Тестирование и диагностика в радиоэлектронных системах передачи

В настоящее время актуальной задачей производственных измерений становится не только организация систем контроля качества, но и создание центров входного контроля кабельной продукции на предприятиях. Основной движущей силой этого процесса выступает конкуренция и необходимость контроля качества.

Компании-производители кабельной продукции анализируют параметры качества кабеля средствами выходного контроля. Следующим шагом является входной контроль компа-

ниями, непосредственно занимающимися прокладкой кабелей. Такая практика еще мало практикуется, однако развитие измерительной технологии приведет к росту интереса к сис-

темным измерениям кабелей.

Анализ кабеля в бухтах относится к разряду стандартной задачи анализа параметров четырехполюсников и решается при помощи анализаторов цепей (Network Analyzers). Эти приборы содержат генератор и анализатор спектра, синхронизированные друг с другом.

Различают скалярные и векторные анализаторы цепей. Векторные анализаторы цепей обеспечивают анализ амплитуды и фазы принимаемого сигнала и могут использоваться для анализа не только АЧХ кабеля, но и комплексного импеданса и погонной емкости кабеля.

При измерениях кабеля в бухтах анализируют:

погонное сопротивление и импеданс кабеля;

сопротивление изоляции;

зависимость затухания в кабеле от частоты;

параметры отражения сигнала (уровень возвратных потерь, коэффициент отра-

жения и т.д.).

Анализ погонного сопротивления и импеданса кабеля, а также зависимости затухания в кабеле от частоты выполняется анализаторами цепей общего применения. Для анализа сопротивления изоляции используют специализированные приборы – анализаторы со-

противления изоляции, работающие по принципу анализаторов цепей, но с учетом специ-

фики измерений: анализатор цепей подает в цепь изоляции высокое напряжение, затем измеряется ток утечки. Генератор должен быть в этом случае мощным, а анализатор – высокочувствительным.

Приемосдаточные и регламентные измерения магистральных кабелей

Эти две группы измерений наиболее полно освещены в отечественных стандартах, а

также многочисленных справочниках по эксплуатации магистральных кабелей. Для каждого из типов используемых в отечественной практике магистральных кабелей в данных стандар-

тах указан перечень измеряемых параметров, предельные нормы на них, а также рекомендо-

ванный график регламентных работ и их состав.

Обычно измерения кабелей на этапе пуска-наладки включают:

111

анализ затухания на составном кабеле, на его участках и в соединительных муфтах на частоте, равной половине от несущей (например, затухание в кабелях для системы передачи Е1 (2048 кбит/с) измеряется на частоте 1024 кГц и т.д.);

измерение омического сопротивления кабеля;

измерение переходного затухания;

измерение емкости кабеля;

измерение сопротивления изоляции;

после подключения к системе передачи - измерение тока и напряжения от системы передачи;

измерение шума;

анализ влияния силовых кабелей.

Обнаружение и устранение неисправностей

К наиболее часто встречающимся в процессе эксплуатации неисправностям можно от-

нести:

обрыв кабеля целиком, отдельной пары или отдельной жилы;

короткое замыкание;

замокание кабеля, нарушение его изоляции.

Для устранения перечисленных неисправностей требуется локализация точки их воз-

никновения. Выше упоминалось, что магистральные кабели могут быть как воздушные, так и подземные. Обнаружение точки возникновения неисправности, таким образом, представля-

ется довольно трудной задачей.

Существует несколько принципиально разных методов для обнаружения точек возник-

новения неисправностей:

метод прямого наблюдения;

рефлектометрические методы;

мостовые методы.

Все перечисленные методы могут эффективно применяться не только для обнаружения точек неисправности магистральных кабелей, но и для аналогичных измерений абонентских кабелей.

Измерения, связанные с восстановлением кабеля

Эта группа измерений магистрального кабеля практически не отличается по методам организации измерений и набору измеряемых параметров от группы приемосдаточных испы-

таний. Действительно, после обнаружения точки неисправности кабель расконсервируется,

затем заменяется либо целиком, либо отдельным участком, либо с помощью сварки. Восста-

112

новленный кабель будет скорее всего иметь одну или несколько сварочных муфт. Для про-

верки характеристик восстановленного кабеля целесообразно повторить в полном или час-

тичном объеме пусконаладочные измерения.

