УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ И СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Полезная модель относится к импульсной технике и электроизмерениям и может использоваться для оценки количественных и статистических характеристик внутренних неоднородностей симметричных и коаксиальных кабелей, а также для сравнения кабельных цепей по критерию «однородность».
Известны устройства для определения мест повреждения линий электропередачи и связи, называемые рефлектометрами, в основе работы которых лежит зондирование линии импульсами напряжения, создаваемыми генератором зондирующих импульсов, и регистрация приемником обратного потока, возникающего за счет отражения зондирующих импульсов от внутренних неоднородностей кабеля, которыми могут быть обрывы, короткие замыкания и др. По временной задержке отраженного сигнала относительно зондирующего определяется расстояние до повреждения.
Одно из таких устройств (см. патент США №6448781, М. кл. G01R 31/11, опубл. 10.09.2002 г.) содержит рефлектометр, подключенный к кабелю и связанный с системой анализа обратного потока. Принцип анализа основан на разделении полученной рефлектограммы на отдельные сегменты, после чего по наклону полученной импульсной характеристики в отдельных сегментах судят о характере неоднородности в определенных местах кабеля, соответствующих этому сегменту на характеристике. Для реализации такого анализа устройство содержит связанные между собой процессор, блоки памяти, в одном из которых хранится информация о различных видах неоднородностей, а в другой заносится информация об импульсной характеристике в отдельных сегментах рефлектограммы. Импульсные характеристики в отдельных сегментах сравниваются с имеющимися в первом блоке памяти характеристиками неоднородностей кабеля, и результат сравнения выводится на устройство индикации (принтер).
Достоинством данного устройства является возможность автоматического определения места и вида неоднородностей кабеля. В то же время устройство не позволяет судить о качестве изготовления кабеля путем анализа количественных и статистических характеристик, связанных с его внутренними конструктивными неоднородностями.
Известно также устройство для определения мест повреждения линий электропередачи и связи (см.патент РФ на изобретение №2073253, М. кл.
G01R 31/11, опубл. 10.02.1997 г.), содержащее генератор зондирующих импульсов, состоящий из последовательно соединенных формирователя зондирующих импульсов и блока управления выходным сопротивлением генератора, необходимого для обеспечения согласования выходного сопротивления генератора с волновым сопротивлением исследуемой линии.
Выход блока управления выходным сопротивлением генератора подключен к соответствующему входу приемника, включающего последовательно соединенные между собой смеситель и АЦП с управляемым усилением. Вход блока управления выходным сопротивлением генератора соединен с соответствующими выходом вычислительного блока (микроЭВМ), другой выход которого подключен к другому соответствующему входу приемника, вход/выход которого соединен с соответствующим выходом/входом вычислительного блока, другие выходы которого подключены соответственно ко входам блока индикации и блока синхронизации, соответствующие выходы которого соединены со входом синхронизации формирователя зондирующих импульсов и входом синхронизации приемника.
В данном устройстве импульсы напряжения на выходе формирователя зондирующих импульсов поступают в блок управления выходным сопротивлением генератора, где для исключения паразитных переотражений от линии входа производят циклическое согласование выходного сопротивления генератора с волновым сопротивлением линии. При этом в первом цикле запоминают половину амплитуды зондирующего импульса при отключении линии. Во втором цикле измеряют амплитуду зондирующего импульса при произвольно установленном значении выходного сопротивления на входе подключенной линии, вычитают из нее величину, запомненную в первом цикле согласования и запоминают знак и величину результата вычитания. В третьем цикле по результатам измерений первого и второго циклов вычисляют величину волнового сопротивления, и по его цифровому коду устанавливают выходное сопротивление генератора зондирующих импульсов с заданной точностью.
Это позволяет повысить точность и достоверность измерений при определении места повреждения линий. При этом на устройстве отображения (блок индикации) наблюдают временную зависимость обратного потока, и оператор по наибольшему отражению судит о месте повреждения.
