DE19746087A1

DE19746087A1 - Koaxialkabel

Info

Publication number: DE19746087A1
Application number: DE19746087A
Authority: DE
Inventors: Charles Richard Hill; Melvin Clive Maki
Original assignee: Senstar Stellar Corp
Current assignee: Senstar Stellar Corp
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2017-10-18
Also published as: GB9721956D0; GB2318689B; US5834688A; GB2318689A; CA2204485C; CA2204485A1; DE19746087B4

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein undichtes Koaxialkabel, insbesonde re betrifft die Erfindung ein verbessertes undichtes Koaxial kabel, das für einen Eindringling-Detektor verwandt werden kann.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Undichte Koaxialkabel werden verwandt als Sensoren bei Ein dringling-Detektoren, wie z. B. geführte radargestützte Ein dringling-Detektoren. Ein Paar derartiger Kabel ist dabei in einem Graben oder in zueinander parallel verlaufenden Gräben eingegraben. Von einem Kabel wird ein Hochfrequenzsignal (HF-Signal), z. B. in einer Größe von 40,68 MHz übertragen, und dieses wird von dem anderen Kabel empfangen. Das Vorhandensein eines Körpers, z. B. von einem Eindringling, in dem die Kabel umgebenden elektromagnetischen Feld ändert die Phase und Größe bzw. Stärke des empfangenen Signals bezüglich des übertragenen Signals, wobei die Phasen- und Stärke-Änderung erfaßt und als ein Eindringen angezeigt werden kann.

Das Medium, in welchem die Kabel eingegraben sind, beeinflußt die Empfindlichkeit des Systems als Ganzes. Zum Beispiel kön nen unterschiedliche Medien, nasse Erde, trockene Erde, gefro rene Erde, Torf, Zement, Kies, Ton, Luft usw. das elektroma gnetische Feld unterschiedlich voneinander beeinflussen. Wäh rend die Empfindlichkeit des elektronischen Detektors, der an dem empfangenen Kabel angeschlossen ist, justiert werden könn te, falls das aufnehmende Medium homogen wäre, kann aller dings, wenn der Kabelkanal durch nicht-homogenes aufnehmendes Material, wenn er also durch feuchten Ton und kieshaltige Erde über unterschiedliche Längenanteile hindurchläuft, die Emp findlichkeit eines elektronischen Empfängers nicht justiert werden, um die Erfassungsempfindlichkeit über die gesamte Län ge der Kabel gleich auszugestalten. Daher können überempfind liche Bereiche vorhanden sein, die falsche Alarme auslösen können, und es können übermäßig unsensible Bereiche auftreten, die für ein Eindringen Gassen bereiten, so daß dieses Eindrin gen nicht erfaßt werden kann.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen Kabelsen sor anzugeben, der relativ unsensibel auf Variationen des auf nehmenden Mediums ist. Es ist festgestellt worden, wie z. B. in dem U.S. Patent mit der Nr. 4,987,394 offenbart, das der Senstar-Corporation übertragen wurde, daß ein Sensorkabel ver bessert werden kann durch Anwenden eines zweiten externen Schildes aus einem schraubenförmig umwickelten Band aus MU-Metall oder aus einem Band, bestehend aus einem rostfreien Stahl oder Drähte, wobei dieses zweite Schild das elektrische Feld unterbrechen sollte, allerdings aber das elektrisch ma gnetische Feld aus einem Schlitz entweichen lassen sollte.

Das britische Patent mit der Nr. 1,466,171, von Johannessen, das am 2. März 1977 veröffentlicht wurde, beschreibt ein ab strahlendes Koaxialkabel mit einem mit einem einzelnen Schlitz versehenen Schild, in welchem eine Schicht außerhalb des Schlitzes des Schildes vorhanden ist, welcher aus einem elek trisch leitenden Material besteht mit einer Leitfähigkeit, die geringer ist, als diejenige des Zentrums des Leiters des Ka bels. Dieses Patent sagt aus, daß der Grund für das Einschlie ßen der Schicht aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die geringer ist als diejenige des äußeren Lei ters, das bedeutet, daß der Strom, der in der äußeren Oberflä che fließt, gedämpft wird, und daß somit der zweite Modus ge dämpft wird, und daß dies zu einer Reduzierung des Musters der stehenden Welle führen sollte.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es hat sich herausgestellt, daß die vorliegende Erfindung eine deutliche Verbesserung bezüglich der Struktur ist, die in dem oben genannten U.S. Patent für undichte Koaxialkabel angegeben wurde, welche eine große Kabellänge aufweist (z. B. 100 bis 200 m). Die vorliegende Erfindung reduziert spürbar die kapa zitive Kopplung, hält aber im wesentlichen die induktive Kopp lung in das und aus dem Kabel heraus aufrecht. Das Ergebnis ist ein undichtes Koaxialkabel, das als ein Sensor verwandt werden kann, das aber eine wesentlich reduzierte Empfindlich keit auf Variationen der aufnehmenden Medien aufweist, da die kapazitive Kopplung phasenverschoben zu der induktiven Kopp lung sein kann, die schädliche Auslöschungen sowie Ungleichmä ßigkeiten erzeugen kann. Des weiteren ist die kapazitive Kopp lung beeinflußt durch die externe Umgebung, die variabel über die Kabellänge ist, falls bei der Installation des Kabels un terschiedliche Medien durchlaufen werden. Dies unterscheidet sich von der Referenz nach Johannessen, welche es benötigt, daß lediglich der äußere Leiter mit einem die Oberflächenwelle dämpfenden Material zu überziehen ist, wobei diese sich nicht mit dem Problem befaßt, die kapazitive Kopplung zu reduzieren oder zu eliminieren, während die induktive Kopplung aufrecht erhalten wird.

