CN108008196B - 一种通信电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置及方法，包括正弦波信号发生模块，被配置为通过DDS技术产生可调频的正弦信号作为测量信号源；可调功率放大模块实际需求调整测量信号发射功率大小，电流采样模块通过对测量信号的输出电流进行采样和计算，最终得到测量信号的电流值，进行接地电阻的计算；电阻计算模块通过得到的测量电流值和功率值，使用欧姆定律，计算得到当前的电阻值。

Description

一种通信电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种通信电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置及方法。

背景技术

通信电缆是指用于近距离音频通信和远距离高频载波数字通信及信号传输的电缆。

在专网通信网络中，对电缆屏蔽层的接地电阻进行有效的监测有重大的意义。

其一，确保信息的安全。有线通信中电缆屏蔽层用以有效地遮断内部线芯向周围环境的电磁波发射，而屏蔽层屏蔽效能的发挥的重要前提之一，是屏蔽层接地良好。

其二，保证通信质量和可靠性。来自电缆外部的电磁干扰，将影响语音通信的质量并造成数据通信的误码。屏蔽层在阻止内部电磁信息向外发射的同时，也阻止外部电磁辐射的侵入。良好的屏蔽层接地可保证电缆屏蔽层所吸收的能量安全导入大地，确保不造成新的电磁辐射。

其三，保障人员和通信设备的安全。在发生雷电时，接地性能良好的屏蔽层能够有效地将雷电形成的散流导入大地，从而最大限度地减轻雷电对人身安全和通信设备的危害。

因此在专用通信网络领域，为了保证通信的安全性，通常需要对整个通信线路与外界环境做电磁隔离，所采用的方法一般是：将通信电缆屏蔽层进行单端(一般是电信局端)接地，并且将电缆末端(用户端)屏蔽层尽量无缝连接到分线箱的金属外壳上；这样可以实现通信线路从电信局到用户端的完全屏蔽，使通信过程中产生的电磁信号尽可能少的泄露到外部，保证了通信的安全性。

而在日常线路维护过程中，维护人员需要定期测量用户端的电缆屏蔽层相对于电信局端大地的接地电阻，也就是屏蔽层的远端接地电阻；使用的方法一般是仪表测量法。

仪表法监测接地电阻共同存在的问题：1)无法实现实时在线监测；2)测量精度易受人为因素影响；3)测量所带来的交通、人力成本高。

在很多情况下，用户端屏蔽层不具备接地条件或者不允许屏蔽层接地，仪表测量法所需要的测量环境难以搭建，最终也会导致无法进行远端接地电阻的测量；另外，目前没有可用方法实现远端接地电阻的自动测量。

中国发明专利，专利号为“201210370990.9”一种接地性能监测系统及通信电缆屏蔽层动态监测的方法，通过测量屏蔽层与线芯间的电容，能够较好地表征屏蔽层的完整性，特别是能够测出并定位屏蔽层的开路性破损。但是其并未对电缆维护人员所关心的用户端屏蔽层相对于局端的接地电阻进行监测。

发明专利号为“201510574308.1”基于复阻抗测量的电缆屏蔽层接地性能监测装置及方法，发明了一种通过在线测量屏蔽层对大地的复阻抗，可以测出屏蔽层老化，锈蚀和非开路性破损，以保障通信信息的安全性，通信质量的可靠性的装置和方法，其原理是通过测量屏蔽层和大地之间的复阻抗来评估屏蔽层的完整性，当屏蔽层有破损时，会导致该位置的电缆屏蔽层与大地之间的分布阻抗发生变化，因此虽然其能够对电缆屏蔽层的完整性进行监测和故障定位，但是无法测得用户端的电缆屏蔽层对电信局端大地的接地电阻值，也就无法衡量电缆屏蔽层对噪音或者雷电能量的吸收能力。也就是说，该专利也是没有对远端接地电阻指标进行有效监测。

发明内容

本发明为了解决上述问题，本发明提出一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置及方法，通过该装置进行自动测量及测量结果的上传，可实现远端接地电阻的实时在线监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置，包括：