Однако данное устройство, как и предыдущий аналог, не позволяет осуществлять оценку количественных и статистических характеристик внутренних конструктивных неоднородностей линий передачи, т.е. судить о ее качестве.
Кроме того, в обоих аналогах не принято мер для разделения зондирующих импульсов и обратного потока. Вследствие этого колебания коэффициента отражения в ближней зоне неразличимы, этот участок рефлектограммы называют «мертвая зона». В последнем аналоге зондирующий импульс, попадая в приемник, вызывает переходный процесс, искажающий рефлектограмму, называемый «эффектом лыжи».
Наличие «мертвой зоны» и искажений, обусловленных «эффектом лыжи», в устройствах для определения места неоднородностей линий допустимы, но для оценки количественных и статистических характеристик внутренних конструктивных неоднородностей кабелей - неприемлемы.
Помимо этого при измерениях характеристик внутренних неоднородностей симметричных кабелей необходимо обеспечить симметричный вход/выход, чтобы не нарушить режим работы кабельной цепи. Несоблюдение этого условия приводит к недостоверным результатам. Для устройств поиска мест повреждения это требование не принципиально, поэтому устройства с несимметричным входом могут использоваться как при измерениях на симметричных, так и несимметричных цепях.
Кроме того, в случае исследования симметричных кабелей желательно определить места и величины сосредоточенных переходов энергии между соседними парами симметричных кабелей, что невозможно сделать в известных аналогах.
Устройство по патенту РФ на изобретение №2073253 выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом заявляемого устройства является обеспечение возможности оценки количественных и статистических характеристик внутренних конструктивных неоднородностей кабелей, таких как законы и моменты распределения коэффициентов отражения, а также местоположения и величины вызванных неоднородностями сосредоточенных переходов энергии между соседними парами симметричных кабелей при одновременном повышении достоверности измерений и расширении номенклатуры исследуемых кабелей.
Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом устройстве оценки количественных и статистических характеристик внутренних неоднородностей электрических кабелей, содержащем генератор зондирующих импульсов и устройство согласования, выходом связанное с приемником, содержащим усилитель и АЦП, вычислительный блок, содержащий процессор, соединенный входом/выходом с блоком памяти, причем соответствующими входом и выходом вычислительный блок связан соответственно с выходом и соответствующими входами приемника и входом блока индикации, отличающемся тем, что оно содержит блок подключения, выполненный с, по меньшей мере, двумя раздельными входами/выходами со стороны кабеля, которыми являются соответствующие входы/выходы упомянутого устройства согласования, входящего в блок подключения, содержащий также дифференциальную систему, входом соединенную с выходом генератора зондирующих импульсов, а входом/выходом - с выходом/входом устройства согласования, в приемник введен блок памяти рефлектограмм, соответствующим входом соединенный с выходом АЦП, соответствующим входом соединенным с выходом усилителя, вычислительный блок дополнительно содержит последовательно соединенные корректор искажений, амплитудный корректор, блок статистической обработки, соответствующие входы/выходы которого подключены к выходам/входам коррелятора и процессора, управляющий выход которого соединен с управляющими входами амплитудного корректора, корректора искажений, блока памяти рефлектограмм и усилителя приемника, генератора зондирующих импульсов и устройства согласования блока подключения, причем выход дифференциальной системы и соответствующий выход устройства согласования блока подключения подключены к соответствующим входам усилителя, являющимся входами приемника, выход блока памяти рефлектограмм, являющийся выходом приемника, подключен ко входу вычислительного блока, которым является вход корректора искажений, а выход вычислительного блока, которым является выход блока статистической обработки, подключен ко входу блока индикации.
При этом для обеспечения ввода необходимой информации оператором вход процессора может быть соединен с выходом клавиатуры.
Устройство согласования может быть выполнено с возможностью согласования выходного сопротивления генератора зондирующих импульсов с волновым сопротивлением кабеля.
Устройство согласования может быть выполнено симметрирующим.
