DK148270B - Maalesystem til lokalisering af et sted langs en elektrisk leder, hvor der er foregaaet en impedansaendring saasom et brud eller en kortslutning - Google Patents

Description

148270

Den foreliggende opfindelse angår et målesystem til lokalisering af et sted langs en elektrisk leder, hvor der er foregået en impedansændring såsom et brud eller en kortslutning.

Et sådant sted vil ofte udgøre et fejlsted, der bør lokaliseres og repareres, og der har været udviklet forskellige målesystemer, ved hvis hjælp et sådant fejlsted kan lokaliseres ved elektrisk måling fra en eller begge ender af længden af lederen. Lederen kan være et kabel eller en ledning eller evt. et metalrør i almindelig brug, eller den kan udgøres af en tråd, der strækker sig langs en eller anden langstrakt struktur og tjener til at muliggøre detektering af visse typer af fysiske ændringer i strukturens omgivelser et eller andet sted langs denne. Et særligt eksempel i så henseende er brugen af en elektrisk ledning indlejret i isolationen i et varmeisoleret rør i et underjordisk rørsystem f. eks. til fjernvarmevand; i sådanne rør er isolationen beskyttet af et ydre beskyttelsesrør, der tjener til at forhindre indtrængning af vand, der ville gøre isolationen ineffektiv og give anledning til korrosion på det indvendige metalliske vandrør. Ved brug af nævnte elektriske ledning eller flere sådanne ledninger er det muligt ad elektrisk vej at detektere en mulig indtrængning af vand eller fugtighed i det tørre isolationsmateriale, og det vil ydermere være muligt at stedbestemme det defekte sted, fordi der her vil ske en lokal impedansændring fremkaldt af fugtigheden. En mere eller mindre udpræget kortslutning vil etableres mellem ledningen og en anden ledning eller jorden, og det vil være en elementær fremgangsmåde at lokalisere fejlstedet ved hjælp af en såkaldt bromåling fra begge ender af ledningen.

Der er imidlertid blevet udviklet lettere udførlige målefrem-' gangsmåder, der grunder sig på, at en ledningsdel, ved hvilken der har fundet en ændring i impedansforholdet sted, er i stand til at reflektere en elektrisk impuls, som sendes ud i ledningen fra den ene ende deraf, hvorved det er tilstrækkeligt fra den ene ende af ledningen at måle løbetiden for en impuls fra ledningsenden (eller måleapparatet) og tilbage igen, efter at 148270 2 impulsen er reflekteret fra det" defekte" sted.

Opfindelsen angår nærmere betegnet et målesystem af denne sidstnævnte type, nemlig af den art, som er angivet i indledningen til krav 1.

I et kendt målesystem af denne art udsendes impulser med ekstremt lille varighed, og tilbagekomsten af de reflekterede impulser registreres ved hjælp af en oscillograf, der arbejder med meget høj sweep-hastighed, hvorved reflektionen vil ses som et blip et eller andet sted langs skærmens tidsakse, og positionen af dette blip på aksen vil være repræsentativt for positionen af det sted langs ledningen, hvorfra impulserne er reflekteret.

Tidsaksen på skærmen repræsenterer hele ledningslængden i stærkt sammentrængt form, således at målenøjagtigheden ikke vil være særlig stor, og det ville være ret vanskeligt at frembringe et aflæseligt måleresultat på andet end netop en oscillograf.

I et andet kendt målesystem gøres brug af impulser af forholdsvis stor varighed, nemlig så stor at fronten af en udsendt impuls kan nå frem til den modsatte ende af den overvågede trådlængde og reflekteres tilbage igen inden udsendelsen af impulsen er ophørt. Måleresultatet ved den ende af kablet, hvorfra impulsen udsendes vil så være impulsspændingen, indtil det reflekterede signal kommer tilbage til målestedet, hvorefter måleresultatet vil være spændingen af den udsendte impuls overlejret med spændingen af den reflekterede impulsfront. Den resulterende spændingsændring kan aflæses på en oscillograf, dog uden større nøjagtighed i forhold til førstnævnte metode. I begge målesystemer vil det være muligt ved hjælp af den såkaldte"sampling"-teknik, ved hvilken man udfører en trinvis detektering af oscillo-grafvisningen i mange punkter langs med tidsaksen, at opnå mere nøjagtige måleresultater, men dette ville være en temmelig dyr løsning, og iøvrigt vil udstyret normalt kræve at betjenes af folk med højere uddannelse.

3 148270

Det skal nævnes, at det omtalte reflektionssted ikke nødvendigvis skal være et fejlsted, idet det på anden måde kan være ønskeligt at udføre en stedbestemmelse af et punkt langs en leder, hvor der forekommer en karakteristisk impedansafvigelse på en sådan måde, at der kan reflekteres impulser fra det pågældende sted.

Opfindelsen har til formål at angive et målesystem, ved hvis hjælp et impulsrefleksgivende sted langs en leder kan detekteres og lokaliseres med god nøjagtighed og med brug af et rimeligt simpelt udstyr.

