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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Messanordnung zur Überwachung einer Leitung auf veränderte Umgebungsbedingungen.
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Bei der Leitung handelt es sich um eine elektrische Leitung mit zumindest einem Leiter, welcher von einer Isolierung umgeben ist. Der von Isolierung umgebene Leiter wird nachfolgend auch als Ader bezeichnet. Die Isolierung weist eine vorgegebene Dielektrizitätskonstante auf. Eine Signalübertragung innerhalb des elektrischen Leiters wird von der Dielektrizitätskonstanten beeinflusst.
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Häufig sind mehrere Adern zu einer Leitung zusammengefasst. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise im automotiven Bereich, unterliegen Leitungen dabei unterschiedlichsten Belastungen, welche häufig bezüglich ihrer Dauer und Stärke unbekannt sind. Auch prinzipiell vielfältige und wechselreiche Umgebungsbedingungen, insbesondere Wärmeeinflüsse, können oftmals nicht oder nicht hinreichend abgeschätzt werden, um einen Verschleiß einer Leitung vorhersagen zu können. Um eine bestimmte Mindestlebensdauer garantieren zu können, wird eine Leitung typischerweise überdimensioniert ausgelegt.
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Im Bereich der E-Mobilität kommt dem Laden von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen zunehmend Bedeutung zu. Um die Ladedauer kurz zu halten, sind hierbei zukünftig hohe Ladeströme vorgesehen. Dies führt bei den entsprechenden Ladekabeln zu einer hohen Temperaturbelastung, die überwacht werden kann.
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Aus der
EP 0 487 730 A1 ist ein Temperatursensor zu entnehmen, bei dem mit Hilfe einer temperatursensitiven Leitung die Temperatur ermittelt wird. Bei der temperatursensitiven Leitung handelt es sich um eine Koaxialleitung, die ein zwischen einem Außenleiter und einem Innenleiter angeordnetes temperatursensitives Dieelektrikum aufweist. Die Temperaturerfassung beruht dabei darauf, dass die Impedanz der Leitung mit der Temperatur variiert. Zur Messung wird ein Wechselspannungs-Messsignal in die Leitung eingespeist und es wird ein Phasenversatz zwischen der Spannung und dem Strom ermittelt und ausgewertet.
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Aus der
WO 2009/115127 A1 ist ein Verfahren zur ortsaufgelösten Temperaturmessung zu entnehmen, bei der ebenfalls ausgenutzt wird, dass zwischen zwei Messleitern ein Isoliermaterial mit einer temperaturabhängigen Impedanz angeordnet ist. In die Messleiter wird ein hochfrequentes Messsignal eingespeist. Tritt lokal eine Temperaturänderung auf, so ändert sich dort die Impedanz und es erfolgt eine Änderung eines Reflexionsverhaltens des Messsignals. Das reflektierte Signal wird ausgewertet.
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In der
WO 2015/091552 A1 sowie der
DE 10 2013 227 051 A1 sind jeweils Messanordnungen zur Temperaturmessung beschrieben, bei denen zwei Signalleiter angeordnet sind, in die parallel ein Messsignal eingespeist wird. Die beiden Signalleiter weisen dabei unterschiedliche Isolierungen mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen auf, wobei zumindest einer der Signalleiter eine Isolierung mit einer temperaturabhängigen Dielektrizitätszahl besitzt. Aus einem Laufzeitunterschied des Messsignals durch die beiden Signalleiter wird die Temperatur bestimmt.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Überwachung einer Leitung auf veränderte Umgebungsbedingungen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für die Messanordnung sowie umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Überwachung einer Leitung auf veränderte Umgebungsbedingungen. Die Leitung weist eine Messleitung mit einer vorbestimmten Länge auf, die einen von einer Isolierung mit bekannter Dielektrizitätskonstante umgebenen Messleiter aufweist. Die Leitung kann dabei neben der Messleitung weitere Leitungskomponenten, insbesondere weitere elektrische Leitungsadern oder sonstige elektrische Leitungen aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante weist die Leitung jedoch nur die Messleitung auf.
