DE4425551A1 - Meßgerät zum Messen des Verlaufs der charakteristischen Impedanz entlang einem Kabel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zum Messen des Verlaufs der charakteristischen Impedanz entlang einem Kabel.

Anwendung findet ein solches Meßgerät insbesondere in seiner Ausge­ staltung als Detektor zum Feststellen eines in einem bestimmten Bereich des Kabels vorhandenen Fluid-Lecks. Wenngleich die Erfindung nicht auf dieses spezielle Anwendungsbeispiel beschränkt ist, so dient es doch gut zur Verdeutlichung der hier zu behandelnden Probleme und deren Lösung.

Man kann ein ein Fluid führendes Rohr mit einem Mantel umgeben, in welchem zwei Stromleiter parallel zu dem Rohr geführt sind. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann beispielsweise ein Dampfrohr mit einem Isolierstoff e isoliert sein, welche in einer Kunststoffumhüllung a enthalten ist. In dem Isoliermaterial sind zwei Leiter b und d eingebettet. Zwischen den beiden Leitern b und d läßt sich an jeder Stelle des Kabels eine bestimmte Impedanz, bezeichnet als "charakteristische Impedanz" messen. Im Normalfall schwankt diese charakteristische Impedanz entlang der Leitung nur in engen Grenzen.

Falls es zu einem Ausströmen von Dampf an irgendeiner Stelle des Rohrs c kommt, erhöht sich die Leitfähigkeit des Isoliermaterials e, demzufolge sich die charakteristische Impedanz zwischen den Leitern b und d an der betreffenden Stelle verringert.

Anstelle von zwei parallel geführten Leitern kann man auch ein Koaxial­ kabel verwenden. Ein solches Koaxialkabel läßt sich z. B. parallel zu einer Öl-Pipeline verlegen. Der Außenmantel des Kabels ist für Öl durchlässig, so daß sich bei in das Kabel eindringendem Öl durch Messung der charakteristischen Impedanz entlang dem gesamten Kabel die defekte Stelle einer Pipeline ermitteln läßt. Das Ermitteln der charakteristischen Impedanz an den einzelnen Stellen eines Kabels kann auch zu dem Zweck erfolgen, einen Defekt des Kabels festzustellen, beispielsweise einen Kabelbruch oder einen Kurzschluß.

Hierzu wird in üblicher Weise von der Reflektometrie im Zeitbereich (TDR) Gebrauch gemacht. In ein eine bestimmte Länge aufweisendes Kabel wird ein Impuls eingespeist. Der Impuls wandert mit etwa dem 0,9-fachen der Lichtgeschwindigkeit über das Kabel. Direkt nach dem Anlegen des Impulses wird die Spannung am Eingang des Kabels gemessen. Durch im Kabel stattfindende Reflexion erhält man als Meßspannung eine sich nur in engen Grenzen ändernde Spannung, falls das Kabel eine nur in geringen Grenzen schwankende Impedanz an sämtlichen Stellen besitzt. Die Reflexion vom Ende des Kabels hängt davon ab, wie das Kabel abgeschlossen ist. Bei Abschluß mit einem Widerstand entsprechend dem Wellenwiderstand des Kabels ändert sich die Spannung praktisch nicht, d. h. das Kabel verhält sich wie ein un­ endlich langes Kabel. Bei einem offenen Kabel erhöht sich die Spannung am Eingang nach einer Zeitspanne, die der doppelten Laufzeit des Impulses durch das Kabel entspricht, bei kurzgeschlossenem Kabelende fällt die Spannung nach dieser Zeit ab.

Bei einem Kabelbruch fällt die Spannung zu einem Zeitpunkt ab, welcher der doppelten Laufzeit des Impulses zwischen dem Kabelein­ gang und der Fehlerstelle entspricht.

In der Praxis wird nun zunächst eine Referenzkurve für ein bestimmtes Kabel gemessen und aufgezeichnet. Sieht man von unvermeidlichen Störeinflüssen (z. B. Rauschen) ab, so müßte eine zu einem späteren Zeitpunkt wiederholte Messung einen praktisch identischen Signalverlauf ergeben. Deshalb wird bei einer späteren Überprüfung des Kabels bzw. bei einer Überprüfung einer Strecke auf mögliche Fluid-Lecks, erneut ein Impuls auf das Kabel gegeben, und das reflektierte Signal wird gemessen und mit dem früher aufgezeichneten Signalverlauf verglichen, beispielsweise durch Subtraktion der für entsprechende Zeitpunkte, d. h. Stellen des Kabels erhaltenen Signalwerte. Ergibt sich bei dem Vergleich von einer bestimmten Stelle des Kabels entsprechenden Signalwerten ein einen Schwellenwert übersteigender Wert, so bedeutet dies eine deutliche Änderung der charakteristischen Impedanz des Kabels an dieser Stelle, was wiederum den Rückschluß auf beispielsweise einen Fehler im Kabel bzw. den Austritt von Fluid aus einer Leitung zuläßt.

