Методы поиска дефектов кабельных линий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Жизнь человека в настоящее время невозможно представить без структурированных кабельных систем (СКС). Они окружают нас повсюду: дома, на работе, на улице и т.д.

СКС представляет собой иерархическую кабельную систему смонтированную в здании или в группе зданий, которая состоит из структурных подсистем. Её оборудование состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъёмов, модульных гнезд, информационных розеток, а также из вспомогательного оборудования. Все элементы СКС интегрируются в единый комплекс (систему) и эксплуатируются согласно определённым правилам.

Термин «структурированная» означает, с одной стороны, способность системы поддерживать различные телекоммуникационные приложения (передачу речи, данных и видеоизображений), с другой -- возможность применения различных компонентов и продукции различных производителей, и с третьей -- способность к реализации так называемой мультимедийной среды, в которой используются несколько типов передающих сред -- коаксиальный кабель, UTP, STP и оптическое волокно. Структуру кабельной системы определяет инфраструктура информационных технологий, IT (Information Technology), именно она диктует содержание конкретного проекта кабельной системы в соответствии с требованиями конечного пользователя, независимо от активного оборудования, которое может применяться впоследствии.

Цель моей выпускной квалификационной работы заключатся в исследовании методов поиска дефектов кабельных линий и разработке схемы электрической принципиальной прибора для определения расстояния до обрыва кабельной линии.

Объектом исследования выпускной квалификационной работы является аппаратура и методы поиска дефектов кабельных сетей.

Предметом исследования данной работы - нахождение повреждений в кабельных сетях используя различные методы и аппаратуру для этого.

В соответствии с поставленной целью необходимо выполнить следующие задачи:

- анализ методов поиска и обнаружения неисправностей СКС;

- анализ схем устройств для обнаружения неисправностей;

- разработка схемы электрической принципиальной прибора для обнаружения неисправностей кабельных линий;

- создание виртуальной модели прибора для обнаружения неисправностей кабельных линий;

- виртуальное тестирование созданной модели.

Дипломная работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка используемой литературы.

В первой главе рассматриваются различные виды повреждений кабельных линий, характеристика методов их обнаружения.

Во второй главе разобрана разработка прибора для нахождения повреждений в кабельных сетях, а так же подробно разобраны методы измерения емкости и методы измерения индуктивности. Так же описана принципиальная схема цифрового измерителя емкости.

В заключении сделаны выводы по работе в целом.

Список используемой литературы содержит источники:

- научную литературу;

- ссылки на веб-ресурсы.

В приложении представлены таблицы с результатами измерения емкостей кабелей в аудитории №419 главного корпуса БГУ им. Петровского.

К работе прилагается CD-диск с материалами: текст диплома, презентация, доклад к защите и файл виртуальной модели прибора.

Глава I. Методы диагностики повреждения кабельных линий

1. Повреждения кабельных линий, методы их обнаружения

Все повреждения по характеру делятся на устойчивые и неустойчивые, простые и сложные.

К устойчивым повреждениям относятся короткие замыкания (КЗ), низкоомные утечки и обрывы. Характерной особенностью устойчивых повреждений является неизменность сопротивления в месте повреждения с течением времени и под воздействием различных дестабилизирующих факторов.

К неустойчивым повреждениям относятся утечки и продольные сопротивления с большими величинами сопротивлений, увлажнения места нарушения изоляции и другие. Неустойчивые повреждения могут самоустраняться, оставаться неустойчивыми или переходить при определенных условиях в устойчивые. Сопротивление в месте неустойчивого повреждения может изменяться как с течением времени, так и под воздействием различных дестабилизирующих факторов (напряжения, тока, температуры и др.)

Устойчивость повреждения может быть определена посредством измерения сопротивления изоляции и прозвонки поврежденного кабеля при отсутствии или наличии дестабилизирующих факторов. Это первая операция является обязательной для определения места повреждения[10].

Дистанционные и трассовые методы определения повреждений в кабельных линиях

Важная роль из всех операций принадлежит операции обнаружения зоны нахождения места повреждения дистанционными методами.

Успешное решение операции дистанционного определения расстояния до зоны нахождения места повреждения измерением с одного конца кабеля позволяет значительно сократить трудоемкость и время точного определения места повреждения, так как зона обследования кабельной линии трассовыми методами существенно сужается. Это наиболее актуально для протяженных кабельных линий[9].

Наибольшей эффективности обнаружения мест повреждения кабельных линий можно добиться совместным использованием приборов дистанционного определения мест повреждения и приборов трассового поиска мест повреждения. Для этого сначала прибором дистанционного типа определяют зону нахождения места повреждения, а затем трассовым прибором в зоне нахождения места повреждения определяют трассу залегания кабельной линии и определяют точное местонахождение повреждения.

При этом возникает вопрос о возможности обнаружения и точного определения места повреждения только прибором дистанционного типа или только прибором трассового типа, например в случае отсутствия или выхода из строя одного из приборов.

Удобства применения приборов дистанционного типа, в частности основанных на методе импульсной рефлектометрии, обусловлены прежде всего возможностью проведения измерений с одного конца кабельной линии и достаточно точным определением расстояния до места повреждения, имея в виду расстояние, проходимое электрическим импульсом по линии[9].

Приборы трассового поиска позволяют определить трассу, глубину залегания и точное местонахождение повреждения кабельной линии.

Основной недостаток трассовых методов заключается в том, что при неизвестной зоне нахождения места повреждения для точного его определения трассовым методом потребуется пройти с трассоискателем вдоль всей трассы. Это приводит к большим затратам, особенно для протяженных кабельных линий или в трудно доступных местах[10].

Дистанционные методы измерения мест могут быть использованы для решения различных задач:

- измерения длины кабельных или воздушных линий связи, электропередачи, контроля, управления и т.д.,

- измерения расстояния до места повреждения или неоднородности линии,

- определения типа повреждения линии (обрыв, короткое замыкание, утечка в изоляции кабельной линии, появление в жилах дополнительного продольного сопротивления, и другие),

- измерения параметров кабельной линии, таких как сопротивление изоляции, сопротивление шлейфа, емкость кабеля[15].

