Устройство внесения неисправностей в электрический кабель связи

Экз. №
МПК G06F 9/02
Устройство внесения неисправностей в электрический кабель связи
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для исследования взаимосвязи ошибок в работе систем передачи информации и неисправностей, возникающих в линии связи.
Линия связи представляет собой комплекс сооружений, содержащих различные направляющие системы, среди которых важное место до сих пор занимают электрические кабели связи. К основным факторам, существенно влияющим на надежность таких кабелей, относятся осушение, электрическое старение и высыхание изоляции. Связано это, прежде всего, с естественным разложением (кристаллизацией) пропиточного слоя. Как правило, при аварии электрическому кабелю наносятся и вторичные повреждения: обжиг дугой, деформация за счет созданного внутреннего давления, поглощение влаги в поврежденном месте и т.д.
Помимо заводского брака, который со временем может привести к повреждению электрического кабеля связи, существуют и другие причины появления неисправностей:
- механические повреждения при прокладке или других строительных работах;
- вспучивание в виде спирали (иногда с образованием трещин) в результате воздействия в течение длительного времени периодических циклов нагревания и охлаждения, а также при значительных сетевых перегрузках;
- разрушение внешней оболочки под воздействием внешних механических факторов;
- естественная химическая коррозия из-за воздействия различных реагентов, содержащихся в почве;
- разрушение внешнего защитного слоя благодаря блуждающим токам от электрифицированного транспорта.
Главным конструктивным элементом электрического кабеля связи является внешняя оболочка, т. к. высокие диэлектрические характеристики кабеля обеспечиваются при отсутствии активного воздействия на него влаги и воздуха. Механическое повреждение наружной оболочки легко определяется по внешнему виду: как, правило, в этом случае деформирована как стальная броня (при ее наличии), так и оплетка. Свинцовая оболочка часто подвергается межкристаллическому разрушению, что визуально выражается в появлением на первом этапе сетки из мелких трещин. В дальнейшем это приводит к увеличению их размеров с последующим разрушением отдельных фрагментов. При наличии в составе продуктов коррозии двуокиси свинца, можно утверждать о ее электрическом происхождении за счет блуждающих токов. Такой окисел имеет характерный коричневый тон. В то же время в результате химической коррозии образуются продукты белого цвета, которые иногда имеют бледно-желтый или бледно-розовый оттенок.
Большинство из повреждений электрического кабеля связи связаны с его изоляцией: электрической и/или экрана. Специалисты связи различают три типа повреждений электрической изоляции: короткое замыкание, нарушение изоляции между двумя жилами разных пар и нарушение изоляции по отношению к заземлению.
Короткое замыкание (или просто «короткое») несколько отличается от аналогичного понятия в радиотехнике, в системах связи под ним следует понимать нарушение изоляции между двумя жилами одной пары. Уменьшение изоляции между жилами до сотни мегом уже представляет собой короткое замыкание, а «короткое» в 1–2 мегома делает абонентскую линию уже полностью нерабочей.
Нарушение изоляции между двумя жилами разных пар, как правило, возникает при попадании воды в соединительную муфту или внутрь кабеля. Для абонентов системы передачи это повреждение вызывает эффект «круглого стола» или «конференции» – слышны переговоры посторонних людей, которые, в свою очередь слышат вас.
В руководящих документах установлена норма в 5 Мом/км как обязательная изоляция защитной оболочки кабеля. Выполнение этой нормы свидетельствует о герметичности оболочки электрического кабеля связи. В его реальных образцах изоляция экрана составляет от 40 до 30000 Мом.
Применение в линиях связи 102 электрических кабелей обуславливает необходимость установления причин возникновения неисправностей в них, исследование их влияния на основные параметры приемо-передающего оборудования 101, а также на качество информации, циркулирующей в соответствующих системах передачи 100.
В качестве примера может быть рассмотрен электрический кабель связиП-296, основные технические и эксплуатационные характеристики которого представлены в таблице. Описанные выше возможные неисправности в нем моделируются схемой, представленной на фиг. 2, согласно которой переменными резисторами с сопротивлениями 550 Ом (блоки 203–206) имитируется электрический кабель длиной до 10 км. При этом сопротивление экрана (блок 207) может составлять до 70 Ом. Указанными блоками 203–207 может быть установлена требуемая длина электрического кабеля, а при их неодинаковых значениях сопротивлений – сымитирована омическая асимметрия – разница в сопротивлении двух жил пары постоянному току. Селекторным переключателем 208 c последовательно включенными резистивными элементами имитируется нарушение изоляции между жилами – падение ее сопротивления от 100 до 10 Мом, короткое замыкание. Селекторным переключателем 209 c последовательно включенными резистивными элементами имитируется нарушение изоляции по отношению к заземлению, реализована возможность изменения номинала указанных сопротивлений от 0 до 100 Мом. Управляемыми выходами блока реле 210 имитируется обрыв каждой из жил кабеля и его экрана. Входом и выходом рассмотренной модели возможных неисправностей в четырехпроводном экранированном электрическом кабеле связи являются блоки 201 и 211 соответственно.
