Общие сведения в области рефлектометрического анализа ( TDR )James M. Atkinson, Granite Island Group Общие сведения в области рефлектометрического анализа ( TDR ) TDR - рефлектометрический анализ во временной области Рефлектометрия во временной области - это анализ проводника (провода, кабеля, оптоволокна) путём посылки импульсного сигнала в этот проводник и исследования отражения этого импульсного сигнала. Путём анализа полярности, амплитуды, частот и других электрических параметров всех отражений можно точно определить места подключений или установки закладок на линии. Любое устройство или проводка, подсоединённое к линии, вызовет обнаружимую аномалию, после чего технический специалист TSCM осуществит физический осмотр в месте нахождения аномалии. Анализ во временной области обычно НЕ позволяет обнаруживать изделия с емкостной изоляцией при подключении к линии или индуктивные подключения. Для случаев использования таких изделий TDR-чистка всегда сопровождается детальной оценкой переходных затуханий на высоких частотах и детальным физическим осмотром. Помните, что никакое измерительное оборудование (в том числе и TDR) не может найти закладок, всё, что оно может делать - это дать знать техническому специалисту TSCM, где осуществлять дальнейший поиск. Единственное, что может обнаружить закладку - это глаза и руки хорошо подготовленного специалиста TSCM. TDR всего лишь указывает специалисту, где искать, а НЕ ТО, что там находится. В этом деле нет волшебных обнаружителей закладок, только дураки их покупают. Задержка между исходным и отражённым импульсами указывает на длину кабеля (или на расположение аномалии). Эта задержка делится на скорость света и умножается на соответствующую скорость распространения (определяемую величиной емкостного сопротивления одного фута кабеля), а полученный результат делится на два. Типичное разрешение на отрезке кабеля длиной 10 миль не хуже одной десятой доли дюйма (TDR с 512 000 точек). Полярность и величина отраженного импульса говорит о величине активной составляющей сопротивления аномалии и подсказывает специалисту TSCM, что ему следует искать при обследовании этой аномалии. Это может быть, например, подключение с разветвлением/ переразветвлением, Т- образным разветвлением, подключение, осуществлённое телефонной компанией, паразитная закладка и т. д....или всего лишь небрежно установленное телефонной компанией легитимное оборудование. Почему Вам нужен рефлектометр, работающий во временном масштабе? TDR используется на всех стадиях существования кабельной системы, от конструирования до содержания, нахождения неисправностей и ремонта. TDR может использоваться для: Введение в курс рефлектометров, работающих во временном масштабе В течение многих лет и в настоящее время указанные рефлектометры были и остаются самыми быстрыми приборами для точного определения кабельных проблем. Исторически TDR использовалась только крупными компаниями и высококлассными инженерами. Это происходило из - за сложности применения и высокой стоимости аппаратуры. В основном же TDR не применялась. Компания Riser- Bond Instruments осознала этот недостаток и в начале 1980х годов разработала самый первый “маленький TDR”. Упрощённый цифровой TDR стал теперь стандартным инструментом для техника с начальным уровнем подготовки. Весь ряд изделий этой компании создан на основе концепции, гласящей, что измерительное оборудование должно быть простым, точным, дружественным по отношению к пользователю, прочным и самой высокой ценности для потребителя по отношению к стоимости. Благодаря успехам современной технологии работа с TDR и интерпретация полученных с использованием TDR данных были существенно упрощены. В связи со способностью TDR определять кабельные проблемы, эти устройства быстро увеличивают свою популярность в индустрии связи. Если кабель является металлическим и имеет по крайней мере два проводника, то его можно проверять с помощью TDR. Эти устройства позволяют находить неисправности и проводить измерения не всех типах витых пар и коаксиальных кабелей, как воздушных, так и подземных. Они используются для определения места и идентификации дефекта во всех типах кабелей, составленных из металлических пар. TDR