Zusätzliche Vorteile bezüglich der Struktur, die im dem oben genannten U.S. Patent beschrieben wird, bestehen darin, daß die induktive Kopplung eine Größenordnung größer ist als die kapazitive Kopplung. Daher kann die kapazitive Kopplung die induktive Kopplung nicht auslöschen, was zu Variationen bezüg lich der Empfindlichkeit führt; die kapazitive Kopplung ist reduziert, ohne daß das zweite externe Schild der oben genann ten schraubenförmigen Umwicklung des Stahlbandes oder von Drähten existiert, und die Auslegung ist für einen automati sierten Einwegausstoßprozeß geeignet. In der vorliegenden Er findung weist ein undichtes (mit Lücken versehenes) Koaxialka bel eine Schicht auf, die die Lücke oder die Lücken überdeckt, welche eine Leitfähigkeit und Stärke derart aufweist, daß die Eindringtiefe bei einer Betriebsfrequenz des Kabels sehr viel größer ist als die Dicke der Schicht und daß die induktive Kopplung in das oder aus dem Kabel heraus durch die Lücken oder durch die Lücken zumindest um einen Größenbereich größer ist als die kapazitive Kopplung in das und aus dem Kabel her aus bei einer Betriebsfrequenz des Kabels ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Sensorkabel angegeben mit: einem zentralen Leiter, der von einem dielek trischen Material umgeben ist, einer ersten Schicht, die ein mit Lücken versehenes leitfähiges Material enthält, daß das dielektrische Material umgibt, einer zweiten Schicht mit einer vorbestimmten Leitfähigkeit, die zumindest die Lücken in dem leitfähigen Material der ersten Schicht abdeckt, wobei die vorbestimmte Leitfähigkeit und Stärke der zweiten Schicht der art ausgelegt ist, daß die Eindringtiefe in die zweite Schicht bei einer Betriebsfrequenz des Kabels sehr viel größer ist als die Stärke der zweiten Schicht, und wobei die induktive Kopp lung in das oder aus dem Kabel heraus durch die Lücken in der zweiten Schicht zumindest um eine Größenordnung größer ist als die kapazitive Kopplung in das oder aus dem Kabel heraus durch die Lücken der zweiten Schicht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wird vorgeschlagen, daß in einem undichten Koaxialkabel, welches ein mit Lücken verse henes Schild enthält, eine Halbleiterschicht vorhanden ist, die die Lücken in dem Schild überdeckt, wobei die Leitfähig keit und die Stärke des halbleitenden Materials derart ausge wählt ist, daß die induktive Kopplung in das oder aus dem Ka bel heraus sehr viel größer ist als die kapazitive Kopplung in das oder aus dem Kabel heraus bei einer Betriebsfrequenz des Kabels.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich unter Be rücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, in denen:

Fig. 1 eine Seiten- und teilweise geschnittene Ansicht ei nes Kabels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 2 ein Graph ist der Kopplung gegenüber der Volumen leitfähigkeit eines Kabels gemäß einer Ausführungs form der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 ein Graph ist bezüglich der Eindringtiefe gegenüber der Volumenleitfähigkeit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Wie zunächst in Fig. 1 gezeigt, ist ein zentraler Leiter 1 von einem dielektrischen Material 2 umgeben. Dieses dielektrische Material 2 ist wiederum umgeben von einer mit Lücken versehe nen Folie 3, die ein metallisches Laminat sein kann, wie z. B. Aluminium und Mylar^TM. Bevorzugt ist eine Senkelitze 4 enthal ten, um die Nennbelastbarkeit zu verschaffen und um den Ver bindungsumschlag zu verbessern. Die Senkelitze 4 ist in der Folie 3 gegenüber der Lücke angeordnet. Eine Überflutungs-Verbindung 5 umgibt das dielektrische metallische Laminiat und die Senkelitze-Anordnung, um die Beschädigung des Kabels in dem Fall zu reduzieren, in dem Feuchtigkeit in die Umhüllung durch Löcher eintritt, die durch zufällige Beschädigungen der externen Umhüllungen 6 und 7 verursacht werden.

