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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und
System zur Defekt- bzw. Fehlererfassung und -charakterisierung bei
metallischen Übertragungskabeln
unter Verwendung der Zeitbereichsreflektrometrie.
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Hintergrund
der Erfindung
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Überall in
der Welt stützt
man sich bei der Übertragung
von Leistung und/oder Daten zwischen elektrischen und elektronischen
Vorrichtungen auf Kabel. Die Verwendungsmöglichkeiten reichen von einem
Verbinden von Computern in einem Netzwerk bis zu Vorrichtungen in
einem Flugzeug. Kabel können
durch die sie umgebende Umwelt, durch Verschleiß und andere Faktoren, die
ihre Fähigkeiten,
Leistung oder Datensignale zu transportieren, verringern, beeinträchtigt werden.
Obwohl eine Abnahme der Leistungsfähigkeit, der Genauigkeit oder
der Verlust einer Leistungs- oder Datenlieferung in manchen Fällen eventuell
keine schwerwiegenden Folgen aufweisen, werden viele Verwendungsmöglichkeiten
heutzutage als „kritische
Mission" bezeichnet,
was bedeutet, dass aufgrund einer Unterbrechung von Leistung und/oder
Daten große
Geldsummen verloren gehen können
oder, in den extremsten Fällen,
Menschen ihr Leben lassen müssen.
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Somit
ist es wünschenswert
und in manchen Fällen
wesentlich, Kabel regelmäßig zu überprüfen.
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Eine
Art der Prüfung
für Kabel
und Signalpfade ist eine Impedanzprüfung. Wenn ein einzelner Puls
in ein elektrisches Netzwerk eingespeist wird, kann er auf seiner
Reise verschiedene Änderungen
der Kabelimpedanz antreffen. Diese Ungleichmäßigkeiten bzw. Diskontinuitäten der
Impedanz haben den Effekt, dass ein gewisser Teil des Signals zu
der Quelle des Signals zurückreflektiert
wird. Dadurch, dass ein Puls oder Pulse wiederholt in ein Netzwerk
eingespeist wird bzw. werden und die Spannung an zunehmenden Zeitpunkten nach
dem anfänglichen
Einspeisen des Pulses abgetastet wird, können Charakteristika und Diskontinuitäten bestimmt
werden. Es gibt eine Vielzahl von elektronischen Instrumenten zum
Messen der elektrischen Impedanz zwischen einem Paar von Anschlüssen. Die
Impedanz, in der Einheit Ohm ausgedrückt, definiert die Beziehung
des elektrischen Stroms I durch die Anschlüsse zur Spannung V über die
Anschlüsse.
Im einfachsten Fall kann die Impedanz rein ohmisch sein, so dass
die Spannung und der Strom phasengleich sind. Die Beziehung wird
durch das Ohmsche Gesetz geregelt, so dass R = V/I, wobei R der
Widerstandswert ist. Die Impedanz kann auch komplex sein, wenn ein
beträchtliches
Maß an
Reaktanz zwischen den Anschlüssen
von kapazitiven oder induktiven Elementen vorliegt.
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Eine
bekannte Technik zum berührungslosen
Prüfen
von Kabeln ist die Stehwellenreflektrometrie (SWR). Dies ist eine
auf der Impedanz beruhende Technologie, bei der die Frequenz injizierter
Schwingungssignale in Inkrementen variiert wird, bis an einem Signalinjektionspunkt
eine minimale, nahe bei Null liegende Spannung gemessen wird. Dies
zeigt eine minimale Impedanz an diesem Punkt an. Die an dem Signalinjektionspunkt
ansprechend auf das angelegte Testsignal erzeugte RMS-Spannung wird überwacht
und analysiert, um die Frequenz zu bestimmen, bei der die Spannung
nahezu null Volt beträgt.
Dies zeigt an, dass das reflektierte Signal von der Diskontinuität von dem
injizierten Signal etwa 180 Grad phasenverschoben ist. Dies tritt auf,
wenn entweder ein Leerlauf vorliegt (bei einer Entfernung einer
Viertelwellenlänge
des injizierten Signals an dem Kabel entlang) oder wenn ein Kurzschluss
vorliegt (bei einer Entfernung von etwa einer halben Wellenlänge an dem
Kabel entlang).
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Ungünstigerweise
ist die SWR in ihrer Leistungsfähigkeit
durch die Tatsache eingeschränkt,
dass ihre Diagnostikfähigkeiten
lediglich auf das Erfassen von Leerläufen und Kurzschlüssen auf
einem „Einzelkanal" beschränkt sind.
Ferner ist ihre Entfernungsmessungsauflösung nicht sehr präzise, und
sie weist überhaupt keine
prognostische Fähigkeit
auf.
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Pulsbasierte
Messungen der Impedanz können
seitens eines Zeitbereichsreflektometeis (TDR – time domain reflectometer)
auf in der Technik hinreichend bekannte Weise durchgeführt werden.
Zeitbereichsreflektometrie-Techniken (TDR-Techniken) stehen mindestens seit den
letzten 30 Jahren zur Verfügung
und werden bisher in mehreren Anwendungsbereichen verwendet, nicht
zuletzt beim Testen und Messen sowohl in Bezug auf Kabel auf Kupferbasis
als auch auf die daraus hervorgehenden Kabel auf Faseroptikbasis,
wobei die letztgenannten Techniken als optische Zeitbereichsreflektometrie
(OTDR) bekannt sind. Die Essenz der TDR besteht darin, die Zeit
zu messen, die dafür
benötigt
wird, dass ein gesendeter Puls und eine Reflexion an einem Kabel
entlang gesendet und zu ihrem Startpunkt zurückgeleitet werden, wobei die
Polaritätscharakteristika
der Reflexion weiterverarbeitet werden, um eine typische Diskontinuität, wie z.
B. einen Leerlauf oder Kurzschluss, zu ermitteln. Eine TDR führt eine
Impedanzmessung durch, indem sie einen einfallenden Puls einer bekannten Größe in ein Übertragungsmedium
wie z. B. abgeschirmte und nichtabgeschirmte verdrillte Doppelleitungen, Koaxialkabel
und dergleichen einbringt, und indem sie das resultierende reflektierte
Signal misst. Der Puls wird bei einer gegebenen Pulswiederholungsrate,
die von der benannten Bandbreite des TDR abhängt, eingebracht. Während der
Perioden zwischen Pulsen tastet eine Erfassungsschaltungsanordnung
das Kabel ab, um Daten zu erfassen, die für Reflexionen von Defekten,
Diskontinuitäten
oder Brüchen
in dem Kabel repräsentativ
sind. Die Reflexionen in dem Kabel werden von der Zeit des Sendens
des Energiepulses zeitlich gemessen, um den Bereich von dem Sender
zu diesen Defekten, Diskontinuitäten
oder Brüchen
zu bestimmen. Reflexionen können Änderungen
der Drahtstärke,
Spleißstellen,
Feuchtigkeit in dem Kabel und dergleichen darstellen. Die erfassten
Daten werden normalerweise als Signalverlaufsbahn verarbeitet und
auf einer Anzeigevorrichtung, z. B. einer Kathodenstrahlröhre, einer
Flüssigkristallanzeige
oder dergleichen, angezeigt.
