Компенсация импульса

Компенсация импульса

В соответствии с назначением, применяемые в эксперименте усилители можно условно разделить на два основных типа: временные и спектрометрические или линейные.

Временные (быстрые) усилители

Временные усилители служат для извлечения прецизионной временной информации о регистрируемых событиях в наносекундном и субнаносекундном диапазонах, а также для счета событий с высокой частотой следования. Временные усилители должны хорошо передавать короткие фронты сигналов от предусилителей и соответственно обладать широкой полосой пропускания (до 10 8 -10 9 Гц). Однако, желательно, чтобы полоса пропускания усилителя не была избыточна, т.к. в этом случае не улучшив временные характеристики, будет ухудшено отношение сигнал/шум. Длительность импульсов быстрых усилителей обычно меньше 20 нс. Таким образом, возможен счет событий со средней частотой в несколько МГц всего с

10% потерями на мертвое время. Коэффициент усиления временных усилителей обычно не превышает 100-200. Во временных усилителях может быть предусмотрена возможность формирования импульсов. Они обычно используются с ФЭУ и кремниевыми детекторами заряженных частиц. Для получения временной информации при работе с германиевыми детекторами обычно используются быстрые усилители без формирования импульсов. Соответственно длительность выходных импульсов в таких усилителях определяется предшествующей электроникой и детектором.

Спектрометрические (линейные) усилители

Спектрометрические усилители используются при амплитудном анализе сигналов. Одна из функций спектрометрических усилителей — линейное увеличение амплитуд выходных сигналов предусилителей, которые находятся в диапазоне милливольт, до диапазона 0.1-10 В, в котором работают АЦП. Коэффициенты усиления спектрометрических усилителей обычно бывают до нескольких тысяч. Кроме того, спектрометрические усилители должны иметь хорошую линейность ( -1 без ухудшения разрешения и до

90000 с -1 с небольшим его ухудшением.

Фильтрация шумов

Простая дифференцирующая CR-цепочка является фильтром высоких частот. При прохождении сигнала через дифференцирующую цепочку ослабляются его низкочастотные составляющие. Интегрирующая RC-цепочка является фильтром низких частот. При прохождении сигнала через интегрирующую цепочку ослабляются его высокочастотные составляющие. (Отметим, что дифференцирование и интегрирование в электронных цепях не эквивалентно соответствующим математическим операциям, хотя и является их грубым приближением.) Дифференцирование и интегрирование сигналов применяется в усилителях для улучшения отношения сигнал/шум. Обычно постоянные времени дифференцирующих τ d и интегрирующих τ i цепей выбираются одинаковыми τ d = τi = τ. На рис. 1. показана форма выходного сигнала после CR-RC фильтра.

Компоненты суммарного шума имеют различные спектральные распределения. Для одних спектральная плотность растет с ростом частоты, для других, наоборот, уменьшается, для третьих — постоянна. Минимальные шумы достигаются при постоянной времени CR-RC фильтра τ, когда вклады, зависящих от частоты компонентов, равны (см. рис 2). Оптимальная постоянная времени зависит от характеристик детектора, предусилителя и формирующих цепей усилителя. Для кремниевых детекторов заряженных частиц оптимальная постоянная времени 0.5-1 мкс. Для германиевых и Si(Li) детекторов она заметно больше (6-20 мкс). Понятно, что оптимальная для шумовых характеристик спектрометра постоянная времени фильтра будет ограничивать его загрузочные характеристики. Улучшение последних достигается ценой ухудшения разрешения.
В таблице приведены сравнительные характеристики шумовых свойств различных фильтров нормированные на отношение сигнал/шум для теоретически оптимального фильтра, который имеет экспоненциальные передний и задний фронты и точечную вершину. Аналоговым формированием оптимальный фильтр не реализуется.

Таблица 1. Относительные шумовые характеристики различных способов формирования импульсов

Рассмотрим различные способы формирования сигналов в спектрометрических усилителях.

Усилители с формированием квазигауссового сигнала

Сигнал квазигауссовой формы можно получить однократным дифференцированием и многократным интегрированием CR + (RC) n . При увеличении количества интегрирований сигнал приобретает все более симметричную колоколобразную форму, близкую к кривой Гаусса. В современных усилителях вместо простых CR-RC цепочек используют более сложные схемы.
Для интегрирования используют так называемые активные фильтры, выполненные на операционных усилителях (рис. 3). Использование активных фильтров позволяет сократить количество секций интегрирования.
На рис. 4. показана упрощенная схема усилителя с активными фильтрами.

Хотя спектрометрические свойства усилителей с формированием однополярных сигналов квазигауссовой формы близки к оптимальным, обычно в них также предусмотрена возможность получения биполярных сигналов (см. рис. 5), в частности, для получения временной информации.

Рис. 6. Выходные сигналы усилителя:
а) квазигауссовой формы, б) квазитреугольной формы. Оба сигнала сформированы с одинаковыми постоянными времени.

С помощью активных фильтров можно также получать сигналы с формой, приближенной к треугольной с почти линейным нарастанием (рис. 6). Сигнал формируется в результате сложения сигналов от нескольких интегрирующих секций с соответствующими весами. Такое формирование позволяет получить несколько лучшее отношение сигнал/шум, чем в случае сигналов гауссовой формы, правда, слегка большей длительности. Кроме того, снижается чувствительность амплитуды выходных импульсов ко времени сбора зарядов в детекторе.

