DSP-baserat instrument för fjärrmätning av larmnät

EXAMENSARBETE

2002:028 CIV

MIKAEL RÖNNKVIST

DSP-baserat instrument för fjärrmätning av larmnät

CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET

Institutionen för Systemteknik

Avdelningen för Industriell elektronik

fjärrmätning av larmnät

Examensarbete 20p vid Fält Elektronik AB, Kalix

Rapport av

MikaelRönnkvist

ExaminatorKaleviHyyppä

HandledareJuha Rajala

27december 2001

Institutionen förSystemteknik

Fält Elektronik AB i Kalix utvecklar och tillverkar bland annat larmsändare för fast

uppkoppladelarmnät.Fastuppkoppladelarmnätanvändsförattåstadkommaövervakad

och säker överföring av larm och annan information mellan tekniska system för skydd

ochsäkerhet.Larmöverföringenär ständigtövervakadfrån larmanläggningen ändafram

tilllarmcentralen.Ettproblemsomidagnnsilarmnätärattommantapparkontakten

medenlarmsändaresåvetmanbaraattmantappatkontakten, menintevarför.Därför

vill man nu utveckla ett instrument som kan mäta och kontrollera vad som orsakar att

uppkopplingenbrytst.ex.kabelbrott,ingenlarmsändareiandraändan,spänningsbortfall

osv.Manvill ocksåkunnakommunicera medlarmsändarna ochkunnaanalysera feloch

eventuella felkongurationer hosdessa.

Målet meddetta examensarbeteär att utveckla en prototyp avettfjärrmätningsin-

strument för att kunna avgöra och hitta olika felorsaker som kan uppstå i larmnät.

Tankenärattiframtidenintegreradettainstrumentivarjelarmanläggning.Vidutveck-

landet av detta instrument har ett antal olika mätmetoder undersökts, t.ex. TDR-

TimeDomainReectometry,kapacitansmätning,resistansmätning,obalansmätningoch

frekvens/spektrumanalys.

Abstract

Fält Elektronik AB is a company in Sweden that among other things develops and

manufactures alarm transmitter for permanently connected alarm nets. Permanently

connected alarm nets are used for supervised security alarm and information transfers

betweentechnicalsystemsforsecurityandsafety.Permanentlyconnectednetsarealways

supervisedthewholewayfromthe alarmtransmitterto theemergencyservicecentre.A

problem todayis that ifthe connection drops out you knowit, but not why. Therefore

Fält Elektronik wants to develop a prototype of aninstrument that is ableto remotely

measure and nd what is wrong in the alarm net. Possible errors in the net are cable

errors, no alarmtransmitter intheotherend,powerlossandsoon.

The goal with this nal thesis work is to develop a prototype of a instrument that

in the future can be integrated to every alarm installation. A number of measurement

methods have been examined during the project, TDR - Time Domain Reectometry,

spectrumanalysis, measurement of capacitance, resistanceand longitudal balance.

En obligatoriskdelavcivilingenjörsutbildningen Elektroteknik vid Luleå Tekniska Uni-

versitetärattutföraettexamensarbete,ettprojektsomskaomfatta20veckorsheltidsar-

bete.Målet medarbetetär attstudentenska fåpraktiskanvändningavsina inhämtade

kunskaperfrånstudietiden.Förmig,MikaelRönnkvist,harprojektetutförtsvidUtveck-

lingsavdelningen påFältElektronik ABiKalixunderperioden JunitillDecember2001.

Min uppgift var att utveckla ochkonstrueraettinstrument för fjärranalysavlarmnät.

Jag vill tacka min examinator KaleviHyyppä, som givit mig tips, förslag och ideer

under examensarbetesgång. På FältElektronik AB villjag tacka minhandledare Juha

Rajala,RickardHahto,JohanJohanssonsamtövrigamedarbetare,somgettmigmycket

stöd,tipsochideer vadgäller mjukvara,hårdvaraochSchema/layout. Samt tillsistett

tack till alla övriga inblandade personer, speciellt Eva Johansson, Hans Forsberg och

Anders Hermanson.

Kalix, November2001.

MikaelRönnkvist

1 Inledning 4

1.1 Bakgrund . . . 4

1.2 Olika typer av larmsändare . . . 4

1.2.1 Larmsändare typ1 . . . 5

1.2.2 Larmsändare typ2,typ3 ochtyp4. . . 5

1.2.3 Överlämningsmotstånd . . . 5

1.3 Telestandarder . . . 6

1.4 Syfte/mål . . . 6

1.5 Avgränsningar. . . 6

1.6 Rapportens disposition . . . 7

2 Bakgrund 8 2.1 Teori . . . 8

2.1.1 Transmissionsledare . . . 8

2.1.2 Kabelparametrar . . . 9

3 Eget arbete 13 3.1 Beräkning avkabelparametrar ien typisk telefonlinje . . . 13

3.2 Mätmetoder . . . 15

3.2.1 Frekvens/spektrumanalys . . . 15

3.2.2 Resistansmätning . . . 16

3.2.3 Kapacitansmätning . . . 18

3.2.4 TDR - TimeDomainReectometry . . . 22

3.2.5 Obalansmätning . . . 23

3.2.6 Bristermed mätmetoderna . . . 24

3.3 Simuleringar. . . 25

3.4 Praktiska mätningar . . . 25

3.4.1 Frekvensanalys . . . 26

3.4.2 Obalansmätning . . . 27

3.4.3 Resistansmätning . . . 30

3.4.4 Kapacitansmätning . . . 30

3.5 Hårdvara . . . 30

3.5.1 Schema . . . 31

3.5.2 Blockschema . . . 31

3.5.3 DSP-kort . . . 31

3.5.4 Codec D/A ochA/D . . . 32

3.5.5 Buertsteg A/D . . . 33

3.5.6 Buertsteg D/A . . . 34

3.5.7 Mätsteg 1 - Frekvensanalys0-300Hz . . . 34

3.5.8 Mätsteg 2-5- Resistansoch kapacitansmätning . . . 35

3.5.9 Mätsteg 6 - Obalansmätning . . . 36

3.5.10 Högimpediv linjelyssnare. . . 36

3.5.11 MUX . . . 37

3.5.12 Spänningsmatning . . . 37

3.5.13 RS232-Opto interface . . . 38

3.5.14 Transientskydd . . . 38

3.5.15 Koppling mot DSP . . . 38

3.5.16 Relästyrning . . . 38

3.5.17 PCB layout . . . 38

3.6 Mjukvara . . . 39

4 Slutsatser 40 4.1 Hårdvara . . . 40

4.2 Mjukvara . . . 40

4.3 Mätmetoder . . . 41

4.4 Begränsningar ochframtidaarbete. . . 41

4.5 Projektet ihelhet . . . 41

Litteraturförteckning 43 Figurlista 44 Bilagor 45 A Schema 45 B Flödesdiagram mätmetoder. 46 B.1 Flödesdiagram kapacitansmätning . . . 47

B.2 Flödesdiagram resistansmätning . . . 48

B.3 Flödesdiagram frekvensanalys . . . 49

B.4 Flödesdiagram obalansmätning . . . 50

Inledning

I dettakapitelges en kortbakgrund, motivför arbetet, syfte,ingångsvärden samt även

en kortbeskrivning avrapportens disposition.

1.1 Bakgrund

Kommunikationsnät som ärfast uppkopplade är säkrastenätenför larmöverföring.

Ettlarmskickasfrånlarmsändarenviaenförhyrdfastuppkoppladteleförbindelsetill

enbasstation,somsedanskickarlarmetvidaretillenlarmcentral,segur1.1.Larmöver-

föringen ärständigtövervakadfrån larmanläggningenända framtilllarmcentralen,men

ettproblemsomidagnnsinätetärattommantapparkontaktenmedenlarmsändare

så vet man bara att man tappat kontakten, men inte varför. Statistik visar att i stort

sett alla fel som uppstår beror på fel i telefonlinjen, larmsändaren eller spänningsmat-

ningentilllarmsändaren.Defelsomkanuppståkanoftata mycketlångtidattåtgärda.

Detta till följdavatt detär era parter inblandade vid felsökningen. Idag skickasförst

Telia ut för att felsöka den förhyrda och fast uppkopplade teleförbindelsen. Fungerar

teleförbindelsen som den ska, skickas återförsäljaren av larmet ut för att kontrollera

larmsändaren somsitter ute hoskunden. Ärdet felpå spänningsförsörjningenkallasen

elektrikerin. Detkansedan visasigatt felet ialla fall liggeriTeliasnät,som då måste

åka utigen för attåtgärda.Detta innebär attdetkanta långtid innanlarmfunktionen

ochkundens säkerhet är återställd. Därförvill mannu utveckla ettinstrument somkan

mäta och kontrollera vad som orsakar att uppkopplingen bryts t.ex. kabelbrott, ingen

larmsändareiandraändan, spänningsbortfallo.s.v.Manvill också kunnakommunicera

med larmsändarna och kunnaanalysera feloch eventuellafelkongurationer hosdessa.

1.2 Olika typer av larmsändare

Larmsändarna är huvudsakligen av fyra olika typeroch alla typernaanvänds istor ut-

sträckning, varför instrumentet måste varaanpassat att klara av att mäta på de olika

typerna. Alla larmsändarna har ett högimpedansläge som används vid så kallad mul-

tidropp, vilket innebär att man kopplar in era larmsändare på samma telefonlinje.

