Інновації в рефлектометрії та мостових вимірах
Рефлектометри та вимірювальні мости працюють і в галузі зв'язку та енергетики. Фізично мідь зв'язку та мідь силових кабелів однотипні. Причому якщо зв'язок може піти в оптику та ефір, то для енергетики мрії Миколи Тесла про бездротову передачу енергії поки що нездійсненні. Отже, "мідним приладам" жити ще довго. Звісно, частина їх вимагає відомої спеціалізації. Але є прилади, які «лягають» на силові кабелі одразу. Приклад – рефлектометри та мости, які використовують однаковий принцип для всіх мідних кабелів.ІННОВАЦІЇ ДЛЯ РЕФЛЕКТОГРАМІВ МЕДНИХ КАБЕЛЕЙ Відомо про поліпшення рефлектограм мідних кабелів рахунок придушення «лижі». «Лижа» – проблема для рефлектометрів. Зондуючий імпульс заряджає кабель, зміщуючи вгору рефлектограму і маскуючи дефект. З «лижею» борються по-різному — посилкою компенсуючого імпульсу зворотної полярності або застосуванням гібридної схеми, як це робить Acterna. Компанія «Зв'язокприлад» здійснює компенсацію програмними методами. Функція називається "антилижу". На рис. 1 показаний рефлектометр Гамма на тому самому кабелі з вимкненою і включеною функцією «антилижу». Розташування маркерів ідентичне. Вимірювальний маркер, відзначений стрілками на кінцях, стоїть на підозрілому місці. У цьому місці спостерігається якась невиразна зміна. Ідентифікувати його практично неможливо. Вигляд рефлектограми з виправленою «лижею» є принципово кращим. Зникла мертва область після зондувального імпульсу. Слабо помітний дефект кабелю тепер може бути чітко локалізований. Важливо відзначити, що вигляд картинки звичний для вимірювача і тип дефекту можна визначити виходячи з попереднього досвіду.
Крім того, є цікаві рішення для рефлектометрів класу «Майстер». Упроекті «РД Майстер» прозвучала альтернативна пропозиція: створити досконаліший рефлектометр, який використовує класичні методи вимірювань на базі нових технологій у приладобудуванні. Насамперед прилад повинен мати високі технічні характеристики. Сучасні експлуатовані провідні лінії, як правило, невеликої довжини, мають численні пошкодження, мають значне загасання і прокладені поруч із джерелами великих перешкод (силові кабелі, виділені лінії HDSL, SHDSL, ADSL тощо). Необхідно, щоб рефлектометр дозволяв змінювати в широких межах діапазон відстаней та тривалість імпульсу (від 50 м до 30 км і від 8 нс до 16 мкс), бути здатним розрізняти малі відстані (10-20 см) та детектувати пошкодження практично в місці підключення вимірювальних проводів (Мертва зона повинна бути мінімальна). Крім того, рефлектометр повинен добре відбудовуватись від перешкод і дозволяти працювати на зашумлених лініях з великим згасанням. Діапазон відстаней, тривалість імпульсу та роздільна здатність — традиційні та найбільш зрозумілі користувачам параметри. Найчастіше саме по них орієнтуються при порівнянні та придбанні приладів. На жаль, роздільна здатність трактується по-різному. В одних випадках це мінімальна відстань між двома точками рефлектограми, в інших – мінімальна зміна довжини кабелю, яку фіксує прилад, у третіх – мінімальна відстань між двома помітними дефектами. Виробники іноді заявляють для роздільної здатності величину 2-3 мм. Ймовірно, такі значення можуть бути потрібні для тестування провідників друкованих плат (при тривалості імпульсу 0,1 нс або менше) та аналогічних завдань. Однак залишимо осторонь питання щодо практичної цінності таких вимірювань на кабелі, набагато цікавіше зрозуміти, за рахунокчого вони можуть бути досягнуті. Що тут головне?БОРОТЬБА З ШУМОМ Справа в тому, що рефлектограма є результатом усереднення численних вимірів часу — на відбитий імпульс щоразу накладається тимчасова шкала (рис. 2). Ця шкала формується еталонним генератором (кварцовим резонатором), і від неї залежить дуже багато. Якість генератора зазвичай оцінюється стабільністю частоти та джиттером - величиною фазових тремтінь. Якщо шкала стабільна, то прилад фіксує тільки ті події, які чітко потрапляють на мітки тимчасової шкали (і не фіксує те, що відбувається між мітками), але добре придушуються перешкоди і шуми, оскільки на кожну мітку припадає дуже багато вимірювань. Останнє дозволяє розширити загасання, що перекривається, і впевнено працювати на проблемних лініях, не побоюючись перешкод і шумів.
