CN109073698A - 用于监控线路的方法和具有线路的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监控线路的方法、具有线路的测量装置以及具有测量导体的线路的用途。监控以简单的方式通过馈入测量脉冲和获知测量脉冲与同样的测量脉冲的被反射的部分的叠加来实现。

Description

用于监控线路的方法和具有线路的测量装置

技术领域

本发明涉及用于监控线路的方法、具有线路的测量装置以及具有测量导体的线路的用途。

背景技术

线路例如用于传输能量和/或信号并且为此具有至少一个线芯，通常具有多个线芯，即绝缘导体。多个线芯通常借助共同的线路外皮组合成一个线路。在许多应用中例如在汽车领域中，线路承受各种通常在持续时间和强度方面未知的负荷。潜在繁杂的和变换频繁的环境条件例如热影响也常常甚至不能估计或不能充分估计，以便能够预测线路的磨损。为了能够保证规定的最小使用寿命，线路因此典型地超规格地设计。可替选地可以实现，线路在其规格和材料选择方面更高效地设计，为此，在运行中或至少以规律的间隔执行监控，即对线路进行检查。

发明内容

在此背景下，本发明的任务是提出如下方法和测量装置，借助该方法或测量装置以特别简单且低成本的方式实现对线路的规律的、优选持续的监控。监控在此尤其在线路的在最终产品中的安装好的状态中和/或在线路的所设定的运行中进行。

该任务根据本发明通过具有根据权利要求1的特征的方法、具有根据权利要求9的特征的测量装置以及根据权利要求12的具有测量导体的线路的用途来解决。有利的设计方案、改进方案和变型方案是从属权利要求的主题。在此，结合方法的实施方式类似地也适用于测量装置和用途，反之亦然。

该方法用于监控具有预定的长度的线路，即线路已经截长到已知的长度并且并不作为无限长的物品存在。线路具有测量导体，该测量导体尤其沿着线路延伸，优选沿着整个线路延伸。该测量导体优选构造为简单的金属丝或绞合线并且例如由铜构成。

在该方法中，将多个测量脉冲馈入测量导体中。多个测量脉冲在时间上相继地以时间间隔馈入。尤其是，发送第一测量脉冲，即馈入测量导体中，并且在时间上在第一测量脉冲之后发送第二测量脉冲，即馈入测量导体中。两个相继跟随的测量脉冲的时间间隔通过时钟频率来确定，测量脉冲以该时钟频率反复被产生。在线路的正常状态中，测量脉冲具有如下渡越时间，该渡越时间通过线路的预定的长度而是预先已知的。该渡越时间由长度尤其结合制造线路的材料得到。在此，渡越时间通过测量导体的传播或扩散速度来确定。常见的扩散速度在1·10^{^}8m/s到2.5·10^{^}8m/s的范围中并且尤其是依赖于用于使一个或多个线芯绝缘的材料。

此外，在该方法中分别产生测量脉冲的被反射的部分，被反射的部分沿着关于测量脉冲的相反方向传播。这尤其是通过测量导体的相应的设计方案进行。原则上，为了产生反射需要阻抗改变。例如，被反射的部分在测量导体的敞开的或短路的端部处产生。于是尤其是，在该方法中产生第一测量脉冲的被反射的部分。该被反射的部分沿着相反方向通过测量导体传播，即逆着第一测量脉冲的原始方向传播。

该线路于是通过如下方式被监控，即：尤其是连续不断地或反复地获知，在预设的测量点处是否存在测量脉冲与被反射的部分的尤其是时间上的叠加，即，尤其是第一测量脉冲的被反射的部分与第二测量脉冲的叠加，并且为此，根据叠加识别出渡越时间与预先已知的渡越时间的偏差以及与正常状态的偏差。换言之，根据测量脉冲与被反射的部分的叠加确定测量导体的电学长度的变化，其中电学长度对应于电信号通过测量导体的单次渡越时间。这样的变化是针对线路的状态总体已变化的指示器。状态的这种改变例如是线路发热超过预设的工作温度或线路的断裂或其他磨损。通过对叠加的获知因此确定了，线路是否处于正常状态或者线路是否受到特别的环境影响或损伤。