Detta för att spara pengar genom att slippa hyra era telelinjer då det krävs många

larmsändarepå ett ställe.

Mottagare/Sändare

Instrument för fjärrmätning av fast uppkopplade

larmnät.

Larmsändare Telefonförbindelse <20km

Basstation Larmanläggning

Figur1.1: Basstation sammankopplad medlarmanläggning.

1.2.1 Larmsändare typ 1

Detta är dennyaste typenavlarmsändareoch äruppbyggdkringen DSP,där alldata-

trak genereras mjukvarumässigt. Denär anpassad för den nugällande telestandarden.

Denna larmsändareersätter allteftersomlarmsändareavtypen2 och 3.

1.2.2 Larmsändare typ 2, typ 3 och typ 4

Dessalarmsändarenns ute iettstort antal.Deär byggda efterden gamlatelestandar-

den. Det som utåt sett skiljer larmsändarna åt kan man säga är antalet larmingångar.

Larmsändarnaärbyggdapåolikasättochmedolikakomponenterochhardärmedockså

olika karaktäristiska dragför olikatillstånd, vilkettasupp senareirapporten.

1.2.3 Överlämningsmotstånd

Detta är ingen larmsändare utan ett enkelt passivt motstånd. Vid nyinstallation av en

larmanläggning bestårinstallationsgången avtre steg.

1.Telia installerar telefonförbindelsen.

2.Elektrikerinstallerar spänningsmatning o.s.v.tilllarmsändaren.

3.Återförsäljare avlarmsändaren installerar larmsändaren.

När Telia har installerat telefonförbindelsen, provat och godkänt den så sätter de in

ettsåkallatöverlämningsmotstånd på denplats där larmsändarenskakomma attsitta.

Tanken med detta motstånd är att det instrument som utvecklats i detta projekt ska

kunna fjärrdetektera detta motstånd, för att vetaatt telefonförbindelsen är installerad

ochfungerar somden ska.Det ärdå dagsattinstallera larmsändaren.

1.3 Telestandarder

Alla larmsändare utom typ 1 är byggda efter den gamla telestandarden för karaktäris-

tiskimpedans.Denkaraktäristiskaimpedansen sombeskrivs igamla standarden ärhelt

enkeltett600motstånd. Menallteftersomhögreochhögrekravställs påljudkvalitet,

data-modem-hastigheter o.s.v., är denna modellen inte tillräckligt bra. I den nya tele-

standarden är denna modell förbättrad och mer anpassad efter kabelns verkliga karak-

täristiska impedans. Detta för att inte reexer ska uppstå vid sändare och mottagare i

ändorna avkabeln.Denna nya modellen är uppbyggd enligtgur 1.2. Larmsänadare av

typ 1 är den enda av de olika larmsändarna som är uppbyggd såatt den klarar kraven

för den nyastestandarden. Mer omdettanns senare irapporten.

270

750

150n

Figur1.2: Karaktäristisk impedans enligtnu gällandetelestandard.

1.4 Syfte/mål

Målet är att utveckla en prototyp av ett DSP - Digital Signal Processor baserat fjär-

rmätningsinstrument för att kunna avgöra och hitta olika felorsaker som kan uppstå i

fast uppkopplade larmnät. Tanken är att iframtiden integrera detta instrument i var-

je larmanläggning. Instrumentet ska direkt avgöra var felet sitter, till exempel i tele-

förbindelsen, larmsändarenellerströmförsörjningen.

1.5 Avgränsningar

Utgångspunkten för detta projekt var attutgå ifrån ettredan bentligtinstrument och

sedanmodieraochbyggatilldedelarsombehövsellersaknasförettfungerandeinstru-

ment. Från detredanbentliga instrumentet används DSP, tangentbord,display o.s.v.

Följandedelmoment ingickiuppgiften.

 Utarbetaenplanering för projektet.

 Läsa inmig på processornADSP2181.

 Läramig utvecklingsmiljön för DSP:n.

 Läsa inmig på teorierför mätningavtransmissionsledningar.

 UndersökavilkakravsomställspåA/D-ochD/A-omvandlareförattklarakraven

för mätningar på transmissionsledningar samt för att eventuellt kunna imple-

mentera protokoll såsomV23,V90 och ADSL.

 Utveckla linjedel/mätdel närmast telefonlinjen inklusive mätsteg, A/D och D/A

omvandlare och integrera (utifrån resultatet från ovanstående punkt) detta med

bentligt DSP kort.

 Undersökahur enlarmsändarebetersigutmottransmissionsledningend.v.s.hitta

lämpliga mätmetoder.

 Implementera mätalgoritmer iDSP för mätning på en larmsändare via en trans-

missionsledning (utifrånresultatet iovanstående punkt).

 Under utvecklingstiden utförapraktiska mätningar.

Nedanföljer en listaöverfeloch olikatillståndsom manvill kunnadetektera.

 Linjeavbrott.

 Kortsluten linje.

 Linjen helmenlarmsändareej monterad.

 Linjen hel,larmsändare monteradmen ejspänningssatt.

 Skadorsomkan uppståvid åska (mångaolika felsymptom).

 Sändaren felkongurerad (högimpedivt läge).

 Larmsändaren monterad och spänningssatt.

 Detekteraöverlämningsmotstånd.

Redan från start av projektet var det klart vilken processor som skulle användas. Det

var en DSP från Analog Devices som heter ADSP2181. Denna var lämplig eftersom

utvecklingsmiljöinklusive utvecklingskort med DSP,kunskap,erfarenhetochdokumen-

tation redanfanns tillgängligtvid företaget. Själva mätningen skulle utföras med hjälp

avnågon lämplig A/D-och D/A-omvandlare där TLC320AC01 från Texas Instruments

föreslogs. Linjedelen(hårdvaran närmasttelefonlinjen) medA/D- och D/A-omvandlare

skulle utvecklas. Ett redan bentligt instrument skulle vidareutvecklas och komplet-

teras för attkunnamäta ovanstående.Alltfram tillicke mätspecika sakerfannsredan

färdigutvecklade och kommer att återanvändas (t.ex. DSP-kort). Detta medförde att

projektet snabbt kunde komma igång och största delen av arbetet kunde läggas ner

påutvecklingavmäthårdvarannärmasttelelinjen ochutvecklingavmät- algoritmerför

DSP:n.Vidprojektetsstartfannsdetingensomvisstehurochvilkamätmetodersomvar

lämpligaattanvända.Detvarprojektetsförstadelattutvärderaochundersökalämpliga

mätmetoder. Kravet är att instrumentet ska klara av att mäta på teleförbindelser upp

till 8km.

1.6 Rapportens disposition

Rapporten är skriven i L A

T

E

X[14] m.h.a. windowsbaserade MikTeX 2.1 [13]. Rapporten

börjar med lite teoretisk bakgrund i kapitel 3 och följs av en beskrivning av det egna

arbetetikapitel4.Deolikamätmetodernasomanväntsfördettainstrumentärbeskriveti

kapitel4.Slutligennnsslutsatserutifrånteori,simuleringar,utförtarbeteochpraktiska

försökikapitel5.

Bakgrund

2.1 Teori

I detta kapitel nns nödvändig teori som behövs för projektet. Här nns dock inga

härledningar avformler. Härledningför mångaavdessaformlerkräverdjupteori ielek-

tromagnetiskfältteori ochnns attläsa mer omit.ex.[9 ] och [10].

2.1.1 Transmissionsledare

Elektroniskaapparaterhar oftaeninformationskanalvianågonformavkabel,transmis-

sionsledare. Telefonen använder sig t.ex. av partvinnad dubbelledare för sin överföring

avpratoch detsamma gällermodemsom oftakommunicerar viaen partvinnadtelefon-

förbindelse. Omtransmissionsledningen är mycket kortijämförelse medvåglängden för

den högsta förekommande frekvensen kan man nöja sig med modellen enligt gur 2.1,

för enparledare.Dåkabellängdenbörjarnärmasigvåglängdenblirdenna modellalltför

dålig och man måste då använda en modell där kapacitans, resistans, induktans o.s.v.

är kontinuerligt fördelade längs hela ledningen. Som tumregel kan man säga att redan

då längden på transmissionsledaren är större än en tiondel av våglängden för högsta

frekvensenbör manöverväga att övergå tillen förbättradmodell.

Nedanstående formler gäller dock både för modellen i gur 2.1 och för förbättrade

modeller medkontinuerligt fördelade kabelparametrar.

Våglängden 

Våglängden för en högsta given frekvensberäknasenligtföljande:

= v

p

f

(2.1)

där

v

p

=signalens hastighetiledaren.

f = frekvensen.

Signalhastigheten i ett media v

p

Signalens hastighetien ledare beräknas enligtföljande:

v

p

=

c

p



r(Diel ektrikum)



r(Ledare)

(2.2)

där

c =ljushastighetivakuum,konstant 3*10 8

m/s.



r(Diel ektrikum)

=relativ permitivitet,dielektrikumets materialkonstant.



r(Ledare)

=relativpermeabilitet, materialkonstant (normalt =1).

L R

G C

In Ut

Figur2.1: Enkelmodell för transmissionsledare.

