Методы измерения длины кабеля
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ КАБЕЛЯ
Когда возникает необходимость измерения длины кабеля в бухте, конечно, лучшим способом измерения является перемотка и определение длины прямым методом. Однако этот способ требует наличия перемоточных машин, достаточно большого времени и обслуживающего персонала. Гораздо чаще используют косвенные методы определения длины кабеля.
В настоящее время используются два основных метода:
- DC метод — по измерению сопротивления жилы на постоянном токе
- TDR метод (рефлектометр) — по измерению времени прохождения зондирующего импульса
Рассмотрим основные свойства этих методов, их достоинства и недостатки.
DC метод
В основу метода положен закон Ома в котором сопротивление жилы кабеля пропорционально длине жилы. Или для длины кабеля:
Здесь R — измеренное сопротивление жилы в Омах.
Rpg — погонное сопротивление жилы в Ом/км.
Все было бы хорошо, если бы погонное сопротивление не зависело от множества факторов. В действительности погонное сопротивление зависит от сечения жилы, температуры и химического состава материала жилы.
В общем случае для Rpg можно записать:
Удельное сопротивление ρ материала жилы зависит от химического состава и температуры
ρ20 — удельное сопротивление материала из которого сделана жила при 20 o С — зависит только от материала жилы
α — температурный коэффициент, зависящий тоже от химического состава материала жилы.
Итак, более подробная формула для длины жилы кабеля будет выглядеть так:
Следует отметить, что длина жилы не всегда равна длине кабеля. Если для энергетических кабелей эти величины совпадают, то в кабелях связи применяется скрутка отдельных жил в пары или четверки. Скрутка приводит к тому, что длина жилы становится больше длины кабеля.
Что должен измерять прибор по DC методу?
Конечно сопротивление жилы с максимально возможной точностью.
Так для типичного медного силового кабеля с сечением 9 мм 2 сопротивление 1 метра будет иметь величину порядка 0,002 Ом, Для кабеля с большим сечением сопротивление будет еще меньше. Таким образом, прибор должен иметь разрешение не хуже 0,001 Ом.
Измерение сопротивления с таким разрешением представляет известные трудности.
Во-первых, необходимо обеспечить подключение прибора не вносящее искажение в результат измерения. Решение этой проблемы хорошо известно — это использование так называемого подключения Кельвина или четырехпроводное подключение. Его смысл показан на следующем рисунке:
В этой схеме есть две отдельные цепи: цепь для подачи тока с амперметром и цепь измерения падения напряжения с вольтметром.
Во-вторых, измерение маленького падения напряжения осложняется присутствием термо-ЭДС на контактах. Уменьшить влияние термо-ЭДС на результат можно только двумя способами:
- Выдерживать оба конца кабеля при одинаковой температуре
- Проводить измерение при большом токе
В современных переносных приборах идет борьба за уменьшение потребляемой мощности и измерения обычно проводятся на малых токах. К тому же его величина обычно не приводится в документации на прибор. На наш взгляд этот параметр имеет первостепенное значение, определяющее физические ограничения на метрологические параметры прибора.
TDR метод
Метод основан на посылке короткого зондирующего импульса в кабель и наблюдении отраженного сигнала от конца кабеля:
Метод не применим к кабелям с одной жилой!
Отражение происходит как от открытого, так и от закороченного конца кабеля. Разница будет только в том, что при отражении от закороченного конца импульс переворачивается.
Длина может быть рассчитана по времени τ между моментом начала зондирующего импульса и моментом прихода отраженного, при известной скорости распространения. Скорость распространения определяется геометрией кабеля и свойствами изоляции. Кабели имеющие одинаковую геометрия (сечение жил, толщину изоляции и пр.), но отличающиеся диэлектрической постоянной материала изоляции будут характеризоваться различной скоростью распространения. Заводы — производители кабельной продукции обычно не приводят значение скорости распространения и измерителю необходимо ориентироваться на какие-то значения. Можно найти некоторые справочные материалы, но кабели с одинаковой маркировкой из разных партий могут иметь различные физические свойства.
