книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

Схема включения частичных расчетных емкостей в звездной экранированной четверке показана на рис. 7.4. Если к жилам 1 и 2 приложено напряжение С/12, то на жилах 3 и 4 появится напряжение помехи С/34:

^34«^i2^i/(4C 2p); k L»(С 13 + С24)-(С 14+С 23), (7.32)

где к х— коэффициент емкостной связи между первой и второй цепью; С2р— рабочая емкость второй цепи.

Влияния между первой и второй цепью и искусственной цепью в четверке оцениваются коэффициентами к2 и к3:

	ki~(Ci3 4"^ 14)	(^24 4~ ^ 23)4” ^i/^>	(7.33)
	к3»(С 13 + С23)—(С14 + С24)+ г2/2.		(7-34)
Здесь
ei~ C io	^ 20» е2= C3Q—С40;	^3= (Qo4-C20)—(С30 + С40),(7.35)
где еъ— коэффициент асимметрии искусственной			цепи.

Если оцениваются связи между цепями в двух неэкранированных четверках, то число коэффициентов связи ра­

вно 12.	обозначения:	1Х— первая	цепь первой	четверки;
Введем
/ 2— первая	цепь второй	четверки; 11х— вторая цепь первой
четверки; II2— вторая цепь второй			четверки; Цх и	U2— ис­

кусственные цепи первой и второй четверок. Значения коэф­

фициентов к	приведены		ниже:
Цепь	h 4h	h lU i	I I J U ,	U J U 2	I J U 2	I I J U 2
к	к г	^2	*3	К	^5	k6
Цепь	U J h	u j i h	h i h	h U h	a j h	H1/II2
к	*7	к*	k9	k\o		k l2

Для всех этих коэффициентов можно получить приближен­ ные соотношения, аналогичные (7.3) и (7.4). Измерения произ­ водятся с помощью измерителя емкостной асимметрии иди автоматических устройств. Схемы измерений приведены на рис. 7.5 —7.7.

Перед измерениями по этим схемам сначала производится симметрирование измерителя связей без подключения кабеля. При этом дифференциальный конденсатор С0 устанавливают на нуль изменением соотношения емкостей Са и Сь и при всех положениях переключателя емкостных коэффициентов производится установка минимума индикатора равновесия Р с помощью соответствующих подстроечных конденсаторов.

При равновесии моста рис. 7.5 справедливо соотношение

c ,3 + ca	c 23+ ct или	с и - с 14+ с ._ с 2, - с 24+с^ (
^ 1 4	С24	с 14	С24

71

Рис. 7.5. Схема измерения емкост-	Рис. 7.6. Схема	измерения емкостной
ной связи ki	асимметрии	в четверке (к2 и к 3)

Так как разница С14—С24 мала по сравнению с самими величинами С14 и С24, получим приближенное равенство

(С13 —CJ4)—(С23 —С24)« Сь—Са = .

Если измерения производятся на коротких отрезках кабелей, то С14 и С24 малы и для повышения точности измерений параллельно С14, С13, С23, С24 подключаются дополнительные одинаковые конденсаторы.

При измерениях по схеме рис. 7.7 жилы смежных цепей в четверке подключают к средней точке дифференциального трансформатора. Плечи трансформатора имеют малое со­ противление и жилы смежных четверок получают потенциал, близкий по значению потенциалу жил измеряемой пары. Вследствие этого исключается влияние смежной цепи на результаты измерения асимметрии измеряемой цепи.

Рис. 7.7. Схема измерений коэффици­ ентов еи ег, еъ

72

К зажиму земля (0 в схемах) подключают металлическую оболочку и экраны в кабеле. При точных измерениях жилы всех элементов кабеля, не участвующих в измерениях, должны быть заземлены. При приближенных измерениях эти жилы оставляют свободными.

При измерениях кл— к 12 к прибору подключают две четверки, а схему соединения жил изменяют с помощью специального комбинированного переключателя.

Система подключения жил 1— 4 при измерениях к2, к3, еи е2 ->еъ показана в табл. 7.1. При измерении отрезков кабеля достаточно большой длины необходима также компенсация активной составляющей токов в схемах. Для этого использу­

ются	сопротивления R x и			R2.
		Т а б л и ц а 7.2.	Система	подключения	жил	на рис. 7.6	и 7.7
Точки	на	схемах	Номер жилы, подключаемой к			точкам Л, В, С, D
		к2		кг		е2	*3
	А	1		3	1	3	1,2
	В	2		4	2	4	3,4
	С	3		1	3	1	—
	D	4		2	4	2

7.3. ИЗМЕРЕНИЕ ВТОРИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЕЙ

ПРИ ЧАСТОТАХ ДО 250 МГц

Волновое сопротивление и коэффициент распространения определяют путем измерения полного входного сопротивления короткозамкнутой и разомкнутой линии. Расчет ZBи у произ­ водится по (7.13) и (7.14). Первичные параметры рассчитыва­ ются по (7.21). Модуль волнового сопротивления и коэф­ фициенты затухания и фазы можно определить путем измере­ ния характеристик резонансных отрезков линий. Затухание в линиях можно определить путем сравнения затухания в линии и в калиброванном магазине затуханий, а также путем непосредственного измерения напряжения в начале и в конце линии.