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Ein
TDR bemerkt eventuelle Änderungen
der Eigenimpedanz des zu testenden Kabels. Bei einer Telekommunikations-Kupferinstallation
oder -anlage liegt die Eigenimpedanz üblicherweise zwischen 100 und 125
Ohm. Die meisten nicht-abgeschirmten
Kabel liegen zwischen 100 und 105 Ohm. Ein abgeschirmtes Kabel wie
T1 weist üblicherweise
etwa 125 Ohm auf. Jede Veränderung
der Impedanz des Kabels wird als positiver Signalverlauf, negativer
Signalverlauf oder eine gewisse Kombination aus beiden, die von
einer horizontalen Bahn abweichen, auf der TDR-Anzeigevorrichtung
angezeigt.
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Da
die Breite des einfallenden Pulses sehr schmal gestaltet werden
kann, üblicherweise
weniger als zehn Nanosekunden, kann der TDR die Impedanz als Funktion
der Zeit messen. TDRs weisen somit die Fähigkeit auf, Defekte bei Übertragungsleitungen
zu finden, indem sie Diskontinuitäten erfassen, die Signale unterbrechen
können,
und werden am häufigsten
beim Messen der Impedanz entlang Übertragungsleitungen angewendet.
Ein Messen der Impedanz an ausgewählten Punkten entlang der Übertragungsleitung
weist den Vorteil auf, dass ermöglicht
wird, dass Defekte oder Diskontinuitäten entlang der Übertragungsleitungen
erfasst und lokalisiert werden, was ein Merkmal ist, das besonders
für Service-Anwendungen
vor Ort wünschenswert
ist. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Signalen durch die Übertragungsleitung
bekannt ist, kann die zeitliche Verzögerung zwischen einfallenden
und reflektierten Pulsen verwendet werden, um den Abstand von dem
Instrument zu dem Defekt entlang der Übertragungsleitung zu bestimmen.
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Indem
eine Impedanzmessung mit einem TDR durchgeführt wird, kann die Größe des reflektierten Pulses
als Bruchteil des einfallenden Pulses verwendet werden, um die Eigenimpedanz
an jeglichem gegebenen Punkt entlang der Übertragungsleitung, bezogen
auf die Ausgangsimpedanz des TDR, zu berechnen.
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Bis
dato verwenden die Hauptindustriezweige der Luft- und Raumfahrt,
der Telekommunikation, der wissenschaftlichen Forschung, der Manufaktur
sowie der Test- und Messdienstleistungen eine Anzahl von in der
Hand zu tragenden und/oder Laborinstrumenten, um die Vielzahl von
Testergebnissen, die zum Diagnostizieren oder Prognostizieren von
Defekten notwendig sind, zu erhalten.
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Trotz
einigermaßen
großen
Erfolges liefert kein bekannter Ausrüstungsgegenstand Techniken
und Mittel, anhand derer eine beliebige gegebene Anzahl variierender
Kabeltypen (verdrillte Doppelleitungen, Koaxialkabel, Glasfasern,
einadrige Kabel) mit variierenden und nicht auf die eigentliche
Testausrüstung
abgestimmten Impedanzen auf eine Vielzahl von Diskontinuitäten hin
miteinander getestet werden können,
entweder als einzelnes Element einer Gruppe von Kabeln oder als
vollständige
Gruppe von Kabeln eines größeren abgeschlossenen
Systems, das als Kabelsatz bekannt ist.
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Ferner
geht keine bekannte Ausrüstung
bis dato auf das echte Problem eines unbekannten oder undefinierten
Abschlusses/Erdrückpfades
ein, wie es bei vielen Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilverbindungen
der Fall ist, die einadrige Kabel (in vielen Fällen keine Impedanz bekannt)
verwenden, die ferner durch die sie umgebende Metallstruktur beeinflusst
werden.
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Schließlich sieht
bisher keine bekannte Ausrüstung
das oben Erwähnte
vor, während
Leistung und Daten an das zu testende Kabel angelegt werden.
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Jegliches
System, das all dies mit einer verbesserten Diagnose- und Prognosefähigkeit
in Echtzeit liefert, spart viele Arbeitsstunden ein und verbessert
die Betriebssicherheit eines Kabel- und Verbindungssystems.
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Die
US 5 677 633 offenbart ein
Zeitbereichsreflektometer, das einen Sender zum Erzeugen eines Testsignals,
einen mit dem Sender und mit einem Testtor verbundenen Multiplexer
aufweist, wobei das Testtor eine Mehrzahl von Ausgängen aufweist,
von denen jeder mit einem einer Mehrzahl von zu testenden Übertragungsmedien
verbindbar ist, wobei der Multiplexer steuerbar ist, um Signale
von dem Sender an einen ausgewählten Ausgang
des Testtors weiterzuleiten.
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Darlegung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
ist ein Zeitbereichsreflektometer vorgesehen, das einen Sender zum
Erzeugen eines Testsignals, einen mit dem Sender und mit einem Testtor
verbundenen Multiplexer aufweist, wobei das Testtor eine Mehrzahl
von Ausgängen
aufweist, von denen jeder mit einem einer Mehrzahl von zu testenden Übertragungsmedien
verbindbar ist, wobei der Multiplexer steuerbar ist, um eine Weiterleitung
von Signalen von dem Sender an einen ausgewählten Ausgang des Testtors
zu bewirken, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, um den Erdrückpfad für das ausgewählte Ausgangstor
zu bestimmen, auszuwählen
oder zu bestätigen,
und wobei das Reflektometer ferner eine Einrichtung zum Analysieren
reflektierter Signale aufweist, die von dem zu testenden Übertragungsmedium
und dem Erdrückpfad
zurückempfangen
werden, wodurch ermöglicht
wird, dass Impedanzänderungen
entlang der Länge
der Über tragungsmedien
und die jeweilige Entfernung zu den Impedanzänderungen für Übertragungsmedien mit bekannter
und unbekannter Impedanz bestimmt werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kabeltestsystem, das
Hardware- und Softwaretechniken aufweist, die ermöglichen,
dass verschiedene Arten von Kabeln an einem Ende in Bezug auf Impedanzschwankungen
und -fehlanpassungen, entweder als einzelne Entität oder als
Gruppe, bezüglich
einer Vielzahl von Defekten und Zuständen getestet werden, wobei
Letzteres als Diagnostik bzw. Prognostik bezeichnet wird. Ferner
kann diese Erfindung dies in Echtzeit mit Leistung und/oder Daten
durchführen,
die ebenfalls an das zu testende Kabel angelegt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Implementierung eines berührungslosen,
vollautomatisierten, auf variablen Kabeln und variabler Impedanz
beruhenden multiplexierten Echtzeit-Kabeltestsystems, das Zeitbereichsreflektometrie-Techniken verwendet.
Das System kann zu jeglichem Zeitpunkt, während dessen es sowohl die
Charakteristika des zu testenden Kabeltyps als auch jegliche Diskontinuitäten, die
aufgrund der definierten und verarbeiteten Impedanzschwankungen
während
dessen Betriebslebens auftreten, mehr als einen Kabeltyp mit variierenden
Charakteristika verarbeiten. Überdies
liefert das System eine umfassende Bandbreite von Echtzeitdiagnostik-
und -prognostikdaten zusammen mit einer präzisen Position und Interpretation
jeglicher dieser Daten und/oder der Diskontinuität, die die zusätzliche
Abbildung von Impedanzschwankungen entlang der Länge des Kabels umfassen, jedoch
nicht hierauf beschränkt
sind.
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Eine
spezifisch entworfene allgemeine Benutzerschnittstelle (GUI – general
user interface) ermöglicht es
dem Benutzer, Tests auszuwählen
und zu steuern. Insbesondere kann der Benutzer die Anzahl von Pin- und
Kabelanschlüssen,
die zu testenden Typen und die Reihenfolge des Testens auswählen.
