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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.
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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.
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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.
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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.
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Um eine bestimmte Mindestlebensdauer zu gewährleisten oder eine eventuell unzulässige Biegung zu erkennen ist eine Kontrolle oder eine Überwachung des Strangs von Vorteil.
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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.
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Hinsichtlich der Messanordnung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Strangs mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 15 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Strang angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Messanordnung sowie das Verfahren übertragbar und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Messanordnung ist zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung geeignet und eingerichtet. Der biegeflexible Strang ist beispielsweise ein Versorgungsstrang, insbesondere ein elektrischer Versorgungsstrang, vorzugsweise ein Kabel und speziell ein Ladekabel für ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug beziehungsweise für eine E-Mobilitätsanwendung.
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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.
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Der Strang weist einen zentral angeordneten, insbesondere biegeflexiblen Kern auf, an dem ein Sensoradernpaar mit zwei mechanisch nicht gekoppelten Sensor- oder Messadern geführt ist. Mit anderen Worten sind die Sensoradern nicht mechanisch miteinander verbunden am Kern entlang geführt. Die Messanordnung weist weiterhin eine Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines Messsignals in das Sensoradernpaar beziehungsweise in die oder jede Sensorader auf. Die Messanordnung ist mit einer Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals der Sensoradern und zur Weiterleitung an eine Auswerteeinheit zur Auswertung des Messsignals nach einer Ausbreitung in dem Sensoradernpaar ausgeführt. Unter einem „Antwortsignal“ wird hier und im Folgenden insbesondere ein elektrisches Signal verstanden, welches sich aus dem eingespeisten Messsignal im Zuge einer Signalausbreitung in dem Sensoradernpaar ergibt.
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Erfindungsgemäß sind die Sensoradern des Sensoradernpaares in dem ungebogenen Ausgangszustand des Strangs parallel in einem relativen Abstand zueinander umfangsseitig am Kern entlang geführt. Die Sensoradern weisen hierbei im ungebogenen Ausgangszustand einen gleichmäßigen Abstand zueinander auf, welcher im Wesentlichen über die gesamte Länge des Sensoradernpaares oder zumindest über einen zu überwachenden Bereich des Strangs konstant ist.
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Die Sensoradern sind hierbei in einer solchen Art und Weise am Umfang des Kerns geführt, so dass es bei einer Biegung des Strangs zu einer abschnittsweisen, insbesondere lokalen Abstandsänderung zwischen den Sensoradern kommt, und die Signalausbreitung des Messsignals durch die Abstandsänderung der Sensoradern beeinflusst ist. Somit wird das empfangene Anwortsignal verändert, wodurch mittels der Auswerteeinheit eine einfache und zuverlässige Überwachung hinsichtlich einer Biegung des Strangs ermöglicht ist.
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Unter einer Abstandsänderung ist hierbei insbesondere eine relative, lokale Verringerung und/oder Vergrößerung des Abstands zwischen den Sensoradern zu verstehen, welche die Signalausbreitung des Messsignals beeinflusst. Durch die Beeinflussung der Signalausbreitung im Zuge einer Biegung des Strangs ist es in einfacher Art und Weise möglich, mittels der Auswerteeinheit eine Biegung des Strangs zu erfassen und zu überwachen. Mit anderen Worten wirkt das Sensoradernpaar als ein Mess- oder Sensorelement zur Erfassung einer Biegung des überwachten Strangs. Dadurch ist auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung realisiert.
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Das Sensoradernpaar weist im ungebogenen Ausgangszustand einen im Wesentlichen bekannten Wellenwiderstands- oder Impedanzwert auf. Die Abstandsänderung wirkt sich auf den Impedanzwert aus, sodass es zumindest im Bereich der Abstandsänderung zu einer lokalen Veränderung der Impedanz des Sensoradernpaares kommt. Durch die lokale Impedanzänderung wird die Signalausbreitung des Messsignals beeinflusst, sodass durch Auswertung der Signalausbreitung ein Rückschluss auf die Impedanzänderung und somit auf die Abstandsänderung beziehungsweise die dieser zugrundeliegenden Biegung möglich ist.
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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. Insbesondere wird bei der Signalauswertung auch eine Leitungsdämpfung aufgrund des Leitermaterials berücksichtigt.
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Die Einspeiseeinheit und die Empfangseinheit sind beispielsweise als eine gemeinsame Sende-Empfangseinheit, also als ein Transceiver, ausgestaltet. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise ebenfalls Teil des Transceivers, so dass die Auswertung direkt am Empfangsort erfolgt. Alternativ ist die Auswerteeinheit extern, also separat zu der Messanordnung ausgeführt. Insbesondere bei einer Anwendung der Messanordnung in einem Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass die von der Empfangseinheit empfangenen Antwortsignale an eine Auswerteeinheit weitergeleitet werden, welche beispielsweise Teil eines übergeordneten (Kraftfahrzeug-)Steuergeräts ist.
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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.
