Импульсная рефлектометрия

Эта статья содержит необходимый объём информации, позволяющей вам понять основные принципы функционирования импульсных рефлектометров, а также методику анализа графиков рефлектограмм.  В статье приводится анализ графиков характерных дефектов: обрыв кабеля, короткое замыкание жил кабеля, разбитость пар в кабеле типа ТПП, намокание кабеля,- а также обнаружение прочих устройств на кабельной линии: муфта, сростка кабеля, определение места параллельного подключения к кабелю. В статье даются рекомендации по применению различных методик измерения, в зависимости от характера дефекта кабеля. Эта статья может быть полезна как начинающему инженеру (кабельщику), так и опытному специалисту.

Для начала определимся с терминами. Далее в тексте мы будем оперировать понятиями рефлектометрия и импульсная рефлектометрия.

Рефлектометрия – это технология, позволяющая определять различные характеристики исследуемой среды по отражению отклика сигнала: поверхности (например, определение коэффициентов отражения и поглощения) или объемной среды (например, изучение распределения неоднородностей в оптическом волокне).

Импульсная рефлектометрия – это область измерительной техники, которая основывается на получении информации об измеряемой линии по анализу её реакции на зондирующее (возмущающее) воздействие. Импульсная рефлектометрия применяется как для металлических кабелей всех типов, так и для волоконно-оптических кабелей связи.

Рассмотрим структурную схему импульсного рефлектометра (рис. 2). Генератор зондирующих импульсов посылает в кабельную линию видеоимпульс. Приёмник отражённых сигналов через равные промежутки времени захватывает показания с линии и отображает их на устройстве отображения (экране) прибора. Таким образом, на экране импульсного рефлектометра строится график, на котором по вертикальной оси отображается амплитуда отражённого сигнала, а по горизонтальной оси – время. Строго говоря, импульсный рефлектометр измеряет именно временную задержку между входным воздействием и отражённым сигналом. Однако, зная скорость распространения электромагнитной волны в кабеле, можно трансформировать ось времени в ось расстояний, что и сделано во всех импульсных рефлектометрах. Более подробная информация содержится в разделе статьи, посвящённой коэффициенту укорочения (КУ).

Где Z – волновое сопротивление в точке неоднородности.

В области высоких частот, наиболее интересной для импульсной рефлектометрии, формулу (2) можно упростить, так как в этой области R<<?L и G<<?C:Известна связь погонных характеристик и волнового сопротивления кабеля:

В области высоких частот, наиболее интересной для импульсной рефлектометрии, формулу (2) можно упростить, так как в этой области R<<?L и G<<?C:

Формулы (3) и (1) чрезвычайно важны для понимания принципа работы импульсного рефлектометра: импульсный рефлектометр не отображает изменения сопротивления шлейфа или сопротивления изоляции. Он обнаруживает и визуализирует наличие отражения от неоднородности волнового сопротивления, причем по характеру отражения можно судить о его природе. Так локальное увеличение индуктивной составляющей приводит к росту волнового сопротивления в этой точке (ф.(3)) и возникновению отклика положительной полярности (ф.(1)), а увеличение емкостной составляющей приводит к уменьшению волнового сопротивления в точке отражения и, соответственно, к образованию отклика отрицательной полярности.

В точке обрыва (R=?) K=1 и имеем полное отражение  в виде импульса положительной полярности. В точке короткого замыкания (G=?) K=-1 и возникает такое же отражение, только в виде импульса противоположенной полярности. Что же касается амплитуд импульсов, то они зависят не только от коэффициента отражения, но и от ослабления исходного импульса в кабеле на длине, равной расстоянию от источника импульсов до точки отражения и обратно.

На этом мы закончим анализ формул и перейдем к анализу практических графиков рефлектограмм.

Итак, импульсный рефлектометр подключен и исследуемому кабелю. Правильная интерпретации графика рефлектограмм возможна при согласовании прибора с кабельной линией. Для согласования волновых сопротивлений, в прибор вмонтирована ручка, поворачивая которую вы можете наблюдать следующие графики (рис. 4 и рис. 5). Примечание, все графики рефлектограмм получены с помощью импульсного рефлектометра РИ-10М1 и отображаются в программе IRView. Если вы используете другой импульсный рефлектометр, то отображение графиков может различаться.