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Bevor
ein vollständiger
Test auf Diskontinuitäten
begonnen wird, sendet das System einen Puls an jeder Pin/Kabelverbindung
entlang, wobei jede zurückgeleitete
Reflexion verarbeitet wird, um erstens die Charakteristika des Pins/Kabels
bezüglich
vorab registrierter Parameter zu bestätigen, und um zweitens einen
Abschluss/Erdpfad zu bestätigen
und/oder zuzuweisen und seinen Zustand zu testen. Während dieser
Phase schaltet ein Multiplexer gemäß der GUI-Auswahl automatisch
zu jeder Pin/Kabelverbindung. Nachdem diese Phase abgeschlossen
ist, wird der Multiplexer erneut durch die ausgewählte GUI-Sequenz
geschaltet, wobei dieses Mal der zugewiesene Abschluss/Erdrückpfad zum
Zweck eines vollständigen
Diskontinuitätstests
verwendet wird. Unter Verwendung der GUI kann des weiteren ein Einzelpuls
oder ein kontinuierlicher Puls ausgewählt und in Echtzeit an jede
Pin/Verbinder-Kombination gesendet werden. Jede von dem gesendeten
Puls und/oder den gesendeten Pulsen erhaltene zurückgeleitete
Reflexion wird erfasst und gespeichert. Wenn die gespeicherten Daten
durch einen Satz von vorbestimmten Algorithmen weiterverarbeitet
werden, extrahiert das System eindeutige Charakteristika, so dass
es dem System ermöglicht
wird, sowohl Charakteristika des einzelnen Kabels als auch etwaige
zugeordnete Diskontinuitäten
zu bestimmen, wodurch eine vollständige Interpretation jeglicher
Diskontinuität
ermöglicht
wird. Überdies
werden Reflexionen als Funktion der gemessenen Zeit verarbeitet,
so dass die Position der Kabelcharakteristik und/oder Diskontinuität genau
bestimmt werden kann.
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Eine
Mikrosteuerung wird verwendet, um alle physischen Hardwarebetriebsanforderungen
des Kabeltestsystems zu steuern. Eine softwarebasierte GUI wird
verwendet, um Befehle an die Mikrosteuerung und jegliche zugeordnete
Hardwarelogik, einschließlich,
aber nicht ausschließlich,
des Multiplexers selbst, zu senden. Anschließend liefert die GUI Einrichtungen
zur Verarbeitung der zurückgeleiteten
Daten und zur Anzeige der Ergebnisse auf einer geeigneten Anzeigevorrichtung.
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Das
Kabeltestsystem kann vollständig
in verschiedene Systeme oder Hardwareformate integriert werden.
Relevante Industriestandards, bei denen eine Implementierung erzielt
werden könnte,
umfassen ISA, PCI, PCMCIA, ASIC, FPGA. Anwendereigene Standards
oder Systeme können
das System gleichermaßen
in verschiedenen Formaten akzeptieren, einschließlich eines in der Hand zu
tragenden, eines PC- und/oder
eines eingebetteten Formats.
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Statt
elektrischer Impulse kann Licht, das z. B. durch eine LED oder einen
Laser erzeugt wird, verwendet werden, um ein Testsystem zur Verwendung
bei einem optischen Netzwerk zu bilden.
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Die
Erfindung sieht auch ein Zeitbereichsreflektometrie-Verfahren vor.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Zeitbereichsreflektometrie-Systems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 und 3 sind
Screenshots einer Testkonfiguration für ein Luftfahrzeug-Einfahrmotorsystem;
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4, 5 und 6 sind
Screenshots von Testergebnissen aus Tests, die in 2 und 3 konfiguriert
sind; und
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7 ist
ein schematisches Diagramm eines Kanals von einem Multiplexer, der
bei dem System der 1 verwendet wird.
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Ausführliche
Beschreibung
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Zeitbereichsreflektometrie-Systems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Eine graphische Benutzerschnittstelle
(GUI) 1 ist auf einem Endgerät, einer Benutzereingabevorrichtung,
einem Computer oder dergleichen zum Interagieren mit dem System
vorgesehen. Eingaben über
die GUI 1 werden an eine Mikrosteuerung 2 weitergeleitet.
Die Mikrosteuerung befindet sich in Kommunikation mit einem feststehenden
programmierbaren Gatearray (FPGA – fixed programmable gate array) 3 zum
Steuern des Betriebs des Zeitbereichsreflektometrie-Systems. Das
FPGA 3 ist mit einem Multiplexer 4 zum Senden
und Empfangen von Signalen an ein bzw. von einem oder mehreren einer
Anzahl von zu testenden Übertragungsmedien
verbunden. Unter der Steuerung des Multiplexers 4 erzeugt
ein Sender, z. B. ein Variabler-Puls-Generator
(PG) 5, Abfrageenergiepulse, die über ein Testtor 6 in
sein jeweiliges angeschlossenes zu testendes Übertragungsmedium eingespeist
werden. Das Übertragungsmedium
kann abgeschirmte oder nichtabgeschirmte verdrillte Doppelleitungen,
Koaxialkabel, einadrige Kabel oder andere Arten von metallischen Übertragungsmedien
umfassen. Rückführungssignalenergie
von Ereignissen in dem zu testenden Kabel, die Defekte, Diskontinuitäten oder
Brüche
in dem Kabel darstellen, wird zu einem Datenpuffer 7 gekoppelt,
der wiederum mit einer Abtastschaltung, z. B. einer Abtasten-und-Halten-Schaltung (S/H-Schaltung) 8,
gekoppelt ist. Das abgetastete analoge Signal wird zu einem Analog/Digital-Wandler
(ADC – analogue-to-digital
converter) 9 gekoppelt, der das abgetastete analoge Signal
in digitale Werte umwandelt, die für das Rückführungssignal von dem zu testenden
Kabel repräsentativ
sind. Die digitalisierten Werte werden zur Verarbeitung durch die
Mikrosteuerung 2 in dem digitalen Bereich in einem Speicher,
z. B. einer Anzahl von Registern 10, gespeichert. Die digitalen
Daten, die die Rückführungssignalenergie
von dem zu testenden Kabel darstellen, werden verarbeitet, um das
Vorliegen von Ereignissen in dem Kabel zu erfassen und um Charakterisierungsdaten über die
erfassten Ereignisse zu erstellen. Die digitalisierten Signalverlaufsdaten
werden zusammen mit Erfassungsparameterdaten und den Charakterisierungsdaten
der erfassten Ereignisse an die GUI 1 ausgegeben.
