Быстрое и безопасное обнаружение неисправностей сетевых кабелей

Простой и надежный рефлектометр CS90 компании Tempo Communications

Электромагнитные волны распространяются по кабелю, пока не будет обнаружена неравномерность импеданса. Подобное изменение характеристик проводника приводит к отражению части или всей энергии волны обратно к источнику. Оставшаяся энергия продолжает перемещаться в первоначальном направлении.

Подобное можно наблюдать и в повседневной жизни. Если крикнуть, находясь перед удаленным объектом, например горой, стеной дома или кромкой леса, то часть звуковой волны при этом возвращается к источнику, в данном случае закричавшему человеку, в виде эха (кстати, по тому же принципу работает и радар). Измеренный промежуток времени между моментом передачи электромагнитной волны (импульса) и моментом приема его отражения можно использовать для расчета расстояния до места отражения.

Для обеспечения надежности передачи сигнала подобные отражения очень нежелательны. С другой стороны, на них основана работа технологии рефлектометрии (Time Domain Reflectometry или TDR), которая позволяет находить неисправности, изучая графическое отображение характеристики тестируемого кабеля.

Отражения в кабеле

На кабельных сетях используются коаксиальные кабели, которые конструктивно состоят из внутреннего и внешнего проводников, разделенных диэлектриком. Если в не имеющий неисправностей кабель подать короткий электрический импульс с генератора импульсов, имеющего выходное сопротивление, соответствующее входному сопротивлению кабеля (обычно 75 Ом), и посмотреть на отраженный сигнал, то можно обнаружить один из трех результатов.

  1. Несмотря на то, что кабель не имеет неисправностей, рефлектометр увидит конец кабеля (разомкнутый), как одну из двух экстремальных несогласованностей импеданса (т.е. высокий импеданс). В этом случае возникает отраженный импульс той же полярности.
  2. Если кабель имеет правильную концевую заделку (нагрузку, равную его характеристическому импедансу), отраженный импульс на характеристике не появится. Причина – передаваемый импульс будет полностью поглощен согласованным сопротивлением, поэтому никакая энергия к входу линии не отражается (и, следовательно, не отображается на дисплее рефлектометра).
  3. Другим крайним случаем несогласованности импеданса является короткое замыкание. Отраженный импульс имеет обратную полярность (относительно подаваемого в кабель импульса).

Если известна скорость распространения импульса в кабеле, промежуток времени между моментом подачи импульса в кабель и моментом поступления отраженного импульса (эха) можно преобразовать в расстояние. Амплитуда отраженного импульса является показателем уровня потерь при распространении (затухания в кабеле).

Отражения в кабеле
Pulse SourceИсточник импульса
RuntimeВремя прохождения 
With coгде c0 = скорость света и v = коэффициент распространения
Cable TerminationСогласованная нагрузка кабеля
DistanceРасстояние
Z = 75…Z = 75 Ом (согласованный импеданс)
Z = 0…Z = 0 Ом (короткое замыкание)

Расчет расстояния по времени прохождения

Сначала необходимо обсудить разницу между скоростью и коэффициентом распространения (Vp). Скорость распространения – это скорость перемещения электромагнитной волны (в кабеле или в свободном пространстве). Обычно измеряется в метрах в миллисекунду (м/мс) или метрах в микросекунду (м/мкс), или в виде любого другого отношения расстояния ко времени. Коэффициент распространения (Vp) представляет собой отношение скорости перемещения импульса в материале или среде к скорости света в вакууме.

Коэффициент распространения (Vp) очень важен для определения времени прохождения от момента подачи испытательного импульса до получения его отражения.

Коэффициент распространения (Vp) электромагнитной волны в любом материале всегда ниже, чем в вакууме (C ≈ 300×106 м/с, Vp = 1). Это верно и для коаксиальных кабелей:


Скорость распространения импульса в кабеле (м/мкс)
Скорость в свободном пространстве (300 м/мкс)

Разные кабели будут иметь разное значение Vp, в зависимости от их геометрии и используемого диэлектрического материала. Обычно данное значение указывается производителем кабеля в технических характеристиках. Для определения или проверки значения Vp измерьте время, за которое испытательный импульс проходит по кабелю заведомо известной длины, и сравните его со временем прохождения в вакууме.