В практической работе часто возникают проблемы, связанные с согласованием кабеля с прибором, кабеля с кабелем или оконечным устройством. Приведем некоторые из них. Если, к примеру, на конце кабеля установлено согласующее устройство с активным сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, то определить конец кабеля невозможно (см. ф.1), т.к. отражение отсутствует. Другим, наиболее распространенным примером, является невозможность полного согласования прибора с кабелем, выражающаяся в невозможности убрать «фантомные» отражения». Подобные ситуации наиболее часто встречаются на силовых кабелях, но иногда они возникают и на высококачественных коаксиальных кабелях. Для понимания природы этого явления обратимся вновь к формуле волнового сопротивления, но в полном ее варианте (2). Очевидно, что в общем случае волновое сопротивление зависит от частоты, а, следовательно, не может быть одним и тем же в широком диапазоне частот, входящем в состав спектра прямоугольного зондирующего импульса. Таким образом, полное согласование простым способом, т.е. вращением ручки согласующего потенциометра, недостижимо никогда.  Итоговая картина, обусловленная остаточным отражением, зависит уже от свойств кабеля. Так для силовых кабелей с повышенным ослаблением высоких частот, возникает необходимость согласования в области низких частот, где волновое сопротивление сильно зависит от частоты, а также растет и может превысить диапазон регулирования.  Для высококачественных широкополосных радиочастотных кабелей проблема уже в другой части диапазона – высокочастотной. Вход рефлектометра имеет также реактивную составляющую (входную емкость и индуктивность), причем они не перестраиваются. Таким образом,  на «слишком» высоких частотах идеальное согласование также недостижимо. Из сказанного очевиден следующий вывод: полное согласование возможно не всегда,  но к нему следует стремиться. А для правильной ориентации в том, что мы видим на экране, полезно знать топологию кабеля. К примеру, на рис. 7 показан график рефлектограммы с дефектом «обрыв» на силовом кабеле (АСБ 3х240) на расстоянии 112,3 м и «фантомное отражение» от обрыва на расстоянии 240,6 м; полное согласование импульсного рефлектометра с кабелем осуществить не удалось. На помощь в этой ситуации может придти ваш опыт и знание топологии измеряемого кабеля.

В любом импульсном рефлектометре нам предоставляется возможность изменять длительность зондирующего импульса и усиление принимаемого сигнала. Обе эти величины напрямую влияют на визуальное отображение графика рефлектограмм. Изменяя два этих параметра, вы можете различать неоднородности на предельном для данной марки кабеля расстоянии. Предельное расстояние – это максимальная длина кабеля определённой марки, которая может быть измерена импульсным рефлектометром. Большинство импульсных рефлектометров имеют амплитуду зондирующего импульса на согласованной нагрузке порядка 10 В. Что позволяет проводить диагностику на кабельных линиях типа ТПП на расстоянии до 6-7 км,  СБП — до 13-15 км, МКС — до 64 км, РК — до 64 км, АСБ – до 64 км. Как правило, в импульсных рефлектометрах, амплитуда зондирующего импульса неизменна, но имеется возможность варьировать длительностью входного воздействия (зондирующего импульса) и чувствительностью приёмного тракта (усиление).

На рис. 8 приведены графики кабеля СБПЗАВпШп (сечением жил 0,9мм) на предельном расстоянии. Методика монтажа кабельной линии подразумевает винтовые соединения отрезков кабеля, дающие большие потери мощности распространения зондирующего импульса, вследствие которых, предельное расстояние для кабеля уменьшается до 13 – 15 км. На верхнем графике (рис. 8) использовался импульс длительностью 20 мкс, что дало возможность определить длину кабеля, но скрыло все устройства на кабельной линии (муфты). На нижнем графике (рис. 8) использовался импульс длительностью 2 мкс, что дало возможность определить все устройства на кабельной линии (муфты), однако не определило длину кабеля. Таким образом, короткие зондирующие импульсы необходимы для детального рассмотрения графиков рефлектограмм (зондирующий импульс длительностью 10 нс позволяет различать два дефекта на расстоянии около 1 метра друг от друга); тогда как длинные зондирующие импульсы позволяют передавать в кабель большую мощность, перекрывая тем самым большие расстояния.

