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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung
des Stromflusses durch Einzeldrähte eines Litzendrahtes,
bei dem die Einzeldrähte miteinander mit einer Schlaglänge
verdrillt sind, wobei durch den Litzendraht ein elektrischer Strom
geleitet wird und das aufgrund des stromdurchflossenen Litzendrahts sich
ausbildende Magnetfeld durch einen Sensor erfasst und ausgewertet
wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Das
Verfahren dient zur zerstörungsfreien Prüfung
eines Litzendrahtes im Hinblick auf Fehlstellen, nämlich
insbesondere auf Überprüfung von gerissenen Einzeldrähten.
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Aus
der
JP 2005 020813A ist
ein Verfahren zur Überprüfung eines Litzendrahtes
zu entnehmen, bei dem mit Hilfe von mehreren, um den Litzendraht herum
angeordneten Sensoren ein sich um den Litzendraht ausbildendes Magnetfeld
erfasst wird. Hierbei wird die Intensitätsverteilung des
Magnetfelds ausgewertet. Weist ein Bereich eine auffallende Magnetfeldintensität
auf, so wird auf eine Fehlstelle an diesem Ort in Form eines gerissenen
Einzeldrahtes rückgeschlossen.
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Ein
derartiges Verfahren, bei dem das Magnetfeld ausgewertet wird, weist
im Vergleich zu Messungen, bei denen das elektrische Feld (kapazitive Messung)
ausgewertet wird, eine erhöhte Empfindlichkeit auf. Jedoch
sind die durch einen Drahtriss hervorgerufenen Veränderungen
im Magnetfeld gering, so dass eine Mess- und Auswerteanordnung mit hoher
Empfindlichkeit erforderlich ist, um möglichst verlässliche
Ergebnisse zu erhalten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache sowie sichere
und zuverlässige Prüfung eines Litzendrahtes auf
eine Störstelle zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Zur Auswertung,
ob eine Fehlstelle, insbesondere ein abgerissener Einzeldraht des
Litzendrahts vorliegt, ist hierbei vorgesehen, dass dann auf eine
Fehlstelle geschlossen wird, falls das gemessene Magnetfeld eine
Oszillation aufweist, deren Länge ein Vielfaches der so
genannten Schlaglänge des Litzendrahtes beträgt.
Insbesondere wird auf eine Fehlstelle geschlossen, wenn die Oszillation
des Magnetfeld der Schlaglänge entspricht. Zur Messung
wird hierbei insbesondere derart vorgegangen, dass der Litzendraht
und ein Sensor, mit dem das Magnetfeld erfasst wird, relativ zueinander
verschoben werden. Aufgrund dieser Relativverschiebung wird eine über die
Länge des Litzendrahtes ortsabhängige Stärke des
Magnetfelds erfasst. Untersuchungen haben nun ergeben, dass im Bereich
einer Fehlstelle das Magnetfeld sich ortsabhängig in Längsrichtung
des Litzendrahtes in einer charakteristischen Weise verändert
und eine charakteristische Oszillationslänge aufweist.
Diese Oszillationslänge entspricht insbesondere der Schlaglänge
des Litzendrahtes. Für die Auswertung wird daher diese
charakteristische Oszillation herangezogen, um zuverlässig
und eindeutig auf eine Fehlstelle rückschließen
zu können. Weitere Störeffekte, die ebenfalls
zu einer Variation des Magnetfelds führen können,
wie beispielsweise geringfügige Variationen des Abstands
zwischen Litzendraht und Sensor aufgrund von Biegungen des Litzendrahtes,
werden hierbei eliminiert. Insoweit weist dieses Verfahren im Vergleich
zu einer Auswertung, die lediglich auf die Auswertung der Amplitude
des gemessenen Feldes gerichtet ist, eine verbesserte Auswertegenauigkeit
auf. Als weiteres Kriterium, um auf die Fehlstelle zu schließen,
wird vorzugsweise ergänzend noch das Überschreiten
eines definierten Schwellenwerts der Amplitude des Magnetfeldes
herangezogen.