Наиболее часто используемые на всех уровнях распределительной сети коаксиальные кабели обычно имеют значение Vp от 0,7 до 0,9.

Tt: время прохождения между отправлением и получением импульса (м/с)C: скорость света (C = 300 х 106 м/с)Vp: коэффициент распространения (всегда меньше 1)

Коротко выводы. Время прохождения (Tt) между моментом передачи испытательного импульса и моментом получения рефлектометром отраженного импульса можно использовать для расчета длины кабеля. Для преобразования этого значения в расстояние потребуется правильное значение Vp. Длина кабеля при этом учитывается дважды, так как по кабелю проходит не только переданный импульс, но и отраженный. Известное время прохождения позволяет рассчитать длину кабеля L.


Длина кабеля 
TL: задержка между отправленным испытательным импульсом и полученным отраженным импульсомс0: скорость света (с0 = 300 х 106 м/с)v: коэффициент распространения

Длительность импульса

Длительность импульса следует выбирать в зависимости от длины кабеля (L).

Короткие (низкоэнергетические) импульсы проходят только небольшое расстояние, но обеспечивают высокое разрешение.

Для более длинных кабелей необходимы более длительные импульсы, однако разрешение при этом снижается.

В зависимости от установленного диапазона измерений рефлектометр может выбирать длительность импульса автоматически.

Для измерений CATV обычная длительность импульса составляет от 1 до 25 нс. От выбранной длительности импульса также напрямую зависит мертвая зона (область, недоступная для измерения) рефлектометра. То есть, мертвая зона зависит от длительности передаваемых рефлектометром импульсов, как следует из приведенного ниже уравнения.

Кроме того, длительность импульса также определяет разрешающую способность рефлектометра (возможность различать близко расположенные события). Например, при использовании импульса длительностью 25 нс на типовом кабеле с Vp = 0,8 значение расстояния приблизительно равно шести метрам.

Но если можно использовать импульс длительностью 1 нс, то при 0,8 расстояние будет равно 0,24 метра. Поэтому для разделения близко расположенных событий друг от друга всегда используйте наиболее короткий импульс, подходящий для выбранного диапазона тестирования. В автоматическом режиме (Auto) рефлектометр CS90 будет при необходимости самостоятельно регулировать усиление и длительность импульса, основываясь на значении Vp и удельных потерях в кабеле. Это позволит всегда получать максимально детализированные результаты.

CableScout® 90

Компания Tempo Communications разрабатывала модель CableScout 90 (CS90) как практичный рефлектометр для техников CATV. За счет простоты повседневного использования и точности получаемых результатов эта модель производит очень сильное впечатление.

Благодаря небольшим размерам (26 x 16 x 5 см) рефлектометр CS90 в мягком защитном чехле (в котором найдется место и для зарядного устройства, и для других мелочей) легко помещается в любую сумку для инструментов. Небольшой вес (974 грамма) превращает его в удобное переносное устройство. Полностью заряженного встроенного литиево-ионного аккумулятора хватает на полноценные восемь часов работы, то есть на весь рабочий день. А для полной зарядки этого аккумулятора требуется менее четырех часов.

Кнопка питания инструмента слегка утоплена, и это позволяет избежать его случайного включения. Если устройство выключается, будучи подключенным к зарядному устройству, на дисплее отображается текущее состояние зарядки.

Во время загрузки после нажатия кнопки включения на дисплее на несколько секунд отображается экран приветствия с именем устройства, его серийным номером и номером версии. Затем появляется главный экран, предназначенный для настройки инструмента и проведения всех измерений.

Длительность импульса
Display:…Дисплей: 7-дюймовый (17,8 см), 800 х 400 пикселей, полноцветный, для просмотра при дневном освещении
Rubber armoring…Резиновая защита (с обеих сторон)
F connectorСоединитель типа F
SD-Card,…Карта SD, соединитель USB, разъем подачи питания (12 В постоянного тока / 3 А)
Carrying strapРемешок для переноски
Navigation crossКнопки навигации
Call of Setting screenДоступ к экрану настроек
Call of context…Доступ к контекстно-чувствительной справке
Soft keysМногофункциональные клавиши
On/Off keyКнопка включения/выключения

Рисунок 2. Пригодность рефлектометра Tempo CS90 для повседневного использования достигается за счет простоты управления и высокой точности измерений в сочетании с высокой четкостью изображения на дисплее даже при ярком дневном освещении.