Таблица. Основные технические и эксплуатационные характеристики электрического кабеля связи П-296
Характеристика
Показатель
Сопротивление цепи постоянному току
55,5 Ом/км
Омическая асимметрия
0,28 Ом/км
Сопротивление экрана постоянному току
7 Ом/км
Сопротивление изоляции
5000 МОм/км
Рабочая емкость на частоте 0,8 кГц
44,6 нФ/км
Переходное затухание на ближнем конце на длине 500 ми частоте 110 кГц
68 дБ/сд
Защищенность на дальнем конце на длине 500 м и частоте 110 кГц
77 дБ/сд,
Испытательное напряжение между жилами, между жиламии оболочкой
1500 В
Выходное сопротивление кабеля
135 Ом
Строительная длина
500 м
Конструкция жил
7×0,35 мм
Количество жил
4 шт.
Материал изоляции жил
полиэтилен
Скрутка жил
звездная
Материал экрана
медная проволока
Материал защитного шланга
поливинилхлорид
Диаметр кабеля
14 мм
Масса кабеля
240 кг/км
Известно устройство диагностирования дискретных блоков (патент РФ №2109329), реализующее алгоритм диагностирования цифровой электронной схемы путем последовательного невероятностного сокращения размерности множества подозреваемых неисправностей. Алгоритм включает имитацию целевой аппаратуры и ее аппаратных неисправностей на электронных схемах (макетирование), автоматизированное управление процессом тестирования, отображение информации в удобном для пользователя виде, хранение результатов тестирования.
Известно устройство для имитации отказов и внутрисхемного тестирования элементов дискретной аппаратуры (патент РФ №2093885).Оно позволяет имитировать неисправности как на отдельных, так и на нескольких выводах цифровых элементов путем аппаратного макетирования. Обеспечивает возможность работы с элементами, имеющими двунаправленные шины, а также предусматривает использование устройства в качестве цифрового внутрисхемного тестера за счет создания аппаратно-программной защиты каналов устройства от перегрузки. Позволяет осуществлять автоматизированное управление процессом тестирования.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является переключатель отводов под нагрузкой (патент РФ на изобретение № 2431884. Электрический двигатель для переключателя отводов под нагрузкой. Опубл. 20.10.2011, Бюл. № 29), содержащий отсек электрического двигателя, соединенный через систему валов с дивертерным переключателем и селектором или с селекторным переключателем, при этом отсек электрического двигателя содержит модуль электрического двигателя и модуль управления, модуль электрического двигателя содержит электрический двигатель, редуктор и датчик положения, а модуль управления выполнен с возможностью управления выходным валом, выходящим из отсека электрического двигателя, путем подачи питания на электрический двигатель через прямое соединение для приведения выходного вала в движение через редуктор, причем датчик положения выполнен с возможностью определения движения и положения выходного вала и передачи соответствующей информации модулю управления, при этом отсек электрического двигателя в процессе работы герметично закрыт с модулем электрического двигателя и модулем управления, расположенными внутри герметично закрытого отсека электрического двигателя, причем отсек электрического двигателя содержит перенастраиваемые порты ввода/вывода, выполненные с возможностью обеспечения отсека электрического двигателя гибкими точками соединения, причем редуктор содержит механический концевой упор, предусмотренный на указанном валу и выполнен с возможностью механического предотвращения выхода выходного вала во время приведения его в движение за установленные крайние положения. Кроме того, отсек электрического двигателя содержит пользовательский интерфейс, выполненный с возможностью управления модулем управления, причем пользовательский интерфейс доступен снаружи герметично закрытого объема.
Одним из основных недостатков существующих аналогов в предметной области является невозможность их применения для внесения неисправностей в электрический кабель связи.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении полезной модели, заключается в расширении арсенала технических средств определенного назначения, а именно обеспечении возможности имитации всех возможных неисправностей в четырехпроводном экранированном электрическом кабеле связи.