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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. Zusätzlich oder alternativ ist es bei einer Anwendung des Strangs als Ladekabei möglich, dass bei einer Überschreitung eines vorgegebenen maximalen Biegeradius ein geführter (Lade-)Strom reduziert oder vollständig abgeschaltet wird. Dadurch wird eine Beschädigung des Strangs vorteilhaft und einfach vermieden.
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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. Ist der Strang zum Beispiel als ein Ladekabel für E-Mobilitätsanwendungen ausgebildet, ist es beispielsweisemöglich, dass die Einspeiseeinheit und/oder die Empfangseinheit der Messanordnung in einer externen Stromversorgungseinheit (Ladesäule) und/oder in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug angeordnet sind.
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In einer geeigneten Ausführung ist das Sensoradernpaar spiralförmig, also helix- oder wendel- oder schraubenförmig, um den Kern geführt. Dadurch ist eine besonders geeignete Führung der Sensoradern realisiert, welche eine zuverlässige und betriebssichere Überwachung und Erfassung einer Biegung ermöglichen. Dies bedeutet, dass der Kern von den Sensoradern als Doppelspirale umlaufen wird.
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Beispielsweise sind die Sensoradern des Sensoradernpaares nach Art eines Drall- oder Wendelschirms (D-Schirm) um den Kern geseilt. Mit anderen Worten sind die Sensoradern nebeneinander parallel angeordnet und im Wesentlichen als eine Lage spiralförmig um den Kern gewickelt oder geführt. Benachbarte Windungsabschnitte des Sensoradernpaares sind dabei vorzugsweise zueinander beabstandet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sensoradernpaar Teil eines Geflechts, welches den Strang umgibt. Das insbesondere schlauchförmige Geflecht ist beispielsweise nach Art eines Schutzgeflechts, insbesondere nach Art eines Geflechtschirms (C-Schirm) ausgeführt. Mit anderen Worten sind die Sensoradern in das Geflecht integriert beziehungsweise mit diesem kombiniert. Das Geflecht wirkt somit als ein Hilfs- oder Tragegeflecht zur Halterung der Sensoradern am Kern. Dadurch ist insbesondere die gemeinsame parallele Führung der Sensoradern zueinander mit herkömmlichen Fertigungsmethoden zuverlässig gewährleistet. Auch ist mittels einer solchen Einbettung oder Einflechtung der Sensoradern in ein Geflecht der Vorteil verbunden, auftretende (mechanische) Zugkräfte über das Geflecht abzuführen. Dadurch ist eine erhöhte oder verbesserte Lebensdauer für das Sensoradernpaar und somit die Messanordnung ermöglicht.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist das Geflecht neben dem Sensoradernpaar mindestens einen und bevorzugt mehrere elektrisch nicht leitende Fäden auf. Insbesondere weist das Geflecht - abgesehen von den Sensoradern - ausschließlich elektrisch nicht leitende Fäden auf. Mit anderen Worten ist das Geflecht elektrisch nicht leitfähig, weist also keine blanken leitenden (Metall-)Drähte auf. Die Fäden sind hierbei zweckmäßigerweise aus einem biegsamen und elektrisch nicht leitfähigen Material hergestellt. Dadurch ist gewährleistet, dass sich das Geflecht im Zuge einer Biegung entsprechend dem Biegeradius des Strangs oder des Kerns verbiegt, also staucht oder dehnt. Somit ist sichergestellt, dass die Sensoradern die Biegung zuverlässig erfassen.
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Insbesondere sind die Fäden beispielsweise als Kunststofffäden oder Kunststofffasern, vorzugsweise als Aramidfäden oder Aramidfasern, ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Geflecht im Wesentlichen ein Aramidgeflecht ist, in welchem die Sensoradern eingeflochten sind. Dadurch ist eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des als Sensorelement wirkenden Sensoradernpaares gewährleistet.
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Unter einem Geflecht wird allgemein ein Flechtwerk verstanden, bei welchem Fäden netzartig miteinander verflochten, also ineinander geschlungen, oder miteinander gekreuzt sind.
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Zur Herstellung des Geflechts wird bevorzugt eine herkömmliche Flechtmaschine verwendet, welche einen Kranz mit den auf Spulen aufgerollten nicht leitenden Fäden um einen Flechtpunkt kreisförmig herumführt. Geeigneterweise sind die Sensoradern auf zwei nebeneinanderliegenden Spulen eines zweiten Kranzes angeordnet, wobei bevorzugt weitere Spulen dieses zweiten Kranzes vorgesehen sind, die mit den nicht leitenden Fäden versehen sind.
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In dieser Konfiguration wird das parallel verlaufende Sensoradernpaar gefertigt und in seiner Position für die weitere Verarbeitung mittels der nichtleitenden Fäden fixiert. Der relative Abstand der Sensoradern ergibt sich hierbei im Wesentlichen automatisch durch die Spulenanordnung der Kränze. Dies bedeutet, dass der relative Abstand proportional zu dem Umfang des schlauchförmigen Geflechts ist. Wird beispielsweise eine 32er-Flechtmaschine, mit 16 Spulen je Kranz, verwendet, und sind die mit den Sensoradern bestückten Spulen entlang einer Umfangsrichtung des Kranzes direkt nebeneinander angeordnet, so weisen die Sensoradern des erzeugten Geflecht einen relativen Abstand auf, welcher 1/16 des Umfangs des Geflechts entspricht. Vorzugsweise weisen die Sensoradern einen Abstand zwischen 1/8 bis 1/16 des Geflechtumfangs auf. Im Falle einer 24er-Flechtmaschine ist der Abstand zwischen den Sensoradern vorteilhafterweise zwischen 1/6 und 1/12 des Geflechtumfangs dimensioniert. Entsprechend ist der Abstand bei einer 16er-Flechtmaschine beispielsweise auf 1/4 bis 1/8 des Geflechtumfangs dimensioniert.