Компенсация полюса нулем

В результате прохождения сигнала от предусилителя с длинным экспоненциальным «хвостом» через простую CR-RC цепочку возникает заметный выброс противоположного знака. (Спектрометрические усилители, как правило, работают с положительными импульсами. Выбросы соответственно отрицательные.) При средних и высоких загрузках заметная часть импульсов «садится» на «хвосты» предшествующих импульсов. Что приводит к случайному уменьшению их амплитуды и, соответственно к ухудшению энергетического разрешения.
Для устранения этого эффекта применяются схемы компенсации полюса нулем (Pole-Zero Cancellation) (рис. 7).
Регулировка производится следующим образом. К выходу усилителя подключается осциллограф, у которого установлено максимальное усиление. Входные сигналы усилитель получает от сборки — радиоактивный источник + детектор + предусилитель. Использовать генератор импульсов для имитации сигналов детектора в данном случае нельзя. Наблюдая в осциллографе выходные сигналы усилителя и, регулируя потенциометр Rpz, нужно убрать отрицательный выброс. При этом необходимо следить, чтобы не произошла перекомпенсация, т.е. не появился положительный «хвост». Компенсацию полюса нулем необходимо производить для каждой конкретной связки предусилитель + усилитель.

Восстановление базовой линии

В высококачественном усилителе в основном используется связь по постоянному току, за исключением может быть только дифференцирующей схемы, расположенной вблизи его входа. Любое соединение через конденсатор приводит к смещению базовой линии так, чтобы площадь импульсов над ней и под ней были равны. Это смещение зависит от частоты следования импульсов и их амплитудного распределения. Статистический характер распределения времени появления сигналов приводит к флуктуациям этого смещения. В результате небольшое смещение базового уровня после прохождения усилительных секций может вызвать большое и нестабильное смещение базового уровня на выходе усилителя. А это в свою очередь может привести к ухудшению энергетического разрешения спектрометра.
Смещение базового уровня можно сильно уменьшить, используя биполярные сигналы. Оптимальными для этого являются импульсы с одинаковыми площадями и равными длительностями положительных и отрицательных частей сигнала. Однако использование биполярных сигналов ведет к ухудшению отношения сигнал/шум и увеличению наложений импульсов из-за увеличения длительности сигналов.
Самым простым решением восстановления базового уровня является использования диода. Однако диоды не позволяют свести смещение до незначительного уровня. В частности потому, что происходит выпрямление шумов. Это создает дополнительное смещение базового уровня.

Современные спектрометрические усилители обычно содержат специальные цепи восстановления базового уровня. На рис. 8 проиллюстрирован принцип работы таких цепей. В простой цепи восстановления постоянного уровня ключ S1 всегда замкнут и он работает как CR дифференцирующая цепочка. Базовый уровень между импульсами восстанавливается до потенциала земли с помощью сопротивления RBLR. Для того чтобы не ухудшить отношение сигнал/шум, постоянная времени CBLR RBLR должна быть, по крайней мере, в 50 раз больше постоянной времени усилителя. Такое восстановление базового уровня не позволяет достаточно хорошо поддерживать базовый уровень под потенциалом земли при высоких скоростях счета. В нем площадь сигнала над потенциалом земли такая же, как площадь сигнала ниже потенциала земли. При низких скоростях счета время между импульсами существенно больше длительности импульсов и базовый уровень практически под потенциалом земли. При увеличении скорости счета базовый уровень понижается, и тем больше, чем больше скорость счета.
Лучшими характеристиками обладают стробируемые устройства восстановления базового уровня. В них ключ S1 разомкнут во время прохождения импульса и замкнут, при его отсутствии. Таким образом, дифференцирование работает только во время между импульсами. Стабильность восстановления базового уровня зависит от способности цепей, замыкающих и размыкающих ключ S1, определять наличие или отсутствие импульса. В простейших цепях такого рода используется пороговое устройство (дискриминатор), порог срабатывания которого вручную устанавливается немного выше уровня шумов. В более сложных устройствах уровень шума и наличие импульса определяется автоматически.

Формирование на линиях задержки

Лучше всего усилители с формированием на линиях задержки приспособлены для сцинтилляционных детекторов. Имея хорошие временные характеристики, они в этом случае практически не ухудшают спектрометрические характеристики (отношение сигнал/шум) измерительных систем, которые в данном случае в основном определяются статистикой световыхода сцинтиллятора и электронного умножения в ФЭУ. Однако когда в основном интересует временная или счетная информация, усилители с формированием на линиях задержки могут использоваться и с другими детекторами. Можно сказать, что усилители с формированием на линиях задержки занимают промежуточное положение между быстрыми и спектрометрическими усилителями.
Импульс предусилителя складывается с инвертированным и задержанным импульсом. Так как задний фронт сигнала предусилителя имеет гораздо большую длительность, чем передний, за время задержки его уровень не успевает заметно измениться и на выходе получается прямоугольный импульс с длительностью равной времени распространения сигнала в линии задержки. Величину сопротивления 2RD (см. рис. 9) можно немного регулировать, чтобы скомпенсировать потери амплитуды задержанного импульса в линии задержки. При должной регулировке задний фронт выходного импульса не будет иметь отрицательного выброса. Основное преимущество формирования на линии задержки заключается в том, что выходные импульсы имеют прямоугольную форму с короткими передними и задними фронтами. Задний фронт — зеркальное отражение переднего фронта. Для предотвращения наложений сигналов такое формирование близко к идеальному. Каскадированием двух цепей формирования можно получить биполярный сигнал с положительной и отрицательной частями одинаковой амплитуды и длительности. Таким образом, можно устранить смещение базовой линии на переходных емкостях, правда, ценой удвоения длительности сигналов и соответственно обострения проблемы их наложения. Кроме того, биполярные сигналы можно использовать для временной привязки.
С полупроводниковыми и сцинтилляционными детекторами, передние фронты импульсов которых лежат в наносекундном диапазоне, в качестве линий задержки используют обычные кабели с

