Аппаратура и методы поиска дефектов кабельных сетей

 

Мостовой метод аналогичен соответствующему методу измерения активного сопротивления. Схема четырехплечного моста переменного тока приведена на рисунке 4. В качестве указателя равновесия (индикатора нуля И) могут использоваться осциллографы, вибрационные гальванометры и др.

Условие равновесия моста в этом случае записывается в комплексной форме: Zx Z2 = Z Z1, где сопротивления плеч Zi в общем случае представляют собой комплексные сопротивления вида Zi = Ri + j Xi .

 

Рис. 2

Если в двух смежных плечах включены активные сопротивления, то в двух других смежных плечах должны быть обязательно сопротивления одного характера – индуктивности, или емкости (рис. 5). Если активные сопротивления включены в противоположные плечи, то в два других противоположных плеча необходимо включить разные по характеру сопротивления: в одно плечо – индуктивность, в другое – емкость (рис 1)[9].

На рисунке 5 приведена мостовая схема для измерения емкости с использованием параллельной схемы замещения реального конденсатора. В качестве эталонного конденсатора C1 обычно используется воздушный конденсатор с малыми потерями. В этом случае условие равновесия моста (1) запишется в виде:

 

 

 

Рис. 4                                          Рис. 5

Разделив вещественную и мнимую части (напомним, если равны два выражения, то можно приравнять их вещественные и мнимые части), получим выражения для емкости конденсатора и его активного сопротивления:

,

 

Тангенс угла потерь определяется выражением:

 

Уравновешивание моста производят поочередным изменением сопротивления R1 и емкости C1. Для расширения пределов измерения изменяют отношение R/R2.

Рассмотрим использование метода баллистического гальванометра. Баллистическими называют чувствительные гальванометры, у которых период собственных колебаний рамки очень большой. В баллистическом режиме может работать любой прибор магнитоэлектрической системы, если ток в цепи прибора протекает в течение времени, во много раз меньшего периода собственных колебаний его подвижной рамки. При разряде конденсатора через баллистический гальванометр отброс стрелки гальванометра пропорционален протекающему через него заряду. Проведем следующий эксперимент. Зарядим конденсатор до напряжения U и, разрядив его через гальванометр, заметим величину отброса стрелки (рис. 6а). Повторим опыт, увеличивая напряжение в 2, 3 и т.д. раз. Каждый раз отношение напряжения к числу делений, на которые отклонялась стрелка, будет величиной постоянной. Затем, не изменяя напряжения, проведем эксперимент с конденсаторами емкостью C, 2С, 3С и т.д. Обнаружим, что отношение емкости конденсатора к числу делений, на которые отклонилась стрелка, тоже величина постоянная.

Баллистическая постоянная гальванометра - это отношение заряда q, протекшего через рамку гальванометра, к числу делений n, на которое отклонилась стрелка: k = q/n. Для определения баллистической постоянной несколько раз проводят опыт с конденсаторами известной емкости. Заряд конденсатора рассчитывается по формуле q = CU, где q - заряд на одной из обкладок конденсатора, C - емкость конденсатора, а U - напряжение между обкладками конденсатора. Тогда k = CU/n. Из нескольких опытов при различных напряжениях между обкладками конденсатора и различных значениях емкости определяют среднее значение баллистической постоянной гальванометра.

Рис. 6

 

Затем включают в цепь конденсатор неизвестной емкости и повторяют опыт. Зная баллистическую постоянную и число делений, на которое отклонилась стрелка гальванометра, определяют емкость: Cx = kn/U.

Для измерения емкости можно использовать любой прибор магнитоэлектрической системы при условии, что произведение емкости конденсатора на внутреннее сопротивление прибора будет значительно меньше периода собственных колебаний стрелки прибора. В этом случае конденсатор полностью разряжается за время, много меньшее периода собственных колебаний, и изменение сопротивления резистора, включенного последовательно с гальванометром, никак не влияет на отброс стрелки гальванометра.

Широко применяется способ измерения емкости конденсатора по величине среднего значения силы разрядного тока измеряемого конденсатора, периодически перезаряжаемого с частотой f (рис. 6б).