Данная техническая проблема решается тем, что в устройство внесения неисправностей в электрический кабель связи, содержащее первый отсек электрического двигателя, соединенный через систему валов с первым селекторным переключателем, при этом отсек электрического двигателя содержит модуль электрического двигателя и модуль управления, модуль электрического двигателя содержит электрический двигатель, редуктор и датчик положения, модуль управления выполнен с возможностью управления выходным валом, выходящим из отсека электрического двигателя, путем подачи питания на электрический двигатель через прямое соединение для приведения выходного вала в движение через редуктор, причем датчик положения выполнен с возможностью определения движения и положения выходного вала и передачи соответствующей информации модулю управления, причем редуктор содержит механический концевой упор, предусмотренный на указанном валу и выполнен с возможностью механического предотвращения выхода выходного вала во время приведения его в движение за установленные крайние положения, причем отсек электрического двигателя содержит перенастраиваемые порты ввода/вывода, выполненные с возможностью обеспечения отсека электрического двигателя гибкими точками соединения, дополнительно введены второй отсек электрического двигателя, соединенный через систему валов со вторым селекторным переключателем, третий отсек электрического двигателя, соединенный через систему валов со первым переменным резистором, четвертый отсек электрического двигателя, соединенный через систему валов со вторым переменным резистором, пятый отсек электрического двигателя, соединенный через систему валов с третьим переменным резистором, шестой отсек электрического двигателя, соединенный через систему валов с четвертым переменным резистором, седьмой отсек электрического двигателя, соединенный через систему валов с пятым переменным резистором, при этом к селекторному переключателю и второму селекторному переключателю определенным образом подключены резистивные элементы, контроллер управления, выполненный с возможностью управления через порты ввода/вывода модулями управления первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого отсеков электрического двигателя, интерфейс подключения локальной вычислительной сети, соединенный с контроллером управления, блок реле, управляющие входы которого подключены к контроллеру управления, а управляемые выходы подключены к пятипроводной электрической линии, при этом пятипроводная электрическая линия соединена с селекторным переключателем, вторым селекторным переключателем, первый, вторым, третьим, четвертым и пятым переменными резисторами, а также входными и выходными клеммами устройства внесения неисправностей в электрический кабель связи.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 – схема исследования взаимосвязи ошибок в работе систем передачи информации и неисправностей, возникающих в линии связи;
фиг. 2 – модель возможных неисправностей в четырехпроводном экранированном электрическом кабеле связи;
фиг. 3 – структурная схема устройства внесения неисправностей           в электрический кабель связи;
фиг. 4 – структурная схема отсека электрического двигателя.
Устройство внесения неисправностей в электрический кабель связи 103, показанное на фиг. 3, содержит первый отсек электрического двигателя 307, соединенный через систему валов 301 с первым селекторным переключателем 208, второй отсек электрического двигателя 308, соединенный через систему валов 301 со вторым селекторным переключателем 209, третий отсек электрического двигателя 302, соединенный через систему валов 301 с первым переменным резистором 203, четвертый отсек электрического двигателя 303, соединенный через систему валов 301 со вторым переменным резистором 204, пятый отсек электрического двигателя 304, соединенный через систему валов 301с третьим переменным резистором 205, шестой отсек электрического двигателя 305, соединенный через систему валов 301 с четвертым переменным резистором 206, седьмой отсек электрического двигателя 306, соединенный через систему валов 301 с пятым переменным резистором 207.
При этом к первому селекторному переключателю 208 и второму селекторному переключателю 209 определенным образом подключены резистивные элементы. Один из вариантов такого подключения представлен на фиг. 2.
Отсек электрического двигателя 302 (303, 304, 305, 306, 307, 308) содержит модуль электрического двигателя и модуль управления 405 (фиг. 4).
Модуль электрического двигателя содержит редуктор 401, электрический двигатель 402, механический концевой упор 403 и датчик положения 404, порты ввода/вывода 406. Электрический двигатель 402 выполнен с возможностью приведения селекторных переключателей (208, 209) и переменных резисторов (203–207) в движение при помощи системы валов 301. Выходной вал системы 301 выведен из отсека электрического двигателя 302 (303, 304, 305, 306, 307, 208) через герметично закрытое соединение.
Между электрическим двигателем 402 и системой валов 301 для уменьшения числа оборотов при передаче вращения от электрического двигателя к выходному валу системы 301 предусмотрен редуктор 401. Электрический двигатель 402 представляет собой стандартный электродвигатель с широтно-импульсной модуляцией напряжения питания от преобразователя, предусмотренного в модуле управления 405. На электрический двигатель 402 может подаваться переменное напряжение от 5 В до 12 В.
В модуле электрического двигателя предусмотрен механический концевой упор 403, не допускающий выведения селекторных переключателей (переменных резисторов) электрическим двигателем 402 за предельные верхнее и нижнее положения.
Кроме того, на выходном валу системы валов 301 предусмотрен датчик положения 304, отслеживающий абсолютное положение и перемещения селекторных переключателей (переменных резисторов). Датчик положения 404 собирает информацию как о перемещениях, так и о положении выходного вала системы валов 301, например о предельных положениях, ошибочном поведении и/или показателях выходного вала и, таким образом, селекторных переключателей (переменных резисторов). Датчик положения 304 обеспечивает возможность определения абсолютного положения селекторных переключателей (переменных резисторов). Кроме того, наличие специального тормоза для электрического двигателя не требуется,т.к. редуктор 401 представляет собой самотормозящий редуктор.
