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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters.
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Elektrische Leiter können sich zum Beispiel durch elektrische Ströme, welche den elektrischen Leiter durchfließen, erwärmen. Hierdurch können sich die Eigenschaften der Leiter, zum Beispiel eine Impedanz der Leiter, verändern.
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Zum Beispiel werden im technischen Bereich der Elektromobilität Ladekabel zum Aufladen von Akkumulatoren von Elektrofahrzeugen verwendet, die während eines Ladebetriebs von Strömen mit teils erheblicher Stromstärke durchflossen werden. Eine Folge ist eine abschnittsweise oder vollständige Erwärmung des Ladekabels, einhergehend mit einer teilweise signifikanten Erhöhung der Leitungsimpedanz.
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Sollen neben den qualitativen auch die quantitativen Auswirkungen einer Erwärmung eines Leiters auf dessen Widerstandseigenschaften ermittelt werden, so werden eine Messvorrichtung und/oder ein Messverfahren benötigt.
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Ein bekanntes Verfahren zur Ermittlung von Kabelbeschädigungen ist die Zeitbereichsreflektometrie (in Englisch: Time Domain Reflectometry, kurz TDR). Hierbei wird ein elektrisches Signal, vorzugsweise ein Pulssignal, einer elektrischen Leitung zugeführt. Ist die elektrische Leitung an einer Stelle durchtrennt, so wird das Signal an dieser Stelle reflektiert. Durch eine Laufzeitmessung des reflektierten Signals kann eine Position der Durchtrennungsstelle ermittelt werden. Ist die Leitung nicht durchtrennt, jedoch an einer Stelle beschädigt, sodass eine Impedanz der Leitung im Bereich der Beschädigung erhöht ist, so verursacht die erhöhte Impedanz eine Teilreflektion des Signals. Anhand einer Laufzeitmessung des teilweise reflektierten Signals kann eine Position der erhöhten Impedanz und anhand der Amplitude des reflektierten Signals eine Relation der erhöhten Impedanz zur umgebenden Leitungsimpedanz ermittelt werden.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Ermittlung von Kabelbeschädigungen ist die Frequenzbereichsreflektometrie (in Englisch: Frequency Domain Reflectometry, kurz FDR). Hierbei werden Signale verschiedener Frequenzen einer Leitung zugeführt und das Frequenzspektrum der reflektierten Signale ermittelt. Weiter werden die ermittelten Frequenzspektren mittels einer Fourier-Transformation in eine Signaldarstellung umgewandelt. Die Position einer erhöhten Impedanz und/oder einer Leitungsdurchtrennung können durch einen Impedanzverlauf entlang der Kabellänge sichtbar gemacht werden. Bei der Ermittlung des Impedanzverlaufs kann sowohl die Phaseninformation der reflektierten Signale als auch der Betrag der reflektierten Signale berücksichtigt werden.
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Ein Nachteil der bekannten Verfahren (FDR, TDR) ist es, dass die hierfür benötigten Messvorrichtungen bzw. Messaufbauten teuer, technisch aufwendig und aufgrund ihrer Baugröße und ihres Gewichts wenig portabel sind. Begründet ist dies vor allem durch die hoch empfindlichen und breitbandigen HF-Bauelemente zur Erfassung der reflektierten Signale, wie zum Beispiel Analog-Digital-Konverter oder Verstärker.
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Die Einsatzgebiete bekannter Messvorrichtungen sind daher auf Labore oder ausgesprochen kostenintensive Anwendungsgebiete, bei welchen die hohen Kosten der Messvorrichtung in den Hintergrund treten (z.B. Unterseekabel, Ölpipelines), eingeschränkt. Für weniger kostenintensive Anwendungsgebiete, zum Beispiel zur Überprüfung kürzerer Kabel mit einer Länge von z.B. 10 m, ist der Einsatz der bekannten Vorrichtungen und Verfahren aus wirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll und daher unüblich.