При решении задачи определения места повреждения открытой кабельной линии для точного поиска места повреждения может быть достаточно только дистанционного метода.

Наиболее распространенными дистанционными методами измерения являются импульсные методы и мостовые методы.

Импульсные методы измерения базируются на теории распространении импульсных сигналов вдоль линий.

Длительность этих импульсов значительно меньше времени прохождения их вдоль всей линии, поэтому в каждый момент времени импульс присутствует только на коротком участке линии[10].

Импульсные методы позволяют: измерить расстояние (электрическую длину линии) до места повреждения или неоднородности (муфты, кабельной вставки), определить вид повреждения (короткое замыкание, обрыв, утечки, перепутывание жил, и т.д.).

Мостовые методы, применяемые для измерения кабельных линий, используют постоянный ток или переменный ток частотой от нескольких герц до нескольких сотен герц.

Мостовые методы позволяют измерить сопротивление изоляции кабельной линии, сопротивление шлейфа (двух жил, закороченных на конце), емкость кабеля, расстояние до места обрыва, расстояние до места высокоомной утечки в изоляции линии.

Импульсные сигналы распространяются в линии с очень большой скоростью, которая зависит от изоляции между проводниками. В кабелях с резиновой изоляцией скорость распространения импульсных сигналов ориентировочно в 3 раза меньше, чем скорость света[9].

Если линия однородная и не содержит повреждений, то импульсный сигнал беспрепятственно распространяется от начала до конца линии. Если же на его пути встречаются неоднородности (барьеры), например нарушение изоляции между проводниками, то часть энергии этого импульса проходит через эту неоднородность, а часть отражается и начинает распространятся в обратном направлении - к началу линии.

Если же линия короткозамкнута или оборвана, то вся энергия импульса отражается и возвращается к началу линии. Измерив время задержки посланного в линию импульса и принятого из линии, можно определить расстояние до места повреждения.

1.1 Дистанционные методы

Дистанционные методы позволяют определить длину кабельной линии, расстояние до зоны расположения места повреждения кабельной или воздушной линии.

Существуют различные дистанционные методы, однако наиболее популярными являются метод импульсной рефлектомии и ёмкостный методы.

Метод импульсной рефлектомии позволяет определить расстояние до повреждения с помощью импульсных сигналов, а ёмкостный метод определяет расстояние с помощью измерения ёмкости кабеля[10].

Метод импульсной рефлектометрии

Метод импульсной рефлектометрии, называемый также методом отраженных импульсов или локационным методом, базируется на распространении импульсных сигналов в двух и многопроводных системах (линиях и кабелях) связи.

Приборы, реализующие указанный метод, называются импульсными рефлектометрами.

Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в выполнении следующих операций:

- зондировании кабеля (двухпроводной линии) импульсами напряжения;

- приеме импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления;

- выделении отражений от места повреждений на фоне помех (случайных и отражений от неоднородностей линий);

- определении расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего[10].

Рис. 1. Упрощенная структурная схема импульсного рефлектометра

С генератора импульсов зондирующие импульсы подаются в линию. Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, в котором производятся необходимые преобразования над ними. С выхода приемника преобразованные сигналы поступают на графический индикатор.

Все блоки импульсного рефлектометра функционируют по сигналам блока управления.

На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии - реакция линии на зондирующий импульс.

Образование рефлектограммы линии легко проследить по диаграмме, приведенной на рисунке ниже. Здесь осью ординат является ось расстояния, а осью абсцисс - ось времени.

В левой части рисунка показана кабельная линия с муфтой и коротким замыканием, а в нижней части - рефлектограмма этой кабельной линии.

Анализируя рефлектограмму линии, оператор получает информацию о наличии или отсутствии в ней повреждений и неоднородностей.

Рис. 2. Рефлектограмма

Например, по приведенной выше рефлектограмме можно сделать несколько выводов[10].

1. На рефлектограмме кроме зондирующего импульса есть только два отражения: отражение от муфты и отражение от короткого замыкания. Это свидетельствует о хорошей однородности линии от начала до муфты и от муфты до короткого замыкания.

2. Выходное сопротивление рефлектометра согласовано с волновым сопротивлением линии, так как переотраженные сигналы, которые при отсутствии согласования располагаются на двойном расстоянии, отсутствуют.

3. Повреждение имеет вид короткого замыкания, так как отраженный от него сигнал изменил полярность.

4. Короткое замыкание полное, так как после отражения от него других отражений нет.

5. Линия имеет большое затухание, так как амплитуда отражения от короткого замыкания много меньше, чем амплитуда зондирующего сигнала.

Если выходное сопротивление рефлектометра не согласовано с волновым сопротивлением линии, то в моменты времени 2•tм, 4•tм и т.д. будут наблюдаться переотраженные сигналы от муфты, убывающие по амплитуде, а в моменты времени 2•tх, 4•tх и т.д. - переотражения от места короткого замыкания[9].

Основную сложность и трудоемкость при методе отраженных импульсов представляет выделение отражения от места повреждения на фоне помех.

Метод импульсной рефлектометрии базируется на физическом свойстве бесконечно длинной однородной линии, согласно которому отношение между напряжением и током введенной в линию электромагнитной волны одинаково в любой точке линии. Это соотношение:

W = U/I

имеет размерность сопротивления и называется волновым сопротивлением линии.

При использовании метода импульсной рефлектометрии в линию посылают зондирующий импульс и измеряют интервал tх - время двойного пробега этого импульса до места повреждения. Расстояние до места повреждения рассчитывают по выражению:

Lx = tx•V/2,

где V - скорость распространения импульса в линии.

Отношение амплитуды отраженного импульса Uо к амплитуде зондирующего импульса Uз обозначают коэффициентом отражения Котр:

Котр = Uo/Uз = (W1 - W) / (W1 + W),

где: W - волновое сопротивление линии до места повреждения ,

W1 - волновое сопротивление линии в месте повреждения.

