CN111094920A - 在变化的环境条件中监测线路的方法和测量系统 - Google Patents

Abstract

用于针对环境条件变化监测线路的方法，其中，所述线路具有测量导线，所述测量导线具有预定长度，所述测量导线具有被绝缘体围绕的测量导体，所述绝缘体具有已知的介电常数。在所述方法中，生成具有规定频率的模拟信号并且在馈入位置将其馈入。所述信号在预定的反射位置被反射并且在规定的测量位置测量所产生的信号幅度。由所述信号幅度确定所述环境条件、尤其是温度的测量值。

Description

在变化的环境条件中监测线路的方法和测量系统

技术领域

本发明涉及在变化的环境条件中监测线路的方法以及测量系统。

背景技术

所述线路涉及具有至少一根导体的电线，所述导体被绝缘体围绕。被绝缘体围绕的导体在下文中也称作芯线。所述绝缘体具有预先规定的介电常数。在电线内的信号传输受所述介电常数影响。

通常，多个芯线联合成一条线路。在许多应用情况下，例如在汽车领域内，线路承受不同的负荷，所述负荷的持续时间和强度通常是未知的。此外，原则上多种的且变换多样的环境条件、尤其是热量影响经常无法评估或无法充分地评估，而不能预测线路的衰减程度。为了确保一定的最短使用寿命，线路通常设计成超尺寸的。

在电动汽车领域内，电驱动机动车的充电具有愈发重要的意义。为了保持短的充电时间，由此规定了未来较高的充电电流。这在相应的充电电缆的情况下导致高的温度负荷，该温度负荷可被监测。

发明内容

从这点出发，本发明的任务在于实现在变化的环境条件中对线路的简单且成本有利的监测。

所述任务按照本发明通过具有按照权利要求1的特征的方法来完成以及通过具有权利要求7的特征的测量系统来完成。有利的设计方案和进一步方案是从属权利要求的主题。在此，结合方法的实施方式也应适用于测量系统，反之亦然。

按照本发明的方法用于在变化的环境条件中监测线路。所述线路具有测量导线，其具有预定的长度并且具有被绝缘体围绕的测量导体，所述绝缘体具有已知的介电常数。在这种情况下，所述线路除了测量导线还具有其它传导部件，尤其是其它导电芯线或另外的电线。然而在优选的实施变型中，所述线路仅具有测量导线。

此外，生成模拟信号，其在馈入位置被馈入到所述测量导线中。在这种情况下，所述测量导线有针对性地构造，即所述信号在已知的、固定的反射位置被尤其强烈地反射，优选完全或几乎完全地被反射，并且经反射的信号部分返回到测量导线中。现在，在固定的测量位置测量信号幅度，并且由所述信号幅度确定所述变化的环境条件的测量值。

所述环境条件或也可称为环境参数尤其涉及温度。在这种情况下，环境条件或环境参数的概念应作广义地理解。按照第一实施变型涉及在所述线路之外的环境条件。因此在这种情况下，借助于所述测量导线普遍地监测其它部件。替代于此地，所述条件涉及内部环境条件、例如所述线路本身的条件，例如所述线路的温度。在后一种情况下涉及所述线路的被监测的固有内部条件，因此所述监测方法用于监测所述线路本身。根据针对变化的固有条件而确定的数值，进一步优选得出对于线路损耗的预测。

在这种情况下，所述测量导线优选总体上这样构造，即在所述馈入位置与反射位置之间形成驻波。

本文提出的方法原则上首先以下述考虑为基础，即所述信号在测量导线内的传播速度与绝缘体的介电常数相关。在这种情况下，尤其在针对所述绝缘体适当地选择材料的情况下，所述介电常数随着环境条件、尤其随着温度而变化。因此，变化的环境温度通过介电常数对信号在测量导线中的传播速度产生影响。变化的传播速度导致所述信号的相位在限定的、固定的测量位置在一定程度上发生平移，从而在所述测量位置，所述信号幅度与温度相关地发生变化。因此，所述信号幅度是所述变化的传播速度的测量值，并且因此也是所述变化的环境条件(温度)的测量值。因此，通过分析在所述固定的测量位置处的信号幅度，得到实时的环境条件、尤其是温度的推论。优选地，对于所述分析仅考虑所述信号幅度。

由于所述线路的设计方案具有在反射位置的强烈反射以及优选形成的驻波，因此通常地，所述信号的部分与经反射的信号的部分叠加。一般地，在规定的频率的情况下，在规定的线路长度的情况下、亦即在规定的馈入位置与反射位置之间的长度的情况下，以及在规定的测量位置的情况下，根据温度得到在所述测量位置处限定的电压振幅。经测量的信号幅度涉及馈入的信号与经反射的信号相互叠加的信号部分的幅度。

在理想线路的情况下，在全反射的情况下，所述馈入的信号与经反射的信号相互抵消。然而基于例如由衰减导致的传输损耗，在真实线路或者说在非全反射的情况下不是上述这种情况。经反射的信号与馈入的信号相比较小。