На рис. 9 и рис. 10 показаны графики рефлектограмм кабеля РК-50, состоящего из двух частей (сростка на расстоянии 98 м). На графиках видно, как влияет длительность зондирующего импульса на вид графиков рефлектограмм: на рис. 9 – зондирующий импульс 10 нс, на рис. 10 — зондирующий импульс 20 нс.

На рис. 11 показаны графики рефлектограммы, отображающие сростку кабеля (муфту), на максимальном значении параметра усиления. На верхнем графике видны шумы, однако сростка кабеля различима на фоне шумов. На нижнем графике использована фильтрация шумов, позволившая улучшить изображение. Использование фильтрации замедляет обновление графика рефлектограммы на экране импульсного рефлектометра. При величине 128 осреднений, график может обновляться один раз в две секунды. Подобная скорость обновления может помешать импульсному рефлектометру захватывать «мерцающие дефекты», о которых будет написано далее.

Импульсный рефлектометр позволяет определять дефекты: обрыв кабеля, короткое замыкание жил кабеля, разбитость пар в кабеле типа ТПП, намокание кабеля,- а также обнаруживать наличие прочих устройств на кабельной линии: муфта, сростка кабеля, определять места параллельного подключения к кабелю. Кроме этого, импульсный рефлектометр позволяет определять множественные дефекты на кабеле и вычислять расстояния между ними. Для того чтобы прибор правильно рассчитывал расстояния, необходимо правильно устанавливать измерительный курсор на место дефекта. Некоторые импульсные рефлектометры (например, РИ-307) обладают функцией автоматического расчёта расстояния до дефекта, однако необходимо уметь делать это в ручном режиме.

Дефекты на кабелях разных типов выглядят по-разному. Если рассматривать коаксиальные кабели, то высокочастотная составляющая сигнала в кабеле затухает слабо, поэтому фронт отклика от дефекта практически идеальный. Чего нельзя сказать про прочие кабели. Фронты откликов от дефектов на силовых и связных (типа ТПП) кабелях зачастую сильно затянуты и зависят от длины и непосредственного состояния кабеля. Поэтому, рекомендуемая некоторыми производителями практика постановки курсора на треть фронта отклика является неверной. В общемировой практике для определения расстояния до дефекта используют точку перехода на графике рефлектограммы между относительно прямой линией, с ровным волновым сопротивлением кабеля, и началом изменения волнового сопротивления. На рис. 12 показана правильная постановка измерительного курсора.

Похожим образом выглядит дефект «частичный обрыв кабеля» – это обрыв одной жилы кабеля (имеется также целая жила). Дефект выглядит как положительный отклик, похожий на дефект «обрыв всех жил кабеля», однако мы можем различить также на этой рефлектограмме отклик от конца кабеля (рис. 14). Наличие целой жилы в повреждённом кабеле АСБ 3х50 позволяло определить длину кабеля (720 м) и дефект на расстоянии 380 м.

Помимо дефектов кабеля, импульсный рефлектометр позволяет определить наличие устройств типа «муфта«, сюда же можно отнести и сростку кабеля. Мы уже встречались с изображением муфт в этой статье (рис. 8, рис. 9, рис. 10, рис. 11). Это сравнительно небольшой отклик положительной полярности. Таких откликов на кабельной линии может быть несколько. Импульсный рефлектометр позволяет определить количество муфт и рассчитать длину отрезков кабеля, из которых смонтирована кабельная линия. На рис. 15 изображена муфта на расстоянии 623 м.