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Die
GUI
1 ermöglicht,
dass Kabeldaten in das System eingegeben werden und dass Tests ausgewählt und
eingeleitet werden. Ein Kabelverwaltungsabschnitt ermöglicht es
dem Benutzer, Daten, die einem Kabel zugeordnet sind, hinzuzufügen, zu
löschen
oder zu bearbeiten. In dem Kabelverwaltungsabschnitt gespeicherte
Daten werden automatisch während
der Auswahl und Ausführung
eines Tests für
diesen bestimmten Kabeltyp verwendet. Daten, die für einen
Kabeltyp gespeichert sind, umfassen:
| Beschreibung – | verdrillte
Doppelleitung, RG58, einadriges Kabel usw. |
| Teilenummer – | Teilenummer
des Herstellers |
| Impedanz – | spezifizierte
Impedanz des Herstellers (gegebenenfalls) |
| Geschwindigkeitsfaktor – | VF
(velocity factor) des Herstellers |
| tatsächlicher
GF – | berechnet |
| Verlust – | dB
Verlust pro Meter des Herstellers (gegebenenfalls) |
| Stärke – | Stärke des
Kabels (gegebenenfalls) |
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Ferner
ermöglicht
der Kabelverwaltungsabschnitt, dass Verkabelungssysteme, in der
Luft- und Raumfahrtindustrie auch als Kabelsatz bekannt, aufgezeichnet
werden. Ein Verkabelungssystem umfasst eine Anzahl potentiell unterschiedlicher
Kabel mit unterschiedlichen Pin-Belegungen, wenn es mit dem Testtor
6 gekoppelt
ist. Daten, die für
ein Verkabelungssystem aufgezeichnet werden, umfassen folgende:
| Beschreibung – | Beschreibung/Name
des Systems |
| MUX-Kanal – | Der
Multiplexerkanal, der für
den zugeordneten Pin/die zugeordnete Schaltung, der bzw. die zum
Testen bereit ist, ausgewählt
und zugewiesen ist. |
| Pinnummer – | Pin-/Schaltungsnummer |
| Rückpin (Gnd,
Masse) – | Der
physisch zugewiesene Abschluss/Rückpfad
für den
benannten Pin/die benannte Schaltung (wie im Fall für eine verdrillte
Doppelleitung mit einer bekannten Masse) oder der automatisch zugewiesene
Abschluss/Erdpfad für
den Pin/die Schaltung, die wie in dem Fall eines einadrigen Kabels
benannt ist. |
| Länge (m) – | Tatsächliche
Länge des
beim Test durch das System ermittelten Kabels. |
| Kabeltyp – | Typ
des vorregistrierten Kabels, das bei diesem Pin/dieser Schaltung
verwendet wird. |
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Im
Betrieb leitet ein Benutzer einen Test über die GUI 1 ein,
wobei bewirkt wird, dass ein Startbefehl an die Mikrosteuerung 2 geleitet
wird. Die Mikrosteuerung sendet einen Befehl an das FPGA 3,
wodurch jeder Kanal in dem Multiple xer 4 zu dem jeweiligen
PG 5 geschaltet wird und ein Puls, üblicherweise von 30 ns, durch
denselben erzeugt wird und über
ein Testtor 6 in den angeschlossenen Kabel-/Verbinderpin injiziert
wird. Jeglicher reflektierte analoge Puls für diesen Kabel-/Verbinderpin
wird anschließend über einen
vorbestimmten Kanal zurückempfangen
und in den Datenpuffer 7, dann in die Abtasten-und-Halten-Schaltung 8 und
anschließend
in den ADC-Wandler 9 eingespeist, wo er umgewandelt und
in dem Datenregister 10 gespeichert wird. Das FPGA 3 schaltet
anschließend
zu diesem Register, wodurch ermöglicht
wird, dass die Mikrosteuerung 2 und die GUI 1 die
Daten zum Verarbeiten extrahieren.
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Vorzugsweise
bestimmt das System die „Start"-Impedanz eines zu
testenden Kabels unter Verwendung eines vorbestimmten Algorithmus.
Dieser Prozess wird für
jeden mit dem Multiplexer 4 verbundenen Kanal wiederholt.
Der Zweck dieses Vorgangs besteht darin, dass das System die Impedanz
von zu testenden Kabeln sowohl dort feststellt und bestätigt, wo
die Impedanz bekannt ist, als auch dort, wo keine Impedanz bekannt
ist. Die GUI 1 sendet einen Befehl an die Mikrosteuerung 2,
eine Initialisierungsphase zu starten, wodurch das Testtor 6 auf
Diskontinuitäten
und Authentizität
hin geprüft
wird. Wenn dieser Befehl empfangen wird, sendet die Mikrosteuerung 2 einen
entsprechenden Befehl an das FPGA 3, das den Multiplexer 4 initialisiert,
indem es die Start-Kanal-
und -Pinnummern in die relevanten Register eingibt. Anschließend wird
ein kleiner Puls, üblicherweise
10 ns, in das Testtor 6 injiziert, wie durch die MUX-Kanalregister
bestimmt wird. Da dieser anfängliche
Puls klein ist, ist er in der Lage, Defekte und Diskontinuitäten über die
kurze Strecke von 1 mm bis 1 m zu ermitteln, wodurch ermöglicht wird,
dass die physische Verbindung zwischen der Testeinheit und zu testenden
Kabeln/eines zu testenden Kabelsatzes funktioniert. Diese Abfolge
wird für
alle Kanäle
des Testtors 6 wiederholt. Falls Defekte gefunden werden,
erhält
der Benutzer eine entsprechende Nachricht über die GUI 1, und
der Test wird angehalten. Vorzugsweise liegt das Test tor 6 in
Form eines Schnittstellenkabels vor. Das Kabel kann eine eingebettete
Logikvorrichtung aufweisen, die bezüglich der Authentizität des Kabels und/oder
einer Bestimmung von Parameterwerten für das Kabel abgefragt werden
kann, bevor schließlich
ein Test eingeleitet wird. Die in der Logikvorrichtung aufgezeichneten
Daten können
folgende umfassen: die Teilenummer des Kabels (um zu prüfen, dass
das richtige Benutzerschnittstellenkabel verwendet wird); Benutzerregistrierungsnummer
(um den Benutzer des Systems zu authentifizieren); und Einzelkabelparameter
wie z. B. Stärke,
Produktnummer usw. (um zu überprüfen, dass
der zu testende Kabelsatz/das zu testende Kabel im Vergleich zu
früheren
Testergebnissen nicht verändert
oder neu verdrahtet wurde). Jegliche Defekte oder ungültige Daten
werden dem Benutzer über
die GUI mit einer entsprechenden Meldung angezeigt.
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Anschließend sendet
die GUI 1 einen Befehl an die Mikrosteuerung 2,
um einen Abschluss/Masse-Test zu beginnen. Der Zweck dieses Tests
besteht darin, den Abschluss/Erdrückpfad für jeden bzw. jedes zum Test
ausgewählte(n)
Pin/Kabel zu bestätigen.
In den meisten Fällen
weist ein Verbinder einen bezeichneten Massepin auf. Kabeltypen
wie z. B. verdrillte Doppelleitungen und Koaxialkabel weisen außerdem einen Rückpfad auf.
Im Fall von einadrigen Kabeln ist jedoch keine Impedanz und kein
Rückpfad
bekannt, und es muss eine bzw. einer ermittelt werden, um ein Testen
auszuführen.
Da die Impedanz des Kabels in den obigen Schritten identifiziert
und bestätigt
wurde, wählt
der Multiplexer 4 den ersten Pin/das erste Kabel aus, betrachtet
seine gespeicherte Impedanz und tastet anschließend die Ergebnisse der verbleibenden
Pins/Kabel ab, bis er die am nächstliegenden
abgestimmte Impedanz findet. Diese Kombinationsergebnisse werden
anschließend
zur Verwendung in der Haupttestabfolge gespeichert, wobei dem Multiplexer
die Kombination geliefert wird, so dass eine Erdschiene 11 vor
dem Test zu der bezeichneten Kombination geschaltet werden kann,
wodurch ein stabiler Abschluss- und Erdrückpfad geliefert wird. Unter
Verwendung dieses Verfahrens ist das System in der Lage, vor dem
Testen jegliche vordefinierten Abschlüsse/Erdrückpfade auf Vorhandensein und
Leistungsfähigkeit
zu überprüfen.