Basierend auf dem oben erläuterten Grundprinzip wurden nun ver­ schiedene Verfahren entwickelt, um Werte für die Referenzkurve und die für die aktuelle Prüfung benötigte Meßkurve zu erhalten. Eine Mög­ lichkeit besteht darin, einen einzigen Impuls auf den Eingang des Kabels zu geben, um dann die Spannung während der nachfolgenden Zeit, welche der doppelten Laufzeit des Impulses bis zum Kabelende ent­ spricht, zu überwachen und aufzuzeichnen. Nachdem der Impuls auf den Eingang des Kabels gegeben ist, wird die Spannung am Eingang des Kabels mit einer bestimmten Taktgeschwindigkeit abgetastet, es wird jeder Abtastwert in einen Digitalwert umgesetzt, und sämtliche Digital­ werte werden in einem RAM abgespeichert. Jeder so gespeicherte Digitalwert entspricht der charakteristischen Impedanz des Kabels an einer bestimmten Stelle des Kabels.

Bei einer späteren Prüfung wird dieses Verfahren wiederholt, und zu­ sätzlich werden die sich jeweils zeitlich (und örtlich) entsprechenden Signale aus der früheren Messung und der aktuellen Messung mitein­ ander verglichen. Geringfügige Abweichungen in die eine oder die andere Richtung werden zugelassen, weil solche Abweichungen durch momentane Störungen, Langzeiteinflüsse und dergleichen verursacht werden können. Ergeben sich aber über einem bestimmten Schwellen­ wert liegende Abweichungen, so bedeutet dies, daß an der betreffenden Stelle des Kabels ein Fehler vorhanden ist.

Es ist ersichtlich, daß bei einer relativ geringen Anzahl von Abtastungen innerhalb des Gesamt-Abtastintervalls das Kabel an nur an relativ wenigen Stellen überprüft wird. Um Signale von kurzen Kabelab­ schnitten zu erhalten, müssen zahlreiche Abtastungen vorgenommen werden. Je größer die Anzahl von Abtastungen für die Gesamtlänge des Kabels, desto höher ist die "Auflösung", d. h. die Genauigkeit der Messung.

Um vernünftige Meßergebnisse zu bekommen, braucht man eine Auf­ lösung oder Kabelabschnittslänge von etwa höchstens 5 Metern. Wegen des Hin- und Rückwegs des Signals ergibt sich ein den 5 Meter Kabel­ länge entsprechender Signalweg von 10 Meter. Bei einer Impulsge­ schwindigkeit von 0,9 x V_c (V_c = Lichtgeschwindigkeit) entspricht dies einer Signallaufzeit von etwa 37 Nanosekunden. Dies entspricht einer Frequenz von 27 MHz. Als Abtastfrequenz benötigt man also eine Frequenz von mindestens 54 MHz.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene grundsätzliche Möglich­ keiten bekannt, wie man die benötigten Abtastwerte für bestimmte Kabel-Längenabschnitte erhält. Die eine Möglichkeit besteht darin, einen einzigen Impuls auf den Eingang des Kabels zu geben und in dem an­ schließenden Überwachungszeitraum (entsprechend der doppelten Signal­ laufzeit des Impulses zwischen Anfang und Ende des Kabels) mit einem schnellen A/D-Wandler die jeweiligen Analogspannungen in Digitalwerte umzusetzen und sie in einem RAM abzuspeichern. Da hierzu eine sehr hohe Abtastgeschwindigkeit erforderlich ist, sind die dazu geeigneten Geräte, falls überhaupt verfügbar, sehr teuer.

Als Lösung dieses Problems ist im Stand der Technik vorgeschlagen, wiederholt einzelne Impulse auf das Kabel zu geben, um dann nach jedem solchen Impuls zeitlich versetzt einen oder mehrere Signalab­ tastungen vorzunehmen. Im Gegensatz zu der oben erwähnten Echtzeit­ abtastung, bei der sämtliche Abtastwerte aufgrund eines einzigen Impulses gewonnen werden, werden also bei diesem Verfahren ein oder mehrere Abtastungen pro Meßintervall durchgeführt (US-A-4 ,438,404; EP-B-0 298 497).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät zum Messen des Verlaufs der charakteristischen Impedanz entlang einem Kabel anzugeben, welches eine Alternative zu den oben erläuterten bekannten Geräten darstellt und insbesondere mit gängigen, derzeit verfügbaren Bauelementen trotz relativ einfachem Geräteaufbau Signale für relativ kurze Kabelsegmente mit Hilfe eines einzelnen Meßdurchlaufs liefern kann.