原则上也可考虑的是，例如借助所谓的时域反射法(time domainreflectometry，缩写TDR)来监控线路。在此，将测量脉冲馈入沿着线路延伸的导体中并且对测量脉冲通过导体的渡越时间进行测量。于是根据该渡越时间可以推断出线路的状态。因此，几种绝缘材料例如具有依赖于温度的介电常数，使得线路的温度改变引起渡越时间的可测量的改变。然而，借助时域反射法的测量和分析在设备方面非常费事并且此外成本非常高昂。传统的用于时域反射法的系统因此并不适合于批量应用和大件数，即特别不适合汽车领域。更确切而言，这样的系统通常应用在实验室操作中或在单一应用中。然而为了节省重量和安装空间，期望的是，在最终产品中尤其是在多件数的情况下也以尽可能节省空间且低成本的方式实现对线路的规律的或甚至持续的监控。

现在，本发明所基于的设计是：简化对线路的监控，为此，省去费事的时域反射法以及渡越时间测量并且代替于此地简单地检查所馈入的和所反射的测量脉冲的叠加。第一测量脉冲的被反射的部分已两次经过测量导体，即一次在去往路径上作为测量脉冲和第二次在返回路径上作为被反射的部分。时间上在第一测量脉冲之后发送第二测量脉冲。被反射的部分于是在返回路径上必然在确定的点处与第二测量脉冲叠加。然而该确定的点沿着线路的具体位置依赖于测量脉冲的扩散速度并且由此依赖于线路的周围条件和/或状态。换言之，确定的点依赖于线路的状态沿着线路游移或运动，即，确定的点的位置是可变的并且依赖于线路的状态而变化。该确定的点也称作叠加点。由于位置变化，所以确定的点也称作游移的点。

第二测量脉冲和第一测量脉冲的被反射的部分分别具有电压，即发送电压或反射电压。发送电压和反射电压在叠加点处加和，从而得到总电压，总电压与各个测量脉冲的电压(即发送电压)相差，即相差了反射电压。反射电压通常由于衰减效应和不完全的反射而小于原始的发送电压，然而典型地是至少几毫伏特并且由此还可以良好地测量。对应的电压差特别是与渡越时间测量相比可以特别简单地获知。那么，车辆的车载电网的线路的长度通常仅为几米到最大10m或20m。沿着这样线路的渡越时间于是在纳秒或甚至皮秒范围中并且只能困难地测量。

叠加的上面所描述的点依赖于线路的状态沿着线路运动。当这样的点与测量点重合时，在测量点处因此存在叠加。在测量点上的电压增大超过发送电压并且识别出叠加，否则仅测量到测量脉冲的较低的电压并且识别出叠加不存在。

在合适的设计方案中，在线路的正常状态中测量脉冲和被反射的部分在测量点处叠加，使得如果不存在叠加则有利地识别出与正常状态的偏差。于是在正常状态下，测量导体在馈入的测量脉冲和被反射的部分方面同步。对线缆的监控在该设计方案中减小到特别简单的定性测量，其中尤其是仅仅检查是否存在叠加，即，测量脉冲和被反射的部分在测量点处是否同步。如果不存在叠加即不存在同步，则因此识别出，测量脉冲的渡越时间与预先已知的渡越时间有偏差并且相应地推断出脱离正常状态的状态改变。

原则上，相反的监控也是合适的，其中在正常状态中不存在叠加并且随后当存在叠加时识别出偏差。因此，通过叠加可以标记对于偏差的确定的边界值，该边界值的达到借助仅仅定性的测量来识别。有利地不需要定量的测量。

于是总之，测量点和重叠点的重合或分离被监控，以便在相应改变时推断出线路的状态改变。

叠加优选被测量，为此，检查在测量点处相对于测量电压的发送电压是否存在过电压，该发送电压是输出电压。以此方式利用简单的且低成本的电子装置可以获知叠加(该叠加作为超过发送电压的电压改变)。在合适的设计方案中，借助简单的比较器测量叠加，该比较器在测量点处将在该处的当前存在的电压与测量脉冲的发送电压比较并且以此方式识别出叠加(该叠加作为测量点上的过电压)。

