відстань до місця ушкодження, Z_B – хвильовий опір кола і Z_H – опір навантаження в місці ушкодження.

Опір навантаження в місці ушкодження визначається характером неоднорідності. При ушкодженні ізоляції (див. рис.1,а) величина цього параметра визначається за формулою

                                               (6)

де R_ізол – опір ізоляції.

У випадку зосередженої омічної асиметрії величиною AR (поганий контакт, кабельна вставка, окислення дроту) (див. рис.1,б) маємо

                                                        (7)

Для комбінованого ушкодження (див. рис. 1,в) величина опору навантаження в місці ушкодження визначається як

                                       (8)

У випадку конструктивної неоднорідності Z_B і Z_H – хвильові опори попередньої зосередженої неоднорідності та наступного за нею ділянок кола відповідно. Терміном “зосереджена неоднорідність” підкреслюється, що відстань Δ l, на якому відбувається зміна хвильового опору кола (область локалізації неоднорідності), повинне задовольняти співвідношенню Δ l<<λ, де λ – довжина електромагнітної хвилі в колі зв’язку (у лініях зв’язку ця умова, як правило, виконується). У випадку Δ l>>λ, неоднорідність є розподіленою або плавною, відбиття від неї вкрай малі і їх можна не враховувати. Відмітимо також, що неоднорідність і ушкодження відрізняються між собою тільки величиною (ступенем) зміни хвильових властивостей кола зв’язку. Якщо неоднорідність приводить до неприпустимого погіршення якості зв’язку, то вона вважається ушкодженням. Такі ушкодження, як обрив і коротке замикання, є граничними значеннями неоднорідностей.

З виразу (5) випливає, що при відсутності ушкоджень (R_m = ¥; D R = 0) Z_H = Z_B, коефіцієнт відбиття р дорівнює нулю і відбиття імпульсу в крапці l не відбувається (див. рис. 2,а).

При обриві ( D R = ¥; Z_H = 0; р = 1) або збільшенні послідовного опору, наприклад, поганому контакті ( D R > 0; Z_H > Z_B; 0 <р< 1) коефіцієнт відбиття має додатні значення (р > 0). Відбитий імпульс має однакову полярність із зондувальної і на імпульсній характеристиці кола ушкодження буде відзначено викидом нагору (див. рис. 2,б).

При короткому замиканні (R _ізол = ¥; Z_H = 0; р = -1) або ушкодженні ізоляції, витоку (R_ізол < ¥; Z_H < Z_В; -1 <p < 0) коефіцієнт відбиття має від’ємні значення (р < 0). Полярності зондувальних і відбитого імпульсів протилежні і на імпульсній характеристиці кола ушкодження буде відзначено викидом униз (див. рис. 2,в).

У випадку ушкодження лінії в декількох місцях її імпульсна характеристика має відповідне число викидів.

Імпульсні характеристики, зображені на рис. 2,а, б, в, є ідеальними. Для реальної лінії через наявність у ній різного роду неоднорідностей технологічного характеру (внутрішніх і стикових) імпульсна характеристика має звивисту форму з безліччю дрібних імпульсів різної полярності. При наявності ушкоджень у лінії на ці дрібні імпульси накладаються імпульси з більшою амплітудою.

Таким чином, знак (полярність) відбитого імпульсу відображає характер неоднорідності (ушкодження), вказуючи на характер зміни хвильового опору в місці знаходження неоднорідності (ушкодження) у порівнянні з номінальним хвильовим опором: в сторону збільшення, що характерно для обриву і збільшення послідовного опору, або убік зменшення, що характерно для короткого замикання і витоку. Для того щоб відрізнити обрив від збільшення послідовного опору та коротке замикання від витоку (зменшення опору ізоляції), необхідно оцінити амплітуду відбитого імпульсу, оскільки вона залежить за інших рівних умов від величини неоднорідності, змінюючись від нуля при відсутності неоднорідності до максимуму при обриві й короткому замиканні. У загальному випадку амплітуда відбитого імпульсу залежить не тільки від величини неоднорідності (чим більше неоднорідність, тим більше амплітуда відбитого імпульсу), але, як випливає зі співвідношення (5), також від відстані до місця неоднорідності і згасання a досліджуваної лінії. Чим більша ця відстань і згасання лінії, тим сильніше слабшає зондувальний імпульс і тим менша амплітуда відбитого імпульсу. Якщо в лінії немає ушкоджень, і вона навантажена на опір, рівний її хвильовому опору Z_В, то посилає імпульс, який, повністю поглинається лінією та опором навантаження й ніяких відбиттів імпульсу спостерігатися не буде.

