Возможности современных рефлектометров

С.Г. ШАРОНИН, сотрудник компании "СвязьКомплект", кандидат технических наук

Среди всех приборов, используемых при диагностике неисправностей кабельных линий, выделяются рефлектометры для кабелей с металлическими жилами (TDR - Time Domain Reflectometer). Наиболее важные факторы их успеха - существенное уменьшение времени поиска неисправностей в кабельных системах и возможность их профилактики. Кроме того, это основной прибор, с помощью которого проводится квалификация выделенных и абонентских линий перед установкой на них оборудования xDSL и ЦСПАЛ.

Принцип действия и возможности рефлектометров

Основной принцип действия рефлектометра аналогичен работе радара. Он подключается к исследуемому кабелю с одной стороны, посылает в него импульсы и фиксирует форму отраженного сигнала (рефлектограмму). Если кабель по всей длине имеет постоянный импеданс и правильно нагружен, то вся энергия рассеивается. Любые же неоднородности импеданса, порожденные дефектами, отражают часть или всю ее обратно к прибору. Причем величина отраженного сигнала пропорциональна отклонению импеданса, т. е. величине дефекта. Следующий этап - обработка результатов, во время которой прибор определяет расстояние до неоднородности, исходя из скорости распространения сигнала в кабеле и времени его прохождения до неоднородности и обратно. Скорость обычно представляется в виде коэффициента, показывающего насколько скорость распространения сигнала в данном кабеле отличается от скорости света, и берется из таблиц или определяется опытным путем. В импортных приборах чаще всего используется "коэффициент скорости", выраженный в процентах (<100), в отечественных - "коэффициент укорочения" (>1).

Среди широко известных классических возможностей рефлектометров можно отметить:

поиск обрывов и коротких замыканий в кабеле;
обнаружение проблем, связанных с чрезмерным затуханием высокочастотного сигнала в линии;
измерение длины и входной контроль кабеля в катушках;
обнаружение скрытых дефектов кабеля (барашков, скруток, деформаций и т. п.);
отыскание некачественных соединений;
диагностика неправильных соединений жил в точках соединений (распарка);
поиск включенных в линию компонентов (пупиновские катушки, аттенюаторы);
обнаружение замокших мест в кабеле;
определение точного места повреждения кабеля при земляных работах;
приемка линий у подрядчиков после монтажа;
поиск недокументированных соединений;
восстановление документации, привязка трассы кабеля к местности;
обнаружение отводов, точек незаконных подключений и "жучков".

Для выполнения перечисленных работ может использоваться любой рефлектометр. Однако точность результатов, достоверность выводов и затраченное на диагностику время в существенной степени зависят от набора дополнительных функций, большая часть которых появилась недавно, и качества их реализации.

Преимущества цифровых рефлектометров

Последние модели рефлектометров построены на основе цифровой обработки сигнала и обладают высокой чувствительностью, разрешающей способностью и дальностью действия. Однако специалисты линейных служб, прежде всего, должны обратить внимание на ряд новых возможностей, которые получили эти приборы.

Так, цифровая фильтрация сигнала позволяет избавиться от помех в диапазоне от 50 Гц до 1 ГГц и незаменима для тех линейных служб, кабели которых находятся вблизи источников сильных электромагнитных помех (например, железнодорожной контактной сети, линий электропередачи или антенных мачт).

Представление результатов в виде цифровых отсчетов измеряемых и вычисляемых величин дает возможность количественно оценивать не только расстояние до дефекта, но и его величину.

Сохранение рефлектограмм в памяти прибора позволяет проводить измерения силами низкоквалифицированного персонала, так как после доставки прибора анализ результатов может выполняться специалистами более высокого уровня. Даже если были заданы неверные исходные данные о кабеле, всегда можно выполнить повторную обработку снятых результатов, уточнив необходимые данные.

Сравнение рефлектограмм и дифференциальный режим могут применяться для поиска "плавающих" дефектов и диагностировать такие сложные, как нарушение повива пар из-за неправильного соединения жил. Однако особую значимость режим сравнения приобрел после того, как появилась возможность длительного хранения рефлектограмм.

