DE102018204171A1

DE102018204171A1 - Messanordnung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs und biegeflexibler Strang sowie Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs

Info

Publication number: DE102018204171A1
Application number: DE102018204171.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Janssen; Erwin Köppendörfer; Markus Schill
Original assignee: Leoni Kabel GmbH
Current assignee: Leoni Kabel GmbH
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-19
Also published as: WO2019179569A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung, aufweisend einen zentral angeordneten Kern, mindestens eine Messader, welche einen von einem Adernmantel umgebenen Leiter aufweist und am Kern entlang geführt ist, eine Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines Messsignals in die mindestens eine Messader, sowie eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Anwortsignals und zur Weiterleitung an eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer Änderung der Signalausbreitung des Messsignals in dem Leiter der Messader.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen biegeflexiblen Strang für eine derartige Messanordnung sowie ein Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung.
Elektrisch betriebene oder betreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen häufig elektrochemische Batteriesysteme als sekundäre Energiespeicher zum Betrieb eines Elektromotors auf. Für die Alltagstauglichkeit von Elektro- und Hybridfahrzeugen im Zuge der E-Mobilität ist es wünschenswert, dass sich deren Batteriesysteme jederzeit möglichst einfach und schnell aufladen lassen. Zu diesem Zweck sind unter anderem hohe Ladeströme und hohe Leistungsübertragungen notwendig, welche im Zuge eines Ladevorgangs von einer Stromversorgungseinheit (Ladesäule) über ein Ladekabel zum Batteriesystem geführt werden. Dies bedingt eine vergleichsweise hohe Strombelastbarkeit des Strangs, wodurch derartige Ladekabel häufig einen vergleichsweise großen Kabeldurchmesser aufweisen.
Ein solches Ladekabel weist zur Energie- und oftmals auch zur Signalübertragung mehrere Adern, also isolierte Leiter auf. Neben Versorgungsadern für den Ladestrom sind typischerweise auch Signaladern zur Signal- oder Datenübertragung vorgesehen. Die Adern bilden eine Kabelseele, welche von einem gemeinsamen (Isolier-)Mantel umgeben ist.
Bei vielen Anwendungen beispielsweise im Automotivenbereich oder E-Mobilitätsbereich unterliegen Kabel oder auch andere biegeflexible Stränge diversen Belastungen, welche bezüglich Dauer und Stärke unbekannt sind. Insbesondere sind derartige Stränge hinsichtlich auftretender mechanischer Belastungen, wie beispielsweise Vibrationen oder Biegungen, vorzugsweise biegeflexibel ausgeführt, dies bedeutet, dass der Strang zumindest eine gewisse Biegbarkeit und Biegewechselfestigkeit aufweist. Der Strang weist somit eine Biegefähigkeit auf, also einen Biegeradius, um welchen er gebogen werden kann, ohne dass eine wesentliche Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit auftritt.
Um eine bestimmte Mindestlebensdauer zu gewährleisten oder eine eventuell unzulässige Biegung zu erkennen ist eine Kontrolle oder eine Überwachung des Strangs von Vorteil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Messanordnung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung bereitzustellen. Insbesondere soll eine einfache und quantitative Erfassung einer Biegung ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen biegeflexiblen Strang für eine solche Messanordnung anzugeben. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung anzugeben.
Hinsichtlich der Messanordnung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Strangs mit den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 15 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Messanordnung, die zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung geeignet und eingerichtet ist, durch einen derartigen speziell ausgebildeten biegeflexiblen Strang sowie durch ein Verfahren zur Überwachung des Strangs mit Hilfe der Messanordnung. Die nachfolgend im Hinblick auf die Messanordnung angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Strang sowie das Verfahren übertragbar und umgekehrt.
Der Strang verläuft in einem ungebogenen Ausgangszustand entlang einer Stranglängsrichtung, wobei unter einer Biegung (Kurve, Krümmung, Knick) insbesondere eine geometrische Abweichung von einem geraden oder geradlinigen Verlauf des Strangs an einer Biegestelle zu verstehen ist, welche mittels eines Biegeradius charakterisierbar ist. Der Strang weist somit eine Biegefähigkeit auf, so dass er ohne wesentliche Beeinflussung seiner Funktionsfähigkeit bis zu einem gewissen Biegeradius gebogen werden kann. Im Nachfolgenden ist unter einem Biegeradius insbesondere der zulässige Radius für eine gelegentliche oder ständige Biegung des Strangs zu verstehen. Hierunter sind insbesondere Biegeradien zu verstehen, welche etwa in der Größenordnung des Strangdurchmessers sind.
Der Strang weist einen zentral angeordneten, insbesondere biegeflexiblen Kern auf, an dem mindestens eine Messader entlang geführt ist. Die Messader ist hierbei vorzugsweise gewendelt oder spiralförmig entlang dem Kern geführt. Die oder jede Messader weist hierbei einen Leiter und einen diesen umgebenden Adernmantel auf. Der auch als Isolator oder Dielektrikum bezeichnete Adernmantel umgibt den beispielsweise als Litzenleiter oder massiven Draht ausgeführten Leiter als eine elektrisch isolierende Mantelschicht. Zur Verbesserung der Lebensdauer ist der Leiter der mindestens einen Messader aus einem möglichst festen Material hergestellt. Zur Verbesserung der Störfestigkeit ist es weiterhin möglich, dass die Messader mit einer Schirmung versehen ist, oder zumindest von Störquellen abgeschirmt wird.
Die Messanordnung weist weiterhin eine Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines Messsignals in die mindestens eine Messader, und eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Anwortsignals der Messader und zur Weiterleitung an eine Auswerteeinheit zur Auswertung des Messsignals nach einer Ausbreitung in dem Leiter der Messader auf. Unter einem Antwortsignal wird hier und im Folgenden insbesondere ein elektrisches Signal verstanden, welches sich aus dem eingespeisten Messsignal im Zuge einer Signalausbreitung in der Messader ergibt.
Erfindungsgemäß ist der Leiter der Messader gegenüber dem Adernmantel relativ verschiebebeweglich, wobei die mindestens eine Messader derart angeordnet ist, dass die Messader entlang des Kerns verschiebefrei geführt ist. Dies bedeutet, dass der Leiter im Wesentlichen lose in dem Adernmantel geführt ist, wobei der Adermantel verschiebefrei, also fest an dem Kern anliegt. Dadurch ist die Relativposition der Messader zum Kern bei einer Biegung des Strangs unverändert, wodurch es zu einer abschnittsweisen Verformung des Adermantels kommt. Durch die Verformung ist die Signalausbreitung des Messsignals in dem Leiter der Messader beeinflusst. Somit wird das empfangene Antwortsignal verändert, so dass mittels der Auswerteeinheit eine einfache und zuverlässige Überwachung und Erfassung einer Biegung des Strangs ermöglicht ist.
Herkömmlicherweise ist bei gewöhnlichen Leitungen oder Leitungselementen (z. B. mit Sternvierern) ein hoher Haftsitz der Leiter in dem zugeordneten Mantel angestrebt, sodass sich auch im Falle einer Biegung der Mantel oder das Dielektrikum nicht von dem Leiter löst. Weiterhin ist der Mantel hierbei typischerweise vergleichsweise glatt und hart ausgeführt, so dass keine Verformungen im Zuge einer Biegung auftreten. Bei verseilten Leitungselementen gleiten die Leitungsadern bei einer Biegung aufgrund der Verseilsteigung, also der Schlaglänge, aneinander ab, wodurch im Mittel die Länge der Leitungsadern konstant bleibt. Dadurch werden möglichst unveränderliche elektrische Eigenschaften der Leitung oder Leitungselemente angestrebt.
