Инновации в рефлектометрии и мостовых измерениях

Рефлектометры и измерительные мосты работают и в области связи и энергетики. Физически медь связи и медь силовых кабелей однотипны. Причем если связь может уйти в оптику и эфир, то для энергетики мечты Николы Теслы о беспроводной передаче энергии пока несбыточны. Следовательно, «медным приборам» жить ещё долго. Конечно, часть из них требует известной специализации. Но есть приборы, которые «ложатся» на силовые кабели сразу. Пример — рефлектометры и мосты, которые используют одинаковый принцип для всех медных кабелей.

ИННОВАЦИИ ДЛЯ РЕФЛЕКТОГРАММ МЕДНЫХ КАБЕЛЕЙ
Известно об улучшении рефлектограмм медных кабелей за счёт подавления «лыжи». «Лыжа» — проблема для рефлектометров. Зондирующий импульс заряжает кабель, смещая рефлектограмму вверх и маскируя дефект. С «лыжей» борются поразному — посылкой компенсирующего импульса обратной полярности или применением гибридной компенсирующей схемы, как это делает Acterna. Компания «Связьприбор» осуществляет компенсацию программными методами. Функция называется «антилыжа».
На рис. 1 показан рефлектометр Гамма на одном и том же кабеле с выключенной и включённой функцией «антилыжа». Расположение маркеров идентично. Измерительный маркер, отмеченный стрелками на концах, стоит на подозрительном месте. В этом месте наблюдается какое-то невнятное изменение. Идентифицировать его практически невозможно. Вид рефлектограммы с исправленной «лыжей» принципиально лучше. Исчезла мёртвая область после зондирующего импульса. Слабо различимый дефект кабеля теперь может быть чётко локализован. Немаловажно отметить, что внешний вид картинки привычен для измерителя и тип дефекта можно определить на основании предыдущего опыта.

Кроме того, есть интересные решения для рефлектометров класса «мастер». В проекте «РД Мастер» прозвучало альтернативное предложение: создать более совершенный рефлектометр, использующий классические методы измерений на базе новых технологий в приборостроении.
Прежде всего прибор должен обладать высокими техническими характеристиками. Современные эксплуатируемые проводные линии, как правило, небольшой длины, имеют многочисленные повреждения, обладают значительным затуханием и проложены рядом с источниками больших помех (силовые кабели, выделенные линии HDSL, SHDSL, ADSL и т.п.). Необходимо, чтобы рефлектометр позволял изменять в широких пределах диапазон расстояний и длительность импульса (от 50 м до 30 км и от 8 нс до 16 мкс), быть способным различать малые расстояния (10—20 см) и детектировать повреждение практически в месте подключения измерительных проводов (мёртвая зона должна быть минимальна). Кроме того, рефлектометр должен хорошо отстраиваться от помех и позволять работать на зашумлённых линиях с большим затуханием.
Диапазон расстояний, длительность импульса и разрешение — традиционные и наиболее понятные пользователям параметры. Зачастую именно по ним ориентируются при сравнении и приобретении приборов. К сожалению, разрешающая способность трактуется по-разному. В одних случаях это минимальное расстояние между двумя точками рефлектограммы, в других — минимальное изменение длины кабеля, которую фиксирует прибор, в третьих — минимальное расстояние между двумя различимыми дефектами. Производители иногда заявляют для разрешающей способности величину 2—3 мм. Вероятно, такие значения могут быть востребованы для тестирования проводников печатных плат (при длительности импульса 0,1 нс или меньше) и аналогичных задач. Однако оставим в стороне вопрос о практической ценности таких измерений на кабеле, гораздо интереснее понять, за счёт чего они могут быть достигнуты. Что здесь главное?

