Скорость распространения импульса по кабелю

Скорость распространения импульса по кабелю

Скорость распространения электрических сигналов в кабелях примерно соответствует половине скорости света и почти независима от измеряющей частоты. В длинных телекоммуникационных кабелей с маленькими диаметрами необходимо учитывать также дисперсию. Для определения расстояния до повреждения используется половина скорости распространения (v/2). Это значение зависит от типа и конструкции изоляционного материала и следовательно диэлектрической постоянной ε и скорости света c. Формула [3] показывает эти взаимосвязи.

Общее время прохождения от ближнего до дальнего конца кабеля и назад измеряют в микросекундах. Расстояние до отражения (повреждения) определяется формулой [4].

Некоторые типичные значения v/2 перечислены в таблице 2.

Тип кабеля	v/2	Разброс
A2Y (FL)2Y	95	низко
A2Y (Св.)	100	низко
A02Y (LCo)	116.5	115-118
PMpc	118	110-120
NAKBA	80	77-83
NAYY	78	70-82
NA2XY	85	низко

Таблица 2. значения v/2 в м/мкс

Таблица с пересчётом v/2 на более привычный на постсоветском пространстве коэфициент укорочения
на странице → Коэффициент укорочения кабеля и скорость импульса в кабеле

Значения v/2, перечисленные в этой таблице, не являются константами, и даже в одной заводской партии, могут изменятся. В кабелях с пластмассовой изоляцией изменения в v/2 присутствуют между сердечниками различных цветов.

1.4.1. Дисперсия в кабелях

Дисперсия в телекоммуникационных кабелях зависит от частоты (зависимой групповой задержки) и проявляется как зависимое от длины изменение v/2. Это означает, что контрольный импульс постоянно изменяет скорость во время своего перемещения по кабелю. Например, v/2 диаметра жилы 0.4 уменьшает на 10% от измеренной длины в 30 — 40 нс. Рисунок 2 показывает разброс скорости для различных проводных диаметров.

[4]

Рисунок 2. Дисперсия в телекоммуникационных кабелях

1.5. Кабельное затухание

При использовании импульсного метода с его компонентами высокой частоты в непупинизированных кабелях, используется формула [5] затухания (для ωL ≥ R).

, Нп/км [5]

Для низкочастотного компонента импульса, использоваться формула [6] (для ωL ≥ R):

, Нп/км [6]

Поэтому, омический компонент кабеля определяет затухание таким образом, что при жилах с диаметром 0.4 мм, затухание значительно больше, чем в жилах, например, 1.4 мм. То есть, крайний диапазон измерения импульсного метода в непупинизированном кабеле зависит от диаметра жил. В кабеле с диаметром 0.4 мм максимальным диапазоном приблизительно 2 — 3 км.

1.6. Коэффициент отражения

Любое изменение в однородной структуре приводит к изменению в индуктивности и/или ёмкости, а также в проводимости изоляции G в этой точке и следовательно к изменению в импедансе Z. Эта точка отражения с изменением в характеристическом импедансе отражает часть входящего импульса обратно. Если отражена только часть импульса, то остающийся сигнал движется к следующей точке отражения и возвращается к прибору. Часть отраженного импульсного напряжения определяется как коэффициент отражения r и выражена в процентах. Используются следующие переменные:

r — коэффициент отражения
R_f — сопротивления повреждения
Z — характеристический импеданс кабеля

Для параллельных повреждений, применима формула [7]

, % [7]

То есть, в случае параллельных неоднородностей, отраженный импульс изменяет свою полярность.

Для обрывов, последовательных повреждений или ошибок монтажа, допустима формула [8]:

, % [8]

В этом случае контрольный импульс возвращается с той же полярностью.