Модуль управления 405 является центральным элементом отсека электрического двигателя 302 (303, 304, 305, 306, 307, 308) и осуществляет управление всеми аспектами работы, конфигурации и обмена сигналами модуля электрического двигателя селекторных переключателей (переменных резисторов). Он выполнен с возможностью управления выходным валом 301, выходящим из отсека электрического двигателя 302 (303, 304, 305, 306, 307, 308), путем подачи питания на электрический двигатель 402 через прямое соединение для приведения выходного вала системы валов 301 в движение через редуктор 401, причем датчик положения 404 выполнен с возможностью определения движения и положения выходного вала и передачи соответствующей информации модулю управления 405. Таким образом, модуль управления 305 управляет работой электрического двигателя 402 и контролирует ее.
Обмен сигналами внутри отсека электрического двигателя 302 (303, 304, 305, 306, 307, 308) происходит через шину, в качестве которой может быть использована, например, шина CAN (Control Area Network, асинхронная последовательная коммуникационная шина).
Передача сигналов в отсек электрического двигателя 302 (303, 304, 305, 306, 307, 308) и из него происходит через порты ввода/вывода 406. Порты ввода/вывода 406 выполнены с возможностью работы с различными типами и объемами сигналов ввода/вывода, например с цифровыми и аналоговыми сигналами, а также с сигналами ввода и вывода. Отсек электрического двигателя снабжен стандартным набором программно конфигурируемых портов, обеспечивающих возможность установления необходимых соединений с отправителями и получателями сигналов в соответствии с их рабочими возможностями. Ввод цифрового сигнала предпочтительно выполнен с возможностью работы как с сигналами переменного напряжения в широком диапазоне частот и амплитуд, так и с сигналами постоянного напряжения в широком диапазоне значений напряжения.
Для имитации обрыва жил и экрана рассматриваемого электрического кабеля связи используется блок реле 309, управляющие входы которого подключены к контроллеру управления 301, а управляемые выходы 210 –к пятипроводной электрической линии 102. При этом пятипроводная электрическая линия 202 последовательно соединяет входные клеммы 201 с первым 203, вторым 204, третьим 205, четвертым 206 и пятым 207 переменными резисторами, первым селекторным переключателем 208, вторым селекторным переключателем 209, управляемыми выходами 210 блока реле 309, а также выходными клеммами 211 устройства внесения неисправностей в электрический кабель связи.
Имитация конкретных неисправностей в устройстве внесения неисправностей в электрический кабель связи 103 осуществляется с внешней управляющей ПЭВМ 105 (фиг. 1) путем передачи соответствующих команд контроллеру управления 310 через локальную вычислительную сеть 104 и интерфейс подключения локальной вычислительной сети 311.
Контроллер управления 310 выполнен с возможностью управления через порты ввода/вывода 406 модулями управления 405 первого 307, второго 308, третьего 302, четвертого 303, пятого 304, шестого 305 и седьмого 306 отсеков электрического двигателя и может быть реализован, например, на микропроцессоре TMS 32010, подробно описанном в [Цифровой процессор обработки сигналов TMS 32010 и его применение. Под ред. А.А. Ланнэ. – Л., ВАС, 1990]. Обычно устройство управления представляет собой последовательную логическую схему и может быть синтезировано по известным правилам [Гутников, В.С. Электронные устройства информационно-измерительной техники / В.С. Гутников, В.В. Лопатин и др. – Л., ЛПИ им. Калинина, 1980].
Интерфейс подключения локальной вычислительной сети 311 является известным устройством и может быть реализован, например, на микросхеме ENC28J60, подробно описанной в [Тугай М.А. Подключение Ethernet модулей к микроконтроллерам // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 1.; URL: http://www.eduherald.ru/ru/article/view?id=16860 (дата обращения: 27.06.2018)]. Формирование команд во внешней управляющей ПЭВМ 105 и их передача через локальную вычислительную сеть 104 осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения.
Введение в схему устройства внесения неисправностейв электрический кабель связи 103 входных 201 и выходных 211 клемм для включения в линию связи, пяти переменных резисторов (203–207) для имитации различной длины электрического кабеля, изменения сопротивления его жил и экрана, омической асимметрии, двух селекторных переключателей (208, 209) для имитации короткого замыкания и снижения сопротивления изоляции (в том числе относительно экрана), блока реле 309, управляемые выходы 210 которого позволяют имитировать обрыв жили экрана обеспечивает возможность имитации всех возможных неисправностей в четырехпроводном экранированном электрическом кабеле связи.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства внесения неисправностей в электрический кабель связи, отсутствуют, поэтому полезная модель соответствует условию патентоспособности "Новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемой полезной модели, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленной полезной модели на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности "Изобретательский уровень".