Die halbleitende Umhüllung 6 aus Polyethylen umgibt die Kabel anordnung. Der Zweck und die genauen Eigenschaften der halb leitenden Umhüllung 6 besteht darin, die induktive Kopplung gegenüber der kapazitiven Kopplung zwischen den übertragenden und empfangenden Kabeln zu unterstützen. Dies wird des weite ren weiter unten diskutiert werden. Die Umhüllung 7 ist eine zweite schützende Umhüllung aus Polyethylen mit hoher Dichte. Diese zweite Umhüllung mit hoher Dichte aus Polyethylen schützt das Kabel gegenüber nebengeordneten Beschädigungen, die auftreten könnten, wenn das Kabel vergraben wird.

Die halbleitende Umhüllung 6 dient zwei Zwecken. Zuerst und vornehmlich unterstützt diese Umhüllung die induktive Kopplung zwischen den übertragenden und empfangenden Kabeln. Als zwei tes schafft diese Umhüllung einen gewissen Grad an Schutz für das Kabel. Diese Umhüllung kann ersetzt werden durch einen Streifen aus leitfähigem Material, welches das Kabel umgibt oder einfach die Lücke in der Folie 3 abdeckt, in welchem Fall die induktive Kopplung immer noch unterstützt wird, aber der schützende Aspekt lediglich durch die schützende Umhüllung ho her Dichte aus Polyethylen zur Verfügung gestellt wird.

Der Wert der für die halbleitende Umhüllung 6 ausgewählten Empfindlichkeit ist kritisch für die Erfindung. Die Leitfähig keit muß sicherstellen, daß die induktive Kopplung sehr viel größer ist als die kapazitive Kopplung. Gleichzeitig darf die Leitfähigkeit nicht so hoch sein, daß sie die induktive Kopp lung reduziert, und um dieses Ausführen zu können, muß die Dicke dieser Umhüllung sehr viel geringer als die Eindringtie fe der Betriebsfrequenz, z. B. 40,68 MHz des Kabels sein. Die se zwei Faktoren setzen einen Bereich der Leitfähigkeiten fest, in dem der Sensor arbeiten wird.

Um diese erste Bedingung zu erfüllen, muß die Umhüllung 6 leitfähig genug sein, um sicherzustellen, daß die induktive Kopplung zumindest um eine Größenordnung größer ist als die kapazitive Kopplung. Die leitfähige Umhüllung reduziert die induktive und die kapazitive Kopplung, was zu Verlusten bezüg lich der induktiven und kapazitiven Eindringung führt. Die Verluste bezüglich der Eindringung werden festgelegt durch die folgenden Gleichungen.

Induktiver Eindringungsverlust = 20log(1+jwσ_s/K1 [Gleichung 1]

Kapazitive Eindringungsverlust = 20log(1+jσ_s/wK2 [Gleichung 2]

worin w=2πf bedeutet, und f die Betriebsfrequenz und σ_s die Oberflächenleitfähigkeit bedeutet, die gegeben ist durch σ_s = Umhüllungsstärke/Volumenwiderstand der Umhüllung, und
K1 und K2 Konstanten sind.

Die Fig. 2 zeigt wie sich die induktive und die kapazitive Kopplung verändern, wenn die Umhüllungsleitfähigkeit ansteigt.

Es ist zu bemerken, daß der dargestellte Bereich der Volumen leitfähigkeit der Umhüllung von 0 bis 4 S/m (Siemens pro Me ter) beträgt. Für Werte der Volumenleitfähigkeit, die größer als 1 S/m sind, ist die induktive Kopplung um eine Größenord nung größer als die kapazitive Kopplung, wie es erwünscht ist.

Als nächstes wird die Eindringtiefe für die leitende Umhüllung berechnet, in welcher

Eindringtiefe σ = (1/πfµσ) ist.

Die Eindringtiefe ist in der Fig. 3 gegenüber der Volumenleit fähigkeit σ dargestellt.

Es ist wünschenswert, die Eindringtiefe sehr viel größer als die Stärke der Umhüllung 6 auszugestalten, z. B. stellt eine Eindringtiefe, die zumindest zehnmal größer als die Stärke der Umhüllung ist, es sicher, daß das Signal nicht von der Umhül lung gedämpft wird. Für eine praktikable Stärke der Umhüllung im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm muß die Eindringtiefe größer sein als 0,02 m. Die Linie der Fig. 3 stellt eine Eindringtie fe von 0,02 m dar und entspricht einer Volumenleitfähigkeit von weniger als 15 S/m.