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In einer bevorzugten, besonders kosten- und materialreduzierten Weiterbildungsform ist es vorgesehen, dass das Sensoradernpaar lediglich mit maximal fünf Fäden oder lediglich mit einem (einzigen) Faden als Halteelement an dem Kern angeordnet ist. Dies ist insbesondere in Anwendungen vorteilhaft, in welchen keine oder vernachlässigbare Zugkräfte auf das Sensoradernpaar einwirken. Hierbei sind auf einem Kranz der Flechtmaschine die beiden Sensoradern und auf dem anderen Kranz ein nichtleitender Faden angeordnet. Mit anderen Worten ist das Geflecht lediglich durch kreuzen des einzelnen Fadens mit dem Sensoradernpaar zu dessen Befestigung und/oder Halterung ausgebildet.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Sensoradernpaar entlang des Strangs beziehungsweise des Kerns verschiebefrei geführt ist, so dass bei einer Biegung die Relativposition des Sensoradernpaares zum Kern unverändert ist. Mit anderen Worten sind die Sensoradern derart an dem Kern angeordnet, so dass bei einer Biegung kein relativer Versatz der jeweiligen Sensorader zum Kern entlang der Stranglängsrichtung auftritt, die Sensoradern also nicht entlang der Stranglängsrichtung abgleiten oder verrutschen. Dies bedeutet, dass die Sensoradern ortsfest bezüglich der Oberfläche des Kerns sind und beispielsweise fest mit der Oberfläche des Kerns gekoppelt sind, beispielsweise mittels eines Formschlusses, eines Kraftschlusses oder eines Stoffschlusses. Dadurch ist eine besonders zuverlässige und betriebssichere Überwachung und Erfassung einer Biegung gewährleistet.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist das insbesondere spiralförmig gewundene Sensoradernpaar eine Ganghöhe auf, wobei die Ganghöhe mindestens dreimal, vorzugsweise mindestens fünfmal größer als der Abstand zwischen den Sensoradern ist. Unter der Ganghöhe wird der Windungsabstand verstanden, also diejenige Strecke, um die sich die Sensoradern bei einer vollen Umdrehung entlang der Stranglängsrichtung um den Kern winden. Somit wird eine gewisse Mindestganghöhe zwischen den Windungen gewährleistet. Dadurch wird sichergestellt, dass sich bei einer Biegung lediglich die Abstandsänderung zwischen den Sensoradern auf die Signalausbreitung des Messsignals auswirkt. Mit anderen Worten wird die Auswirkung einer Ganghöhenänderung zwischen benachbarten Windungen im Zuge einer Biegung auf die Signalausbreitung reduziert oder vollständig vermieden. Dadurch wird eine zuverlässige Überwachung und Erfassung von Biegungen gewährleistet.
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In einer vorteilhaften Ausführung weisen die Sensoradern jeweils einen Leiter und einen diesen umgebenden elektrisch isolierenden Adermantel auf. Der auch als Isolator oder Dielektrikum bezeichnete (Ader-)Mantel ist aus einem unpolaren Kunststoffmaterial hergestellt. Durch den unpolaren Mantel wird die Auflösegenauigkeit der Sensoradern verbessert. Dadurch ist eine besonders zweckmäßige Ausführung der Sensoradern realisiert.
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Das Kunststoffmaterial ist beispielsweise als ein thermoplastischer Kunststoff, wie beispielsweise Polyethylen (PE), vernetztes Polyethylen (X-PE), (Zell-)Polypropylen (PP) oder Tetrafluorethylenhexafluorpropylen (FEP) ausgeführt. Alternativ ist beispielsweise ebenso denkbar das Kunststoffmaterial als ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere einem Polyester-Elastomer auf Basis von Polystyrol, beispielsweise als ein thermoplastisches Styrol-Block-Copolymer (TPE-S), auszuführen.
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Der Leiter der Sensoradern ist geeigneterweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus Aluminium hergestellt. Ebenso denkbar ist beispielsweise eine Herstellung der Leiter aus einem ummantelten Stahlmaterial, insbesondere einem mit Kupfer ummantelten Stahl (copper cladded steel, CCS). Bei dem Leiter handelt es sich bevorzugt um einen Litzenleiter, alternativ um einen massiven Draht.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung handelt es sich bei dem Kern um eine insbesondere elektrische Leitung, welche einen Isoliermantel aufweist, um den das Sensoradernpaar geführt ist. Der Isoliermantel ist hierbei vorzugsweise als ein Innenmantel des Strangs ausgeführt. Durch den Isoliermantel werden die Sensoradern von leitfähigen Oberflächen des Strangs getrennt gehalten.