测量脉冲分别具有时间宽度，该时间宽度也称作周期时间。在两个脉冲之间存在具有停顿时间的停顿。为了实现尽可能限定的叠加并且能够尽可能明确地获知叠加，测量脉冲合乎目的地明显短于停顿，即，周期时间明显短于停顿时间。在此，“明显更短”尤其理解为，周期时间比停顿时间小至少一个数量级。常用的周期时间在1ns到100ns之间，常用的停顿时间在0.1μs到100μs之间。

该方法特别适合于借助数字电路技术实现。这尤其是从测量的简单性得到。目前的用于数字电路的微处理器通常构造成在GHz范围中的时钟频率下运行并且因此在此也适合以所需的周期时间为背景产生测量脉冲。因此，在特别优选的设计方案中，测量脉冲通过数字测量信号形成，即实现为具有多个相继跟随的位的位序列。测量脉冲于是实现为多个接通状态或1位，例如在5V的电压的情况下，停顿时间作为关断状态或0位的序列，例如在0V的电压的情况下。于是测量信号是矩形脉冲的序列，即测量脉冲，其分别通过停顿间隔开。由于位序列的位通常具有固定的时间宽度并且由于测量脉冲如上文所描述的那样合乎目的地比停顿明显更短，所以测量脉冲优选通过仅一个或较少的1位形成并且停顿通过比测量脉冲的1位的数量更多的0位实现。以此方式，尤其是上文所描述的周期时间和停顿时间通过固定宽度的位来实现。

优选地，以可设定的时钟频率反复产生测量脉冲，其中，对时钟频率进行适配，直至测量脉冲和被反射的部分在适配的时钟频率的情况下叠加。时钟频率的设定在此情况下在制造线路或装配线路时不进行，而是更确切地说在安装好的状态中尤其是在运行中进行。通过设定时钟频率有利地实现对与正常状态的偏差的定量测量。通过对时钟频率的适配，即，有效地通过变化停顿时间，对在实际的渡越时间与预先已知的渡越时间之间的渡越时间差进行补偿。适配的时钟频率于是合乎目的地与正常状态中的时钟频率比较。该差的大小是对偏差的强度的程度并且因此是负荷强度或线缆损伤的程度。时钟频率可以简单地利用数字系统来设定，为此，停顿时间简单通过添加或去除0位来延长或缩短。

此外，通过设定时钟频率可以实现对线路的运行参数的定量测量。这样的运行参数例如是线路的温度。在合适的设计方案中，因此借助适配的时钟频率确定线路的运行参数，尤其是温度。将时钟频率与运行参数的关联例如经由存储在存储器上的列表实现。可替选地，运行参数借助已知的函数关系基于时钟频率来计算。

在合适的变型方案中，附加或替选于温度测量地，在机械负荷方面检验线路。运行参数在此情况下是线路的机械负荷、其机械完整性或一般而言是其功能。叠加基于的是，在测量导体中机械负荷尤其是断裂部位以相应的叠加效果的方式导致缩短的渡越时间。通过前面所描述的测量原则因此也可以识别出线路的机械损伤。这在如下线路中是特别有意义的，即，该线路承受频繁的弯曲变换负荷，例如在汽车领域中尤其是也在机器人中。

在合乎目的的设计方案中，沿着测量导体布置有具有如下介电常数的材料，该介电常数依赖于线路的运行参数，尤其是温度。由此以特别简单的方式确保，变换的环境条件对线路有可测量的影响。测量导体在此被材料至少部分包围或贴靠在该材料上，由此，通过测量导体传播的测量脉冲的扩散速度受材料影响。优选地，材料形成线路的线芯的绝缘部并且测量导体施加到绝缘部上或嵌入绝缘部中。可替选地，材料形成线路外皮，测量导体与线路外皮接触或在线路外皮中嵌入测量导体。