Наличие в блоке подключения дифференциальной системы позволяет разделить зондирующие импульсы от обратного потока и не допустить прохождения зондирующих импульсов в усилитель приемника, что обеспечивает исключение участка рефлектограммы, называемого «мертвой зоной», а также устранить переходный процесс, называемый «эффектом лыжи», искажающие рефлектограмму, что повышает достоверность измерений.
Выполнение устройства согласования в блоке подключения с возможностью согласования выходного сопротивления генератора зондирующих импульсов с волновым сопротивлением кабеля также позволяет повысить достоверность измерений.
Выполнение устройства согласования в блоке подключения симметрирующим и выполнение его с, по меньшей, мере, двумя раздельными входами/выходами со стороны кабеля дает возможность расширить номенклатуру исследуемых кабелей путем обеспечения измерений характеристик симметричных кабелей, а также определять величину и местоположение вызванных неоднородностями сосредоточенных переходов энергии между соседними парами симметричных кабелей.
Введение в приемник блока памяти рефлектограмм позволяет при многократном зондировании накапливать (усреднять) зарегистрированный обратный поток, увеличивая отношение сигнал/шум, что повышает достоверность измерений и позволяет накапливать статистику распределения коэффициента отражения по кабелю.
Введение в вычислительный блок корректора искажений, амплитудного корректора, блока статистической обработки, коррелятора позволяет получить гистограмму распределения коэффициентов отражения, статистические характеристики и авто и взаимно корреляционные функции, т.е. появляется возможность оценки количественных и статистических характеристик внутренних конструктивных неоднородностей кабеля.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена структурная схема устройства оценки количественных и статистических характеристик внутренних неоднородностей электрических кабелей,
на фиг.2. приведена принципиальная схема блока 2 подключения, на фиг.3а приведена рефлектограмма кабельной цепи, на которой показан участок «мертвая зона» (1), отражения от внутренних неоднородностей кабеля (участок 2) и отражение от дальнего конца кабеля (участок 3).
на фиг.3б показан участок рефлектограммы с искажением «эффект лыжи» (1) и переходным процессом (2).
на фиг 3в. показан участок рефлектограммы после устранения искажений «эффект лыжи», на входе амплитудного корректора (1) и после амплитудной коррекции (2),
на фиг 3г. приведена гистограмма распределения коэффициентов отражения от внутренних неоднородностей кабеля (1) и аппроксимирующая ее гауссова кривая (2).
на фиг.4 приведена блок схема алгоритма программы, установленной в процессоре 15 вычислительного блока 10.
Согласно фиг.1 предлагаемое устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов, блок 2 подключения, включающий дифференциальную систему 3 и устройство 4 согласования, выходом/входом соединенное с входом/выходом дифференциальной системы 3. При этом вход дифференциальной системы 3, являющийся входом блока 2 подключения, соединен с выходом генератора 1 зондирующих импульсов, а устройство согласования выполнено с, по меньшей мере, двумя раздельными входами/выходами для подключения кабеля 5, в том числе симметричного.
Следует отметить, что устройство 4 согласования может быть выполнено симметрирующим и с возможностью согласования выходного сопротивления генератора 1 зондирующих импульсов с волновым сопротивлением кабеля 5.
Устройство также содержит приемник 6, включающий последовательно соединенные усилитель 7, АЦП 8 и блок 9 памяти рефлектограмм, причем к соответствующим входам усилителя 7, которые являются входами приемника 6, подключены выходы дифференциальной системы 3 и устройства 4 согласования, а выход блока 9 памяти рефлектограмм, являющийся выходом приемника 6, подключен ко входу вычислительного блока 10, которым является вход корректора 11 искажений.
Вычислительный блок 10 также содержит последовательно соединенные амплитудный корректор 12, блок 13 статистической обработки, выход которого является выходом вычислительного блока 10, а выход корректора 11 искажений подключен ко входу амплитудного корректора 12, соответствующие входы/выходы блока 13 статистической обработки соединены соответственно с выходами/входами коррелятора 14 и процессора 15, другие выходы/входы которого соединены со входами/выходами блока 16 памяти.