Читайте так же:  Как писать заявление для поступления в вуз

5 нс/м. Для ионизационных камер и пропорциональных счетчиков со временем сбора электронной компоненты, находящейся в микросекундном диапазоне, используют специальные кабели или искусственные линии задержки.

Усилители с формированием сигналов с помощью стробируемого интегратора

Время сбора заряда в германиевых детекторах гамма-квантов зависит от места, где произошло взаимодействие. Время сбора в небольших детекторах варьируется в диапазоне от 100 до 200 нс. В больших детекторах — от 200 до 700 нс. В результате длительность передних фронтов выходных импульсов предусилителя варьируется в этих же диапазонах. Это сказывается на величинах амплитуд выходных импульсов усилителя с квазигауссовым формированием импульсов и приводит к ухудшению энергетического разрешения спектрометра. Чем длиннее передний фронт выходного сигнала предусилителя, тем меньше амплитуда выходного сигнала усилителя. Это так называемый баллистический дефект (ballistic deficit). Для постоянных времени фильтров усилителя в диапазоне в диапазоне 6 — 10 мкс этот эффект мал, так как длительность выходных сигналов усилителя много больше, чем максимальное время сбора зарядов в детекторе. Однако при измерениях с большими загрузками приходится использовать меньшие постоянные времени. При использовании постоянных времени

Пока отсутствует импульс с предварительного фильтра, ключ S1 разомкнут, а ключ S2 замкнут, таким образом выход стробируемого интегратора заземлен. Когда появляется импульс с предварительного фильтра, ключ S1 замыкается, а ключ S2 размыкается, и сигнал с предварительного фильтра интегрируется на емкости С1. Время интегрирования устанавливается таким же, как длительность самого длинного импульса предварительного фильтра. Таким образом, амплитуда импульсов на выходе усилителя не зависит от длительности переднего фронта импульса предусилителя. В конце периода интегрирования ключ S1 размыкается, а ключ S2 замыкается. Выходной сигнал быстро возвращается к базовому уровню.
В реальных усилителях вместо формирования на линии задержки в предварительном фильтре используются активные RC-фильтры. Формы импульсов реального усилителя показаны на рис. 12.
Усилители с формированием сигналов с помощью стробируемого интегратора имеют хорошие шумовые характеристики сравнимые с характеристиками усилителей с квазигауссовым формированием, и, в тоже время, они позволяют работать при высоких загрузках.

Цифровые процессоры сигналов

В связи с успехами микроэлектроники появилась возможность цифровой обработки сигналов, которая позволяет более полно, по сравнению с аналоговой обработкой, использовать потенциал детекторных систем.
Задача цифровой обработки сигнала — как можно более раннее (в идеале сразу после предусилителя или ФЭУ) преобразование сигнала детектора в цифровой поток данных без потери содержащейся в нем информации. Цифровые данные далее могут запоминаться в кольцевом буфере и извлекаться оттуда для обработки в программируемой логической матрице. В принципе многие параметры, которые традиционно извлекаются с помощью аналоговой электроники, могут быть получены при использовании различных алгоритмов цифровой обработки. В частности могут быть получены энергия, время, координаты, параметры идентификации частиц. Цифровая обработка сигналов позволяет использовать оптимальные фильтры и сложные алгоритмы, учитывающие специфические свойства детекторных систем, извлекать информацию, которую сложно или вообще невозможно получить с помощью аналоговых систем. Так как данные оцифровываются на раннем этапе, информация меньше искажается за счет шумов и наводок. Кроме того, цифровая обработка допускает работу при более высоких загрузках и позволяет уменьшить или совсем устранить мертвое время. Наконец, использование цифровой обработки делает аппаратуру гораздо более компактной, что немаловажно в установках для физики высоких энергий, где задействованы тысячи различных детекторов.

Рассмотрим цифровую обработку сигналов при амплитудном (энергетическом) анализе. Аналоговые сигналы предусилителя оцифровываются быстрым параллельным АЦП так, что их существенные параметры преобразуются в поток чисел. Далее аппаратным образом производятся цифровые преобразования, аналогичные тем, что производятся в аналоговых усилителях (компенсация полюса нулем, высоко- и низкочастотная фильтрация и т.д.). Цифровая фильтрация позволяет получить результаты, недостижимые при аналоговой фильтрации. Например, плоскую вершину (рис. 13), которая позволяет компенсировать баллистический дефект. А в случае, когда он несущественен, сделать вершину точечной. Эта форма идеального фильтра с максимальным отношением сигнал/шум.