在优选的设计方案中，测量导体联接在测量单元的测量端子上，其中借助测量单元产生测量脉冲并且测量叠加。理论上，也适合与馈入分开的测量。然而借助各个测量单元的组合和共同的执行是特别高效的。测量端子于是同时用作馈入点和测量点。合乎目的地，测量端子是数字电路的串行端子。经由串行端子于是一方面将数字测量信号馈入测量导体中而另一方面在那里测量叠加。

测量装置具有线路，该线路具有预定的长度并且该线路具有测量导体。此外，测量装置具有测量单元，其中测量单元为了监控线路构造成使得多个测量脉冲被馈入测量导体中，测量脉冲在线路的正常状态中具有渡越时间，渡越时间通过线路的预定的长度预先已知，产生测量脉冲的相应被反射的部分，被反射的部分沿着关于测量脉冲的相反方向传播，通过如下方式监控线路，即，为此获知在预设的测量点处测量脉冲是否与被反射的部分叠加，并且根据该叠加识别出渡越时间与预先已知的渡越时间的偏差并且识别出与正常状态的偏差。测量装置尤其构成为用于执行上文所描述的方法。相应地得到优点。

在合乎目的的改进方案中，以时钟频率产生测量脉冲并且根据预先已知的在正常状态下的渡越时间和根据线路的预定的长度设定时钟频率。由此确保的是，在正常状态中存在测量脉冲与被反射的部分的叠加并且以简单的方式通过叠加的消失可识别与正常状态的偏差。在此情况下，因此在生产商侧，即，在装配或制造线路时设定时钟频率，更确切地说设定到正常时钟频率。为此，例如将测量单元配置成在测量脉冲之间产生对应长的停顿。以此方式配置的测量装置于是简单地安置在最终产品例如车辆中。

线路通常具有至少一个线芯，替选地多个线芯、导体和/或其他功能元件，例如光纤或减轻张力件。从机械方面看，线路还具有中性轴，其在弯曲负荷的情况下不遭受长度改变。中性轴并不一定是线路的具体的组成部分，而是更确切地说，通常沿着纵向方向在弯曲时不遭受长度改变的线。关于中性轴，测量导体比线芯在径向方向上，即垂直于纵向方向优选更靠外地布置。由此确保了，测量导体尤其是在线路弯曲时相较于线芯承受更强的机械负荷并且因此也更早磨损和断裂。线芯的潜在的故障于是及早地通过测量导体的在前的损伤而识别出。合乎目的地，首先识别出测量导体的断裂并且于是输出报警信号，从而可以在线芯也坏掉之前去除该线路。由此也可能的是，线芯明显更小地设计，因为利用测量导体实现可靠的监控，监控使得针对极端情况对线芯的过量设计不必要。由此有利地节约了成本和安装空间。

该方法和测量装置特别适合于使用在车辆的车载电网中。在这样的车载电网中，线路的长度事先是已知的，因此在正常状态中的渡越时间是已知的并且测量脉冲更确切说其时钟频率已事先可以设定。由此可行的是，应用上文所描述的用于监控的方法。

在此，至少两种变型方案是合适的。在第一变型方案中，具有相应的测量导体的线路安装在车载电网中并且测量导体所联接的合适的测量单元已经集成到车载电网中或集成到车辆中，例如作为控制装置的组成部分。在第二变型方案中，测量单元作为独立的单元集成到线路中，使得该线路是自监控的智能线路。测量单元在此情况下适宜地与车载电网或车辆的上级的控制单元相连。然而也合适的是线路的独立的尤其是自主的设计方案。在此，线路例如还具有由测量单元操控的保险装置，并且如果识别出与正常状态的偏差，则例如将线路的线芯与车载电网分开。

