Способ определения расстояния до неоднородности или повреждения двухпроводной линии по ее рефлектограмме
METHOD FOR DETERMINING THE DISTANCE TO INHOMOGENEITY OR DAMAGE OF A TWO-WIRE LINE BY ITS REFLECTOGRAM

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам определения местоположения неоднородностей двухпроводных линий, и предназначено для использования с импульсными приборами (рефлектометрами).
Известен импульсный или рефлектометрический метод измерений параметров двухпроводных линий (см. 1. Воронцов А.С. Импульсные измерения коаксиальных кабелей связи / А.С. Воронцов, П.А. Фролов. - М.: Радио и связь, 1985. - с. 5-10) и реализующие его устройства, называемые импульсными приборами или рефлектометрами и предназначенные для обнаружения неоднородностей и повреждений в двухпроводных линиях и определения расстояний до них (см. например, 2. Патент РФ на изобретение №2098838, М. кл. G01R 31/11, опубл. 10.12.1997; 3. Патент РФ на изобретение №2142142, М. кл. G01R 31/11, опубл. 27.11.1999; 4. Патент США на изобретение №6856138 В2, М.кл. G01R 31/11 опубл. 15.02.2005; 5. Патент США на изобретение №2007/0108989 А1, М.кл. G01R 31/11 опубл. 17.05.2007). Способ определения расстояния до неоднородностей или повреждений в этих устройствах основан на зондировании линии импульсами напряжения и последующей регистрации обратного потока - совокупности импульсов, отраженных от имеющихся неоднородностей и повреждений. Зависимость обратного потока, который может быть представлен электрическим напряжением U(t) или отношением Y(t) этого напряжения к амплитуде зондирующего импульса, от интервала времени t между началом зондирующего импульса и моментом регистрации обратного потока (далее «время») называется рефлектограммой.
Рефлектограмма несет информацию о распределении и параметрах неоднородностей и повреждений в исследуемой линии. В большинстве импульсных приборов шкала времени t градуируется в единицах расстояния  с использованием выражения
y
z
z
где с - скорость света в вакууме, ν - скорость распространения электрических импульсов напряжения по исследуемой линии, k=с/ν=с⋅τ - коэффициент укорочения, который устанавливается оператором перед измерениями, τ=1/ν - удельное время задержки сигнала в линии. Тогда под рефлектограммой линии понимают зависимость обратного потока от расстояния Y(). Отметим, что переход от времени к расстоянию на рефлектограмме сопровождается погрешностью, связанной с неточным знанием коэффициента укорочения или удельного времени задержки сигнала. Обратный переход от установленного расстояния к времени при знании выбранного оператором коэффициента укорочения происходит практически без погрешности.
Известна математическая модель обратного потока из неоднородной двухпроводной линии [см. 6. Былина М.С. Исследование импульсного метода измерений параметров двухпроводных кабельных цепей: Автореф. дис. на соискание степени канд. техн. наук: 05.12.13 / М.С. Былина; С.-Петерб. гос. ун-т телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. – СПб: 2006], позволяющая описать импульсную характеристику отражения от одиночной неоднородности:
0
z
0
где τ - конструктивная постоянная цепи, l(t) - функция Хэвисайда, r - коэффициент отражения от неоднородности, расположенной на расстоянии . Параметры τ и τ определяются конструкцией линии. Их значения приводятся в справочной литературе (см., например, 7. Андреев, В.А. Временные характеристики кабельных линий связи / В.А. Андреев. - М.: Радио и связь, 1986 - с. 8), а также могут определяться экспериментально (см. 8. Былина М.С. Экспериментальное определение удельной конструктивной постоянной двухпроводной кабельной цепи / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев // Информационные технологии и телекоммуникации. - 2014. - №1. - c. 9-20).
y
z
Известен способ экспериментального определения расстояния  до неоднородности (повреждения) в линии по ее рефлектограмме (см. 9. Косолапенко, Г.Б. Специальные измерения в проводной связи / Г.Б. Косолапенко С.Г. Милейковский. - М.: Связьиздат, 1961. - с. 286-287; 10. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения линий электропередачи импульсными методами. - М.: Энергия, 1968. - с.89; 11. Рефлектометр цифровой РЕЙС-205. Руководство по эксплуатации / НПП «СТЭЛЛ». - Брянск - с. 98-100), основанный на связи шкал времени t и расстояния  при известном коэффициенте укорочения k или известном удельном времени задержки сигнала τ в исследуемой линии, между которыми существует однозначное соотношение:
z
y
p
где τ - удельное время задержки сигнала, с - скорость света в вакууме, и предусматривающий установку в рефлектометре известного или рассчитанного по выражению (3) значения коэффициента укорочения k и некоторую длительность зондирующего импульса t, регистрацию рефлектограммы и обнаружение на ней отраженного от неоднородности импульса, после чего определение по шкале (или с помощью курсора) расстояния до начала его переднего фронта  (Фиг. 1), которое и принимается за действительное расстояние до неоднородности .