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Unter
Schlaglänge wird hierbei die Länge verstanden,
die der jeweils verdrillte Einzeldraht in Längsrichtung
des Litzendrahtes bei einer 360°-Drehung aufgrund seiner
Verdrillung zurücklegt. Bei elektrischen Litzendrähten,
die als elektrisch leitfähige Kabel eingesetzt werden und
beispielsweise wenige bis einige zehn Einzeldrähte aufweisen,
beträgt die Schlaglänge wenige Zentimeter. Bei
einem Kup fer-Litzendraht mit 7 bis 19 Einzeldrähten mit
einem Einzeldrahtdurchmesser im Bereich von 0,2 mm beträgt
der Schlagabstand üblicherweise etwa 15 bis 40 mm, insbesondere
etwa 20 mm.
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Die
charakteristische Oszillation lässt sich etwa folgendermaßen
erklären: Bei der Messung fließt durch den Litzendraht
Strom. Die Einzeldrähte verlaufen aufgrund ihrer Verdrillung
im Wesentlichen schraubenlinienförmig. Der Stromtransport
erfolgt daher in erster Linie in Längsrichtung der Einzeldrähte
schraubenlinienförmig. Da die Einzeldrähte zueinander üblicherweise
nicht isoliert sind, besteht zusätzlich noch die Möglichkeit,
dass der eingespeiste Strom auch quer zu den Einzeldrähten
von einem Einzeldraht in den anderen fließen kann. Allerdings ist
im Vergleich zu der Längsrichtung des Einzeldrahtes ein
deutlich höherer Kontaktwiderstand gegeben, so dass üblicherweise
kein Stromfluss in Querrichtung auftritt.
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Die
Summe der Ströme in den Einzeldrähten eines Litzendrahtes
entspricht dem Gesamtstromfluss in Längsrichtung des Litzendrahtes,
die schraubenlinienförmige Stromleitung durch die Einzeldrähte ist
beim Gesamtstromfluss durch Überlagerung zumindest weitgehend
eliminiert, so dass im Wesentlichen ein Stromfluss in Längsrichtung
des Litzendrahtes erfolgt. Dies setzt voraus, dass in alle Einzeldrähte
ein gleich hoher Strom eingespeist wird und dass in allen Einzeldrähten
der Stromfluss gleichmäßig und unterbrechungsfrei
fließt.
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Wird
nunmehr der Stromfluss in einem Einzeldraht unterbrochen, beispielsweise
durch einen Einzeldrahtabriss, so wird hierdurch ein Stromfluss
in Querrichtung von Einzeldraht zu Einzeldraht erforderlich. Dies
führt zu einer Inhomogenität im Gesamtstromfluss
im Bereich einer derartigen Fehlstelle. Erst in einem gewissen Abstand
von der Fehlstelle stellt sich wieder ein gleichmäßiger
Gesamtstromfluss ein. Untersuchungen haben nunmehr gezeigt, dass
im Bereich dieser Fehlstelle, in dem der Stromfluss inhomogen durch
den Gesamtquerschnitt des Litzendrahtes fließen muss, sich
ein schraubenlinienförmiger Strom ausbildet, so dass das
den Leiter umgebende Magnetfeld nicht gleichmäßig
verläuft, sondern mit einem festen Verhältnis
zu der Schlaglänge des Litzendrahtes oszilliert. insbesondere oszilliert das
Magnetfeld in diesem inhomogenen Bereich mit der Schlaglänge
des Litzendrahtes.
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Die
Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Bei diesem
Verfahren wird die Qualität einer Kontaktverbindung eines
Kontaktelements mit einem Litzendraht überprüft,
indem wiederum durch den Litzendraht ein elektrischer Strom geleitet wird.
Zur Überprüfung der Qualität der Kontaktverbindung
wird nunmehr beabstandet von der Kontaktverbindung das sich ausbildende
Magnetfeld durch einen Sensor erfasst und ausgewertet. Anhand des entfernt
von der Kontaktverbindung gemessenen Magnetfelds wird auf eine Fehlstelle
an der Kontaktverbindung geschlossen, wenn beispielsweise das Magnetfeld
gegenüber einem Referenz- oder Vergleichssignal eine charakteristische
Abweichung aufweist, beispielsweise eine einen Schwellenwert überschreitende
Amplitude und/oder einen charakteristischen Verlauf, insbesondere
eine Oszillation mit einer Länge, die insbesondere der
Schlaglänge des Litzendrahts entspricht.
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Durch
dieses weitere Verfahren besteht daher die Möglichkeit,
sehr sensitiv und störungsfrei eine Kontaktverbindung im
Hinblick darauf zu überprüfen, ob alle Einzeldrähte
des Litzendrahtes gleichermaßen gut kontaktiert sind, oder
ob einzelne Litzendrähte am Stromfluss in der Kontaktverbindung nicht
oder nur zu einem geringen Teil teilnehmen.