На рис. 14 и 15 сравниваются характеристики двух спектрометров. В одном из них используется аналоговая обработка сигналов, а в другом — цифровая. В том и другом случае оптимизировались характеристики для достижения максимальной скорости регистрации. В аналоговом спектрометре был использован усилитель со стробируемым интегратором с постоянной времени фильтров 0.25 мкс и АЦП с поразрядным взвешиванием и мертвым временем 0.9 мкс. В цифровом процессоре использовался трапецеидальный фильтр со временем нарастания переднего фронта 0.72 мкс и плоской вершиной с длительностью 0.68 мкс. Видно, что цифровой процессор позволяет достичь заметно большую максимальную скорость регистрации, чем аналоговая система. При этом энергетическое разрешение цифровой системы вполне сравнимо с энергетическим разрешением аналоговой системы. При оптимизации по шумовым свойствам, цифровые системы позволяют получить даже лучшее, чем у аналоговых спектрометров отношение сигнал/шум во всем диапазоне входных загрузок, позволяя при этом заметно большую скорость регистрации.
Цифровые системы по сравнению с аналоговыми также имеют лучшую температурную стабильность, что может оказаться критическим при длительных измерениях.

Компенсация момента импульса от винта

Тема раздела Самолеты с ДВС. Общие вопросы в категории Cамолёты — ДВС; Суть проблемы: на модельке схемы моноплан размахом 1500мм и САХ230мм с плечом оперения

300мм и двигателем G34 при резкой даче .

Компенсация момента импульса от винта

300мм и двигателем G34 при резкой даче ручкой «на себя» модель делает нечто вроде «вход в штопор на полной скорости с переворотом через крыло», т.е. приподнимает нос вверх и вправо, резко теряя при этом скорость, и опускает нос с затем уже нисходящей полубочкой . При более плавном движении ручки выполняется спиральная петля с отклонением оси полета вправо по ходу движения. При выполнении резкой обратной петли подобного срыва не наблюдается хотя петля получается заметно спиральной.
Корректировать удалось только триммированием на

5 град. руля поворота влево. При этом нормальный полет происходит боком
Круток и несоосностей в модели нет, проверялось уже раз 10. Двигатель отклонен только вниз на 2.0 град.
Я нашел только одно объяснение- недостаточная скомпенсированность момента импульса винта. Так ли это и что можно сделать? В плане теории и опыта я уже далеко не чайник, но с подобным столкнулся первый раз.

МЕТОД ОТРАЖЕННЫХ ИМПУЛЬСОВ — Кабельная измерительная и поисковая техника для металлических и оптических кабелей. Разработка и производство.

МЕТОД ОТРАЖЕННЫХ ИМПУЛЬСОВ (Импульсная рефлектометрия)

Николай Александрович Тарасов, канд. тех. наук

Введение

Точному определению места повреждения в линиях связи и электропередачи, которое производится трассовыми методами, должна предшествовать предварительная его локализация методом импульсной рефлектометрии.

Метод импульсной рефлектометрии позволяет определить зону повреждения (в пределах погрешности измерения) и применить отдельные трассовые методы обнаружения только на небольших участках трассы, что позволяет существенно сократить время точного определения места дефекта.

Основными видами повреждений в кабельных линиях электропередачи и связи являются: короткие замыкания и обрывы, появление утечки между жилами или между жилой и экраном (броней), увеличение продольного сопротивления.

Причин возникновения повреждений много: механические повреждения, например при проведении земляных работ, старение изоляции, нарушение изоляции от воздействия влаги и т.п.

Перед проведением измерений методом импульсной рефлектометрии необходимо проверить участок кабельной линии омметром или мегоометром.

Однако такая проверка может быть недостаточной. Например, после воздействия мегоометром на кабель, имеющий растрескавшуюся изоляцию с попавшей влагой, может произойти подсушивание места дефекта. При этом показания мегоометра соответствуют как бы исправному кабелю (сотни и тысячи МОм).

После выявления дефектных линий (жил, фаз) мегоомметром переходят к предварительному определению места повреждения методом импульсной рефлектометрии.

Сущность метода импульсной рефлектометрии

Метод импульсной рефлектометрии, называемый также методом отраженных импульсов или локационным методом, базируется на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных системах (линиях и кабелях) связи.

Приборы, реализующие указанный метод, называются импульсными рефлектометрами.

Сущность метода импульсной рефлектометрии заключается в выполнении следующих операций:

1. Зондировании кабеля (двухпроводной линии) импульсами напряжения.

2. Приеме импульсов, отраженных от места повреждения и неоднородностей волнового сопротивления.

3. Выделении отражений от места повреждений на фоне помех (случайных и отражений от неоднородностей линий).

Читайте так же:  Погашение ипотеки после развода

4. Определении расстояния до повреждения по временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего.

Упрощенная структурная схема импульсного рефлектометра приведена на рисунке.

С генератора импульсов зондирующие импульсы подаются в линию.

Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, в котором производятся необходимые преобразования над ними

С выхода приемника преобразованные сигналы поступают на графический индикатор.

Все блоки импульсного рефлектометра функционируют по сигналам блока управления.