Im Gegensatz hierzu wird durch die erfindungsgemäße (relative) Verschiebebeweglichkeit zwischen dem Leiter und dem Adernmantel der Messader sichergestellt, dass die Länge des Leiters entlang des Kerns im Wesentlichen konstant bleibt. Im Falle einer Biegung kann der Adernmantel nicht am Kern abgleiten, so dass es in der Folge zu mechanischen Verformungen des Adernmantels kommt.
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass sich im Zuge einer Biegung die mechanische Länge radial innenseitig und radial außenseitig des Biegeradius ändert. Durch die verschiebefreie Befestigung des Adernmantels an dem Kern weicht der im Adernmantel verschiebebeweglich oder lose einsitzende Leiter dieser Biegung im Wesentlichen entlang der Stranglängsrichtung aus. Mit anderen Worten gleitet der Leiter gegenüber dem am Kern fixierten Adernmantel ab. Der Adernmantel wird im Zuge der Biegung gestaucht und/oder gedehnt, also verformt. Durch die Verformung kommt es zu Abstands- und/oder Dichteänderungen des Adernmantels im Bereich der Biegung.
Zweckmäßigerweise ist der Adernmantel aus einem im Vergleich zum Stand der Technik möglichst weichen Dielektrikum oder Isoliermaterial hergestellt. Vorzugsweise ist der Adernmantel aus einem thermoelastischen Kunststoffmaterial, insbesondere einem thermoplastischen Elastomer (TPE), beispielsweise aus einem TPE auf einer (Poly-)Urethanbasis (TPE-U, TPU) hergestellt. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die Weichheit oder Verformbarkeit des Adernmantels mittels Verzellung oder Schäumung im Zuge einer Extrusion erhöht wird. Beispielsweise ist der Adernmantel aus einem verzellten Polyurethan (PUR, PU) hergestellt. Ebenso denkbar ist auch eine Ausführungsform mit einem thermoplastischen Vulkanisat (TPV) auf Olefinbasis. Weiterhin ist ein gummiartiges Material oder Silikon denkbar. Vorteilhafterweise wird ein expandiertes Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Wesentlich ist, dass das Adermantelmaterial des Adernmantels im Wesentlichen nicht an dem Leitermaterial des Leiters haftet.
Die mindestens eine Messader weist im ungebogenen Ausgangszustand einen im Wesentlichen bekannten Wellenwiderstands- oder Impedanzwert auf. Die Abstands- und/oder Dichteänderungen des Adernmantels wirken sich auf den Impedanzwert aus, sodass es zumindest im Bereich der Biegung zu einer lokalen Veränderung oder Schwankung der Impedanz der Messader kommt. Durch diese lokale Impedanzänderung wird die Signalausbreitung des Messsignals beeinflusst, sodass durch Auswertung der Signalausbreitung ein Rückschluss auf die Impedanzänderung und somit auf die Abstands- und/oder Dichteänderung beziehungsweise auf die dieser zugrundeliegenden Biegung möglich ist.
Die Auswerteeinheit ist hierbei geeigneterweise dazu ausgelegt und eingerichtet, anhand der durch die Empfangseinheit erfassten Signalausbreitung des Messsignals anhand des Antwortsignals auf die Impedanzänderung und somit auf die Abstandsänderung beziehungsweise auf die Biegung zurückzuschließen, und diese zu bestimmen sowie einen Biegeradius oder Biegedurchmesser zu berechnen. Insbesondere wird bei der Signalauswertung auch eine Leitungsdämpfung aufgrund des Leitermaterials berücksichtigt.
Die Einspeiseeinheit und die Empfangseinheit können beispielsweise als eine gemeinsame Sende-Empfangseinheit, also als ein Transceiver, ausgestaltet sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise ebenfalls Teil des Transceivers sein, so dass die Auswertung direkt am Empfangsort erfolgt. Ebenso denkbar ist, dass die Auswerteeinheit extern, also separat zu der Messanordnung ausgeführt ist. Insbesondere bei einer Anwendung der Messanordnung in einem Kraftfahrzeug ist es möglich, dass die von der Empfangseinheit empfangenen Antwortsignale an eine Auswerteeinheit weitergeleitet werden, welche beispielsweise Teil eines übergeordneten (Kraftfahrzeug-)Steuergeräts ist.
Ebenso denkbar ist eine Ausführung der Auswerteeinheit als eine Rechner- oder Datenwolke (Cloud Computing). Dies bedeutet, dass die empfangenen Antwortsignale über das Internet weitergeleitet werden, und mittels eines Internet- oder Onlinedienstes ausgewertet werden. Dadurch ist eine besonders kostengünstige und resourceneffiziente Auswertung ermöglicht.
Durch diese Überwachung ist es möglich, den Biegezustand des Strangs zuverlässig und betriebssicher zu erfassen. Insbesondere kann der Strang dahingehend überwacht werden, dass eine Biegung des Strangs einen zulässigen Biegeradius nicht überschreitet. Die Auswerteeinheit ist hierbei beispielsweise dazu geeignet und eingerichtet, einem Benutzer den aktuellen Biegezustand anzuzeigen oder zu kommunizieren, und gegebenenfalls ein Warnsignal zu erzeugen, falls die Biegung des Strangs einen ungewünschten Biegeradius erreicht oder überschreitet.
Der Strang ist beispielsweise als ein vorkonfektioniertes Kabel mit einem angebrachten Stecker ausgeführt. Die Einspeiseeinheit und/oder die Empfangseinheit der Messanordnung sind hierbei vollständig oder teilweise im Kabel oder in dem Stecker angeordnet. Ebenso denkbar ist es beispielsweise, dass die Einspeiseeinheit und/oder die Empfangseinheit der Messanordnung außerhalb des Strangs angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausführung sind mindestens zwei Messadern vorgesehen, welche insbesondere derart parallel zueinander um den Kern angeseilt sind, dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messadern zueinander unverändert ist. Mit anderen Worten sind die Adernmäntel der Messadern zueinander sowie zum Kern im Wesentlichen verschiebefrei. Dadurch ist eine verbesserte Überwachung des biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung realisiert.
In einer geeigneten Weiterbildung ist zwischen dem Leiter und dem Adernmantel einer Messader eine erste Verschiebebeweglichkeit und zwischen den Adernmänteln benachbarter Messadern eine zweite Verschiebebeweglichkeit ausgebildet, wobei die erste Verschiebebeweglichkeit größer als die zweite Verschiebebeweglichkeit ist. Dadurch ist eine zuverlässige Überwachung und Erfassung einer Biegung ermöglicht.
Die Verschiebebeweglichkeiten sind hierbei geeigneterweise derart dimensioniert, dass einerseits bei geringen Biegeradien ein Abgleiten der Leiter an den Adernmänteln entlang der Stranglängsrichtung möglich ist, und andererseits bei großen Biegeradien kein Abgleiten der Adernmäntel aneinander oder entlang des Kerns erfolgt.