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Es besteht somit ein Bedarf an einer verbesserten, insbesondere kostengünstigeren, Vorrichtung und einem verbesserten, insbesondere kostengünstigeren, Verfahren zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters.
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Eine Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters weist eine Signalgeneratoreinheit ein. Die Signalgeneratoreinheit ist dazu angeordnet und ausgebildet, ein multifrequentes elektrisches Signal, insbesondere ein zeitvariantes multifrequentes Signal oder ein zeitinvariantes Rauschsignal, zu erzeugen, welches einen elektrischen Leiter durchläuft. Die Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs weist ferner eine Frequenzspektrumerfassungseinheit auf. Die Frequenzspektrumserfassungseinheit ist dazu angeordnet und ausgebildet, ein Frequenzspektrum eines den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals zumindest in einem vorbestimmten Frequenzbereich zu erfassen. Die Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs weist ferner eine Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit auf. Die Frequenzspektrumsdifferenzermittlungseinheit ist dazu angeordnet und ausgebildet, eine Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und einem vorbestimmten Frequenzspektrum zu ermitteln. Die Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs weist ferner eine Frequenzdifferenzumwandlungseinheit auf. Die Frequenzdifferenzumwandlungseinheit ist dazu ausgebildet und angeordnet, einen Amplitudenverlauf/eine Zeitbereichsdarstellung der ermittelten Frequenzdifferenz entlang des elektrischen Leiters zu ermitteln.
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Anhand der Zeitbereichsdarstellung der ermittelten Frequenzdifferenz kann auf einen Impedanzverlauf bzw. auf Abweichungen zu einem SOLL-Impedanzverlauf entlang des elektrischen Leiters geschlossen werden. Die Zeitbereichsdarstellung der ermittelten Frequenzdifferenz korrespondiert zum Impedanzverlauf bzw. zur Abweichung zum SOLL-Impedanzverlauf entlang des elektrischen Leiters.
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Ein Vorteil der Vorrichtung ist, dass durch die Ermittlung der Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und einem vorbestimmten Frequenzspektrum sowohl eine punktuelle als auch eine gleichmäßige Impedanzveränderung des gesamten Leiters festgestellt und quantifiziert werden kann. Wird der gesamte Leiter gleichmäßig um eine Temperatur erwärmt, so steigt die Impedanz des gesamten Leiters ebenfalls gleichmäßig an. Es erfolgt somit keine Signalreflektion an einem Leiterabschnitt mit einer relativ zu seiner Leiterumgebung erhöhten Impedanz. Jedoch verändert sich das von dem Leiter reflektierte Frequenzspektrum derart, dass die ermittelte Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und dem vorbestimmten Frequenzspektrum nach der Umwandlung eine Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung eine aufgrund der erhöhten Temperatur gleichmäßig erhöhte Impedanz als eine konstante lineare Verschiebung der Signalamplitude zeigt.
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Ist das vorbestimmte Frequenzspektrum zum Beispiel das Frequenzspektrum des elektrischen Leiters unter vorbestimmten Bedingungen, insbesondere bei einer vorbestimmten Leitertemperatur, so kann mit der konstanten Verschiebung der ermittelten Signalamplitude, mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes, auf die Veränderung der Leitungsimpedanz und indirekt, z.B. durch Multiplikation mit einem leiterspezifischen Temperaturkoeffizienten, auf den Anstieg der Leitertemperatur geschlossen werden.
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Weiter kann die Vorrichtung eine Verstärkereinheit umfassen, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, das multifrequente elektrische Signal zu verstärken.
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Ein Vorteil der Verstärkung des Signals, insbesondere vor dem Durchlaufen des elektrischen Leiters, ist, dass Signalverluste aufgrund der Dämpfung des Leiters in Relation zur Signalstärke reduziert werden.