При замкнутых контактах ключа SA1 исследуемый конденсатор C заряжается по цепи: плюс источника питания, полупроводниковый диод VD1, замкнутые контакты ключа, минус источника. При разомкнутом ключе ток разрядки конденсатора протекает по цепи: правая обкладка конденсатора, микроамперметр, резистор, R1, левая обкладка конденсатора. Диод VD1 (германиевый) выбирают так, чтобы напряжение на нем в прямом направлении было как можно меньше, тогда ток зарядки, протекающий через микроамперметр, очень мал. В некоторых устройствах для исключения тока зарядки конденсатора через микроамперметр последовательно с микроамперметром включают дополнительно диод, через который будет протекать ток разрядки конденсатора.

Время замкнутого и разомкнутого состояния ключа обычно выбирают равным. Постоянная времени RC разрядной цепи выбирается значительно меньше времени, в течение которого контакты ключа замкнуты, следовательно, конденсатор успевает полностью разрядиться. Заряд конденсатора определятся по формуле q = C⋅U, а сила разрядного тока конденсатора I = q⋅f=C⋅U⋅f, где f – частота включения и выключения ключа. В качестве ключа обычно используется ключ на биполярном транзисторе.

Рис. 7

Одной из разновидностей резонансного метода измерения емкости конденсаторов является метод с использованием двух генераторов высокой частоты (рис. 7). В колебательном контуре второго генератора высокой частоты используется эталонный конденсатор переменной емкости, а в колебательный контур первого генератора высокой частоты входит исследуемый конденсатор. Колебания высокой частоты с первого и второго генераторов подаются на смеситель, на выходе которого получаются колебания разностной частоты. Пройдя через фильтр и усилитель низкой частоты, колебания подаются на индикаторы нулевых биений. Индикаторы нулевых биений позволяют определить равенство частот колебаний первого и второго генераторов. В качестве индикаторов нулевых биений достаточно часто используют одновременно головные телефоны и стрелочные измерительные приборы. Такой принцип работы имеет прибор Е12-1. Значение емкости измеряемого конденсатора определяется по специальной шкале.

Емкость электролитических конденсаторов (такие конденсаторы имеют значительную емкость) можно достаточно просто определить по времени разряда до напряжения 0,367U0 (рис. 3.17а), где U0 – напряжение, до которого был первоначально заряжен конденсатор. Напряжение на конденсаторе при его разрядке изменяется по закону: , где Uc – напряжение на конденсаторе в момент времени t при условии, что при t=0 конденсатор был заряжен до напряжения U0 и начал разряжаться через резистор сопротивлением R. Если выбрать время разрядки конденсатора равным RC, то за это время напряжение между обкладками конденсатора уменьшится до 0,367U0. Зная сопротивление цепи, через которую разряжался конденсатор, и экспериментально определив время Δt его разрядки до напряжения 0,367U0, определим емкость конденсатора по формуле: С=Δt/R.

Рис. 8

Для проведения опыта собирают электрическую цепь по схеме рисунка 8б. При замыкании ключа конденсатор заряжается до напряжения U0. Измеряют время с момента размыкания ключа до момента установления на конденсаторе напряжения 0,367 U0. Сопротивление резистора R подбирается экспериментально, чтобы время разряда было 5-15 секунд (удобное для снятия показаний вольтметра). Если сопротивление резистора R много меньше внутреннего сопротивления вольтметра, то внутреннее сопротивление вольтметра можно не учитывать. В противном случае при подстановке в формулу для расчета емкости сначала рассчитывается общее сопротивление параллельно соединенных резистора и вольтметра[9].

