DE2319290C3

DE2319290C3 - Verfahren und Gerät zur Längenmessung und Fehlerortung einer elektrischen Leitung

Info

Publication number: DE2319290C3
Application number: DE19732319290
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Hauset-Frepert Kirschvink (Belgien)
Original assignee: Balteau SA
Current assignee: Balteau SA
Priority date: 1973-04-17
Filing date: 1973-04-17
Publication date: 1979-10-31
Also published as: DE2319290B2; DE2319290A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Längenmessung und Fehlerortung einer elektrischen Leitung durch Aussenden eines Impulses auf die Leitung, von dem ein reflektierter Teil nach Intensität, Phasenlage und

ίο Laufzeit mittels einer Elektronenstrahlröhre und eines Phasenschiebers ausgewertet wird und erstreckt sich auf ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt daß zur genauen Bestimmung einer Leitungslänge oder einer Fehlerlokalisierung ein Primärimpuls erzeugt wird, der mit einer gleichbleibenden Impulsfolgefrequenz auf die zu messende Leitung gegeben wird. Fehler- oder Inhomogenitätsstellen der zu messenden Leitung rufen Echoimpulse hervor, die mittels einer Elektronenstrahlröhre sichtbar gemacht und ausgewertet werden können. Die Laufzeit des Primärimpulses bis zum anzumessenden Ort der Leitung ergibt, verknüpft mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Primärimpulses auf der Leitung, die Länge der Leitung bis zu diesem anzumessenden OrL

Zur genauen Bestimmung der Laufzeit des Sendeimpulses ist es bekannt, sich eines zeitgeeichten Phasenschiebers zu bedienen, der es gestattet, die anzumessende Reflektioii in die Ausgangslage des Primärimpulses zu verschieben (DE-PS 8 28 716). Die Genauigkeit der Zeitmessung durch den Phasenschieber ergibt die Genauigkeit der Längenmessung, da die zu messende Länge durch Multiplikation der Fortpflanzungsgeschwindigkeit mit der durch den Phasenschieber bestimmten Laufzeit ermittelt wird.

J5 Als Primärimpulsgeneratoren werden oft Schaltungsanordnungen verwendet, welche eine Kondensatorentladung mittels eines gesteuerten Stromventils in die zu prüfende Leitung hervorrufen. Will man bei diesen Schaltungsanordnungen die Impulsfolgefrequenz erhöhen oder energiereiche Impulse durch Erhöhen der Kapazitätswerte des Ladekondensators erzielen, stößt man auf die Schwierigkeit, das gezündete Stromventil wiederum in den Sperrzustand zu führen, damit die Aufladung des Kondensators wieder erfolgen kann.

Um genaue Fehlerortbestimmungen einer mehradrigen Leitung, z. B. in einem Dreileiterkabel durchzuführen, ist es oft notwendig, auf der Kathodenstrahlröhre die Differenz der Reflektogramme einer gesunden und einer kranken Ader darzustellen, da durch die

so Differenzbildung der Fehlerort der kranken Ader eindeutig festzustellen ist.

Da die verwendeten Primärimpulsgeneratoren nur einen Impuls aussenden, geschieht die gewünschte Differenzbildung mittels eines Transformators, der aber die zur genauen Fehlerortbestimmung benötigte kurze Anstiegszeit verlängert und dadurch die Genauigkeit der Messung herabsetzt. Oft ist es auch erwünscht, einen Vergleich der Differenz der Reflektogramme eines Mehrleitersystems durchzuführen. Man bringt deshalb auf der Kathodenstrahlröhre zyklisch, z. B. die Differenz einer gesunden Ader und einer kranken Ader und die Differenz einer anderen gesunden Ader und der gleichen kranken Ader zur Darstellung. Die benötigte zyklische Umschaltung des Impulsgenerators bringt aber oft Störungen mit sich, so daß die beiden eingestellten Reflektogramme nicht leicht auszuwerten sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Verfahren zur Längenmessung und Fehlerortung zu entwickeln, mit dem ein hohes Maß an Meßgenauigkeit crzielbar ist, ohne daß z. B. durch die Umschaltung eines Impulsgenerators Störungen ausgelöst werden, die eine Reflektogrammauswertung erschweren. Außerdem soll -, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung entsprechend den Merkmalen des kennzeichnenden Teils di_s Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich die Längenmessung und Fehlerortung einer elektrischen Leitung mittels eines Elektronenrechners und eines Primärimpulsgeneretors durchführen, wobei der elekironische Rechner an eine zur Laufzeitbestimmung dienende Phasenschieberschaltung beliebiger Art gekoppelt ist und der Primärimpulsgenerator es gestattet, an einer Mehraderleitung Differenz- und Differenzvergleichsmessungen synchron durchzuführen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird so verfahren, daß der durch den Vorwahlzähler mit der Vorwahl eingestellte Zahlenwert entsprechend dem festgelegten Zahlenwert des Teilers und der Frequenz des Oszillators entweder der Fortpflanzungsgeschwindigkeit oder deren Hälfte entspricht