2.1.2 Kabelparametrar

Olika ledare har beroende på dess uppbyggnad olika karaktäristisk impedans. Enheter

och apparater som kommunicerar med varandra via en kabel måste vara anpassade

till kabelns impedans för att inte reektioner ska uppstå vid mottagare och sändare.

Om pulser reekterasvid mottagareoch/ellersändareuppstår enblandning mellannya

pulser och gamla reekterade pulser, vilket ger upphov till störningar. Om både mot-

tagare och sändare är anpassade till transmissionsledaren uppstår ingen reektion. Vid

missanpassning beror reektionens storlek och utseende på hur stor missanpassningen

är. En kortslutningellerhelt öppen anslutning geren fullständigreektion avsignalen.

Ett annat problem med en transmissionsledare är att den även kan förvränga och dis-

torderadenöverfördasignalen.Dennadistorderingberorpåkabelnsimpedansochlängd.

Nedanstående beräkningar avkabelparametrar begränsastill tvåledareuppbyggd enligt

gur2.2.Tilläggasböränengångattförhärledningavnedanståendeformlerkrävsdjup

teoriielektromagnetiskfältteori.Denteorisomkrävsförhärledningtasinteuppidenna

rapport.

ResistansenR ikabelnär helt enkelt denserieresistanssom nns iledarna ikabeln.

Induktansen L är den serieinduktans som en lång rak ledare ger upphov till. Kapac-

itansen C är den kapacitans som uppstår mellan de två ledarna p.g.a. att de ligger

näravarandra.TvärkonduktansenGärdenkonduktanssomnns mellandetvåledarna

p.g.a. att isolatorn mellan ledarna inte är idealisk. Man kan säga att konduktansen är

ett godhetstal hosisolatorn.

NedanståendeformlerförkabelparametrarnaR

0 ,L

0 ,C

0 ochG

0

gällerförenparledare

där hänsyn inte tastillatt kabelnär tvinnad, menresultatetskiljerintesåmycket från

partvinnade ledare. För enkelhetens skull approximerar vi här partvinnade kablar med

dessa formler.

Figur2.2: Parledare medettavståndmellanledarna D,ledartjocklek2a ochett dielek-

trikum medmaterialkonstant 

r .

Karaktäristisk impedans Z

0

Med karaktäristisk impedans menas inte den impedans en viss kabel har, utan den är

oberoende av kabellängd och terminering. Karaktäristiska impedansenberäknasutifrån

kabelparametrarnaL

0 ,R

0 ,C

0 ochG

0

fören kabel per enhetslängd.

Karaktäristisk impedans(gällerförallatyperavledare)beräknasenligtföljandeformel:

Z

0

= s

R

0 +j!L

0

G

0

+j!C

0

(2.3)

där

! = 1

2f :

Kabelparametrarna R

0 ,L

0 ,C

0 ochG

0

beräknasenligt nedanståendeformler.

Detärganskalättattutifrånovanstående formelvisaattkaraktäristiskaimpedansenför

en idealförlustfriledare förenklastillnedanståendeformel. Dennaformelgällerävendå

frekvensenär myckethög, d.v.s.dåj! är stort.

Z

0

= s

L

0

C

0

(2.4)

där L

0 och C

0

beräknas enligtnedanstående formler. Obs: Formel (2.4) gäller bara vid

höga frekvenser och/eller förlustfriledare.

Resistansen R

0

Resistansen R

0

beror på radien hosledaren och även frekvensen. Resistansen påverkas

nämligen av frekvensen hos signalen, detta beroende på något som kallas skinneek-

ten. Skinneekten tvingar strömmen hos signalen att yta nära ytan hos det ledande

materialet. Skinndjupet Æ betecknar det djup som signalen tränger in i materialet. Se

förklarande gur 2.3.OmskinndjupetÆär mindreänradien a,beräknasresistansenR

0

enligt följandeformel:

R

0

=2 1

a

l edare Æ

(2.5)

där

R

0

=resistans permeter.

a=radien hosledaren.



l edare

=ledningsförmåga hosmaterialeti ledaren.

Æ =skinndjup.

Om skinndjupetÆ är störreän radien a,förenklas formelntill följande:

R

0

=2 1

a 2



l edare

(2.6)

där

R

0

=resistans permeter.

a=radien hosledaren.



l edare

=ledningsförmåga hosmaterialeti ledaren.

SkinndjupetÆ beräknasenligtföljande formel:

Æ=

1

p

f

0



r



l edare

(2.7)

där

f = frekvens.



0

=permeabilitet ivakuum, konstant =410 7

H/m.



r(Ledare)

=relativpermeabilitet, materialkonstant (normalt =1).



Ledare

=ledningsförmågahos materialetiledaren.

2a

Figur2.3:Skinndjupethosen cirkulärledare.

Induktansen L

0

InduktansenL

0

beräknasenligtföljande:

L

0

=2



0



r(Diel ektrikum)



acosh



D

2a



(2.8)

där



0

=permeabilitet ivakuum, konstant =410 7

H/m.



r(Diel ektrikum)

= relativpermeabilitet, materialkonstant.

D =avståndet mellanledarna iparet.

a=radien hosledaren.

Kapacitansen C

0

Kapacitansen C

0

beräknas enligtföljande:

C

0

=



r(Diel ektrikum)



0

acosh



D

2a



(2.9)

där



0

= permitivitet ivakuum,konstant = 8.85418*10 12

F/m.



r(Diel ektrikum)

=relativ permitivitet,dielektrikumets materialkonstant.

D =avståndet mellanledarna iparet.

a=radien hosledaren.

TvärkonduktansenG

0

Tvär Konduktansen G

0

beräknasenligtföljande:

G

0

=



diel ektrikum

acosh



D

2a



(2.10)

där



diel ektrikum

=ledningsförmåga hosmaterialetidielektrikumet .

D =avståndet mellanledarna iparet.

a=radien hosledaren.

Konstanter

Använda konstanter:



Pl ast(pol ystyren)

10 16

S/m.



Koppar

5:8010 7

S/m.



0

8:8541810 12

F/m.



0

410 7

H/m.

c310 8

m/s.



r(Luft)

1.



r(Pol ystyrene)

2.55.



r(Ickemagnetisktmaterial t:ex:koppar

1.

Eget arbete

Kapitletbeskriverdetegna arbetetsom utförtsunderprojektetsgång. Utöverdet nns

även feluppskattningaroch prestandamätningar för instrumentet.

3.1 Beräkning av kabelparametrar i en typisk telefonlinje

Dessa kabelparametrar används vid simuleringar i Pspice som beskrivs mer senare i

rapporten. Parametrarna behövs även för attkunnaförstå och tolkamätresultaten som

instrumentet ger upphov till d.v.s. för att veta vilka värden som man kan vänta sig

för olika ledare medolika längd o.s.v.Parametrarna behövs även för att konstateraatt

modellen igur 2.1 ärtillräckligt bra.

Som utgångspunkt för dessa beräkningar används formler från föregående teoriavs-

nitt. Somtypisk telefontrådsförbindelseantasen partvinnadledare enligtgur 2.2.

Följandeantaganden görsangåendeledaren:

Ledardiameter 2a=0.5mm =0.0005 m.

Ledarmaterial antasvarakoppar.

Avståndmellanledarna D=1 mm =0.001m.

Dielektrikum antas varapolystyren.

Högsta förekommande frekvensf antas vara 1000 Hz.

Ljushastighet

Ljushastigheten ikabelnberäknasenligtformel(2.2).

v

p

=

c

p



r(Dielek trik um)



r(Ledare)

= 310

8

p

2:551

18810 6

m/s.

Våglängd

Våglängden för en frekvensf beräknasenligtformel (2.1).

Låt högsta frekvensen f vara 1000 Hz.

= vp

f

= 18810

6

1000

=188 km.

Kontrollatt modellen igur 2.1är lämplig för beräknad våglängd:

Antagen längstaförekommande kabelpå 8km. Modellen är lämplig om



10

>8km.



10

= 188

10

=18:8km.

Alltså är vald modell lämplig då högsta förekommande frekvens är 1000 Hz (obalans-

mätning).

Resistansen R

0

Resistansen R

0

beräknasenligtformel (2.5)eller (2.6) beroende på skinndjupet.

SkinndjupetÆ beräknasenligtformel(2.7).

Æ=

1

p

f0r

ledare

=

1

p

1000410 7

15:8010 7

2:09mm.

Eftersom SkinndjupetÆ >radien ahosvanligt förekommande telelinjer,beräknasresis-

tansen R

0

enligtformel(2.6).

R

0

=2 1

a 2



ledare

=2

1

0:00025 2

5:8010 7

0:176/m.

Induktansen L

0

InduktansenL

0

beräknasenligtformel(2.8).

L

0

=2



0



r(Ledare)



acosh



D

2a



=2 410

7

1



acosh



0:001

0:0005



1:05 H/m.

Kapacitansen C

0

Kapacitansen C

0

beräknas enligtformel(2.9).

C

0

=



r(Dielek trik um)



0

acosh(

D

2a )

=

2:558:8541810 12

acosh(

0:001

0:0005 )

53:9pF/m.

TvärkonduktansenG

0

TvärkonduktansenG

0

beräknas enligtformel(2.10).

G

0

=



dielek trik um

acosh(

D

2a )

=

10 16

acosh(

0:001

0:0005 )

2:410 16

S/m.

Omviinverterarovanståenderesultatfåstvärresistansensomnnsmellandetvåledarna

permeter kabel.

