За последние 15-20 лет ситуация с подземными телекоммуникационными трассами довольно резко изменилась в сторону усложнения их обслуживания. Это обусловлено целым рядом причин:
1. Эксплуатируемых трасс стало больше.2. Средний возраст их вырос.
3. Активизировалась деятельность строителей, которые даже в Москве умудряются вбить сваю аккуратно в линию метрополитена, не говоря о порванных экскаватором связных кабелях.
4. Для городских условий можно добавить проблемы асфальтного покрытия (нарушать которое "крайне не рекомендуется") и высокий уровень электромагнитных помех широкого спектра.
Такие изменения не могли не отразиться на трассопоисковых приборах. Еще недавно трассоискатель был простым и дешевым.
По сути, он состоял из поисковой антенны с датчиком под 45° и миниатюрного встроенного приемника со звуковой индикацией.
Измеритель определял трассу "по максимуму" и уточнял ее положение "по минимуму". Глубина кабеля определялась
расстоянием по минимуму сигнала антенны расположенной под углом 45° к поверхности земли. Степень фильтрации была
не высока, и зачастую приемник просто представлял собой усилитель низкой частоты
По-мере роста электромагнитных помех усложнялся фильтрующий блок, а городские акустические шумы потребовали
акустической отстройки. Габариты и масса приемных устройств постепенно увеличивались, что - как вариант облегчения
веса - привело к отделению приемника от поисковой антенны.
Рис.1. Пример традиционного поиска трассы
Дальнейшая эволюция шла по пути развития сервиса. Одной из первых реализованных сервисных функций стала цифровая
индикации глубины и протекающего тока. Для этого потребовалось ввести второй горизонтальный датчик и предусмотреть
строго вертикальное положение антенны. Для сохранения возможности поиска трассы по минимуму сигнала требовался
отдельный вертикальный датчик. Попытки создать датчик с изменяемой конфигурацией натолкнулись на механические
проблемы в сложных полевых условиях работы. Как вариант решения этой проблемы была предложена конструкция единого
модульного устройства - моноблока.
Измерителю предлагалось уже больше информации, для чего захотелось применить графический дисплей. Разумеется, это
привело к усилению энергопотребления и дополнительно увеличило вес трассопоисковых приборов. Выполненные в виде
моноблока современные западные модели достигают, как правило, веса 2,5 - 3 кг. Понятно, что манипулировать тяжелым
моноблоком длительное время весьма затруднительно. Пользуясь спортивной терминологией эти устройства можно
отнести к спринтерам - часто они служат для разовых целей быстрого поиска в городских условиях и нередко специализируются
на поиске энергетических трасс и трубопроводов. При этом наблюдается некоторое противоречие: с одной стороны предполагается
максимальное упрощение профессиональных навыков и умений измерителя, с другой стороны - весьма значительная цена устройства,
требующая высокой технической культуры и грамотных действий от того же измерителя. Сочетание таких противоречивых качеств
у рядовых измерителей плохо уживается с русской ментальностью.
По мере развития данного направления возникли довольно экзотические идеи. Так американскими разработчиками предложено
любопытное устройство, которое с помощью 4-х датчиков с различной ориентацией изучает топологию поля, определяет расстояние
до кабеля, глубину залегания и даже показывает их на плане. Предполагается, что измеритель сможет вести трассировку из окна
движущегося автомобиля. Если адаптировать этот прибор к нашим сельским дорогам, то автомобиль следует заменить, как минимум,
на трактор, а в ряде случаев и на вертолет.
Рис. 2. На плане видно направление кабеля, расстояние до него и глубина залегания. Трассопоисковая система Ridgit "Seektech".
Появление в конструкции датчиков с различной ориентацией позволило включить в комплекс измерений фазовый анализ, на основе которого в последнее время было предложено довольно много интересных, но схожих решений. Сначала, используя вертикальный датчик, разработчики научились определять положение измерителя - справа или слева от кабеля. Затем усилия сосредоточились на определении "своего" кабеля в местах схождения коммуникаций. Эта проблема по мере уплотнения коммуникаций приобрела особую актуальность. Было замечено, что направление тока в соседних трассах противоположно в каждый момент времени, что означает различие фаз на 180°. Разработчики использовали это как признак, разделяющий кабели. У разных компаний этот метод получил свое название. Британская компания Radiodetection окрестила метод именем Current Direction (направление тока) и сделала заявку на его эксклюзивность. Немецкий концерн Seba KMT назвал Select Signal одним из своих запатентованных инновационных методов. Тверская компания Связьприбор для этих целей в своих новых моделях использует фазовый детектор, никак особенно его не называя.