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Auch
diese Ausführungsvariante der Erfindung beruht auf der
Erkenntnis, dass im Falle einer Unterbrechung des Stromflusses durch
einen Einzeldraht, nunmehr aufgrund einer mangelnden Kontaktierung
zum Kontaktelement, oder ein Anteil des Stromes in Querrichtung
von einem Einzeldraht zum anderen Einzeldraht fließen muss,
und dass daher in einem gewissen Bereich über die Länge
des Litzendrahtes hinweg das Magnetfeld gestört ist und
eine Inhomogenität aufweist. Insbesondere weist das Magnetfeld
die charakteristische Oszillationslänge auf. Insgesamt
wird daher bei dieser Alternative eine Fernwirkung aufgrund der
Störstelle ausgenutzt, so dass auch entfernt von der eigentlichen
Fehlstelle, nämlich der Unterbrechung des Stromflusses
durch den Einzeldraht aufgrund einer mangelhaften Kontaktierung
im Kontaktbereich, diese Fehlstelle noch identifizierbar ist. Selbst
bei umspritzten Kontaktverbindungen, wie es bei vorkonfektionierten
Kabelsätzen heute üblich ist, kann daher die Kontaktverbindung
zerstörungsfrei überprüft werden.
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Beide
Alternativen beruhen daher auf der gleichen Überlegung,
dass nämlich bei einer Unterbrechung des Stromflusses durch
einen Einzeldraht der Strom bereits beabstandet zur Fehlstelle in
Querrichtung fließen muss, was zu charakteristischen Abweichungen
im erfassten Magnetfeld führt.
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In
einer zweckdienlichen Weiterbildung wird die Fernwirkung ausgenutzt,
um auf eine Fehlstelle zu schließen. Zweckdienlicherweise
wird hierbei in einer Entfernung von der Fehlstelle im Bereich der
2- bis 10-fachen Schlaglänge gemessen. Insbesondere bei
der Überprüfung einer Kontaktverbindung besteht hierdurch
die Möglichkeit einer sicheren und zuverlässigen
Auswertung auch in einem entfernten Bereich.
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Die
charakteristische Oszillation mit der Oszillationslänge
entsprechend der Schlaglänge zeigt aufgrund der Fernwirkung
eine gewisse örtliche Ausbreitung. Die charakteristische
Oszillation erstreckt sich daher beidseitig der tatsächlichen
Fehlstelle über eine gewisse Wegstrecke. Zweckdienlicherweise
wird daher als Fehlstelle diejenige Stelle des Litzendrahtes identifiziert,
die zum örtlichen Zentrum der charakteristischen Oszillation,
also der Mitte der örtlichen Ausbreitung, korrespondiert.
Alternativ wird als Ort der Fehlstelle diejenige Stelle des Litzendrahtes
lokalisiert, bei der das oszillierende Magnetfeld die größte
Amplitude aufweist.
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Um
eine möglichst hohe Empfindlichkeit einzustellen, wird
gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ein
Gradient des Magnetfeldes erfasst. Hierfür wird insbesondere
ein so genanntes Gradiometer als Sensor eingesetzt. Ein derartiges
Gradiometer ist eine einzige Baueinheit, die in der Lage ist, Magnetfeldänderun gen
in einer oder auch in mehreren Raumrichtungen zu erfassen. Ein Beispiel
hierfür sind so genannte Squid-Gradiometer, wie sie beispielsweise
in der
DE 103 04 225
B4 beschrieben werden. Alternativ kann zur Ausbildung des
Gradiometers auch eine Art Brückenschaltung von mehreren
Einzelmagnetsensoren zu einer einheitlichen Baueinheit verbunden
sein. Die Einzelsensoren sind hier beispielsweise Hall-Sensoren
oder auch magnetorresistive Sensoren, die jeweils als Halbleiter-Bauelemente
ausgebildet sind. Durch die Verwendung eines Gradiometers werden
die Einflüsse von im Wesentlichen homogenen Hintergrund-Magnetfeldern, wie
beispielsweise das Erdmagnetfeld, quasi ausgefiltert, so dass lediglich
das durch die Fehlstelle hervorgerufene Störsignal erfasst
wird.