1.7. Расположение повреждения

Контрольный импульс, поданный в кабель, доходит до неоднородности с типичной для этого кабеля скоростью распространения и полностью или частично отраженный возвращается в начало линии. Время его прохождения t используется для определения расстояния до повреждения. Определение этого расстояния было описано в формуле [4], использующей следующие термины:

l_x — расстояние отказа
t — время в микросекундах
v/2 — скорость распространения

, м [9]

Важный критерий — время между передними фронтами контрольного импульса и отражённого импульса. В случае длинных кабелей контрольный импульс сглаживается из-за затухания настолько, что его невозможно точно определить. В этом случае используют сравнение с остальными жилами, если таковые доступны.

Таблица с пересчётом v/2 на более привычный на постсоветском пространстве → коэфициент укорочения
на странице → Коэффициент укорочения кабеля и скорость импульса в кабеле

Перевод англоязычного файла
«Basics and Application Of the Pulse-Echo-Method» от SEBA KMT

Далее из презентации, с цветными схемами и примерами рефлектограмм → Коэффициент отражения при импульсном методе

Источник

Скорость распространения импульса по кабелю

В западной литературе и приборах не всегда используется такой параметр как коэффициент укорочения. На западе ввели другое понятие, схожее по смыслу, но не похожее на привычный по приборам Р5-10, ИРК-ПРО-Альфа и РИ-10 коэффициент укорочения. По западным стандартам принято поправку к измерению расстояния импульсным методом пересчитывать через скорость распространения импульса делёное на два (v/2).

Учитывая, что привычный на постсоветском пространстве коэффициент укорочения то же в своей формуле включал эту скорость К_укор = c/V (c — скорость света в вакууме), то не сложно сделать пересчёт

Так как скорость в импортных приборах записана в метрах на микросекунду то скорость света лучше привести к этим же единицам, то есть с = 300 м/мкс. Для перевода параметров к коэффициенту укорочения достаточно параметр v/2 умножить на два и разделить на него скорость света. То есть

Наоборот получить v/2 из коэффициента укорочения можно разделив скорость света (300 м/мкс) на удвоенный коэффициент укорочения.

Пересчёт коэффициентов

Далее приведена таблица с уже пересчитанными парами коэффициент-укорочения — скорость-импульса-на-два. Первоначальные значения коэффициента укорочения, как и все остальные данные кабелей, взяты из инструкции прибора ИРК-ПРО-Альфа (страница → коэффициент укорочения)

Таблица V/2 и коэффициентов укорочения по инструкции к ИРК-ПРО-Альфа

Марка кабеля	Диаметр жил, мм	Коэффициент укорочения	v/2
ЗКП	1,2	1,499	100,0
КМ-4	0,9	1,07	140,1
КС 0.64	0,64	1,52	98,6
КС 0.9	0,9	1,52	98,6
КС 1.2	1,2	1,52	98,6
МКПАБП	1,05	1,52	98,6
МКС	1,2	1,22	122,9
ПР 0.9	0,9	1,47	102,0
ПР 1.2	1,2	1,47	102,0
ТГ 0.4	0,4	1,36	110,2
ТГ 0.5	0,5	1,36	110,2
ТЗ 0.9	0,9	1,34	111,9
ТЗ 1.2	1,2	1,52	98,6
ТП 0.32	0,32	1,52	98,6
ТП 0.4	0,4	1,52	98,6
ТП 0.5	0,5	1,52	98,6
CRQKO	1,2	1,52	98,6

К теме ещё одна таблица с различными кабелями импортного производства, в том числе и силовыми (описание страница → Скорость распространения электрической волны)

Источник

Скорость распространения сигнала (импульса) в проводах.

Проводимость (железо, золото) — не о том, проводимость — это про сопротивление. Сопротивление — это когда электроны бьются головой об атомы кристаллической решётки и часть их энергии уходит в эту самую решётку в виде тепла. Резисторы, короче.