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Weiterhin wird ein analoges Signal erzeugt, welches an einem Einspeiseort in die Messleitung eingespeist wird. Die Messleitung ist dabei zielgerichtet derart ausgebildet, dass das Signal an einem bekannten, festen Reflexionsort insbesondere stark reflektiert wird, vorzugsweise vollständig oder nahezu vollständig und ein reflektierter Signalanteil im Messleiter zurück läuft. An einem ortsfesten Messort wird nunmehr eine Signalamplitude gemessen und aus dieser Signalamplitude wird ein Maß für die veränderte Umgebungsbedingung ermittelt.
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Bei dieser Umgebungsbedingung oder auch Umgebungsparameter handelt es sich insbesondere um die Temperatur. Der Begriff Umgebungsbedingung, bzw. Umgebungsparameter ist dabei allgemein zu verstehen. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante handelt es sich um eine Umgebungsbedingung außerhalb der Leitung. In diesem Fall wird daher mithilfe der Messleitung eine weitere Komponente allgemein überwacht. Alternativ hierzu handelt es sich bei der Bedingung um eine innere Umgebungsbedingung, beispielsweise eine Bedingung der Leitung selbst, beispielsweise die Temperatur der Leitung. Im letztgenannten Fall, bei dem es sich also um eine inhärente, innere Bedingung der Leitung handelt, die überwacht wird, dient das Überwachungsverfahren daher zur Überwachung der Leitung selbst. Anhand der ermittelten Werte für die veränderte inhärente Bedingung werden weiter vorzugsweise Prognosen für den Verschleiß der Leitung abgeleitet.
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Die Messleitung ist dabei vorzugsweise insgesamt derart ausgebildet, dass sich zwischen dem Einspeiseort und dem Reflexionsort eine stehende Welle ausbildet.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren beruht grundsätzlich zunächst auf der Überlegung, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals innerhalb der Messleitung von der Dielektrizitätskonstanten der Isolierung abhängt. Die Dielektrizitätskonstante variiert dabei - insbesondere bei einer geeigneten Wahl des Materials für die Isolierung - mit den Umgebungsbedingungen, insbesondere mit der Temperatur. Eine sich verändernde Umgebungstemperatur wirkt sich daher über die Dielektrizitätskonstante auf die jeweilige Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals in der Messleitung aus. Die veränderte Ausbreitungsgeschwindigkeit führt an dem definierten, festen Messort quasi zu einer Verschiebung der Phase des Signals, sodass am Messort in Abhängigkeit der Temperatur die Signalamplitude variiert. Diese Signalamplitude ist daher ein Maß für die veränderte Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit auch ein Maß für die veränderte Umgebungsbedingung (Temperatur). Durch Auswertung der Signalamplitude am festen Messort werden daher Rückschlüsse auf die aktuelle Umgebungsbedingung, insbesondere Temperatur, gezogen. Bevorzugt wird für die Auswertung ausschließlich die Signalamplitude herangezogen.
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Aufgrund der Ausgestaltung der Leitung mit der starken Reflexion am Reflexionsort und der bevorzugten Ausbildung einer stehenden Welle überlagern sich dabei allgemein die Anteile des Signals mit denen des reflektierten Signals. Allgemein ergibt sich bei vorgegebener Frequenz, bei vorgegebener Leitungslänge, also vorgegebener Länge zwischen Einspeiseort und Reflexionsort, sowie bei vorgegebenem Messort je nach Temperatur eine definierte Spannungsamplitude am Messort. Bei der gemessenen Signalamplitude handelt es sich um die Amplitude der einander überlagerten Signalanteile des eingespeisten Signals und des reflektierten Signal.
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Bei einer idealen Leitung würde bei einer Totalreflexion das eingespeiste Signal und das reflektierte Signal sich auslöschen. Dies ist jedoch aufgrund von Übertragungsverlusten infolge z. B. von Dämpfung bei einer realen Leitung oder auch bei einer nicht vollständigen Totalreflexion nicht der Fall. Das reflektierte Signal ist kleiner als das eingespeiste Signal.
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Die Rückschlüsse auf die veränderte Umgebungsbedingung, insbesondere Temperatur aus der Signalamplitude erfolgt wahlweise über einen Algorithmus oder auch durch Vergleich mit Vergleichs- oder Referenzwerten für die gemessene Signalamplitude.