Для збільшення роздільної здатності деякі виробники зменшують крок тимчасової шкали. Найбільш просто використовувати генератор з великим джиттером. У цьому випадку шкала часу нестабільна («смикається»), і в окремих вимірах фіксуються події між мітками основної шкали. Це дозволяє після усереднення розрізняти події, відстань між якими менша від основної шкали. Роздільна здатність приладу збільшується, але ціною «розмазування» форми імпульсів, що реєструються.
Коректніший і складніший (дорогий) шлях - збільшення тактової частоти або використання керованих ліній затримки одночасно зі зменшенням тривалості імпульсу. І тут форма імпульсів відображається правильно. Короткий імпульс дозволяє "розглянути" дрібні деталі. Однак слід розуміти, що при будь-якому способі збільшення роздільної здатності співвідношення сигнал/шум погіршується. На кожну градацію тимчасової шкали доводитьсяменше вимірів, і для відбудови від перешкод та шумів потрібно все більше часу. Оперативно працювати на зашумлених лініях з великим загасанням стає вкрай складно, а часто й неможливо.МОСТОВІ ВИМІРИ Інновація отримала назву Resistance Fault Locator (RFL) — «Резистивний локатор витоку» (рис. 3). Що таке RFL — той самий добре відомий міст постійного струму? Чим він відрізняється від традиційних засобів вимірів? Слово resistance означає, що вимірювання відстані до місця зі зниженим опором ізоляції засноване на вимірюванні постійним струмом опору жили R1b до місця витоку. Щоб провести вимірювання, необхідно включити ділянку з R1b в електричний ланцюг. Для цього потрібна непошкоджена зворотна жила в кабелі. Зворотна жила відіграє роль вимірювального дроту вольтметра для вимірювання падіння напруги V на ділянці з R1b. За законом Ома:
Технічна реалізація (попри очевидну простоту ідеї) досить складна. Опір ізоляції зворотного проводу має бути набагато більшим за опір досліджуваного витоку. Вольтметр повинен показувати напругу саме R1b. Якщо на зворотному дроті погана ізоляція, то до вольтметра дійде неправильне значення напруги. Для забезпечення точності вимірювань R ізоляції зворотної жили має бути принаймні в 400 разів більшою за пошкоджену. Для високоомних витоків таке правило виконати досить складно. Якщо ведеться пошук витоку в 50 МОм, необхідно знайти зворотний провід з ізоляцією не гірше за 20 ГОм. Це важливе обмеження локалізації витоків.
По-перше, струм через витік в 50 МОм від джерела 400 становить всього 8 мкА. Для забезпечення точності 0,1% його необхідно вимірювати з роздільною здатністю не нижче 8 нА. Падіння напруги наділянці мідної жили діаметром 1,2 мм та довжиною 1 км становить всього 130 мкВ. Цю напругу необхідно вимірювати з точністю не нижче 0,15 мкВ. По-друге, вимірювання необхідно проводити на лініях, в яких завжди є перешкоди, які часто перевищують рівень корисного сигналу. Процеси зазвичай нестабільні, і всі вимірювання необхідно проводити одночасно. Раніше для вирішення цих проблем пошкоджена жила включалася до схеми класичного мосту (Муррея або Варлея). Міст врівноважувався, що дозволяло досягти достатньої чутливості методу та захисту від перешкод. У сучасних методах цього ефекту досягають рахунок застосування багаторозрядного АЦП і цифрової обробки сигналу. До того ж класичні мостові методи інтегровані в один вимірювальний процес. Це, зокрема, дозволяє впевнено локалізувати у силовій розподільній мережі ушкодження ізоляції до 20 МОм. Таке під силу лише сучасним RFL.