Systemet ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved de træk, der er angivet i den kendetegnende del af krav 1. Ved brug af dette system vil det naåvnte styresignal fra detektoren fremkomme i forbindelse med den af de udsendte impulser, hvis impulsbredde netop svarer til en løbetid frem og tilbage mellem målestedet og det reflekterende sted på lederen, og den pågældende impuls vil automatisk blive identificeret ved hjælp af de nævnte identifikationsorganer. Da varigheden af den identificerede impuls er kendt, kan man herudfra finde afstanden til reflektionsstedet. Principielt forekommer der ingen problemer svarende til den korte tidsakse på en oscillograf, fordi der slet ikke er brug for en tidsbasis svarende til impulsløbetiden til og fra den yderste ende af lederen. Om ønsket kan de nævnte individuelle impulser i hver impulsserie udsendes på vilkårlige tidspunkter, og hver serie kan indeholde ethvert Ønsket antal af individuelle impulser; der kan således arbejdes med ekstremt korte tidsforskelle mellem de forskellige impulser, hvilket betinger opnåelsen af en høj grad af nøjagtighed i lokaliseringen af det reflekterende sted, idet der for overvågning af en given lederlængde kan benyttes så mange forskellige impulser som svarende til relativt tæt beliggende "målepunkter" langs hele lederlængden.

I en foretrukken udførelsesform for systemet ifølge opfindelsen frembringes impulserne i hver impulsserie med en konstant forudbestemt impulsfrekvens, og således at de er af jævnt stigende eller faldende varighed, og impulsidentifikationsorganerne 148270 4 udgøres af en simpel tæller til optælling af de suc-cesive impulser; når detektoren afgiver sit styresignal ved fremkomsten af den impuls, hvis bredde eller varighed svarer til impulsfrontens frem- og tilbageløb mellem målestedet og det reflekterende sted, påvirkes tælleren til at standse tællingen eller vise det pågældende tællerresultat, således at den pågældende impuls kan identificeres ved hjælp af et digitalt viserpanel, som afslører det pågældende tællertrin. Ved passende justering kan man herved opnå en digital udlæsning der direkte viser antallet a"f meter (eller andre længdeenheder) fra målepunktet til det reflekterende punkt, og målesystemet kan herved udføres som et robust måleapparat, der kan benyttes uden at der stilles særlige krav til operatøren.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere i forbindelse med tegningen, på hvilken fig. 1 er et skematisk diagram af et målesystem ifølge opfindelsen, fig. 2 en grafisk afbildning af nogle enkelte impulser i en impulsserie fig. 3 en tilsvarende afbildning af to på hinanden følgende impulsserier, fig. 4 en grafisk afbildning af frembringelsesmåden for impulserne, fig. 5 et skematisk billede af en overvåget ledningslængde,og fig. 6-9 grafiske illustrationer af den måde, hvorpå stedsbestemmelsen af det reflekterende sted på lederen fremkommer.

Fig. 1 viser en kabellængde 2, som skal overvåges, eller hvori der er konstateret en defekt f.eks. i form af en kortslutning et eller andet sted langs kablets længde, hvorefter det er ønsket at lokalisere det pågældende fejlsted D. Et målesystem er forbundet til den ene ende M af kablet med henblik på at finde afstanden fra M til D ved hjælp af impulsreflektion fra D. Kortslutningen kan forekomme direkte til jord eller til en anden leder 4, der strækker sig langs med lederen 2, eksempelvis i form af et metallisk vandrør omgivet af en tør isolation, hvori lederen 2 er indlejret.

Hovedkomponenterne og virkningen af målesystemet er som følger: 148270 5

En impulsgenerator 6 tjener til at frembringe succesive impulsrækker hver indeholdende et antal impulser frembragt med fast impulsfrekvens, men med gradvis stigende impulsbredde som vist i fig. 2.- Et par på hinanden følgende impulsserier er vist i fig. 3, og de føres til en måleende M af kablet 2 igennem en impedans 8. De enkelte impulser i impulsrækkerne føres yderligere som strobeimpulser til en detektor 10 gennem en ledning 12, og yderligere føres impulserne fra udgangen af generatoren 6 til en tæller 14 gennem en ledning 16, hvilken tæller 14 er indrettet til fortløbende at optælle de enkelte impulser i hver impulsrække og til at udvise sit tælleresultat på en digitalviserskærm 18. Ledningsenden M er desuden forbundet til detektoren 10 gennem en ledning 20, og udgangen fra detektoren 10 er forbundet til tælleren 14 gennem en ledning 22.

Hver enkelt impuls, som fra generatoren 6 tilføres punktet M, vil føres til detektoren 10 gennem ledningen 20 dels som en hovedimpuls P direkte fra punktet M og dels som en reflekteret impuls PR, der betegner den fra stedet D reflekterede impuls.