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Der Kern beziehungsweise die Leitung weist insbesondere einen (Leitungs-) Durchmesser größer 2 cm (Zentimeter), insbesondere größer 3 cm, vorzugsweise größer 5 cm auf.
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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.
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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 Auswerteeinheit weiterleitet. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Überwachung des Strangs hinsichtlich einer Biegung ermöglicht.
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In einer geeigneten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit insbesondere als ein SDR (Software Defined Radio) ausgeführt, also als ein Hochfrequenz-Sendeempfänger, bei welchen gewisse Anteile der Signalverarbeitung mittels einer Software verwirklicht werden. Hierbei sind die Einspeiseeinheit (Sender) und/oder die Empfangseinheit (Empfänger) insbesondere einzeln hinzugefügt.
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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.
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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. 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.
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Im Betrieb speist die Einspeiseeinheit ein Messsignal in das Sensoradernpaar ein, wobei die Auswerteeinheit insbesondere zur Überwachung der Sensoradern 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. Dadurch wird eine Abstandsänderung der Sensoradern zueinander bewirkt, insbesondere wird der Abstand im radial innenseitigen Bereich reduziert und im radial außenseitigen Bereich vergrößert. An der Biegestelle wird somit eine lokale Impedanzveränderung bewirkt, also eine Veränderung des Wellenwiderstands des Messsignals im Leiter der Sensoradern, infolge der lokalen begrenzten Abstandsänderung der Sensoradern. Insbesondere wird die Impedanz bei einer Verringerung des Abstands erhöht und bei einer Erhöhung des Abstands erniedrigt. Mit anderen Worten bewirkt die Biegung einen lokalen Störbereich entlang des Sensoradernpaares, 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.
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Im Zuge der Biegung treten hierbei entlang des Biegeverlaufs oder Biegeprofils mehrere radial innen- und außenseitige Abstandsänderungen zwischen den Sensoradern für aufeinanderfolgende oder benachbarte Windungen des spiralförmig verlaufenden Sensoradernpaares auf. Somit treten mehrere aufeinanderfolgende Impedanzänderungen oder Störstellen entlang der Biegung bei dem Sensoradernpaar auf. Die Ganghöhe des Sensoradernpaares ist hierbei geeigneterweise groß genug dimensioniert, dass eine Ganghöhenänderung zwischen benachbarten Windungen aufgrund der Biegung im Wesentlichen vernachlässigbar ist, also im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Signalausbreitung hat. Die Impedanzänderungen bewirken das charakteristische Signalmuster des reflektierten Signalanteils, wodurch mittels einer Auswertung des reflektierten Signalanteils ein quantitatives Maß oder Wert für den Biegeradius 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.
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Die Auswertung des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals erfolgt hierbei vorzugsweise unter Berücksichtigung einer bekannten (Signal-)Dämpfung in den Leitern des Sensoradernpaares. Mit anderen Worten wird bei der Auswertung eine Reduzierung der Signalamplitude des Messsignals oder des reflektierten Signalanteils aufgrund einer Ausbreitungsstrecke im Sensoradernpaar berücksichtigt.
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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 des Sensoradernpaares und wieder zurück zum Einspeiseort. Dadurch ist sichergestellt, dass ein reflektierter Signalanteil am Einspeiseort zur eingespeisten (konstanten) Spannungsamplitude überlagert wird.
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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 Sensoradern eingespeist und der Spannungsverlauf des reflektierten Signalanteils bzw. Antwortsignals ausgewertet.
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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
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9. Hierbei werden im Zuge eines Messzyklus mehrere Einzelmessungen durchgeführt, wobei pro Einzelmessung ein Messsignal von der Einspeiseeinheit in die Sensoradern 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.
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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.
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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.
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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 Sensoradern weisen im Ausgangszustand des Strangs einen bekannten und gleichmäßigen Abstand zueinander, und somit im Wesentlichen einen 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.
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Der erfindungsgemäße, biegeflexible Strang ist insbesondere für eine vorstehend beschriebene Messanordnung geeignet und eingerichtet. Der Strang weist einen zentral angeordneten Kern und ein Sensoradernpaar mit zwei mechanisch nicht gekoppelten Sensoradern auf, welche insbesondere in den Strang integriert sind. Die Sensoradern sind in einem ungebogenen Ausgangszustand des Strangs parallel in einem relativen Abstand zueinander umfangsseitig am Kern entlang geführt. Dadurch ist ein besonders geeigneter Strang realisiert.
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Hierbei ist es beispielsweise denkbar, dass der Kern in mehrere Teilabschnitte untergliedert ist, wobei jeder Teilabschnitt ein zugeordnetes Sensoradernpaar als Biegesensorelement aufweist. In dieser Variante sind daher mehrere Sensoradernpaare vorgesehen, welche insbesondere in unterschiedlichen Teilabschnitten spiralisiert geführt sind.
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Durch das vorzugsweise integrierte Sensoradernpaar 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.
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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.