Імпульсний метод визначення характеру і місця ушкодження (неоднорідності) реалізується способом зондування лінії не тільки коротким відеоімпульсом, але й одиничним перепадом напруги. Метод зондування кабелю коротким відеоімпульсом застосовується в основному для пошуку і визначення місця розташування ушкодження й окремих великих неоднорідностей. При цьому відбувається відбиття відеоімпульсу від початку й кінця неоднорідності, що рівносильно одержанню похідної розподілу неоднорідностей кабелю. Проте ефективність цього методу різко знижується при наявності в лінії складних неоднорідностей - наступних один за одним декількох протяжних неоднорідностей, плавної зміни хвильового опору уздовж лінії та ін.

Метод зондування кабелю одиничним перепадом напруги дає повну картину зміни хвильового опору уздовж лінії. Використовуючи одночасно обидва методи, можна одержати більш повну інформацію про стан лінії шляхом порівняння імпульсних характеристик, отриманих різними методами зондування.

Перевагами імпульсного методу вимірювань є: швидкість вимірювань, можливість визначення будь-якого виду ушкодження, включаючи ушкодження, що мають нестійкий у часі характер, можливість визначення одночасно декількох ушкоджень, наявних на лінії.

Недоліками імпульсного методу є його порівняно невисока точність і слабка чутливість до зниження опору ізоляції, тому що навіть при значному зниженні її в порівнянні з нормами величина опору ізоляції в багато разів більше хвильового опору кола й тому майже не впливає на вхідний опір Z_вх ушкодженої ділянки кола. Імпульсним методом можна визначити місце ушкодження ізоляції тільки при перехідному опорі в ньому не більше 2 кОм. Тому імпульсний метод не виключає, а доповнює інші методи визначення місць ушкодження кіл ліній зв’язку на постійному і змінному струмах, і в деяких ситуаціях дає більш точні результати. Цей метод застосовується в тих випадках, коли його використання найбільш ефективне або він є єдино можливим методом проведення вимірювань.

Похибка визначення відстані до місця ушкодження імпульсним методом на симетричних кабельних лініях зв’язку не перевищує 2% від дійсної відстані до місця ушкодження, а на повітряних лініях зв’язку – 2% від довжини вимірюваної лінії.

Виконуються імпульсні виміри за допомогою спеціальних приладів - імпульсних вимірників неоднорідностей ліній.

Імпульсні прилади для вимірів на кабельних лініях підрозділяються на два типи: прилади для оцінки величини неоднорідності та кінцевих значень хвильового опору коаксіальних пар, і прилади для визначення місця і характеру ушкодження. За допомогою імпульсних приладів першого типу на заводі після виготовлення коаксіального кабелю, а також при прокладанні й монтажі його на магістралі ведеться контроль за величиною неоднорідності кабелю (у заводських умовах неоднорідність перевіряють на будівельних довжинах, у процесі монтажу й експлуатації - на ділянках довжиною до 9 км). Прилади другого типу в основному використаються в процесі експлуатації ліній зв’язку.

Прилади, призначені для визначення характеру і місця ушкодження на кабельних лініях зв’язку, як правило, мають широкі можливості та дозволяють проводити виміри на різних типах кабелів довжиною від одиниць метрів до десятків кілометрів. До таких приладів відносяться Р5-1, Р5-1А, Р5-5, Р5-8, Р5-9, Р5-10, Р5-11, Р5-13.