Общие методы обнаружения точек возникновения неисправностей в

электрическом кабеле

Прямые методы обнаружения неисправности в кабеле

Используемые в настоящее время прямые методы обнаружения неисправности в кабелях связаны с внешним наблюдением за кабелем, которое называется трассировкой кабеля. По-

мимо обнаружения неисправности трассировка кабеля производится для обнаружения мар-

шрута залегания его под землей, в канализации, в стенах (в случае абонентского кабеля) и

т.д. При прямом методе в основном используются кабелеискатели (рис. 3.2), состоящие из двух частей" генератора-передатчика сигнала и приемника. Передатчик подключается к кабелю, в котором обнаружена неисправность, и подает в кабель сигнал переменного тока напрямую или через индуктивный переходник. Приемник-трассоискатель при замыкании цепи передатчик - кабель - среда - приемник отображает уровень сигнала в этой цепи в цифровом виде, а чаще - просто звуковым сигналом, пропорциональным уровню сигнала в цепи.

Рис. 3.2. Кабелеискатель для трассировки кабеля

Очевидно, что замыкаемая цепь не может иметь омический характер за счет наличия непроводящей среды (сюда входит воздух, земля, изоляция и т.д.). В зависимости от того,

обеспечивает ли приемник емкостное или индуктивное замыкание цепи, приемник может быть как емкостным, так и индуктивным или совмещать в себе оба варианта. В последнем

113

случае выбор режима работы приемника может осуществляться оптимально в соответствии с типом неисправности и условиями измерений.

Частота и мощность тестового сигнала, подаваемого в кабель, выбирается в соответствии с типом кабеля, глубиной его залегания и чувствительностью приемника. Обнаружение точки возникновения неисправности кабелеискателем зависит от типа неисправности. Так при полном обрыве кабеля сигнал на приемнике в точке обрыва значительно усилится из-за полного нарушения изоляции и пропадает после точки обрыва. В случае частичного обрыва одной жилы нарушения изоляции в кабеле может не быть, тогда после прохождения точки неисправности сигнал пропадает. При коротком замыкании сигнал также усилится и пропадет после прохождения точки и т.д.

Кабелеискатели выполняют:

трассировку пути залегания кабеля;

определение глубины залегания кабеля;

измерение величины тока в кабеле;

определение характера повреждения: короткое замыкание или обрыв;

определение степени повреждения: легкое или сильное повреждение;

индикацию силовых кабелей и кабелей питания;

определение точек намокания кабеля.

Кабелеискатели могут выполнять измерения также на воздушных кабелях и проложен-

ных в канализации. Так для обнаружения препятствия в трубу, в которой предполагается прокладка кабеля (рис. 3.3), опускается активный источник (минипередатчик), который ука-

зывает местоположение препятствия и кабелеискатель фиксирует это место. Подобная тех-

нология обследования труб оказывается эффективной и в настоящее начинают использовать-

ся подвижные видеокамеры для обследования труб и обнаружения препятствий для проклад-

ки кабеля.

114

Рис. 3.3. Обнаружение препятствий при прокладке кабеля Трассировка залегания кабеля в грунте может выполняться по индикации активного

сигнала, и с использованием маркеров. В первом случае к кабелю подключается генератор гармонического или модулированного сигнала. Кабелеискатель принимает этот сигнал, за счет чего определяет трассу залегания кабеля. В кабелеискателе используется обычно не-

сколько антенн вертикальной и горизонтальной поляризации. Горизонтально-ориентиро-

ванная антенна обеспечивает грубый поиск места залегания кабеля, тогда как вертикальная антенна обеспечивает индикацию местоположения кабеля с точностью до 5-10 см. Эффек-

тивным способом трассировки кабеля является использование маркеров. В этом случае при прокладке кабеля параллельно с ним закапывают маркеры -устройства, содержащие индук-

тивную катушку, настроенную на определенную резонансную частоту. Кабелеискатель для поиска маркеров имеет в своем составе резонансный контур, реагирующий на наличие мар-

кера в непосредственной близости от него. При максимуме резонанса кабелеискатель иден-

тифицирует маркер и, таким образом, определяет трассу залегания кабеля.

Для обнаружения места залегания кабеля могут применяться металлоискатели, однако их применение оправдано только в сельской местности, когда заранее известно, что иного кабеля нет. В городских условиях это практически исключено. Кроме того, металлоискатели не обнаруживают точки возникновения неисправности, а фиксируют только маршрут залегания кабеля.