Полученный результат  имеет погрешности, связанные с неточным знанием коэффициента укорочения или удельного времени задержки сигнала (мультипликативная погрешность), а также неточным определением начала отраженного от неоднородности импульса (аддитивная погрешность). Последняя погрешность  обусловлена тем, что начальный участок переднего фронта импульса, отраженного от неоднородности (повреждения), имеет очень малую крутизну и его трудно обнаружить (Фиг. 2). Эта погрешность возрастает с увеличением  и сложным образом зависит от параметров измеряемой линии и длительности зондирующего импульса. Эта погрешность подробно исследована в [6].
Прототипом настоящего изобретения является способ определения расстояния до неоднородности (повреждения) в двухпроводной линии по ее рефлектограмме, описанный в [9].
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения расстояния до неоднородности (повреждения) в двухпроводной линии по ее рефлектограмме, достижение которого обеспечивается путем определения расстояния не до начала отраженного импульса, а до его вершины, которая обычно хорошо видна на рефлектограмме даже в присутствии шумовых колебаний сигнала обратного потока в отличие от начала переднего фронта.
y
y
z
p
Достижение указанного технического результата обеспечивается в способе определения расстояния до неоднородности или повреждения двухпроводной линии по ее рефлектограмме, при котором устанавливают в рефлектометре значение коэффициента укорочения k, известное или рассчитанное по выражению k=с⋅τ, и некоторую длительность зондирующего импульса t, регистрируют рефлектограмму, обнаруживают на ней отраженный от неоднородности или повреждения импульс и определяют расстояние  до переднего фронта обнаруженного импульса, отличающемся тем, что после обнаружения отраженного от неоднородности импульса измеряют по шкале (или с помощью курсора) расстояние  до вершины отраженного импульса, после чего определяют  путем численного решения уравнения:
z
0
p
где τ - удельное время задержки сигнала, τ - конструктивная постоянная двухпроводной линии, t - длительность зондирующего импульса, Q=1.371 - коэффициент аппроксимации.
Поясним возможность достижения указанного технического результата.
В предлагаемом способе расстояние до неоднородности определяется по результатам теоретического расчета обратного потока из неоднородной двухпроводной линии с известными параметрами или, по крайней мере, известной конструкции.
r
В основу теоретического расчета положена математическая модель, предложенная и исследованная в [6]. В соответствии с ней отраженный от неоднородности импульс u(t) можно описать выражением:
1
p
r
p
0
r
r
где u(t-τ) - зондирующий импульс напряжения длительностью t, смещенный на время τ, g(τ) - импульсная характеристика отражения от одиночной неоднородности, определяемая выражением (2). Многократные расчеты отраженных импульсов по выражению (5) для разных значений t, и τ, сопровождающиеся оценкой Δt для каждого расчета и обобщением полученных результатов, позволили авторам получить аналитическое выражение для длительности переднего фронта Δt, отраженного от неоднородности импульса:
где  - коэффициент аппроксимации. Из выражения (6) было получено уравнение:
z
0
p
где  - расстояние до вершины отраженного импульса (измеренная по рефлектограмме величина),  - расстояние до начала его переднего фронта (искомая величина, получаемая решением приведенного выше уравнения), τ - удельное время задержки сигнала, τ - конструктивная постоянная двухпроводной линии, t - длительность зондирующего импульса, Q=1.371 - коэффициент аппроксимации.
Полученное уравнение прошло экспериментальную проверку, результаты которой доказали реальное повышение точности определения расстояния до неоднородности двухпроводной линии при использовании предлагаемого способа и определения расстояния до вершины отраженного от неоднородности импульса по рефлектограмме.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена типичная рефлектограмма двухпроводной линии с одним отражением от ее разомкнутого конца.
На фиг. 2 представлен фрагмент рефлектограммы двухпроводной линии, содержащий импульс, отраженный от неоднородности, и показана причина возникновения погрешности измерения расстояния до неоднородности известным способом.
На фиг. 3 представлен фрагмент рефлектограммы двухпроводной линии, содержащий импульс, отраженный от неоднородности, проиллюстрирован предлагаемый способ измерения расстояния до неоднородности и использованные в формулах обозначения.
На фиг. 4 приведен пример устройства для реализации предлагаемого способа.