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Nachdem
diese Schritte abgeschlossen sind, verarbeitet die Mikrosteuerung 2 die
durch den Benutzer in der GUI 1 eingerichteten Testkonfigurationen.
Sie verwendet dies, um die entsprechenden Befehle an das FPGA 3 zu
liefern, das den Fluss von Signalen und Daten zwischen der Mikrosteuerung 2 und
dem Multiplexer 4 steuert. Als erstes wählt das FPGA 4 eine
andere Pulsbreite und einen anderen Pulstyp, üblicherweise 30 ns, was einen
längeren
Bereich ergibt, wobei gleichzeitig eine präzise Auflösung aufrechterhalten wird, üblicherweise
1 mm/1 cm. Die Kanal- und Pinnummern für das zu testende Kabel werden
in die relevanten Register eingegeben, wobei dies durch den Benutzer
und die GUI 1 bestimmt wurde. Der Abschluss/Erdrückpfadpin wird
ebenfalls ausgewählt
und ein anderes entsprechendes Register eingegeben. Der Multiplexer 4 liest
dies und schaltet der Abschluss/die Erdschiene zu dem vorab zugewiesenen
Pin. Anschließend
wird der Test an dem ausgewählten
Kabel durchgeführt. Über die
GUI 1 kann der Benutzer einen einzelnen zu übertragenden Puls
auswählen,
wodurch ein Puls übertragen
wird, wobei eine Reflexion bezüglich
Diskontinuitäten
verarbeitet wird, oder der Benutzer kann einen kontinuierlichen
Puls auswählen,
wodurch regelmäßige Pulse übertragen
werden, was mehrere Reflexionen liefert, die verarbeitet werden
sollen. Jegliche gefundenen Defekte und/oder Diskontinuitäten werden
auf geeignete Weise über
die GUI 1 angezeigt.
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Das
System ermöglicht,
dass mehrere Kabeltypen einer bekannten und einer unbekannten Impedanz verarbeitet
werden. Um dies zu ermöglichen,
muss die Systemschaltungsanordnung einen Festwiderstandspfad aufweisen.
Es wurde ermittelt, dass sich für
das System etwa 100 Ohm am besten eignen, obwohl auch andere Widerstandswerte
verwendet werden könnten,
ohne die Funktionsweise des Systems wesentlich zu beeinträchtigen.
Man stellte fest, dass in diesem Fall ein Bereich von 75–130 Ohm
funktioniert. Man stellte fest, dass dieser Widerstandswert einen
Dynamikbereich/Verlustkoeffizienten ergibt, wenn eine ganze Palette
von Kabeln mit verschiedenen Impedanzen zwischen 25 Ohm und 400
Ohm getestet wird. Dies bedeutet, dass eine zurückempfangene Reflexion eine
ausreichende und konstante Breite und Amplitude aufweist, damit
das System diagnostische und prognostische Fähigkeiten liefern kann.
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Das
beschriebene System ist in der Lage, kleine und große Impedanzänderungen
auf innerhalb einer vorprogrammierten Benutzerauflösung entlang
der Länge
des zu testenden Kabels zu identifizieren und analysieren. Dies
führt zur
Fähigkeit,
dass eine große
Bandbreite von Defekten erfasst, analysiert und überwacht werden kann. Manche
der diagnostischen und prognostischen Fähigkeiten des Systems umfassen:
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2 ist
ein Screenshot einer Testkonfiguration für ein Luft- und Raumfahrt-Einfahrmotorsystem.
Dieser Bildschirmausschnitt zeigt, dass das Einfahrmotorsystem für das Port-Fahrwerk vollständig getestet
wird, wobei, als der Test initialisiert wurde, das System die Pinnummer
(4) aussperrt und nicht testet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
unzureichend Informationen aufgezeichnet sind, um einen ordnungsgemäßen Test
des Pins/der Schaltung zu ermöglichen.
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3, 4, 5 und 6 sind
Screenshots von Testergebnissen aus dem in 2 konfigurierten
Test. 3 zeigt, dass ein Kontinuierlich-Puls-Test angewandt
wurde. Es wurden keine Defekte gefunden, und die Pin-/Schaltungsnummer 4 wurde
aus dem Test ausgesperrt. Zusätzlich
wurde die Pin-/Schaltungsnummer 6 (während eines
kontinuierlichen Echtzeittestens) durch den Benutzer für eine „Bahn"-Auswahl ausgewählt, die
durch die Hintergrundmarkierung bestätigt wird. Dies bedeutet, dass
der Benutzer während
eines Tests jederzeit eine herunterskalierte Version des Pulssignals
und der Bahn bzw. der Spur des Defekts betrachten kann. 4 zeigt
den Ausgang, wenn in dem ausgewählten
Kabel kein Puls aktiv ist, und 5 zeigt den
Puls und seine Reflexionen, die angeben, dass ein Defekt lokalisiert
wurde. In diesem Fall ist der Defekt ein Leerlauf.
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6 zeigt
ausgewählte
Pins/Schaltungen der Umgebungsbucht innerhalb des getesteten Port-Fahrwerks.
Gefundene Defekte werden zusammen mit dem Leitungsverlust und der
Entfernung zu dem Defekt unter dem Statusfeld angezeigt. Das System
zeigt außerdem
zwei ausgesperrte Pins/Schaltungen (Nr. 3 und 4) und
zeigt Pin 9 als den aktuellen zu testenden Pin/die aktuelle
zu testende Schaltung.
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7 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Kanals des unter Bezugnahme
auf 1 beschriebenen Multiplexers. Der vollständige Multiplexer
kann eine beliebige Anzahl von Kanälen aufweisen, wobei jeder
Kanal eine Architektur aufweist, die der unter Bezugnahme auf 7 Beschriebenen
entspricht. Bei einer bevorzugten Konfiguration weist der Multiplexer
sechs Kanäle
auf.
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Jeder
Kanal weist eine bidirektionale einpolige Mehrfachrelaiskonfiguration
auf und ermöglicht
einen bidirektionalen Daten- und Leistungsfluss auf einem einzelnen
vorauswählbaren
Pfad. Der Multiplexer ist dazu steuerbar, den Pfad eines Kanals
zur Auswahl sowohl des zu testenden Kabels als auch des zugeordneten Erdpfads
für den
zu testenden Pfad zu schalten.
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Jeder
Kanal umfasst einen Pulsgenerator 100, der mit einem Lastimpedanzmodul 110 verbunden
ist, das wiederum ein 8-Wege-Multiplexierungsmodul 120 speist,
das mit einem Testtor 125 verbunden ist. Auf dem Rücksignalpfad
speist der 8-Wege-Multiplexer 120 eine
Abtasteinheit 130, die mit einem Analog/Digital-Wandler
(ADC) 135 verbunden ist. Der ADC ist mit einer Anzahl von
Verzögerungsversatzregistern 140 verbunden,
die nachstehend ausführlicher
beschrieben werden. Die Komponenten in dem Kanal sind durch das unter
Bezugnahme auf 1 beschriebene FPGA steuerbar.
Gestrichelte Linien stellen Steuereingänge dar, wohingegen durchgezogene
Linien einen Datenfluss darstellen.
-
Um
eine einigermaßen
akzeptable Analog-/HF-Leistungsfähigkeit
zu erzielen, müssen
der Pulsgenerator und die Abtasteinheit eine präzise Leistungsfähigkeit
und Position auf der PCB-Platine (PCB = printed circuit board, gedruckte
Schaltungsplatine) bezüglich
der Anzahl von Kanälen
aufweisen. Bei einem Beispiel werden pro Kanal ein Pulsgenerator
und eine Abtasteinheit verwendet. Alternativ dazu kann für alle Kanäle ein Pulsgenerator
verwendet werden.