Если во время горения кабеля, металл из сердечника распылился по изоляции, то можно говорить о дефекте «частичное короткое замыкание кабеля«. Мы будем наблюдать сравнительно небольшой по амплитуде отрицательный отклик, и, возможно, будем наблюдать отклик от обрыва кабеля (рис. 18). Подобный дефект является следствием проникновения влаги в кабель. Сам дефект «намокание кабеля» можно определить только на слаботочных трассах, потому что на силовых кабелях, проникновение влаги в сердечник кабеля приводит либо к обрыву, либо к короткому замыканию на кабеле. Изображение дефекта «намокание кабеля» представлено на рис. 19, как вы видите, оно очень схоже с изображением на рис. 18.

Схожее изображение с рис. 19 можно наблюдать и при несанкционированном подключении к сетям. Дефект «параллельный отвод» в равной мере может возникнуть на сетях кабельного телевидения, телефонных сетях (повсеместно), но наибольший экономический ущерб наносится именно владельцам силовых кабелей. Импульсный рефлектометр – единственный прибор, способный определить место подключения параллельного кабеля к трассе. Однако с его помощью возможно только определение места подключения, длину подключённого кабеля рассчитать точно невозможно, но сделать примерное представление можно. На рис. 20, рис. 21 и рис. 22 представлены изображения малых, средних и длинных отводов соответственно. Все графики рефлектограмм объединяют общие свойства: в месте подключения «параллельного отвода» наблюдается увеличение емкостной составляющей волнового сопротивления (небольшой отрицательный отклик), переходящий в прямую линию, заканчивающуюся откликом от обрыва кабеля. Это особенно хорошо заметно на рис. 22, где параллельный отвод примерно равен остаточной длине кабеля, мы можем наблюдать два отклика от обрыва кабеля (поскольку имеем два действительных конца одного кабеля), но не сможем утвердительно сказать, какой именно из этих откликов является концом параллельного отвода, а какой – концом основного кабеля.

Частым дефектом на симметричных кабелях (типа ТПП) является разбитость пар. Кабель состоит из повитых попарно жил, одна из которых выделяется цветом отличным от других жил в пучке кабеля, другая – обычно белого цвета. При монтаже соединений участков такого кабеля, монтажник обычно путает белые жилы одной пары с белыми жилами другой. Симметричная линия разбивается. Дефект «разбитость пар» можно отыскать только с помощью импульсного рефлектометра. При анализе рефлектограммы следует обратить внимание на участок графика, схожий с дефектом «параллельный отвод» (рис. 20). Действительно, на рис. 23 наблюдается небольшой отрицательный отклик, переходящий в отклик от частичного обрыва кабеля.

Для точной идентификации дефекта «разбитость пар», импульсные рефлектометры имеют два разъёма на корпусе для подключения двух линий. Для определения расстояния до дефекта необходимо перевести прибор в специальный режим, при котором зондирующий импульс будет подаваться в одну пару кабеля, а данные будут приходить с другой пары. Если имеет место разбитость пар, то в месте дефекта сигнал переходит в канал приёма, и на экране импульсного рефлектометра отображается следующий график (рис. 24). Получив такой график, мы можем быть уверены, что нашли две разбитые пары.

Некоторые импульсные рефлектометры (например, РИ-307) обладают очень полезной функцией – захватом «мерцающих дефектов«. Эти дефекты появляются на слаботочных кабельных линиях в виде непостоянства конструкции кабеля. Например, кабель проложен под трамвайными путями, где проявляется дефект – излом кабеля, приводящий к короткому замыканию некоторых жил. Пока грунт неподвижен, дефект выявить невозможно, однако при прохождении трамвая над кабелем, происходят подвижки грунта, и дефект можно заметить. Специальный режим захвата мерцающих дефектов в течение длительного времени измерений накапливает на экране импульсного рефлектометра графики рефлектограмм кабельной линии. Имея высокую частоту опроса линии, прибор не позволит вам пропустить «мерцающий дефект» кратковременного излома кабеля. На рис. 25 приведён пример изображения графика рефлектограмм захвата «мерцающих дефектов».