Выход блока 13 статистической обработки соединен со входом блока 17 индикации, а процессор 15 входом связан с клавиатурой 18, а управляющим выходом - с управляющими входами амплитудного корректора 12, корректора 11 искажений, блока 9 памяти рефлектограмм, усилителя 7, устройства 4 согласования и генератора 1 зондирующих импульсов.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Генератор 1 зондирующих импульсов генерирует импульс напряжения, который может иметь прямоугольную форму, причем амплитуда и форма импульса может задаваться оператором через клавиатуру 18 или управляющими командами процессора 15. Период следования импульсов определяется удвоенным временем распространения импульса от начала до конца исследуемого кабеля 5. Далее через блок 2 подключения импульсы поступают в двухпроводную цепь исследуемого кабеля 5.
Блок 2 подключения имеет в своем составе устройство 4 согласования, которое служит для согласования выходного сопротивления генератора 1 зондирующих импульсов и волнового сопротивления кабеля 5, при этом оно имеет, по меньшей мере, два входа/выхода, что позволяет работать в режиме общего и раздельного входов. В режиме общего входа анализируется обратный поток одной цепи кабеля, а в режиме с раздельными входами принимается обратный поток, образованный переходом зондирующих импульсов между цепями исследуемого кабеля 5. Причем выполнение устройства 4 согласования симметрирующим дает возможность работы с симметричными кабелями и позволяет определить величину и местоположение вызванных неоднородностями сосредоточенных переходов энергии между соседними парами симметричных кабелей.
Входящее в блок 2 подключения дифференциальная система 3 обеспечивает разделение зондирующих импульсов и обратного потока таким образом, что зондирующие импульсы не проходят в усилитель 7 приемника 6. В случае попадания зондирующих импульсов в усилитель 7 происходит его насыщение, что приводит к искажениям рефлектограммы. Необходимость использования дифференциальной системы 3 возникает при работе в режиме общего входа.
Распространяясь по кабелю 5 зондирующие импульсы частично отражаются от неоднородностей образуя обратный поток, который через блок 2 подключения поступает в приемник 6, усилитель 7 которого усиливает сигнал обратного потока, а АЦП 8 преобразует его в цифровую форму. Отсчеты сигнала обратного потока записываются в блок 9 памяти рефлектограмм. Предлагаемое устройство может осуществлять многократное зондирование кабеля 5, при этом блоком 9 памяти рефлектограмм выполняется накопление (усреднение) зарегистрированного потока, что увеличивает отношение сигнал/шум. В результате на выходе приемника формируется рефлектограмма кабеля 5 (фиг.3а).
Зарегистрированная рефлектограмма далее поступает в вычислительный блок 10 - на вход корректора 11 искажений, который служит для устранения искажений типа «эффекта лыжи», при этом данный блок может быть выполнен таким образом, что осуществляет устранение искажений либо на основе регрессионного анализа, либо методами аппроксимации (фиг.3б). Далее рефлектограмма поступает в амплитудный корректор 12, где осуществляется устранение искажений рефлектограммы, вызванных затуханием и дисперсией импульсов при распространении по кабельной цепи. Коррекция производится с учетом формы, длительности зондирующего импульса и импульсной характеристики кабеля 5. (фиг.3в) Для этого в блок 16 памяти записываются не только коэффициенты укорочения (как это делается в известных устройствах обнаружения мест неоднородностей кабеля), но и параметры импульсной характеристики исследуемого кабеля 5. После этого откорректированные импульсы поступают в блок 13 статистической обработки, в котором производится пересчет амплитуды рефлектограммы в коэффициент отражения. Кроме того, из рефлектограммы исключаются начальный и конечный участки, поскольку в них присутствуют отражения несогласованности от концевых неоднородностей, и рефлектограмма представляется вариационным рядом коэффициентов отражения, по которому определяются статистические характеристики кабеля 5 (фиг.3г).