-
Bei
einem Beispiel ist die Leistungsfähigkeit und sind die Charakteristika
des Multiplexers wie folgt gewählt:
-
-
Jeder
Kanal des Multiplexers kann auf ähnliche
Weise wie oben in 1 erörtert betrieben werden. Jeder
Kanal ist lediglich für
Kabel/Kontakte verantwortlich, mit denen die 8 Pins des Multiplexers
verbunden sein können.
Wenn beispielsweise ein Kabel von 20 Drähten mit dem Testtor verbunden
ist – Draht 1 mit
Pin 1 usw. – muss
Kanal 1 verwendet werden, um Pin 7 zu testen,
und Kanal 3 muss verwendet werden, um Pin 17 zu
testen. Ein Masseknoten 150 ist eine allen Kanälen gemeinsame
Verbindung. Jeglicher Kanal kann dem Masseknoten 150 über eine
geeignete Weiterleitung in seinem Multiplexer einen Pin zuweisen.
Anschließend wird
der Masseknoten während
eines Tests als Rückpfad
verwendet. Eine Auswahl des am besten geeigneten Rückpfad-/Abschlussstifts
wurde oben unter Bezugnahme auf 1 erörtert. Jegliche
der 8 Pins eines Kanals können
an die Abtasteinheit, an den Masseknoten weitergeleitet werden oder
als Leerlauf belassen werden. Üblicherweise
wird das zu testende Kabel während
eines Tests an eine Abtastschaltung weitergeleitet, das als Rückpfad ausgewählte Kabel
wird an den Masseknoten weitergeleitet, und alle anderen Kabel werden
als Leerläufe
belassen.
-
Als
Impedanz der Multiplexerschaltung zusammen mit der passenden Verbindungsschaltungsanordnung
wird ein Wert von 100 Ohm verwendet. Obwohl andere Werte verwendet
werden können,
stellte man fest, dass dieser Wert bei Impedanzwer ten, die bei Verkabelungen
vorliegen, eine hervorragende Leistungsfähigkeit liefert. Übliche Verkabelungswerte
liegen zwischen 25 und 400 Ohm. Wenn das Spannungsteilerkonzept verwendet
wird, bei dem eine Spannung an einem Punkt die Quellenspannung VS ist, die Quellenimpedanz ZS ist
und die Lastimpedanz ZL ist, lautet die
Gleichung für
die Menge an übertragener
Energie oder Spannung an der Leitung wie folgt: ZL/(ZL + Zs)
-
Deshalb
wird in dem Fall, dass ZL gleich ZS ist, 50% der Quellenspannung der Reflexion
auf ähnliche Weise
gemäß ZS/(ZL + ZS) geteilt, und in dem Fall, dass ZL gleich ZS ist,
werden 50% des reflektierten Pulses an der Eingangsschaltung „empfangen".
-
Anschließend werden
diese zwei Verhältnisse
multipliziert, um die Gesamteffizienz (den Dynamikbereich des zurückgeleiteten
Signals) der Multiplexerkanalschaltungsanordnung in Bezug auf eine
Spannungsübertragung
und -reflexion und bezüglich
des Schwankungsgrades, der bei verschiedenen Lastimpedanzen auftritt,
zu erhalten.
-
Wenn
in dem Fall, dass ZL gleich ZS ist,
50% (0,5) genommen und mit der empfangenen Effizienz multipliziert
werden, führt
dies zu 0,5 × 0,5
= 0,25 oder zu einer Effizienz von 25% für den Idealfall, dass ZL = ZS.
-
Bei
einem weiteren Beispiel, wenn ein erwarteter Extremwert von 25 Ohm
genommen wird, wird eine Sendeeffizienz von 25/(100 + 25) = 0,2
(20%) und eine Empfangseffizienz von 100/(100 + 25) = 0,8 (80%)
erhalten. Eine Multiplikation der Sende- als auch der Empfangseffizienz
ergibt eine Gesamtübertragungseffizienz
von 0,2 × 0,8
= 0,16 (16%).
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Nimmt
man einen Extremwert von 400 Ohm für die Lastimpedanz, werden
eine Sendeeffizienz von 400/(400 + 100) = 0,8 (80%) und eine Empfangseffizienz
von 100/(400 + 100) = 0,2 (20%) erhalten. Wiederum ergibt eine Multiplikation
der Sende- und der Empfangseffizienz eine Übertragungseffizienz von 0,8 × 0,2 = 0,16
(16%).
-
Somit
ist ersichtlich, dass die Auswahl einer Impedanz von 100 Ohm ermöglicht,
dass eine große Bandbreite
von Lastimpedanzen getestet wird, ohne die Übertragungseffizienz dramatisch
zu beeinträchtigen.
-
Die
folgenden Abschnitte beschreiben Algorithmen und Techniken, die
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden:
-
Berechnen einer „Start"- oder „tatsächlichen" Impedanz
-
Z = (R·Vo)/(Vg – Vo)wobei:
- Z
- die Kabelimpedanz
ist
- R
- der Serienantriebswiderstand
ist
- Vg
- die Höhe (in Volt)
des vor dem Widerstand erzeugten rohen Pulses ist
- Vo
- die Höhe (in Volt)
des ausgehenden Pulses ist, wie er an der Quelle erfasst wird
-
Durch
Ermitteln des Zeitpunkts, zu dem ein reflektierter Puls erneut an
der Quelle auftaucht, kann ein Profil der Diskontinuitäten erstellt
werden, auf die das Signal stößt, während es
sich entlang des Kabels ausbreitet.
-
Um
die gemessene Impedanz von der Zeitdomäne in eine Strecke umzuwandeln,
wird die folgende Gleichung verwendet: d = cvt wobei:
- d
- Strecke (programmierbarer
Wert, z. B. 1 mm oder 1 Fuß oder
1 km usw.)
- c
- Lichtgeschwindigkeit
in einem Vakuum (2,00 × 10(δ)ms – 1)
- v
- Geschwindigkeitsfaktor
des Leiters
- t
- Zeit, die vergeht,
bis der reflektierte Puls zur Quelle zurückkehrt
-
Die
VF-Zahl (VF = velocity factor, Geschwindigkeitsfaktor) eines Kabels
wird durch das dielektrische Material, das zwei Leiter trennt, bestimmt.
Bei Koaxialkabeln ist der Schaum, der den Mittelleiter und die äußere Ummantelung
trennt, das Material, das den VF bestimmt. (Die Lichtgeschwindigkeit
in einem Vakuum beträgt
186.400 Meilen pro Sekunde, wobei diese Geschwindigkeit durch die
Zahl 1 dargestellt wird; alle anderen Signale sind langsamer, so
dass ein Kabel mit einem VF von 0,85 ein Signal bei 85 der Lichtgeschwindigkeit überträgt.) Bei
verdrillten Leitungspaaren ist der bestimmende Faktor der Kunststoff,
der die Kabel trennt. Die meisten Kabel weisen einen VF des Herstellers
auf, wobei dieser Faktor jedoch durch andere Faktoren wie z. B.
eine beispielhafte Luftfahrzeugsstruktur, bestimmt wird, so dass
ein Defektprozentsatz adressiert werden muss. Überdies weist ein einadriger
Draht aufgrund der Tatsache, dass er nicht die Kriterien eines „Materials zwischen
zwei Leitern" erfüllen muss,
keinen VF auf.