Отраженный сигнал появляется в тех местах линии, где волновое сопротивление отклоняется от своего среднего значения: у муфт, у мест изменения сечения жилы, у мест сжатия кабеля, у места обрыва, короткого замыкания и т.д.

Если выходное сопротивление импульсного рефлектометра отличается от волнового сопротивления измеряемой линии, то в месте подключения рефлектометра к линии возникают переотражения.

Переотражения - это отражения от входного сопротивления рефлектометра отраженных сигналов, которые пришли к месту подключения рефлектометра из линии. Выходное и входное сопротивления рефлектометра, как правило, равны между собой.

В зависимости от соотношения входного сопротивления рефлектометра и волнового сопротивления линии изменяется полярность и амплитуда переотражений, которая может оказаться соизмеримой с амплитудой отражений. Поэтому перед измерением рефлектометром обязательно нужно выполнить операцию согласования выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии[9].



Рис. 3. Примеры рефлектограммы линии без согласования выходного сопротивление с линией и с согласованием согласования выходного сопротивления

При распространении вдоль линии импульсный сигнал затухает, то есть уменьшается по амплитуде.

Затухание линии определяется ее геометрической конструкцией и выбором материалов для проводников и изоляции и является частотно-зависимым.

Следствием частотной зависимости является изменение зондирующих импульсов при их распространении по линии: изменяется не только амплитуда, но и форма импульса - длительности фронта и среза импульса увеличиваются. Чем длиннее линия, тем больше расплывание и меньше амплитуда импульса. Это затрудняет точное определение расстояния до повреждения.

Примеры рефлектограмм линий без затухания и с затуханием показаны на рисунке 4.

Для более точного измерения необходимо правильно, в соответствии с длиной и частотной характеристикой затухания линии, выбирать параметры зондирующего импульса в рефлектометре.

Рис. 4. Линия с затуханием и без затухания

Критерием правильного выбора является минимальное расплывание и максимальная амплитуда отраженного сигнала.

Если при подключенной линии на рефлектограмме наблюдается только зондирующий импульс, а отраженные сигналы отсутствуют, то это свидетельствует о точном согласовании выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии, отсутствии повреждений и наличии на конце линии нагрузки равной волновому сопротивлению линии.

Рис. 5. Линия с согласованным сопротивлением рефлектометра и нагрузки

Вид отраженного сигнала зависит от характера повреждения или неоднородности. Например, при обрыве отраженный импульс имеет ту же полярность, что и зондирующий, а при коротком замыкании отраженный импульс меняет полярность.

Рис. 6. Отражение импульса от различных мест повреждения

В идеальном случае, когда отражение от повреждения полное и затухание отсутствует, амплитуда отраженного сигнала равна амплитуде зондирующего импульса[10].

Емкостной метод

Метод применяется для определения расстояния до места обрыва одной или нескольких жил кабельной линии путем измерения емкости кабеля. Измерения могут проводиться как с помощью моста переменного тока (см. рис.7), так и с использованием баллистического гальванометра на постоянном токе (см. рис.8)

1 - жилы кабеля; 2 - место обрыва жилы; 3 - оболочка кабеля; Т - телефон.

Рис. 7. Схема измерений при определении места обрыва жил кабеля емкостным методом с помощью моста переменного тока 1000 Гц.

Измерения на переменном токе рекомендуется производить при переходном сопротивлении замыкания места повреждения кабеля от 5 кОм до 20 МОм, а на постоянном токе при сопротивлении свыше 20 МОм.

Измерения на переменном токе заключается в измерении емкости участка кабеля до места обрыва Сх с помощью моста переменного тока 1000 Гц. Плечи измерительного моста образуются нерегулируемыми сопротивлениями r1 и r4, регулируемым сопротивлением r2, регулируемой эталонной емкостью Сэт и емкостью измеряемой жилы Cх. Равновесие моста устанавливается rq и Сэт и проверяется по отсутствию звучания телефона Т[9].

Расстояние до места повреждения определяется в зависимости от характера повреждения одним из способов представленных ниже.

Рис. 8. Схема измерений при определении места обрыва жил кабеля емкостным методом на постоянном токе.

1 - жилы кабеля; 2 - место обрыва жилы; 3 - оболочка кабеля.

1. Разрыв жилы без заземления. Измеряют емкость поврежденной жилы с одного конца кабеля Cx(1), затем с противоположного Сx(2).

2. Одна из частей оборванной жилы имеет замыкание на землю. Измеряют емкость незаземленной части жилы Сх и емкость одной неповрежденной жилы С.

3. Емкость жилы может быть измерена с одного конца, остальные жилы замкнуты на землю. Измеряют емкость незаземленного конца оборванной жилы Сх [15].

При измерениях наибольшая точность будет обеспечиваться в 1-ом случае, во 2-ом случае результаты измерений несколько завышаются, случай 3 целесообразен при длине кабеля до 200 м.

Измерение емкости на постоянном токе с помощью баллистического гальванометра основан на том, что у последнего отброс стрелки пропорционален количеству электричества, проходящего через рамку при заряде или разряде емкости кабеля. При измерении, шунтом rш устанавливают минимальную чувствительность гальванометра G, а переключатель S2 устанавливают в положение 1. При этом зарядный ток, протекая через гальванометр в емкость кабеля, отбрасывает стрелку на угол бх. Шунтом повышают чувствительность для получения четкого замера. В качестве окончательного результата берут среднее значение по результатам 3 - 4 замеров угла бх. Перед каждым измерением емкость разряжается установкой переключателя S2 в положение 2. Измерение бэт на эталонной емкости выполняют аналогично при неизменном положении шунтирующего сопротивления.

При измерениях на постоянном токе возможны случаи аналогичных рассмотренным выше. Определение расстояния до места повреждения производится по тем же соотношениям.

1.2 Трассовые методы

В отличии от дистанционных методов, которые позволяют определить длину кабельной линии, расстояние до зоны расположения места повреждения кабельной или воздушной линии, трассовые методы предназначены для определения трассы прохождения кабельной линии, глубины залегания кабеля, точного нахождения места повреждения на трассе кабельной линии.