In einer bevorzugten Ausbildung ist zwischen dem Leiter und dem Adernmantel einer Messader ein Haftsitz kleiner 1 N (Newton) bei einer Adernlänge von 50 mm (Millimeter) vorgesehen. Unter einem „Haftsitz“ ist hierbei und im Folgenden insbesondere diejenige Kraft verstanden, die notwendig ist einen Adernmantel vom Leiter abzuziehen. Der Begriff „Haftsitz“ beschreibt somit die kraft- oder reibschlüssige Verbindung zwischen dem Leiter und dem umgebenden Adernmantel. Die Messader weist somit einen im Wesentlichen vernachlässigbaren Haftsitz auf, sodass der Leiter im Wesentlichen lose, also ohne nennenswerten Reibwiderstand, entlang des Adernmantels gleiten kann. Dadurch wird sichergestellt, dass auch vergleichsweise geringe Biegeradien des Strangs zuverlässig überwachbar sind.
Der Halt zwischen miteinander verseilten Adernmänteln ist vorzugsweise mindestens fünfmal, insbesondere mindestens zehnmal größer dimensioniert als der Haftsitz der Leiter in den Adernmänteln.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Adernmäntel von mindestens zwei miteinander geseilten Messadern form- und/oder kraftschlüssig aneinander gehalten, wobei der Form- und/oder Kraftschluss zwischen den Adernmänteln größer als 10 N, vorzugsweise größer als 20 N, bei einer aneinander anliegenden Mantellänge von 10 cm (Zentimeter) ist. Dadurch ist eine geringere (zweite) Verschiebebeweglichkeit gegenüber den Leitern im inneren der Adernmäntel gewährleistet, wodurch eine Verformung der Adernmäntel im Zuge einer (Strang-)Biegung einerseits sowie eine relative Verschiebung der einliegenden Leiter andererseits sichergestellt wird.
Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können. Mit anderen Worten kann die Bespannung lediglich mittels eines Formschlusses oder lediglich mittels eines Kraftschlusses oder sowohl mittels eines Formschlusses als auch mittels eines Kraftschlusses an dem Rahmenteil befestigt sein.
Unter einem „Formschluss“ oder einer „formschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass der Zusammenhalt der miteinander verbundenen Teile zumindest in einer Richtung durch ein unmittelbares Ineinandergreifen von Konturen der Teile selbst oder durch ein mittelbares Ineinandergreifen über ein zusätzliches Verbindungsteil erfolgt. Das „Sperren“ einer gegenseitigen Bewegung in dieser Richtung erfolgt also formbedingt.
Unter einem „Kraftschluss“ oder einer „kraftschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile aufgrund einer zwischen ihnen wirkenden Reibkraft gegen ein Abgleiten gegeneinander gehindert sind. Fehlt eine diese Reibkraft hervorrufende „Verbindungskraft“ (also diejenige Kraft, welche die Teile gegeneinander drückt, beispielsweise eine Schraubenkraft oder eine Gewichtskraft), kann die kraftschlüssige Verbindung nicht aufrecht erhalten und somit gelöst werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist der Form- und/oder Kraftschluss zwischen miteinander verseilten Messadern durch eine Oberflächenrauigkeit der Adernmäntel bewirkt. Dies bedeutet, dass die Adernmäntel im Vergleich zu einer glatten Oberfläche eine oberflächenvergrößernde Rauheit aufweisen. Die rauen Adernmäntel sind beispielsweise im Zuge der Mantelherstellung insbesondere mittels Verzellung aufgeraut, wobei aber auch ein nachträglicher Aufrauprozess denkbar ist. Im geseilten oder verseilten Zustand verhaken oder verkrallen sich die Adernmäntel somit gegenseitig, so dass einerseits zumindest ein gewisser Formschluss zwischen den Adernmänteln realisiert ist. Andererseits wird aufgrund der Oberflächenvergrößerung der Reib- oder Kraftschluss zwischen den verseilten Messadern verbessert. Somit ist gewährleitstet, dass es bei einer Biegung zu einer zumindest abschnittsweisen Verformung des oder jedes Adernmantels kommt.
Durch die vergrößerte Oberflächenrauigkeit sowie durch das besonders weiche Dielektrikumsmaterial ist ein besonders geeigneter Adernmantel für die Messanordnung realisiert.
Unter einer rauen oder aufgerauten Oberfläche ist insbesondere eine Gestaltabweichung von einer planen Oberfläche des Adernmantels durch Unebenheiten oder Ähnlichem zu verstehen, wodurch insbesondere die im Montage- oder Verseilungszustand in Kontakt stehenden Oberflächen zwischen den Adernmänteln vergrößert wird. Die Oberflächenvergrößerung wirkt sich hierbei positiv auf den Halt zwischen den Messadern aus, sodass die Gefahr eines Verrutschens vorteilhaft und einfach reduziert wird. Insbesondere wird hierdurch die (zweite) Verschiebebeweglichkeit zwischen den Adernmänteln reduziert und somit deren gegenseitiger Halt erhöht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Adernmäntel im Zuge einer Biegung nicht ungewünscht aneinander abgleiten, wodurch eine besonders zuverlässige Erfassung und Überwachung des Strangs hinsichtlich einer Biegung gewährleistet ist.
In einer möglichen Weiterbildung handelt es sich bei dem Kern um einen Kern einer elektrischen Leitung. Der Kern beziehungsweise die Leitung weist insbesondere einen (Leitungs-)Durchmesser größer 2 cm (Zentimeter), insbesondere größer 3 cm, vorzugsweise größer 5 cm auf. Der Strang ist hierbei insbesondere als ein Ladekabel für E-Mobilitätsanwendungen ausgebildet. Ebenso denkbar ist jedoch auch ein Kern mit einem geringeren Durchmesser, beispielsweise für Robotikanwendungen.
In einer alternativen Weiterbildungsform ist der Kern als ein Versorgungselement oder als ein Hohlelement, beispielsweise als ein Schlauch, ausgebildet. Des Weiteren sind auch Weiterbildungsformen des Kerns als nicht elektrisches Versorgungselement, wie beispielsweise eine faseroptische Leitung, denkbar. Ebenso ist es möglich, dass der Kern lediglich als ein insbesondere zylindrischer Hohlraum, beispielsweise zur Förderung eines Fluids, ausgeführt ist.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist der Kern als äußerstes Element eine Schirmung auf, um welche die mindestens eine Messader geführt ist. Vorzugsweise wird die Schirmung hierbei als ein Rückleiter für die oder jede Messader verwendet. Die Schirmung wirkt somit als ein Bezugspunkt für den Wellenwiderstand des ungebogenen Strangs. Mit anderen Worten werden die Messsignale von der mindestens einen Messader über die Schirmung des Kerns zur Empfangseinheit bzw. zur Auswerteeinheit geführt. Vorzugsweise ist die Schirmung ansonsten signalfrei. Dies bedeutet, dass außer den Messsignalen bzw. Antwortsignalen im Betrieb der Messanordnung im Wesentlichen keine weiteren elektrischen Signale auf dem Schirm geführt oder erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Auswerteeinheit zur Erfassung eines reflektierten Signalanteils des Messsignals als Antwortsignal ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Empfangseinheit im Betrieb einen reflektierten Signalanteil des Messsignals als Antwortsignal erfasst und an die Auswerteinheit weiterleitet. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Überwachung des Strangs hinsichtlich einer Biegung ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausbildung ist die Auswerteeinheit zur Auswertung der Position einer lokalen Biegestelle am Kern beziehungsweise am Strang ausgebildet und eingerichtet, indem die Laufzeit des reflektierten Signalanteils (Signallaufzeit) in Verbindung mit dem Signalanteil oder Antwortsignal ausgewertet wird. Mit anderen Worten ist die Auswerteeinheit dazu geeignet und eingerichtet den Kern ortsaufgelöst hinsichtlich einer Biegung zu überwachen.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Auswerteeinheit weiterhin zur Bestimmung eines quantitativen Maßes einer Biegung einer lokalen Biegestelle am Strang ausgebildet und eingerichtet. Das quantitative Maß ist hierbei insbesondere ein Maß oder Wert für den Biegeradius oder den Biegedurchmesser. Hierzu wird ein Signalmuster des reflektierten Signalanteils bzw. des Antwortsignals ausgewertet, welches aufgrund der Biegung erzeugt wird. Dadurch ist die Auswerteeinheit im Wesentlichen zur Erfassung eines Biegeprofils entlang des Kerns beziehungsweise des Strangs ausgebildet.