附图说明

在下文中参照附图详细地阐述本发明的实施例。其中：

图1示意性地示出了测量装置；

图2示意性地示出了测量信号；

图3示意性地示出了测量脉冲和测量脉冲的被反射的部分；以及

图4示意性地示出了测量脉冲与被反射的部分的叠加。

具体实施方式

在图1中示意性示出了测量装置2。该测量装置具有线路4，该线路又具有测量导体6，该测量导体在纵向方向上沿着线路4延伸。线路4在所示的实施例中是简单的单线芯的线路4，即具有中央的导体10的线芯8，该中央的导体由绝缘部12包围。测量导体6嵌入到绝缘部12中。在未示出的变型方案中，线路4具有多个可能不同的线芯8和/或其他线路或功能元件。

测量导体6联接到测量单元14上，从而线路4可以在与正常状态的偏差方面被监控。对于这样的偏差的示例是线路4超过预设定的运行温度的过度发热并且因线路4的过度弯曲引起的断裂。对线路4的监控在下文中参照图2至图4予以详细阐述。

测量单元14产生测量信号16，该测量信号由周期反复的测量脉冲18连带插入其间的停顿20构成。这样的测量信号16局部在图2中作为电压U相对于时间t绘出。所示的测量信号16在此是数字测量信号16，其中测量脉冲18和停顿20实现为位序列。相应的测量脉冲18在此情况下对应于单个1位，停顿20由多个0位组成。各个位通过竖直虚线表示。测量脉冲18明显短于停顿20，尤其是至少短了一个数量级。总之，得到反复的矩形信号。

相应的测量脉冲18具有周期时间T1，该周期时间典型地在1ns到10ns之间。相应的停顿20持续一个停顿时间T2长，该停顿时间典型地为0.1μs到100μs之间。由此，得到时钟频率，即测量脉冲18的重复率，在数10kHz到数100MHz或甚至几千兆赫兹的范围中。这样的位序列可以特别简单地借助数字电路实现，使得测量单元14(其包括这样的电路)是特别简单且紧凑的。

测量脉冲18被馈入测量导体6中用于监控线路4，更确切地说在测量端子22上，测量单元14在测量端子上联接到测量导体6上，测量端子因此同时是馈入点。在测量端子22处，相应的测量脉冲18具有电压U，该电压称作发送电压U1。测量脉冲18沿着测量导体6传播并且在此通常减弱，即衰减。在端侧，测量脉冲18的一部分作为被反射的部分24被反射并且沿着相反方向即向回朝向测量端子22传播。这在图3中示出，该图示意性地示出了线路4，以及在左侧端部处即在测量端子22处示出测量脉冲18而在右侧端部处示出测量脉冲18的被反射的部分24。

由于测量脉冲18连续不断地馈入，所以向回反射的部分必然碰到后面馈入的测量脉冲18并且与其叠加。这示意性地在图4中示出，该图局部地示出线路4以及第一测量脉冲18的被反射的部分24与第二测量脉冲18的叠加，第二测量脉冲在时间上在第一测量脉冲18之后馈入。叠加导致出现大于原始发送电压U1的电压U。该差恰好是反射电压U2，即被反射的部分24的电压。总之，因此存在过电压。

现在检查过电压的存在，以便监控线路4。为此在预设的即固定的测量点26处测量测量导体6中的电压。优选地，测量点26如在该实施例中与测量端子22相同。然而也可考虑沿着测量导体6的其他位置。在测量点26处获知是否存在叠加，其方式是：例如对过电压进行检查。取消高成本的渡越时间测量。

在此，时钟频率设定为，使得在正常状态下在测量点26处存在叠加。如果环境条件变化或线路4受损伤，则线路4的状态改变。例如，线路4发热并且绝缘部10具有依赖于温度的介电常数，因此发热导致测量脉冲18在测量导体6中的变化的渡越时间。但由此，之前设定的叠加也消失，即在馈入的测量脉冲18与在测量点26处被反射的部分24之间的最初设定的同步消失。不再产生过电压。这由测量单元14识别并且由此推断出与正常状态的偏差。