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Bei
dem Verfahren wird ein Strom im Ampere-Bereich beispielsweise etwa
1 A, durch den Litzendraht geleitet, so dass das entstehende Magnetfeld
eine Stärke aufweist, die etwa lediglich das 2- bis 3-Fache
des Erdmagnetfelds beträgt, also eine etwa vergleichbare
Größenordnung wie das Erdmagnetfeld aufweist.
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Im
Hinblick auf eine möglichst einfache Ausgestaltung wird
zweckdienlicherweise das Magnetfeld mit nur einem Sensor, insbesondere
mit Hilfe nur eines Gradiometers erfasst. Aufgrund der speziellen Auswertetechnik,
nämlich der Auswertung der Oszillationslänge,
ist es nicht erforderlich, dass eine Vielzahl von Sensoren um den
Litzendraht herum angeordnet sind.
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In
einer alternativen zweckdienlichen Weiterbildung werden mehrere
Sensoren verwendet, die beispielsweise in Umfangsrichtung versetzt
zueinander angeordnet sind. Hierdurch besteht die Möglichkeit,
ortsabhängig unterschiedliche Magnetfeldstärken
bzw. auch Gradienten zu ermitteln.
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Zweckdienlicherweise
wird aus den hierbei über die Sensoren bereitgestellten
Einzelsignalen ein Zielsignal rechnerisch gebildet, bei dem Störeffekte, die
nicht auf die Fehlstelle zurückzuführen sind,
bereits herausgefiltert sind. So werden hierdurch insbesondere Rauscheffekte
eliminiert. Bevorzugt werden aufgrund der Verdrillung der Einzeldrähte
hervorgerufene Magnetfeldschwankungen durch ge eignete, beispielsweise
Phasen- und amplitudenkorrigierte Summenbildung der Einzelsignale
eliminiert. Hierzu werden insbesondere Änderungen des Magnetfeldes in
drei unabhängige Raumrichtungen erfasst. Diese Raumrichtungen
sind vorzugsweise die Längsrichtung des Litzendrahtes,
seine Umfangsrichtung sowie die radiale Richtung.
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Ergänzend
besteht bei der Verwendung von mehreren Sensoren auch die Möglichkeit,
eine Schwerpunktposition des durch den Litzendraht fließenden
Stroms zu ermitteln und hierbei zu überprüfen,
ob eine homogene Stromverteilung innerhalb des Litzendrahtes besteht.
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Bei
dem Verfahren ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Litzendraht
mit Gleichstrom beaufschlagt wird. Zur Erhöhung und Verbesserung
der Empfindlichkeit ist gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung
ergänzend vorgesehen, dass ein Wechselstromanteil aufmoduliert
wird. Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit, den Litzendraht
ausschließlich mit Wechselstrom zu beaufschlagen. Durch
die Aufmodulation mit einem Wechselstromanteil nach Art einer Lock-in-Technik
wird die Empfindlichkeit und Genauigkeit erhöht. Bei der Lock-in-Technik
handelt es sich um eine Art phasenabhängige Filterung,
da nur diejenigen Signalteile ausgewertet werden, die zu dem aufgeprägten Wechselstromanteil
einen vorgegebenen Phasenversatz oder die gleiche Phase wie der
aufgeprägte Wechselstrom aufweisen.
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Um
eine sichere zuverlässige Detektion zu gewährleisten,
ist in einer zweckdienlichen Weiterbildung vorgesehen, dass der
Litzendraht gegebenenfalls zusätzlich zu seiner Relativverschiebung
zum Sensor bewegt oder alternativ bzw. ergänzend eine Kraft
auf ihn ausgeübt wird. Die Bewegung oder die Krafteinwirkung
ist hierbei derart gewählt, dass die Störstelle
und damit das Magnetfeld sich verändert. Dieser Ausgestaltung
liegt die Überlegung zugrunde, dass unter ungünstigen
Umständen trotz Abriss eines Einzeldrahtes ein guter Kontakt
in Längsrichtung des Einzeldrahtes besteht, so dass es
nahezu zu keiner Inhomogenität des gemessenen Magnetfeldes kommt.
Durch Bewegung des gesamten Litzendrahtes oder auch durch Krafteinwirkung
wird die Fehlstelle mechanisch belastet, so dass die Wahrscheinlichkeit
zunimmt, dass die Fehlstelle sich auch im Magnetfeld deutlich bemerkbar
macht. Hierzu werden beispielsweise während der Messung
kontinuierlich Vibrationen auf den Litzendraht ausgeübt
oder der Litzendraht wird einer mechanischen Wechselkraft unterzogen,
die beispielsweise in Längsrichtung oder auch in Querrichtung
des Litzendrahtes wirkt. Alternativ besteht auch die Möglichkeit,
zwei Messläufe durchzuführen und zwischen den
Messläufen den Litzendraht zu bewegen oder auf ihn eine
Kraft auszuüben.