Hierzu schafft die vorliegende Erfindung ein Meßgerät zum Messen des Verlaufs der charakteristischen Impedanz entlang einem Kabel, mit einem eingangsseitig an das Kabel anschließbaren Impulsgeber, und einer Auswerteeinrichtung, die an den Kabeleingang angeschlossen ist, eine Analog-/Digital-Wandleranordnung und eine Speichereinrichtung enthält, um von aufeinanderfolgenden Längsabschnitten des Kabels reflektierte Analogsignalabschnitte zu digitalisieren und zu speichern, wobei die Auswerteeinrichtung mehrere parallel an dem Kabeleingang angeschlossene Analog-/Digital-Wandler aufweist, die im Zeitmultiplex­ betrieb angesteuert werden.

Zweckmäßigerweise ist jedem Analog-/Digital-Wandler ein Speicher zugeordnet. Durch den Zeitmultiplexbetrieb dieses Meßgeräts werden aufgrund eines einzigen in das Kabel eingespeisten Impulses sämtliche benötigten Abtastwerte erhalten. Die in den einzelnen Speichern ge­ speicherten Digitalwerte repräsentieren Signale, welche zusammengesetzt einen durchgehenden Signalverlauf für das gesamte Kabel ergeben. Wird z. B. ein 500 Meter langes Kabel gemessen und ist eine Höchstlänge für die einzelnen Kabelsegmente von 5 Metern vorgegeben, so werden 100 Abtastungen benötigt. Man kann in diesem Fall z. B. fünf Analog- /Digital-Wandler parallel an den Kabeleingang anschließen, so daß der erste Wandler den ersten Abtastwert, der zweite Wandler den zweiten Abtastwert, der dritte Wandler den dritten Abtastwert usw. bildet, um diese Abtastwerte an den zugehörigen Speicher (RAM) zu geben. Nachdem der fünfte Wandler den fünften Abtastwert geliefert hat, liefert anschließend der erste Wandler den sechsten Abtastwert. Dieser erste Wandler liefert also jeweils den (1 + (n x 5))-ten Abtastwert, wobei n mit 0, 1, 2, . . . den jeweiligen Zyklus des Multiplexbetriebs angibt. Der zweite Wandler liefert den (2 + (n x 5))-ten Abtastwert, usw.

In einer speziellen und bevorzugten Anwendung schafft die vorliegende Erfindung einen Detektor zum Feststellen einer Abweichung des Ver­ laufs der charakteristischen Impedanz eines Kabels von einem vorgege­ benen Sollwert-Verlauf oder Sollwertbereichs-Verlauf unter Verwendung des Meßgeräts nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Vergleicher vorge­ sehen ist, der einen aktuellen Impedanzverlauf mit einem früher gemessenen Impedanzverlauf vergleicht. In einer speziellen Aus­ führungsform besteht der Vergleicher aus einer Subtrahiereinrichtung, der die zwei jeweils einem bestimmten Abtastzeitpunkt entsprechenden digitalen Impedanzwerte subtrahiert. Der Absolutwert der Differenz wird mit einem voreingestellten Schwellenwert verglichen, bei Überschreitung des Schwellenwertes wird dies als signifikante, beispielsweise auf ein Fluid-Leck hinweisende Impedanzänderung interpretiert.

Das erfindungsgemäße Meßgerät bzw. den erfindungsgemäßen Detektor kann man nicht nur in der oben beschriebenen Weise betreiben, sondern man kann auch anstatt des einen Impulses zeitlich gestaffelt mehrere Impulse auf den Eingang des Kabels geben, um die Abtastungen dann zeitlich derart versetzt vorzunehmen, daß die an den ersten Impuls an­ schließenden Abtastwerte für beispielsweise die erste Hälfte des Kabels repräsentativ sind, während die - zeitlich verzögert - im Anschluß an den zweiten Impuls erhaltenen Abtastwerte repräsentativ für die hintere Kabelhälfte sind. Feinere Unterteilungen sind möglich. Durch diese Variante kann man die auf das Kabel gegebenen Impulse für vom Kabel­ eingang weiter entfernt liegende Abschnitte in ihrer Höhe und/oder Breite vergrößern, um durch lange Signalwege bedingte Dämpfungs­ erscheinungen zu kompensieren.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mit einem Detektorkabel versehene isolierte Dampfleitung, wobei ein Teil der Isolierung entfernt ist, um die Leitung selbst ebenso wie Detektorkabel-Adern sichtbar zu machen;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Meßgeräts zum Messen des Verlaufs der charakteristischen Impedanz eines Detektorkabels;