1

G

0

= 1

2:4 16

=4:210 15

m.

Det innebär att på en meter kabel nns det ett motstånd mellan de två ledarna på

4.2*10 15

. Detta motstånd som isolatorn (dielektrikumet) ger upphov till är mycket

stort ochalltsåenligtvadmankanväntasig.Teliagodkännerkabelnomtvärresistansen

är mer än 3 M. Skador på kabeln, vatten ikabeln o.s.v. påverkar denna tvärresistans

negativt d.v.s.medminskatmotstånd.

Karaktäristiska impedansen Z

0

UtifrånovanståendekabelparametrarR

0 ,L

0 ,C

0 ochG

0

kankaraktäristiskaimpedansen

beräknas för en förlustfri ledning eller för signaler med höga frekvenser enligt formel

(2.4).

Z

0

= s

L

0

C

0

= s

1:0510 6

53:910 12

140 :

Enligt [7] är den standardiserade karaktäristiska impedansen i Europa 150 , vilket

stämmer bra medovanstående beräkning. Även omovanstående formelinte tarhänsyn

till att kabelnär partvinnad och att många parametrar bara är uppskattade som t.ex.

avståndetDmellanledarna.Förlågafrekvensergällerdockinteovanstående beräkning

utan då måsteformel2.3användas.

Låt frekvensenf vara1000 Hz.

Z

0

= s

R

0 +j!L

0

G

0

+j!C

0

= s

0:176+j210001:0510 6

2:410 16

+j2100053:910 12

520 500j :

Vilket ger upphov till en komplex impedans. Om vi tar absolutbeloppet av denna fås

följande:

abs(520-500j)=720 .

Vilketliknarden nu gällandetelestandarden för karaktäristiskimpedans.

3.2 Mätmetoder

För att kunna detektera olika feltillstånd i larmsystemet behövs ett antal olika mät-

metoder.Förstatankenvar attbaraanvändaenmätmetod- frekvensanalys.Detvisade

sig ganska snart att denna mätmetod hade allt för många brister och svagheter för att

klara av att detektera alla olika tillstånd. Efter ett antal mätningar och försök visade

detsig attfyraolika mätmetoder var nödvändiga.

1. Frekvensanalys10-300Hz.

2. Resistansmätning.

3. Kapacitansmätning.

4. Obalansmätning.

I gur 3.1 visaslängst tillvänster de olikafeltillstånden somman villkunna detektera

ochtillhögervisasvilkamätmetodersomanvändsförattdetekteraettspeciellttillstånd

ochvadresultatet väntasbli för olikalarmsändare.

3.2.1 Frekvens/spektrumanalys

Metodenanvändsförattavgöra omenlarmsändareärspänningssattellerej.Mätningen

gårut påattgöraettfrekvenssvepöverfrekvenserna 10-300Hz ochsamtidigtmätaden

resulterande spänningen över en känd impedans, se förklarande gur 3.9. Amplituden

berorblandannatpåkabellängd,impedansiandraänden o.s.v.Genomatttitta påden

uppmätta kurvans prol kan man avgöra om en larmsändare är spänningssatt eller ej.

Typ 1 Inkopplad - Kapacitansmät. ca 3.3uF

Spänningssatt - Frekvensanalys Resultat= Typ 1 spänningssatt Linjen hel, Larmsändaren inkopplad och

spänningssatt.

Typ 4 Inkopplad - Resistansmät. ca 10kOhm

Spänningssatt - Frekvensanalys Res.= Larmsändare spänningssatt

Typ 2 och 3 Inkopplad - Resistansmät. ca 10kOhm

Spänningssatt - Frekvensanalys Res.= Larmsändare spämnningssatt

Linjen hel men sändaren ej inkopplad.

Överlämningsmostånd

Linje hel men Larmsändare i högimpedivt läge (Endast en larmsändare inkopplad)

Typ 1 Ej detekterbart Resultat = Typ 1 spänningssatt

Typ 4 Ej detekterbart Resultat = Larmsändare spännigssatt

Typ 2 och 3 Ej detekterbart Res. = Larmsändare ejspänningssatt Linje hel men Avbrott larmsändare

Linje hel men Kortsluten larmsändare Linjen hel men larmsändare ej

spänningssatt

Överlämningsmotstånd - Resistansmätning Resultat= Överl. motstånd xxxxx Ohm

Resistansmätning < 3 kOhm (Ungefärligt avstånd till fel kan mätas) Resultat= Kortslutning vid ca XXXXm

Kapacitansmät. < 500nF Resistansmät. > 150 kOhm (Ungefärligt avstånd till fel kan mätas)

Res.=Avbrott vid ca XXXXm Typ 1 Inkopplad - Kapacitansmätning 3.3uF

Ejspänningssatt - Frekvensanalys Resultat= Typ 1 ej spänningssatt

Typ 4 Inkopplad - Resistansmät. ca 10kOhm

Ejspänningssatt - Frekvensanalys Res.= Larmsändare ej spänningssatt.

Typ 2 och 3 Inkopplad - Resistansmät. ca 10kOhm

Ejspänningssatt - Frekvensanalys Res= Larmsändare ej spänningssatt

Åsk skador Kan ge upphov till alla ovanstående tillstånd.

Linjefel - Avbrott på en branch.

(Trasig ledare eller fel i en kopplingspunkt)

Kapacitansmät. < 500nF Resistansmät. >150Kohm Obalans mellan brancherna < 40dB.

Resultat= Linjefel - Obalans XXdB

Linje hel men Multidropp (Flera larmsändare inkopplade)

Typ 1 Ej mätbart fall Resultat: Multidropp

Typ 3 och 3 Ej mätbart fall Resultat: Multidropp Typ 4

Ej mätbart fall Resultat: Multidropp Avbrott båda brancher (avgrävd linje)

Kortsluten linje

Mätmetoder och resultat för olika feltillstånd i fast uppkopplade larmnät

Mätmetoder

Resistansmätning Kapacitansmätning Frekvensanalys Obalansmätning (TDR- Puls reflex metod - MAX 2km)

Mätmetoder

Resistansmätning Kapacitansmätning Frekvensanalys Obalansmätning (TDR- Puls reflex metod - MAX 2km)

Figur3.1:Mätmetoderochmätresultat förolikafeltillstånd ifastuppkopplade larmnät.

Grunden i denna mätning ligger i att larmsändaren ändrar sin impedans beroende på

omden är spänningssatt ellerej.

Varförfrekvenser mellan 10-300 Hz? Att sålåga frekvenser användsberor på trans-

missionsledarens egenskapervid högrefrekvenser. Förlånga kablar påverkasmätningen

mycket redan vid frekvenser på ca 50 Hz. Det beror på att kabelparametrarna R,L, C

och G formar ett lågpasslter där brytfrekvensen är beroende av kabellängden. Efter-

som mätningar ska ske på kablar upp till ca 8 km så kan inte frekvenser över 300 Hz

användas.Igur 3.2är de tvåöversta kurvornamätningardär ingenting är inkopplat i

den ändaavkabelnsomlarmsändarensitter.Detendasomskiljerär attden övre acka

mätningenär vid enmeterkabelochdenandrakurvanär för ca5 kmkabel. Förattha

någotattrelateratillsåvisasäven någramätningardåenlarmsändareärinkopplad. De

tre mittersta kurvornaär mätningar då en larmsändare är inkoppladvid 5 km avstånd

och de tre nedersta är för samma larmsändare men vid en meterkabel. Man ser alltså

attmätningarna påverkasistor utsträckning beroende påkabellängd.

3.2.2 Resistansmätning

Metoden användshuvudsakligenför attdetektera omen larmsändareär inkoppladeller

ej (intetyp1).Detta genomatt detekteradet10 kmotstånd somsitter påingången i

Larmsändare Typ 3

15500 16000 16500 17000 17500 18000 18500 19000 19500 20000 20500

0 150 300

Frekvens (Hz)

Elektrisk sp ä nning = Amplitud*(5/32767) (V)

1m ejspänningssatt 1m högimp 1m spänningssatt 5km högimp 5km spänningssatt 1m obelastad 5km obelastad 5km ejspänningssatt

Figur3.2: Mätningm.h.a. avfrekvensanalys metoden.

allalarmsändareutomtyp1.Enfungerandetelelinjeharmerän150kmotståndmellan

ledarna (helst >3 M).En kortsluten telelinje kan också upptäckasmed denna metod.

Vid nyinstallationer så planerar Telia att lämna ett så kallat överlämningsmotstånd i

fjärrändan av tråden. Detta för att kunna se att telelinjen nu är klar och provkörd av

Telia, d.v.s. klar för installation av larmsändare. Detta överlämningsmotstånd kan de-

tekteras meddenna DC-resistansmätning, men det gäller attvälja dettamotstånd rätt

såattmankanskiljapåenkortsluten linje,larmsändaremed10kmotståndinkopplad

och om överlämningsmotstånd är inkopplat eller ej. (Lämpligt överlämningsmotstånd

kan varat.ex. 47k.) Mätmetoden fungerar som så att en generator skickar ut en DC-

signal medkänd amplitud. Genomatt mäta spänningen över ettkänt motståndR

i kan

den okända resistansenR

L

beräknasmedföljande formler(se g.3.3):

U

2

=U

G U

1

I = U

2

R

i

R

L

= U1

I

= U1

U

2

=Ri

= U1

(U

G U

1 )=R

i

= U1Ri

U

G U

i

Där:

U

G

=generatorns DC-spänning.