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Das
Verfahren wird zweckdienlicherweise herangezogen, um ein elektrisches
Kabel beispielsweise auf einen möglichen Litzenabriss zu überprüfen.
Insbesondere dient das Verfahren zur Überprüfung
der elektrischen Kontaktverbindung eines Kabels, da es bei dieser
entscheidend auf einen möglichst geringen Kontaktwiderstand
ankommt.
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Alternativ
ist vorgesehen, dass mit dem Verfahren mechanische Tragseile überprüft
werden, die in ihrem Anwendungsgebiet selbst nicht mehr für eine
Stromleitung vorgesehen sind. Derartige Tragseile werden beispielsweise
bei Aufzügen, Kränen, Seilbahnen, Brücken
eingesetzt, bei denen die Tragseile allgemein einer dynamischen
oder statischen Zugbelastung ausgesetzt sind.
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Das
Verfahren kann hierbei wahlweise an einer Prüfstelle vorgenommen
werden oder mit Hilfe einer mobilen Prüfanordnung auch
vor Ort, beispielsweise an einem verbauten Tragseil vorgenommen werden.
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Bei
allen Einsatzgebieten ist hierbei von Vorteil, wenn es sich bei
den Litzendrähten um nicht magnetische, insbesondere um
nicht magnetisierbare Materialien handelt. Das Verfahren eignet
sich prinzipiell aber auch bei magnetischen Materialien. Im Falle
der Überprüfung von elektrischen Kabeln handelt es
sich hierbei insbesondere um Kupfer- oder Aluminium-Litzendrähte.
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Das
beschriebene Verfahren wird insbesondere zur Qualitätskontrolle
bei derartigen Litzendrähten eingesetzt. Bevorzugt wird
das Verfahren in der Qualitätskontrolle bei der Konfektionierung
von Kabelsätzen, beispielsweise für den Automobilbereich, eingesetzt.
Hierbei werden insbesondere auch die Kontaktierungen mit angeschlagenen
und teilweise auch umspritzten Kontaktelementen überprüft.
Derartige Kontaktelemente sind beispielsweise Steckverbinder, die über
eine Löt-, Schweiß- und/oder Crimpkontaktierung
mit dem jeweiligen Litzendraht verbunden sind. Auch Klemm- oder Schneid-Klemm-Kontaktierungen
können vorgesehen sein.
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In
bevorzugter Ausgestaltung wird mit nur einem oder allenfalls mit
wenigen Sensoren gearbeitet, die relativ zu dem Litzendraht verschoben
werden. Alternativ hierzu ist eine statische Messung vorgesehen,
bei der über die Länge des Litzendrahtes an mehreren
Stellen verteilt Sensoren angebracht sind.
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In
weiteren Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die Litzendrähte
mit einem hochfrequenten Strom beaufschlagt werden, so dass sie nach
Art von Antennen eine spezielle Abstrahlcharakteristik aufweisen.
Eine Veränderung der Abstrahlcharakteristik aufgrund einer
Fehlstelle kann hierbei ausgewertet werden. Eine derartige Überprüfung
bietet sich insbesondere für derartige Litzendrähte
an, die im späteren Einsatzgebiet als Antennen- und/oder
Senderstrukturen vorgesehen sind und mit Hochfrequenz beaufschlagt
werden. Weiterhin kann ergänzend zu der Magnetfeldmessung
vorgesehen sein, dass auch das elektrische Feld mit Hilfe einer
kapazitiven Messung erfasst und ausgewertet wird.
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In
einer alternativen Anwendung ist zweckdienlicherweise vorgesehen,
dass anhand des gemessenen Signals auf die tatsächliche
Schlaglänge rückgeschlossen wird, diese daher
mittels der Auswertung des Magnetfelds gemessen wird. Hierzu wird
die zuvor als Rauscheffekt beschriebene Variation des Magnetfeldes
aufgrund der Verdrillung der Einzeldrähte ausgewertet.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils
in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer Kontaktverbindung im
Bereich einer Crimphülse und eines abisolierten Endbereiches
eines elektrischen Kabels mit Magnetfeldsensor und Messanordnung,
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2 eine
Seitenansicht auf einen Litzendraht,
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3 einen
charakteristischen Signalverlauf eines gemessenen Magnetfeldes im
Bereich einer Fehlstelle,
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4 eine
Schnittansicht durch eine Messanordnung.