могут обнаруживать такие неисправности в кабелях, как дефекты оболочки, поломка проводников, наличие воды, плохие разъёмы, изломы, порезы, смятые кабели, закороченные проводники и компоненты системы и многие другие дефекты. Кроме того TDR могут использоваться для проверки катушек кабеля на появление неисправностей при транспортировке, на нехватку кабеля, использование кабеля и в целях учёта. Скорость и точность работы с TDR обусловили тот факт, что метод TDR получил в настоящее время наибольшее предпочтение при определении мест дефектов в кабелях. И хотя современные приборы более дружественны по отношению к оператору, хорошее понимание основных принципов и применений TDR является важным для успешного поиска неисправностей. Как и для всего нового оборудования знание прибора и его работы делает TDR более ценным прибором. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ TDR работает по тому же принципу, что и радиолокатор. Импульс энергии передаётся вдоль кабеля. Когда этот импульс доходит до конца кабеля или дефекта где-то по длине кабеля, часть импульсной энергии отражается обратно к прибору. TDR измеряет время, необходимое для прохождения сигнала вдоль кабеля, встречи с проблемой и возвращения обратно. Затем прибор преобразовывает это время в расстояние и индицирует полученную информацию в виде формы сигнала и/или отчёта расстояния. Типы TDR Имеется два способа отображения прибором TDR информации, которую он получает. Первый и более традиционный метод заключается в индикации реальной формы сигнала или “сигнатуры” исследуемого кабеля. Индикатор прибора (обычно это ЭЛТ или ЖКИ) отображает импульс, генерируемый TDR, и любые отражённые сигналы, вызванные неравномерностью импеданса по длине кабеля. Другой тип индикации - простой цифровой отсчёт, показывающий расстояние в футах или метрах до первого сильного отражения, вызванного изменением импеданса или его неравномерностью. Некоторые из таких приборов одновременно показывают, является ли дефект ОБРЫВОМ или КОРОТКИМ ЗАМЫКАНИЕМ, указывая, соответственно, на изменение в сторону ВЫСОКОГО ИМПЕДАНСА или НИЗКОГО ИМПЕДАНСА. Традиционные TDR с индикацией формы сигнала более информативны, чем вариант с цифровым отсчётом. Но упрощённые цифровые модели дешевле и с ними проще работать. Многие упрощенные цифровые TDR обладают той же точностью, что и традиционные TDR, и могут обнаруживать наиболее важные кабельные дефекты, хотя их стоимость составляет небольшую часть от стоимости традиционных TDR. ИМПЕДАНС Если два проводника разместить рядом , они образуют импеданс кабеля. FDR ищет изменения импеданса, которые могут вызываться различными причинами, в том числе, повреждениями кабеля, проникновением воды, изменением типа кабеля, плохой изоляцией и даже пороками производства. Изоляционный материал, разделяющий проводники, называется кабельным диэлектриком. Импеданс кабеля определяется разнесением проводников друг от друга и типом используемого диэлектрика. Если при изготовлении кабеля расстояние между проводниками сохраняется постоянным с большой точностью и диэлектрик точно сохраняет свои свойства вдоль кабеля, то импеданс вдоль кабеля будет постоянным. Если же проводники смещаются по случайному закону или диэлектрик изменяется вдоль кабеля, то и импеданс вдоль кабеля будет изменяться. TDR посылает электрические импульсы вдоль кабеля и отбирает образцы отражённой энергии. Любое изменение импеданса приведёт к отражению части энергии обратно к TDR и будет индицировано. Величина изменения импеданса определяет амплитуду отражённого сигнала. ШИРИНА ИМПУЛЬСА Многие из TDR имеют изменяемую ширину импульса. Чем больше ширина импульса, тем большая энергия передаётся и, следовательно, тем дальше по кабелю будет распространяться сигнал. Ширина импульса может составлять 2нс, 10нс, 100нс, 1000нс, 2000нс и 4000нс. TDR может иметь только одно или все значения установок ширины импульса ПРИМЕЧАНИЕ: даже при испытаниях очень длинных кабелей всегда начинайте поиск дефектов, используя самую малую ширину импульса из имеющихся, поскольку дефект может находиться на малом расстоянии. Если дефект не обнаружен, переключайтесь на следующий более длинный импульс и повторите испытания. Постепенно