R

i

=inrekänd resistans.

R

L

=okänd last.

En annan fördel med mätmetoden är att sträckan, till en kortslutning eller en larm-

sändare (ejtyp1),kanuppskattas. Tyvärrförekommerolika diameterpå ledarna itele-

fonförbindelser och därmed måste man veta vilken diameter kabeln i fråga har för att

kunna uppskatta avståndet till felet. Teoretiskt går det att uppskatta kabellängden då

DC U_G

+

- +

-

U_1 R_L U_2

I R_i

+ -

Figur3.3: Schematiskbildöverresistansmätning.

en larmsändare utom typ 1 är inkopplad. Kravet är som sagt att man har en sluten

krets föratt avståndet ska kunnauppskattas och utöverdetfår ingaokända resistanser

nnas förutom den resistans som kabeln ger upphov till. Genom att en kabel har en

viss resistansR

0

permeterkan längdenuppskattas.I kapitel 3.1 påsidan 13 beräknas

resistansenförenvanligtelefonkabeltillca0.176permeter.Ifalletdåenlarmsändare,

med sitt 10 k motstånd på ingången, är inkopplad beror avståndsuppskattningen på

noggrannheten hos motståndet ilarmsändaren.

Beräkning aven larmsändares(ejtyp1) påverkan viduppskattning avkabellängd.

R

Uppm att

=R

Kabel +R

Larms a ndare ,R

Kabel

=R

Uppm att R

Larms a ndare

Där:

R

Larms a ndare

=10k1 %

Tolerans1 %ger100 .

Dessa 100 som resistorn i larmsändaren kan variera påverkar kabellängden med ca

500m,vilketinteäracceptabeltipraktiken.Mendetkaniallafallgeenngervisning

var felet kan nnas.

Varfördetinte gårattmäta resistansendåen larmsändaretyp1är inkoppladberor

på den kondensator som nns på ingången, som ger upphov till en öppen krets vid

DC-resistansmätning.

3.2.3 Kapacitansmätning

Metoden används i första hand till att detektera om larmsändaren typ 1 är inkopplad

eller ej. Ingångssteget i typ 1 är uppbyggt med en 3.3 F kondensator som är möjlig

att detektera m.h.a. av kapacitansmätning. En annan fördel är att kabellängden kan

uppskattas i det fall då ingen larmsändare är inkopplad. Vid avbrott på kabeln, kan

sträckan till avbrottet också uppskattas. Teoretiskt går detatt uppskatta kabellängden

ävendåenlarmsändareavtyp1ärinkopplad.Genomattmätakapacitansenpåenkabel

såkanlängdenuppskattas.Ikapitel 3.1påsidan13beräknaskapacitansenförenvanlig

telefonkabel till ca 50 pF per meter, där 20 meter kabel motsvarar ca 1 nF, vilket är

fullt möjligt att mäta.Praktiskt är det dock så stor osäkerhet att det är oanvändbart,

dettaberoendepåattmätningenblirberoendeavnoggrannheten hosinrekondensatorn

ilarmsändaren.

Beräkning avlarmsändaretyp1 påverkanvid uppskattning avkabellängd.

C

Uppm att

=C

Kabel +C

Larms anadre typ 1 ,C

Kabel

=C

Uppm att C

Larms a ndaretyp 1

Där:

C

Larms andare typ 1

=3:3F 10%

Tolerans10%ger330 nF.

Kondensatorn påingången ityp1 kan alltsåvariera 330 nFuppeller ner.Det påverkar

kabellängdenmed6000 m, vilket inteär acceptabelt ipraktiken.

Enannansaksompåverkar mätningenochdärmedavståndsuppskattningennegativt

är detmotstånd somnns iledningen.

Vid mätning av kapacitans, i fallet då en larmsändare typ 1 är inkopplad, ger den

transformatorsomnnspådessingångupphovtillenextrafördröjning.Dennafördröjn-

ing ger då upphov till ett mätfel eftersom tiden som kondensatorn laddas upp ingår i

formlerna för beräkning av kapacitans.

Detnns ettantal olika sätt attmätakapacitanspå.

Härbeskrivsfyra olikametoder:

1. Ladda upp kondensatorngenom ett känt motstånd (känd ström) och sedan mäta

spänningen överkondensatorn efteren visskändtid.

2. Ladda upp kondensatorn till viss spänning och sedan efter en viss känd tid mäta

urladdningsströmmen genom ettkänt motstånd.

3. Oscillator- låt kondensatorningåien svängningskrets och mätfrekvensen.

4. Mäta tidsfördröjningvid uppladdning medtriangelvåg.

Gemensamt för de olika metoderna är att det i detta projekt inte behövs bättre nog-

grannhet än 1 nF, vilket motsvarar en kabellängd på ca 20 meter. Valet blev metod 1

p.g.a. av attden är relativtenkelatt implementera både ihårdvara och mjukvara.Det

är också samma metod som Fluke använder i sina instrument för kapacitansmätning,

vilken visatsig fungerabra ide praktiskamätförsöken.

Metod 1

När enkondensator laddas uppgenom ett känt motstånd, gesspänningen över konden-

satorn avföljandeformel: Se gur 3.4.

v

C

=V

S



1 e t

RC



Om kapacitansenCbryts utfrån ovanstående formelfåsföljandeuttryck:

C=

t

Rln



1 V

C

V

S



Där:

v

C

=spänningen överkondensatorn vidtidpunkten t.

V

S

=batterispänning.

t =tiden,isekunder, som kondensatornladdats upp.

R =resistansenhosdetmotstånd somkondensatorn laddasupp genom.

C= kondensatornsvärde.

e =konstant 2.718.

Figur3.4: Kapacitansmätning metod 1.

Rentpraktisktgårmätningentillsåattenfyrkantpulsanvändssomdrivspänning,vilken

laddar uppkondensatornunderenvisskänd tid.Genomattmätaspänningen överkon-

densatornvidenvisstidpunkt,t,efterattuppladdningenharpåbörjatskankapacitansen

Cberäknasm.h.a.ovanstående formel.Förupprepade mätningarkanen fyrkantvåg an-

vändassom dåladdar upp och sedanladdar ur kondensatornperiodiskt. Det enda man

måste tänka på är att urladdningsfasen är tillräckligt lång så att kondensatorn hinner

laddasurordentligtinnannästapulskommerochladdaruppdenigen.Omurladdnings-

fasen inte är tillräckligt lång kommer spänningen över kondensatorn att byggas upp

(lågpassltreras) och mätningenkommer attge ettfelaktigtresultat. Idetta projekt är

detviktigtattfyrkantvågensfrekvensärlåg, dettaberoendepåattkabelparametrarna i

kabelnsom skamätaspå ger,somvisatstidigare,ettfrekvenssvarsomintetillåterhöga

frekvenser. Försök har gjorts med två stycken multimetrar, ett Fluke-instrument som

mäter vid ca 2 Hz fyrkantvåg och ett Tektronix-instrument som mäter vid ca 10 kHz.

Fluke-instrumentet visarrätt värdenmedanTektronix-instrumentetvisar helt felaktiga

värdenvidlångakablar.Detäralltsåresistansenochinduktansenikabelnsompåverkar

Tektronix-instrumentet negativt.Dennametodhar valtseftersom spänningärden enda

okändafaktorn vidmätning.Spänningärenstorhetsomärlätt attmätaochdärförbör

metoden gebäst resultat ochnoggrannhet.

Metod 2

Denna och efterföljande kapacitansmätmetoder beskrivs inte lika ingående som metod

1. Här visas att det nns andra metoder att använda än den valda metod 1. I denna

metod mäter man, istället för som metod 1 spänningen över kondensatorn, strömmen

som kondensatornladdas uppmed efteren visskänd tid.

i

C

=



V

S

R



e t

RC

Där:

i

C

=strömmen som kondensatornladdas uppmed viden visstidpunkt t.

V

S

=batterispänning.

t =tiden somkondensatorn laddats upp.

R =resistansenhosdetmotstånd somkondensatorn laddasupp genom.

C= kondensatornsvärde.

e =konstant 2.718.

Figur3.5: Kapacitansmätning metod 2.

Metod 3

Mätmetodeninnebärattmanlåterdenokändakapacitansenvaraettelementiensvängn-

ingskrets. Om övriga element i svängningskretsen är kända och frekvensen för svängn-

ingskretsen mäts kan den okända kapacitansen ganska lätt beräknas. Metoden är bra,

men inte i detta projekt. Att metoden inte är lämplig beror på att för att få bra nog-

grannhet måstesvängningsfrekvensen varahög. Högafrekvenserär,som visatstidigare,

ett avproblemen vidfjärrmätning via enlångkabeloch alltsåär metodenintelämplig.

Om den andraaktivakomponenten förutom den okända kondensatornär en induk-

tans beräknasden okända kapacitansenur följandeformel:

f = 1

2

p

LC

Där:

f =resonansfrekvensensom svängningskretsen svängermed.

L =kändinduktans somingår som andraelement isvängningskretsen.

C= okänd kapacitans.