正弦波信号发生模块，被配置为通过DDS技术产生可调频的正弦信号作为测量信号源；并同时将产生的交流测量信号同步输入到电阻计算模块。

可调功率放大模块，被配置为根据实际需求调整测量信号发射功率大小；

电流采样模块，被配置为首先对测量信号的电流进行信号调理，使其在ADC 的输入动态范围内，然后对测量信号的矢量电流进行采样；

电阻计算模块，被配置为首先对外部输入的测量信号的矢量电压信号进行 ADC采样，然后结合矢量电流信号的AD采样值，计算得到时域上分布的阻抗值，然后通过傅里叶变换将时域阻抗分布变换到频域，得到该频率点的阻抗值；最后通过阻抗的幅度和相位，计算得到电阻值电抗值，并将电阻值发送给MCU控制模块；

MCU控制模块，被配置为连接有正弦波信号发生模块、可调功率放大模块和电阻计算模块，对上述模块进行调度、协调控制，以实现测量信号的产生和放大，同时控制电阻计算模块进行接地电阻的计算；

信号隔离模块，被配置为将测量装置与外部测量环境进行隔离的装置，防止外部复杂环境造成电路板的损坏。

进一步的，所述测量装置设置在通信电缆的用户端的分线箱内。

进一步的，所述测量装置的测量信号输出端与通信电缆的一对线芯和屏蔽层相连接。

更进一步的，通信电缆的电信局端的一对线芯接地，同时屏蔽层也接地。

进一步的，所述信号隔离模块为低阻抗隔离变压器。

一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量方法，具体包括以下步骤：

(1)MCU控制模块控制正弦波信号发生模块产生某一固定频率的正弦测量信号，并输入到可调功率放大模块；同时，将测量信号同步输入到电阻计算模块；

(2)MCU控制模块控制可调功率放大模块调节正弦信号到设定功率，经过信号隔离模块耦合到待测负载电缆中；

(3)电流采样模块对功率放大模块中的测量信号的电流进行采样，并进行 ADC转换，然后发送给电阻计算模块；

(4)MCU控制模块控制电阻计算模块，首先对外部输入的测量信号的矢量电压信号进行ADC采样，然后结合矢量电流信号的AD采样值，计算得到时域上分布的阻抗值，然后通过傅里叶变换将时域阻抗分布变换到频域，得到该频率点的阻抗值；最后通过阻抗的幅度和相位，计算得到电阻值电抗值；将得到的电阻值减去电缆线芯在该长度下的分布电阻值，最终得到远端接地电阻值，并将该电阻值发送给MCU控制模块；

所述步骤(1)中，将测量装置安装于用户端分线箱内，电缆末端在进入分线箱时，要保证电缆屏蔽层与分线箱的紧密连接。

所述步骤(1)中，通信电缆的电信局端的一对线芯接地，同时屏蔽层也接地；

所述步骤(4)中，阻抗的测量采用矢量电压电流法，在稳态时，阻抗定义为电压和电流的矢量比，因此矢量电压电流的方法是将测试信号电压加到被测件，测量信号电流流过被测件，然后由电压和电流矢量之比计算测试端阻抗。使用快速傅里叶变换(FFT)将采集到的一系列时域信号映射到频域，进而获得频域阻抗特性。

得到阻抗矢量之后，通过阻抗的幅度|Z|和相位

计算得到标量的电阻和标量的电抗，以分别对应阻抗的实部和虚部，具体计算公式为：实部电阻，|ZREAL|

虚部电抗，

所述步骤(4)中，最终得到屏蔽层、线芯和局端大地的环路电阻之后，减去线芯的分布电阻值；线芯分布电阻值根据线芯材质及直径确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明能够进行自动测量及测量结果的上传，可实现远端接地电阻的实时在线监测；