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Das erzeugte multifrequente Signal kann insbesondere ein Rauschsignal, zum Beispiel ein kontinuierliches weißes oder gaußsches Rauschsignal sein. Das Rauschsignal kann zum Beispiel eine Bandbreite bis zu 2 GHz haben. In einer anderen Ausführungsform kann das erzeugte multifrequente Signal ein zeitvariantes multifrequentes Signal, insbesondere ein Frequenzsweep, sein.
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In einer spezifischen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters einen Richtkoppler, welcher mit einem Leiterende des elektrischen Leiters elektrisch leitfähig verbunden und dazu angeordnet und ausgebildet ist, das durch die Signalgeneratoreinheit erzeugte multifrequente elektrische Signal in den elektrischen Leiter einzuleiten.
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Der elektrische Leiter weist hierbei vorzugsweise ein offenes Leiterende auf, welches zumindest einen Teil des in den elektrischen Leiter eingeleiteten multifrequenten Signals reflektiert. Der Richtkoppler ist weiter dazu angeordnet und ausgebildet, das durch den Leiter, insbesondere durch das offene Leiterende, reflektierte Signal als das den elektrischen Leiter verlassende multifrequente elektrische Signal auszuleiten.
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Ein Vorteil der Verwendung eines Richtkopplers ist es, dass ein reflektiertes multifrequentes Signal/Frequenzspektrum durch die Frequenzspektrumerfassungseinheit erfasst werden kann. In anderen Ausführungsformen kann ein die Leitung einmalig durchlaufendes multifrequentes Signal/Frequenzspektrum an einem Leitungsende erfasst werden. Das reflektierte Signal/Frequenzspektrum kann hierbei durch eine Subtraktion des in die Leitung eingeleiteten Signals/ Frequenzspektrums mit dem die Leitung durchlaufenden Signal/Frequenzspektrum ermittelt werden. Alternativ kann das die Leitung einmalig durchlaufende multifrequente Signal/Frequenzspektrum ohne vorherige Subtraktion mit dem in die Leitung eingeleiteten Signal/Frequenzspektrum der Frequenzspektrumerfassungseinheit zugleitet werden, wobei eine hierzu analoge Anpassung des vorbestimmten Frequenzspektrums Voraussetzung ist. Die Auswahl/Bestimmung des vorbestimmten Frequenzspektrums ist nachfolgend detaillierter beschrieben.
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In einer Variante ist die Frequenzspektrumerfassungseinheit und/oder die Signalgeneratoreinheit ein Software Defined Radio, kurz SDR. Die Frequenzspektrumerfassungseinheit kann einen Frequenzerfassungsbereich von 25 bis 1750 MHz aufweisen. Weiter kann die Frequenzspektrumerfassungseinheit eine softwarebasierte Signalverarbeitung aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Frequenzspektrumerfassungseinheit einen USB-Anschluss (USB: Universal Serial Bus) aufweisen.
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Ein Software Defined Radio, kurz SDR, ist eine Vorrichtung, welche zumindest einen Hochfrequenzempfänger aufweist und zumindest einen Teil der Signalverarbeitung durch ein rechnergestütztes Verfahren bewältigt. Weiter kann ein SDR eine Signalgeneratoreinheit aufweisen, welche zur Erzeugung eines multifrequenten Signals, insbesondere eines Rauschsignals, geeignet ist. Varianten eines SDRs, welche eine Signalgeneratoreinheit zur Erzeugung eines zeitvarianten multifrequenten Signals aufweisen, sind ebenfalls möglich. SDRs zeichnen sich durch ihre zum Teil geringe Baugröße, ihr geringes Gewicht und ihre kostengünstige Verfügbarkeit am Markt aus. Weiter können SDRs zum Beispiel in der Messtechnik übliche 50-Ohm SMA Anschlüsse und/oder einen USB-Anschluss aufweisen. SDRs eignen sich daher besonders zum nicht stationären Einsatz und/oder zum Zusammenwirken mit, insbesondere portablen, Rechnervorrichtungen.