Существуют различные трассовые методы, однако наиболее популярными являются индукционный и акустический методы[10].

Индукционный и акустический методы дополняют друг друга. Так, если индукционный метод позволяет определить трассу прокладки, глубину залегания и точное место короткого замыкания, то акустический метод позволяет точно определить место обрыва кабельной линии.

Акустический метод

Акустический метод используется для определения места обрыва на силовых кабельных линиях.

Определить место обрыва индукционным методом нельзя, так как в месте обрыва ток от индукционного генератора равен нулю, а значит и магнитное поле вокруг кабеля отсутствует.

Для реализации акустического метода используется генератор мощных ударных импульсов и акустический приемник[10].

Генератор ударных импульсов представляет собой совокупность специального высоковольтного конденсатора и разрядника. Конденсатор подключается к силовой кабельной линии через разрядник. При срабатывании разрядника все напряжение с заряженного конденсатора оказывается мгновенно приложенным к кабельной линии. В кабельной линии возникает электромагнитная волна, которая распространяется по линии и, достигнув места обрыва кабеля, вызывает пробой в этом месте. Пробой сопровождается звуковым сигналом (щелчком), по месту нахождения которого и определяется место обрыва. Обычно разряд конденсатора производится периодически (раз в несколько секунд), поэтому и пробои повторяются с той же периодичностью.

Для улавливания сигнала от пробоя служит акустический приемник со специальным акустическим датчиком. Такой датчик чувствует акустический сигнал под землей. По максимальной интенсивности звукового сигнала находится место обрыва кабельной линии[9].

Индукционный метод

Индукционный метод может быть реализован в 2-х вариантах: активный и пассивный.

Активный индукционный метод требует использования индукционного комплекта, состоящего из 2-х частей: индукционный генератор и индукционный приемник. Индукционный генератор может иметь синусоидальный выходной сигнал или сигнал в виде меандра и подключается к кабельной линии. За счет протекания переменного тока вокруг кабельной линии образуется переменное магнитное поле.

Перемещаясь над кабельной линии со специальным индукционным приемником, оснащенным поисковой катушкой, можно определить трассу прохождения кабельной линии, глубину залегания кабельной линии и точное место обрыва или короткого замыкания в ней.

В зависимости от задачи (определение трассы, определения точного места короткого замыкания или места обрыва кабельной линии) могут использоваться частоты индукционного генератора, а значит и принимаемые частоты приемника, в пределах от 480 до 10000 Гц. Для уменьшения влияния промышленной сети на чувствительность приемника обычно выбирается рабочая частота не кратная 50 (60) Гц (в зависимости от частоты сети).

В зависимости от типа кабельной линии, на которой выполняются работы, глубины ее залегания, питания от сети или аккумуляторов, генераторы могут иметь выходную мощность от единиц ват до нескольких сотен ватт.

Индукционные приемники могут быть как простые, содержащие усилитель и поисковую катушку, так и сложные, имеющие несколько катушек, указатель нахождения над трассой кабеля и цифровую индикацию глубины залегания кабельной линии.

При пассивном индукционном методе достаточно использовать только индукционный приемник. При этом приемник должен принимать магнитное поле от работающего кабеля на частоте 50 Гц.

2. Определение повреждений методом измерения сопротивления и проводимости линий

2.1 Тестовый телефонный аппарат

Тестовый телефонный аппарат - телефонисты с его помощью определяют почти все повреждения кабельных и проводных линий связи. Используется повсеместно и является обязательным атрибутом профессии связного электромонтёра. В настоящее время они выпускаются промышленностью и могут иметь в себе множество различных функций[15].

Как правило, изготовляют её на основе трубки от старого дискового телефонного аппарата. На внутреннюю сторону, между микрофоном и телефонным капсюлем прикрепляется шурупами или болтами дисковый номеронабиратель от того же аппарата. Тип, цвет и прочие атрибуты зависят от возможностей монтёра или мастерской её изготовляющей. Всё это: микрофон, телефон, номеронабиратель, соединяются последовательно.

Рис. 1. Схема телефонной трубки.

Причём, дисковый номеронабиратель подключается таким образом, чтобы счётные контакты многократно размыкали цепь в момент обратного хода диска, тем самым и обеспечивая набор номера.

В строительных организациях чаще используют трубку без номеронабирателя, ибо там она используется только для прозвонки. В эксплуатации, наоборот трубка без возможности набора номера бесполезна.

В трубке желательно использовать не электронный, а старый угольный микрофон. Телефонный капсюль, наоборот лучше брать современный, более громкий. Правильно собранная трубка при подключении к телефонной паре проводов должна вызывать ответ станции, в телефонном капсюле слышится гудок. Соответственно должен набираться номер. Обычно самоделку не усложняют контактами, блокирующими телефон в момент набора номера, поэтому в трубке при наборе номера слышны громкие щелчки. Два шнура, выходящие из трубки оконечивают крокодилами[15].

Используют это приспособление с батареей из элементов питания желательно более 12 вольт, включается последовательно, но в эксплуатации чаще используют питание станционное («-» берут из телефонной пары). Поиск повреждения: один провод шнура заземляют, вторым последовательно касаются контактов на плинте. По громкому щелчку в трубке и определяют питание. Собственно по громкости щелчка, то есть на слух и определяются все повреждения. Если щелчок громкий, значит, на проводе присутствует постороннее напряжение, то есть сообщение.

Повреждение изоляции определяют, подсоединив один провод к питанию. Вторым при этом касаются проверяемого провода. Громкий щелчок свидетельствует о пониженной изоляции этого провода. Полное отсутствие щелчка свидетельствует об отсутствии ёмкости, то есть о близком обрыве провода. Щелчок должен быть еле слышен, но быть он должен.

Короткое замыкание узнают так же как и повреждение изоляции, при этом второй провод исследуемой пары заземляют.