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In
den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Gemäß 1 ist
in einer Art Explosionsdarstellung ein endseitig abisoliertes elektrisches
Kabel 2 zu entnehmen, so dass endseitig sein elektrischer Leiter,
ein Litzendraht 4, für eine Kontaktverbindung 6 mit
einem im Ausführungsbeispiel als Crimphülse ausgebildeten
Kontaktelement 8 freigelegt ist. Im Bereich der Kontaktverbindung 6 ist
das Kabel 2 sowie das Kontaktelement 8 von einer
Umhüllung 10 umgeben. Insbesondere sind das Kontaktelement 8 und das
Kabel 2 umspritzt.
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Der
Litzendraht 4 besteht aus einer Vielzahl von miteinander
verdrillten Einzeldrähten 12. Bei den Einzeldrähten 12 handelt
es sich insbesondere um nicht isolierte Kupfer-Einzeldrähte
mit einem Einzeldrahtdurchmesser im Bereich zwischen 0,1 und 0,25 mm.
Im Ausführungsbeispiel sind etwa sieben bis dreißig
Einzeldrähte 12 miteinander verdrillt. Der Litzendraht 4 selbst
ist von einer Isolierung 14 umgeben, so dass das elektrisches
Kabel 2 ausgebildet ist.
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In 1 ist
weiterhin ein Magnetsensor 22 dargestellt, welcher insbesondere
als Gradiometer ausgebildet ist. Ergänzend ist lediglich
schematisch angedeutet eine Auswerteeinheit 24 dargestellt,
die über eine Signalleitung 25 mit dem Sensor 22 verbunden
ist. Weiterhin ist eine Stromquelle 26 vorgesehen, die
zur Einspeisung von Strom I mit dem Kontaktelement 8 einerseits
und mit dem Litzendraht 2 andererseits verbunden ist. Die
Auswerteeinheit 24 ist auch mit der Stromquelle 26 verbunden
und steuert diese an. Die Stromquelle 26 ist im Ausführungsbeispiel
insbesondere als Gleichstromquelle ausgebildet, wobei zusätzlich
eine Aufmodulation eines Wechselstromanteils möglich ist.
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Aus 2 ist
anhand des dort dargestellten Litzendrahts 4 die Verdrillung
der Einzeldrähte 12 besonders gut zu erkennen.
Der Litzendraht 4 gemäß 2 ist
beispielsweise lediglich ein mechanisches Tragseil ohne weitergehende
elektrische Funktionalität oder auch ein Leiter für
ein Kabel 2. Zur Verdeutlichung der Verdrillung ist hierbei
ein Einzeldraht 12A durch eine Grauschattierung hervorgehoben.
Insgesamt sind die Einzeldrähte 12 mit einer so
genannten Schlaglänge L miteinander verdrillt. Die Schlaglänge L
ist hierbei als die Länge definiert, die der jeweilige Einzeldraht 12 für
eine 360°-Umdrehung benötigt. Die Schlaglänge
L liegt üblicherweise zwischen 15 mm und 40 mm bei elektrischen
Kabeln 2, die für Ströme im Bereich von
einigen Ampere ausgelegt sind.
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Mit
dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird der Litzendraht 4 im
Hinblick auf eine mögliche Fehlstelle 28 überprüft.
Als Fehlstelle 28 wird hierbei einerseits ein Einzeldraht-Abriss
beispielsweise in der Mitte des Litzendrahts 4 oder an
einer sonstigen beliebigen Stelle verstanden, wie sie in 2 angedeutet
ist. Als Fehlstelle 28 wird andererseits aber auch eine
mangelhafte Kontaktverbindung zwischen dem abisolierten Ende des
Litzendrahts 4 und dem Kontaktelement 8 verstanden,
wenn also Einzeldrähte 12 nicht an der elektrischen
Kontaktverbindung mit dem Kontaktelement 8 teilnehmen,
so dass durch diese Einzeldrähte 12 kein oder
nur ein sehr geringer Strom in das Kontaktelement 8 fließt.
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Beim
Verfahren wird daher der Stromfluss durch die Einzeldrähte 12 überprüft.