由信号幅度得出关于变化的环境条件、尤其是温度的推论可选地通过算法实现，或也可通过与针对所测量的信号幅度的对比数值或参考数值相比较来实现。

对于本方法具有特别意义的是使用模拟信号。在这方面一般来讲考虑的是无级信号，其具有连续不中断的信号分布，这与数字信号不同，数字信号通常仅具有(两个)离散状态(0，1)的阶梯形序列。这具有下述优点，即，这与数字测量脉冲相比具有明显更低的频率。这导致所述信号的信号衰减是相对极低的。

所述信号通常涉及具有规定频率的周期性信号，尤其涉及持续变化的、具有连续上升或下降的幅度的信号，特别是正弦或余弦信号。此外，原则上也存在下述可能性，即使用其它几何形状的信号、例如三角形信号。

已知的限定的反射位置优选涉及所述测量导线的端部。在这种情况下适宜地，所述测量导线的端部是开放的，亦即自由的端部，该端部不再进行电连接或例如不再与物料连接。通过所述开放的端部确保所希望的高反射和产生所希望的驻波。然而原则上，其它措施也能产生所述高反射和驻波，例如短接。

如上所述，真实的线路是有损耗的并且因此经反射的波(经反射的信号)在线路开始处是较小的。随着变化的介电常数(与环境条件相关，特别地与温度相关)发生变化的还有线路电容，并且因此还有插入衰减和波阻抗。如果结合频率适当地选择电压测量的位置，那么两种或甚至三种效应(相位平移，衰减增加和波阻抗降低)在测量位置叠加。按照优选的设计方案，这将被充分利用，从而除了温度以外或替代温度地也确定(插入)衰减或波阻抗降低的变化。示例：介电常数随着温度升高。在室温下，发出的和经反射的波最大限度地(约0度相位平移)矢量叠加。测量位置位于所述最大限度处附近。现在，在温度升高的情况下，矢量和(＝幅度)由于相位平移而减小。此外，所述矢量和还由于经反射的信号的更高的线路衰减而额外地减小。进一步地，由于增加的失配，更多信号能量在线路开始处被反射[在室温情况下匹配，在更高温度情况下失配]，以及所测量的幅度还减小得更多。

适宜地，所述信号的频率处于几十千赫兹直至1000兆赫兹的范围内。优选地，所述频率总体上处于0.5至500兆赫兹的范围内，并且优选地处于200至400兆赫兹的范围内。处于几百兆赫兹范围内的频率尤其用于短线路，其具有例如小于5米的线路长度。由此，除了相位平移，也能尤其确定下述效应，如衰减增加或失配。在这种情况下，预限定的频率优选随着增加的线路长度而降低。由于信号衰减通常在频率更高的情况下升高，所以频率与线路长度的这种关联性具有特别的优点，这可能在测量导体较长的情况下产生负面影响。因此，通过测量导体的线路长度与频率之间的相互关系，本文所述的结合模拟测量信号的方法尤其适用于线路长度较长的情况。在测量期间，所述频率优选为恒定的，由此实现尤其简单的测量系统。然而替代地也存在下述可能性，即所述频率在测量期间变化。

所述测量导体在馈入位置与反射位置之间的线路长度一般优选在几米至几十米的范围内。然而原则上，所述测量导体的长度不作限制。所述测量导体的长度也可以在几十米至一百米之间或也可以是几百米。

在优选的设计方案中，所述测量导线通常具有双重功能并且例如除了测量功能还顾及到电力供应。在这种情况下，通常高频的信号额外地一起调制到电力供应的直流电或也可调制到(例如具有50赫兹的频率的)交流电。因此通过上述措施存在下述可能性，在常见的电缆结构中集成额外的测量功能，而无需安设额外的测量导体。因此通常优选地将电缆结构中现存的芯线作为测量导线或测量芯线。

特别地，所述现存的芯线涉及供电芯线，电流、尤其是直流电在运行中通过所述芯线传输。供电电流涉及例如充电电流。通常传输在高于1安培、优选高于10安培、高于50安培或高于100安培的范围内的电流。本文所述的方法优选用于特别是充电电缆的温度监测，电驱动车辆的电池通过所述充电电缆进行充电。所述测量导线尤其是所谓的充电电缆的“功率芯线”。在这种情况下，所述信号的耦合优选以无接触的方式(电容耦合/电感耦合)进行。

通常，所述测量导线安设在要监测的部件中，确切的讲尤其用于监测温度。按照第一设计方案，所述部件涉及本身应被监测的电缆，例如刚才提到的充电电缆。在这种情况下，所述测量导线集成在所述电缆内部。特别地涉及下述电缆，其在运行中安设在机动车内、例如安设在马达区域内。

替代地，要监测的部件涉及构件、例如马达构件或其它构件，其温度应被监测和/或控制。在这种情况下，所述部件也可涉及物料、例如固化的物料，其温度应被监测。例如涉及建筑业中的填料、例如混凝土。在这种情况下，所述测量导线嵌入在所述物料内并且在所述物料固化以后也保留在其中。