С помощью этого приспособления можно по номеру телефона найти в распределительном шкафу нужную пару, позвонить с неё куда угодно или подслушать чей-нибудь разговор[10].

Прозвонка при проверке смонтированной кабельной линии

Две трубки и какое-либо питание используются для прозвонки кабеля. То есть для проверки целости жил и их правильного монтажа или для выбора пар кабеля при сборке. При прозвонке трубки подключаются по таким схемам:

Рис. 2.Схема проверки монтажа кабеля (прозвонки) кабеля с батареей питания через «землю»

Рис. 3. Схема проверки монтажа кабеля (прозвонки) кабеля со станционным питанием через «землю»



Рис. 4. Возможно включение не через «землю», а через экран кабеля. Дополнительно проверяется целость экрана.

Общеприняты две последовательности прозвонки: по парам и по жильно[10].

По парам. Первый монтер касается контактом трубки 2-х жил пары одновременно. Второй при этом проверяет присутствие напряжения щелчка на обеих жилах своего плинта. Далее, убедившись, что обе жилы доходят, второй по трубке даёт команду первому: одну. Первый монтёр переключается на жилу а. Второй проверяет присутствие щелчка на жиле а и его отсутствие на второй жиле б, то есть проверяет пару на короткое замыкание. Далее даёт команду первому: дальше. Первый переключается на 2 жилы следующей пары. Процесс повторяется.

По жильно. Первый касается только жилы а пары. Второй проверяет на щелчок» жилу а и на его отсутствие жилу б. Возвращается на жилу а, даёт команду дальше. Первый переключается на жилу б. Второй проверяет его присутствие на этой жиле и по ней же даёт команду дальше. Для следующей пары процесс повторяется[10].

Такая прозвонка позволяет убедится в правильности монтажа, в отсутствии обрывов жил или земли на этих жилах. Но не гарантирует проверку отсутствия сообщений, а так же разбитостей, собранных по прозвонке. По правилам сообщения и разбитости должны определятся при дальнейших измерениях, но это часто зависит от возможностей или добросовестности измерителей.

2.2 Устройство прозвонки плоских кабелей

За основу взят прибор из журнала «Радио» 2009 год, выпуск №5. Прибор позволяет прозвонить вручную около сотни 10- и 14- проводных кабелей в день. Прибор сделан на микроконтроллере ATtiny13, кроме микроконтроллера для потребовалось два сдвиговых регистра, транзистор и две линейные светодиодные шкалы, показывающие код ошибки[6].

Особенности порта ввода-вывода микроконтроллера ATtiny13 заключаются в том, что его линии PB0 - PB5 могут передавать сигналы в обе стороны, каждую из них конфигурируют отдельно с помощью регистра DDRB. Для управления портом имеются еще два регистра PINB и PORTB.

Первый из них служит для ввода информации в микроконтроллер. В его разрядах отображаются единицами и нулями фактические, действующие в данный момент логические уровни напряжения на выводах микроконтроллера[3].

Регистр PORTB служит для вывода информации из микроконтроллера.

Сдвиговый регистр представляет собой набор D-триггеров, выход каждого из которых соединен со входом следующего. Основное назначение - преобразование последовательного кода в параллельный[16].

Для записи в сдвиговый регистр семиразрядного двоичного кода необходимо прежде всего разрешить работу регистра, установив на входе R высокий, а на входе C - низкий уровень и подать на информационный вход значение старшего разряда выводимого кода. После чего сформировать на входе C тактовый импульс. В результате значение разряда D6 будет записано в младший разряд регистра и выведено на его выход 1.

Далее на информационный вход подают значение разряда D5 и вновь формируют тактовый импульс. Значение D6 будет перенесено в следующий разряд регистра и появится на выходе 2. Значение D5 будет выведено на выход 1. Каждый новый тактовый импульс сдвигает код в регистре еще на один разряд, и после седьмого импульса он займет положенное место: на выходе 1 - D0, на выходе 7 - D6. Временные диаграммы на рисунке 7 иллюстрируют, как сдвиговый регистр преобразует последовательный код 1011001 в такой же параллельный.

Что бы увеличить разрядность сдвигового регистра до 14 (максимального числа проводов в кабеле), два восьмиразрядных регистра 74НС164 (DD1 и DD2) соединены последовательно по семь разрядов. Полное преобразование кода происходит за 14 тактовых импульсов[6].

При разработки схемы и программы прибора было принято следующее распределение линий порта микроконтроллера по выполняемым функциям:

PB0 - выход тактирования сдвигового регистра;

PB1 - выход начальной установки сдвигового регистра;

PB2 - выход параллельного кода, загружаемого в регистр;

PB3 - вход с четных проводов;

PB4 - вход с нечетных проводов;

PB5 - выход включения индикатора[3].



Рис. 6. Схема прозвонщика плоских кабелей



Рис. 7. Диаграмма преобразования последовательного кода 1011001 в параллельный

В зависимости от числа проводов в проверяемом кабеле им соединяют 14-контактные разъемы XP1 и XP3 либо 10-контактные XP2 и XP4. Индикаторы HL1 и HL2 подключены к тем же выходам сдвиговых регистров, что и провода проверяемых кабелей. Что бы избежать мерцания индикаторов, их необходимо на время выполнения микроконтроллером процедуры проверки выключать, а включать лишь после того, как в регистры будет загружен код, отображающий ее результат. Это выполняется с помощью транзистора VT1, управляемого сигналом микроконтроллера.

При проверке кабеля необходимо прозвонить каждый его провод и убедиться, что он не соединен с одним из соседних. Других дефектов в плоских кабелях не встречается[6].

Процедура проверки начинается с записи единицы во внешний сдвиговый регистр. В результате на первом контакте разъема XP1 устанавливается высокий уровень. Если подключенный к нему и к первому контакту разъем XP3 провод кабеля исправен, то на вход PB4 микроконтроллера поступит напряжение высокого уровня, а на входе PB3 оно останется низким.