Metod 4

Denna metod går ut på att genom ett känt motstånd R ladda upp en kondensator

med en triangelvåg. Genom att mäta tidsskillnaden mellan det att generatorn uppnår

en viss spänning tills spänningen över kondensatorn är densamma, kan kapacitansen C

beräknas.Härär detalltsåbåde spänningenochtidsommåstemätas,vilketgörmetod

1 merlämplig. Kapacitansenberäknassom:

C= T

2 T

1

R

Där:

T

1

=tidpunkt [s] dågeneratorspänningen är V.

T

2

=tidpunkt [s] dåspänningen överkondensatornär V.

R =resistansenhosdetmotstånd somkondensatorn laddasupp genom.

Triangelvåg C generator

R

Vc Vg

+

- -

+

Figur3.6: Kapacitansmätning metod 4.

3.2.4 TDR - Time Domain Reectometry

Metoden med TDR har den fördelen att man på ett teoretiskt sätt ganska lätt kan

bestämmavar felaktigheter nns utefter enkabel.Metoden fungerar såattmanskickar

ut en mycket kort puls som utbreder sig i kabeln och reekteras ide punkter där man

har impedansförändringar. Det är de reexer som uppstår som man mäter och sedan

analyserar.Fördelarna ärattmankanseeraimpedansförändringarochvardebenner

sig utefterkabeln.Detvillsägaatt avbrott, kortslutningar, impedansförändringar o.s.v.

kan upptäckas.Genom attmäta den tiddettarfrån det attmanskickar ut pulsen tills

reexenkommertillbaka,kanmanräkna uthurlångt avstånddetär tillfelet.Metoden

hardocknågranackdelarochdetärattpulsenkanberoendepåkabellängdenvaramycket

kort (ner till nanosekunder), vilket då krävermycket snabba A/D-omvandlare. Är den

utsändapulsen förlånginnebärdetattpulsensänds utsamtidigtsomden reekterande

signalenåtervänderochresultatetblirattsmåimpedansförändringargömsidenutsända

signalen. Kortakablarkräverkortpuls, eftersomdettarkorttidförsignalenattpassera

genomkabelnochsedanreexterastillbaka.Ienlångkabelkanpulsenvaralängrep.g.a.

attmanvillsändautsåmycketenergisommöjligtförattsignaleninteskahinnadämpas

ut innandenreexterastillbaka.Men detgör dåattfelsomliggernära kandöljasiden

långa utsända pulsen.Detta kan enkelt lösas genomatt manbörjar medatt mätamed

en kort puls för att kunna upptäcka fel som ligger nära och sedan öka pulslängden för

attupptäcka fellängre bort.

Denstörsta nackdelen somgjordeattdet var omöjligt attanvända metoden idetta

projekt var attpulsen som är mycket kortoch som då innehåller mycket höga frekven-

skomponenterdämpas mycketidenkabelsomskaanalyseras.Praktiskamätningarvisar

att den reekterade pulsen är mycket dämpadvid redan 400 meter kabeloch vid 5 km

omöjlig att se. Det visar att de kabellängder som är aktuella (upp till 8 km) är näst

intillomöjligaattmätapå.Datablad[15 ]påkommersiellaTDR-instrumentvisarattde

klarar sträckor ioptimala falletupp till2 km.Metoden ck alltsåanses varaolämplig i

dettafall,mendethadevaritönskvärtattkunnamätaavståndettilldetfelsomuppstår

ochsedandåalltfungerarkunnamätaochjämföradetmedavståndettillenfungerande

larmsändare.

3.2.5 Obalansmätning

Obalans i en tvåledare kan uppstå på grund av t.ex. vatten i kabeln, skarvar, ej per-

fekt partvinning mellandetvå ledarna,åldring avkabelisolering,olikalängdpå ledarna

(avbrott på ena ledaren) o.s.v. Problem som överhörning och störningar är vanligt vid

obalansiparet.Störningarsomplockasuppaventvinnadparledareärnormaltavtypen

commonmode,d.v.s.störningenärdensammapåbådaledarna.Ledarnaärtvinnaderunt

varandra just för att störningarna som plockas upp ska vara identiska i båda ledarna.

Normalt settär detingaproblemattstörningar avcommon mode typuppståreftersom

modemochtelefonerär anpassadeför attreducera dennatypavsignaler.Menvidobal-

ans iparet överförs den normalacommon mode störningen till en dierentiell störning,

d.v.s. en störning som inte är lika på båda ledarna. Störningen blir då av samma typ

sominformationensommanvillöverföraöverparetochställer därförtillmedproblemi

mottagaren.DärförkanobalansmätningellerLongitudalBalanceMeasurement,somdet

heter påengelskaanvändasför attmäta uppen formavgodhetstalför paret. Ju bättre

balans detär i paret, desto bättre anses paret vara. Ledningar för vanlig telefoni mäts

vid ca 1KHz (mitten av frekvensbandet), ISDNvid 40KHz,ADSL upp till1 MHz.Ju

bredbandigaresignalsomskaöverförasöverparetdestohögreuppifrekvensmåsteman

göra sinobalansmätning.

Hurkan mandågenomföra en obalansmätning avett ledningspar?

Det nns tvåolika mätmetoder:

 Far-End Mode, mätningenutförs från bådaändar avkabeln.Se gur 3.7.

 Near-End Mode,mätningenutförs från ena ändanavkabeln.Se gur 3.8.

Detsomskiljerdetvåmetodernaärattiena fallet(Far-EndMode)skickasmätsignalen

iniena ändan avkabelnoch resulterandesignalnivå iandra ändan mäts. Iandra fallet

(Near-End Mode) skickar man ut mätsignalen och mäter resulterande signal i samma

ände avkabeln.

Rentpraktisktgårmätningentillsåattenheltbalanserad(sammafasochamplitud)

sinussignal matas mellan kabelparet och stations jord d.v.s. ena ledaren på signalgen-

eratorn kopplas tilljord och den andra via två matchade motstånd till var sin ledare i

paret.Motståndensvärde,skaenligt[7],motsvarahalvakabelimpedansen.Typisktvärde

för kabelimpedansenär 150 ohm. Dendierentiella spänning som uppstår överparet är

proportionellmot obalansen.Förhållandet mellandenna dierentiella spänningochden

sändacommonmodesignalengerdetvärdesomkallasobalansochpresenterasidecibel.

Ju störrevärdet bliridBdesto bättrebalans harmaniparet.Teliahar enligt[8]40 dB

obalans som gränsvärde förtjänligt och icke tjänligtpar.

Obalans=20log

10 V

Common mode

V

Differentialmode

!

(3.1)

Termineringsmotståndet R som visas igur 3.7 och gur 3.8 kan utelämnas vid mät-

ningar dåvåglängden är mycketlängre än kabellängden.

Problemmeddennamätmetodärattdeninte täckerdefalldåsammafeluppstårpå

bådaledarnaiparett.ex.dåbådaledarnaäravgrävdapåungefärsammaställe.Däremot

upptäcks felsåsomavbrottpåenaledaren,kontakttillenannan ledare,kortslutningtill

jord, vatten i kabeln, åldrande isolation o.s.v. Sammanfattningsvis kan man säga att

metoden är bra föratt avgöra kvaliteten på etttvinnatkabelpar.

Sinus V

generator

R/2 R/2

R

Figur3.7: Mätuppkoppling (Far-End Mode)vid obalansmätning.

V

Sinus generator

R/2 R/2

R

Figur3.8: Mätuppkoppling (Near-End Mode) vid obalansmätning.

3.2.6 Brister med mätmetoderna

Figur 3.1 visar mätmetoder och mätresultat för olika feltillstånd i fast uppkopplade

larmnät. Figuren visar bland annat att två olika tillstånd kan ge upphov till samma

resultat, samt attvissa tillståndkange upphovtillfelaktigt resultat.Försthar vi fallet

avbrott.

Avbrott kan uppstå i teleförbindelsen till larmsändaren eller direkt i larmsändaren

t.ex. genom attnågon ledningsbanaeller komponent brännssönder avt.ex. åsknedslag.

Problemet här är att instrumentet inte, medtillräckligt hög noggrannhet, kan säga om

det är avbrott i teleförbindelsen eller i larmsändaren. Det kan bara konstatera att det

nns ett avbrott och uppskatta ett avstånd till felet. Detta p.g.a. att det inte går att

mäta avståndet tillfelet medtillräcklig noggrannhet.

Samma sakgäller ifalletmedkortslutning dåinstrumentet intekan,medtillräcklig

noggrannhet, mäta omdet är telelinjen eller larmsändaren som är kortsluten. Denkan

barakonstatera attdetär enkortslutning påvägen tilllarmsändarenochuppskattaett

avståndtill felet. TDR-mätmetoden var tänkt till attjust mäta avståndet till felet och

kunnajämföra detmedavståndet tilllarmsändarenoch påsåsättta redapåomdetär

larmsändareneller telelinjen somär felaktig.Men dåfysikenslagar sätterstoppför den

mätmetodengickinte detproblemet attlösa.Detnns helleringenmöjlighetattdetek-

teraomenlarmsändareärihögimpedansläge.Detberorpåattlarmsändareninteändrar

sinimpedansifrekvensområdet0-300Hz dådensättsihögimpedansläge,d.v.s.frekven-

sanalysensernästanexaktutpåsammasättdålarmsändarenärihögimpedanslägesom

ejhögimpedansläge.Detinnebärattresultatetblirdetsammasomomdenintehadevarit

ihögimpedivläget. Omtyp2 larmsändareärihögimpedivläge kommerinstrumentetatt

geettfelaktigtresultatberoendepåattlarmsändarenihögimpedanslägegerenfrekven-

sanalys som liknar den för fallet då den ej är spänningssatt och resultatet blir alltså ej

spänningssatt.