Скорость света — тоже не о том, т.к. скорость света (с отклонениями в разных средах) — это про электромагнитное поле, а ток в проводах — вроде как не электромагнитное поле, а поток перепрыгивающих электронов в сторону их дефицита — то есть, условно говоря, забирают электроны с одного конца проводника и туда начинают ломиться другие с того конца, где их больше (если они там есть). Это ток. Сами электроны в проводах ползут медленно, типа 1мм в секунду, важна передача энергии — т.е. как быстро нехватка электронов на одном конце железки скажется на величине заряда другого конца железки.

Вот такой вопрос. Вбрасывал на разных форумах, везде вызывает бурление говн. Народ пишет, что скорость передачи сигнала по проводам = скорости электромагнитного поля в данном металле.

В медном проводе сигнал передаётся со скоростью около 2/3 скорости света (около 2·10⁸ м/с).

Электроны «прывут» по проводам примерно с 0.1 c. Сигнал же — с c, ибо это именно эл-маг-волна.

как только ты чуть чуть сдвинешь электроны в куске провода, возникшее вследствие нарушения нейтральности электрическое поле тут же сдвинет оставшиеся что бы нейтральность восстановилась. а поле распространяется со скоростью света.

откуда такая цифра? J/e=Snv, пусть J=1A. концентрация свободных электронов в меди n=8.92[г*см^-3]/(63.5[aem]*1.66e-24[г])=8.46e+22[cm^-3], площадь провода S=pi*0.1**2=0.03. v=J/e/n/S=0.002[см/с]

Единственное, что я по этому поводу знаю — надо различать фазовую скорость, и групповую, ибо лишь одна из них может в действительности переносить информацию.

// coaxial velocity factor

Из задворок межушного нервного узла. За верность не ручаюсь. В любом случае электроны — слоупоки, но это не относится к фронту сигнала.

а ток в проводах — вроде как не электромагнитное поле,

именно электромагнитное. Так как прыгающие электроны создают волну, которая потом инициирует другие электроны. Сами электроны движутся со скоростью около 7см/сек, емнип.

Ладно, убедили — всё-таки электромагнитное поле. Электроны-то друг с другом электромагнетизмом связаны )

А электромагнитное поле в вакууме как работает? Ну радиосвязь между землёй и луной, свет тот же.

А электромагнитное поле в вакууме как работает?

дык в этом-то и фишка что для волн нужна среда. Отсюда и выстраивается общая теория относительности и то что мы называем вакуум это не совсем вакуум.

отнюдь нет. скорость около нескольких миллиметров в секунду.

Например, для куска железа длины 1 м и с напряжением 1 вольт будет около 0.5 мм/с

Сами электроны движутся со скоростью около 7см/сек, емнип.

это зависит от величины удельного сопротивления и приложенного электрического поля

дык в этом-то и фишка что для волн нужна среда.

векторное поле сгодится?

Электроны «прывут» по проводам примерно с 0.1 c

Это около 5 КэВ где-то.Отличные провода, бро!

Источник

Тестирование коаксиальных кабелей с помощью импульсного рефлектометра: руководство!

Импульсные рефлектометры издавна применяются для диагностики повреждений (обрывов и коротких замыканий) в медных кабелях: витой паре, коаксиальных, силовых. Они просты в эксплуатации и позволяют точно определить тип неисправности и расстояние до неё. Вместе с тем, часто, из-за непонимания принципов распространения сигнала по кабелю и методики диагностики повреждений, молодые специалисты допускают ошибки в измерениях, что приводит к увеличению времени устранения повреждений. В данной статье детально описан принцип работы импульсного рефлектометра, а также методика проверки коаксиальных кабелей с помощью приборов компании Tempo Communications (США), из которой вы узнаете, как искать такие распространенные неисправности как обрыв или короткое замыкание коаксиального кабеля.

Как распространяется сигнал по медной паре?

Электрический сигнал в виде электромагнитной волны распространяется по медной паре до тех пор, пока не будет обнаружена неравномерность импеданса. Такая неравномерность возникает в местах скрутки жил, их повреждения, попадания воды и др. Изменение характеристик проводника приводит к тому, что часть или вся энергия волны отражается обратно к источнику сигнала. Оставшаяся энергия продолжает перемещаться в первоначальном направлении.