В соответствии с фиг. 4 устройство содержит исследуемую двухпроводную линию 1 (ДЛ), выход которой нагружен на некоторое сопротивление нагрузки 2. К входу ДЛ 1 подключен вход-выход рефлектометра, состоящего из функциональных блоков 3-15. Работой рефлектометра управляет микроконтроллер 3 (МК), который осуществляет предварительную обработку сигнала обратного потока, управляет коэффициентом усиления усилителя 4 (УС), параметрами формирователя импульсов 5 (ФИ) и устройства ввода-вывода 6 (УВВ). Управляющие команды от МК 3 к ФИ 5, УС 4, УВВ 6 и информационные сигналы о состоянии ФИ 5, УС 4 и УВВ 6 передаются на МК по двухпроводной шине управления 7 (ШУ1). ФИ 5 формирует зондирующие импульсы (ЗИ) с заданной от МК 3 длительностью и периодом следования, а также стробимпульсы, управляющие работой аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП). ФИ 5 определяет амплитуду и форму ЗИ. Кроме того, ФИ 5 формирует на шине адреса 9 (ША) код ячейки памяти МК 3, в которую должна записываться цифровая информация от АЦП 8, передаваемая по шине данных 10 (ШД) в МК 3. ЗИ от ФИ 5 через УВВ 6 поступает в ДЛ 1. МК 3 управляет выходным сопротивлением УВВ 6. УВВ 6 выполняет функции разделения направлений передачи ЗИ в исследуемую ДЛ 1, приема обратного потока из ДЛ 1 и направления его к УС 4, а также функции согласования выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением ДЛ 1. Обратный поток из ДЛ 1 через УВВ 6 поступает на усилитель напряжения УС 4, а усиленный сигнал обратного потока поступает на вход АЦП 8. Цифровой сигнал (код) с выхода АЦП 8 от определенной точки, имеющей адрес, установленный на ША 9, поступает по ШД 10 в МК 3, где он подвергается цифровой обработке, которая включает вывод цифрового кода из ячейки с указанным адресом, суммирование его с кодом АЦП 8 и помещение результата в ту же ячейку, где накапливается сигнал обратного потока. За один период следования ЗИ память МК 3 полностью заполняется. МК 3 управляет процессом измерения в реальном масштабе времени. МК 3 задает момент начала первого измерения, управляет процессом накопления сигнала обратного потока и задает количество отдельных измерений, т.е. определяет момент окончания измерений. Процессом измерения управляет оператор (измеритель) с помощью клавиатуры 11, которая подключена к устройству управления и цифровой обработки сигналов 12 (УУ ЦОС) с помощью шины управления 13 (ШУ2). УУ ЦОС 12 связан с МК 3 с помощью шины передачи данных 14 (ШПД), по которой передаются от УУ ЦОС 12 к МК 3 управляющие команды, определяющие длительность и период следования ЗИ, количество накоплений и предполагаемое волновое сопротивление ДЛ 1. От МК 3 к УУ ЦОС 12 передается цифровая информация о содержимом памяти МК 3, т.е. о накопленном сигнале обратного потока. В программном обеспечении МК 3 должна быть предусмотрена (желательно стандартная) процедура обмена информацией между МК 3 и УУ ЦОС 12. Апостериорная обработка информации осуществляется в УУ ЦОС 12. Она включает операции: логарифмирования сигнала обратного потока, учета установленного коэффициента укорочения, а также дополнительной цифровой фильтрации сигнала. УУ ЦОС 12 управляет выводом информации (рефлектограммы) на дисплей 15 с учетом команд оператора, вводимых через клавиатуру 11. Программное обеспечение УУ ЦОС 12 позволяет: устанавливать на изображении рефлектограммы один или несколько курсоров, выводить на экран расстояния до курсоров и значения соответствующих сигналов обратного потока, выводить на экран фрагменты рефлектограмм и запоминать их в памяти УУ ЦОС 12, одновременно выводить на экран несколько рефлектограмм или их фрагментов из памяти и сравнивать их между собой. В предлагаемом техническом решении предусмотрена методика определения расстояния до неоднородности, которая реализуется совмещением курсора с вершиной отраженного от выбранной неоднородности импульса и запуском специальной программы для расчета расстояния до выбранной неоднородности путем решения уравнения (7) относительно величины .
Предлагаемый способ осуществляется в данном устройстве следующим образом. С помощью клавиатуры УУ 11 устанавливаются параметры рефлектометра, согласованные с известными данными об исследуемой ДЛ 1: ее длина, тип (марка), волновое сопротивление, сопротивление нагрузки. Оператор выбирает диапазон расстояния, длительность ЗИ, устанавливает коэффициент укорочения. Регистрирует и наблюдает рефлектограмму, аналогичную показанной на фиг. 1. Корректирует установленные в рефлектометре параметры для получения наглядной рефлектограммы. Выделяет фрагмент рефлектограммы, аналогичный фрагменту, показанному на фиг. 2 и 3, содержащий неоднородность, расстояние до которой хочет определить оператор. Определяет с помощью курсора расстояние до вершины отраженного импульса  и запускает процедуру расчета расстояния до начала отраженного импульса
Выполнение блоков устройства для осуществления предлагаемого способа можно пояснить следующим образом.