Были произведены вычисления погонного коэффициента. Измерена емкость кабелей различной длины: 1м, 2м, 3м, 4м, 5м, 10м, 20м и 30м. Расчеты были произведены исходя из того, что емкость 1метра кабеля равна 45 pF. Результаты приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

UTP-5 длина 1 метр
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
45 pF	0
UTP-5 длина 2 метра
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
78 pF	-12
UTP-5 длина 3 метра
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
144 pF	+9
UTP-5 длина 4 метра
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
180 pF	0
UTP-5 длина 5 метров
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
225 pF	0
UTP-5 длина 10 метров
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
450 pF	0
UTP-5 длина 20 метров
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
900 pF	0
UTP-5 длина 30 метров
Емкость кабеля	Погонный коэффициент
1350 pF	0

 

 

2.1. Постановки задачи разработки прибора

Уже существующий прибор измерителя емкости Мастер С, описанный в журнале «Радио», выпуск №1, 2002 года был взят за прототип, на базе которого была разработана схема электрическая принципиальная прибора для определения расстояния до обрыва емкостным методом. Структурная схема прибора изображена на рисунке 9.

Рис. 9. Структурная схема прибора

Измеряемая емкость Cx подключается к генератору импульсов измерительного периода (ГИП). Период генерируемых импульсов пропорционален Cx. Они непрерывно поступают на формирователь импульсов управления счетом. По сигналу разрешения, который вырабатывается каждые 0,8 … 1,0 секунд генератором цикла, формирователь импульсов управления выдает одиночный импульс, длительность которого равна одному периоду импульсов на выходе ГИП[4].

По переднему фронту этого импульса формирователь импульса сброса устанавливает счетчик – цифровой индикатор в нулевое состояние. Кроме того импульс управления поступает на ключ и разрешает прохождение тактовых импульсов на вход счетчика. Эти импульсы вырабатываются генератором тактовых импульсов (ГТИ). Их частота на каждом пределе измерения выбрана такой, что за время действия импульса управления на счетчик поступает количество импульсов, равное численному значению измеряемой емкости в соответствующих единицах: пикофарадах на пределе (pF), нанофарадах на пределе (nF) и микрофарадах на пределе(mF).

Так как к измеряемой емкости на входе ГИП всегда добавляется паразитная входная емкость самого прибора, на вход счетчика поступают импульсы, количество которых численно равно сумме этих емкостей. В данной конструкции входная емкость составляет 10 … 12 pF. Чтобы на пределе pF счетчик показывал истинное значение, длительность импульса сброса выбрана такой, чтобы счетчик не реагировал на некоторое количество первых импульсов, число которых соответствует паразитной входной емкости прибора[4].

 

2.2. Описание схемы  прототипа прибора

Принципиальная схема прототипа показана на рисунке 10. ГИП представляет собой мультивибратор на основе триггера Шмитта, состоящий из элементов DD 1.3 и транзисторов VT1 и VT2. Он служит для преобразования значения измеряемой емкости во временной интервал. Диоды VD1, VD2, резистор R9, и предохранитель FU1 защищают прибор от повреждения при подключении ко входу заряженного конденсатора. Конденсатор C7 и резистор R10 улучшают линейность показаний при измерении малых емкостей на пределе. Транзисторы VT1 и VT2 служат для усиления выхода триггера Шмитта, что улучшает его работу на пределе. Конденсатор C10 ограничивает частоту импульсов на выходе микросхемы DD1.3 на пределе в те моменты, когда измеряемый конденсатор ко входу не подключен. Конденсатор C9 выполняет аналогичные функции на пределе, но его основная задача – снижение уровня наводки на входе DD1.3 от импульсов ГТИ на пределе. ГТИ собран на элементе DD1.1 период его колебаний на пределе определяется емкостью конденсатора C3 и сопротивлением резисторов R1, R6[16].

Генератор цикла представляет собой мультивибратор на элементе DD1.2. он вырабатывает импульсы, определяющие время между циклами измерений. 

 

Рис. 10. Принципиальная схема прототипа

Триггеры DD2.1 и DD2.2 образуют формирователь импульсов управления, служащий для выработки импульса. Формирователь импульса сброса собран на транзисторе VT3.

Ключ на элементе DD1.4 служит для выдачи на счетчик DD3 – DD6 импульсов тактового генератора в течении времени, равного длительности импульса управления. Формирователь импульса сброса собран на транзисторе VT3. Длительность импульса сброса устанавливается подстроечным резистором R11 и выбирается такой, чтобы электронный счетчик не реагировал на первые 10 – 12 импульсов счета на пределе pF[23].