Подобный эффект можно наблюдать и в повседневная жизнь, если крикнуть, находясь перед удаленным объектом, например, горой, стеной дома или кромкой леса. Часть звуковой волны при этом возвращается к источнику, которым в данном случае выступает кричащий, в виде эха (по тому же принципу работает радар).

Значение времени между моментом передачи электромагнитной волны (импульса) и моментом приема его отражения используется для расчета расстояния до точки отражения.

Данные отражения очень нежелательны с точки зрения обеспечения достоверности передачи. Однако они составляют основу работы технологии рефлектометрии (Time Domain Reflectometry или TDR) и обеспечивают возможность изучения графического отображения характеристик тестируемого кабеля.

Отражения сигнала в коаксиальном кабеле

На сетях операторов кабельного телевидения (КТВ) используются коаксиальные кабели, состоящие из внутреннего и внешнего проводников, и диэлектрика между ними. Если с генератора импульсов, имеющего выходное сопротивление, соответствующее входному сопротивлению кабеля (обычно 75 Ом), подать короткий электрический импульс в не имеющий неисправностей кабель, и посмотреть на отраженный сигнал, то можно столкнуться с одним из трех результатов:

1. Несмотря на то, что кабель не имеет неисправностей, рефлектометр увидит конец кабеля (разомкнутый), как одну из двух экстремальных несогласованностей импеданса (т.е. высокий импеданс). В этом случае возникает отраженный импульс той же полярности.
2. При правильной концевой заделке кабеля (на нагрузку с его характеристическим импедансом) отраженного импульса видно не будет. Причина заключается в том, что передаваемый импульс полностью поглощается согласованным сопротивлением. Это означает, что никакая энергия к входу линии не отражается (и, следовательно, не отображается на дисплее рефлектометра).
3. Другим крайним случаем несогласованности импеданса является короткое замыкание. Отраженный импульс имеет обратную полярность относительно подаваемого в кабель импульса.

Значение времени, прошедшего между подачей импульса в кабель и поступлением отраженного импульса (эха), можно преобразовать в расстояние. Для этого должна быть известна скорость распространения импульса в кабеле. Амплитуда отраженного импульса является показателем уровня потерь при распространении (затухания) в кабеле.

Рис. 1 Рефлектограммы коаксиального кабеля

Расчет длины кабеля по времени прохождения импульса

Прежде всего, оговорим разницу между скоростью и коэффициентом распространения (Vp). Скорость распространения – это скорость, с которой перемещается электромагнитная волна (независимо от того, в кабеле или в свободном пространстве). Обычно измеряется в м/мс или м/мкс, или в виде любого другого отношения расстояния ко времени. Коэффициент распространения (Vp) представляет собой отношение скорости перемещения импульса в материале к скорости света в вакууме.

Коэффициент распространения (Vp) играет важную роль в определении времени прохождения от момента подачи тестового импульса до получения его отражения.

Коэффициент распространения (Vp) электромагнитной волны в любом материале всегда ниже, чем в вакууме (C ≈ 300×10 6 м/с, Vp = 1). Это относится и к коаксиальным кабелям:

• V — скорость распространения импульса в кабеле (м/мкс),
• С — скорость в свободном пространстве (300 м/мкс).

Значение Vp отличается для разных кабелей и зависит от их геометрии и используемого диэлектрического материала. Обычно это значение указывается производителем кабеля в технических характеристиках. В ходе эксплуатации кабеля, его старения и наличия в нем неоднородностей, коэффициент распространения немного изменяется. Вместе с тем, зная длину кабеля при помощи современных рефлектометров легко определить Vp.

Для наиболее часто используемых на всех уровнях распределительной сети коаксиальных кабелей значение Vp обычно составляет от 0,7 до 0,9.