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Von besonderer Bedeutung für das vorliegende Verfahren ist die Verwendung eines analogen Signals. Hierunter wird allgemein ein stufenloses Signal mit einem durchgehenden unterbrechungsfreien Signalverlauf angesehen, im Unterschied zu einem digitalen Signal, welches typischerweise lediglich eine stufenförmige Abfolge von (zwei) diskrete Zustände (0,1) aufweist. Dies hat den Vorteil, dass dieses im Vergleich zu digitalen Messimpulsen eine deutlich geringere Frequenz aufweist. Dies führt dazu, dass die Signaldämpfung des Signals vergleichsweise gering ist.
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Bei dem Signal handelt es sich allgemein um ein periodisches Signal mit einer vorgegebenen Frequenz, insbesondere um ein sich kontinuierlich veränderndes Signal mit stetig ansteigender bzw. abfallender Amplitude, speziell ein Sinus- oder Cosinus-Signal. Daneben besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, andere Signalgeometrien wie beispielsweise Dreiecksignale zu verwenden.
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Bei dem bekannten, definierten Reflexionsort handelt es sich vorzugsweise um ein Ende der Messleitung. Zweckdienlicherweise ist dabei das Ende der Messleitung offen, das heißt es ist ein freies Ende, welches nicht weiter elektrisch kontaktiert oder beispielsweise mit Masse verbunden ist. Durch dieses offene Ende ist die gewünschte hohe Reflexion und die Entstehung der gewünschten stehenden Welle gewährleistet. Grundsätzlich sind aber auch andere Maßnahmen zur Erzeugung der hohen Reflexion und der stehenden Welle möglich, wie z.B. ein Kurzschluss.
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Wie oben bereits erwähnt, sind reale Leitungen Leitungen verlustbehaftet und die reflektierte Welle (das reflektierte Signal) ist somit am Leitungsanfang kleiner. Mit der sich verändernden Dielektrizitätskonstante (in Abhängigkeit der Umgebungsbedingung, speziell der Temperatur) verändert sich auch die Leitungskapazität und somit die Einfügedämpfung und der Wellenwiderstand. Wenn der Ort der Spannungsmessung in Verbindung mit der Frequenz geeignet gewählt wird, addieren sich zwei oder sogar drei Effekte (Phasenverschiebung, Dämpfungserhöhung und Wellenwiderstandsreduzierung) am Messort auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird dies ausgenutzt, um zusätzlich oder alternativ zur Temperatur auch eine Veränderung der (Einfüge-)Dämpfung oder die Wellenwiderstandsreduzierung zu ermitteln. Beispiel: Die Dielektrizitätszahl steigt mit der Temperatur an. Bei Raumtemperatur addieren sich gesendete und reflektierte Wellen vektoriell maximal auf (ca. 0 Grad Phasenverschiebung). Der Ort der Messung liegt bei einem dieser Maxima. Bei Temperaturerhöhung reduziert sich nun die Vektorsumme (= Amplitude) aufgrund der Phasenverschiebung. Zusätzlich reduziert sich die Summe auch noch aufgrund der höheren Leitungsdämpfung des reflektierten Signales. Weiterhin wird aufgrund der steigenden Fehlanpassung mehr Signalenergie am Eingang der Leitung reflektiert [Anpassung bei Raumtemperatur, Fehlanpassung bei höheren Temperaturen], d. h. die gemessene Amplitude verringert sich noch mehr.
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Zweckdienlicherweise liegt die Frequenz des Signals im Bereich von mehreren 10KHz bis zu 1000MHz. Vorzugsweise liegt die Frequenz insgesamt im Bereich zwischen 0,5 und 500MHz und vorzugsweise bei 200-400MHz. Die Frequenzen im Bereich von mehreren hundert MHz werden insbesondere bei kurzen Leitungen mit einer Leitungslänge von z.B. kleiner 5m eingesetzt. Hierdurch können insbesondere auch Effekte wie eine Dämpfungserhöhung oder eine Fehlanpassung zusätzlich neben der Phasenverschiebung ermittelt werden. Dabei nimmt die vordefinierte Frequenz bevorzugt mit zunehmender Leitungslänge ab. Diese Abhängigkeit der Frequenz von der Leitungslänge ist von besonderem Vorteil, da eine Signaldämpfung üblicherweise bei höheren Frequenzen zunimmt, was sich also bei längeren Messleitern unter Umständen negativ auswirken kann. Durch die reziproke Beziehung zwischen Leitungslänge des Messleiters und Frequenz eignet sich das vorliegende Verfahren mit den analogen Messsignalen daher insbesondere bei größeren Leitungslängen. Während der Messung ist die Frequenz bevorzugt konstant, wodurch ein besonders einfache Messanordnung ermöglicht ist. Alternativ besteht grundsätzlich aber auch die Möglichkeit, die Frequenz während der Messung zu variieren.