Der Bereich für praktikable Werte der Volumenleitfähigkeit ist nun festgesetzt worden als:

1 S/m < Volumenleitfähigkeit < 15 S/m.

Es hat sich herausgestellt, daß eine halbleitende Umhüllung aus Polyethylen mit einer Volumenleitfähigkeit zwischen 1 S/m und 15 S/m zu einer exzellenten Ausführung eines Sensorkabels führt.

Eine Person, die diese Erfindung versteht, kann nun alternati ve Strukturen und Ausführungsformen oder Variationen des oben Genannten erdenken. All dies, was in den Schutzumfang der bei gefügten Patentansprüche fällt, wird als ein Teil der vorlie genden Erfindung angesehen.

Claims

1. Sensorkabel mit:

(a) einem zentralen Leiter, der von einem dielektrischen Ma terial umgeben ist,
(b) einer ersten Schicht, die ein mit Lücken versehenes leitfähiges Material enthält, daß das dielektrische Ma terial umgibt,
(c) einer zweiten Schicht mit einer vorbestimmten Leitfähig keit, die zumindest die Lücken in dem leitfähigen Mate rial der ersten Schicht abdeckt,
(d) wobei die vorbestimmte Leitfähigkeit und Stärke der zweiten Schicht derart ausgelegt ist, daß die Eindring tiefe in die zweite Schicht bei einer Betriebsfrequenz des Kabels sehr viel größer ist als die Stärke der zwei ten Schicht, und wobei die induktive Kopplung in das oder aus dem Kabel heraus durch die Lücken in der zwei ten Schicht zumindest um eine Größenordnung größer ist als die kapazitive Kopplung in das oder aus dem Kabel heraus durch die Lücken der zweiten Schicht.

2. Sensorkabel nach Anspruch 1, in welchem die zweite Schicht ein leitfähiges Material enthält.

3. Sensorkabel nach Anspruch 2, mit einem Isolator, der die erste von der zweiten Schicht trennt.

4. Sensorkabel nach Anspruch 1, in welchem die zweite Schicht aus einem halbleitenden Material besteht.

5. Sensorkabel nach Anspruch 4, in welchem ein Isolator die erste Schicht von der zweiten Schicht trennt.

6. Sensorkabel nach Anspruch 5, in welchem die Isolation eine überflutende Verbindung ist.

7. Sensorkabel nach Anspruch 6, in welchem die zweite Schicht ein halbleitendes Polyethylen enthält.

8. Sensorkabel nach Anspruch 5, in welchem die Eindringtie fe zumindest zehnmal größer ist als die Stärke der zwei ten Schicht.

9. Sensorkabel nach Anspruch 5, in welchem die Volumenleit fähigkeit der zweiten Schicht zwischen etwa 1 und 15 S/m liegt.

10. Sensorkabel nach Anspruch 8, in welchem die Isolation eine überflutende Verbindung ist.

11. Sensorkabel nach Anspruch 10, in welchem des weiteren eine schützende Umhüllung vorhanden ist, die die zweite Schicht abdeckt.

12. Sensorkabel nach Anspruch 11, in welchem die schützende Umhüllung aus Polyethylen oder Polyvinylchlorid (PVC) mit hoher Dichte besteht.

13. Sensorkabel nach Anspruch 11, in welchem die zweite Schicht aus einem halbleitenden Polyethylen besteht.

14. Sensorkabel nach Anspruch 10, in welchem des weiteren eine Senkelitze vorhanden ist, die sich entlang der Län ge des Kabels in Kontakt mit dem leitfähigem Material der ersten Schicht erstreckt und im wesentlichen der Lücke oder den Lücken der ersten Schicht gegenüberlie gend angeordnet ist.

15. Undichtes Koaxialkabel mit einem mit Lücken versehenen Schild, einer halbleitenden Schicht, die die Lücken in dem Schild überdeckt, wobei die Leitfähigkeit und die Stärke des halbleitenden Materials derart ausgewählt ist, daß bei einer Betriebsfrequenz des Kabels die in duktive Kopplung in das oder aus dem Kabel heraus sehr viel größer ist als die kapazitive Kopplung in das oder aus dem Kabel heraus.

16. Koaxialkabel nach Anspruch 15, in welchem die induktive Kopplung zumindest um eine Größenordnung größer ist als die kapazitive Kopplung.

17. Koaxialkabel nach Anspruch 16, in welchem die Stärke der halbleitenden Schicht sehr viel geringer ist als die Eindringtiefe des Kabels bei einer Betriebsfrequenz.