-
Um
diese Probleme anzugehen, um den VF für ein Kabel zu bestimmen, werden
mehrere unterschiedliche Pegel von Rückreflexionen bei unterschiedlichen
Probenlängen/Abtastlängen genommen;
anschließend werden
diese als Funktion der Zeit gemittelt, wodurch eine Prüfung zwischen
dem tatsächlichen
und dem angegebenen VF ermöglicht
wird. Zusätzlich
wird ein Erdrückpfad
eingerichtet (gemäß der obigen
Beschreibung unter Bezugnahme auf 1), und
derselbe Vorgang wird wiederholt. Es ist eine akzeptierte Praxis,
dass man, um den VF auf genaue Weise festzustellen, Reflexionen
von Leerläufen
und Kurzschlüssen
und von nicht korrekt abgeschlossenen Kabeln erzeugen muss. Für das System
gemäß der vorliegenden
Erfindung trifft Letzteres jedoch nicht zu, da es eine solch hohe
Auflösung
und einen derartigen Gesamtdynamikbereich aufweist, dass sogar kleine
Reflexionen, die durch korrekte Abschlüsse erzeugt werden, bei der
Bestimmung und Überprüfung des
VF verwendet werden können.
-
Ein
Satz von Zeitverzögerungsversatzregistern
wird verwendet, um die Abtastung und somit die Auflösung zu
erhöhen.
Während
eines Testens wird ein Signalpuls an dem zu testenden Kabel entlang
gesendet. Das Kabel wird auf Signalreflexionen, die Defekte anzeigen,
hin überwacht.
Eine normale Abtastung wird alle 250 ns durchgeführt, was eine Auflösung von
3 oder 4 cm ergibt. Wenn jedoch eine Signalreflexion über einer vorbestimmten
Schwelle erfasst wird, wird die zwischen dem Senden und dem Empfangen
der Reflexion liegende Zeit aufgezeichnet, und ein weiterer Puls
wird gesendet. Wenn die aufgezeichnete Zeit minus einer vorbestimmten
Zeitperiode abgelaufen ist, wird das Verzögerungsversatzregister ausgelöst. Das
Verzögerungsversatzregister
tastet bei einer höheren
Quantisierung bezüglich
Signalen auf dem Kabel ab als eine vorherige Abtastung und kann
somit den Zeitpunkt der Reflexion (und somit ihre Position entlang
dem Kabel) mit einem höheren
Auflösungsgrad
identifizieren. Je nach der Systemkonfiguration kann dieses System
unter Verwendung weiterer Verzögerungsversatzregister
mehrmals wiederholt werden, von denen jedes die Abtastrate und somit
die Auflösung
erhöht
und von denen jedes den Bereich in dem Kabel, in dem der Defekt
wahrscheinlich aufgetreten ist, einengt.
-
Bei
einem Beispiel werden drei Verzögerungsversatzregister
verwendet: grob, fein und ultrafein. Unter Verwendung eines 500
hm-Koaxialkabels mit einem Geschwindigkeitsfaktor von 75% werden
die folgenden Ergebnisse erhalten:
-
-
Bestimmen der Art der
Diskontinuität
-
Der
genaue Umfang des zu der Quelle zurückreflektierten Signals wird
als Reflexionskoeffizient bezeichnet und hängt von der Eigenimpedanz des
Leiters und der Impedanz an der Diskontinuität ab.
-
Der
Reflexionskoeffizient ist wie folgt definiert: T
= (ZL – Z0)/(ZL + Z0)wobei:
- T
- = Reflexionskoeffizient
- ZL
- = Diskontinuitätsimpedanz
- T0
- = Eigenimpedanz
-
Manche üblichen
Beziehungen lauten:
-
-
Dies
wird durch das System automatisch als Funktion der Reflexionsbreite,
-amplitude, -strecke und -zeit durchgeführt.
-
Referenzbahn
-
Bevor
eine Analyse durchgeführt
wird, wird eine Referenzbahn genommen, indem die gesamte Strecke
des korrekt abgeschlossenen Kabels gescannt bzw. abgetastet wird.
Indem man die Referenzbahn von nachfolgenden Scanvorgängen subtrahiert,
können
vor einer anschließenden
Verarbeitung jegliche Gleichstrom-Versätze und/oder jegliches vorhersehbare
Rauschen eliminiert werden.
-
Dies
ist besonders in einer Leistungsumgebung nützlich, wo das Kabel nicht
korrekt abgeschlossen ist. In diesem Fall treten über die
ganze Länge
des Kabels aufgrund des Vorliegens von Vorrichtungen wie z. B. Motoren,
Relais, Schaltern, Lampen usw. Impedanzfehlanpassungen auf, die
jedoch als Bestandteil der Arbeitsumgebung akzeptiert werden. Durch
Scannen des Kabels in einem bekannten defektfreien Zustand und durch
Subtrahieren dieser Bahn von nachfolgenden Bahnen wird ermöglicht,
dass sich weitere Verarbeitungsstufen auf die Erfassung lediglich
neuer Defekte konzentrieren.
-
Hysterese
-
Nachdem
eine Referenzbahn erfasst wurde, wird das Kabel unter Verwendung
des zuvor erwähnten groben,
feinen und ultrafeinen Verzögerungsregisters
gescannt.
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Ein
Hysteresealgorithmus wird verwendet, um die ungefähre Position
der reflektierten Pulse zu bestimmen. Es sind eine Anzahl von Schwellen
eingestellt, um zu bestimmen, welches ein tatsächlicher Puls ist, bei dem
sich eine Untersuchung lohnt, und was nur Rauschen usw. ist. Die
Schwellen können
angepasst werden, um Charakteristika des getesteten Kabels/der getesteten
Vorrichtung zu berücksichtigen.
In dieser Phase werden die Spitzengröße und die Polarität der Pulse
ermittelt und zur Verwendung bei späteren Algorithmen gespeichert.
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Schwerpunkt
-
Obwohl
eine Spitzenerfassung unter Verwendung von Hysterese akzeptable
Ergebnisse liefert, weisen Verluste in dem Kabel den Effekt auf,
die Konzentration einer Pulsenergie von dem Zentrum des Pulses weg
zu verteilen, wodurch die Schärfe
der Flanken des reflektierten Pulses verringert wird.
-
Nachdem
die Positionen der Pulse unter Verwendung von Hysterese bestimmt
wurden, wird der Schwerpunkt (oder das erste Moment) des Bereichs
um den verdächtigten
Puls berechnet, um eine präzisere Position
einer Impedanzfehlanpassung oder einer Impedanzänderung zu ermitteln. Die Hinzufügung dieses
Algorithmus liefert uns eine präzisere
Positionsbestimmung, da er die Ausbreitung des Signals berücksichtigt und
sich auf die Position, die eine maximale Energie aufweist, konzentriert.
wobei:
- Y
- = Bahnwertamplitude
- t
- = Anzahl von Abtastungen
um die vordere Flanke des Pulses
- N
- = Abtastwerte zu hinterem
Ende des Pulses
-
Kreuzkorrelationsfunktion
-
Um
die Bestimmung der Position des Pulses vor allem in einer rauschbehafteten
Umgebung noch genauer zu machen, nämlich um eine exakte Position
zu ermitteln, wird ein Kreuzkorrelationsalgorithmus verwendet. Die
Kreuzkorrelation liefert uns eine Maßzahl des Ähnlichkeitsgrades zwischen
zwei Signalen. Für zwei
gegebene Datumssätze,
x und y, ist die Kreuzkorrelation wie folgt definiert:
-
-
Diese
Gleichung gibt uns eine einzige Maßzahl bezüglich der Ähnlichkeit der zwei Signale.
