СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ ДВУХ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПРОВОДНИКОВ, ВЫБРАННЫХ ИЗ ОБЩЕГО ЖГУТА ВИТЫХ ПАР
METHOD OF TESTING TWO INSULATED CONDUCTORS, SELECTED FROM COMMON TWISTED PAIR BUNDLE

Область применения
Изобретение относится к способам определения парности проводников в кабелях и жгутах, состоящих из свитых попарно проводников и может быть использовано для определения того, правильно ли свита каждая из витых пар, т.е. свиты эти проводники вместе или выбраны из разных пар.
Уровень техники
Электрический кабель типа "витая пара" повсеместно используется в телекоммуникационных и компьютерных сетях. Кабель представляет собой набор нескольких попарно свитых проводников, покрытых диэлектриком в общей изолирующей оболочке. Свивка проводников в пару позволяет снизить как взаимное влияние пар друг на друга, так и общее электромагнитное взаимодействие пар с окружающей средой. Для обеспечения наиболее устойчивой передачи сигнала в электрической цепи должны использоваться два проводника, свитые вместе. Однако очень часто в кабелях с большим количеством свитых пар в цепь ошибочно объединяется пара проводников из различных свитых пар. Это приводит к ухудшению качества передачи сигнала и дальнейшим многочисленным ошибкам при передаче данных по такой цепи.
Из уровня техники известен патент US6002247 на способ определения корректной парности с помощью подключения пары проводов в цепь. Способ предлагает метод измерения парности. В цепь объединяются два произвольных провода. В один из них подается импульс. Во втором измеряется величина наведенного напряжения. Утверждается, что о парности можно судить по величине наводки.
К недостаткам метода следует отнести малоэффективность метода, т.к. он не позволяет определять парность в среде сильных электромагнитных полей, не столь точен при измерениях проводов короткой длины и проводов в общем экране (экранированная витая пара), поскольку величина наводок в таких кабелях достаточно мала и оценить разницу наводок проблематично.
Также к недостаткам следует отнести тот факт, что способ достаточно затратен, особенно для тестирования современных высококачественных кабелей. Т.к. в них используются более толстые проводники и изоляция с более качественным диэлектриком, а также более плотная скрутка, индуктивная связь в парах уменьшается, соответственно, уменьшается и наведенный сигнал в свитой паре. Для того чтобы оценить разницу наводок в свитых парах и проводников из разных пар, придется использовать более высококачественные и, следовательно, более дорогие АЦП.
Из уровня техники известен патент WO 2006069810 на способ сборки электрического разъема и форму разъема, используемую для его сборки, и устройство для определения правильности сборки разъема. Здесь описывается устройство для определения правильности разделки кабеля в разъем. Однако описываются лишь геометрические параметры устройства и сопрягаемого с ним разъема. Никаких физических измерений не производится. Используемая электрическая схема позволяет судить лишь о геометрической правильности разделки кабеля в контакт разъема. При правильном положении кабеля в разъеме контакт присутствует, при неправильном - отсутствует. Парность проводников в кабеле не проверяется.
Из уровня техники известен патент US 4553088. Описывается устройство, используемое вместе со станком для разделки свитых пар проводников в разъем с пронумерованными контактами. Устройство электрически связано с лампочками индикации станка, а также с инструментом для заделки проводника в разъем, который используется еще и как электрический щуп. При ошибочной разделке сигнального проводника в заземленный контакт устройство издает звук.
Устройство способно определять только полярность проводников в цепи, а не их парность. Недостатком данного решения является то, что для определения правильной полярности необходима разделка обоих концов пары проводников. В данном способе измерения можно проводить только в промышленных/лабораторных условиях. Наиболее близким решением следует считать патент US 3763426 на способ и устройство для тестирования свитых попарно проводников для обнаружения дефектов электрической изоляции или измерения шага скрутки или окончания проводника или обнаружения разрывов в проводнике. Здесь описывается устройство для контроля характеристик пары изолированных проводников в процессе их свивки. Однако парность проводников не проверяется, т.к. все измерения делаются только на одной паре проводников. Среди прочего контролируется емкость между электродами, установленными на некотором расстоянии друг от друга в устройстве, через которое пропускается свитая пара проводников. Изоляция проводников здесь выступает в качестве диэлектрика конденсатора, а электроды устройства - его обкладками. Разрывы в проводнике или изменения шага скрутки проводников приводят к изменениям емкости такого конденсатора. При обнаружении таких изменений включается сигнализация и линия для свивки пары останавливается.
Способ измерения емкости здесь не описывается (указывается лишь некий прибор "измеритель емкости"). Проводятся измерения лишь сравнительно небольшого отрезка витой пары, причем сами проводники не используются в качестве обкладок конденсатора, а выступают диэлектриками конденсатора, емкость которого измеряется.
Технический результат данного изобретения состоит в возможности определять свитость проводников между собой в среде сильных электромагнитных полей, способ измерения более точен при измерении коротких длин проводников и проводников в общем экране (экранированная витая пара), способ менее затратен, особенно для тестирования современных высококачественных кабелей. Для замера требуется лишь один конец пары, т.е. способ позволяет проверять уже уложенный кабель или жгут.