На графическом индикаторе рефлектометра воспроизводится рефлектограмма линии — реакция линии на зондирующий импульс.

Образование рефлектограммы линии легко проследить по диаграмме, приведенной на рисунке ниже. Здесь осью ординат является ось расстояния, а осью абсцисс — ось времени.

В левой части рисунка показана кабельная линия с муфтой и коротким замыканием, а в нижней части — рефлектограмма этой кабельной линии.

Анализируя рефлектограмму линии, оператор получает информацию о наличии или отсутствии в ней повреждений и неоднородностей.

Например, по приведенной выше рефлектограмме можно сделать несколько выводов.

1. На рефлектограмме кроме зондирующего импульса есть только два отражения: отражение от муфты и отражение от короткого замыкания. Это свидетельствует о хорошей однородности линии от начала до муфты и от муфты до короткого замыкания.

2. Выходное сопротивление рефлектометра согласовано с волновым сопротивлением линии, так как переотраженные сигналы, которые при отсутствии согласования располагаются на двойном расстоянии, отсутствуют.

3. Повреждение имеет вид короткого замыкания, так как отраженный от него сигнал изменил полярность.

4. Короткое замыкание полное, так как после отражения от него других отражений нет.

5. Линия имеет большое затухание, так как амплитуда отражения от короткого замыкания много меньше, чем амплитуда зондирующего сигнала.

Если выходное сопротивление рефлектометра не согласовано с волновым сопротивлением линии, то в моменты времени 2* tм, 4* tм и т.д. будут наблюдаться переотраженные сигналы от муфты, убывающие по амплитуде, а в моменты времени 2* tх, 4*tх и т.д. — переотражения от места короткого замыкания.

Основную сложность и трудоемкость при методе отраженных импульсов представляет выделение отражения от места повреждения на фоне помех.

Метод импульсной рефлектометрии базируется на физическом свойстве бесконечно длинной однородной линии, согласно которому отношение между напряжением и током введенной в линию электромагнитной волны одинаково в любой точке линии.

W = U/I

имеет размерность сопротивления и называется волновым сопротивлением линии.

При использовании метода импульсной рефлектометрии в линию посылают зондирующий импульс и измеряют интервал tх — время двойного пробега этого импульса до места повреждения (неоднородности волнового сопротивления).

Расстояние до места повреждения рассчитывают по выражению:

Lx = tx*V/2 ,

где V — скорость распространения импульса в линии.

Отношение амплитуды отраженного импульса Uо к амплитуде зондирующего импульса Uз обозначают коэффициентом отражения Котр:

Котр = Uo/Uз = (W1 — W) / (W1 + W),

где: W — волновое сопротивление линии до места повреждения (неоднородности),

W1 — волновое сопротивление линии в месте повреждения (неоднородности).

Отраженный сигнал появляется в тех местах линии, где волновое сопротивление отклоняется от своего среднего значения: у муфт, у мест изменения сечения жилы, у мест сжатия кабеля, у места обрыва, короткого замыкания и т.д.

Если выходное сопротивление импульсного рефлектометра отличается от волнового сопротивления измеряемой линии, то в месте подключения рефлектометра к линии возникают переотражения.

Переотражения — это отражения от входного сопротивления рефлектометра отраженных сигналов, которые пришли к месту подключения рефлектометра из линии. Выходное и входное сопротивления рефлектометра, как правило, равны между собой.

В зависимости от соотношения входного сопротивления рефлектометра и волнового сопротивления линии изменяется полярность и амплитуда переотражений, которая может оказаться соизмеримой с амплитудой отражений. Поэтому перед измерением рефлектометром обязательно нужно выполнить операцию согласования выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии.

Примеры рефлектограммы линии без согласования выходного сопротивление с линией и с согласованием приведены на рисунках:

При распространении вдоль линии импульсный сигнал затухает, то есть уменьшается по амплитуде.

Затухание линии определяется ее геометрической конструкцией и выбором материалов для проводников и изоляции и является частотно-зависимым.

Следствием частотной зависимости является изменение зондирующих импульсов при их распространении по линии: изменяется не только амплитуда, но и форма импульса — длительности фронта и среза импульса увеличиваются («расплывание” импульса).

Чем длиннее линия, тем больше “расплывание” и меньше амплитуда импульса. Это затрудняет точное определение расстояния до повреждения.

Примеры рефлектограмм линий без затухания (идеальная линия) и с затуханием показаны на рисунке.

Для более точного измерения необходимо правильно, в соответствии с длиной и частотной характеристикой затухания линии, выбирать параметры зондирующего импульса в рефлектометре.

Критерием правильного выбора является минимальное «расплывание» и максимальная амплитуда отраженного сигнала.

Если при подключенной линии на рефлектограмме наблюдается только зондирующий импульс, а отраженные сигналы отсутствуют, то это свидетельствует о точном согласовании выходного сопротивления рефлектометра с волновым сопротивлением линии, отсутствии повреждений и наличии на конце линии нагрузки равной волновому сопротивлению линии.

Вид отраженного сигнала зависит от характера повреждения или неоднородности.

Например, при обрыве отраженный импульс имеет ту же полярность, что и зондирующий, а при коротком замыкании отраженный импульс меняет полярность.

В идеальном случае, когда отражение от повреждения полное и затухание отсутствует, амплитуда отраженного сигнала равна амплитуде зондирующего импульса.