考虑到所述测量系统，优选所有的馈入以及分析部件都集成在共同的监测单元内。与所述监测单元相接的仅有所述测量导线，所述监测单元也就是结构单元，并且为此例如布置在共同的壳体中或者布置在共同的承载体、例如电路板上。特别地，这通过在接触连接处的可逆的连接可能性来实现。

附图说明

本发明的实施例将在下文中根据唯一的附图进一步阐述。该附图以大大简化而概略性示出测量系统，所述测量系统具有测量导线并且具有不同的信号分布。

具体实施方式

在该唯一附图中示出的测量系统2具有作为实际部件的信号发生器4、电压测量器6以及测量导线8。在这种情况下，所述信号发生器的内电阻与测量导线8的波阻抗相匹配。测量导线8又具有中心测量导体10，所述测量导体被绝缘体12尤其通过挤出工艺围绕，绝缘体具有已知的与温度相关的介电常数。优选地，测量导线8额外地还具有防护部，所述防护部形成外导体；优选地，所述外导体以限定的参考电位、尤其以地电位与接地连接14相连。测量导线8例如可以是同轴电缆。

借助于信号发生器4生成模拟信号，特别地生成正弦或余弦信号，所述信号具有限定的预先规定的频率，例如在1至1000兆赫范围内的频率。所述信号的频率在测量期间保持恒定并且不改变。所生成的信号在馈入位置16馈入到测量导体10中并且穿经测量导体10的整个长度直至反射位置18，至少大部分信号在该反射位置被反射，从而生成经反射的信号并且返回到测量导体10中。反射位置18例如涉及开放的线路端部，即，测量导体10在该端部不再进行电接触。因此，通过上述特别构造了解在馈入位置与反射位置18之间的长度。

进一步地，电压测量器6用于量取信号幅度并且设在固定的、规定的测量位置20。

由于反射位置18处的高反射率，在测量导体10内产生驻波，这正如在附图下半部分所示地那样。所示的波涉及包络曲线。在附图中示出所述测量导体的没有衰减的理想特性。在真实的线路中，经反射的信号的幅度的衰减是较小的。

由于衰减的影响，“包络曲线的幅度”也会减小。此外，在失配(插入衰减)的情况下会馈入较少的信号能量。这种效应未在该简化附图中示出。

基于绝缘体12的介电常数的温度相关性，在温度变化的情况下，信号在测量导线8内的传播速度发生变化。在此，在附图下半部分示意性示出的两个正弦信号分布表明两个不同温度的位置相关的幅度。在温度变化的情况下，信号的相位发生平移，从而在所述固定的测量位置20出现信号幅度的明显变化。在这种情况下，在测量位置20处对准所述两个信号分布的两个所示的箭头的长度，分别代表在测量位置20处针对各个信号分布所测量的信号幅度。

电压测量器6还与未在此进一步示出的分析单元连接。在所述分析单元中，根据所测量的信号幅度，得到实际的环境条件的推论，所述环境条件尤其为温度。这例如借助于与存储的参考数据相比较来进行。因此一般来说，根据所述信号幅度例如可检测所述传播速度并且由此得出所述测量导线周围环境的温度或测量导线自身的温度。

Claims (12)

1.一种在变化的环境条件中监测线路的方法，其中，所述线路具有测量导线，所述测量导线具有预定的长度，所述测量导线具有被绝缘体围绕的测量导体，其中

-生成模拟信号，

-所述信号在馈入位置馈入到所述测量导线中，

-所述信号在已知的反射位置被反射，而且经反射的信号部分返回到所述测量导体中，

-在固定的测量位置测量信号幅度，并且由所述信号幅度确定所述变化的环境条件的测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述馈入位置与所述反射位置之间形成驻波。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述已知的反射位置是所述测量导线的端部。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述测量导线的端部是开放的。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中，所述变化的环境条件是温度、所述测量导线的衰减和/或所述测量系统的插入衰减。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中，所述信号具有从大于10千赫兹至几百兆赫兹的频率，尤其具有在200兆赫兹至500兆赫兹范围内的频率。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，所述测量导线是供电芯线，通过所述供应芯线传输电流、尤其直流电流并且所述模拟信号与所述电流叠加。

8.一种在变化的环境条件中监测线路的测量系统，其具有

-测量导线，所述测量导线具有预定的长度，所述测量导线具有被绝缘体围绕的测量导体，

-信号发生器，用于生成具有规定频率的模拟信号，

-电压测量器，用于在测量导体上固定的测量位置测量信号幅度，

-分析单元，用于基于在所述测量位置测量的信号幅度确定所述变化的环境条件的测量值。

9.根据权利要求8所述的测量系统，其中，所述测量导线在一端是开放的。

10.根据权利要求8至9之一所述的测量系统，其中，所述测量导线安设在要监测的部件中，尤其用于监测在所述部件中实际存在的温度。

11.根据权利要求8至10之一所述的测量系统，其中，所述测量导线是供电芯线，尤其是充电电缆的供电芯线。

12.根据权利要求10的测量系统，其中，所述部件涉及线路、热负荷的构件或物料，所述物料由于放热或吸热反应而变化。

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