переключайтесь на всё более длинные импульсы, пока не обнаружите дефект. Иногда более широкие импульсы могут помочь в выявлении дефектов, которые относительно малы. Если дефект очень маленький, то величины сигнала короткого импульса может оказаться недостаточно, чтобы пройти по кабелю, “увидеть” дефект и пропутешествовать обратно. Затухание кабеля, в сочетании с малым уровнем отражённого сигнала, вызванного небольшим дефектом, приводят к тому, что такой дефект трудно обнаружить. Импульс большей ширины передаст больше энергии по кабелю, что облегчит возможность увидеть малый дефект. СЛЕПОЕ ПЯТНО ("мертвая зона") Импульс, генерируемый TDR, занимает некоторое время и, следовательно, перекрывает некоторое расстояние. Это расстояние называется слепым пятном. Длина слепого пятна изменяется с изменением ширины импульса. Чем больше ширина импульса, тем больше слепое пятно. Обнаружение дефекта, находящегося в пределах слепого пятна, вызывает некоторые затруднения. Если есть подозрение, что дефект находится на первых нескольких футах кабеля, целесообразно вставить дополнительный кабель между TDR и испытываемым кабелем. При этом легко обнаруживаются любые дефекты, которые могли оказаться спрятанными на слепом пятне. При добавлении длины кабелю для уничтожения слепого пятна помните, что TDR отсчитывает и длину этого дополнительного кабеля. Длину его необходимо вычесть из длины кабеля при измерении от точки подключения. Лучше, если импеданс дополнительного кабеля равен импедансу испытываемого кабеля. Качество подключения является очень важным фактором, независимо от типа подсоединения и типа используемого кабеля. СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ (VOP) TDR является исключительно точным инструментом. Однако, сами изменения параметров от кабеля к кабелю вызывают ошибки в определении расстояний. Одним из способов минимизации ошибки является использование величины VOP испытываемого кабеля. Величина VOP является техническим параметром кабеля, показывающим скорость, с которой сигнал распространяется вдоль кабеля. Различные кабели имеют различные величины VOP. Для того, чтобы обеспечить наиболее точное измерение расстояния необходимо определить величину VOP кабеля. Определение VOP: Скорость света в вакууме составляет 186,400миль в секунду. Этой скорости соответствует 1 (100%). Все другие сигналы распространяются медленнее. Кабель с VOP, равным 0,85, будет передавать сигнал со скоростью, равной 85% от скорости света. Витая пара, которая обычно имеет меньшее значение VOP (примерно 0,65), может передавать сигнал со скоростью, составляющей 65% от скорости света. Величина VOP кабеля определяется диэлектриком, разделяющим два проводника кабеля. В коаксиальном кабеле пена, разделяющая центральный проводник и внешнюю оболочку, является тем материалом, который определяет величину VOP. Для витой пары величина VOP определяется промежутком между пластиком. Знание величины VOP кабеля является наиболее важным фактором при использовании TDR для нахождения дефектов. Путём ввода правильного значения VOP калибруется прибор применительно к конкретному кабелю. Как правило величина VOP испытываемого кабеля указывается в каталоге производителя кабеля или в технических параметрах. Если этого нет, то замерьте длину хорошего кабеля (без дефектов) и меняйте установку VOP на TDR до тех пор, пока дисплей не покажет ту же длину кабеля, что и замеренная длина. Величина VOP кабеля может меняться с температурой и при старении. Она может меняться от одного производителя к другому. Даже у нового кабеля она может изменяться в пределах +3%. Кто-то может подумать, что изменения VOP делают почти невозможным точное обнаружение местонахождения дефекта. К счастью, есть способы минимизации ошибки в VOP при испытаниях кабеля с дефектами, обеспечивающие очень точные измерения расстояния. Эти методы не работают при испытаниях или измерениях на хорошем (без дефектов) кабеле. Наиболее общепринятым методом, используемым для снижения ошибки VOP, является проведение испытаний кабеля с дефектом с обоих концов. Принятая при этом процедура заключается в следующем: Определите путь прохождения кабеля. С помощью измерительного колёсика или рулетки замерьте