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß durch das Aussenden eines positiven Impulses mittels eines Stromventils auf die Ader einer Leitung und durch das Aussenden eines jo ersten negativen Impulses gleicher Intensität und Form auf eine andere Ader der Leitung und durch das Aussenden eines zweiten negativen Impulses von ebenfalls gleicher Intensität und Form auf eine weitere Ader der Leitung und durch das synchrone Auswerten einer ersten erhaltenen Differenz des reflektierten Teils des positiven Impulses und des reflektierten Teils des ersten negativen Impulses, z. B. mittels eines ersten Y-Verstärkers eines Zwei-Kanal-Oszillographen, und einer zweiten erhaltenen Differenz des reflektierten positiven Impulses und des reflektierten Teils des zweiten negativen Impulses, z. B. mittels eines zweiten V-Verstärkers des Zwei-Kanal-Oszillographen, zwei dadurch erhaltene Reflektogramme verglichen werden.

Es versteht sich, daß auch die Möglichkeit besteht, so zu verfahren, daß durch das Aussenden eines positiven Impules auf eine Ader der Leitung und durch das Aussenden eines negativen Impulses gleicher Intensität und Form auf eine andere Ader der Leitung eine Auswertung eines aus der Differenz des jeweils reflektierten Teiles des positiven und des negativen impulses erhaltenen Reflektogrammes mittels eines mit einer Kathodenstrahlröhre ausgestatteten Fehlerortungsgerätes erfolgt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, so zu verfahren, daß der Sperrzustand des Stromventils nach dem Aussenden der Impulse durch einen hierzu synchronisierten Nulldurchgang oder durch ein hierzu synchronisiertes Absenken der Spannung der speisenden Spannungsquelle erzwungen t>o wird.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 5 wiedergegeben.

Als Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung eine b5 Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt und wird im foleenden näher beschrieben:

In F i g. 1 ist ein Ausgangssignal einer Schaltung in Form eines Rechteckimpulses dargeststellt, dessen Dauer die doppelte Laufzeit 2 Γι angibt

In F i g. 2 ist eine Schaltung dargestellt, in welcher der in F i g. 1 abgebildete Rechteckimpuls verwendet wird;

In F i g. 3 ist eine Anordnung dargestellt, mit der an einer Mehraderleitung Differenz- und Differenzvergleichsmessungen zwischen einer Ader und anderen Adern synchron vorgenommen werden.

Ist I_x eine unbekannte Kabellänge, angegeben in Längeneinheiten und v_p eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Primärimpulses in Längeneinheit pro Zeiteinheit und 2 T_x eine durch den Phasenschieber angegebene Laufzeit des Impulses in Zeiteinheiten vom Leitungsanfang bis zur angemessenen Stelle und wieder zum Leitungsanfang zurück, so gilt:

v_p 2

2 T_x (Gleichung 1)

Es sei to die Periode eines frequenzstabilen Oszillators der Frequenz Z₀. Werden mittels einer Zählschaltung alle begonnenen Perioden dieses Oszillators während der Laufzeit 2 T_x gezählt, so gilt nach F i g. 1:

2T_x S(n+ I)I₀

wobei η eine ganze Zahl darstellt

Summiert man die Resultate von m Messungen, wobei sichergestellt ist, daß die Frequenz k kein ganzes Vielfaches der . gewählten Wiederholfrequenz der Messungen ist, so gilt:

m ■ 2T_x * t_o(n ■ m + q)
■ 2T_x * mt₀ in + J^ (Gleichung 2)

wobei m und q ganze Zahlen sind und ^- g 1 ist.
Schreibt man nun:

wobei α eine ganze Zahl der Größe Zeit pro Längeneinheit ist, so gilt nach der Gleichung 1

l·-■=■■"■-

und mit der Gleichung 2 ·

> /, * —- '< >(" +^) (Gleichung 3)
Der Zahlenwert N₁ der Größe I_x ist:

= JLJLtI.