Когда вы только начинаете работать с импульсным рефлектометром, овладеваете первым опытом, есть часть графика рефлектограммы, способная ввести вас в заблуждение, — это ближняя зона. Анализ ближней зоны – очень важная часть при рассмотрении графика рефлектограммы. На рис. 7, рис. 13, рис. 14, рис. 16, рис. 19 в этой статье после фронта спада зондирующего импульса видны различные неоднородности переходных процессов, которые можно интерпретировать по-разному. В любом случае, мы не должны пропускать дефект на кабеле, расположенный непосредственно в ближней зоне подключения рефлектометра. Это особенно важно, если вы вскрываете для ремонта муфту, расположенную посреди трассы, и хотите проанализировать состояние кабеля в обе стороны от муфты. Неоднородности переходных процессов могут помешать вам. Давайте выясним причину и способ борьбы с ними.

Если посмотреть на рис. 26, на котором голубым цветом выделен идеальный импульс, а красным – реальный импульс, то мы можем наблюдать, что после завершения фронтов импульса (нарастающего и спадающего), можно наблюдать бесконечно затухающие переходные колебательные процессы. Это является первой причиной неоднородностей в ближней зоне. Второй причиной является наложение откликов от соединения прибора с измеряемой кабельной линией. Давайте проследим очерёдность соединений: с разъёма импульсного рефлектометра сигнал поступает в соединительный кабель, от соединительного кабеля сигнал поступает на клеммы в распределительном шкафе, от клемм в распределительном шкафе сигнал поступает в кабель с некоторым постоянным волновым сопротивлением. Таким образом, есть не менее трёх участков с разным волновым сопротивлением, дающих накладывающиеся отклики и затухающие колебательные процессы.

На рис. 27 приведён пример графиков рефлектограмм кабеля АСБ 3х50 длиной 1085 метров, снятых с обеих сторон кабеля (на нижнем графике – имитация короткого замыкания на дальнем конце). Кабель имеет шесть муфт на: 135, 359, 542, 678, 789 и 909 м. Зондирующий импульс в 200 нс внёс значительные переходные процессы в измеряемую линию, создав сложности при анализе муфты 135 м, однако при анализе с дальнего конца (нижний график) муфта была определена лучше.

Надеюсь, что к этому моменту вы сняли все вопросы касательно анализа графиков рефлектограмм, и сможете быстро и качественно определять дефекты на кабеле, а также рассчитывать расстояние до них. Здесь стоит приостановиться и вспомнить о том, что рефлектограмма – это график, на котором по вертикали откладывается амплитуда откликов, а по горизонтали – временная задержка. Рассматривая раннее структурную схему импульсного рефлектометра, мы выяснили, что производители приборов трансформируют ось времени в ось расстояний. Эта трансформация вводит важный параметр, без которого нельзя представить ни один импульсный рефлектометр – коэффициент укорочения (КУ).

Давайте рассмотрим физику процесса измерения временной задержки. Импульсный рефлектометр посылает в кабель зондирующий импульс, который распространяется со скоростью света (С = 3?10⁸ м/с). Отразившись от дефекта, часть зондирующего импульса возвращается, проходя суммарно двойное расстояние. Однако электромагнитная волна распространяется по внешней поверхности жилы кабеля, и, если бы жила находилась в вакууме, то скорость распространения равнялась бы скорости света. Но жила обёрнута изоляцией, состоящей из диэлектрика, поэтому электромагнитная волна «тормозится», и её реальная скорость становится меньше скорости света. Таким образом, расстояние до дефекта, с учётом коэффициента укорочения длины по сравнению с длиной, измеренной при скорости распространения равной скорости света, рассчитывается по формуле:

Где: X – расстояние до дефекта, v – скорость распространение электромагнитной волны, t₃ – время задержки отражённого сигнала, С – скорость света, КУ – коэффициент укорочения.