точную длину испытываемого кабеля. Установите VOP в соответствии с величиной, указанной производителем в спецификации, испытайте кабель с одной стороны и запишите отсчёт длины. Затем, используя ту же величину установки VOP, проведите испытания с противоположной стороны кабеля и запишите результат. Если сумма обоих отсчётов равна точной длине кабеля, которая была замерена, величина VOP установлена правильно и местонахождение дефекта определено. Если сумма двух отсчётов больше измеренного расстояния, уменьшите установку VOP и повторите испытания. Если сумма двух отсчётов меньше измеренного расстояния, увеличьте установку VOP. В этом случае оператор должен рассмотреть возможность наличия двух дефектов. Тот же результат может быть получен математически. Возьмите реальную длину кабеля и разделите на сумму двух отсчётов TDR при испытаниях с обеих сторон кабеля. Это даст поправочный коэффициент. Умножьте каждый из отсчётов TDR на поправочный коэффициент. Полученный результат даст уточненное значение отсчёта. Частичный перечень типов кабелей и значений VOP для них
ОБНАРУЖЕНИЕ МЕСТ ДЕФЕКТОВ, ЕСЛИ ИХ МНОГО Иногда в кабеле бывает одновременно несколько дефектов. Множественные повреждения кабеля могут быть созданы грызунами, неправильной прокладкой, конструкцией, смещениями земли; дефекты могут возникнуть из - за структурных изъянов, возникающих в процессе производства. Если дефект заключается в полном обрыве или коротком замыкании, то TDR даст показания только до этой точки, не далее. Если дефект - не обрыв или короткое замыкание, то TDR может обнаружить этот дефект и те или иные дефекты и далее по кабелю. При использовании TDR с индикацией формы колебания сигнатура кабеля покажет все неоднородности, как большие, так и маленькие, по всей длине кабеля. При использовании цифрового TDR будет индицироваться расстояние до первого большого дефекта, малые дефекты, находящиеся далее. Обнаружены не будут. Может потребоваться провести испытания кабеля с противоположной стороны для выявления признаков других возможных дефектов. НАГРУЗКА При испытании кабелей лучше всего, если кабель не нагружен. Нагрузка может поглотить подаваемый импульс и к прибору сигнал не возвратится. Передаваемый TDR импульс должен быть отражён обратно к прибору от дефекта или от конца кабеля. Если этого не происходит, расчёт расстояния сделан быть не может. Чтобы минимизировать путаницу и устранить необходимость каких - либо догадок, лучше всего отключить от испытываемого кабеля всё другое оборудование или аппаратурное обеспечение. Иногда практически невозможно произвести отключение на дальнем конце кабеля. Однако и при этом оказывается возможным провести испытания. Если кабель повреждён, сигнал отразится в точке нарушения до того, как поглотится в нагрузке. ПОТЕРИ В КАБЕЛЕ При распространении энергии вдоль кабеля часть энергии сигнала теряется из - за сопротивления кабеля. Это потери в кабеле. Они измеряются в децибелах (дБ). Если передаваемая энергия сигнала достигает точки неоднородности импеданса, часть или вся энергия отражается обратно по кабелю. Отношение передаваемой энергии к отражённой называется обратными потерями (потерями на отражение). Обратные потери также измеряются в дБ (dBRL). Обратными потерями измеряется изменение импеданса в кабеле. При использовании dBRL часто возникает путаница. Это из - за того, что большое число dBRL соответствует малому дефекту и отражению и наоборот. Большие обратные потери означают, что большая часть передаваемого импульса была потеряна, а не возвратилась за счёт отражения. Сигнал просто распространялся по кабелю или был поглощён на конце или в нагрузке кабеля. Маленькие обратные потери означают, что большая часть передаваемого импульса отразилась или возвратилась из - за изменений импеданса, вызванного дефектом, или концом кабеля. Полный обрыв или короткое замыкание приведут к отражению всей энергии сигнала. Поэтому обратные потери будут равны нулю. Математическая формула для нахождения обратных потерь выглядит следующим образом: dBRL = 20LOG10 V0/VR, где dBRL - это децибелы обратных потерь, V0 - напряжение выходного сигнала и VR - напряжение отражённого сигнала. Хотя обратные потери могут быть рассчитаны математически с использованием большинства TDR, TDR c индикацией формы сигналов фирмы Riser - Bond Instruments обеспечивают автоматический расчёт dBRL. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ С ОБОИХ КОНЦОВ Лучше всего проводить испытания кабеля с обоих концов. Это может помочь уменьшить ошибку при определении VOP и вскрыть спрятанные дефекты. Уменьшение величины импульса TDR, вызванное поглощением, может затруднить обнаружение малых дефектов, если они находятся на большом расстоянии. Перейдя на другой конец кабеля и проведя испытания в другом направлении, Вы помещаете TDR гораздо ближе к дефекту, облегчая для TDR обнаружение этого дефекта. Как уже упоминалось ранее, цифровой TDR не может “увидеть” маленький дефект за дефектом большей величины. Опять же, при испытаниях с противоположного конца может быть найден другой дефект, который иначе не был бы выявлен. Испытание кабеля с двух сторон обеспечивает выявление таких дефектов, которые могут находиться в слепом пятне или мёртвой зоне, обусловленной шириной импульса. Хорошо так же провести повторные испытания кабеля после выполнения его ремонта. Вы сможете обнаружить ещё одну проблему за найденной ранее, повторная проверка с противоположного конца может показать, что весь кабель не имеет дефектов. КАЧЕСТВЕННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.... ОНИ НЕОБХОДИМЫ! Важность выполнения качественных соединений не может быть переоценена. Изделия TDR фирмы Riser - Bond Instruments поставляются с зажимами типа крокодил для удобства подключения, но лучше, если кабель будет подготовлен для подключения непосредственно к передней панели прибора. При испытаниях 50-омного кабеля старайтесь применять и всё другое оборудование 50-омным, при испытаниях 75-омного кабеля - 75-омное и т.д. Плохое подключение может привести к искажению формы сигнала, что может привести к маскировке дефекта. ИСХОДИТЕ ИЗ ЗДРАВОГО СМЫСЛА Хорошее знание TDR и его использования при испытаниях жизненно важно для успешного поиска неисправностей, но здравого смысла не заменить ничем. Если Ваш TDR указывает, что расстояние до дефекта равно 500 футов, но Вы замечаете, что новое устройство , установленное на ограде, находится на расстоянии 490 футов, то есть высокая вероятность того, что дефект обусловлен этим устройством. Если Ваш TDR показывает маленький дефект где - то вдали, сделайте ряд регулировок. Отрегулируйте усиление по вертикали для усиления сигнала дефекта, используйте большую ширину импульса, проведите испытания с другого конца кабеля, переместитесь по кабелю ближе к точке дефекта. Всё это поможет. При использовании цифрового TDR использовать здравый смысл ещё более важно. Хотя в этом случае нет необходимости интерпретировать информацию, содержащуюся в форме сигнала, но определить, что “видит” TDR, труднее. Ко многим TDR можно подключить осциллограф, что делает прибор более универсальным. Хорошее умение работы с прибором приводит к расширению его универсальности. Чем больше Вы используете TDR, тем более уверенно и комфортно будете себя чувствовать, и тем больше применений для него Вы найдёте. При использовании любого типа TDR Вы скоро увидите, что TDR является одним из лучших приборов для быстрого и точного определения дефектных мест кабеля. АНАЛИЗ ФОРМЫ СИГНАЛА При работе можно встретиться с большим разнообразием сигналов. Это обусловлено разнообразием применения, разнообразием окружающих условий и различием электрических характеристик многих разновидностей кабелей, существующих в настоящее время. Ниже приводятся примеры различных форм напряжений, с которыми можно столкнуться при использовании традиционного типа TDR с индикацией формы колебания
Отражение с той же полярностью указывает на дефект с тенденцией к холостому ходу (высокий импеданс). Отражение, показанное у второго курсора, соответствует полному обрыву.
Отражение с противоположной полярностью говорит о дефекте, с тенденцией к короткому замыканию (низкому импедансу). Отражение, показанное у второго курсора, соответствует короткому замыканию.
Среднее отражение у второго курсора соответствует частичному обрыву, за ним следует холостой ход (конец кабеля). Чем больше дефект, тем большим будет отражение.