(Gleichung 4)

b =

Die Gleichung 3 gilt allgemein nund stellt die Multiplikation einer Größe — mit einem Vielfachen der Periode ίο dar. Es sei darauf hingewiesen, daß die Größe — jede physikalische Größe darstellen kann und somit '

das Ergebnis der Gleichung anderer Größen als Längeneinheit ergeben kann, so daß die im folgenden beschriebene Schaltungsanordnung, die der Gleichung 3 genügt auch Anwendung auf andere Gebiete der ι ο Technik, insbesondere in der Ultraschalltechnik, finden kann.

In F i g. 2 ist das beschriebene Rechenprinzip am Beispiel einer Schaltung verwendet

Ein Mutteroszillator 1 der Frequenz /"steuert einen Phasenschieber 2, einen Impulsgenerator 3 und einen Vorwahlzähler 6.

Der Impulsgenerator 3 sendet einen Primärimpuls in die zu messende Leitung 5, und der Phasenschieber 2 gestattet die Bestimmung der Impulslaufzeit indem mittels eines Sägezahngenerators 7 auf einer Elektronenstrahlröhre 4 der Echoinipuls der angemessenen Stelle in die Ausgangslage des Primärimpulses gebracht wird. Der Phasenschieber 2 arbeitet z. B. nach der Art eines monostabilen Multivibrators oder eines Phasen-Schiebers für die Frequenz f mittels einstellbarer Ä-C-Glieder. Das Ausgangssignal der Schaltung habe die Form eines Rechteckimpulses, dessen Dauer die doppelte Laufzeit 2 T_x angibt, so wie dies F i g. 1 zeigt.

Dieser Rechteckimpuls der Dauer 2 T_x wird einem so Und-Tor 8 mit drei Eingängen a, b und c am Eingang b zugeleitet. Am Eingang a des Und-Tores 8 liegt die Spannung eines sehr frequenzstabilen Oszillators 9 der Frequenz /0 und der Periode fo an.

Am Eingang c des Und-Tores 8 steht das Ausgangssignal des Vorwahlzählers 6 an. Dieses Ausgangssignal hat die Form einer Rechteckspannung, welche nur vorliegt, solange der Zähler 6 eine eingestellte Vorwahl 10 nicht erreicht hat Der Vorwahlzähler 6 zählt die ihm zugeführten Perioden der Frequenz /des Mutteroszillators 1, wobei sichergestellt ist daß die Frequenz fo des Oszillators 9 kein ganzes Vielfaches der Frequenz /"des Mutteroszillators 1 ist.

Erreicht c'er Vorwahlzähler 6 die eingestellte Vorwahl 10, so hat ein Zähler 11 alle Perioden fo des Oszillators 9, die ihm während der durch den Phasenschieber 2 festgelegten Dauer 2 T_x und für die Anzahl der eingestellten Perioden des Mutteroszillators 1 zugeführt werden, gezählt In einem Teiler 14 wird die Anzahl der Perioden fo durch den Zahlenwert b geteilt und das Resultat durch eine Ziffernanzeige 12 angegeben. Eine Rückstellschaltung 13 besorgt nach Erreichen der Vorwahl 10 das Nullen des Zählers 11 und des Vorwahlzählers 6. Der Zählvorgang beginnt dann von neuem. Nach der Gleichung 3 wird der Zählvorgang m mal wiederholt so daß m durch die Vorwahl 10 angegeben wird.