БОРЬБА С ШУМОМ
Дело в том, что рефлектограмма является результатом усреднения многочисленных измерений времени — на отражённый импульс каждый раз накладывается временная шкала (рис. 2). Данная шкала формируется эталонным генератором (кварцевым резонатором), и от неё зависит очень многое. Качество генератора обычно оценивается стабильностью частоты и джиттером — величиной фазовых дрожаний. Если шкала стабильна, то прибор фиксирует только те события, которые чётко попадают на метки временной шкалы (и не фиксирует происходящее между метками), но зато хорошо подавляются помехи и шумы, поскольку на каждую метку приходится очень много измерений. Последнее позволяет расширить перекрываемое затухание и уверенно работать на проблемных линиях, не опасаясь помех и шумов.

Для увеличения разрешения некоторые производители уменьшают шаг временной шкалы. Наиболее просто — использовать генератор с большим джиттером. В этом случае шкала времени нестабильна («дёргается»), и в отдельных измерениях фиксируются события между метками основной шкалы. Это позволяет после усреднения различать события, расстояние между которыми меньше основной шкалы. Разрешающая способность прибора увеличивается, но ценой «размазывания» формы регистрируемых импульсов.

Более корректный и сложный (дорогой) путь — увеличение тактовой частоты или использование управляемых линий задержки одновременно с уменьшением длительности импульса. В этом случае форма импульсов отображается правильно. Короткий импульс позволяет «разглядеть» мелкие детали.
Однако следует понимать, что при любом способе увеличения разрешающей способности соотношение сигнал/шум ухудшается. На каждую градацию временной шкалы приходится меньше измерений, и для отстройки от помех и шумов требуется всё больше времени. Оперативно работать на зашумлённых линиях с большим затуханием становится крайне сложно, а зачастую и невозможно.

МОСТОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Инновация получила название Resistance Fault Locator (RFL) — «Резистивный локатор утечки» (рис. 3). Что такое RFL — всё тот же хорошо известный мост постоянного тока? Чем он отличается от традиционных средств измерений?
Слово resistance означает, что измерение расстояния до места с пониженным сопротивлением изоляции основано на измерении постоянным током сопротивления жилы R1b до места утечки.
Чтобы провести измерения, необходимо включить участок с R1b в электрическую цепь. Для этого нужна неповреждённая обратная жила в кабеле.
Обратная жила играет роль измерительного провода вольтметра для измерения падения напряжения V на участке с R1b. По закону Ома:

Техническая реализация (несмотря на очевидную простоту идеи) достаточно сложна.  Сопротивление изоляции обратного провода должно быть много больше сопротивления исследуемой утечки. Вольтметр должен показывать напряжение именно на R1b. Если на обратном проводе плохая изоляция, то до вольтметра дойдёт неправильное значение напряжения. Для обеспечения точности измерений R изоляции обратной жилы должно быть по крайней мере в 400 раз больше повреждённой.
Для высокоомных утечек такое правило выполнить достаточно сложно. Если ведётся поиск утечки в 50 МОм, необходимо найти обратный провод с изоляцией не хуже 20 ГОм. Это принципиальное ограничение локализации утечек.

Во-первых, ток через утечку в 50 МОм от источника 400 В составляет всего 8 мкА. Для обеспечения точности 0,1% его необходимо измерять с разрешением не ниже 8 нА. Падение напряжения на участке медной жилы диаметром 1,2 мм и длиной 1 км составляет всего 130 мкВ. Это напряжение необходимо измерять с точностью не ниже 0,15 мкВ.
Во-вторых, измерения необходимо проводить на линиях, в которых всегда есть помехи, зачастую превышающие уровень полезного сигнала. Процессы, как правило, нестабильны, и все измерения необходимо проводить одновременно.
Раньше для решения этих проблем повреждённая жила включалась в схему классического моста (Муррея или Варлея). Мост уравновешивался, что позволяло достичь достаточной чувствительности метода и защиты от помех. В современных методах этого эффекта достигают за счёт применения многоразрядного АЦП и цифровой обработки сигнала. Причём классические мостовые методы интегрированы в один измерительный процесс. Это, в частности, позволяет уверенно локализовать в силовой распределительной сети повреждения изоляции до 20 МОм. Такое под силу только современным RFL.