Полное сопротивление измеряют мостовыми методами.

При частоте 0,3 до 300 кГц применяется		мост полных	про­
водимостей, схема которого приведена на		рис. 7.8. Трансфор­
маторы в схеме	моста выполняют роль балансных		плеч
с отношением 1:1.	Если Zx имеет отрицательный угол <р		(ем­

костный характер), то магазин емкостей С подключается, как показано на схеме. Если угол <р положительный, то емкость С включается параллельно Zx. Перед включением Zx произ­ водится первоначальная балансировка моста (установка на нуль). При равновесии моста удовлетворяются равенства

73

Рис. 7.8. Схема моста полных про­					при	частотах 10— 30 МГц
водимостей			тивлений
l/Zx=G4-ycoC;			tg<p= co C/G;		|Z x| = coscp/G.			(7.37)
Наилучшие	результаты достигаются				при		измерениях цепи
с затуханием от 2 до			10 дБ.	Разность			уровней	между
генератором	и	индикатором		при	полной балансировке
должна быть	не	менее	80—90 дБ. При			измерении		симмет­

ричных Z x заземляют точки 1 и 2, а несимметричных— точки

3 и 4.

При частотах до 10 и 30 МГц применяются соответственно мосты Е10-3 и Е10-2, предназначенные для измерения комплексных сопротивлений, один из концов которых заземлен. Схема этих мостов приведена на рис. 7.9. В приборе Е10-3 при измерении сопротивлений с положительным углом

ср магазин	емкостей С подключается параллельно Zx,
а в приборе	Е10-2 параллельно Z x подключена параллельная

емкость Са. Первоначальная балансировка моста производится в этом случае при максимальном значении С с помощью регулировки Са.

В диапазоне частот 20— 150 МГц применяется прибор Е10-4, схема которого приведена на рис. 7.10. Первая балансировка производится при замкнутых зажимах 1— 1 с помощью Са и Ср. Вторая балансировка производится при подключенном

Zx=Rx+jti>Lx. Значения Rx и Хх (Xx=coLx) рассчитывают по формулам

<7.3.,

При измерениях на резонансных отрезках кабеля их длину выбирают так, чтобы в ней укладывалось целое число четвертьволновых отрезков р/=ля/2.

74

Рис. 7.10. Измерение комплексных со­ противлений при частотах 20— 150 МГц

При высоких частотах р=27i/p= v/LCp, *jLCp~ О т ­ носительная магнитная проницаемость цг обычно равна 1, тогда

(7.39)

4/РЛ

где / р— резонансная частота, Гц; ег— относительная диэлект­ рическая проницаемость изоляции; /— резонансная длина, м.

Обычно измерения производят на одночетвертьволновых (/1= 1) или однополуволновых линиях («=2).

При высоких частотах волновое сопротивление почти ак­ тивно и для коаксиальных кабелей вычисляется по приближен­ ной формуле

Z, « у /Щ с =и/(4/р /Ср).

(7.40)

Рабочую емкость Ср измеряют при частоте /<§с/р.

На практике для измерения / р обычно используют одночет­ вертьволновые короткозамкнутые образцы, подключаемые к куметру по параллельной схеме. Для этого сначала предваритель­ но рассчитывают резонансную частоту по (7.39). Генератор куметра (см. рис. 4.12,6) устанавливают на / р и с помощью сменных индуктивностей L и емкости С добиваются резонанса, который отмечают по максимальному отклонению на шкале добротности Q. Затем к зажимам С подключают короткозамк­ нутый образец кабеля. Если при этом резонанс нарушается, то его снова находят, изменяя частоту /. Снова отключают образец и, изменяя С, находят резонанс. Путем последовательных приближений находят частоту, при которой резонанс сохраняет­ ся при подключенном и отключенном кабеле. Тогда ZBXк кабеля будет чисто активным и соответствовать (7.22). Волновое сопротивление рассчитывают по (7.40). Тогда из (7.22) следует

(7.41)

75

Рис. 7.11. Схема измерения собствен-	Рис. 7.12. Компенсационный метод из-
ного затухания линии по методу срав-	мерения собственного затухания ли-
нения	нии
nCl(Ql - Q 2)
	(7.42)
2l2C,Qt Q2 ’
где C j— емкость конденсатора	куметра при резонансе; Qt

иQ2— добротность без кабеля и с подключенным кабелем. Коэффициент фазы находят из соотношения (5 = ия/(2/).