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Ein Vorteil der Verwendung eines SDR liegt, neben dem/der möglichen geringen Gewicht/Baugröße und der günstigen Verfügbarkeit am Markt, darin, dass SDRs teilweise frei konfigurierbar, insbesondere frei programmierbar, sind und eine nutzerindividuelle Anpassung, zum Beispiel des erzeugten Signals, ermöglichen. SDRs eignen sich somit als Vorrichtungsbestandteile für eine Vorrichtung zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang einer Vielzahl von unterschiedlichen Leitern.
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Die Frequenzspektrumerfassungseinheit kann dazu angeordnet und ausgebildet sein, zumindest eine Phaseninformation und/oder eine Signallaufzeit des den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals zu ermitteln. Jedoch ist dies ausdrücklich nicht in allen Ausführungsformen vorgesehen. Erzeugt der Signalgenerator zum Beispiel ein kontinuierliches Rauschsignal, so kann die Frequenzspektrumerfassungseinheit dazu ausgebildet sein, das Frequenzspektrum des den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals zumindest in einem vorbestimmten Frequenzbereich zu erfassen ohne eine Phaseninformation und/oder eine Signallaufzeit zu ermitteln.
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In einer Ausführungsform ist das vorbestimmte Frequenzspektrum ein durch die Frequenzspektrumerfassungseinheit erfasstes Frequenzspektrum des den elektrischen Leiter oder einen elektrischen Referenzleiter unter vorbestimmten (Umwelt-) Bedingungen verlassenden multifrequenten Signals, wobei das dem Leiter oder Referenzleiter zugeführte Signal identisch zu dem multifrequenten Signal ist, welches dem elektrischen Leiter zur Ermittlung des Impedanzverlaufs zugeführt wird. Die vorbestimmten (Umwelt-) Bedingungen sind insbesondere eine Beschädigungsfreiheit und/oder eine konstante Temperatur, bevorzugt von 20 Grad Celsius, des gesamten elektrischen Leiters oder des gesamten Referenzleiters.
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Ein Vorteil der Ermittlung/Bestimmung des vorbestimmten Frequenzspektrums durch das Erfassen des Frequenzspektrums des den elektrischen Leiter oder Referenzleiter unter vorbestimmten (Umwelt-)Bedingungen verlassenden multifrequenten Signals ist, dass die ermittelte Frequenzdifferenz zu dem vorbestimmten Frequenzspektrum eine Abweichung zu einem vorbestimmten Zustand des elektrischen Leiters repräsentiert. Somit ist nach der Umwandlung der Frequenzdifferenz in eine Zeitbereichsdarstellung kein Signal/keine Impedanz, sondern lediglich eine Signalveränderung/eine Impedanzveränderung dargestellt.
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Ein Vorteil der Ermittlung des vorbestimmten Frequenzspektrums mit Hilfe eines Referenzleiters ist es, dass zum Beispiel im Falle einer Vielzahl identisch gefertigter elektrischer Leiter mit identischen Eigenschaften der Ermittlungsaufwand für das vorbestimmte Frequenzspektrum reduziert werden kann, wenn stellvertretend für die Vielzahl identischer Leiter ein aus der Vielzahl ausgewählter Leiter als Referenzleiter dient.
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In einer Variante ist die Frequenzdifferenzumwandlungseinheit dazu ausgebildet und angeordnet, den Amplitudenverlauf/ die Zeitbereichsdarstellung entlang des elektrischen Leiters mit einer inversen Fourier-Transformation, insbesondere mit einer schnellen inversen Fourier-Transformation, der zuvor ermittelten Frequenzdifferenz zu ermitteln.
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Ein Vorteil hierbei ist, dass sich die schnelle inverse Fourier-Transformation zur ressourceneffizienten Implementierung von rechnergestützten Umwandlungsverfahren eignet.