Могут использоваться другие прямые методы. Так, например, метод прямой локации,

который чрезвычайно эффективен при обнаружении коротких замыканий, при определении точек обрыва дает не очень хорошие результаты. Высокая точность измерений в приборе

Tonearc фирмы Tempo достигается за счет использования высоковольтного импульса малой

115

длительности. В точке обрыва кабеля при прохождении высоковольтного импульса воз-

никает ионизированное плазменное образование, которое меняет на время сопротивление кабеля. Плазменный шнур выполняет в этом случае роль проводника для короткого замыка-

ния и точка обрыва может быть успешно локализована.

Поскольку прибор использует для измерения очень короткий импульс, его работа не сказывается на параметрах кабеля (за исключением точки обрыва) и на оборудовании, под-

ключенном к кабелю.

По данным о длительности импульса определяется ориентировочная дистанция до точки обрыва Точная локализация выполняется с использованием портативного переносного индуктивного приемника одночастотного сигнала.

Обнаружение неисправностей с использованием рефлектометров электрических

кабелей

Для анализа магистральных кабелей с одного конца используют металлические реф-

лектометры дальнего действия, принцип работы которых аналогичен оптическим рефлек-

тометрам. Диапазон измерений металлических рефлектометров достигает 60 км, разрешаю-

щая способность - до 10 см, что обеспечивает локализацию точек обрыва даже без использо-

вания на местности кабельных локаторов.

Общая теория рефлектометрии электрических кабелей была разработана в 60-х годах.

Различают два основных типа металлических рефлектометров: рефлектометры с ото-

бражением формы принимаемой волны и рефлектометры с цифровым отображением. Реф-

лектометры с отображением формы принимаемой волны (рефлектограммы) дают возмож-

ность комплексного анализа всех неоднородностей в кабеле, а рефлектометры с цифровым отображением определяют расстояние до первой неоднородности, и могут с успехом приме-

няться в эксплуатации, поскольку дешевы и портативны. Некоторые приборы этого класса селектируют неоднородности, определяя категорию неисправности в виде обрыва или корот-

кого замыкания кабеля.

Важным отличием металлических рефлектометров от оптических является зависимость скорости распространения сигнала по кабелю от характеристик кабелей. В связи с этим возникает вопрос пересчета данных о времени распространения отраженного сигнала в данные о расстоянии до неоднородности. При этом возникает дополнительный фактор,

связанный со скоростью распространения сигнала – VOP (Velocity of Propagation). Фактор

VOP численно равен отношению скорости распространения сигнала в кабеле к скорости света в вакууме и определяется типом диэлектрика в кабеле. Для коаксиальных кабелей УОР зависит от материала, окружающего центральную жилу, для симметричной пары - от расстояния между жилами и типа диэлектрика VOP может меняться в зависимости от

116

времени использования кабеля и температуры в пределах 3%. Если VOP не указывается в паспорте на кабель, он может быть вычислен путем измерения кабеля известной длины. Для проверки правильности VOP при использовании рефлектометра измерения проводятся с двух сторон кабеля и результаты сравниваются с данными о реальной длине кабеля.

Другим важным фактором организации измерений с использованием TDR помимо VOP

является способ подключения рефлектометра к тестируемому кабелю. Варианты правильно-

го и неправильного подключения представлены на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Подключение TDR к кабелю

На рисунке представлены варианты правильного и неправильного соединения через со-

единительную муфту (рис. 3.4 а), с использованием адаптера (рис. 3.4 в) и подсоединения к витой паре (рис. 3.4 в).

Среди всего многообразия рефлектограмм металлических кабелей можно выделить не-

сколько, наиболее полно описывающих возможные неисправности кабелей.

На рис. 3.5 представлены типичные рефлектограммы металлических кабелей.

На рефлектограмме 1 представлен случай отражения сигнала от точки с большим сопро-

тивлением (второй курсор), что соответствует обрыву кабеля. Состояние, описываемое рефлектограммой, получило название характерного обрыва (COMPLETE OPEN).

117

Отражение со сменой полярности сигнала, представленное на рефлектограмме 2,

соответствует короткому замыканию в кабеле и, как следствие, малому сопротивлению неоднородности. Такое состояние получило название характерного короткого замыкания

(DEAD SHORT).

На рефлектограмме 3 представлен вариант частичного обрыва (второй курсор)

(PARTIAL OPEN), за которым следует полный обрыв.