Sistafalletsomställertillproblembyggerpåsammasomovanståendedålarmsändar-

naär ihögimpedansläge,menifalletmedmultidroppd.v.s.eralarmsändareinkopplad

på samma telelinje så blir frekvensanalysen omöjlig. Det beror på att larmsändarna

har olika tillståndochdärmed blir resultatetnågon kombinationavde olikatillstånden

ochresultatetblir med storsannolikhet felaktigt. Däremotkaninstrumentet idet läget

detektera hurmånga larmsändaresom är inkopplade imultidroppläget.

3.3 Simuleringar

För att få en uppfattning omhur frekvenssvaret är för olika kabellängder såhar simu-

leringar gjorts av en transmissionsledare med olika längd i Pspice. I Pspice nns ett

block som heter T2coupled, vilketjust är en parledare där hänsyn tas till bland annat

dämpning, tidsfördröjningar och kabelparametrar. Kabelparametrarna beräknades en-

ligt kapitel3.1Frånsimuleringarnainsågssnabbtattfrekvensanalysovanför300Hz inte

kommerattvaramöjlig.Resultatenfrånsimuleringarnastämmerganskabraöverensmed

senare praktiska försökpå en riktig telelinje på ca 5 km.Som guren3.9 visaranvänds

karaktäristiska impedansen som inreimpedansför generatorn, detta för attreektioner

ej ska ske vid generatorn. D.v.s. inre impedansen är anpassad efter den karaktäristiska

kabelimpedansen. Igurenvisas ocksåenlast bestående avkaraktäristiskaimpedansen.

Observeraattdennalast ejärinkoppladifalletförsimuleringarmedobelastadtelelinje.

Figuren3.10visarsimuleringmed10kmkabeldärenaändanäröppen,d.v.s.obelas-

tad. Här synsatt kabelimpedansen börjar påverka vid sålåga frekvenser som ca 50 Hz

(DetärV(utsignal)somärdensignalmanärintresseradav.).Förattlättarekunnajäm-

föra de praktiska mätningarna mot simuleringarna visas en simulering, med 5km kabel

ochmedlinjär frekvensskala,igur 3.11.

3.4 Praktiska mätningar

Underprojektetharen delmätningarutförtspå enca 5kmlångkabel.Tyvärrhar inte

tidoch möjlighetfunnits förattåkautifältoch prova instrumentet undermer verkliga

förhållanden medvarierandemätmiljöer, varierandekabellängder och kabeltyper.

Gemensamt för alla mätstegen är att alla måste kalibreras, vilket till viss del beror

på inexakta inre referensmotstånd. Största orsaken till behov av kalibrering är de 4066

switcharsomanvändsförattkopplainochurolikamätsteg.Resistansenidessaswitchar

berorblandannatpåmatningsspänning.Dennaresistanskanuppgåtillca1k.Eftersom

inre resistansen för vissa mätsteg är 1 k, har det motstånd som 4066 switcharna ger

upphov till stor betydelse. Men det är ju helt naturligt att ett mätinstrument måste

Figur 3.9:SimuleringavtransmissionsledareiPspice.

kalibreras. I detta fallet har det visat sig attresistansen i4066 switcharna ligger på ca

280 . På CPUkortetnns ett EEPROMdär kalibreringsvärdenkanlagras.

Enda stegetsominte behöverkalibreras är frekvensanalysenberoende påatt där är

det inte direkt amplitudnivåer som detekteras utan bara egentligen kurvformen. A/D-

omvandlaren som är på 14 bitar ger även upphov till ett kvantiseringsbrus, men som

inte påverkar i så stor utsträckning. Vid resistansmätning, i fallet där inre resistansen

i mätsteget är 1 k, ger kvantiseringsbruset upphov till ett fel på ca 0.1 . Även vid

kapacitansmätning ärkvantiseringsbruset försumbart.Exempelvisvid mätningaven15

nFkondensator gerkvantiseringsbruset upphovtill ettfelpå max ca2.5 pF.

Sammanfattningsvisomdepraktiskamätningarna kansägasattstörstafelorsakerna

ligger ikalibrering avsjälvainstrumentet och temperaturdrift hoskomponenter.

3.4.1 Frekvensanalys

I följande gurer 3.12, 3.13, 3.14 och 3.2visas frekvensanalysmätningar för olika kabel-

längder(1moch5km)förolikabelastningariformavolikalarmsändare.Somjämförelse

nnsenPspice-simuleringfören5kmlångkabeligur3.11. Vadmankanseigurerna

är att frekvensanalysen skiljersig mellan olika larmsändare. Telelinjen har stor negativ

betydelseförmätningarna,julängrekabeldestosvårareblirdetattskiljaspänningssatt

larmsändarefrånejspänningssattlarmsändare.Gemensamtförmätningarnaärattnivån

på signalen beror avkabellängden och därmed kan man inte detektera nivåer utan det

enda som kan detekterasär kurvformer.

Figur3.10: Simuleringsresultat för 10 km transmissionsledareiPspice.

Vadikurvformendetekterasförspänningssattrespektiveejspänningssattlarmsändare?

Igurerna 3.13, 3.14och3.2är lutningenkför tangentenpåkurvan,frånca 150 Hztill

300Hz,negativdålarmsändarenärspänningssattrespektivepositivförejspänningssatt

larmsändare. Detta gällerdock ej larmsändaretyp 1där iställetett mycket tydligt knä

(segur 3.12)uppstårikurvformenvidca50Hz,förej spänningssatt.Omtyp1istället

ärspänningssattuppståraldrigdettaknä.Ävenförfalletmed5kmkabelsermanganska

tydligtskillnadförallatyperavlarmsändare.Kabellängderupp tillca 8-10kmbörvara

möjligt attdetektera omen larmsändareär spänningssatteller ej.

3.4.2 Obalansmätning

Obalansmätningen äroberoendeavinreresistansenRiinstrumentetpågrundavattdet

ärförhållandetmellanutsändsignalinikabelnochdierentiellaspänningen,somuppstår

från obalansen,sommäts.Däremotpåverkarinreresistansendynamikeniinstrumentet,

det vill säga hur stora och små obalanser som kan mätas. Praktiska försök visar att 1

k, som är valt, är lite för stort och ett halverat värde på ca 600 hade nog varit ett

lämpligare värde. Gränsen, enligtTeliasparprovare[8 ],är 40dBobalans företttjänligt

och otjänligtpar. Om kabelnsom skamätas har en kapacitans mot jord på 100 nF för

ena ledaren och101 nFför andraledaren,gerdeten obalanspå 1%d.v.s.40 dBenligt

formel3.1.Praktiskmätningmedsimuleradledningm.h.a.avenkondensatorpå100nF

ochen på101 nFgerett resultat på40.37 dB,vilketalltsåstämmer mycket bra.

Det har även visat sig att en del obalans uppstår i instrumentet p.g.a. inre kapac-

Figur3.11: Pspice-simulering aven 5km transmissionsledare.

Larmsändare Typ 1

16500 17000 17500 18000 18500 19000 19500 20000 20500

0 150 300

Frekvens (Hz)

Elektrisk sp ä nning = Amplitud*(5/32767) (V)

ejspänningssatt 1m ejspänningssatt 5km Obelastad 1m spänningssatt 1m obelastad 5km spänningssatt 5km högimp 1m högimp 5km

Figur3.12: Frekvensanalys 0-300Hz för larmsändaretyp1.

Larmsändare Typ 4

15500 16000 16500 17000 17500 18000 18500 19000 19500 20000 20500

0

150 300

Frekvens (Hz)

Elektrisk sp ä nning = Amplitud*(5/32767) (V)

1m ejspänningssatt 1m högimp 1m spänningssatt 1m obelastad 5km ejspänningssatt 5km högimp 5km spänningssatt 5km obelastad

Figur3.13: Frekvensanalys 0-300Hz för larmsändaretyp4.

Larmsändare Typ 2

15500 16000 16500 17000 17500 18000 18500 19000 19500 20000 20500

0

150 300

Frekvens (Hz)

Elektrisk sp ä nning = Amplitud*(5/32767) (V)

1m ejspänningssatt 1m högimp 1m spänningssatt 5km ejspänningssatt 5km spänningssatt 1m obelastad 5km obelastad 5km högimp

Figur3.14: Frekvensanalys 0-300Hz för larmsändaretyp2.

itanser och resistanser. Den resistiva egna obalansen har åtgärdats genom att göra en

obalans av förstärkningen i instrumentförstärkaren. Den inre kapacitiva obalansen ger

upphovtill en fasförskjutningsom även den gerupphov till enobalansspänning ut från

instrumentförstärkaren.Problemet harkompenseratsgenomattförändrakapacitanseni

RF-ltret på ingången tillinstrumentförstärkaren. Se även kapitel3.5.9 för beskrivning

avhårdvarudelen för obalansmätningen. Det är mycketviktigt attinstrumentet är helt

balanserat för attannarskommer mätresultatetattberopåvilkenväg kabelnär inkop-

plad till instrumentet. I ena fallet ges ett resultat som är sämre än kabelns egentliga

obalans och iandrafalletgesen obalans somär bättre än kabelns egentliga obalans.