(2)该方法对直流信号的抑制非常出色，可防止直流干扰信号对测量精度的影响，可实现高精度测量。

(3)该方法可对误差求平均值，可在一定程度上消除随机误差，提高测量精度，同时保证测量结果的稳定性。

(4)该方法可测量用户端屏蔽层的阻抗相位信息，可更全面的评估用户端电缆屏蔽层的接地性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明装置硬件组成示意图；

图2为本发明的连接方式示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在日常线路维护过程中，维护人员需要定期测量用户端的电缆屏蔽层相对于电信局端大地的接地电阻，也就是屏蔽层的远端接地电阻；但是人工进行巡检测量工作量太大，且每次测量都需要搭建测量环境，无法实现自动测量的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置及方法，通过该装置进行自动测量及测量结果的上传，可实现远端接地电阻的实时在线监测。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置，包括：正弦波信号发生模块，可调功率放大模块，MCU控制模块，电流采样模块，电阻计算模块，信号隔离模块。

正弦波信号发生模块，被配置为通过DDS技术产生可调频的正弦信号作为测量信号源；

可调功率放大模块，被配置为根据实际需求调整测量信号发射功率大小；

MCU控制模块，被配置为连接正弦波信号发生模块、可调功率放大模块和电阻计算模块，对上述模块进行调度、协调控制，以实现测量信号的产生和放大，同时控制电阻计算模块进行接地电阻的计算。

电流采样模块，被配置为通过对测量信号的输出电流进行采样和计算，最终得到测量信号的电流值，用于接地电阻的计算。

电阻计算模块，被配置为通过电流采样模块得到的测量电流值和MCU控制模块得到的测量信号电压值，使用欧姆定律，计算得到当前的电阻值，并将电阻值发送给MCU控制模块；

信号隔离模块，被配置为将测量装置与外部测量环境进行隔离的装置，防止外部复杂环境(如雷电等)造成电路板的损坏；一般采用低阻抗隔离变压器。

如图2所示，一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量方法，如下：

(1)在通信电缆的用户端，将测量装置安装于用户端分线箱内，将测量装置的测量信号输出端(1、2)分别与通信电缆的一对线芯和屏蔽层相连接；

(2)在通信电缆的电信局端，通信电缆屏蔽层应按照相关标准进行接地，与测量装置相连接的一对线芯也按照相同标准接地。

(3)MCU控制模块控制正弦波信号发生模块产生某一固定频率的正弦信号，并输入到可调功率放大模块；

(4)MCU控制模块控制可调功率放大模块调节正弦信号到设定功率 (该设定功率作为正弦信号的发射功率保存到MCU模块)，然后经过信号隔离模块耦合到待测负载电缆中；

(5)电流采样模块对功率放大模块中的测量信号的电流进行采样和数字信号处理，最后得到测量信号的电流值，并将电流值发送给电阻计算模块；

(6)MCU控制模块控制电阻计算模块，测量信号的功率值和电流值，根据欧姆定律计算得到电阻值。最后将电阻值发送给MCU控制模块，MCU控制模块可将电阻值发送给其他外部设备进行展示或者进行其他分析处理。

步骤(1)中，将测量装置安装于用户端分线箱内，是为了保证通信电缆的所有通信线对都有良好的电磁屏蔽，防止信号泄露，保障信息安全。电缆末端在进入分线箱时，要保证电缆屏蔽层与分线箱的紧密连接。

步骤(1)中，测量信号的输出端与电缆的连接如图2所示的用户端的连接方式；

步骤(2)中，接地的连接方式如图2电信局端的3、4位置所示；

步骤(3)、(4)中，MCU控制模块在控制测量信号产生和放大时，会保存测量信号的幅度信息，以便用于后续的电阻计算；

步骤(5)中，数字信号处理方法主要是指离散傅里叶变换的方法。

阻抗的测量采用矢量电压电流法，在稳态时，阻抗定义为电压和电流的矢量比，因此矢量电压电流的方法是将测试信号电压加到被测件，测量信号电流流过被测件，然后由电压和电流矢量之比计算测试端阻抗。使用快速傅里叶变换 (FFT)将采集到的一系列时域信号映射到频域，进而获得频域阻抗特性。