Скорость распространения традиционно для рефлектометрии задается коэффициентом укорочения КУ = C/V . Здесь C — скорость света в вакууме, V — скорость распространения электромагнитной волны в исследуемом кабеле. Для большинства марок кабелей коэффициент укорочения находится в пределах 1÷3.
Кроме отражения от конца кабеля, зондирующий импульс отражается и от любой неоднородности кабеля.
Прибор, подключенный к кабелю, представляет собой тоже неоднородность. Для устранения паразитного эхо-сигнала служит регулируемая нагрузка СОГЛАСОВАНИЕ.
Что должен измерять прибор по TDR методу?
Время между посылкой зондирующего импульса и началом прихода отраженного эхо-сигнала. На первый взгляд все достаточно просто, но на практике имеются значительные затруднения. Для точного измерения зондирующий сигнал должен иметь длительность в наносекундном диапазоне с очень крутыми фронтами. При распространении вдоль кабеля такой импульс претерпевает значительные искажения. Сильно уменьшается его амплитуда и размазываются фронты.
В таких условиях определение начала эха вызывает значительные трудности. Обычный подход, когда сам прибор определяет начало по превышению некоторого уровня приводит к появлению значительных ошибок.
Вторым осложняющим фактором представляется наличие собственных неоднородностей кабеля.
Реальность такова, что на сегодняшний момент лучший способ определения начала отражения от конца кабеля связан с зорким глазом измерителя. Даже профессиональные рефлектометры для медных кабелей не имеют функций автоматического анализа с точным определением расстояния.
Большинство измерителей длины кабеля отображают информацию на алфавитно-цифровых индикаторах. По нашему мнению качественное измерение длины кабеля возможно лишь при наблюдении графической картинки с возможностью ее растяжки по осям для точного позиционирования измерительного курсора.
Сравнение характеристик приборов
На рынке предлагается несколько моделей приборов для измерения длины кабеля на барабане. В таблице приведены приборы и методы, которые они используют:
| Модель | Производитель | DC метод | TDR метод | Цена и ссылка |
|---|---|---|---|---|
| Unitest 3000 | CH. BEHA GmbH (Германия) | ДА | НЕТ | 24 840 руб http://www.electronpribor.ru |
| Unitest Echometer 3000 | CH. BEHA GmbH (Германия) | НЕТ | ДА | 18 405 руб http://www.electronpribor.ru |
| CLM100B | UEITEST (Канада) | ДА | НЕТ | |
| CLM33 | FINEST (Корея) | ДА | НЕТ | |
| 900 TDR Cable Length Meter | FINEST (Корея) | НЕТ | ДА | |
| MIT710 | MITCHELL INSTRUMENT | ДА | НЕТ | $395.95 http://www.cablelengthmeter.com/cable-length-meter.html |
| KT-96 | Kilter Electronic (Китай) | ДА | НЕТ | |
| Megger TDR900 | MEGGER (Англия) | НЕТ | ДА | $380,00 |
| CableMeter ИРК-ПРО Альфа | СВЯЗЬПРИБОР (Россия) | ДА | ДА | 23 560 руб. с НДС |
Из приведенной таблицы видно, что только в приборе CableMeter (СВЯЗЬПРИБОР) реализованы оба метода одновременно. Продолжим сравнительный анализ более подробно.
DC метод
Измерение расстояния основано на измерении сопротивления. Основные метрологические характеристики определяются параметрами измерения сопротивления с учетом температуры жилы кабеля.