Краткое описание чертежа
На чертеже показана блок-схема устройства, реализующего способ, где 1 - провод витой пары, 2 - автокоммутатор, 3 - мультивибратор на таймере, выполняющий функцию преобразователя емкости в частоту, 4 - процессор, 5 - дисплей, 6 - корпус устройства.
Сущность изобретения
Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ тестирования двух изолированных проводников, выбранных из общего жгута витых пар, характеризуется подключением жгута изолированных проводников к автокоммутатору, которым подключают пару проводников, предназначенную для проверки, к преобразователю емкости в частоту, реализованному на таймере, импульсный сигнал с которого подают на процессор, где производят измерения частоты или скважности входного сигнала. Переключая с помощью автокоммутатора пары проводников из общего жгута, проводят такие измерения для всех имеющихся в жгуте пар. По анализу результатов таких измерений выводят на графическом индикаторе таблицу, показывающую номера свитых вместе пар проводников, а также величину емкости, измеренную для каждой свитой пары.
Данный способ позволяет отличать пары проводников, свитых вместе от двух проводников, взятых из разных свитых пар, таким образом, определяя парность свитых проводников в многопарных кабелях и жгутах.
Способ основан на измерении электрической емкости двух отдельно взятых проводников. Из курса общей физики известно, что конденсатором называется система двух разноименно заряженных проводников. Электрическая емкость конденсатора прямо пропорциональна площади его обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними:
,
где  - константа, S - площадь обкладок, d - расстояние между обкладками (см. формула (34.1) [1]).
Таким образам, любую пару проводов в кабеле или жгуте можно использовать как конденсатор. Так как расстояние между проводниками, свитыми вместе и взятыми из разных пар различно, можно ожидать, что емкость свитой пары проводников значительно выше емкости несвитых проводников.
Измеритель емкости может быть реализован за счет использования типовой схемы включения таймера в автоколебательном режиме. В качестве таймера может быть использована, например, отечественная микросхема 1006 ВИ1.
(см. [2, Рис.4.33а.]).
Схема позволяет получить преобразователь емкости в частоту. Согласно [2, см. 4.43 и 4.44]:
Подключая пару проводников в качестве емкости Ct на выходе, будем иметь сигнал частотой f, который будет отличаться для пары проводников, свитых вместе и проводников, взятых из разных пар.
Для подключения кабеля к прибору используется блок автокоммутатора (2). Он управляется центральным процессором (4) и позволяет выбрать для тестирования любые два проводника из подсоединенного к прибору кабеля. Выбранные проводники подключаются к мультивибратору на таймере (3) в качестве емкости. Импульсный сигнал с блока мультивибратора поступает на сигнальный вход (GPIO) процессора (4). Процессор (4) измеряет время, в течение которого вход GPIO находится в состоянии логической единицы Ttrue, и время последующего состояния логического нуля Tfalse. Таким образом, частота сигнала f составит:
, а скважность примет значение Tfalse.
Далее процессор (4) последовательно с помощью автокоммутатора (2) перебирает все возможные сочетания двух проводников в кабеле, запоминает частоту входящего сигнала для каждого из них. Исходя из формулы 34.1 (см. [1]), т.к. расстояние между свитыми и несвитыми проводниками отличается, частота сигнала для проводников, свитых друг с другом, будет заметно меньше, чем частота сигнала в проводниках из различных пар. По результатам измерений процессор (4) выводит на графический индикатор (5) схему, отображающую парность проводников в кабеле, а также величину измеренной емкости для каждой свитой пары.
Используемый процессор должен иметь сигнальные входы и выходы для управления автокоммутатором и графическим индикатором (GPIO), например, ЦП серии 18F4 компании Microchip. В качестве графического индикатора может быть использован любой малогабаритный жидкокристаллический дисплей, например, черно-белый ЖК индикатор компании Ampire марки AG12232A.
Заявленный способ позволяет определять парность в среде сильных электромагнитных полей, поскольку они не влияют на результат снятия показаний емкости проводника. Заявленный способ более точен для коротких длин проводников и проводников в общем экране (экранированная витая пара), поскольку величина наводок в таких кабелях достаточно мала и оценить разницу наводок обычными методами проблематично, в то время как разница емкостей вполне существенна.
В современных высококачественных кабелях используются проводники большего диаметра и изоляция с более качественным диэлектриком. В таких кабелях индуктивная связь в парах уменьшается, соответственно, уменьшается и наведенный сигнал в паре. Для того чтобы оценить разницу наводок в свитых парах и проводниках из разных пар, приходится использовать более высококачественные и, следовательно, более дорогие АЦП. Поскольку в заявленном способе АЦП не используется и элементная база более простая и дешевая, можно утверждать, что заявленный способ менее затратен для тестирования современных высококачественных кабелей.
Поскольку для замера требуется лишь один конец пары, способ позволяет проверять уже уложенный кабель.
Источники информации
1. Элементарный учебник физики в 3-х томах. Электричество, магнетизм. Том 2. Ландсберг Г.С. Из-во Физматлит 2003 г. ISBN: 5922103504.
2. «Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых элетронных устройств», Волович Г.И. Изд. Дом «Додэка-XXI» 2005 г., ISBN 5941200749. Глава 4.5. Аналоговые таймеры.