Internobalans iinstrumentetochegenbruset medförattobalansnertill55-60dBär

möjligatt mäta,vilket ärfullt godkänt.

3.4.3 Resistansmätning

Eftersom ett brett resistansområde (ca 0-100 k) måste kunna mätas, krävs att olika

mätsteg används. Exempelvis visar mätningar för första mätområdet 0 till ca 2 kett

mycketexaktochlinjärtmätresultat.Endastettfåtalohmskiljervidmätningöverhela

mätområdet,vilketärbra.Förhögreresistanser än2k,dåettmätstegmedhögreinre

resistansmåsteanvändas,blirmätfeletnaturligtvisstörre,mendäremotprocentuelltblir

felet intemycket större.

3.4.4 Kapacitansmätning

Härhardetvisatsigattdetärmycketviktigtattingenströmtillförsmätningenförutom

via detinkopplademätsteget. Försmå kondensatorer handlar detommycket små mät-

strömmarochdärför påverkasmätningenmycket omnågonliten strömkan komma ini

mätningen förutom via det aktuella mätsteget. Ett sådant problem var att det gick en

litenströmviamätsteget förbatterispänningsmätningen.Detberoddeheltenkeltpåatt

spänningen från spänningsmatningen in till mätsteget för mätning av batterispänning

varhögreändetillåtna5V.Signalensamplitudfårintevarahögreänmatningsspännin-

gen tilldeingåendekomponenterna iinstrumentet, d.v.s.max5volt. Dettagavupphov

attenströmbörjadegågenom4066switchenförbatterispänningsmätningen.Problemet

löstesenkeltgenomattalltidaktiveraden spänningsdelaresomanvändsför attdelaner

spänningen vidspänningsmätning. Detgerdå isinturupphovavattinstrumentetdrar

litemer ström, men detkanenkeltåtgärdas genomatt höja motståndet ispänningsde-

laren såattdenna strömblir försumbar.

Somi resistansmätning krävs här olika mätsteg för olika mätområden. Sedan kryp-

strömmen frånbatterispänningsmätningsstegetåtgärdats,gerkapacitansmätningen bra

mätresultat.Bara någon enstaka nanofaradfelvid mätningiF-området, vilket ärmy-

cketbra.

3.5 Hårdvara

Linjedelen av hårdvaran d.v.s. den del som kopplas mot telefonlinjen har ett krav på

sig och det är att den måste ha ett frekvenssvar som klarar allt från DC-signaler till

högfrekventa signaler. Detta beroende på att t.ex. resistansmätningen använder sig av

DC nivåvid mätningenochkapacitansmätningen använder sigavfyrkantvåg,vilkenin-

nehållermyckethögafrekvenserförattåstadkommaskarpaövergångar/ankerifyrkantvå-

gen.Därför kan varkenentransformator användasellerkapacitiv koppling.Detisintur

medför att instrumentet aldrig kommer att kunna uppfylla kraven för gällande tele-

standarder. Därför måste instrumentet kopplas in m.h.a. av två stycken reläer. Dessa

reläergörattinstrumentetblirgalvanisktåtskiltfråntelelinjen(närreläernaärfrånkop-

plade). För mätändamål är det dock möjligt och tillåtet att koppla in ett instrument

underen kortare tidför attmäta på förbindelsen.

I övrigt har ingångssteget både transientskydd mot transienter som kommer från

telelinjen, samt skydd motsignaler med höga spänningstoppar. Allt för att inteinstru-

mentet ska ta skada vid störningar och höga spänningar på telelinjen. På kortet ingår

förutom linjedelenmedsinamätsteg,MUX,spänningsmatning,relästyrningochRS232-

optointerface.CPU-kortmeddisplayochknappsatsanvändsomodieratfrånetttidigare

projektochäralltsåingetsomutvecklatsidettaprojekt.Docknnsenenkelbeskrivning

övervaddetkortetinnefattar pga.attmjukvarautveckladidettaprojektär tillvissdel

beroende av hårdvaranpåCPU-kortet.

Detfärdiga linjedel/mätedelensPCB-kortmedistortsettalla komponentermonter-

ade visas igurenpåförsta sidan.

3.5.1 Schema

Schemat är ritat i PADS Power Logic, som tillsammans med PADS Power PCB och

PADSblazerouter gerettkomplettochkraftfulltpaket för att ritaschema och kretsko-

rtslayout.SchematsomåternnsibilagaAäruppdelatpåfyrablad.Förstasidanbestår

av spänningsmatning för hela instrumentet både innefattande linjedel, DSP-kort o.s.v.

Andra sidan är linjedelen medde olika mätstegen. Schemat är ganska stort och omfat-

tandevarfördeolikaingåendedelarnaharbeskrivitsingåendeidelblock.Påtredjesidan

relästyrning, RS232-optointerface samt kontakt mot DSP-kort. Fjärde och sista sidan i

schemat visar MUXen.Alla delblockär närmare beskrivnainedanstående delkapitel.

3.5.2 Blockschema

Figur 3.15visarigrovtvilkadelarsomingår imätdelenavinstrumentet.Idennaförsta

fas meden handhållen batteridriven prototypkommeroptoisolations barriären inte att

behövas mot processordelen. Optobarriären är till för att skilja instrumentets mätdel

ifrån galvanisk koppling mot jord. Om mätdelen skulle vara inkopplad galvaniskt till

jord kanstörningar och andraproblemuppstå. Eftersominstrumentetblir batteridrivet

såblir helainstrumentet ytande iförhållandetilljord ochbarriären kan utelämnas.

Mätsteget består av 6 olika mätsteg. Ett för frekvensanalysen, fyra för resistans-

mätning ochkapacitansmätning ochett för obalansmätningen. Dessaolika mätstegkan

kopplas in efter behov m.h.a. av en MUX som styrs från processorn. Mätsignalen gen-

eras frånD/A-omvandlaren icodec ochsignalenmäts m.h.a.A/D-omvandlaren icodec.

Ytterligare ett mätblock - högimpediv linjelyssning nns inlagt för att på en framtida

versionhamöjlighetattlyssna ocheventuelltanalysera datatraken motlarmsändaren.

Kopplingenkanävenanvändasförattlyssnaefterluckoridatatrakendärdetärmöjligt

attgåinochutföraendelmätningarsomintetarlångtidoch därmedutanattpåverka

bentlig datatrak. Kopplingen är högimpediv för att inte påverka/belasta signalen i

kabeln.Nedanbeskrivsvarjedelblockför sig.

3.5.3 DSP-kort

DSP-kortet är utvecklat ietttidigare projekt och är baserat på en16 bitarsDSP (Dig-

ital Signal Processor) ADSP2181 från Analog Devices. Processorn är kraftfull och kan

enligt databladet [6] köras med en intern frekvens på upp till 40 MHz. Processorn har

Opto Isolations

Barriär CLKOUT

RFS0/TFS0 SCLK0 RESET DT0

DR0

Mätsteg 1 Frekvensanalys

Mätsteg 2 Resistans/Kapacitansmätning

Mätsteg 3 Resistans/Kapacitansmätning

Mätsteg 4 Resistans/Kapacitansmätning

Mätsteg 5 Resistans/Kapacitansmätning

Mätsteg 6 - Obalansm.

MUX

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 Buffertsteg A/D

Mätsteg 6 - Obalansm.

IOWR_A OE

DGND

Linje

Blockschema linjedel

Transient skydd

Buffertsteg D/A

Processor Högimpediv linjelyssnare

Codec A/D

Codec D/A

Figur3.15: Blockschema linjedel.

ett internt RAM-minne på 16 kB. Programminnet är ett externt ashminne 27F010 (1

Megabit(128Kx8-bit),CMOS5.0Volt-only,UniformSectorFlashMemory),sompro-

grammeras seriellt via RS232-optointerfacet. Vidare nns på kortet en knappsats, två

raders matrisdisplay,utgångar(mux)förstyrningavMUX:en.TilldettaDSP-kortnns

även en anpassadinstrumentlåda,där både CPU-kortoch mät/linjedelkortet får plats.

3.5.4 Codec D/A och A/D

Kopplingen, igur3.16, baseraspåcodecTLC 320AC01frånTexasInstruments.Codec

är egentligen bara en kretsinnehållande 14 bitarsD/A- och A/D-omvandlare samt an-

tivikningslter i en och samma krets. Denna codec valdes p.g.a. av att den klarar att

generera och läsa in de signaler som behövs för de olika mätningarna. Den är smidig

i och med att både D/A, A/D och antivikningslter nns i samma krets. Största or-

saken till valet är att codecen är använd i era tidigare projekt på Fält Elektronik.

Bland annat sittersamma typavcodec ilarmsändaren typ1 som också har en proces-

sor isamma DSP-familj (ADSP-21xx). Detta gjordeatt kommunikationen mellan DSP

och codec snabbt kunde komma igång utan alltför stort arbete och problem, då en del

källkod kundeåteranvändas. Codecen har seriellkommunikation mot DSP:n och klarar

att sampla med en max frekvens på 43 kHz. Alla inställningar angående antiviknings-

lter, samplingsfrekvenser o.s.v. nns bra och enkelt beskrivna i databladet [11]. Även

dessa inställningar överförs till codec:en via det seriella gränssnittet. Referenssignalen