得到阻抗矢量之后，通过阻抗的幅度|Z|和相位

计算得到标量的电阻(对应阻抗的实部)和标量的电抗(对应阻抗的虚部)，其计算公式为：实部电阻，

虚部电抗，

所述步骤(4)中，最终得到屏蔽层、线芯和局端大地的环路电阻之后(如图2所示)，需要减去线芯的分布电阻值；线芯分布电阻值可根据线芯材质及直径确定，一般经验值为：每1000m的0.5mm线径铜线的分布电阻为100欧姆；由于该分布电阻受外部环境变化影响极小，实际部署该装置时，可通过仪表对该值进行校准，确定之后，对后续测量远端接地电阻的测量精度影响极小。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置，其特征是：包括：

正弦波信号发生模块，被配置为通过DDS技术产生可调频的正弦信号作为测量信号源；

可调功率放大模块，被配置为根据实际需求调整测量信号发射功率大小；

电流采样模块，被配置为通过对测量信号的输出电流进行采样和计算，最终得到测量信号的电流值，进行接地电阻的计算；

电阻计算模块，被配置为通过得到的测量电流值和功率值，使用欧姆定律，计算得到当前的电阻值，并将电阻值发送给MCU控制模块；

MCU控制模块，被配置为连接有正弦波信号发生模块、可调功率放大模块和电阻计算模块，对上述模块进行调度、协调控制，以实现测量信号的产生和放大，同时控制电阻计算模块进行接地电阻的计算；

信号隔离模块，被配置为将测量装置与外部测量环境进行隔离的装置，防止外部复杂环境造成电路板的损坏；

所述测量装置的测量信号输出端与通信电缆的一对线芯和屏蔽层相连接；

通信电缆的电信局端的一对线芯接地，同时屏蔽层也接地。

2.如权利要求1所述的一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置，其特征是：所述测量装置设置在通信电缆的用户端的分线箱内。

3.如权利要求1所述的一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量装置，其特征是：所述信号隔离模块为低阻抗隔离变压器。

4.一种基于权利要求1所述装置的电缆屏蔽层远端接地电阻测量方法，其特征是：具体包括以下步骤：

(1)MCU控制模块控制正弦波信号发生模块产生某一固定频率的正弦信号，并输入到可调功率放大模块；

(2)MCU控制模块控制可调功率放大模块调节正弦信号到设定功率，经过信号隔离模块耦合到待测负载电缆中；

(3)电流采样模块对功率放大模块中的测量信号的电流进行采样和数字信号处理，最后得到测量信号的电流值，并将电流值发送给电阻计算模块；

(4)MCU控制模块控制电阻计算模块，采集测量信号的功率值和电流值，根据欧姆定律计算得到电阻值；

所述步骤(1)中，将测量装置安装于用户端分线箱内，电缆末端在进入分线箱时，要保证电缆屏蔽层与分线箱的紧密连接；

通信电缆的电信局端的一对线芯接地，同时屏蔽层也接地。

5.如权利要求4所述的一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量方法，其特征是：所述MCU控制模块在控制测量信号产生和放大时，会保存测量信号的幅度信息，以便用于后续的电阻计算。

6.如权利要求4所述的一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量方法，其特征是：

所述步骤(3)中，数字信号处理方法为离散傅里叶变换方法。

7.如权利要求4所述的一种电缆屏蔽层远端接地电阻测量方法，其特征是：

所述步骤(4)中，阻抗的测量采用矢量电压电流法，在稳态时，阻抗定义为电压和电流的矢量比，矢量电压电流的方法是将测试信号电压加到被测件，测量信号电流流过被测件，然后由电压和电流矢量之比计算测试端阻抗，使用快速傅里叶变换(FFT)将采集到的一系列时域信号映射到频域，进而获得频域阻抗特性；

得到阻抗矢量之后，通过阻抗的幅度|Z|和相位

计算得到标量的电阻和标量的电抗，以分别对应阻抗的实部和虚部，具体计算公式为：实部电阻，

虚部电抗，

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