Fig. 3 ein Beispiel für einen typischen Verlauf einer charakteristischen Impedanz eines Detektorkabels, dargestellt als der charakter­ istischen Impedanz entsprechende Spannung gegenüber der Zeit; und

Fig. 4 ein detailliertes Blockdiagramm der in Fig. 2 dargestellten Auswerteeinrichtung.

Die bereits oben angesprochene Figur zeigt ein Dampfleitungsrohr c, welches in von einer Außen-Kunststoffschicht a gehaltenes Isolier­ material e eingebettet ist. Oben und unten bezüglich der Dampfrohr­ leitung c sind Detektorkabel-Leiter b und d eingebettet, die an jeder Stelle entlang dem Kabel eine bestimmte charakteristische Impedanz zwischen sich definieren. Diese charakteristische Impedanz läßt sich durch das in Fig. 2 schematisch dargestellte Meßgerät messen (An­ stelle der Impedanz zwischen den Leitern b und d könnte man auch die Impedanz zwischen einem Leiter b und dem Leitungsrohr c selbst messen).

An die Leiter b und d des Kabels a ist gemäß Fig. 2 über ein An­ schlußteil 2 ein Meßgerät 4 angeschlossen, welches einen Impulsgeber 6, eine Auswerteeinrichtung 8 und ein hier nicht näher dargestelltes Bedien-Teil enthält.

Nachdem die Leitung gemäß Fig. 1 in einem bestimmten Bereich verlegt wurde, wird mit Hilfe des in Fig. 2 dargestellten Meßgerätes zunächst eine Referenzkurve, das ist der Verlauf der charakteristischen Impedanz des Kabels entlang dem Kabel, aufgenommen. Hierzu wird das Meßgerät 4 gemäß Fig. 2 an die Leitung angeschlossen, und die Bedienungsperson gibt über das Bedienteil einen Impuls über die Leitung 10 und das Anschlußteil 2 auf die Leiter b, d. Anschließend an diesen Impuls wird von der Auswerteeinrichtung 8 das über eine Leitung 12 zugeführte, von den Leitern b, d reflektierte Analogsignal empfangen.

Fig. 4 zeigt als Blockdiagramm die in Fig. 2 schematisch dargestellte Auswerteeinrichtung 8. Parallel an die Leitung 12 sind fünf Analog- /Digital-Wandler A/D₁, A/D₂, . . . A/D₅ angeschlossen. Angesteuert werden die Analog-/Digital-Wandler von einer Multiplexsteuerung 14, so daß sie zyklisch nacheinander jeweils einen Signalwert auf der Leitung 12 in einen entsprechenden Digitalwert umsetzen. Der von jedem der Analog-/Digital-Wandler gebildete Digitalwert wird in einen zugehörigen Schreib-/Lese-Speicher RAM 1, RAM 2, . . . RAM 5 eingegeben. Die Wandler arbeiten mit einer Wandlerfrequenz von 10 MHz, die Multi­ plexsteuerung 14 wird von einem 150-MHz-Oszillator 16 betrieben. Die Verbindung zwischen den einzelnen Wandlern und den Speichern RAM 1, RAM 2, . . . . umfaßt jeweils 12-Bit-Leitungen.

Ebenfalls über eine 12-Bit-Leitung sind die einzelnen Speicher RAM 1, RAM 2, . . . an eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 18 ange­ schlossen. Die CPU übernimmt die in den einzelnen Speichern ge­ speicherten digitalen Werte und verarbeitet sie bei Bedarf so, daß die durch den Multiplexbetrieb "auseinandergerissenen" Signalwerte wieder zeitrichtig zusammengefügt werden.

Die zeitrichtig zusammengefügten Signalwerte repräsentieren die Spannung und mithin die charakteristische Impedanz des Kabels entlang der gesamten Kabellänge, wie dies in Fig. 3 angedeutet ist. Die durch­ gezogene Kurve 20 in Fig. 3 repräsentiert eine Referenzkurve 20, wie sie in der oben angegebenen Weise nach Verlegung der in Fig. 1 gezeigten Leitung aufgezeichnet wird. Selbstverständlich kann diese Referenzkurve auch zu irgendeinem späteren Zeitpunkt aufgenommen werden. Wenn dann zu einem späteren Zeitpunkt die Leitung auf Dichtigkeit geprüft werden soll, oder wenn der Verdacht auf ein Leck in der Leitung besteht, wird die oben beschriebene Messung mit Hilfe des in Fig. 2 dargestellten Meßgeräts 4 erneut durchgeführt.