Среднее отражение у второго курсора показывает частичное замыкание, за которым следует холостой ход (конец кабеля). Чем больше дефект, тем сильнее отражение.
Благодаря затуханию (потерям в кабеле) отражения, вызванные каждым из равномерно распределённых по длине кабеля идентичных подключений, постепенно убывают. Большее отражение (второй курсор), следующее за меньшим отражением, может указывать на непредусмотренное или дефектное подключение.
Два отрезка коаксиального кабеля, соединены разъёмом, показанным у второго курсора. Величина отражения, вызванного разъёмом, зависит от качества разъёма и соединения.
Усилитель, установленный в отходящей линии, вызовет сильное отражение в месте установки усилителя. Сигнал TDR дальше усилителя не пройдёт, но за усилителем могут появиться фантомные изображения.
Подключения коаксиальных кабелей ( в здании и вне его) вызовут отражения, показанные на осциллограмме. Качество и импеданс каждого из них определяет величину отражённого сигнала.
Разветвитель или направленный ответвитель могут быть узнаны, хотя точные измерения при этом затруднены из - за множественности отражений. Второй курсор указывает на разветвитель. Два последующих отражения соответствуют концам каждого из отрезков.
Высокоомное место соединения или разветвления вызовет “S” - образное отражение. За высокоимпедансным отражением вверх следует низкоимпедансное отражение вниз.
Правильно нагруженный кабель поглотит сигнал TDR, в результате чего отражения не будет. Дефекты на кабеле до места установки этой нагрузки могут проявляться на осциллограмме как отражения. Если нагрузка создаёт отражение, значит нагрузка подобрана неверно.
Испытания, проводимые в сторону антенны, обычно дают отражения “S”-образной формы, хотя отражения могут сильно отличаться в зависимости от антенны.
Проведение испытаний кабелей, идущих к антеннам, установленным на мачтах, может давать сомнительные результаты из-за наличия ВЧ сигналов, показанных на этой осциллограмме. Использование различных фильтров, снижающих помехи, приведёт к “очистке” осциллограммы.
Подмокший кабель проявится на осциллограмме спадом, указывающим на начало воды и подъёмом в конце воды. Участок между этими двумя отражениями обычно кажется “зашумлённым”.
Мокрый отрезок кабеля хорошо виден на данной осциллограмме.
Мостовое подключение проявляется как отражение вниз, за которым следует отражение вверх (вызванное концом подключения). Из-за множественности отражений трудно вести анализ полученных результатов при испытаниях кабеля со многими подключениями.
Скроссированные или разбитые пары: на кабеле с витыми парами переключение с пары на пару может проявляться как отражение вверх или вниз. Ещё один переход проявится как отражение с противоположной полярностью.
Телефонная нагрузочная катушка вызовет высокоимпедансное отражение вверх (подобное полному обрыву). Сигнал TDR обычно не может обеспечить испытания за нагрузочной катушкой.
Телефонный вынесенный конденсатор вызывает низкоимпедансное отражение вниз (подобное короткому замыканию), за которым следует меньшее по амплитуде положительное отражение.
Механические втулочные соединения, используемые для соединения отрезков передающих линий радиовещания, иногда подгорают, образуя места утечки энергии. Такие подгоревшие соединения и другие дефекты линий передачи могут быть выявлены с помощью TDR.
Все типы витых пар и коаксиальные системы местной связи (LAN) могут испытываться с помощью TDR. Неоднородности в кабеле лучше всего искать при отсутствии трафика или мощности. На данной осциллограмме представлен отрезок кабеля, в котором отсутствует мощность, с четырьмя установленными приёмопередатчиками.
1-я, 2-я и 3-я осциллограммы показывают, как всего одна лишь установка может изменить вид осциллограммы. Все три осциллограммы получены не одном и том же кабеле. Менялась только установка длительности импульса прибора.
Ширина выходного импульса связана также со слепым пятном или мёртвой зоной. Гораздо труднее “увидеть” дефект, если он находится внутри слепого
Чем больше ширина импульса, тем больше слепое пятно. Обратите внимание, как последовательно возрастает от примера к примеру длительность выходного импульса и с ней - слепое пятно. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