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In jenen Ausführungsformen der Vorrichtung, in denen die Frequenzspektrumerfassungseinheit eine Phaseninformation und/oder eine Signallaufzeit des den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals ermittelt, kann die Frequenzdifferenzumwandlungseinheit dazu angeordnet und ausgebildet sein, die durch die Frequenzspektrumerfassungseinheit ermittelte Phaseninformation zu einer Laufzeit- oder Leiterlängenreferenzierung des Amplitudenverlaufs/ der Zeitbereichsdarstellung heranzuziehen.
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In einer Variante kann der elektrische Leiter insbesondere von einem Dielektrikum mit temperaturvarianten Eigenschaften umgeben sein. Insbesondere kann sich eine dielektrische Konstante des den Leiter umgebenden Dielektrikums mit steigender oder abnehmender Temperatur verändern. Zum Beispiel kann der Leiter ein Koaxialkabel mit einem PVC-Dielektrikum sein. Die temperaturvarianten Eigenschaften des Dielektrikums können eine Impedanzerhöhung des Leiters in Folge einer lokalen oder konstanten Erwärmung des Leiters befördern, sodass eine Erwärmung des Leiters leichter/einfacher/deutlicher mit der hier beschriebenen Vorrichtung feststellbar/ermittelbar ist.
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Ein Verfahren für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters umfasst die Schritte:
- - Erzeugen eines multifrequenten elektrischen Signals, insbesondere eines zeitvarianten multifrequenten elektrischen Signals oder eines zeitinvariantes elektrischen Rauschsignals, welches einen elektrischen Leiter durchläuft,
- - Erfassen eines Frequenzspektrums, zumindest in einem vorbestimmten Frequenzbereich, eines den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals,
- - Ermitteln einer Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und einem vorbestimmten Frequenzspektrum, und
- - Ermitteln eines Amplitudenverlaufs der Frequenzdifferenz entlang des elektrischen Leiters.
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Ist die Leistung des multifrequenten elektrischen Signals konstant, so kann der Amplitudenverlaufs in einen Impedanzverlauf überführt werden.
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Weiter kann das Verfahren zumindest einen der Schritte umfassen:
- - Verstärken des multifrequenten elektrischen Signals
- - Einleiten des multifrequenten elektrischen Signals in den elektrischen Leiter
- - Ausleiten des durch den elektrischen Leiter reflektierten multifrequenten elektrischen Signals als das den Leiter verlassende Signal, wobei der elektrische Leiter insbesondere ein offenes Leiterende aufweist, welches zumindest einen Teil des in den elektrischen Leiter eingeleiteten Signals reflektiert.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.
- 1A - 1B zeigen schematisch eine Messanordnung für eine Zeitbereichsreflektometrie.
- 2A - 2B zeigen schematisch eine Messanordnung für eine Frequenzbereichsreflektometrie.
- 3 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters.
- 4A - 4B zeigen schematisch die Auswirkungen einer ansteigenden Erwärmung des elektrischen Leiters auf die Signalamplitude bzw. den Verlauf der Leiterimpedanz.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer Messanordnung für eine Zeitbereichsreflektometrie.
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In der in 1 gezeigten Variante A wird ein (Impuls-)Signal über einen Richtkoppler einem Kabel zugeführt. Das Kabel ist nur an einem Ende mit dem Richtkoppler elektrisch leitend verbunden, während ein entgegengesetztes Kabelende offen oder elektrisch isoliert ist.
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Ein von dem Kabelende reflektiertes (Impuls-)Signal wird durch den Richtkoppler ausgeleitet und einer Auswertung oder Darstellung, zum Beispiel mit einem Oszilloskop, zugeführt. Durch eine Ermittlung der Laufzeit des Signals kann auf die Kabellänge geschlossen werden.
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Ist das Kabel an einer Stelle durchtrennt, so wird das (Impuls-)Signal an dieser Stelle reflektiert. Durch eine Laufzeitmessung des reflektierten Signals kann eine Position der Durchtrennungsstelle ermittelt werden.