Im Betrieb speist die Einspeiseeinheit ein Messsignal in die mindestens eine Messader ein, wobei die Auswerteeinheit insbesondere zur Überwachung der Messader auf einen reflektierten Anteil des Messsignals als Antwortsignal ausgebildet ist. Bei einer Biegung des Strangs an einer Biegestelle wird der Kern an dem radial innenseitigen Bereich des gebogenen Strangs gestaucht und an dem diametral gegenüberliegenden radial außenseitigen Bereich gedehnt. Durch die verrutschfreie Fixierung des Adernmantels am Kern wird der Adernmantel hierbei in gleicher Weise gedehnt und gestaucht, und somit verformt. Dadurch wird eine Abstands- und/oder Dichteänderung des Adernmantelmaterials zu dem darin lose einliegenden Leiter bewirkt, insbesondere wird der Abstand im radial innenseitigen Bereich reduziert und die Dichte erhöht sowie im radial außenseitigen Bereich der Abstand vergrößert und die Dichte reduziert.
An der Biegestelle wird somit eine lokale Impedanzveränderung bewirkt, also eine Veränderung des Wellenwiderstands des Messsignals im Leiter der Messader, infolge der lokalen begrenzten Abstands- und/oder Dichteänderung des Adernmantels. Insbesondere wird die Impedanz bei einer Verringerung des Abstands oder Erhöhung der Dichte erhöht und bei einer Erhöhung des Abstands oder Verringerung der Dichte erniedrigt. Mit anderen Worten bewirkt die Biegung einen lokalen Störbereich entlang der Messader, welcher sich auf die Signalausbreitung des Messsignals auswirkt. Insbesondere wird das Messsignal in diesem Störbereich zumindest teilweise reflektiert, so dass durch Auswertung des reflektierten, also zurücklaufenden Signalanteils die Biegung erfasst und überwacht wird. Dies bedeutet, dass der reflektierte Signalanteil das von der Empfangseinheit empfangene Antwortsignal ist.
Im Zuge der Biegung können hierbei entlang des Biegeverlaufs oder Biegeprofils mehrere radial innen- und außenseitige Abstands- und/oder Dichteänderungen auftreten. Dadurch treten entsprechend mehrere aufeinanderfolgende Impedanzänderungen oder Störstellen entlang der Biegung bei der Messader auf. Die Impedanzänderungen bewirken das charakteristische Signalmuster des reflektierten Signalanteils, wodurch mittels einer Auswertung des reflektierten Signalanteils ein quantitatives Maß oder Wert für den Biegeradius oder den Biegedurchmesser ermittelbar ist. Mit anderen Worten ist es mittels einer Auswertung der Amplitude der Impedanzänderungen sowie durch Auswertung deren Anzahl und Abstand möglich, auf den Biegeradius und die Länge der Biegung, also das Biegeprofil oder den Biegeverlauf des Strangs zu schließen.
Die Auswertung des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals erfolgt hierbei vorzugsweise unter Berücksichtigung einer bekannten (Signal-)Dämpfung in dem Leiter der Messader und/oder der Schirmung. Mit anderen Worten wird bei der Auswertung eine Reduzierung der Signalamplitude des Messsignals oder des reflektierten Signalanteils aufgrund einer Ausbreitungsstrecke im Leiter berücksichtigt.
Durch Auswertung der (Signal-)Laufzeit zwischen dem Einspeisen des Messsignals und der Ankunft des reflektierten Signalanteils ist es möglich, anhand des Antwortsignals auf den Ort der Biegestelle am Strang zurückzuschließen. Bei dem Messsignal handelt es sich insbesondere um einen Messimpuls, insbesondere nach Art eines Spannungssprungs oder einer Spannungsstufe. Die Zeitdauer des Messsignals oder Messimpuls ist dabei vorzugsweise größer oder gleich einer zu erwartenden Laufzeit des Messsignals vom Einspeiseort zu einem Ende der mindestens einen Messader und wieder zurück zum Einspeiseort. Dadurch ist sichergestellt, dass ein reflektierter Signalanteil am Einspeiseort zur eingespeisten (konstanten) Spannungsamplitude überlagert wird.
Für eine ortsaufgelöste Messung oder zur Auswertung und/oder Bestimmung der Position einer lokalen Biegestelle am Strang ist eine Laufzeitmessung, beispielsweise in Form einer Zeitbereichsreflektometrie, kurz TDR (Time Domain Reflectometry), möglich. Hierbei wird ein Messimpuls in die Messader eingespeist und der Spannungsverlauf des reflektierten Signalanteils bzw. Antwortsignals ausgewertet.
Alternativ zu einer TDR-Messung wird ein Messverfahren verwendet, wie es in der zum Anmeldezeitpunkt noch unveröffentlichten internationalen Anmeldung der Anmelderin vom 30.10.2017 mit dem Aktenzeichen PCT/EP 2017/077828 beschrieben ist. Deren Offenbarungsgehalt, insbesondere deren Ansprüche (mit zugehörigen Erläuterungen) werden hiermit ausdrücklich mit in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen. Speziell wird Bezug genommen auf die Ansprüche 1,2, 6,7 und 12 mit den zugehörigen Ausführungen speziell auf Seiten 5/6 sowie 8/9. Hierbei werden im Zuge eines Messzyklus mehrere Einzelmessungen durchgeführt, wobei pro Einzelmessung ein Messsignal von der Einspeiseeinheit in die Messader eingespeist wird, wobei bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Spannungs-Schwellwerts (am Einspeiseort) infolge des reflektierten Signalanteils ein Stoppsignal erzeugt wird, wobei eine Laufzeit zwischen dem Einspeisen des Messsignals und dem Stoppsignal ermittelt wird, und wobei der Spannungs-Schwellwert zwischen den Einzelmessungen verändert wird.
Zu jeder Einzelmessung wird daher genau ein Stoppsignal erzeugt. Aufgrund des zwischen den Einzelmessungen veränderten Schwellwerts werden unterschiedliche Störstellen, welche somit zu unterschiedlich hohen Amplituden bei der Reflektion führen - durch die unterschiedlichen Laufzeiten örtlich aufgelöst erfasst. Mit anderen Worten werden die Abstands- oder Impedanzänderungen des Sensoradernpaares entlang des Kerns örtlich aufgelöst erfasst. Somit ist durch die Laufzeit eine Positionsbestimmung der Biegestelle, sowie durch die Auswertung der Anzahl und Größe der Impedanzänderungen der Biegeradius beziehungsweise das Biegeprofil oder der Biegeverlauf des Stranges bestimmbar.