При выполнении этого условия в младший разряд переменной n_err программа запишет 0, в противном случае - 1. Далее формируется еще один тактовый импульс и проверяется второй провод. Так как его номер четный, результат записывается а переменную ch_err. Для проверки всех четырнадцати проводов процедура повторяется семь раз, причем перед проверкой очередной пары проводов значения переменных n_err и ch_err сдвигаются на один двоичный разряд[14].

По окончании проверки полученные значения переменных n_err и ch_err загружаются во внешний сдвиговый регистр и включаются индикаторы. После паузы проверка повторяется. Диоды VD1 - VD14 нужны для того, чтобы развязать между собой выходы регистров. Внешний вид прибора, собранного на макетной плате, показан на рисунке 8[1].

Рис. 8. Внешний вид «прозвонщика»

Программа микроконтроллера написана на языке ассемблера в среде AVR Studio.

Вывод по главе I

В данной главе было рассмотрено несколько методов для обнаружения повреждений в кабельных сетях. Так же было разобрано устройство прозвонки плоских кабелей и сами способы прозвонки.

В результате мы выяснили, что метод импульсной рефлектометрии более удобен для практического использования, так как для измерения импульсным рефлектометром достаточно доступа к линии с одного конца.

Импульсные рефлектометры позволяют определить расстояние до места повреждения линии при любом характере повреждения (обрыв, короткое замыкание, утечка, продольное сопротивление и т.д.).

Метод импульсной рефлектометрии позволяет достигнуть более высокой точности измерений расстояния до места повреждения по сравнению с другими методами.

В отличии от дистанционных методов, которые позволяют определить длину кабельной линии, расстояние до зоны расположения места повреждения кабельной или воздушной линии, трассовые методы предназначены для определения трассы прохождения кабельной линии, глубины залегания кабеля, точного нахождения места повреждения (короткого замыкания или обрыва) на трассе кабельной линии.

Существуют различные трассовые методы, однако наиболее популярны индукционный и акустический методы.

Глава II. Разработка прибора для определения неисправности сетевых кабелей на основе UTP с коннектором RG-45

повреждение кабельный линия неисправность

1. Измерение индуктивности

Одним из методов измерения индуктивности является метод вольтметра-амперметра. При его использовании необходимо выполнение условия: активное сопротивление катушки RL должно быть значительно меньше ее индуктивного сопротивления XL. Тогда из закона Ома

, откуда

В зависимости от значения индуктивного сопротивления катушки можно пользоваться схемой, изображенной на рисунке 1а (при малых индуктивных сопротивлениях, то есть малых индуктивностях), или схемой, изображенной на рисунке 1б (при больших индуктивных сопротивлениях, то есть больших индуктивностях).

Рис. 1

Для уменьшения погрешности измерения необходимо также учитывать активное сопротивление катушки, так как ее полное сопротивление

,

отсюда

С увеличением частоты подаваемого напряжения точность измерений уменьшается из-за влияния собственной емкости катушки и входной емкости вольтметра, которые суммируются. Емкость и измеряемая индуктивность образуют параллельный контур, сопротивление которого при резонансе возрастает, что эквивалентно увеличению индуктивности. Поэтому значение индуктивности, полученное в результате измерения, будет больше действительного значения, причем погрешность увеличивается при увеличении частоты напряжения питания[9].

Достаточно часто применяется мостовой метод измерения индуктивности. В качестве плеча сравнения может использоваться образцовая катушка индуктивности или образцовый конденсатор - C2 (рис. 2). Конденсатор применяется чаще в связи с трудностями изготовления катушек с малыми потерями.

Рис. 2

Условие равновесия моста Zx Z2 = Z Z1, где Zi = Ri + j Xi, запишется в виде:

Разделив вещественную и мнимую части, получим выражения для индуктивности катушки и ее активного сопротивления: Lх=C2RR1, Rx=RR1/R2.

Добротность катушки определяется выражением Qx=щLx/Rx=щR2C2.

Уравновешивание моста достигается плавной регулировкой параметров R2 и C2. Изменяя произведение RR1, можно расширить пределы измерения моста[9].

2. Измерение емкости.

Существуют различные методы измерения емкости: метод амперметра-вольтметра, мостовой метод, метод баллистического гальванометра, по времени разряда конденсатора через резистор известного сопротивления, резонансный метод и др[10].

Одним из наиболее простых является метод амперметра-вольтметра. Он основан на измерении емкостного сопротивления конденсатора, которое обратно пропорционально емкости и частоте электрического тока:

,

откуда

Следовательно, для измерения емкости этим методом необходимо знать частоту напряжения, подаваемого от источника питания.

Как и в случае измерения активного сопротивления в зависимости от величины емкостного сопротивления может быть использована одна из схем подключения приборов (рис. 2а, 2б). При больших емкостях, то есть малых емкостных сопротивлениях, меньше погрешность измерения при использовании схемы 2а; при измерении малых емкостей, то есть больших емкостных сопротивлений, лучше пользоваться схемой 3б.

Рассмотрим, какая минимальная емкость может быть измерена этим методом при использовании напряжения частотой 50 Гц. Пусть, например, имеется измерительный прибор, позволяющий измерить с достаточной точностью ток величиной 0,1 мА, а напряжение, приложенное к конденсатору - 30 В. Тогда минимальная измеряемая емкость 0,01 мкФ. Если требуется измерить меньшую емкость, необходимо использовать переменное напряжение более высокой частоты. Так, при частоте 5 кГц и тех же значениях тока и напряжения минимальная измеряемая емкость составляет 100пФ[9].

Одной из разновидностей метода вольтметра-амперметра является метод двух вольтметров, используемый для измерения малых емкостей (рис. 3в). Вольтметром V1 измеряется напряжение питания, а вольтметром V2 - напряжение на конденсаторе известной емкости C0:

Сила тока I в неразветвленной цепи равна: ,

отсюда

Емкость конденсатора С0 должна быть значительной (сопротивление его мало), чтобы вольтметр V2 вносил незначительные изменения в электрическую цепь. При C0 >> Cx выражение для расчета емкости можно упростить:

Мостовой метод аналогичен соответствующему методу измерения активного сопротивления. Схема четырехплечного моста переменного тока приведена на рисунке 4. В качестве указателя равновесия (индикатора нуля И) могут использоваться осциллографы, вибрационные гальванометры и др.