Tt — время прохождения между отправлением и получением импульса (м/с),

C — скорость света (C = 300 х 106 м/с),

Vp — коэффициент распространения (всегда меньше 1).

Вывод. Время прохождения (Tt) между моментом передачи тестового импульса и получением рефлектометром отраженного импульса используется для расчета длины кабеля путем преобразования этого значения в расстояние с использованием правильного значения Vp. Длина кабеля при этом удваивается, потому что по кабелю должен пройти не только переданный импульс, но и отраженный. Если время прохождения известно, можно рассчитать длину кабеля L:

T_L — задержка между отправленным тестовым импульсом и полученным отраженным импульсом,

с₀ — скорость света (с₀ = 300 х 10 6 м/с),

v — коэффициент распространения.

Для определения длины кабеля или расстояния до повреждения при помощи большинства современных приборов достаточно правильно установить в меню рефлектометра коэффициент Vp, или выбрать в справочнике кабеля тип кабеля, измерение которого производится.

Длительность импульса рефлектометра

Длительность импульса следует выбирать в зависимости от длины кабеля (L).

Короткие (низкоэнергетические) импульсы проходят только небольшое расстояние, но обеспечивают высокое разрешение, позволяют с высокой точностью определить расстояние до неоднородности.

Для более длинных кабелей необходимы более мощные импульсы, однако разрешение при этом снижается.

Так, например, рефлектометр Tempo CABLESCOUT CS90 позволяет автоматически выбрать оптимальную ширину зондирующего импульса, в зависимости от установленного на рефлектометре диапазона измерений (ориентировочной длины кабеля). Это позволяет упростить работу с прибором и адаптирует его для эксплуатации начинающими специалистами.

Типичная длительность импульса в диапазоне измерений CATV составляет от 1 до 25 нс. С выбранной длительностью импульса также связана мертвая зона рефлектометра. Следовательно, мертвые зоны зависят от длительностей передаваемых импульсов (смотрите уравнение):

Длительность импульса также определяет возможность различения близко расположенных событий (степень их близости). Например, при использовании длительности импульса 25 нс на типовом кабеле с Vp = 0,8 значение расстояния равняется приблизительно шести метрам.

Но если в этом диапазоне можно использовать длительность импульса 1 нс, то при 0,8 расстояние будет равно 0,24 метра. Поэтому для разделения между собой близко расположенных событий следует использовать самый короткий импульс, подходящий для выбранного диапазона тестирования. При использовании автоматического режима (Auto) рефлектометр CS90 будет автоматически регулировать усиление и длительность импульса по мере необходимости, основываясь на значении Vp и удельных потерях в кабеле. Это позволит всегда обеспечивать максимальную детализацию измерений.

Практическое применение рефлектометра CABLESCOUT CS90

Компания Tempo Communications разрабатывала модель CableScout 90 (CS90) как практичный рефлектометр для техников CATV, который, благодаря простоте использования и точности получения результатов измерений, производит очень сильное впечатление при повседневном использовании.

Благодаря небольшим размерам (26 x 16 x 5 см) рефлектометр CS90 в мягком защитном чехле (в котором также найдется место и для зарядного устройства, и для других мелочей) легко поместится в любую сумку для инструментов. Небольшой вес (974 грамма) превращает его в удобное переносное устройство. Полностью заряженного встроенного литиево-ионного аккумулятора хватает на восемь часов работы, то есть на весь рабочий день. Для полной зарядки этого аккумулятора требуется менее четырех часов.

Кнопка питания слегка утоплена, что позволяет избежать непреднамеренного включения инструмента. Если устройство выключается, будучи подключенным к зарядному устройству, на дисплее отображается текущее состояние зарядки.

После нажатия кнопки питания во время загрузки на дисплее на несколько секунд отображается экран приветствия с именем устройства, серийным номером и номером версии. Затем появляется главный экран, на котором можно сделать все настройки и провести все измерения.