Обмен рефлектограммами с компьютером вместе с режимом сравнения предоставили революционные возможности для диагностики кабеля. Теперь для архивации и дальнейшей обработки рефлектограмм можно задействовать средства компьютера. Рефлектограммы загружаются в его память и хранятся в виде файлов. Благодаря специализированным и стандартным программам их можно легко просматривать, распечатывать, масштабировать, сравнивать, накладывать друг на друга или на схему трассы и т. п. В случае необходимости файл может быть передан по электронной почте или факсу (например, для анализа специалисту, находящемуся в другом месте) или загружен в рефлектометр (например, для сравнения с новой рефлектограммой на месте проведения диагностики).

Среди других полезных функций рефлектометров следует особо отметить те, которые позволяют облегчить работу оператора:

ручная и автоматическая (по наиболее существенному дефекту) настройка масштабов по обеим осям;
автоматический поиск дефектов при просмотре рефлектограммы;
определение расстояния между двумя точками (курсорами) на рефлектограмме;
вычисление потерь на отражение сигнала для заданного участка кабеля;
одновременное отображение рефлектограмм для двух витых пар кабеля;
фиксация плавающих и кратковременно проявляющихся дефектов.

Кроме того, использование современной элементной базы обеспечило высокую надежность, малое потребление, длительную автономную работу прибора от аккумулятора. Снижение габаритов и веса (0,4 - 2 кг) позволило создать носимые модели в ударопрочных защищенных корпусах, рассчитанных на работу в любых погодных условиях.

Новые методы диагностики

Рефлектометры с компьютерным интерфейсом позволяют реализовать новый подход к диагностике неисправностей. Появление новых дефектов или усиление влияния старых может быть легко обнаружено путем сравнения текущих результатов и рефлектограммы, извлеченной из архива. Применение этого метода позволяет уверенно определять основной дефект среди большого количества отражений от других неоднородностей. Кроме того, можно организовать комплекс процедур, направленных на планомерное улучшение качества кабельных линий и упрощение диагностики неисправностей:

предварительные операции - сбор и хранение информации в компьютере, составление карт трассы с привязкой к местности посредством графических редакторов;
периодическая профилактика - сбор и хранение информации в компьютере, сопоставление ее с имеющейся, поиск изменений и определение их численных значений, анализ дефектов и их причин, планирование ремонтных работ на основе объективных данных;
диагностика неисправностей - сбор и хранение информации в компьютере, сопоставление ее с имеющейся, поиск изменений и определение их численных значений, определение наиболее существенного изменения и места ремонта на трассе.

Роль субъективного фактора и его преодоление

Несмотря на то, что рефлектометр дает большие возможности, успех его использования напрямую зависит от опыта и приемов работы оператора. С сожалением приходится отмечать, что опыт большинства специалистов базируется на применении давно устаревшего рефлектометра Р5-10. Отсюда и устоявшееся мнение о трудностях использования рефлектометров в России. В числе аргументов фигурируют и большое число соединений, и вставки из кабелей другого типа, и низкое качество кабеля (разнородная изоляция, разная скрутка, различное сечение жил), и даже отсутствие документации на линейные сооружения.

Подобные рассуждения порождены слабым знанием возможностей современных рефлектометров. Именно поэтому основным препятствием на пути широкого их внедрения являются не затраты на приобретение, а субъективный фактор. Сказанное подтверждено опытом общения с линейным персоналом, проходящим переподготовку в ИПК при МТУСИ, и в ходе учебных демонстраций рефлектометров, которые компания "СвязьКомплект" проводит у различных операторов. Этот же опыт показывает, что отрицательное предубеждение исчезает, как только пользователю становится понятно, что технология диагностики современных рефлектометров существенно отличается от той, которая применялась в Р5-10. Однако это можно почувствовать, лишь пользуясь правильно выбранным профессиональным прибором, а также пройдя обучение и освоив все приемы диагностики, которые он позволяет реализовать на практике.

Как не ошибиться, выбирая рефлектометр

Парк используемых рефлектометров постоянно растет. Увеличивается и предложение этих приборов на российском рынке, на котором сегодня представлено свыше десятка импортных и отечественных моделей с различными функциональными наборами, конструктивным исполнением и стоимостью.

Цены на рефлектометры, предназначенные для работы на витой паре или коаксиале средней и большой дальности, лежат в диапазоне от 1500 до 5000 долл. США (необходимо отметить, что в расчет не принимались недорогие приборы, стоимостью от 300 долл., для работы на шлейфах структурированных кабельных систем и абонентской проводке зданий). Такой разброс определяется в основном диагностическими свойствами прибора: техническими характеристиками и набором функций.