Условие равновесия моста в этом случае записывается в комплексной форме: Zx Z2 = Z Z1, где сопротивления плеч Zi в общем случае представляют собой комплексные сопротивления вида Zi = Ri + j Xi .

Рис. 2

Если в двух смежных плечах включены активные сопротивления, то в двух других смежных плечах должны быть обязательно сопротивления одного характера - индуктивности, или емкости (рис. 5). Если активные сопротивления включены в противоположные плечи, то в два других противоположных плеча необходимо включить разные по характеру сопротивления: в одно плечо - индуктивность, в другое - емкость (рис 1)[9].

На рисунке 5 приведена мостовая схема для измерения емкости с использованием параллельной схемы замещения реального конденсатора. В качестве эталонного конденсатора C1 обычно используется воздушный конденсатор с малыми потерями. В этом случае условие равновесия моста (1) запишется в виде:

Рис. 4 Рис. 5

Разделив вещественную и мнимую части (напомним, если равны два выражения, то можно приравнять их вещественные и мнимые части), получим выражения для емкости конденсатора и его активного сопротивления:

,

Тангенс угла потерь определяется выражением:

Уравновешивание моста производят поочередным изменением сопротивления R1 и емкости C1. Для расширения пределов измерения изменяют отношение R/R2.

Рассмотрим использование метода баллистического гальванометра. Баллистическими называют чувствительные гальванометры, у которых период собственных колебаний рамки очень большой. В баллистическом режиме может работать любой прибор магнитоэлектрической системы, если ток в цепи прибора протекает в течение времени, во много раз меньшего периода собственных колебаний его подвижной рамки. При разряде конденсатора через баллистический гальванометр отброс стрелки гальванометра пропорционален протекающему через него заряду. Проведем следующий эксперимент. Зарядим конденсатор до напряжения U и, разрядив его через гальванометр, заметим величину отброса стрелки (рис. 6а). Повторим опыт, увеличивая напряжение в 2, 3 и т.д. раз. Каждый раз отношение напряжения к числу делений, на которые отклонялась стрелка, будет величиной постоянной. Затем, не изменяя напряжения, проведем эксперимент с конденсаторами емкостью C, 2С, 3С и т.д. Обнаружим, что отношение емкости конденсатора к числу делений, на которые отклонилась стрелка, тоже величина постоянная.

Баллистическая постоянная гальванометра - это отношение заряда q, протекшего через рамку гальванометра, к числу делений n, на которое отклонилась стрелка: k = q/n. Для определения баллистической постоянной несколько раз проводят опыт с конденсаторами известной емкости. Заряд конденсатора рассчитывается по формуле q = CU, где q - заряд на одной из обкладок конденсатора, C - емкость конденсатора, а U - напряжение между обкладками конденсатора. Тогда k = CU/n. Из нескольких опытов при различных напряжениях между обкладками конденсатора и различных значениях емкости определяют среднее значение баллистической постоянной гальванометра.



Рис. 6

Затем включают в цепь конденсатор неизвестной емкости и повторяют опыт. Зная баллистическую постоянную и число делений, на которое отклонилась стрелка гальванометра, определяют емкость: Cx = kn/U.

Для измерения емкости можно использовать любой прибор магнитоэлектрической системы при условии, что произведение емкости конденсатора на внутреннее сопротивление прибора будет значительно меньше периода собственных колебаний стрелки прибора. В этом случае конденсатор полностью разряжается за время, много меньшее периода собственных колебаний, и изменение сопротивления резистора, включенного последовательно с гальванометром, никак не влияет на отброс стрелки гальванометра.

Широко применяется способ измерения емкости конденсатора по величине среднего значения силы разрядного тока измеряемого конденсатора, периодически перезаряжаемого с частотой f (рис. 6б).

При замкнутых контактах ключа SA1 исследуемый конденсатор C заряжается по цепи: плюс источника питания, полупроводниковый диод VD1, замкнутые контакты ключа, минус источника. При разомкнутом ключе ток разрядки конденсатора протекает по цепи: правая обкладка конденсатора, микроамперметр, резистор, R1, левая обкладка конденсатора. Диод VD1 (германиевый) выбирают так, чтобы напряжение на нем в прямом направлении было как можно меньше, тогда ток зарядки, протекающий через микроамперметр, очень мал. В некоторых устройствах для исключения тока зарядки конденсатора через микроамперметр последовательно с микроамперметром включают дополнительно диод, через который будет протекать ток разрядки конденсатора.

Время замкнутого и разомкнутого состояния ключа обычно выбирают равным. Постоянная времени RC разрядной цепи выбирается значительно меньше времени, в течение которого контакты ключа замкнуты, следовательно, конденсатор успевает полностью разрядиться. Заряд конденсатора определятся по формуле q = C?U, а сила разрядного тока конденсатора I = q?f=C?U?f, где f - частота включения и выключения ключа. В качестве ключа обычно используется ключ на биполярном транзисторе.

Рис. 7

Одной из разновидностей резонансного метода измерения емкости конденсаторов является метод с использованием двух генераторов высокой частоты (рис. 7). В колебательном контуре второго генератора высокой частоты используется эталонный конденсатор переменной емкости, а в колебательный контур первого генератора высокой частоты входит исследуемый конденсатор. Колебания высокой частоты с первого и второго генераторов подаются на смеситель, на выходе которого получаются колебания разностной частоты. Пройдя через фильтр и усилитель низкой частоты, колебания подаются на индикаторы нулевых биений. Индикаторы нулевых биений позволяют определить равенство частот колебаний первого и второго генераторов. В качестве индикаторов нулевых биений достаточно часто используют одновременно головные телефоны и стрелочные измерительные приборы. Такой принцип работы имеет прибор Е12-1. Значение емкости измеряемого конденсатора определяется по специальной шкале.