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Weiterhin ist durch die Biegesensorik in Form des Sensoradernpaares ein besonders geeigneter Strang für Anwendungen in der E-Mobilität, insbesondere als Ladekabel realisiert.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist das Sensoradernpaar ein Teil eines Geflechts, welches auf den Kern aufgebracht ist. Dadurch ist eine zuverlässige, kostengünstige und aufwandsarme Halterung des Sensoradernpaares am Kern gewährleistet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Strang als ein Kabel und der Kern als eine insbesondere elektrische Leitung ausgeführt. Dies bedeutet, dass das Sensoradernpaar um einen (Isolier-)Mantel des Kerns insbesondere spiralförmig geführt ist. Das Sensoradernpaar 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 des Sensoradernpaares integriert ist. Der Strang ist hierbei vorzugsweise als ein elektrisches Versorgungskabel, insbesondere als ein (intelligentes) Ladekabel für Anwendungen im Bereich der E-Mobilität ausgeführt.
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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.
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Bei dem Verfahren wird ein Messsignal in das Sensoradernpaar eingespeist, welches sich entlang diesem ausbreitet. Bei einer Biegung des Strangs wird der Abstand zwischen den Sensoradern des Sensoradernpaares abschnittsweise verändert. Durch die Abstandsänderung wird eine lokale Impedanzänderung des Sensoradernpaares bewirkt, wodurch die Signalausbreitung des Messsignals beeinflusst wird. Insbesondere wird das Messsignal hierbei zumindest teilweise reflektiert, wobei der entlang des Sensoradernpaares zurücklaufende, reflektierte Signalanteil als Antwortsignal erfasst und ausgewertet wird.
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Vorzugsweise wird der Signalanteil hierbei hinsichtlich einer Laufzeit, zur Lokalisierung der Biegestelle, und hinsichtlich eines Signalmusters, zur Bestimmung des Biegeradius, ausgewertet.
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Dadurch ist ein aufwandsarmes und kostengünstiges Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung realisiert.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
- 1 eine grob vereinfachte Darstellung einer Messanordnung mit einem Strang und mit einer Einspeiseeinheit sowie mit einer Auswerteeinheit,
- 2 in schematischer Darstellung ausschnittsweise den Strang mit einem Kern und mit einem ein Sensoradernpaar aufweisenden Geflecht,
- 3 in Schnittdarstellung den Strang,
- 4 in schematischer Seitendarstellung ausschnittsweise den Strang in einem ungebogenen Ausgangszustand,
- 5 ein schematisches Laufzeit-Impedanz-Diagramm des Sensoradernpaares für den Ausgangszustand des Strangs,
- 6 in schematischer Darstellung ausschnittsweise den Strang in einem gebogenen Zustand,
- 7 ein schematisches Laufzeit-Impedanz-Diagramm des Sensoradernpaares für den gebogenen Zustand des Strangs,
- 8 ein schematisches Frequenz-Amplitude-Diagramm bei einer Biegung des Strangs, und
- 9-11 schematische Frequenz- Amplitude-Diagramme für unterschiedliche Biegezustände des Strangs.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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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.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Einspeiseeinheit 6 und die Empfangseinheit sowie die Auswerteeinheit 8 beispielsweise als ein gemeinsamer Controller, insbesondere nach Art eines SDR (Software Defined Radio) ausgebildet.
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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.
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Der Strang 4 ist als ein Versorgungskabel, insbesondere als ein elektrisches Versorgungskabel, vorzugsweise als ein Ladekabel ausgeführt. Der Strang 4 ist hierbei vorzugsweise 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.
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Der Strang 4 verläuft in einem ungebogenen Ausgangszustand (3, 4) 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.
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Der Strang 4 ist anhand der 2 und der 3 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 einem isolierenden Innenmantel 14 als Isoliermantel umgeben ist.
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Auf dem Innenmantel 14 ist ein Geflecht 16 aufgebracht, welches eine Anzahl von elektrisch nicht leitenden Fäden 18 und ein darin eingeflochtenes Sensoradernpaar 20 aufweist. In den Figuren sind die Fäden 18 lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Das Sensoradernpaar 20 weist zwei parallel zueinander geführte Sensoradern 22 auf, welche jeweils nach Art eines Fadens 18 in das Geflecht 16 eingeflochten beziehungsweise integriert sind. Die Sensoradern 22 des Sensoradernpaares 20 sind in der 2 mit einer punktierten Schraffur versehen.
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Im Betrieb der Messanordnung 2 speist die Einspeiseeinheit 6 ein Messsignals S in das Sensoradernpaar 20 beziehungsweise in die oder jede Sensorader 22 ein. Im Betrieb erfasst oder empfängt die Empfangseinheit 7 hierbei das Messsignals S nach einer Signalausbreitung in dem Sensoradernpaar 20. Insbesondere ist die Empfangseinheit 7 dazu geeignet und eingerichtet, einen im Sensoradernpaar 20 reflektierten Signalanteil S', welcher nachfolgend auch als Antwortsignal S' bezeichnet ist, des Messsignals S zu erfassen und zur Auswertung an die Auswerteeinheit 8 weiterzuleiten.