| Модель | Диапазоны Сопротивлений [Ом] | Разрешение [мОм] | Измерительный ток [мА] | Погрешность [%] | Датчик температуры | Индикация температуры |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Unitest 3000 | 0,5÷200 0,5÷2000 | 10 100 | 10 | ±(2% + 5 ед.сч.) | ДА | НЕТ |
| CLM100B | 0÷10 10÷99,99 | 1 | ? | ±(0,5% + 3 ед.сч.) ±(0,5% + 10 ед.сч.) | ДА | НЕТ |
| CLM33 | 0÷65 | 1 | ? | ±(2% + 3 ед.сч.) | ДА | НЕТ |
| MIT710 | 0÷10 10÷99,99 | 1 | ? | ±(0,5% + 3 ед.сч.) ±(0,5% + 10 ед.сч.) | ДА | НЕТ |
| KT-96 | 200 2000 | ? | ? | ? | ДА | НЕТ |
| CableMeter ИРК-ПРО Альфа | 0÷2000 | 1 | 90 | ±(0,1% + 1 ед.сч.) | ДА | ДА |
Далее прибор по измеренному сопротивлению и температуре должен рассчитать длину кабеля. В расчетах необходимо учитывать материал и сечение кабеля. Все приборы позволяют выбирать алюминий или медь. Сечение кабеля может задаваться различными способами. Существует несколько способов определения сечения жилы кабеля:
- AWG (MCM)
- Диаметр [мм]
- Площадь сечения [мм 2 ]
Кроме того, для кабелей с повивом жил наиболее корректно проводить расчеты по погонному сопротивлению. Такая функция полезна и для биметаллических проводов.
В рассмотренных приборах реализованы следующие способы расчета:
| Модель | AWG (MCM) | Диаметр | Сечение | Погонное сопротивление |
|---|---|---|---|---|
| Unitest 3000 | ДА | ДА Из таблицы | ДА Из таблицы | НЕТ |
| CLM100B | ДА | ДА Из таблицы | ДА Из таблицы | НЕТ |
| CLM33 | ДА | ДА Из таблицы | ДА Из таблицы | НЕТ |
| MIT710 | ДА | ДА Из таблицы | ДА Из таблицы | НЕТ |
| KT-96 | ДА | ДА Из таблицы | ДА Из таблицы | НЕТ |
| CableMeter ИРК-ПРО Альфа | ДА | ДА любой* | ДА любой* | ДА* |
* В CableMeter диаметр, сечение или погонное сопротивление вводит пользователь
Удобство работы с прибором во многом определяется полнотой выводимой информации. Все зарубежные приборы имеют схожий внешний вид и вид экрана:
 |
|
На экран выводится следующая информация:
|  |
|
В конструкции прибора CableMeter (СВЯЗЬПРИБОР) используется графический дисплей, что позволяет сделать управление более удобным.
TDR метод
Работа всех рефлектометров основана на посылке в кабель зондирующего сигнала и анализе возвратного эха. Принятый эхо-сигнал обычно сильно ослаблен и искажен по сравнению с зондирующим. На кабелях с большим затуханием эхо-сигнал становится очень малым. Возможность измерения связана с перекрываемым затуханием.
| Модель | Перекрываемое затухание [дБ] | Наблюдение рефлектограммы | Коэффициент укорочения | Диапазон измерения [м] | Разрешение [м] | Точность |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Unitest Echometer 3000 | 6 | НЕТ | Определяется выбранным из таблицы кабелем | 2000 | 0,1 | ±(2% + 3 м) |
| 900 TDR Cable Length Meter | ? | НЕТ | 1,000÷6,999 | 3700 | 0,5 | ±(2% + 0,5м) |
| Megger TDR900 | ? | НЕТ | 1,00÷100 | 3700 | 0,5 | ±(2% + 0,5м) |
| CableMeter ИРК-ПРО Альфа | 80 | ДА | 1,000÷6,999 | 5000 | 0,2 | ±1% |
Конструкция приборов.
| Рефлектометры 900TDR и TDR900 имеют практически одинаковый внешний вид: | Unitest Echometer 3000 выглядит так: |
|---|---|
 |  |
Все рассмотренные рефлектометры имеют числовой вывод результатов измерений, что определяет их относительно низкую стоимость. CableMeter (СВЯЗЬПРИБОР) имеет возможность вывода графической информации, как у значительно более дорогих рефлектометров:
CableMeter (СВЯЗЬПРИБОР)
Источник