Поскольку выпускаемые рефлектометры постоянно совершенствуются, то мы не будем рассматривать конкретные модели, а уделим внимание советам по их выбору. Зачастую пользователь теряется в разнообразии параметров и возможностей рефлектометров и очень часто совершает ошибку, покупая в целях экономии средств приборы, позволяющие реализовать только прямой поиск неисправности - диагностика по рефлектограмме. Такие приборы могут использоваться опытным оператором в условиях удовлетворительного состояния кабельного хозяйства и документации на него. В противном случае необходимо обращать внимание на приборы, реализующие метод сравнения и имеющие компьютерный интерфейс.

Потенциальные покупатели могут выбирать рефлектометры, основываясь на различиях в их технических характеристиках. Прежде всего, для диагностики неисправностей пригодны приборы только с графическим дисплеем и соответствующим типу кабеля входом (витая пара, коаксиал или оба).

С точки зрения прямого поиска повреждения особую важность имеют две характеристики. Во-первых, это максимальное расстояние до места повреждения, на котором оно еще может быть четко обнаружено. И, во-вторых, та точность, с которой повреждение будет выявляться.

Ключевыми параметрами, определяющими возможности рефлектометра с точки зрения максимального расстояния и точности выявления повреждения, являются амплитуда и длительность импульса, а также чувствительность усилителя. Короткие импульсы позволяют обнаружить повреждение, находящееся близко к точке подключения рефлектометра, и обеспечивают хорошую разрешающую способность поиска. Более длительные импульсы дают возможность определить повреждения, находящиеся на большем удалении, но при низкой разрешающей способности. Идеально, если прибор позволяет задавать длительность импульса в пределах от 2 до 6000 нс. Предельную дальность действия определяет чувствительность рефлектометра, однако она редко нормируется производителями.

Точность поиска места повреждения в подавляющем большинстве случаев ограничена наличием информации о проверяемом кабеле, а не точностью и разрешающей способностью дискретизации, обеспечиваемой рефлектометром. Во-первых, коэффициент распространения импульса может быть известен с точностью до нескольких процентов и меняется с изменением температуры. Ошибка в 1 % при установке коэффициента распространения импульса приводит к ошибке в 1 % при определении расстояния. Во-вторых, физическое положение проложенного кабеля и ограниченная точность информации о трассе его прохождения в свою очередь накладывают определенные ограничения на способность пользователя найти на реальном кабеле ту точку, которая указана рефлектометром в качестве места повреждения.

Для снижения уровня помех при высоком усилении некоторые производители предлагают различные алгоритмы цифровой фильтрации, позволяющие эффективно снизить шумы. Однако при этом они имеют и отрицательную сторону в виде замедления скорости регенерации изображения на дисплее. В ряде приборов имеются аналоговые фильтры низких частот, которые могут использоваться для устранения высокочастотных помех на изображении без влияния на скорость его регенерации на дисплее.

Другие важные характеристики - пределы измерения (максимальное и минимальное расстояние) и изменение масштаба. Эти параметры должны соответствовать выполняемым работам. Применение масштабирования имеет ограничения, поэтому практическую ценность имеют уровни х4 или х8.

Как упоминалось выше, основные преимущества достигаются при использовании приборов с расширенным функциональным набором. Прибор, максимально соответствующий требованиям сегодняшнего дня, обязательно должен иметь два канала, режим сравнения, дифференциальный режим, цифровой отсчет по dBRL, память (минимум 16 рефлектограмм) и, главное, компьютерный интерфейс. Такой рефлектометр не только полностью обеспечит сегодняшние потребности, но и позволит создать базу для квалификации и санации абонентских шлейфов под развертывание xDSL-оборудования.

Каждая кабельная линия, как и живой организм, обладает индивидуальными особенностями (тип и качество кабеля, его состояние, число соединений и т.п.), совокупность которых определяет ее параметры. Сотни мелких дефектов вносят свой вклад в итоговую ее характеристику. Причем среди них один или несколько играют главную роль и определяют работоспособность линии. Один из самых сложных моментов в диагностике неисправностей кабельных линий - поиск таких дефектов среди всех имеющихся. Не менее сложен и важен поиск дефектов, которые с течением времени увеличиваются. Решить эту проблему с помощью классических измерительных мостов емкости или сопротивления невозможно или чрезвычайно трудно. Рефлектометру же эта работа по плечу.