Перед каждым измерением необходимо выбрать тестируемый кабель в списке наиболее часто используемых кабелей; или, по крайней мере, необходимо выбрать ближайший к нему кабель. Если в списке нет желаемого кабеля, его можно задать самостоятельно. Введите название производителя и тип кабеля, значение затухания на 100 метров при 500 МГц в дБ и значение PVF, затем сохраните данные.

Для кабеля «Televes SK2000plus» с затуханием 14 дБ при 500 МГц и значением коэффициента распространения VP = 0,84 это не составило проблем.

После выполнения простых шагов настройки можно начинать измерения обесточенного кабеля.

Для начальных испытаний использовался 100-метровый барабан кабеля Televes SK2000plus. Кабель был выбран в библиотеке и подключен к гнезду F в верхней части устройства. Затем были проведены три измерения с разомкнутым, согласованно подключенным и замкнутым концом кабеля. Результаты измерений оказались такими, как ожидалось.

Если измеряемый пользователем кабель отсутствует в списке, можно легко добавить его самостоятельно

Рисунок 3: Если измеряемый пользователем кабель отсутствует в списке, можно легко добавить его самостоятельно.

Для настройки конфигурации рефлектометра CS90 используется экран настройки. Здесь можно сделать дисплей ярче или темнее, переключаться между дневным и ночным режимами, активировать ручной или автоматический режим работы, ввести время автоматического отключения (выбрать 1, 2, 5, 10 минут или выключить эту функцию), переключаться между единицами измерения (футами, метрами или наносекундами), а также устанавливать единицы измерения PVF (0.xxx, xx.x%, м/мкс, фут/мкс).

Полусинусоидальная форма испытательного импульса позволяет снизить шумы. Рефлектометры с прямоугольными импульсами имеют более шумные рефлектограммы за счет широкого спектра гармоник. Иногда это даже приводит к невозможности интерпретации рефлектограмм.

Благодаря длительности импульса в 1 нс можно обнаруживать события на расстоянии менее метра. Импульс максимальной длительности в 25 нс позволяет обнаруживать события на расстоянии приблизительно до 3 км.

Важным применением рефлектометра CS90 является предварительное испытание кабеля в барабанах на соответствие длины и однородность кривой импеданса

Рисунок 4: Важным применением рефлектометра CS90 является предварительное испытание кабеля в барабанах на соответствие длины и однородность кривой импеданса

Рисунок 5: Короткое замыкание и разрыв цепи (несоответствие импеданса) приводят к появлению отражений классической формы. При отсутствии изменений импеданса (в случае согласованного импеданса) отражение отсутствует.

Разомкнутый конец кабеля

Разомкнутый конец кабеля

Согласованный импеданс на конце кабеля

Согласованный импеданс на конце кабеля

Короткое замыкание на конце кабеля

Короткое замыкание на конце кабеля

Заключение

После настройки нескольких основных параметров рефлектометр CS90 компании Tempo Communications очень просто использовать.

Одновременно он отображает «общий вид» кабеля (на нижней характеристике) и все детали с высоким разрешением около точки курсора (на верхней характеристике). При этом экран обеспечивает высокую четкость изображения даже при ярком солнечном свете, что гарантирует пользователю постоянное получение информации о том, что происходит с кабелем. Мертвую зону не нужно принимать во внимание (нулевая мертвая зона).

Очень легко создавать и сохранять в памяти скриншоты и полученные кривые для ведения необходимой документации. А для повседневной жизни кабельных техников больше ничего и не нужно.

За счет четкого и понятного экрана настроек все важные параметры рефлектометра адаптируются к потребностям пользователя

Рисунок 6: За счет четкого и понятного экрана настроек все важные параметры рефлектометра адаптируются к потребностям пользователя.

Добавить комментарий