Тестирование коаксиальных кабелей с помощью импульсного рефлектометра: руководство!

Импульсные рефлектометры издавна применяются для диагностики повреждений (обрывов и коротких замыканий) в медных кабелях: витой паре, коаксиальных, силовых. Они просты в эксплуатации и позволяют точно определить тип неисправности и расстояние до неё. Вместе с тем, часто, из-за непонимания принципов распространения сигнала по кабелю и методики диагностики повреждений, молодые специалисты допускают ошибки в измерениях, что приводит к увеличению времени устранения повреждений. В данной статье детально описан принцип работы импульсного рефлектометра, а также методика проверки коаксиальных кабелей с помощью приборов компании Tempo Communications (США), из которой вы узнаете, как искать такие распространенные неисправности как обрыв или короткое замыкание коаксиального кабеля.

Как распространяется сигнал по медной паре?

Электрический сигнал в виде электромагнитной волны распространяется по медной паре до тех пор, пока не будет обнаружена неравномерность импеданса. Такая неравномерность возникает в местах скрутки жил, их повреждения, попадания воды и др. Изменение характеристик проводника приводит к тому, что часть или вся энергия волны отражается обратно к источнику сигнала. Оставшаяся энергия продолжает перемещаться в первоначальном направлении.

Подобный эффект можно наблюдать и в повседневная жизнь, если крикнуть, находясь перед удаленным объектом, например, горой, стеной дома или кромкой леса. Часть звуковой волны при этом возвращается к источнику, которым в данном случае выступает кричащий, в виде эха (по тому же принципу работает радар).

Значение времени между моментом передачи электромагнитной волны (импульса) и моментом приема его отражения используется для расчета расстояния до точки отражения.

Данные отражения очень нежелательны с точки зрения обеспечения достоверности передачи. Однако они составляют основу работы технологии рефлектометрии (Time Domain Reflectometry или TDR) и обеспечивают возможность изучения графического отображения характеристик тестируемого кабеля.

Отражения сигнала в коаксиальном кабеле

На сетях операторов кабельного телевидения (КТВ) используются коаксиальные кабели, состоящие из внутреннего и внешнего проводников, и диэлектрика между ними. Если с генератора импульсов, имеющего выходное сопротивление, соответствующее входному сопротивлению кабеля (обычно 75 Ом), подать короткий электрический импульс в не имеющий неисправностей кабель, и посмотреть на отраженный сигнал, то можно столкнуться с одним 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. При правильной концевой заделке кабеля (на нагрузку с его характеристическим импедансом) отраженного импульса видно не будет. Причина заключается в том, что передаваемый импульс полностью поглощается согласованным сопротивлением. Это означает, что 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.

Значение времени, прошедшего между подачей импульса в кабель и поступлением отраженного импульса (эха), можно преобразовать в расстояние. Для этого должна быть известна скорость распространения импульса в кабеле. Амплитуда отраженного импульса является показателем уровня потерь при распространении (затухания) в кабеле.

Рис. 1 Рефлектограммы коаксиального кабеля

Расчет длины кабеля по времени прохождения импульса

Прежде всего, оговорим разницу между скоростью и коэффициентом распространения (Vp). Скорость распространения – это скорость, с которой перемещается электромагнитная волна (независимо от того, в кабеле или в свободном пространстве). Обычно измеряется в м/мс или м/мкс, или в виде любого другого отношения расстояния ко времени. Коэффициент распространения (Vp) представляет собой отношение скорости перемещения импульса в материале к скорости света в вакууме.

Коэффициент распространения (Vp) играет важную роль в определении времени прохождения от момента подачи тестового импульса до получения его отражения.

Коэффициент распространения (Vp) электромагнитной волны в любом материале всегда ниже, чем в вакууме (C ≈ 300x10⁶ м/с, Vp = 1). Это относится и к коаксиальным кабелям:

Vp = V/C

где,

• V - скорость распространения импульса в кабеле (м/мкс),
• С - скорость в свободном пространстве (300 м/мкс).

Значение Vp отличается для разных кабелей и зависит от их геометрии и используемого диэлектрического материала. Обычно это значение указывается производителем кабеля в технических характеристиках. В ходе эксплуатации кабеля, его старения и наличия в нем неоднородностей, коэффициент распространения немного изменяется. Вместе с тем, зная длину кабеля при помощи современных рефлектометров легко определить Vp.

Для наиболее часто используемых на всех уровнях распределительной сети коаксиальных кабелей значение Vp обычно составляет от 0,7 до 0,9.

где:

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).

Вывод. Время прохождения (Tt) между моментом передачи тестового импульса и получением рефлектометром отраженного импульса используется для расчета длины кабеля путем преобразования этого значения в расстояние с использованием правильного значения Vp. Длина кабеля при этом удваивается, потому что по кабелю должен пройти не только переданный импульс, но и отраженный. Если время прохождения известно, можно рассчитать длину кабеля L:

где:

T_L - задержка между отправленным тестовым импульсом и полученным отраженным импульсом,

с₀ - скорость света (с₀ = 300 х 10⁶ м/с),

v - коэффициент распространения.

Для определения длины кабеля или расстояния до повреждения при помощи большинства современных приборов достаточно правильно установить в меню рефлектометра коэффициент Vp, или выбрать в справочнике кабеля тип кабеля, измерение которого производится.