Функции блоков 11, 12, 13, и 15 можно реализовать в виде специализированного или универсального персонального компьютера с внешними или встроенными клавиатурой и дисплеем. Для решения перечисленных задач апостериорной обработки сигналов обратного потока может использоваться компьютер с 32- или 64-разрядным процессором с тактовой частотой не менее 1 ГГц и объемом оперативной памяти не менее 2 ГБ, работающий под управлением операционной системы Microsoft Windows версии 7.0 или выше. Для связи МК 3 и УУ ЦОС 12 могут использоваться порты USB версии не ниже 2.0.
u
u
Зададимся некоторыми основными параметрами рефлектометра. Для примера рассмотрим рефлектометр для двухпроводных линий связи с длиной до 30 км. В таблице 1 приведены диапазоны расстояний L, длительности зондирующих импульсов t, расстояние Δt, соответствующее длительности ЗИ, расстояние между соседними отсчетами на рефлектограмме Δt по времени и  по расстоянию при общем количестве точек на рефлектограмме 2048 и коэффициенте укорочения 1.5.
1
1
1
d
2
3
u1
1
2
3
1
2
3
1
3
iz
При выбранных параметрах рефлектометра ФИ 5 (фиг. 5) может быть выполнен в виде задающего генератора импульсов 16 (ГИ) с частотой следования импульсов ƒ=1/Δt=400 МГц, двоичного счетчика 17 (СЧ1) с переменным коэффициентом деления K от 1 до 64, который задает диапазон измерения расстояния от L=512 м при K=1 до L=32768 м при K=64. На выходе СЧ1 17 формируется стробимпульс (СИ) для управления АЦП 8. Частота дискретизации изменяется в зависимости от диапазона расстояний от ƒ=400 МГц до 6.25 МГц. Счетчик 18 (СЧ2) с коэффициентом K=2048 задает адрес (номер точки на рефлектограмме) и выводит код адреса на шину адреса 19 (ША). На выходе СЧ2 18 формируется ЗИ. Счетчик 20 (СЧЗ) формирует количество накоплений K=n, которое можно изменять в широких пределах. Время измерения одной рефлектограммы равно t=K⋅K⋅K/ƒ. При этом величины ƒ, K, К имеют определенные значения для выбранного диапазона расстояний, а время измерения можно изменять с помощью коэффициента K. Время измерения можно сделать одинаковым для всех диапазонов, если выбрать K=K. В таблице 2 приведены диапазоны по расстоянию, коэффициенты деления двоичных счетчиков при одинаковом времени регистрации рефлектограммы t=1.34 с для всех диапазонов расстояния. Управление счетчиками СЧ1 17 и СЧ3 20 осуществляется от МК 3 (Фиг. 4) по шине управления ШУ1 7.
ν
bk
bk
ν
УВВ может быть выполнено в виде мостовой схемы, один из вариантов которой приведен на фиг. 6. ЗИ от ФИ 5 поступает на первичную обмотку симметрирующего трансформатора 21 (СТ). В одно плечо мостовой схемы включается ДЛ 1 с волновым сопротивлением Z, а в другое балансный контур 22 (БК) с сопротивлением Z, величиной которого можно управлять с помощью кода, передаваемого по ШУ1 7. При Z=Z достигается режим согласования выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением ДЛ 1.
m
0
2
УС 4 представляет собой усилитель напряжения, который усиливает напряжение обратного потока до уровня, необходимого для работы АЦП 8. Для оценки величины коэффициента усиления были проведены расчеты амплитуды напряжения, отраженного от неоднородности с коэффициентом отражения равным R=1 при амплитуде ЗИ U=10 В. Результаты расчетов для симметричного кабеля UTP, у которого удельная конструктивная постоянная составляет τ=400 нс/км, приведены в таблице 3.
m
АЦП
1
3
1
Примем амплитуду максимального сигнала U=10 В, а минимального отраженного сигнала равной  мВ. Тогда принимая опорное напряжение АЦП равным 1 В, оценим пределы изменения коэффициента передачи усилителя от 0.1 до 10000. Количество разрядов АЦП примем равным n=12. Тогда объем памяти С одной ячейки в бичах при количестве накоплений K=64 составит С = 262144 бит = 32.768 кбайт.
Общее количество ячеек памяти и объем оперативной памяти составит
Микроконтроллер МК 3 должен обеспечить высокую скорость обработки сигнала обратного потока. Максимальная частота дискретизации АЦП 8 должна быть равна 400 МГц, а элементарная операция накопления, включающая считывание из памяти, суммирование и запись в память, должна выполняться за время 2.5 нс.
Перечисленным требованиям удовлетворяют множество АЦП и микроконтроллеров, изготавливаемых компаниями INTEL, Texas Instruments и другими.