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Die Auswerteeinheit 8 ist hierbei 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 das Biegeprofil entlang des Kerns 12 beziehungsweise des Strangs 4.
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Die Sensoradern 22 sind mechanisch nicht miteinander verbunden, sondern sind mittels des Geflechts 16 an dem Kern 12 beziehungsweise dem Innenmantel 14 geführt. Die Sensoradern 22 sind hierbei in dem ungebogenen Ausgangszustand des Strangs 4 parallel in einem relativen Abstand A zueinander an dem Außenumfang des Kerns 12 beziehungsweise des Innenmantels 14 geführt, verlegt oder verseilt. Das Sensoradernpaar 20 erstreckt sich hierbei im Wesentlichen über die vollständige Länge des Strangs 4. Die Sensoradern 22 weisen hierbei im ungebogenen Ausgangszustand einen gleichmäßigen Abstand A zueinander auf, welcher über die komplette Länge des Stranges 4 beziehungsweise des Sensoradernpaares 20 im Wesentlichen konstant ist.
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Das Sensoradernpaar 20 ist hierbei spiralförmig, also helix- oder wendel- oder schraubenförmig, um den Kern 12 geführt. Die Sensoradern 22 des Sensoradernpaares 20 sind somit im Wesentlichen nach Art eines Drall- oder Wendelschirms (D-Schirm) um den Kern 12 oder den Innenmantel 14 geseilt. Mit anderen Worten sind die Sensoradern 22 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 Innenmantel 14 von den Sensoradern 22 als Doppelspirale umlaufen ist.
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Das Sensoradernpaar 20 ist mittels des Geflechts 16 derart an dem Kern 12 gehalten, dass es entlang des Strangs 4 beziehungsweise des Kerns 12 verschiebefrei geführt ist. Dies bedeutet, dass die Relativposition der Sensoradern 22 zum Kern 12 oder Innenmantel 14 bei einer Biegung B im Wesentlichen unverändert ist. Mit anderen Worten sind die Sensoradern 22 derart an dem Kern 10 angeordnet, dass bei einer Biegung B kein relativer Versatz entlang der Stranglängsrichtung L auftritt, die Sensoradern 22 also nicht entlang der Stranglängsrichtung L am Kern 12 abgleiten.
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Die Sensoradern 22 weisen - wie insbesondere in der Schnittdarstellung der 3 ersichtlich ist - jeweils einen Leiter 24 und einen diesen umgebenden elektrisch isolierenden Adermantel 26 auf. Der (Ader-)Mantel 26 ist aus einem unpolaren Kunststoffmaterial hergestellt. Das Kunststoffmaterial ist beispielsweise als ein thermoplastischer Kunststoff, wie beispielsweise Polyethylen (PE), vernetztes Polyethylen (X-PE), (Zell-)Polypropylen (PP) oder Tetrafluorethylenhexafluorpropylen (FEP) ausgeführt. Alternativ ist beispielsweise ebenso möglich, das Kunststoffmaterial als ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere einem Polyester-Elastomer auf Basis von Polystyrol, beispielsweise ein thermoplastisches Styrol-Block-Copolymer (TPE-S), auszuführen. Der Leiter 24 der Sensoradern 22 ist geeigneterweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus Aluminium hergestellt.
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Das Sensoradernpaar 20 ist Teil des Geflechts 16, welches den Kern 10 umgibt. Das insbesondere schlauchförmige Geflecht 16 ist beispielsweise nach Art eines Schutzgeflechts, insbesondere nach Art eines Geflechtschirms (C-Schirm) ausgeführt. Die Sensoradern 22 sind hierbei in das durch die Fäden 18 gebildete Geflecht 16 integriert beziehungsweise mit diesem kombiniert. Das Geflecht 16 wirkt somit als ein Hilfs- oder Tragegeflecht zur Halterung der Sensoradern 22 am Kern 12.
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Das Geflecht 16 weist insbesondere mehrere regelmäßig ineinander geschlungene und/oder miteinander gekreuzte Fäden 18 auf, in welche die Sensoradern 22 eingeflochten sind. Die elektrisch nicht leitfähigen Fäden 18 sind zweckmäßigerweise aus einem biegsamen Material hergestellt. Insbesondere sind die Fäden 18 als Aramidfasern oder Aramidfäden ausgeführt.
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Der Abstand A der Sensoradern 22 im ungebogenen Ausgangszustand des Strangs 4 ist somit im Wesentlichen durch das Flechtmaß oder Flechtmuster vorgebenden, insbesondere ergibt ist der Abstand A hierbei proportional zu dem Umfang des schlauchförmigen Geflechts 16.