Tritt keine Fehlstelle 28 auf und wird in die Einzeldrähte 12 jeweils ein
gleich starker Teilstrom i eingespeist, dessen Stromausbreitungsrichtung
in Längsrichtung der Einzeldrähte 12 (vgl. 2)
ist. Aufgrund deren Verdrillung breiten sich die jeweiligen Teilströme
i in etwa schraubenlinienförmig aus. Durch die Überlagerung der
Teilströme ergibt sich ein nahezu idealer Gesamtstrom I
in Längsrichtung des Litzendrahtes 4 und es entsteht
ein weitgehend homogenes Magnetfeld entsprechend dem Magnetfeld
B eines stromdurchflossenen Leiters. Aufgrund der Verdrillung entsteht
ein gewisses Störsignal bzw. Rauschen. Ein Beispiel für einen
Signalverlauf ist in 3 dargestellt. In dem dargestellten
Diagramm ist das Magnetfeld B gegenüber dem Ort x (Längserstreckung
des Litzendrahtes 4) aufgetragen.
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Im
Falle einer Fehlstelle 28, wenn also der Stromfluss durch
einen Einzeldraht 12 unterbrochen ist, muss der durch diesen
Einzeldraht 12 fließende Teilstrom i auf die anderen
Einzeldrähte 12 ausweichen, wie dies in 2 durch
die gepunkteten Pfeile dargestellt ist. Im Bereich der Fehlstelle 28 ergibt
sich dadurch eine Störung im Stromfluss und damit eine Störung
im Magnetfeld B, die detektiert wird. Aufgrund der Verlitzung der
Einzeldrähte 12 mit der Schlaglänge L
weist die Inhomogenität des Stromflusses und damit auch
die des Magnetfeldes B eine charakteristische Oszillation auf. Das
Magnetfeld B oszilliert im Bereich der Fehlstelle 28 mit
der Schlaglänge L.
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Mit
Hilfe des Sensors 22 wird das Magnetfeldsignal erfasst.
Hierbei wird der Sensor 22 in Pfeilrichtung entlang des
Kabels 2 relativ zu diesem verschoben. Hierbei kann sowohl
der Sensor 22 als auch der Litzendraht 2 verschoben
werden. Das erfasste Sensorsignal wird an die Auswerteeinheit 24 übermittelt.
In dieser wird dann das Sensorsignal ausgewertet. Sofern eine Aufmodulation
eines elektrischen Wechselstromanteils auf den Gleichstrom vorgesehen
ist, so vergleicht die Auswerteeinheit 24 das vom Sensor 22 empfangene
Messsignal im Hinblick auf dessen Phase mit dem aufmodulierten Wechselstromanteil
nach Art einer Lock-in-Technik.
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Im
Bereich einer Fehlstelle 28 ergibt sich das in 3 dargestellte
typische Beispiel für einen Signalverlauf des ortsabhängig
gemessenen Magnetfeldes B.
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Wie
deutlich zu erkennen ist, weist das gemessene Signal im Bereich
der Fehlstelle 28 eine deutliche Änderung im Vergleich
zu dem sonstigen Verlauf auf. Und zwar zeigt im Bereich der Fehlstelle 28 das
Signal eine deutliche Oszillation, die eine bestimmte Oszillationslänge
A aufweist, die der Schlaglänge L entspricht.
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Die
gekennzeichnete Position P im Signal entspricht der Position der
Fehlstelle 28 im Litzendraht 4. Die Position P
befindet sich in der örtlichen Mitte der charakteristischen
Oszillation. Unter charakteristischer Oszillation wird derjenige
Signalbereich verstanden, in dem das Signal mit der charakteristischen
Oszillationslänge A oszilliert.
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Auf
das Vorhandensein einer Fehlstelle 28 wird nunmehr ausschließlich
dann geschlossen, wenn die Oszillation die Oszillationslänge
A aufweist, die der Schlaglänge L entspricht. Als weiteres
Kriterium wird vorzugsweise die Überschreitung einer gewissen
Amplitude herangezogen, um Rauschsignale unberücksichtigt
zu lassen.
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Um
eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erhalten, ist der
Sensor 22 vorzugsweise als Gradiometer ausgebildet, welcher
also eine ortsabhängige Magnetfeldänderung beispielsweise
in radialer Richtung zum Litzendraht 2 erfasst.