Durch die Vielzahl der Einzelmessungen werden daher allgemein zu unterschiedlichen definierten Schwellwerten die Laufzeiten (Stoppsignale) der reflektierten Anteile erfasst. Insofern kann dieses Verfahren als ein spannungsdiskretes Zeitmessverfahren angesehen werden. Die Zahl der Einzelmessungen liegt dabei bevorzugt über 10, weiter bevorzugt über 20 oder auch über 50 und beispielsweise bis zu 100 oder auch mehr Einzelmessungen. Aus der Vielzahl dieser Einzelmessungen wird also eine Vielzahl von Stoppsignalen ermittelt, die zeitlich verteilt angeordnet sind. Die Vielzahl der Stoppsignale in Verbindung mit den Schwellwerten gibt daher näherungsweise den tatsächlichen Signalverlauf des eingespeisten Messsignals und der reflektierten Anteile wieder. Zweckdienlicher Weise wird aus diesen Stoppsignalen der tatsächliche Signalverlauf für ein eingespeistes und am Leistungsende reflektiertes Messsignal beispielsweise durch einen mathematischen Kurvenfit approximiert.
Vorzugsweise sind in einem Speicher der Auswerteeinheit Referenzwerte für die Signalausbreitung beziehungsweise den reflektierten Signalanteil, also für das Antwortsignal für den ungebogenen Ausgangszustand des Strangs hinterlegt. Die Messader weist im Ausgangszustand des Strangs einen im Wesentlichen bekannten und entlang des Kerns konstanten Impedanzwert auf, welcher als Referenzwert oder Referenzkurve hinterlegt ist. Dadurch sind Biegungen des Strangs in einfacher Art und Weise als Abweichungen von diesem Referenzwert oder der Referenzkurve erfassbar und überwachbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind vier Messadern vorgesehen, welche eine Viererverseilung, insbesondere einen Sternvierer, bilden. Die Viererverseilung ist hierbei am Kern entlang geführt und insbesondere um diesen herum geseilt, also gewendelt oder spiralförmig geführt. Durch die Viererverseilung ist es somit möglich, im Wesentlichen Biegungen entlang sämtlicher Raumrichtungen zuverlässig und betriebssicher zu überwachen und zu erfassen.
Der erfindungsgemäße, biegeflexible Strang ist für eine vorstehend beschriebene Messanordnung geeignet und eingerichtet. Der Strang weist einen zentral angeordneten Kern und mindestens eine Messader auf, welche einen von einem Adernmantel umgebenen Leiter aufweist und am Kern entlang vorzugsweise spiralförmig geführt ist.
Erfindungsgemäß ist der Leiter der Messader hierbei gegenüber dem Adernmantel relativ verschiebebeweglich, insbesondere liegt der Leiter im Wesentlichen lose im jeweiligen Adernmantel ein. Die mindestens eine Messader ist derart angeordnet, dass die Messader entlang des Kerns verschiebefrei geführt ist, so dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messader zum Kern unverändert ist und es zu einer abschnittsweisen Verformung des Adermantels kommt. Dadurch ist ein besonders geeigneter Strang realisiert.
Hierbei ist es beispielsweise denkbar, dass der Kern in mehrere Teilabschnitte untergliedert ist, wobei jeder Teilabschnitt zumindest eine zugeordnete Messader als Biegesensorelement aufweist. In dieser Variante sind daher mehrere Messadern vorgesehen, welche insbesondere in unterschiedlichen Teilabschnitten am Kern entlang geführt sind.
Durch die mindestens eine, vorzugsweise integrierte Messader ist der Strang im Betrieb somit hinsichtlich seiner zulässigen mechanischen Biegefähigkeit oder Biegebelastbarkeit überwachbar. Dadurch ist im Betrieb stets die gewünschte Funktionsfähigkeit des Strangs sichergestellt.
Des Weiteren ist durch die vorzugsweise kontinuierliche oder zumindest regelmäßige oder periodische Überwachung des Strangs hinsichtlich einer Biegung eine besonders hohe Lebensdauer des Strangs ermöglicht, wodurch der Strang hinsichtlich seiner Durchmesser-Dimensionierung reduziert werden kann. Dadurch werden Material- und Herstellungskosten reduziert.
Weiterhin ist durch die Biegesensorik in Form des Sensoradernpaares ein besonders geeigneter Strang für Anwendungen in der E-Mobilität, insbesondere als Ladekabel realisiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Strang als ein Kabel und der Kern als eine insbesondere elektrische Leitung ausgeführt. Dies bedeutet, dass die oder jede Messader beispielsweise um eine Schirmung des Kerns insbesondere spiralförmig geführt ist. Die mindestens eine Messader und der Kern sind hierbei von einem gemeinsamen (Außen-)Mantel des Strangs umgeben. Der Strang ist somit als ein sogenanntes intelligentes Kabel ausgeführt, in welchen eine (Biege-)Sensorik in Form der oder jeder Messader integriert ist. Der Strang ist hierbei vorzugsweise als ein elektrisches Versorgungskabel, insbesondere als ein (intelligentes) Ladekabel für Anwendungen im Bereich der E-Mobilität ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung geeignet und ausgestaltet. Verfahrensgemäß wird hierbei eine vorstehend beschriebene Messanordnung verwendet.
Bei dem Verfahren wird ein Messsignal in die oder jede Messader eingespeist, welches sich entlang diesen ausbreitet. Bei einer Biegung des Strangs wird der Adernmantel der oder jeder Messader gestaucht und gedehnt, also zumindest abschnittsweise lokal verformt. Durch diese Verformung wird eine lokale Impedanzänderung der Messadern bewirkt, wodurch die Signalausbreitung des Messsignals beeinflusst wird. Insbesondere wird das Messsignal hierbei zumindest teilweise reflektiert, wobei der entlang der jeweiligen Messader zurücklaufende, reflektierte Signalanteil als Antwortsignal erfasst und ausgewertet wird.
Vorzugsweise wird der Signalanteil hierbei hinsichtlich einer Laufzeit, zur Lokalisierung der Biegestelle, und hinsichtlich eines Signalmusters, zur Bestimmung des Biegeradius, ausgewertet.
Dadurch ist ein aufwandsarmes und kostengünstiges Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung realisiert.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:

1 eine Messanordnung mit einem Strang und mit einer Einspeiseeinheit sowie mit einer Auswerteeinheit,
2 ausschnittsweise den Strang mit einem Kern und mit einer Viererverseilung von Messadern,
3 in Seitenansicht ausschnittsweise den Strang in einem ungebogenen Ausgangszustand mit einer Messader,
4 in Seitenansicht ausschnittsweise den Strang in einem gebogenen Zustand mit einer Messader, und
5 ein Laufzeit-Impedanz-Diagramm im ungebogenen und gebogenen Zustand des Strangs.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ausschnittsweise eine Messanordnung 2 zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs 4 im Hinblick auf eine Biegung B. Die Messanordnung 2 weist eine Einspeiseeinheit 6 und eine Empfangseinheit 7 sowie eine Auswerteeinheit 8 auf, welche an einem Ende des Strangs 4 angeordnet sind. Die Messanordnung 2 ist allgemein zur Biegungsmessung oder Erfassung einer Biegungsänderung oder auch zur Messung eines Biegeradius R vorzugsweise lokal (orts-)aufgelöst im Bereich des Strangs 4 geeignet und eingerichtet.
Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Einspeiseeinheit 6 und die Empfangseinheit 7 sowie die Auswerteeinheit 8 beispielsweise als ein gemeinsamer Controller, insbesondere nach Art eines VNA (Vector Network Analyzer) oder vorzugsweise nach Art eines TDR-Messgeräts (Time Domain Reflectometry) ausgebildet. Ebenso denkbar ist beispielsweise, dass die Auswerteinheit 8 separat oder extern zu der Messanordnung 2 ausgebildet ist, beispielsweise als ein (Kraftfahrzeug-Steuergerät oder als eine Rechner- oder Datenwolke.
Der Strang 4 ist als ein Versorgungskabel, insbesondere als ein elektrisches Versorgungskabel, vorzugsweise als ein Ladekabel ausgeführt. Der Strang 4 ist hierbei beispielsweise für eine Anwendung in der E-Mobilität ausgebildet, wobei er als Ladekabel im Betrieb funktionsgemäß zur Ladung eines Energiespeichers oder Batteriesystems zwischen diesem und einer Stromversorgungseinheit angeschlossen ist. Der Strang 4 ist hierbei für eine hohe Strombelastung ausgelegt und weist beispielsweise einen Strangdurchmesser von mindestens 2 cm (Zentimeter), insbesondere mindestens 3 cm, vorzugsweise mindestens 5 cm auf. Der Strang 4 ist beispielsweise als ein vorkonfektioniertes Kabel mit einem angebrachten Stecker ausgeführt. Hierbei ist es denkbar, dass die Einspeiseeinheit 6 und die Auswerteeinheit 8 in dem Kabel und/oder dem Stecker angeordnet sind, sodass die Messanordnung 2 im Wesentlichen vollständig in dem Ladekabel integriert ist.
Der Strang 4 verläuft in einem ungebogenen Ausgangszustand (2, 3) insbesondere entlang einer Stranglängsrichtung L, wobei der Strang 4 im Zuge der Biegung B von dem geraden oder geradlinigen Verlauf im Bereich einer nicht näher bezeichneten Biegestelle abweicht.
Der Strang 4 ist anhand der 2 nachfolgend näher beschrieben. Der in 2 in einem teilweise auseinandergenommenen Zustand gezeigte Strang 4 weist einen elektrisch isolierenden Außenmantel 10 auf, welcher einen zentralen Kern 12 umgibt. Der Kern 12 ist vorzugsweise als eine Leitung mit mindestens einer nicht näher dargestellten Ader ausgebildet, welche von einer elektrisch leitfähigen Schirmung 14 als äußerstes Element umgeben ist.
Auf der Schirmung 14 ist eine Viererverseilung 16 beispielsweise in Form eines Sternvierers aufgebracht, welche vier miteinander verseilte Messadern 18 aufweist. Die Messadern 18 weisen jeweils einen Leiter 20 und einen diesen umgebenden Adernmantel 22 auf. In der 2 sind der Leiter 20 und der Adernmantel 22 lediglich beispielhaft für eine Messader 18 mit Bezugszeichen versehen.
Im Betrieb der Messanordnung 2 speist die Einspeiseeinheit 6 ein Messsignals S in die oder jede Messader 18 der Viererverseilung 16 ein. Im Betrieb erfasst oder empfängt die Empfangseinheit 7 hierbei das Messsignals S nach einer Signalausbreitung in dem Leiter 20 der jeweiligen Messader 18. Insbesondere ist die Empfangseinheit 7 dazu geeignet und eingerichtet, einen in der oder jeder Messader 18 reflektierten Signalanteil, welcher nachfolgend auch als Antwortsignal S' bezeichnet ist, des Messsignals S zu erfassen und zur Auswertung an die Auswerteinheit 8 weiterzuleiten. Vorzugsweise ist die Schirmung 14 hierbei als Rückleiter für die Leiter 20 der Messadern 18 zur Auswerteeinheit 8 ausgeführt.
Die Auswerteeinheit 8 ist zur Auswertung der Position der lokalen Biegestelle am Kern 12 beziehungsweise am Strang 4 ausgebildet, indem eine Laufzeit t des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals S' im Hinblick auf das eingespeiste Messsignal S ausgewertet wird. Die Auswerteeinheit 8 ist weiterhin zur Bestimmung eines quantitativen Maßes der Biegung B an der lokalen Biegestelle am Strang 4 ausgebildet. Das quantitative Maß ist hierbei insbesondere ein Maß oder ein Wert für den Biegeradius R oder den Biegedurchmesser beziehungsweise für das Biegeprofil entlang des Kerns 12 beziehungsweise des Strangs 4.
Die Messadern 18 sind im Zuge der Viererverseilung 16 spiralförmig, also helix- oder wendel- oder schraubenförmig, um den Kern 12 beziehungsweise dessen Schirmung 14 geführt. Die Messadern 18 sind somit im Wesentlichen nach Art eines Drall- oder Wendelschirms (D-Schirm) um den Kern 12 oder die Schirmung 14 geseilt. Mit anderen Worten sind die Messadern 18 nebeneinander parallel angeordnet, und im Wesentlichen als eine Lage spiralförmig um den Kern 12 gewickelt oder geführt. Dies bedeutet, dass der Kern 12 beziehungsweise dessen Schirmung 14 von den Messadern 18 als Viererspirale umlaufen ist.
Der auch als Isolator oder Dielektrikum bezeichnete Adernmantel 22 umgibt den jeweiligen Leiter 20 der Messader 18 als eine elektrisch isolierende Mantelschicht. Der Leiter 20 ist beispielsweise als ein Litzenleiter oder alternativ als ein massiver Draht ausgeführt. Der Leiter 20 ist insbesondere aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung gefertigt. Vorzugsweise ist der Leiter 20 insbesondere aus hochfesten Leitermaterialien gefertigt, wodurch die Lebensdauer verbesser wird.
Der Adernmantel 22 ist aus einem möglichst weichen Dielektrikum oder Isoliermaterial hergestellt. Insbesondere ist der Adernmantel 22 hierbei aus einem thermoelastischen Kunststoffmaterial, insbesondere einem thermoplastischen Elastomer (TPE), beispielsweise auf einer (Poly-)Urethanbasis (TPE-U, TPU) hergestellt. Zur Verbesserung der Weichheit oder der Verformbarkeit des Adernmantels 22 wird dieser bei der Herstellung vorzugsweise verzellt.
Das Material des Adernmantels 22 ist hierbei insbesondere derart gewählt, dass es an der Oberfläche des Leiters 20 möglichst nicht haftet. Mit anderen Worten weist der Leiter 20 im Adernmantel 22 einen vergleichsweise geringen Haftsitz auf. Insbesondere ist hierbei zwischen dem Leiter 20 und dem Adernmantel 22 ein Haftsitz kleiner 1 N bei einer Adernlänge von 50 mm vorgesehen. Die Messader 18 weist somit einen im Wesentlichen vernachlässigbaren Haftsitz auf, sodass der Leiter 20 im Wesentlichen lose, also ohne nennenswerten Reibwiderstand, innerhalb des Adernmantels 22 entlang gleiten kann.