Принципиальная схема измерения собственного затухания линии по методу сравнения представлена на рис. 7.11. Со­ противление нагрузки ZH должно быть равно волновому сопротивлению линии. Затухание в измеряемой цепи ИЦ сравнивается с затуханием магазина затуханий (потенциометра) М3. Характеристическое сопротивление магазина равно Rn и может отличаться от ZD. Измерение ведется путем изменения затухания М3 до тех пор, пока напряжения на ZH и RH не будут равны. При этом собственное затухание линии будет

равно затуханию		в М3.	Входное	сопротивление измерителя
Р должно	быть	много	больше ZH и R u.
Волновое сопротивление зависит от частоты. Поэтому
равенство	ZH= Z B выдерживается			только приближенно, что
может привести		к погрешностям		в измерениях.

Для увеличения точности .измерений собственного затухания применяется компенсационный метод в соответствии со схемой рис. 7.12.

Равенство напряжений на ZH и RH устанавливается по равенству нулю разности этих напряжений. Сдвиг фазы напряжения зависит от частоты, и напряжения на ZH и RH находятся в противофазе только при дискретных частотах, когда р/ изменяется на угол т (п —1, 2, 3).

Процесс измерений сводится к попеременной регулировке затухания магазина и частоты генератора до получения наименьшего показания измерителя Р.

Измерение рабочего, вносимого и собственного затухания можно произвести методом замещения, схема которого при­ ведена на рис. 7.13. В этом случае внутреннее сопротивление генератора Z t устанавливается равным заданному активному сопротивлению R с помощью подключения выходного магазина

76

Рис. 7.13. Измерение рабочего, вносимого и собственного затухания методом замещения

затуханий (ВМЗ).		Затухание ВМЗ должно быть примерно
13 дБ, а	его характеристическое сопротивление должно быть
равным	заданному	значению.

Обычно на выходе ИЦ и М3 подключаются активные сопротивления RH. Измерительный магазин затуханий ИМЗ должен иметь характеристическое сопротивление RH. При

равенстве R„ = R и U2=U'2 затухание М3	равно	ар = ав.
В связи с трудностью создания качественных переклю­
чателей для высоких частот используют	схему	измерений

без переключателей (рис. 7.14). В этой схеме ВМЗ и ИМЗ должны иметь одинаковые характеристические сопротивления, равные Ru.

При измерениях с включенной исследуемой цепью отмеча­ ется U2 и затухание на ИМЗ. Затем ИЦ удаляется из схемы и нагрузка подключается непосредственно к ИМЗ. Изменяя его затухание до а2, добиваются такого же значения U2 на измерителе Р.

При равенстве сопротивлений нагрузки и характеристичес­ кого сопротивления ИМЗ получим ар =ав =а2—а1. Если воз­ можно применить магазины затуханий с характеристическим сопротивлением, равным ZB, то а=ар=ав=а2—av

Метод измерения затухания по схеме 7.14 применйм для частот до 10— 15 ГГц и сравнительно небольших затуханий (нескольких децибел).

По схемам рис. 7.13—7.14 принципиально могут быть измерены только рабочее и вносимое затухания, а для определения собственного затухания необходимо строго выдер­ живать равенство характеристических сопротивлений магазинов

Рис. 7.14. Схема измерения затухания без применения переключателей

77

затухания и волнового сопротивления линии. Если это не выполняется, то для корректировки результатов можно ис­ пользовать (7.27), (7.28).

Измерения по схемам рис. 7.11—7.13 дают наилучшие результаты при затухании цепи 15— 30 дБ. Для измерения затухания симметричных цепей можно использовать измеритель переходного затухания (комплект аппаратуры КИПЗ-300). Он позволяет осуществлять измерения в диапазоне частот до 300 кГц с погрешностью отсчета затухания по прибору ИПЗ-ЗОО менее 0,05 Нп (0,435 дБ). Для измерения затухания коаксиальных кабелей в диапазоне частот до ЮмГц используют комплект аппаратуры КИКС, коммутационная цепь КП которого пригодна для использования метода сравнения. Точность отсчета 0,01 Нп.

Затухание линии можно определить путем измерения на­ пряжений Ut и U2 в начале и конце линии. Собственное затухание рассчитывается непосредственно по (7.24) при равен­ стве волнового сопротивления и сопротивления нагрузки. При измерениях в конце линии подключается переменное активное сопротивление нагрузки. Если удовлетворяется условие ZH= ZB,

то при увеличении частоты при постоянном	Ut напряжение
U2 плавно уменьшается. В противном случае оно периодически
изменяется. При этом необходимо изменить	ZH так, чтобы

добиться плавного уменьшения U2 при росте частоты. Этот метод прост, но точность его невелика, так как трудно добиться точного согласования ZH= ZB.