Емкость электролитических конденсаторов (такие конденсаторы имеют значительную емкость) можно достаточно просто определить по времени разряда до напряжения 0,367U0 (рис. 3.17а), где U0 - напряжение, до которого был первоначально заряжен конденсатор. Напряжение на конденсаторе при его разрядке изменяется по закону: , где Uc - напряжение на конденсаторе в момент времени t при условии, что при t=0 конденсатор был заряжен до напряжения U0 и начал разряжаться через резистор сопротивлением R. Если выбрать время разрядки конденсатора равным RC, то за это время напряжение между обкладками конденсатора уменьшится до 0,367U0. Зная сопротивление цепи, через которую разряжался конденсатор, и экспериментально определив время Дt его разрядки до напряжения 0,367U0, определим емкость конденсатора по формуле: С=Дt/R.

Рис. 8

Для проведения опыта собирают электрическую цепь по схеме рисунка 8б. При замыкании ключа конденсатор заряжается до напряжения U0. Измеряют время с момента размыкания ключа до момента установления на конденсаторе напряжения 0,367 U0. Сопротивление резистора R подбирается экспериментально, чтобы время разряда было 5-15 секунд (удобное для снятия показаний вольтметра). Если сопротивление резистора R много меньше внутреннего сопротивления вольтметра, то внутреннее сопротивление вольтметра можно не учитывать. В противном случае при подстановке в формулу для расчета емкости сначала рассчитывается общее сопротивление параллельно соединенных резистора и вольтметра[9].

Были произведены вычисления погонного коэффициента. Измерена емкость кабелей различной длины: 1м, 2м, 3м, 4м, 5м, 10м, 20м и 30м. Расчеты были произведены исходя из того, что емкость 1метра кабеля равна 45 pF. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1

UTP-5 длина 1 метр
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
45 pF	0
UTP-5 длина 2 метра
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
78 pF	-12
UTP-5 длина 3 метра
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
144 pF	+9
UTP-5 длина 4 метра
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
180 pF	0
UTP-5 длина 5 метров
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
225 pF	0
UTP-5 длина 10 метров
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
450 pF	0
UTP-5 длина 20 метров
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
900 pF	0
UTP-5 длина 30 метров
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
1350 pF	0

2.1 Постановки задачи разработки прибора

Уже существующий прибор измерителя емкости Мастер С, описанный в журнале «Радио», выпуск №1, 2002 года был взят за прототип, на базе которого была разработана схема электрическая принципиальная прибора для определения расстояния до обрыва емкостным методом. Структурная схема прибора изображена на рисунке 9.

Рис. 9. Структурная схема прибора

Измеряемая емкость Cx подключается к генератору импульсов измерительного периода (ГИП). Период генерируемых импульсов пропорционален Cx. Они непрерывно поступают на формирователь импульсов управления счетом. По сигналу разрешения, который вырабатывается каждые 0,8 … 1,0 секунд генератором цикла, формирователь импульсов управления выдает одиночный импульс, длительность которого равна одному периоду импульсов на выходе ГИП[4].

По переднему фронту этого импульса формирователь импульса сброса устанавливает счетчик - цифровой индикатор в нулевое состояние. Кроме того импульс управления поступает на ключ и разрешает прохождение тактовых импульсов на вход счетчика. Эти импульсы вырабатываются генератором тактовых импульсов (ГТИ). Их частота на каждом пределе измерения выбрана такой, что за время действия импульса управления на счетчик поступает количество импульсов, равное численному значению измеряемой емкости в соответствующих единицах: пикофарадах на пределе (pF), нанофарадах на пределе (nF) и микрофарадах на пределе(mF).

Так как к измеряемой емкости на входе ГИП всегда добавляется паразитная входная емкость самого прибора, на вход счетчика поступают импульсы, количество которых численно равно сумме этих емкостей. В данной конструкции входная емкость составляет 10 … 12 pF. Чтобы на пределе pF счетчик показывал истинное значение, длительность импульса сброса выбрана такой, чтобы счетчик не реагировал на некоторое количество первых импульсов, число которых соответствует паразитной входной емкости прибора[4].

повреждение кабельный линия неисправность

2.2 Описание схемы прототипа прибора

Принципиальная схема прототипа показана на рисунке 10. ГИП представляет собой мультивибратор на основе триггера Шмитта, состоящий из элементов DD 1.3 и транзисторов VT1 и VT2. Он служит для преобразования значения измеряемой емкости во временной интервал. Диоды VD1, VD2, резистор R9, и предохранитель FU1 защищают прибор от повреждения при подключении ко входу заряженного конденсатора. Конденсатор C7 и резистор R10 улучшают линейность показаний при измерении малых емкостей на пределе. Транзисторы VT1 и VT2 служат для усиления выхода триггера Шмитта, что улучшает его работу на пределе. Конденсатор C10 ограничивает частоту импульсов на выходе микросхемы DD1.3 на пределе в те моменты, когда измеряемый конденсатор ко входу не подключен. Конденсатор C9 выполняет аналогичные функции на пределе, но его основная задача - снижение уровня наводки на входе DD1.3 от импульсов ГТИ на пределе. ГТИ собран на элементе DD1.1 период его колебаний на пределе определяется емкостью конденсатора C3 и сопротивлением резисторов R1, R6[16].

Генератор цикла представляет собой мультивибратор на элементе DD1.2. он вырабатывает импульсы, определяющие время между циклами измерений.

Рис. 10. Принципиальная схема прототипа

Триггеры DD2.1 и DD2.2 образуют формирователь импульсов управления, служащий для выработки импульса. Формирователь импульса сброса собран на транзисторе VT3.

Ключ на элементе DD1.4 служит для выдачи на счетчик DD3 - DD6 импульсов тактового генератора в течении времени, равного длительности импульса управления. Формирователь импульса сброса собран на транзисторе VT3. Длительность импульса сброса устанавливается подстроечным резистором R11 и выбирается такой, чтобы электронный счетчик не реагировал на первые 10 - 12 импульсов счета на пределе pF[23].