В корреляторе 14 вычисляются авто и взаимно корреляционные функции вариационных рядов коэффициентов отражения и коэффициентов переходов для выявления зависимостей, характеризующих внутренние неоднородности кабеля 5.
Зарегистрированная рефлектограмма и результаты расчета (гистограмма распределения коэффициентов отражения, статистические характеристики, авто и взаимно корреляционные функции) выводятся на блок 17 индикации.
Функционирование устройства осуществляется процессором 15, под управлением программы, записанной в блоке 16 памяти.
Как уже было сказано выше, измерения могут производиться в многократном цикле для получения большей достоверности. При этом на основе результатов измерений процессор 15 задает параметры зондирующих импульсов (например, длительность или период следования), подбирает наилучшее согласование с линией, устанавливает оптимальный коэффициент усиления и коэффициенты коррекции, следит за отношением сигнал/шум зарегистрированной рефлектограммы.
Для ввода начальных установок и управления устройством может использоваться клавиатура 18. Кроме того устройство может иметь интерфейс для связи с внешним компьютером для передачи на него рефлектограмм и результатов обработки.
Рассмотрим пример выполнения блоков предлагаемого устройства.
В качестве генератора 1 зондирующих импульсов может быть использован цифровой функциональный генератор типа АНР-3122 (производитель «Актаком»).
В качестве приемника 6 может быть использован цифровой осциллограф, с функцией передачи зарегистрированных сигналов в персональный компьютер, например осциллограф АСК-3107 (производитель «Актаком»). Генератор и осциллограф имеют порты для связи с компьютером, их работой управляет загруженная в компьютер программа.
Блок подключения 2 может быть выполнен на специализированных операционных усилителях, например AD815, AD8056 (производитель Analog Device) по схеме, приведенной на фиг.2. Для организации второго входа/выхода блока 2 подключения (вход/выход устройства 4 согласования) необходимо использовать две схемы фиг.2., соединенные по входу. Схема имеет симметричный вход/выход, при этом имеющийся в ней перестраиваемый резистор (R11) обеспечивает согласование выходного сопротивления с волновым сопротивлением подключаемого кабеля 5.
В качестве вычислительного блока 10 может быть использован персональный компьютер, соединенный с генератором и осциллографом.
В нашем устройстве в качестве процессора 15 вычислительного блока 10 может быть использован процессор персонального компьютера, на котором установлена программа, блок-схема алгоритм которой приведен на фиг.4. Под управлением программы, компьютер соединенный с генератором и осциллографом может выполнять функции вычислительного блока: управление генератором, коррекция искажений, амплитудная коррекция, статистическая и корреляционная обработка отсчетов сигнала обратного потока, зарегистрированного осциллографом, хранение и отображение результатов. Блоком индикации 17 и клавиатурой 18 в этом случае служат соответственно монитор и клавиатура персонального компьютера. В качестве персонального компьютера можно использовать компьютер типа Foxconn 6627 МА, Celeron 3066, 512 Mb, HDD 80, GeForce 7300 GS.
Структурная схема заявляемого устройства может быть также реализована на основе серийно выпускаемых рефлектометров, например Рейс-205 (производитель Стэлл), Ри-20 м (производитель Эрстед). Рефлектометры подключаются к исследуемому кабелю через блок подключения (фиг.2) и регистрируют рефлектограммы цепей исследуемого кабеля. При такой реализации рефлектометр выполняет функции генератора 1, приемника 6 и часть функций вычислительного блока 10. Зарегистрированные рефлектограммы в виде файлов отсчетов передаются в компьютер, где под управлением программы выполняется коррекция искажений и амплитудная коррекция, рассчитываются статистические характеристики неоднородностей, выполняется корреляционная обработка. Результаты расчетов отображаются на мониторе и сохраняются в файле отчетов.