Der Zähler 11 erhält pro Zählschritt des Vorwahlzählers 6 λ oder n+\ Perioden fo des Oszillators 9 und beinhaltet nach beendetem Aufsummieren der tn Zählschritte den Zahlenwert m ■ n+q. Dieser Zahlenwert wird durch den Zahlenwert der Größe b in einem Teiler 14 geteilt und die Ziffernanzeige 12 gibt den Zahlenwert ^-%—— an, der dem der Länge I_x nach der

Gleichung 4 entspricht

Der Primärimpulsgenerator gestattet es, an einer Mehraderleitung Differenz- und Differenzvergleichsmessungen zwischen einer Ader und anderen Adern synchron vorzunehmen. Nach F i g. 3 lädt eine durch den Muttergenerator 1 gesteuerte Spannungsquelle 17 die Kondensatoren Q und C? des Impulsgenerators 3 über einen Widerstand R und über einstellbare, mechanisch auf gleiche Werte gekoppelte Widerstände R\ und R2 auf, die den Kondensatoren Q und Ci in der angegebenen Weise zugeordnet sind. Ein steuerbares Strom ventil Th mit einer Zündelektrode Z befindet sich im Sperrzustand.

An der Kathodenseite des Stromventils Th befindet sich ein einstellbarer Widerstand Λ 3, der den Stromkreis nach R\ und Ri schließt.

Vom Punkt [/ausgehend liegt die Reihenschaltung der Widerstände Λ₅ und Ra zum Punkt w. Vom Punkt ν liegt die Reihenschaltung der Widerstände Rb und R₇ ebenfalls zum Punkt tv, der Kathode des Stromventils Th. Die Widerstände Ra, Λ5, Rt und Ri haben alle den gleichen Widerstandswert. An den Punkten u, ν und w sind die Leiter der mehradrigen Leitung 15 angeschlossen.

Zündet der Mutteroszillator 1 das Stromventil Th über die Zündelektrode Z. so entlädt sich der Kondensator G über die Widerstände /?₃ und R\ und der Kondensator Ci entlädt sich über die Widerstände A3 und Ri. Am Widerstand Rz entsteht in diesem Moment ein positiver Spannungsabfall, während an den Widerständen Ri und Ri jeweils ein negativer Spannungsabfall entsteht so daß in an die Punkte uund ν angeschlossene Adern Uund Vder Leitung 15 ein negativer Impuls und in eine am Punkt w angeschlossene Ader Wein positiver Impuls einläuft

Stellt man nun die mechanisch gekoppelten einstellbaren Widerstände R\ und Ri und den Widerstand Ri so ein, daß an Punkte I und II, wo ein Zweikanaloszillograph mit 2 Kanälen gleicher Empfindlichkeit angeschlossen werden kann, keine Spannung auftritt so ist sichergestellt daß der positive Impuls am Punkt w die gleiche Amplitude hat wie die negativen Impulse, die an den Punkten u und ν auftreten. Ist G gleich C₂, so ist auch sichergestellt, daß alle Impulse die gleiche Abklingzeit haben.

Am Punkt I entsteht nun ein Reflektogramm, das die Differenz der Reflektogramme der Adern W und L darstellt während am Punkt II ein Reflektogramm entsteht da die Differenz der Reflektogramme der Adern Wund Vdarsteilt

Die an den Punkten I und II aufgenommenen Reflektogramme gestatten also den Vergleich zweier Reflektogramme, die die Differenz der Reflektogramme der Adern Wund Ubzw. Wund Vdarstellen. Möchte man keinen Vergleich der Difierenzrefiektogratnme anstellen, genügt es, einen Schalter 16 zu öffnen. Die beschriebene Anordnung liefert dann noch die Differenz der Reflekogramme der Adern Wund LJ.

Um eine neue Aufladung der Kondensatoren G und Ci zu gestatten, ist es nötig, das Stromventil Th in einer stromlosen Zustand zu bringen. Dies erreicht man normalerweise dadurch, daß der Widerstand R so bemessen ist, daß der nach dem Entladen det Kondensatoren Q und C₂ durch das Stromventil TZ fließende Strom den Haltestrom des Ventils unterschreitet und es somit löscht d. h. in den Sperrzustand überführt

Möchte man nun die Frequenz /des Mutteroszillators 1 erhöhen, so gestattet der zur Löschung des Stromventils Th benötigte hohe Wert des Widerstandes R nicht die volle Aufladung der Kondensatoren G und

Ü2, da die Zeitkonstante der Aufladung durch R bedingt wird. Somit nimmt die Impulsenergie mit steigender Frequenz des Mutteroszillators 1 ab. Dies wird aber erfindungsgemäß verhindert, indem die Spannung der Spannungsquelle 2 mit dem Mutteroszillator gesteuert wird und bei jeder Zündung des Stromventils Th die Spannung der Spannungsquelle 17 gleich null macht, und so mit Sicherheit den Sperrzustand des Slromventils 77? erzwingt.