Коэффициент укорочения зависит от материала, из которого выполнена изоляция жил кабеля, и от шага повива жил кабеля относительно друг друга. Резюмируем, коэффициент укорочения индивидуален для каждой марки кабеля. Конечно сразу же возникает вопрос, где можно взять таблицу коэффициентов укорочения? Здесь производители импульсных рефлектометров с сожалением разводят руками: охватить всю кабельную продукцию, имеющуюся на рынке, не возможно. Тогда как производители кабельной продукции не выражают заинтересованность предоставлять КУ, чтобы оказывать поддержку при эксплуатации своей продукции. Инженерам (кабельщикам), прежде чем прокладывать кабельную линию, приходится вручную измерять коэффициент укорочения прямо на барабане с кабелем, имеющем заводскую отметку о длине. Производители импульсных рефлектометров могут лишь систематизировать полученные этим путём данные в сводной таблице коэффициентов укорочения на кабели различных марок, и предоставить их в свободном доступе (http://www.ersted.ru/stati/tablitsa-koeffitsientov-ukorocheniya). Поэтому от вас, читающих эту статью, во много зависит успех ваших коллег в отыскании повреждений на кабельных линиях.

Перейдем теперь к следующему важному вопросу – анализу погрешности измерений  дальности с помощью рефлектометра. Причин возникновения погрешности несколько. Важнейшая из них – только что рассмотренный коэффициент укорочения. Как правило, он или вовсе не известен, или известен с небольшой точностью. Мы не рекомендуем доверять на 100% никаким источникам данных по коэффициенту укорочения, т.к. даже уверенность в том, что ваш кабель изготовлен с соблюдением всех требований ГОСТа  не гарантирует успех. Если кабель пролежал в земле много лет – его свойства могли измениться под воздействием разрушающих факторов: влаги, давления, перепадов температуры, старения изоляции. Что же делать в тех случаях, когда коэффициент укорочения известен ненадежно? Оптимально – измерить его самостоятельно. Для этой цели необходимо использовать доступный участок кабеля, длина которого известна по чертежу, или может быть измерена. На конце этого участка должно быть короткое замыкание, или обрыв, или муфта, т.е. нечто, заметное на рефлектограмме. Далее, подключив прибор и установив курсор на отклик, следует менять значение коэффициента укорочения до получения на экране заранее известного отсчета по дальности. В тех моделях рефлектометров, где делать это неудобно, можно произвести несложный расчет.

Следующий фактор погрешности – шаг постановки измерительного курсора. Обычно он равен одному метру (как в рефлектометрах РИ-10М1 и РИ-10М2), но технологии совершенствуются, и сейчас уже доступны измерения с шагом в 12,5 см (как в РИ-303Т, РИ-307 и РИ-307USB). Нужна ли большая детализация графика рефлектограмм? Конечно, если вы исследуете бортовую сеть автомобиля или состояние кабельной шины какого-нибудь прибора. Скорее – нет, если вам во второй раз за неделю порвали магистральный кабель экскаватором незадачливые подрядчики. В любом случае, сейчас на рынке представлены импульсные рефлектометры, отвечающие любым запросам. И, наконец, на погрешность измерений влияет точность постановки вами измерительного курсора на отклик от дефекта. Надеюсь, что вы будете руководствоваться принципами, изложенными в этой статье, чтобы уменьшить эту погрешность.

Импульсный рефлектометр прекрасно подходит для определения дефектов: обрыв кабеля, короткое замыкание жил кабеля, разбитость пар в кабеле типа ТПП, намокание кабеля,- а также обнаружение прочих устройств на кабельной линии: муфта, сростка кабеля, определение места параллельного подключения к кабелю. Однако он не сможет полностью заменить кабельный мост – прибор, измеряющий сопротивление шлейфа, сопротивление изоляции, электрическую ёмкость, а также рассчитывающий расстояния до пониженного сопротивления изоляции (утечки). Импульсный рефлектометр и кабельный мост – взаимно дополняющие приборы, позволяющие инженеру (кабельщику) с высокой вероятностью производить отыскание дефекта на кабеле. Поэтому производители измерительной аппаратуры создают специальные комплексы, состоящие из импульсного рефлектометра и кабельного моста (например, РИ-10М2). В табл. 1 приведены возможности и ограничения в отыскании дефекта импульсным рефлектометром и кабельным мостом.

табл. 1

http://www.ersted.ru/