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Die Leitungslängen des Messleiters zwischen Einspeiseort und Reflexionsort liegen allgemein vorzugsweise im Bereich von einigen Metern bis einige 10m. Grundsätzlich ist die Länge des Messleiters jedoch nicht beschränkt. Die Länge des Messleiters kann auch mehrere 10m bis hin zu 100m oder einige 100m betragen.
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In bevorzugter Ausgestaltung hat die Messleitung allgemein eine Doppelfunktion und wird beispielsweise neben der Messfunktion für eine Leistungsversorgung herangezogen. Das allgemein hochfrequente Signal wird dabei zusätzlich auf einen Gleichstrom oder auch einen Wechselstrom (z.B. mit einer Frequenz von 50Hz) der Leistungsversorgung mit aufmoduliert. Durch diese Maßnahme besteht daher die Möglichkeit, bei herkömmlichen Kabelaufbauten eine zusätzliche Messfunktion zu integrieren, ohne dass ein zusätzlicher Messleiter verlegt werden aufbaus als Messleitung oder Messader herangezogen.
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Speziell handelt es sich bei dieser bestehenden Ader um eine Versorgungsader, über die ein Strom, insbesondere Gleichstrom im Betrieb übertragen wird. Bei dem Versorgungsstrom handelt es sich beispielsweise um einen Ladestrom. Allgemein werden Ströme im Bereich von größer 1 Ampere, vorzugsweise von größer 10 Ampere, größer 50 Ampere oder größer 100 Ampere übertragen. Das hier beschriebene Verfahren wird vorzugsweise zur Temperaturüberwachung speziell eines Ladekabels eingesetzt, mit dem eine Batterie eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs geladen werden kann. Die Messleitung ist insbesondere eine sogenannte „Powerader“ des Ladekabels. Die Einkopplung des Signals erfolgt dabei vorzugsweise berührungslos (kapazitiv/induktiv).
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Allgemein ist die Messleitung in einer zu überwachenden Komponente verlegt und zwar insbesondere zur Überwachung der Temperatur. Bei der Komponente handelt es sich gemäß einer ersten Ausgestaltung allgemein um ein Kabel, welches selbst überwacht werden soll, wie beispielsweise das eben erwähnte Ladekabel. Die Messleitung ist dabei innerhalb dieses elektrischen Kabels integriert. Speziell handelt es sich um ein Kabel, welches im Betrieb in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise im Motorenbereich verlegt ist.
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Alternativ handelt es sich bei der zu überwachenden Komponente um ein Bauteil, wie beispielsweise ein Motorenbauteil oder ein sonstiges Bauteil, dessen Temperatur überwacht und/oder kontrolliert werden soll. Dabei kann es sich bei der Komponente auch um eine Masse handeln, beispielsweise eine aushärtende Masse, deren Temperatur überwacht werden soll. Beispielsweise handelt es sich um eine Vergussmasse im Baugewerbe, beispielsweise Beton. In diesem Fall ist die Messleitung innerhalb der Masse eingebettet und verbleibt nach dem Aushärten der Masse auch in dieser.
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Im Hinblick auf die Messanordnung sind vorzugsweise sämtliche Einspeise- sowie Auswertekomponenten innerhalb einer gemeinsamen Überwachungseinheit integriert. An dieser Überwachungseinheit, welche also eine Baueinheit ist und hierzu beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist oder auf einem gemeinsamen Träger, wie beispielsweise eine Platine angeordnet ist, ist lediglich die Messleitung angeschlossen. Speziell erfolgt dies über eine reversible Anschlussmöglichkeit an Kontaktanschlüssen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt in einer stark vereinfachten schematisierten Darstellung eine Messanordnung mit einer Messleitung und mit unterschiedlichen Signalverläufen.