Die Viererverseilung 16 beziehungsweise die oder jede Messader 18 ist derart an dem Kern 12 gehalten, dass sie entlang des Strangs 4 beziehungsweise des Kerns 12 verschiebefrei geführt ist. Dies bedeutet, dass die Relativposition der Messadern 18 zum Kern 12 oder zur Schirmung 14 bei einer Biegung B im Wesentlichen unverändert ist. Mit anderen Worten sind die Messadern 18 derart an dem Kern 12 angeordnet, dass bei einer Biegung B kein relativer Versatz entlang der Stranglängsrichtung L auftritt, die Messadern 18 mittels ihrer Adernmäntel 22 also nicht entlang der Stranglängsrichtung L am Kern 12 abgleiten.
Hierzu sind die Messadern 18 der Viererverseilung 16 insbesondere derart miteinander geseilt oder angeseilt, dass bei einer Biegung des Strangs 4 die Relativposition der Messadern 18 zueinander unverändert ist. Mit anderen Worten sind die Adernmäntel 22 der Messadern 18 zueinander sowie zum Kern 12 im Wesentlichen verschiebefrei. Dies bedeutet, dass die Verschiebebeweglichkeit der Leiter 20 der Messadern 18 größer ist, also die Verschiebebeweglichkeit der Adermäntel 22 gegeneinander und bezüglich des Kerns 12.
Zu diesem Zwecke sind die Adernmäntel 22 der Messadern 18 im Verbund der Viererverseilung 16 form- und/oder kraftschlüssig aneinander gehalten, wobei der Form- und/oder Kraftschluss zwischen den Adernmänteln 22 größer als 10 N, vorzugsweise größer als 20 N, bei einer aneinander anliegenden Mantellänge von 10 cm (Zentimeter) ist. Der Form- und/oder Kraftschluss zwischen den verseilten Messadern 18 ist hierbei durch eine Oberflächenrauigkeit der Adernmäntel 22 bewirkt. Insbesondere weisen die verzellten Adernmäntel 22 einen derartig dimensionierten Verzellungsgrad auf, dass deren Oberflächen zumindest eine gewisse Rauheit aufweisen, wodurch insbesondere der Reibschluss zwischen den Messadern 18 verbessert wird. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise denkbar, dass die Messadern 18 fester miteinander verseilt werden, also unter einer größeren Zugspannung auf den Kern 12 angeordnet werden.
Anhand der 3 bis 5 ist nachfolgend die Überwachung des Strangs 4 hinsichtlich einer Biegung B näher erläutert. In den 3 und 4 ist der Strang 4 ohne den Außenmantel 10 und mit lediglich einer Messadern 18 dargestellt. In den 3 und der 4 ist eine Mittellinie 24 des Kerns 12 strichliniert gezeigt, wobei der Kern 12 selbst zur verbesserten Sichtbarkeit der Messader 18 punktiert dargestellt ist.
In der 3 ist der Strang 4 in dem ungebogenen Ausgangszustand gezeigt. Die 3 zeigt drei aufeinanderfolgende Windungen der spiralförmig verlaufenden Messader 18.
Bei einer Biegung B des Strangs 4 (4) wird die mechanische Länge radial innenseitig und radial außenseitig des Biegeradius R verändert. Durch die verschiebefreie Befestigung der Adernmäntel 22 an dem Kern 12 weicht der im jeweiligen Adernmantel 22 verschiebebeweglich oder lose einsitzende Leiter 20 dieser Biegung B entlang der Stranglängsrichtung L aus. Die Adernmäntel 22 sind hingegen an dem Kern 12 beziehungsweise dessen Schirmung 14 fixiert, so dass die Adernmäntel 22 der Biegung B beispielsweise nicht durch aneinandergleiten entlang der Verseilsteigung ausweichen können. Somit wird der oder jeder Adernmantel 22 wird im Zuge der Biegung B gestaucht und/oder gedehnt, also verformt.
Durch die Verformung kommt es zu lokalen Abstands- und/oder Dichteänderungen des Adernmantels 22 im Bereich der Biegung B, was in der 4 in einer schematischen und vereinfachten Darstellung gezeigt ist. Insbesondere werden die radial innenseitigen Windungsabschnitte der Adernmäntel 22 gestaucht und die radial außenseitigen Windungsabschnitte der Adernmäntel 22 werden gedehnt.
Durch die Dehnung und/oder Stauchung kommt es zu lokalen Abstands- und Dichteänderungen der Adernmäntel 22. Insbesondere wird die Dichte des Dielektrikums des Adernmantels 22 im Bereich der Dehnung reduziert und im Bereich der Stauchung erhöht. Somit wird der Durchmesser des Adernmantels 22 beziehungsweise der Messader 18 hierbei im Dehnungsbereich reduziert und im Stauchungsbereich erhöht, wobei der Drahtdurchmesser des Leiters 20 im Wesentlichen stets konstant bleibt.
Im Bereich der Dehnung, also radial außerhalb der Mittellinie 24, verschiebt sich der Leiter 20 innerhalb des Adernmantels 22 derart, dass die Leiterabschnitte, welche sich im ungebogenen Ausgangszustand auf der Mittellinie 24 befanden, im gebogenen Zustand radial nach außen wandern. Somit wandern diese Leiterabschnitte in Bereich des Adernmantels 22, bei welchen die Dichte des Dielektrikums reduziert ist. Dies bewirkt eine Veränderung, insbesondere eine Reduzierung des Wellenwiderstands oder der Impedanz der Messader 18, welche sich in der Folge auf die Signalausbreitung des Messsignals S auswirkt. Insbesondere werden durch solche Impedanzänderungen Reflektionen des Messsignals S in den Sensoradern 22 erzeugt, welche zumindest teilweise als Signalanteil oder Antwortsignal S' an die Empfangseinheit 7 zurückgeführt und an die Auswerteeinheit 8 weitergeleitet werden.
Die mindestens eine Messader 18 weist im ungebogenen Ausgangszustand einen im Wesentlichen bekannten Wellenwiderstands- oder Impedanzwert Z auf. Die Abstands- und/oder Dichteänderungen des Adernmantels 22 wirken sich auf diesen Impedanzwert Z aus, sodass es zumindest im Bereich der Biegung B zu einer lokalen Veränderung oder Schwankung der Impedanz der Messader 18 kommt. Durch diese lokale Impedanzänderung wird die Signalausbreitung des Messsignals S beeinflusst, sodass durch Auswertung der Signalausbreitung ein Rückschluss auf die Impedanzänderung und somit auf die Abstands- und/oder Dichteänderung beziehungsweise auf die dieser zugrundeliegenden Biegung B möglich ist.
Hierzu wird insbesondere die (Signal-)Laufzeit t zwischen dem Einspeisen des Messsignals S und der Ankunft des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals S' ausgewertet, wodurch auf den Ort der Biegestelle am Strang 4 zurückgeschlossen werden kann. Bei dem Messsignal S handelt es sich insbesondere um einen Messimpuls, insbesondere nach Art eines Spannungssprungs oder einer Spannungsstufe. Für eine ortsaufgelöste Messung oder zur Auswertung und/oder Bestimmung der Position der lokalen Biegestelle am Strang 4 wird somit eine Laufzeitmessung nach Art einer Zeitbereichsreflektometrie (TDR) durchgeführt. Hierbei wird das Messsignal S in die Messadern 18 eingespeist und der Spannungsverlauf des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals S' ausgewertet. Die Ortsauflösegenauigkeit ist hierbei im Wesentlichen durch die Verseilsteigung sowie die Anzahl der miteinander verseilten Messadern 18 am Kern 12 gegeben.