Рассмотрим два случая эквивалентных схем повреждений, которые наиболее часто встречаются на практике: шунтирующая утечка и продольное сопротивление.

Пусть место повреждения линии представляет собой шунтирующую утечку Rш:

С изменением сопротивления утечки от нуля (соответствует короткому замыканию) до бесконечности (соответствует исправной линии), при положительном зондирующем импульсе отраженный импульс имеет отрицательную полярность и изменяется по амплитуде от максимального значения до нулевого, в соответствии с выражением:

Котр= (W1 — W) / (W1 + W) = — W / (W+2*Rш),

где: Rш — сопротивление шунтирующей утечки,

W1 — волновое сопротивление линии в месте повреждения, определяется выражением:

W1 = (W*R ш) / (W + Rш)

Так, например, при коротком замыкании (Rш = 0) получаем: Котр = -1. В этом случае сигнал отражается полностью с изменением полярности.

При отсутствии шунтирующей нагрузки (Rш = бесконечности ) имеем: Котр = 0. Сигнал не отражается вообще.

При изменении Rш от 0 до бесконечности амплитуда отраженного сигнала уменьшается от максимального значения до нулевого, сохраняя отрицательную полярность (см. рисунок).

Если эквивалентная схема места повреждения линии имеет вид включения продольного сопротивления (например, нарушение спайки или скрутки жилы),

то с изменением величины продольного сопротивления отраженный импульс изменяется по амплитуде, оставаясь той же полярности что и зондирующий импульс.

Выражение для коэффициента отражения при наличии включения продольного сопротивления будет иметь вид:

Котр = (W1 — W) / (W1 + W) = 1 / (1 + 2 * W / Rп),

где: Rп — продольное сопротивление,

W1 — волновое сопротивление линии в месте включения продольного повреждения, определяемое выражением:

W1 = Rп + W

В случае обрыва жилы (Rп = бесконечности) получаем коэффициент отражения: Котр = 1.

Это означает, что сигнал отражается полностью без изменения полярности.

При нулевом значении продольного сопротивления (Rп= 0) имеем: Котр = 0. Сигнал не отражается вообще.

При изменении Rп от бесконечности до 0 отраженный сигнал уменьшается по амплитуде от максимального значения до нулевого, без изменения полярности (см. рисунок).

Виды зондирующих сигналов

В рефлектометрах для определения мест повреждения линий применяются в основном два вида зондирующих импульсов: короткий видеоимпульс и перепад напряжения.

Иногда используется суперпозиция видеоимпульса и перепада напряжения, например в приборе Р5-13.

1. Короткий видеоимпульс

Короткий видеоимпульс представляет импульс напряжения малой длительности, которая выбирается много меньше (в 10. 100 раз) времени распространения импульса по линии.

Выбор длительности может производиться вручную или автоматически, в зависимости от диапазона измеряемых расстояний.

При зондировании линии короткими видеоимпульсами наблюдаются отражения от начала и конца распределенных неоднородностей, поэтому такое зондирование используется для поиска локальных повреждений и крупных сосредоточенных неоднородностей волнового сопротивления.

Короткий зондирующий импульс обеспечивает высокую разрешающую способность, которая определяется его длительностью.

Разрешающая способность — это минимальное расстояние между двумя неоднородностями волнового сопротивления при котором отраженные от них сигналы еще наблюдаются как отдельные сигналы.

На рисунке отраженные от двух неоднородностей импульсы еще наблюдаются раздельно.

Длительность зондирующего видеоимпульса влияет на разрешающую способность рефлектометра — чем она меньше, тем выше разрешающая способность рефлектометра.

В тоже время, при уменьшении длительности зондирующих сигналов возрастает их затухание.

Следует иметь в виду, что для линий с одинаковой длиной более высокая разрешающая способность может быть получена на более высокочастотной линии (см. рисунок).

Зондирующие сигналы в виде коротких видеоимпульсов нашли применение во многих отечественных рефлектометрах относительно низкочастотных и высокочастотных диапазонов (Р5-5, Р5-8, Р5-9, Р5-10,Р5-13, Р5-17, К6Р-5, РЕЙС-105Р, РЕЙС-105М, РЕЙС-45, РЕЙС-50, РЕЙС-105М1, РЕЙС-205, РЕЙС-305, РЕЙС-405, СТЭЛЛ-4500), предназначенных для определения мест повреждения и неоднородностей волнового сопротивления в линиях связи, электропередачи, контроля и управления различных типов.

2. Перапад напряжения

Перепад напряжения — это зондирующий импульс такой длительности, которая больше чем время распространения импульса по линии.

При зондировании линии таким широким импульсом (“перепадом”) наблюдается профиль изменения волнового сопротивления вдоль линии. Поэтому такое зондирование может использоваться не только для измерения расстояния и величины неоднородности, но и при наличии в линии следующих друг за другом нескольких протяженных неоднородностей волнового сопротивления или его плавного изменения вдоль линии.

Читайте так же:  Пособие при рождениииребенка

При прочих равных условиях, в частности при одинаковых длительностях фронтов зондирующих импульсов, разрешающая способность при измерении перепадом напряжения вдвое лучше, чем при измерении видеоимпульсом. Эта разрешающая способность определяется длительностью фронта «перепада».