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Ist das Kabel nicht durchtrennt, jedoch an einer Stelle beschädigt, sodass eine Impedanz der Leitung punktuell oder örtlich begrenzt erhöht ist, verursacht die erhöhte Impedanz eine Teilreflektion des (Impuls-)Signals. Anhand der Laufzeitmessung des teilweise reflektierten (Impuls-)Signals kann eine Position der erhöhten Impedanz und anhand der Amplitude des teilweise reflektierten (Impuls-)Signals eine Relation der erhöhten Impedanz zu der die Beschädigung umgebenden Leitungsimpedanz ermittelt werden.
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In der in 1 gezeigten Variante B wird das (Impuls-)Signal, im Unterschied zu Variante A, vollständig durch ein an zwei Kabelenden elektrisch kontaktiertes Kabel geleitet. Das Signal, welches das Kabel verlässt, wird von dem Signal, welches dem Kabel zugeführten wird, subtrahiert und das so ermittelte Differenzsignal analog zur Variante A ausgewertet oder dargestellt.
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2 zeigt schematisch den Aufbau einer Messanordnung für eine Frequenzbereichsreflektometrie bzw. Vektor-Frequenzbereichsreflektometrie.
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In der in 2 gezeigten Variante A wird ein multifrequentes Signal über einen Richtkoppler einem Kabel zugeführt. Das Kabel ist nur an einem Ende mit dem Richtkoppler elektrisch leitend verbunden, während ein entgegengesetztes Kabelende offen oder elektrisch isoliert ist.
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Das Frequenzspektrum des reflektierten multifrequenten Signals wird erfasst und durch den Richtkoppler ausgeleitet.
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Eine Transformation des erfassten Frequenzspektrums in eine Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung, zum Beispiel mit einem Oszilloskop, zeigt den Verlauf eines Spannungsabfalls/einer Impedanz entlang des Kabels.
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In der in 2 gezeigten Variante B wird das multifrequente Signal, im Unterschied zu Variante A der 2 und analog zur Variante B der 1, vollständig durch ein an zwei Kabelenden elektrisch kontaktiertes Kabel geleitet. Das Frequenzspektrum des das Kabel verlassenden Signals wird von dem Frequenzspektrum des dem Kabel zugeführten Signals subtrahiert und das so ermittelte Differenzspektrum analog zur Variante A ausgewertet oder dargestellt.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Kabels.
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Ein Multifrequenzgenerator 10 erzeugt ein multifrequentes Signal. Das multifrequente Signal wird durch einen Verstärker 20 verstärkt und anschließend einem Richtkoppler 30 zugeführt. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das multifrequente Signal ein zeitinvariantes Rauschsignal, jedoch sind auch Ausführungsformen mit einem zeitvarianten multifrequenten Signal, zum Beispiel mit einem Frequenzsweep, möglich.
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Der Richtkoppler 30 leitet das verstärkte multifrequente Signal in ein Kabel 40, wobei ein Ende des Kabels 40 elektrisch leitfähig mit dem Richtkoppler 30 verbunden ist und ein weiteres Kabelende offen oder elektrisch isoliert ist.
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Das verstärkte multifrequente Signal wird vom Kabel 40, insbesondere vom offenen bzw. isolierten Kabelende, reflektiert. Das reflektierte verstärkte multifrequente Signal wird durch den Richtkoppler 30 einem Software Defined Radio, kurz SDR, 50 zugeleitet. Das SDR 50 ermittelt ein Frequenzspektrum des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals.
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In einer Weiterentwicklung (nicht gezeigt) wird das multifrequente Signal durch das SDR 50 erzeugt und dem Verstärker 20 zugeführt. Das SDR ersetzt in dieser Weiterentwicklung somit den Multifrequenzgenerator 10, wobei dieses nicht im Widerspruch zu der Funktion des SDR 50 in der in 3 gezeigten Vorrichtung steht. Das SDR 50 ermöglicht in dieser Weiterentwicklung somit die Einsparung von Vorrichtungsbestandteilen. Eine (Bau-)Größe der gezeigten Vorrichtung kann somit reduziert werden und die Kosten zur Implementierung der gezeigten Vorrichtung können hierdurch gesenkt werden.