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Die in der einzigen Figur dargestellte Messanordnung 2 weist als wesentliche Komponenten einen Signalgenerator 4 einen Spannungsmesser 6 sowie eine Messleitung 8 auf. Der Innenwiderstand des Signalgeneratores ist dabei auf den Wellenwiderstand der Messleitung 8 angepasst. Die Messleitung 8 wiederum weist einen zentralen Messleiter 10 auf, der von einer insbesondere aufextrudierten Isolierung 12 mit einer bekannten, temperaturabhängigen Dielektrizitätskonstante umgeben ist. Vorzugsweise weist die Messleitung 8 ergänzend noch eine Schirmung auf, die einen Außenleiter bildet, welcher vorzugsweise an einem Erdungsanschluss 14 mit einem definierten Bezugspotenzial, insbesondere Massepotenzial verbunden ist. Bei der Messleitung 8 kann es sich beispielsweise um ein Koaxial-Kabel handeln.
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Mittels des Signalgenerators 4 wird ein analoges Signal, speziell ein Sinus- oder Cosinussignal mit einer definierten vorgegebenen Frequenz beispielsweise im Bereich zwischen 1 bis 1000 Megahertz erzeugt. Die Frequenz des Signals wird während der Messung konstant gehalten und nicht verändert. Das erzeugte Signal wird in den Messleiter 10 an einem Einspeiseort 16 eingespeist und durchläuft den Messleiter 10 durch dessen gesamte Länge, bis zu einem Reflexionsort 18, an dem zumindest der größte Anteil des Signals reflektiert wird, sodass ein reflektiertes Signal erzeugt wird und im Messleiter 10 zurück läuft. Bei dem Reflexionsort 18 handelt es sich beispielsweise um ein offenes Leitungsende, das heißt an diesem Ende ist der Messleiter 10 nicht weiter elektrisch kontaktiert. Durch den speziellen Aufbau ist daher die Länge zwischen Einspeiseort und Reflexionsort 18 bekannt.
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Weiterhin ist der Spannungsmesser 6 zum Abgriff der Signalamplitude an einem festen, definierten Messort 20 ausgebildet.
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Durch den hohen Reflexionsgrad am Reflexionsort 18 entsteht innerhalb des Messleiters 10 eine stehende Welle, wie dies in der unteren Bildhälfte dargestellt ist. Bei der dargestellten Wellen handelt es sich dabei um Hüllkurven. In der Figur ist ein idealisiertes Verhalten der Messleitung ohne Dämpfung dargestellt. Bei einer realen Leitung ist die Amplitude des reflektierten Singals aufgrund der Dämpfung geringer.
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Mit Einfluss der Dämpfung verringert sich also die „Amplitude der Hüllkurve“. Auch wird bei einer Fehlanpassung (Einfügedämpfung) ebenfalls weniger Signalenergie eingespeist. Diese Effekte sind in der vereinfachten Figur nicht dargestellt.
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Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten der Isolierung 12 verändert sich bei einer Temperaturänderung die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals innerhalb der Messleitung 8. Die beiden in der unteren Bildhälfte schematisch dargestellten Sinus-Signalverläufe deuten hierbei die ortsabhängige Amplitude für zwei unterschiedliche Temperaturen an. Bei einer Temperaturveränderung verschiebt sich die Phasenlage des Signals, sodass an dem festen Messort 20 eine spürbare Änderung der Signalamplitude auftritt. Die Länge der beiden angezeigten Pfeile, die auf die beiden Signalverläufe am Messort 20 gerichtet sind, repräsentieren dabei die jeweils für den jeweiligen Signalverlauf gemessene Signalamplitude am Messort 20.
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Der Spannungsmesser 6 ist weiterhin mit einer hier nicht näher dargestellten Auswerteeinheit verbunden. In dieser werden anhand der gemessenen Signalamplitude Rückschlüsse auf die herrschende Umgebungsbedingung, insbesondere Temperatur, gezogen. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Vergleichs mit hinterlegten Referenzdaten. Allgemein kann anhand der Signalamplitude daher beispielsweise die Ausbreitungsgeschwindigkeit und hieraus abgeleitet die Temperatur in der Umgebung der Messleitung oder der Messleitung selbst erfasst werden.