Длительность импульса рефлектометра

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

Короткие (низкоэнергетические) импульсы проходят только небольшое расстояние, но обеспечивают высокое разрешение, позволяют с высокой точностью определить расстояние до неоднородности.

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

Так, например, рефлектометр Tempo CABLESCOUT CS90 позволяет автоматически выбрать оптимальную ширину зондирующего импульса, в зависимости от установленного на рефлектометре диапазона измерений (ориентировочной длины кабеля). Это позволяет упростить работу с прибором и адаптирует его для эксплуатации начинающими специалистами.

Типичная длительность импульса в диапазоне измерений CATV составляет от 1 до 25 нс. С выбранной длительностью импульса также связана мертвая зона рефлектометра. Следовательно, мертвые зоны зависят от длительностей передаваемых импульсов (смотрите уравнение):

Длительность импульса также определяет возможность различения близко расположенных событий (степень их близости). Например, при использовании длительности импульса 25 нс на типовом кабеле с Vp = 0,8 значение расстояния равняется приблизительно шести метрам.

Но если в этом диапазоне можно использовать длительность импульса 1 нс, то при 0,8 расстояние будет равно 0,24 метра. Поэтому для разделения между собой близко расположенных событий следует использовать самый короткий импульс, подходящий для выбранного диапазона тестирования. При использовании автоматического режима (Auto) рефлектометр CS90 будет автоматически регулировать усиление и длительность импульса по мере необходимости, основываясь на значении Vp и удельных потерях в кабеле. Это позволит всегда обеспечивать максимальную детализацию измерений.

Практическое применение рефлектометра CABLESCOUT CS90

Компания Tempo Communications разрабатывала модель CableScout 90 (CS90) как практичный рефлектометр для техников CATV, который, благодаря простоте использования и точности получения результатов измерений, производит очень сильное впечатление при повседневном использовании.

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

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

После нажатия кнопки питания во время загрузки на дисплее на несколько секунд отображается экран приветствия с именем устройства, серийным номером и номером версии. Затем появляется главный экран, на котором можно сделать все настройки и провести все измерения.

Рис. 2 Рефлектометр Tempo CS90

Пригодность рефлектометра Tempo CS90 для повседневного использования достигается за счет простого управления и высокой точности измерений в сочетании с дисплеем, имеющим высокую четкость изображения даже при дневном освещении.

Перед каждым измерением необходимо из списка наиболее часто используемых кабелей выбрать тестируемый кабель или, по крайней мере, один из ближайших к нему. Если в списке нет желаемого кабеля, его можно задать самостоятельно. Для этого необходимо ввести название производителя, обозначение типа кабеля, значение затухания на 100 метров при 500 МГц в дБ, значение PVF и сохранить 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 на обесточенном кабеле.

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

Рис. 3 – Справочник кабелей в меню рефлектометра CS90

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

Для настройки конфигурации рефлектометра CS90 доступен обширный экран настройки. Здесь можно повышать или понижать яркость дисплея и переключаться между дневным и ночным режимами, активировать ручной или автоматический режим работы, указывать время автоматического отключения (выбирать 1, 2, 5, 10 минут или выключить эту функцию), переключаться между футами, метрами или наносекундами в качестве единиц измерения, а также устанавливать единицы измерения PVF (0.xxx, xx.x%, м/мкс, фут/мкс).

Испытательный импульс имеет форму полусинусоидальной волны, что позволяет снизить шумы. Те рефлектометры, в которых используются прямоугольные импульсы с широким спектром гармоник, имеют более шумные рефлектограммы, что иногда даже приводит к невозможности их интерпретации.

Длительность импульса 1 нс позволяет обнаруживать события на расстоянии менее метра. Наиболее же длительный импульс 25 нс позволяет обнаруживать события на расстоянии приблизительно до 3 км.

Рис. 4: Важным применением рефлектометра CS90 является предварительное испытание барабана кабеля на соответствие длины и однородность кривой импеданса

Рис. 5 Примеры рефлекттограмм: обрыв коаксиального кабеля, согласованная линия, короткое замыкание коаксиального кабеля

Благодаря отображению на экране одновременно всей линии (в нижней части экрана) и выбранного ее участка около точки курсора (в верхней его части) достигается максимальное удобство чтения рефлектограммы. При этом экран имеет высокую разборчивость даже при ярком солнечном свете, что гарантирует пользователю постоянное понимание того, что происходит с кабелем. Еще одной особенностью данной модели является отсутствие мертвой зоны (нулевая мертвая зона).

Рефлектометр позволяет легко создавать и сохранять в памяти скриншоты документации и эталонных рефлектограмм.

Рис. 6 Меню основных настроек прибора

Все основные настройки прибора находятся также на одном экране.

Заключение

Рефлектометр CABLESCOUT CS90 компании Tempo Communications очень прост в эксплуатации. Он имеет небольшие габариты и вес. Защищен от повреждений при падении благодаря защитным резиновым накладкам. Яркий ЖК экран позволяет комфортно работать как при плохом освещении, так и в условиях яркого солнечного света. А удобное меню и отличные технические характеристики позволят быстро и качественно выполнить все проверки, включая такие распространенные, как поиск короткого замыкания и обрыва коаксиального кабеля.