Пример рефлектограммы линии с утечкой при зондировании «перепадам» напряжения показан на рисунке.

Зондирующие импульсы в виде перепада напряжения нашли применение в рефлектометрах СВЧ диапазона (Р5-11, Р5-12, Р5-15, СК7-18), используемых для анализа однородности антенных систем, волноводных трактов и т. д.

Коэффициент укорочения электромагнитных волн

Зондирующие импульсы распространяются в кабельных линиях по определенным волновым каналам, определяемым режимом включения «жила — жила», «жила — оболочка» и другие варианты.

Импульсный сигнал распространяется в линии с определенной скоростью, которая зависит от типа диэлектрика и определяется выражением:

где с — скорость света,

g — коэффициент укорочения электромагнитной волны в линии,

e — диэлектрическая проницаемость материала изоляции кабеля.

Коэффициент укорочения показывает во сколько раз скорость распространения импульса в линии меньше скорости распространения в воздухе.

В любом рефлектометре перед измерением расстояния нужно установить коэффициент укорочения. Точность измерения расстояния до места повреждения зависит от правильной установки коэффициента укорочения.

Величина g является справочной только для радиочастотных кабелей, для других типов кабелей не нормируется. Коэффициент укорочения можно определить импульсным рефлектометром по кабелю известной длины.

Для многожильных и многопарных кабелей коэффициент укорочения, волновое сопротивление и затухание различны для каждого варианта включения, поэтому рекомендуются включения рефлектометра независимо от типа повреждения по схеме «жила — жила».

При повреждении одной из жил можно использовать схему включения «поврежденная жила — неповрежденная жила».

Включение рефлектометра по схеме «жила — оболочка» позволяет выявить поврежденную жилу методом сравнения.

При измерениях на воздушных линиях электропередачи с горизонтальным расположением проводов рефлектометр следует подключать по схеме «средний провод — крайний провод» или «средний провод — земля».

Помехи импульсной рефлектометрии и борьба с ними

По соотношению величин отражения от повреждения и напряжения помех все отражения можно разделить на простые и сложные.

Простое повреждение — это такое повреждение кабельной линии, при котором амплитуда отражения от места повреждения больше амплитуды помех.

Сложное повреждение — это такое повреждение, для которого амплитуда отражения от места повреждения меньше или равна амплитуде помех.

По источникам возникновения помехи бывают асинхронные (аддитивные) и синхронные.

Асинхронные помехи не связаны с зондирующим сигналом и неоднородностями кабельной линии и вызваны наводками от соседних кабельных линий, от оборудования, транспорта и различной аппаратуры.

Пример рефлектограммы кабельной линии с асинхронными помехами показан на рисунке.

На рефлектограмме асинхронные помехи полностью закрывают отражение от повреждения. Это отражение практически невозможно рассмотреть на фоне помех.

Эффективными методами отстройки от асинхронных помех являются аналоговая фильтрация и цифровое накопление сигнала.

Аналоговая фильтрация применялась в основном в аналоговых рефлектометрах, таких как Р5-10 и Р5-13.

Сущность цифрового накопления заключается в том, что одну и туже рефлектограмму считывают несколько раз и вычисляют среднее значение.

В связи с тем, что асинхронные помехи носят случайный характер, после цифрового накопления их уровень значительно снижается.

Пример предыдущей рефлектограммы линии, «очищенной» в результате цифрового накопления рефлектометром РЕЙС-105Р (РЕЙС-105М, РЕЙС-105М1), приведен на рисунке.

На этой рефлектограмме можно легко выделить сигнал, отраженный от места утечки.

Синхронные помехи связаны с зондирующим сигналом и являются отражениями зондирующего сигнала от неоднородностей волнового сопротивления линии (отражения от кабельных муфт, ответвлений, кабельных вставок, неоднородностей кабельных линий технологического характера и др.).

Основная масса кабельных линий (кроме кабелей связи) не предназначены для передачи коротких импульсных сигналов, используемых при методе импульсной рефлектометрии. Поэтому этим кабельным линиям присуще большое количество синхронных помех.

Пример рефлектограммы кабельной линии с синхронными помехами показан на рисунке.

Синхронные помехи можно существенно уменьшить посредством сравнения или дифференциального анализа.

При сравнении накладывают рефлектограммы двух линий (неповрежденной и поврежденной), проложенных по одной трассе.

Наложение двух рефлектограмм позволяет быстро обнаружить начальную точку их различия, по которой и определяют расстояние L до повреждения.

При дифференциальном анализе рефлектограммы поврежденной и неповрежденной линий вычитают, как показано на рисунке ниже.

Из рисунка видно, что при вычитании все синхронные помехи компенсируются. По разностной рефлектограмме легко обнаружить отражение от места повреждения и определить расстояние L до него.

Сравнение и дифференциальный анализ рефлектограмм легко реализуется в рефлектометрах РЕЙС-105Р, РЕЙС-105М, РЕЙС-45, РЕЙС-50, РЕЙС-105М1, РЕЙС-205, РЕЙС-305, РЕЙС-405, СТЭЛЛ-4500.

Наилучшие результатов от сравнения и вычитания удается получить при использовании в качестве исправной линии жилы или кабельной пары того же кабеля.