Die 5 zeigt ein Laufzeit-Impedanz-Diagramm (t-Z-Diagramm) der Messader 18 für einen ungebogenen und einen gebogenen Zustand des Strangs 4. Entlang der horizontalen Abszissenachse (x-Achse) ist hierbei die Laufzeit t des Messsignals S oder des reflektierten Signalanteils S' aufgetragen, welche im Wesentlichen einer Position an der Messader 18 entlang der Stranglängsrichtung L entspricht. Entlang der vertikalen Ordinatenachse (y-Achse) ist die Impedanz bzw. der Impedanzwert Z der Messader 18 gezeigt. Der ungebogene Ausgangszustand weist einen konstanten Verlauf Z1 auf und ist strichliniert dargestellt. Der gebogene Zustand weist einen oszillierenden Verlauf Z2 auf, welcher in der 5 strichpunktiert gezeigt ist.
Im ungebogenen Zustand sind der Abstand und die Dichte des Dielektrikums des Adernmantels 22 im Wesentlichen über die vollständige Länge der Messader 18 gleich. Somit weist Messader 18 über ihre vollständige Länge einen im Wesentlichen konstanten Impedanzwert Z auf. Somit zeigt das t-Z-Diagramm der 5 einen konstanten Verlauf Z1 für den ungebogenen Ausgangszustand.
Bei einer Biegung B des Strangs 4 an einer Biegestelle wird der Kern 12 und somit der Sternvierer 16 beziehungsweise die Messadern 18 - wie in der 4 schematisch dargestellt - an dem radial innenseitigen Bereich des gebogenen Strangs 4 gestaucht, und an dem diametral gegenüberliegenden radial außenseitigen Bereich gedehnt. Die oder jede Messader 18 ist entlang der Stranglängsrichtung L verschiebefest an dem Kern 12 geführt, sodass durch die Biegung Abstands- und Dichteänderungen der Adernmäntel 22 bewirkt werden.
An der Biegestelle wird somit eine lokale Impedanzveränderung, also eine Erhöhung oder Erniedrigung des Wellenwiderstands des Messsignals S im Leiter 20 der Messader 18 bewirkt. Mit anderen Worten bewirkt die Biegung B durch die Abstands- und Dichteänderungen eine Anzahl von Störstellen entlang der Messader 18, welche sich auf die Signalausbreitung des Messsignals S auswirken. Insbesondere wird das Messsignal S im Bereich dieser Störstellen zumindest teilweise reflektiert, so dass durch Auswertung des reflektierten, also zurücklaufenden Signalanteils S' die Biegung B erfasst wird.
Im Zuge der Biegung B treten hierbei entlang des Biegeverlaufs des Strangs 4 mehrere radial innen- und außenseitige Dehnungen und Stauchungen der Adernmäntel 22 für aufeinanderfolgende Windungen des spiralförmig verlaufenden Messadern 18 auf. Somit treten mehrere aufeinanderfolgende Impedanzänderungen oder Störstellen entlang der Biegung B bei der Messader 18 auf.
Im Laufzeitbereich der Biegung B ergibt sich somit ein oszillierender Verlauf Z2 des Impedanzwerts. Dabei stellt eine komplette Periode des Verlaufs Z2 im Wesentlichen einen Schlag oder eine Windung der Messader 18 dar. Die Laufzeit t des Verlaufs Z2 entspricht der Position der Biegestelle am Strang 4, wobei die Anzahl der Abweichungen zu höheren oder niedrigeren Impedanzwerten als dem Impedanzwert des Verlaufs Z1 ein Maß für den Biegeradius R und die Länge der Biegung B, also den Biegeverlauf, sind.
Durch die Impedanzänderungen des Verlaufs Z2 wird im Zuge der Laufzeitmessung ein entsprechendes Signalmuster des reflektierten Signalanteils S' bewirkt, so dass durch die Auswertung des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals S' ein quantitatives Maß oder ein Wert für den Biegeradius R ermittelbar ist.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims

Messanordnung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung, aufweisend - einen zentral angeordneten Kern, - mindestens eine Messader, welche einen von einem Adernmantel umgebenen Leiter aufweist und am Kern entlang geführt ist, - eine Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines Messsignals in die mindestens eine Messader, sowie - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Anwortsignals und zur Weiterleitung an eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer Änderung der Signalausbreitung des Messsignals in dem Leiter der Messader, - wobei der Leiter der Messader gegenüber dem Adernmantel relativ verschiebebeweglich ist, und - wobei die mindestens eine Messader derart angeordnet ist, dass die Messader entlang des Kerns verschiebefrei geführt ist, so dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messader zum Kern unverändert ist und es zu einer abschnittsweisen Verformung des Adermantels kommt, und die Signalausbreitung des Messsignals durch die Verformung des Adernmantels in dem Leiter beeinflusst ist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Messadern vorgesehen sind, welche derart geseilt sind, dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messadern zueinander unverändert ist.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leiter und dem Adernmantel einer Messader eine erste Verschiebebeweglichkeit und zwischen den Adernmänteln benachbarter Messadern eine zweite Verschiebebeweglichkeit ausgebildet ist, wobei die erste Verschiebebeweglichkeit größer als die zweite Verschiebebeweglichkeit ist.
Messanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leiter und dem Adernmantel einer Messader ein Haftsitz kleiner 1 N bei einer Adernlänge von 50 mm vorgesehen ist.
Messanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Adernmäntel von mindestens zwei miteinander geseilten Messadern form- und/oder kraftschlüssig aneinander gehalten sind, wobei der Form- und/oder Kraftschluss zwischen den Adernmänteln größer als 10 N, vorzugsweise größer als 20 N, bei einer aneinander anliegenden Mantellänge von 10 cm ist.
Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Form- und/oder Kraftschluss durch eine Oberflächenrauigkeit der Adernmäntel bewirkt ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kern um einen Kern einer elektrischen Leitung handelt.
Messanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern als äußerstes Element eine Schirmung aufweist, um welche die mindestens eine Messader geführt ist. (Schirmung als Rückleiter)
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Erfassung eines reflektierten Signalanteils des Messsignals als Antwortsignal ausgebildet ist.
Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Auswertung der Position einer lokalen Biegestelle am Strang ausgebildet ist, indem der reflektierte Signalanteil in Verbindung mit der Laufzeit ausgewertet wird.
Messanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Biegung einer lokalen Biegestelle am Strang ausgebildet ist, indem ein Signalmuster des reflektierten Signalanteils ausgewertet wird, welches aufgrund der Biegung erzeugt wird.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vier Messadern eine Viererverseilung bilden, insbesondere einen Sternvierer, und die Viererverseilung am Kern entlang geführt ist.
Biegeelastischer Strang für eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend einen zentral angeordneten Kern und mindestens eine Messader, welche einen von einem Adernmantel umgebenen Leiter aufweist und am Kern entlang geführt ist, wobei der Leiter der Messader gegenüber dem Adernmantel relativ verschiebebeweglich ist, und wobei die mindestens eine Messader derart angeordnet ist, dass die Messader entlang des Kerns verschiebefrei geführt ist, so dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messader zum Kern unverändert ist und es zu einer abschnittsweisen Verformung des Adermantels kommt.
Strang nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strang als ein Kabel und der Kern als eine Leitung ausgeführt ist.
Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung mit Hilfe einer Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.