Ist die Leitung in Ordnung, so ergeben sich bei dieser Prüf-Messung Signalwerte, die innerhalb eines Toleranzbandes oberhalb und unterhalb der Referenzkurve 20 gemäß Fig. 3 liegen. Hat die Leitung an einer bestimmten Stelle s1 ein Leck, so liefert das die Leiter b und d gemäß Fig. 1 enthaltende Detektorkabel einen sich plötzlich deutlich ver­ fingerten Impedanzwert. Dies ist in Fig. 3 durch die strichpunktierte Kurve 22 angedeutet. Die Kurve 22 unterschreitet den unteren Schwellenwert Th_u zu einem Zeitpunkt t₁. Diese Zeit t₁ entspricht einer bestimmten Stelle s₁ des Detektorkabels.

In Fig. 4 nicht dargestellt ist ein weiterer Speicher, welcher die Werte der Referenzkurve 20 speichert. In Fig. 3 ist diese Kurve 20 als Analogspannung dargestellt, tatsächlich handelt es sich jedoch um einen Satz von digitalen Signalwerten.

Nach obiger Beschreibung wird ein einziger Impuls von dem Impuls­ geber 6 auf das Detektorkabel gegeben, und innerhalb einer Zeitspanne, welche zwei Signallaufzeiten zwischen Kabelanfang und Kabelende entspricht, werden in einem Meßdurchgang sämtliche Abtastwerte von der Auswerteeinrichtung 8 aufgenommen.

In Abwandlung dieses Meßverfahrens kann man auch Messungen für aufeinanderfolgende größere Kabelteilabschnitte vornehmen. Man kann z. B. gemäß Fig. 3 den gesamten Zeitraum für die Messung in vier gleichmäßige Abschnitte unterteilen. Um die Signale von dem ersten an dem Kabeleingang anschließenden Viertel des Detektorkabels zu er­ halten, wird von dem Impulsgeber 6 ein Impuls auf das Detektorkabel gegeben, und innerhalb der Zeitspanne T₁ werden die Werte für die Spannung am Kabeleingang in Digitalwerte umgesetzt und gespeichert. Anschließend wird ein weiterer Impuls vom Impulsgeber 6 auf das Kabel gegeben, und nach Verzögerung um eine der doppelten Zeitspanne T₁ entsprechenden Zeit werden Signalwerte innerhalb einer Zeitspanne T₂. Dieser Vorgang wird mit entsprechend längeren Verzögerungen für die Zeitspannen T₃ und T₄ wiederholt.

Durch dieses Meßverfahren eröffnet sich die Möglichkeit, die Impulse für die vom Kabelanfang weiter entfernt liegenden Kabelbereiche in ihrer Breite und/oder Höhe zu vergrößern, damit die Amplituden der reflektierten Signale nicht zu gering und dementsprechend wenig aus­ sagekräftig sind.

Claims (3)

1. Meßgerät zum Messen des Verlaufs der charakteristischen Impedanz entlang einem Kabel (b, d) mit einem eingangsseitig an das Kabel anschließbaren Impulsgeber (6) und einer Auswerteeinrichtung (4), die an den Kabeleingang angeschlossen ist und eine Analog-/Digital- Wandleranordnung (A/D₁, . . . A/D₅) und eine Speichereinrichtung (RAM 1, RAM 2, . . . RAM 5) enthält, um von aufeinanderfolgenden Längs­ abschnitten des Kabels reflektierte Analogsignale zu digitalisieren und zu speichern, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (8) mehrere, parallel an dem Kabeleingang angeschlossene Analog-/Digital- Wandler (A/D₁, . . . A/D₅) aufweist, die im Zeitmultiplexbetrieb ange­ steuert werden.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Analog-/Digital-Wandler ein Speicher (RAM 1, . . . RAM 5) zugeordnet ist.

3. Detektor zum Feststellen einer Abweichung des Verlaufs der charakteristischen Impedanz eines Kabels von einem vorgegebenen Soll­ wert-Verlauf oder Sollwertbereichs-Verlauf unter Verwendung des Meßgeräts nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ver­ gleicher vorgesehen ist, der einen aktuellen Impedanzverlauf mit einem früher gemessenen Impedanzverlauf vergleicht.