Рис. 2 Рефлектометр Tempo CS90

Пригодность рефлектометра Tempo CS90 для повседневного использования достигается за счет простого управления и высокой точности измерений в сочетании с дисплеем, имеющим высокую четкость изображения даже при дневном освещении.

Перед каждым измерением необходимо из списка наиболее часто используемых кабелей выбрать тестируемый кабель или, по крайней мере, один из ближайших к нему. Если в списке нет желаемого кабеля, его можно задать самостоятельно. Для этого необходимо ввести название производителя, обозначение типа кабеля, значение затухания на 100 метров при 500 МГц в дБ, значение PVF и сохранить данные.

Для кабеля «Televes SK2000plus» с затуханием 14 дБ при 500 МГц и значением коэффициента распространения VP = 0,84 это не составило проблем.

После выполнения простых шагов настройки можно начинать измерения на обесточенном кабеле.

Для начальных испытаний использовался 100-метровый барабан Televes SK2000plus, он был выбран в библиотеке кабелей и подключен к гнезду F в верхней части устройства. Затем были проведены три измерения с разомкнутым (обрыв коаксиального кабеля), согласованно подключенным и замкнутым (короткое замыкание коаксиального кабеля) концом кабеля. Результаты измерений оказались такими, как ожидалось.

Рис. 3 – Справочник кабелей в меню рефлектометра CS90

Если измеряемый пользователем кабель отсутствует в списке, можно легко добавить его самостоятельно.

Для настройки конфигурации рефлектометра CS90 доступен обширный экран настройки. Здесь можно повышать или понижать яркость дисплея и переключаться между дневным и ночным режимами, активировать ручной или автоматический режим работы, указывать время автоматического отключения (выбирать 1, 2, 5, 10 минут или выключить эту функцию), переключаться между футами, метрами или наносекундами в качестве единиц измерения, а также устанавливать единицы измерения PVF (0.xxx, xx.x%, м/мкс, фут/мкс).

Испытательный импульс имеет форму полусинусоидальной волны, что позволяет снизить шумы. Те рефлектометры, в которых используются прямоугольные импульсы с широким спектром гармоник, имеют более шумные рефлектограммы, что иногда даже приводит к невозможности их интерпретации.

Длительность импульса 1 нс позволяет обнаруживать события на расстоянии менее метра. Наиболее же длительный импульс 25 нс позволяет обнаруживать события на расстоянии приблизительно до 3 км.

Рис. 4: Важным применением рефлектометра CS90 является предварительное испытание барабана кабеля на соответствие длины и однородность кривой импеданса

Рис. 5 Примеры рефлекттограмм: обрыв коаксиального кабеля, согласованная линия, короткое замыкание коаксиального кабеля

Благодаря отображению на экране одновременно всей линии (в нижней части экрана) и выбранного ее участка около точки курсора (в верхней его части) достигается максимальное удобство чтения рефлектограммы. При этом экран имеет высокую разборчивость даже при ярком солнечном свете, что гарантирует пользователю постоянное понимание того, что происходит с кабелем. Еще одной особенностью данной модели является отсутствие мертвой зоны (нулевая мертвая зона).

Рефлектометр позволяет легко создавать и сохранять в памяти скриншоты документации и эталонных рефлектограмм.

Рис. 6 Меню основных настроек прибора

Все основные настройки прибора находятся также на одном экране.

Заключение

Рефлектометр CABLESCOUT CS90 компании Tempo Communications очень прост в эксплуатации. Он имеет небольшие габариты и вес. Защищен от повреждений при падении благодаря защитным резиновым накладкам. Яркий ЖК экран позволяет комфортно работать как при плохом освещении, так и в условиях яркого солнечного света. А удобное меню и отличные технические характеристики позволят быстро и качественно выполнить все проверки, включая такие распространенные, как поиск короткого замыкания и обрыва коаксиального кабеля.

Источник