При измерении кабельной линии методом импульсной рефлектометрии асинхронные и синхронные помехи присутствуют на рефлектограмме одновременно.

Асинхронные помехи (кроме помех импульсного характера), как правило, имеют одинаковые величины, независимо от того, с какого конца кабельной линии ведется измерение рефлектометром.

Синхронные помехи при измерении с разных концов кабеля имеют различную величину, в зависимости от многих факторов: длины кабельной линии, затухания импульсных сигналов, удаленности места повреждения и мест неоднородностей волнового сопротивления кабельной линии, точности согласования выходного сопротивления импульсного рефлектометра с волновым сопротивлением линии и других факторов.

Поэтому отраженный сигнал от одной и той же неоднородности может иметь различные величины при измерении с разных концов линии.

Если хотя бы предположительно известно, к какому концу кабельной линии ближе может быть расположено место повреждения, то для измерений нужно выбирать именно этот конец кабельной линии.

В других случаях желательно проводить измерения последовательно с двух концов кабельной линии.

Следует учитывать, что даже такие повреждения как «короткое замыкание» и «обрыв», дающие максимальные отражения зондирующего сигнала, не всегда можно легко обнаружить на фоне помех.

Например при большом затухании и больших неоднородностях волнового сопротивления линии амплитуда отражения от удаленного повреждений типа “короткое замыкание” или “обрыв” зачастую бывает меньше, чем отражения от близко расположенных неоднородностей волнового сопротивления.

Поэтому такие повреждения являются сложным для обнаружения.

Рефлектограмма кабельной линии со сложным повреждением показана на рисунке.

Выводы

Метод импульсной рефлектометрии удобен для практического использования, так как для измерения импульсным рефлектометром достаточно доступа к линии с одного конца.

Импульсные рефлектометры позволяют определить расстояние до места повреждения линии при любом характере повреждения (обрыв, короткое замыкание, утечка, продольное сопротивление и т.д.).

Результаты, достигаемые при измерениях импульсным рефлектометром, зависят от его возможностей по отстройке от помех.

Метод импульсной рефлектометрии позволяет достигнуть более высокой точности измерений расстояния до места повреждения по сравнению с другими методами (например, по сравнению с мостовым): 1% — для аналоговых импульсных рефлектометров и 0,1. 0,2% — для цифровых рефлектометров.

За счет хороших технических характеристик и широких функциональных возможностей широкое распространение в практике кабельных измерений линий связи и силовых линий получили приборы «Портативные цифровые рефлектометры РЕЙС-105Р, РЕЙС-105М, РЕЙС-105М1», «Мини-рефлектометры РЕЙС-45″, измерители длины кабеля РЕЙС-50 ,»Цифровые рефлектометры РЕЙС-205» , «Рефлектометры РЕЙС-305», «Компьютерные рефлектометры РЕЙС-405» и «Компьютерные системы предварительной локации кабельных повреждений СТЭЛЛ-4500» разработки и производства фирмы СТЭЛЛ, г.Брянск, Россия.

Другие статьи:

  • Русинова нотариус Нотариус Ижевск Русинова Эльвира Юрьевна Адрес нотариальной конторы: 426057, Удмуртская Республика, г. Ижевск, Первомайский район, ул. Пастухова, 13. Телефон: +7 (3412) 51-40-08 Режим работы: понедельник—пятница с 9.00 до 17.00, суббота с 9.00 до 13.00. Обед с […]
  • Ногинск органы опеки Управление опеки и попечительства по Ногинскому району, г.о. Черноголовка и Электросталь Проезд (Ногинск): м. Партизанская авт. № 322, 382, 384 «Москва-Ногинск» или м. Курская электропоезд «Москва-Ногинск» или «Москва-Захарово», далее авт. №5, 35, 25, марш. такси […]
  • 258 приказ о связи Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций РФ от 20 октября 2015 г. № 412 "О внесении изменений в приказ Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 26 августа 2014 года № 258 «Об утверждении требований к порядку ввода сетей […]
  • Приказ 55н от 27042012 Приказ Минфина РФ от 27 апреля 2012 г. N 55н "О внесении изменений в нормативные правовые акты по бухгалтерскому учету" Приказ Минфина РФ от 27 апреля 2012 г. N 55н"О внесении изменений в нормативные правовые акты по бухгалтерскому учету" В целях упрощения […]
  • Развод при наличии несовершеннолетних детей исковое заявление Заявление на развод. Образец заявления на о расторжении брака Заявление на развод пишется в случае расторжения брака между супругами. Куда подавать заявление на развод При решении вопроса о расторжении брака возникает вопрос: где подать заявление на развод? Оно […]
  • Суд мировой нефтеюганск Судебный участок № 3 Нефтеюганского судебного района Понедельник-четверг 08:30-17:30, пятница-08:30-12:30 Прием граждан и документов работниками аппарата мирового судьи осуществляется в течение Среда: с 10:00-12:00 кабинет 24 (по вопросам деятельности судебного […]
  • Деньги под залог недвижимости тюмень Кредиты в Тюмени под залог недвижимости Список из 19 банков, выдающие кредиты под залог недвижимости в Тюмени, в том числе 33 варианта под залог квартиры. Условия самого выгодного кредита с минимальным процентом — в Россельхозбанке от 10% до 1 000 000 ₽ для […]