Dies kann z. B. durch einen auf die Frequenz f des Mutteroszillator 1 synchronisierten Sperrschwinger erreicht werden, der einen Gleichrichter ohne Siebkondensator betreibt. Durch die Synchronisierung wird erreicht, daß sich die gleichgerichtete Spannung in einem Nulldurchgang befindet, wenn das Stromventii

Th gezündet wird.

Ist die Spannungsquelle 17 als stabilisierte Spannungsquelle mit einem Serientransistor als Regelelement ausgeführt, so ist es z. B. auch möglich, diesen Serientransistor während des Zündimpulses des Stromventils Th zu sperren und somit die Ausgangsspannung soweit abzusenken, daß der Haltestrom im Ventil mit Hilfe des Widerstandes R unterschritten wird.

Die hier als Beispiel angeführten Schaltungsmaßnahmen gestatten eine gleichbleibende Ladespannung der Kondensatoren Q und Ci, auch wenn die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren erhöht werden, um energiereiche Impulse an den Ausgängen des Impulsgenerators 3 zu erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Längenmessung und Fehlerortung einer elektrischen Leitung durch Aussenden von Impulsen auf die Leitung, von denen ein reflektierter Teil nach Intensität, Phasenlage und Laufzeit mittels einer Elektronenstrahlröhre und eines Phasenschiebers ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst mit Hilfe einer Ziffernanzeige bis zu einer angemessenen Stelle der angeschlossenen Leitung die Entfernung mittels des Phasenschiebers und der Elektronenstrahlröhre angegeben wird, indem ein an die Ziffernanzeige über einen Teiler angeschlossener Zähler über eine Und-Torschaltung während einer durch den Phasenschieber bestimmten Zeitdauer und einer durch einen Vorwahlzähler mit einer Vorwahl bestimmten Anzahl Perioden eines Mutteroszillators, der den Phasenschieber und einen Impulsgenerator synchronisiert, die Perioden eines frequenzstabilen Oszillators zählt, worauf beim Erreichen der vorgewählten Anzahl von Perioden des Mutteroszillators im Vorwahlzähler durch eine Rückstellschaltung das Nullen des Zählers und des Vorwahlzählers erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Vorwahlzähler mit der Vorwahl eingestellte Zahlenwert entsprechend dem festgelegten Zahlenwert des Teilers und der Frequenz des Oszillators entweder der Fortpflanzungsgeschwindigkeit oder deren Hälfte entspricht.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Aussenden eines positiven Impulses mittels eine» Stromventils auf die Ader einer Leitung und durch das synchrone Aussenden eines ersten negativen Impulses gleicher Intensität und Form auf eine andere Ader der Leitung und durch das weiterhin synchrone Aussenden eines zweiten negativen Impulses von ebenfalls gleicher Intensität und Form auf eine weitere Ader der Leitung und durch das synchrone Auswerten einer ersten erhaltenen Differenz des reflektierten Teils des positiven Impulses und des reflektierten Teils des ersten negativen Impulses und einer zweiten erhaltenen Differenz des reflektierten Teils des positiven Impulses und des reflektierten Teils des zweiten negativen Impulses zwei dadurch erhaltene Reflektogramme verglichen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrzustand des Stromventils nach dem Aussenden der Impulse durch einen hierzu synchronisierten Nulldurchgang oder durch ein hierzu synchronisiertes Absenken der Spannung der speisenden Spannungsquelle erzwungen wird.

5. Meßgerät mit einer Elektronenstrahlröhre und einem Phasenschieber zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch eine Zwei-Kanal-Elektronenstrahlröhre (4) und einen Mutteroszillator (1) in Verbindung mit einem Impulsgenerator (3), dem der an e>nem Sägezahngenerator (7) angeschlossene Phasenschieber (2) nachgeschaltet ist, der mit einer Und-Torschaltung (8) in Verbindung steht, der unter Zwischenschaltung eines Zählers (11) und eines Teilers (14) eine Ziffernanzeige (12) zugeordnet ist, wobei die Und-Torschaltung (8) auch mit einem Vorwahlzähler (6) und einem frequenzstabilen Generator (9) sowie der Zähler (11) und der Vorwahlzähler (6) mit einer Rückstellschaltung (13) in Verbindung steht.