Eine positive Summe gibt einen positiven Korrelationsgrad an. Wenn
die zwei Signale vollkommen unkorreliert sind, liegen die Ergebnisse
nahe bei Null.
-
Um
diese Gleichung effektiver zu nutzen, um die Position des Pulses
zu ermitteln, müssen
wir eine Phasenverschiebung eines der Signale einführen, wie
die folgende Gleichung zeigt:
-
-
Durch
Einführen
der Phasenverschiebung erhalten wird einen Satz von Datenpunkten
rxy(j), den wir scannen können, um
die Verschiebung zu finden, die dem maximalen Korrelationspegel
entspricht.
-
Die
Kreuzkorrelation kann rechnerisch ziemlich ineffizient sein, so
dass wir die Effizienz verbessern können, indem wir die Verwendung
eines FFT-Algorithmus wählen: rxy(j) = (1/N)F–1{X(–k)Y(k)} wobei:
- F–1
- = umgekehrte FFT
- X(–k)
- = FFT(–k)
- Y(k)
- = FFT(k)
-
Die
FFT-Gleichung ist vom Ergebnis her funktionell identisch mit der
ursprünglichen
Gleichung, erfordert jedoch lediglich (N/2)log2N-Operationen
pro FFT. Die Komplexität
wird weiter reduziert, indem die Referenzfunktion X(–k) vorberechnet
wird, was somit zu einer rechnerischen Komplexität von Nlog2N-Operationen führt. Dadurch
wird die Komplexität
des Berechnens der Abfolge um den Faktor 1.000 verringert.
-
Die
Vorrichtung der Erfindung wurde oben zur Verwendung beim Erfassen
verschiedener Bedingungen bei Übertragungsmedien,
z. B. von Leerläufen
und Kurzschlüssen
sowie von Verbindungsstellen und anderen Bedingungen beschrieben.
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Infolge
dessen, dass der Systementwurf auf verschiedene Plattformen angewendet
werden kann, eignet sich das System jedoch dazu, in ein Ausschalterformat
integriert zu werden, wodurch Vorlichtbogenbildungsbedingungen und
eine Vorlichtbogenbildungsposition in einem Leiter/einer Schaltung
identifiziert werden können,
bevor ein vollentwickeltes Lichtbogenbildungsereignis auftritt.
Pulse werden entweder kontinuierlich in vordefinierten zeitlich
gesteuerten Intervallen oder auf ereignisgetriebene Weise ausgesendet.
Wenn ein Lichtbogen zu entstehen beginnt, entweder dadurch, dass
der Leiter an eine Metallstruktur reibt, oder dadurch, dass zwei
Leiter aneinander reiben, erfasst das System „Kurzschluss"-Reflexionen als
Funktion der Zeit. Bei einem Vorlichtbogenereignis liegt entweder
eine Abfolge schnellerer Kurzschlüsse oder periodischer Kurzschlüsse vor,
die durch das System kontinuierlich protokolliert und verarbeitet
werden. Wenn viele Kurzschlüsse
an derselben Stelle auftreten, identifiziert das System dies als
Vorlichtbogenereignis.
-
Außerdem weist
das System die Fähigkeit
auf, die Reaktivität
verschiedener wärmeempfindlicher
Kabelsensoren wie z. B. eines linearen Wärmedetektors, Firewire, Thermocoax
entweder als einzelnen Sensor oder Gruppe von Sensoren, zu überwachen.
Wenn der Sensor derart reagiert, dass sich die Impedanz dieses Sensors ändert, wird
dies durch das System erfasst, lokalisiert und überwacht. Im Fall eines Brandes
ist das System somit in der Lage, die Richtung und die Geschwindigkeit
des Feuers und/oder der Temperaturänderung in Echtzeit anzugeben.
Außerdem
weist es die Fähigkeit
auf, wenn es mit einem Sensor vom Thermocoax-Typ verwendet wird,
alle derartigen kleinen Impedanzänderungen
in dem Sensor zu erfassen und aufzuzeichnen, dass eine direkte Beziehung
der Ohmmenge pro Grad-Celsius-Änderungsrate
in einem Tabellenformat eingerichtet werden kann. Mit diesen Daten
kann das System eine dreidimensionale thermographische Abbildung
auf jeglicher geeigneten Anzeigevorrichtung erzeugen.
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Das
System erzeugt und verwendet variable Pulse und verarbeitet als
solche die Rückreflexionen.
Im Fall mehrerer Verzweigungen wird jeder Puls, der erzeugt wird,
in allen Verbindungsstellen gesendet und zurückreflektiert, weshalb es bei
solchen Installationen schwierig wird, zu identifizieren, auf welcher
Seite sich der Defekt befindet. Bei diesem System liefern zwei Funktionen
Schlüsselinformationen
beim Bestimmen, auf welcher Seite sich der Defekt befindet. Erstens
ist eine Bestimmung der Länge
jedes einzelnen Zweiges zusammen mit der zeitgesteuerten Erzeugung
und Verarbeitung variabler, vorab zugewiesener Pulse möglich. Beispielsweise
kann für
eine reine Rechtsverzweigung eine Pulsbreite von 30 ns verwendet
werden und für eine
reine Linksverzweigung eine Pulsbreite von z. B. 20 ns. Obwohl alle
Pulse entlang aller Seiten erzeugt und reflektiert werden, liefert
ein Bestimmen dessen, welche Pulsbreiten welchen Seiten der Installation
zugeordnet sind, und ein Verarbeiten der Reflexionen dementsprechend
ein Mittel zum Bestimmen der jeweiligen Seite.
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Das
System der Erfindung liefert die Fähigkeit, unter Verwendung einer
statischen vordefinierten Impedanz variierende Kabeltypen und variierende
Kabelimpedanzen innerhalb derselben Einheit zu verarbeiten und verschiedene
Defekte in diesen Kabeln zu lokalisieren, interpretieren und identifizieren.
Das System ermöglicht,
dass ein „einadriger" Draht ohne bekannte
Impedanz identifiziert wird und dass die Impedanz berechnet wird.
Dieser „einadrige" Draht kann keinen
bekannten Rückpfad
aufweisen, und das System kann aus der berechneten Impedanz den
bekanntesten Rückpfad
erarbeiten und zuweisen. Anschließend kann eine automatische
Zuweisung des korrekten Schaltungspfads für den Draht durchgeführt werden,
um Defekte handhaben zu können.
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Die
Vorrichtung kann mit Wechselstrom-/Gleichstromleistung oder mit
Daten, die in dem Kabel übertragen
werden, verwendet werden. Die Vorrichtung kann verwendet werden,
um eine detaillierte Impedanzabbildung eines einzelnen Installationskabels
oder eines Installationskabelsatzes zu liefern. Ein automatisches Testen
der Impedanz von Verbindungsschaltungen und Verbindungen auf Schäden hin
kann durchgeführt
werden, bevor das Kabeltesten beginnt, und alle Erd-/Rückpfade
können
ebenfalls auf Defekte und eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit
hin getestet werden.
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Die
Vorrichtung kann auf verschiedene Hardwareplattformen und verschiedene
Software-Betriebsplattformen angewendet werden. Es können die
Authentizität
und Schäden
an tatsächlichen
Schnittstellenkabeln getestet werden.