Измерения можно проводить также в режиме холостого хода. В конце линии подключается только измеритель напряже­ ния с малой входной проводимостью Y. Обычно поддерживают постоянное напряжение Uv находят частоты, при которых получается максимальное напряжение в конце линии U2max.

	Собственное затухание рассчитывают:
	A=a/=arsh	Ui	1	(7.43)
		U 2max у / \	Y | 2 Z ^ 4* 1

При высоких частотах собственная проводимость измери­ теля определяется его входной емкостью, которая обычно не меньше 10— 15 пФ. Волновое сопротивление ZB принимается чисто активным. Удовлетворительные результаты получаются при затухании 13— 17 дБ.

7.4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ВЗАИМНЫЕ И ВНЕШНИЕ ВЛИЯНИЯ В КАБЕЛЯХ

При частотах меньше 1 МГц взаимное влияние в цепях кабелей связи оценивается по степени несимметрии взаимных емкостей. Асимметрия измеряется по методу, изложенному

78

/

O-jl^H мз

3

II

Рис. 7.15. Схема измерения переходных затуханий

в § 7.2. В общем случае измеряют непосредственно переходное затухание по схеме, приведенной на рис. 7.15. При измерении переключатель F отключают от зажимов 1 и 2 и подключают к 3 и 4. Нагрузочные сопротивления Z l и Z2 должны быть

равными волновым сопротивлениям кабельных линий. Со­ противление RH должно быть равно сопротивлению магазина затухания М3.

При равенстве напряжения на Ra и на зажимах линии II переходное затухание равно затуханию М3. Если волновые сопротивления цепей не одинаковы, то к получаемым вели-

чинам А 0 и At добавляется величина

следует из (7.29). При измерениях несимметричных цепей один из концов сопротивлений Z 1# Z2 и ZHдолжен быть заземлен. Простейшая проверка симметрии при измерениях в симмет­ ричных цепях может быть осуществлена путем перемены местами выводов генератора. Если при этом разность показа­ ний измерителя напряжения не превышает 2 дБ, симметрия считается достаточной.

Более точно и полно переходное затухание характеризуется коэффициентами электромагнитной связи N и F (7.31). Для таких измерений в схеме рис. 7.15 кроме делителя напряжения (магазина затухания) включают еще и фазовращатель. Ин­ дикатор равновесия включают аналогично схеме рцс. 7.12. Индикатор измеряет разность напряжений на сопротивлениях RH и Z 2 на рис. 7.15. Изменением затухания М3 и фазы на фазовращателе добиваются минимального показания индика­ тора равновесия. Действительная часть комплексной величины

А в формулах (7.29) и (7.31) равна затуханию М3. Мнимая

79

5

Ч

3 2 1

Рис. 7.16. Схема измерения сопротивления связи в коаксиальном кабеле

часть В = у, где ф— угол фазовращателя. Величины N и F вы­ числяют по (7.31).

Защита от внешних помех обеспечивается экранами, эффек­ тивность которых оценивается коэффициентом экранирования

(7.44)

3 Е2 я 2 ’

где Еи Н 1— напряженность электрического и магнитного полей в какой-либо точке экранированного пространства; Е2, Н 2— то же без экрана.

Экранное затухание связано с коэффициентом экранирования

соотношением
	Лэ= -1п |5э|.		(7.45)
Для оценки степени экранирования используется также
сопротивление	связи
		z l 2=LLIL,	(7.46)
где /э— ток вдоль экрана;		С/п— напряжение помехи (на единице
длины линии),	которое	возникает между жилой	и экраном

при замыкании жилы с экраном на дальнем конце кабеля. Сопротивление связи в коаксиальных кабелях может быть измерено методом триаксиальной линии, показанной на рис. 7.16. Коаксиальный кабель помещается в металлическую трубку 3. Экран 2 и эта трубка образуют внешнюю коак­

сиальную линию, по которой протекает ток [э=[п. Проводники внутренней коаксиальной линии (жила 1 и экран 2 ) замыкаются на одном конце на нагрузочное сопротивление 4, равное волновому сопротивлению линии. На другом конце внутренней линии измеряется напряжение Ua. Волновые сопротивления внешней и внутренней линий должны быть примерно одина­ ковыми. Измеритель тока 5 включается непосредственно перед входом во внешнюю коаксиальную линию.

Сопротивление связи удобно измерять также методом сравнения. В этом случае измеритель тока отсутствует и вместо

80