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In Ausführungsformen der Vorrichtung (nicht gezeigt), welche zum Beispiel ein multifrequentes Signal in Form eines Frequenzsweeps vorsehen, kann das SDR 50 zudem eine Phaseninformationen des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals ermitteln.
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Weiter wird das durch das SDR 50 ermittelte Frequenzspektrum des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals einer Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit 70 zugeleitet. Die Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit 70 ermittelt eine Frequenzdifferenz zwischen dem Frequenzspektrum des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals und einem Referenzspektrum 60.
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Das Referenzspektrum 60 ist zuvor durch eine Ermittlung eines reflektierten verstärkten multifrequenten Signals eines Referenzkabels bestimmt worden (nicht gezeigt). Hierzu wird ein zum verstärkten multifrequenten Signal identisches Signal, vorzugsweise ein durch dieselbe Anordnung aus Multifrequenzgenerator 10, Verstärker 20 und Richtkoppler 30 erzeugtes Signal, dem Referenzkabel zugeführt und analog zu der in 3 gezeigten Anordnung ein Frequenzspektrum/Referenzspektrum ermittelt. Das Referenzkabel ist ein zu dem Kabel 40 identisches oder zumindest eigenschaftsidentisches Kabel, welches beschädigungsfrei ist und eine gleichmäßige/konstante Temperatur von 20°C aufweist. Analog zu der in 3 gezeigten Anordnung ist ein Kabelende des Referenzkabels während der Ermittlung des reflektierten elektrischen multifrequenten Signals offen oder elektrisch isoliert.
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Mit anderen Worten wird bei der in 3 gezeigten Vorrichtung das tatsächlich durch das SDR 50 ermittelte Frequenzspektrum des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals mit einem vorbestimmten „Soll-Spektrum“ vergleichen.
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Die durch die Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit 70 ermittelte Frequenzdifferenz wird einem Spektraltranformationsrechner 80 zugeführt. Dieser transformiert die Frequenzdifferenz mit einer inversen schnellen Fourier-Transformation (in Englisch: inverse fast fourier transform, kurz IFFT) in eine Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Spektraltranformationsrechner 80 eine portable Rechnervorrichtung. Die IFFT wird anhand von bekannten Algorithmen durchgeführt und soll an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung (nicht gezeigt) kann der Spektraltranformationsrechner 80 zur Ermittlung der Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung zusätzlich auch durch das SDR 50 ermittelte Phaseninformationen, zum Beispiel eines Freuqenzsweeps, nutzen. Hierdurch wird eine Leitungslängen- oder laufzeitreferenzierte Amplitudendarstellung ermöglicht.
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Die ermittelte, insbesondere leitungslängen- und/oder laufzeitreferenzierte, Amplitudendarstellung wird einer Ausgabeeinheit für den temperaturabhängigen Impedanzverlauf 90 zugeleitet und durch diese ausgegeben.
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In einer Variante können die Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit 70, der Spektraltransformationsrechner 80 und die Ausgabeeinheit 90 gemeinsam durch eine portable Rechnervorrichtung mit Bildschirm, zum Beispiel durch einen handelsüblichen (Mobil-)Rechner, realisiert sein. Das Referenzspektrum 60 kann durch die Rechnervorrichtung abgespeichert sein und/oder durch diese bereitgestellt werden.
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4A zeigt Beispiele für durch die Ausgabeeinheit 90 ausgegebene temperaturabhängige Impedanzverläufe. Hierbei werden in einem Koordinatensystem auf der Abszissenachse die Signallaufzeit und/oder die Kabellänge und auf der Ordinatenachse die Signalamplitude und/oder die Kabelimpedanz aufgetragen, wobei die Signallaufzeit und die Kabellänge sowie Signalamplitude oder die Kabelimpedanz jeweils durch die Multiplikation von Konstanten ineinander überführbar sind, sofern Signalausbreitungsgeschwindigkeit und die Leistung des multifrequenten Signals zumindest im Wesentlichen konstant sind.