Рис. 3. Сверхлегкий Поиск-310Д-2 (Связьприбор) с фазовым детектором
В данном случае особый интерес вызывает предложенная компанией Связьприбор концепция фазовой дефектоскопии повреждений оболочек кабеля.
Проблема дефектоскопии все более актуальна для измерителей, учитывая значительный износ кабелей. Традиционно
используют два метода - амплитудный и контактный. При использовании амплитудного метода фиксируется амплитуда
сигнала индуктивного датчика (как вариант метода - измерение силы тока). Амплитудный метод обладает низкой
чувствительностью и применяется при поиске низкоомных повреждений, близких к короткому замыканию или обрывах.
Контактный метод, особенно в его классической реализации на постоянном токе, гораздо более чувствительный.
Однако следует помнить о трех неприятных моментах :
2. По мере роста техногенной деятельности возрастал уровень помех и работа на постоянном токе стала весьма проблематичной. В настоящее время контактный метод, как правило, реализуется на переменном токе. Это, с одной стороны, позволяет хорошо отстраиваться от помех и обеспечивает высокую скорость реакции, но, с другой стороны, затрудняет определение высокоомных повреждений из-за паразитной емкостной составляющей сигнала.
3. Для городов с развитым асфальтным покрытием широкое применение контактного метода затруднительно. В сельской местности трудности связаны с особенностями ландшафта, почвы и погодных условий.
В качестве альтернативы контактному методу разработчики компании Связьприбор предложили метод фазовых измерений, когда выделяется активная и реактивные составляющие сигнала. Этот метод теоретически проработан очень хорошо, однако технические сложности реализации до сих пор сдерживают его широкое распространение.
Если подключить генератор к кабелю с поврежденной оболочкой, дальний конец которого не нагружен, то по кабелю потечет ток, величина которого зависит от суммарной емкости кабеля и сопротивления повреждения. Непосредственно перед повреждением, если двигаться от генератора, величина тока складывается из емкостного тока участка после повреждения и тока утечки.
После повреждения остается только емкостная составляющая. При этом в момент прохода над повреждением наблюдается скачок фазы. В качестве примера, на рисунке показана чувствительность фазового метода для кабеля с погонной емкостью 30 нФ/км и длиной 8 км.
На графике по оси X отложено расстояние от генератора до места повреждения. По оси Y в логарифмическом масштабе - регистрируемое сопротивление утечки в месте повреждения. Кривая красного цвета соответствует изменению фазы в 1 градус при переходе через место повреждения, а кривая синего цвета - изменению фазы в 5 градусов. Для сравнения на этом же графики представлена чувствительность амплитудного метода (зеленая кривая). При определении чувствительности амплитудного метода предполагается, что уверенная регистрация возможна при изменении амплитуды сигнала не менее чем на 10%.
Как нетрудно видеть, в середине кабеля фазовым методом возможна уверенная регистрация повреждения порядка 10-20 кОм,
в то время как амплитудный метод позволяет регистрировать повреждение только 200 Ом, т.е. разница составляет 2 порядка!
По мере увеличения расстояния между генератором и местом повреждения чувствительность метода растет. Однако следует
помнить, что на холостом ходу сигнал спадает от начала к концу кабеля, где возникает зона неуверенного приема и, как следствие,
некорректное измерение фазы.
Естественно, нельзя считать данный способ панацеей. Ему присуще много ограничений и он нуждается в серьезном методическом развитии. Тем не менее, в сочетании с традиционными методами дефектоскопии, как нам представляется, он сможет оказать очень серьезную помощь измерителю. В ближайшее время следует ожидать дальнейшего развития метода в сторону повышения чувствительности и надежности фазовой дефектоскопии.
А. Ю. Ивлев, к. ф.-м. н., доцент кафедры общей физики Тверского Госуниверситета
(отделение физической электроники),
А.Н.Высич, электромеханик связи Гулькевичский ЛТЦ