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In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist das Geflecht 16 mittels einer 16er-Flechtmaschine hergestellt, wobei die mit den Sensoradern 22 bestückten Spulen der Flechtmaschine entlang einer Umfangsrichtung eines die Spulen tragenden Kranzes direkt nebeneinander angeordnet sind. Somit weisen die Sensoradern 22 in dem Ausführungsbeispiel der 3 einen Abstand A auf, welcher im Wesentlichen zwei Sechzehntel (2/16), also einem Achtel (1/8) des Umfangs des Geflechts 16 entspricht. In alternativen Ausführungsformen ist das Geflecht 16 beispielsweise mittels einer 32er-Felchtmaschine, wobei der Abstand A zwischen den Sensoradern 22 geeigneterweise zwischen 1/16 und 1/8 des Umfangs dimensioniert ist, oder mittels einer 24er-Flechtmaschine, wobei der Abstand A zwischen den Sensoradern 22 geeigneterweise zwischen 1/12 und 1/6 des Umfangs dimensioniert ist, geflochten.
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Anhand der 4 bis 7 ist nachfolgend die Überwachung des Strangs 4 hinsichtlich einer Biegung B näher erläutert. In den 4 und 6 ist der Strang 4 ohne den Außenmantel 10 und ohne die Fäden 18 des Geflechts 16 dargestellt.
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In der 4 ist der Strang 4 in dem ungebogenen Ausgangszustand gezeigt. Die 4 zeigt vier aufeinanderfolgende Windungen des spiralförmig verlaufenden Sensoradernpaares 20. Das Sensoradernpaar 20 beziehungsweise dessen Verlauf weist hierbei eine Ganghöhe H auf. Die Ganghöhe H zwischen aufeinanderfolgenden Windungen ist vorzugsweise größer als der Abstand A zwischen den Sensoradern 22. Insbesondere ist die Ganghöhe H hierbei mindestens fünfmal größer als der Abstand A (H ≥ 5A).
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Die Sensoradern 22 sind hierbei in einer solchen Art und Weise am Umfang des Kerns 12 geführt, so dass es bei einer Biegung B des Strangs 4 zu einer abschnittsweisen, lokalen Abstandsänderung Δ zwischen den Sensoradern 22 kommt, und die Signalausbreitung des Messsignals S beziehungsweise des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals S' durch die Abstandsänderung Δ der Sensoradern 22 beeinflusst ist. Insbesondere bewirkt eine (relative) Abstandsänderung Δ zwischen den Sensoradern 22 eine Veränderung des Wellenwiderstands oder der Impedanz Z des Sensoradernpaares 20, 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 bzw. an die Auswerteeinheit 8 zurückgeführt werden.
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Durch Auswertung der (Signal-)Laufzeit t zwischen dem Einspeisen des Messsignals S und der Ankunft des reflektierten Signalanteils S' ist es möglich, auf den Ort der Biegestelle am Strang 4 zurückzuschließen. 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 durchgeführt. Hierbei wird das Messsignal S in die Sensoradern 22 eingespeist und der Spannungsverlauf des reflektierten Signalanteils S' ausgewertet.
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Die 5 und 7 zeigen jeweils ein Laufzeit-Impedanz-Diagramm (t-Z-Diagramm) der Sensoradern 20 für einen ungebogenen (5) und einen gebogenen (7) 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 am Sensoradernpaar 22 entspricht. Entlang der vertikalen Ordinatenachse (y-Achse) ist die Impedanz des Sensoradernpaares 20 gezeigt.
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Im ungebogenen Zustand (4) ist der Abstand A zwischen den Sensoradern 22 konstant und im Wesentlichen über die vollständige Länge des Sensoradernpaares 20 gleich. Somit weisen die Sensoradern 22 über ihre vollständige Länge einen im Wesentlichen konstanten Impedanzwert Z1 auf. Somit zeigt das t-Z-Diagramm der 5 einen durch den Impedanzwert Z1 charakterisierten konstanten Verlauf auf.
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Bei einer Biegung B des Strangs 4 an einer Biegestelle wird der Kern 12 - wie in der 6 schematisch dargestellt - an dem radial innenseitigen Bereich des gebogenen Strangs 4 gestaucht, und an dem diametral gegenüberliegenden radial außenseitigen Bereich gedehnt. Das Sensoradernpaar 20 ist entlang der Stranglängsrichtung L verschiebefest an dem Kern 12 geführt, sodass durch die Biegung Abstandsänderungen Δ der Sensoradern 20 zueinander bewirkt werden. Insbesondere wird der Abstand im radial innenseitigen Bereich reduziert und im radial außenseitigen Bereich vergrößert. Die Abstandsänderungen Δ sind in der 6 beispielhaft für eine Windung des Sensoradernpaares 20 im radial innenseitigen und im radial außenseitigen Biegebereich mit einem Bezugszeichen versehen.
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An der Biegestelle wird somit eine lokale Impedanzveränderung, also eine Veränderung des Wellenwiderstands des Messsignals S im Leiter 24 der Sensoradern 22, infolge der lokalen begrenzten Abstandsänderung Δ der Sensoradern 22 bewirkt. Die Impedanz Z wird bei einer Verringerung des Abstands A erhöht und bei einer Erhöhung des Abstands A erniedrigt. Mit anderen Worten bewirkt die Biegung B durch die Abstandsänderungen Δ eine Anzahl von Störstellen entlang des Sensoradernpaares 20, welcher sich auf die Signalausbreitung des Messsignals S auswirkt. 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.