附加或替换于发热地，也可以识别线路4的机械损耗。在弯曲运动时，测量导体6也必然承受对应的机械负荷。在测量导体6有磨损的情况下，于是形成干扰部位或甚至断裂部位，干扰部位或断裂部位实际引起测量导体6缩短，使得在此情况下也失去最初的叠加并且因此测量单元14识别出磨损。

为了确保测量导体6在线芯8的导体10之前断裂，关于线路4的中性轴28，测量导体6比线芯8在径向方向R上更靠外地布置。由此，测量导体6承受更强的机械负荷并相应更快地磨损。

获知是否存在叠加已经足以实现对线路4的监控。然而在变型方案中附加或替换于这样的仅定性的监控地，执行定量的监控，定量的监控也能够实现确定运行参数例如线路4的温度。为此，借助测量单元14对时钟频率进行适配，并且在此一直变化直至存在叠加。也就是说，在渡越时间变化时，对时钟频率进行适配，以便再次产生叠加，即测量脉冲与被反射的部分同步。于是，适配的时钟频率是线路4的状态的改变强度的程度。例如，通过规律地或连续地对时钟频率进行适配来实现定量的温度测量。时钟频率例如通过如下方式进行适配，即：延长或者缩短停顿20，也就是添加或去除0位。

Claims (12)

1.用于监控具有预定的长度并且具有测量导体的线路的方法，其中，

-将多个测量脉冲馈入所述测量导体中，

-在所述线路的正常状态中，所述测量脉冲具有通过所述线路的预定的长度而预先已知的渡越时间，

-分别产生所述测量脉冲的被反射的部分，所述被反射的部分沿着关于所述测量脉冲的相反方向传播，

-监控所述线路，其中，获知在预设的测量点处是否存在所述测量脉冲与所述被反射的部分的叠加，并且其中，依赖于所述叠加识别出渡越时间与所述预先已知的渡越时间的偏差以及识别出与所述正常状态的偏差。

2.根据上一权利要求所述的方法，其中，在所述线路的正常状态中，所述测量脉冲与所述被反射的部分在所述测量点处叠加。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，测量所述叠加，其中，检查在所述测量点处是否存在关于所述测量脉冲的发送电压的过电压。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量脉冲通过数字测量信号形成。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量脉冲以能设定的时钟频率反复产生，对所述时钟频率进行适配，直至所述测量脉冲和所述被反射的部分在适配的时钟频率的情况下叠加。

6.根据上一权利要求所述的方法，其中，借助所述适配的时钟频率来确定所述线路的运行参数，尤其是温度。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，沿着所述测量导体布置有具有依赖于所述线路的运行参数的介电常数的材料。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量导体联接到测量单元的测量端子上，借助所述测量单元产生所述测量脉冲并且借助所述测量单元测量所述叠加。

9.具有线路的测量装置，所述线路具有预定的长度并且所述线路具有测量导体，并且所述测量装置具有测量单元，其中，所述测量单元被构造成用于监控所述线路，其中，

-将多个测量脉冲馈入所述测量导体中，

-在所述线路的正常状态中，所述测量脉冲具有通过所述线路的预定的长度而预先已知的渡越时间，

-分别产生所述测量脉冲的被反射的部分，所述被反射的部分沿着关于所述测量脉冲的相反方向传播，

-监控所述线路，其中，获知在预设的测量点处是否存在所述测量脉冲与所述被反射的部分的叠加，并且其中，依赖于所述叠加识别出渡越时间与所述预先已知的渡越时间的偏差以及识别出与所述正常状态的偏差。

10.根据上一权利要求所述的测量装置，其中，所述测量单元被构造成使所述测量脉冲以时钟频率产生，并且其中，所述时钟频率依赖于所述正常状态中的所述预先已知的渡越时间并且依赖于所述线路的预定的长度来设定。

11.根据上两个权利要求中任一项所述的测量装置，其中，所述线路具有至少一个线芯并且具有中性轴，所述中性轴在弯曲负荷下不经历长度改变，并且关于所述中性轴，所述测量导体比所述线芯沿径向方向更靠外地布置。

12.具有测量导体的线路在具有测量单元的车载电网中用以执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的用途。