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Wie
aus 3 hervorgeht, weist die Fehlstelle 28 (Position
P) eine deutliche Fernwirkung auf, d. h. die Fehlstelle 28 wirkt
sich über eine beachtliche Länge, die einem Vielfachen
der Schlaglänge L entspricht, auf das Magnetfeld B aus.
Insbesondere weist das charakteristische Signal im Bereich der Fehlstelle 28 insgesamt
eine Länge von im Ausführungsbeispiel etwa 10
cm auf. Aufgrund dieser Fernwirkung besteht die Möglichkeit,
auch beabstandet von der eigentlichen Fehlstelle 28 eine Überprüfung des
Stromflusses durch den jeweiligen Einzeldraht 12 durchzuführen.
Dadurch wird eine zuverlässige und sichere Auswertung der
Kontaktverbindung des Kontaktelements 8 mit dem Litzendraht 2,
wie sie in 1 dargestellt ist, möglich.
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Beidseitig
des charakteristischen Bereichs um die Fehlstelle 28 herum
zeigt das Signal ein Rauschen oder Störsignal. Dieses kann
weitgehend unterdrückt werden, indem z. B. mehrere Sensoren 22, beispielsweise
zwei oder drei, verteilt um den Litzendraht 2 angeordnet
werden und diese Sensoren 22 gemeinsam entlang des Litzendrahtes 2 verschoben werden.
Aus den so erfassten Einzelsignalen wird ein resultierendes Ziel-
oder Gesamtsignal (nicht dargestellt) gebildet. Durch geeignete
Phasenverschiebung und Superposition der Einzelsignale kann das Störsignal
deutlich reduziert werden. Das Störsignal wird zumindest
zum Teil nämlich durch die Verdrillung der Einzeldrähte 12 hervorgerufen,
so dass ein aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Sensors 22 messbares
inhomogenes Magnetfeld erfasst wird. Da diese Inhomogenität
durch die Verdrillung hervorgerufen wird, besteht die Möglichkeit,
das Störsignal rechnerisch zu eliminieren, indem die Einzelsignale der
beispielsweise in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordneten
Sensoren 22 geeignet übereinander gelagert und
miteinander verrechnet werden.
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Aus 4 ist
schließlich noch ein beispielhafter Aufbau einer Messanordnung
zu entnehmen. Der Litzendraht 4 wird hierbei in eine Art
V-Nut 30 eines Prüfblocks 32 eingelegt
und am Boden der V-Nut 30 in Längsrichtung entlang
gezogen. In der V-Nut 30 ist an einer diskreten Stelle
der Sensor 22 angeordnet. An der diskreten Messstelle wird
daher der Litzendraht 4 über den Sensor 22 gezogen.
Bei Bedarf kann zusätzlich ein weiterer, um 90° versetzter
Sensor 22 vorgesehen sein, der durch die gestrichelte Linie
angedeutet ist. Dieser Sensor 22 ist hierbei vorzugsweise
auch in Axialrichtung zum ersten Sensor 22 versetzt angeordnet.
Ausgehend von der V-Nut 30 erstrecken sich zwei Kanäle 34,
wobei der eine Kanal 34 für die Zuführung
der Signalleitung 25 zum Sensor 22 dient. In dem
anderen Kanal 34 ist ein Magnet, insbesondere Permanentmagnet 38,
angeordnet, der zur Arbeitspunkteinstellung des Sensors 22 dient. Um
einen definierten gleich bleibenden Abstand zwischen dem Litzendraht 4 und
dem Sensor 22 zu gewährleisten, ist vorzugsweise
in nicht dargestellter Weise vorgesehen, dass der Litzendraht 4 gegen
den Sensor 22 gedrückt wird.
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- 2
- Kabel
- 4
- Litzendraht
- 6
- Kontaktverbindung
- 8
- Kontaktelement
- 10
- Umhüllung
- 12
- Einzeldraht
- 14
- Isolierung
- 22
- Sensor
- 24
- Auswerteeinheit
- 25
- Signalleitung
- 26
- Stromquelle
- 28
- Fehlstelle
- 30
- V-Nut
- 32
- Prüfblock
- 34
- Kanal
- 38
- Permanentmagnet
- A
- Oszillationslänge
- B
- Magnetfeld
- I
- Strom
- i
- Teilstrom
- L
- Schlaglänge
- P
- Position
der Fehlstelle im Meßsignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2005020813
A [0003]
- - DE 10304225 B4 [0017]