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Wird eine erste Stelle T1 oder ein Abschnitt des Kabels 40 erwärmt, so erfolgt aufgrund der Erwärmung ein lokaler Anstieg der Kabelimpedanz. Der Anstieg der Kabelimpedanz verändert die Leitungseigenschaften des gesamten Kabels derart, dass sich das durch das SDR 50 ermittelte Frequenzspektrum vom Referenzspektrum 60 unterscheidet. Wird die Frequenzdifferenz zwischen dem ermittelten Frequenzspektrum vom Referenzspektrum 60 mittels IFFT in eine Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung umgewandelt, so zeigt sich an der Stelle T1 (sofern die Abszissenachse auf eine Kabellänge normiert ist) eine Anhebung der Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz. Die Anhebung nimmt mit steigender Temperatur zu. Eine Veränderung der Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz über einen Zeitraum und/oder unterschiedliche Nutzungszustände des Kabels hinweg kann zur Unterscheidung einer temperaturbedingten Impedanzänderung und einer beschädigungsbedingten Impedanzänderung dienen.
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Analog zur Anhebung der Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz an der ersten Stelle T1 erfolgt aufgrund der Änderung der Leitungseigenschaften des gesamten Kabels eine Änderung der dargestellten Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz am offenen Kabelende E. Die dargestellte Kabelimpedanz am Leitungsende E entspricht nicht der tatsächlichen Kabelimpedanz am Kabelende, da für eine korrekte Darstellung ein unbeschränktes Frequenzspektrum erfasst werden müsste. Die tatsächlich dargestellte Signalamplitude bzw. Leitungsimpedanz am Kabelende E verändert sich mit steigender Temperatur jedoch analog zur Signalamplitude bzw. zur Kabelimpedanz an der erwärmten ersten Stelle T1 und kann somit zusätzlich zur Bestimmung des Temperaturanstiegs (mit-)herangezogen werden.
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Zudem kann bei einer bekannten Kabellänge die Abszissenachse durch die erkennbare (veränderliche) Kabelimpedanz am offenen Kabelende E normiert werden. Mit anderen Worten entspricht die Abszissenstelle mit der erkennbaren (veränderlichen) Impedanz dem Kabelende E, sodass eine (zumindest ungefähre) Normierung der Abszissenachse bei bekannter Kabellänge möglich ist (soweit keine vollständige Kabeldurchtrennung/Beschädigung vorliegt). Dies ist vor allem bei Ausführungsformen der Vorrichtung/ des Verfahrens ohne Laufzeit- oder Phaseninformationsbestimmung vorteilhaft. Die Normierung kann insbesondere auch mit der Messung des Referenzspektrums am Referenzkabel durchgeführt werden.
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4B zeigt die Auswirkungen einer Ausdehnung der Erwärmung auf einen Abschnitt des Kabels zwischen einer ersten Stelle T1 und einer zweiten Stelle T2, wobei das Maximum der Erwärmung zwischen der ersten Stelle T1 und der zweiten Stelle T2 erreicht wird. In der Folge ergibt sich in der Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung eine Anhebung der Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz, welche sich analog zur Erwärmung entlang des Kabels erstreckt.
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Ein Vorteil hierbei besteht darin, dass auch eine vollständige gleichmäßige Erwärmung des Kabels durch eine Anhebung / einen Offset der / auf die Signalamplitude bzw. die Kabelimpedanz feststellbar und quantisierbar ist.
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Es versteht sich, dass die zuvor erläuterten beispielhaften Ausführungsformen nicht abschließend sind und den hier offenbarten Gegenstand nicht beschränken. Insbesondere ist für den Fachmann ersichtlich, dass er die beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombinieren kann und/oder verschiedene Merkmale weglassen kann, ohne dabei von dem hier offenbarten Gegenstand abzuweichen.