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Im Zuge der Biegung B treten hierbei entlang des Biegeverlaufs des Strangs 4 mehrere radial innen- und außenseitige Abstandsänderungen Δ zwischen den Sensoradern 22 für aufeinanderfolgende Windungen des spiralförmig verlaufenden Sensoradernpaares 20 auf. Somit treten mehrere aufeinanderfolgende Impedanzänderungen oder Störstellen entlang der Biegung B bei dem Sensoradernpaar 20 auf. Außerhalb des Biegebereichs der Biegung B weisen Sensoradern 22 den ursprünglichen (Ausgangs-)Abstand A zueinander auf, wodurch die Impedanz Z in den korrespondierenden Laufzeit-Bereichen den Impedanzwert Z1 aufweist.
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In der 7 ist ein entsprechender Impedanzverlauf für einen gebogenen Strang 4 schematisch dargestellt. Im Laufzeitbereich der Biegung B ergibt sich ein oszillierender Impedanzverlauf Z2. Dabei stellt eine komplette Periode des Impedanzverlaufs Z2 im Wesentlichen einen Schlag oder eine Windung des Sensoradernpaares 20 dar. Die Laufzeit des Impedanzverlaufs Z2 entspricht der Position der Biegestelle am Strang 4, wobei die Anzahl der Abweichungen zu höheren oder niedrigeren Impedanzwerten als dem Impedanzwert Z1 ein Maß für den Biegeradius R und die Länge der Biegung B, also den Biegeverlauf, sind.
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Durch die Impedanzänderungen des Impedanzverlaufs Z2 wird im Zuge der Laufzeitmessung ein entsprechendes Signalmuster des reflektierten Signalanteils S' bewirkt, so dass durch die Auswertung des reflektierten Signalanteils S' ein quantitatives Maß oder ein Wert für den Biegeradius R ermittelbar ist.
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Nachfolgend ist anhand der 8 bis 11 eine Auswertung des reflektierten Signalanteils S' im Frequenzbereich näher erläutert. Die Auswertung erfolgt hierbei vorzugsweise unter Berücksichtigung einer bekannten Dämpfung bei einer Signalausbreitung entlang des Sensoradernpaares 20.
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Die 8 bis 11 zeigen jeweils ein Frequenz-Spannungs-Diagramm (f-P-Diagramm), welches im Wesentlichen einem fouriertransformierten Signalverlauf des reflektierten Signalanteils S' entspricht. Entlang der horizontalen Abszissenachse (x-Achse) ist hierbei die Frequenz f des reflektierten Signalanteils S' aufgetragen, welche im Wesentlichen einer Position am Sensoradernpaar 22 entspricht. Entlang der vertikalen Ordinatenachse (y-Achse) ist die Amplitude P des Signalanteils S' gezeigt, welche ein Maß für den Biegeradius R ist.
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Die 8 zeigt beispielhaft einen Amplitudenverlauf P1 für eine Biegung B des Strangs 4. Der Amplitudenverlauf P1 weist hierbei einen spektralen Peak oder ein Maximum M auf. Eine Höhe des Maximums M, also ein Amplitudenunterschied ΔP des Amplidutenverlaufs P1, entspricht hierbei der Stärke der Biegung B, also dem Biegeradius R. Der Amplitudenverlauf P1 weist hierbei ein spektrales Gewicht auf, also eine (Frequenz-)Breite oder einen Frequenzabstand f1, welcher ein Maß für die Länge der Biegung B ist, also wieviele aufeinanderfolgende Windungen des Sensoradernpaares 20 Abstandsänderungen Δ zwischen den Sensoradern 22 aufweisen. Aus der (Frequenz-)Position des Maximums M, also einem Frequenzabstand f2 des Maximums M zum Nullpunkt, ergibt sich die Entfernung der Biegestelle zur Einspeiseeinheit 6 beziehungsweise zur Auswerteeinheit 8, und somit die Position der Biegestelle am Strang 4.
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Dadurch ist durch eine einfache und aufwandsarme Auswertung des Signalanteils S' im Frequenzbereich hinsichtlich der Höhe ΔP und der Breite f1 sowie der Position f2 des Amplitudenverlaufs oder Spektrums P1 gegeben.
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In der 9 ist ein Spektrum P2 für einen ungebogenen Strang 4 gezeigt. Im ungebogenen Zustand weisen die Sensoradern 22 einen konstanten Impedanzwert Z1 auf, wodurch das resultierende Spektrum P2 im Frequenzbereich einen im Wesentlichen konstanten Verlauf aufweist.
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In den 10 und 11 sind Spektren P3 und P4 für Biegungen B dargestellt, welche im Vergleich zu der in 8 dargestellten Biegung B reduzierten Biegeradius R aufweisen. Das in 10 gezeigte Spektrum P3 entspricht hierbei einer Biegung B, welche vergleichsweise nahe am Einspeisepunkt, also nahe der Einspeiseeinheit 6 und/oder der Auswerteeinheit 8 ist. In der 11 ist entsprechend ein Spektrum P4 gezeigt, bei welchem die Biegestelle der Biegung B weiter vom Einspeisepunkt entfernt ist.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2017/077828 PCT [0046]