На рефлектограмме 4 представлен случай, когда за частичным замыканием (PARTIAL OPEN), отмеченным вторым курсором, следует полный обрыв кабеля.

Рефлектограмма 5 отражает четыре отпайки на кабеле. Отпайка, отмеченная вторым курсором, является дефектной, что хорошо видно по уровню отражения от неоднородности.

Рис. 3.5. Основные типы рефлектограмм.

118

Рис. 3.6. Основные типы рефлектограмм (окончание).

Цилиндрический коннектор на коаксиальном кабеле, отмеченный вторым курсором,

вносит затухание, прямо пропорционально качеству соединения (рефлектограмма 6). Нали-

чие усилителя в линии (рефлектограмма 7) приводит к повышенному отражению от усилите-

ля. Сигнал от рефлектометра должен обрываться на усилителе, однако может возникнуть дополнительное отражение (фантомный образ) за усилителем. Коаксиальные отпайки (реф-

лектограмма 8), как внешние, так и внутренние, могут привести к появлению точек отраже-

ния по всей длине кабеля. Уровень отражения является параметром качества отпаек.

Наличие направленных и пассивных ответвителей (рефлектограмма 9) может привести к ошибке измерения вследствие множественного отражения. На предлагаемой рефлектограмме второй курсор отмечает место расположения ответвителя. Два разнонаправленных отраженных сигнала отображают два сегмента ответвителя. Внесение дополнительного сопротивления или сварочный шов приводят к появлению отражения в виде 8 на рефлектограмме 10. Высокоомное отражение сопровождается низкоомным. Хорошо согласованное соединение кабеля с согласованной нагрузкой (терминатором) полностью поглощает сигнал отражения. Рефлектограмма 11 служит гарантией правильности выбора терминатора, который не вызывает отражения.

Тестирование кабеля с антенной (рефлектограмма 12) также может приводить к 8-

отражению. В этом случае отражение сильно зависит от типа антенны.

Анализ кабелей с антеннами радиосвязи может сопровождаться индуктивными навод-

ками от радиоаппаратуры (рефлектограмма 13).

119

Замокание кабелей отображается на рефлектограмме как область случайного отражения.

Начало этой области, показанное вторым курсором на рефлектограмме 14, соответствует на-

чалу области замокания кабеля.

Повышение влажности в кабелях (рефлектограмма 15) приводит к появлению шумовой составляющей.

Высокоомная отпайка отображается на рефлектограмме как низкоомное отражение, за которым идет высокоомное отражение, показывающее конец высокоомной отпайки (рефлек-

тограмма 16). Из-за протяженности участка анализ кабеля с множеством отпаек может вы-

звать затруднения.

Обнаружение неисправностей с использованием мостового метода

Метод мостового тестирования основан на использовании электротехнической схемы сбалансированного моста. Тестируемый кабель используется в качестве одного из плеч мос-

та, затем анализатор подбирает параметры других плеч и на основании этого делается вывод о параметрах составного кабеля, например, сопротивлении, емкости и т.д. На основании дан-

ных о распределенных параметрах (погонной емкости и сопротивлении) оценивается рас-

стояние до неоднородности и ее характер. При таком подходе сначала определяют характер предполагаемой неисправности. Выделяют два типа неисправностей, соответствующих двум типам кабелей: омические и емкостные. Если в результате неисправности между жилами появляется активное сопротивление, такую неисправность назовем омической; к ним относятся короткое замыкание, частичный пробой изоляции между жилами, замокание кабеля и т.д. Неисправности, в результате которых увеличивается емкость между несущими жилами, а также между несущими жилами и землей, назовем емкостными. К ним относятся различные типы обрывов жил. И в том, и в другом случае используется один и тот же алгоритм, с той только разницей, что в случае омической неисправности мостовая схема строится на основе анализа активного сопротивления, а в случае емкостной неисправности – реактивного.

После определения характера неисправности выбирается анализируемый параметр - со-

противление или емкость. По заданным распределенным параметрам можно сразу рассчитать предполагаемую длину кабеля. Если она не совпадает с заданной, это означает,

что имеет место та или иная неоднородность. Затем параметры заданной пары сравниваются с эталонной. Для этого образуют сбалансированный мост, одно плечо которого - тестируемая пара, другое - эталонная, третий компонент моста - омическая или емкостная неисправность,

четвертый - прибор. Прибор обеспечивает баланс моста. В результате измеряют распределенное сопротивление (емкость) до неоднородности и собственное сопротивление

120