Den karakteristiske impedans af impulsgeneratoren 6 og ledningen 2 er således afpasset, at der ikke vil forekomme nogen impuls-reflektion, hvis der ikke optræder uregelmæssige impedansforhold langs ledningen 2, og i så fald vil detektoren 10 alene modtage hovedimpulserne P. Såfremt der optræder et sted D med ændrede impedansfoxhold, hvorved impulserne vil kunne reflekteres fra dette sted, vil de første impulser i hver impulsrække kunne være af så lille bredde, at hovedimpulserne P, jfr. fig. 1, vil modtages af detektoren 10 inden modtagelsen af den tilhørende reflekterede impuls P_, men efterhånden som de følgende impulser i impulsrækken bliver bredere vil der opstå en situation, hvori hovedimpulsen P har en bredde svarende til løbetiden af impulsfronten ud til punktet D og tilbage til detektoren, hvorved denne på samme tid vil påtrykkes såvel spændingen fra hovedimpulsen P som den overlejrede spænding fra den reflekterede frontdel af samme impuls, og detektoren 10 er således indrettet, at den herved frembringer et udgangssignal til tælleren 14. Bredden eller varigheden af den første impuls, som fremkalder denne virkning, vil være betegnende for afstanden ud til punktet D, og den pågældende impuls vil kunne identificeres derved, at udgangssig- 6 148270 nalet fra detektoren 10 bringes til at standse optællingen i tælleren 14, således at man ud fra den tilhørende visning på digitalskærmen 18 kan erkyndige sig om, hvilken af de succe-sive impulser, der har fået detektoren 10 til at reagere. Da varigheden af den pågældende impuls vil være kendt, kan man herud fra let bestemme afstanden til fejlstedet D.

Hvis der skal arbejdes med ret stor målenøjagtighed, må tidsforskellen mellem de på hinanden følgende impulser være lille, og de første impulser i hver impulsrække må være af ekstremt kort varighed. For at sætte tælleren 14 i stand til at optælle sådanne meget kortvarige impulser, bør der i forbindelsesledningen 16 fra impulsgeneratoren 6 til tælleren 14 være indskudt en kreds 24, der tjener til at forøge impulsbredden af i det mindste de mest kortvarige impulser fra generatoren 6, således at tælleren 14 med sikkerhed fremtælles et trin for hver gang, der afgives selv en kortvarig impuls fra generatoren 6. Et yderligere særligt træk ved det viste system er, at der i ledningen 22 mellem udgangen af detektoren 10 og styreindgangen på tælleren 14 er indskudt en enhed 26 i form af en såkaldt "blanking control", der er forbundet med digitalpanelet 18 på en sådan måde, at panelet kun lyser op, når det tællertrin er nået, ved hvilket detektoren 10 får tælleren til at standse; viserpanelet vil således lyse op på intermitterende måde og vise det pågældende tællertrin hver gang dette nås ved optællingen af de successive impulser i de på hinanden følgende impulsserier, og disse serier kan fremkomme så hurtigt efter hinanden, at panelet i praksis vil vise det pågældende tællertrin uden at blinke.

I en eksempelvis udførelse af målesystemet er dette beregnet til at overvåge en rørlængde 4 med en tilhørende i isolationen indlejret trådlængde 2 på en kilometer, og hver impulsserie rummer e-t antal af et tusinde operative impulser, idet breddeforskellen mellem de på hinanden følgende impulser svarer til impulsløbetid eller -længde på to meter, dvs. svarende til en trådlængde på en meter. Herved vil de tusinde impulser (eller op til 999) kunne optælles på panelet 18, og ved fremkomsten af et reflektionssted D vil man således på panelet 18 kunne 148270 7 foretage en direkte aflæsning af antallet af meter ud til stedet D. Det vil dog forstås, at de her angivne parametre vil kunne vælges passende til andre formål, idet det dog i praksis vil volde tekniske problemer at arbejdemed løbetidsforskelle svarende til væsentlig under en meter.

De på hinanden følgende serier af impulser med varierende bredde vil kunne frembringes på en af flere mulige måder, fortrinsvis som vist i fig. 4, der øverst angiver det kombinerede udgangssignal af to såkaldte rampegeneratorer hvoraf den ene frembringer en savtakspænding S bestående af en regelmæssig række af trekantede impulser med stejlt stigende forsider eller ramper R., medens den anden rampegenerator frembringer forholdsvis meget lange trekantimpulser med svagt hældende rampe R2· Begyndelsen af hver rampe R2 svarer til begyndelsen af en af de i fig. 3 viste impulsserier, og de enkelte impulser i disse serier afledes af skæringerne mellem ramperne R^ og R2, hvorved der som vist nederst i fig. 4 vil frembringes impulser P med jævnte stigende bredde langs hele rampen R2. Imidlertid benyttes kun en dellængde af rampen R2 til denne impulsproduktion, hvorved der tilvejebringes en afstand A, fig. 3, imellem de på hinanden følgende impulsserier. Efter den måde, hvorpå impulserne er frembragt i det givne eksempel, vil det forstås, at bagsiderne af de firkantede impulser P vil ligge i konstant afstand fra hinanden ( afstanden B, fig. 4), medens impulsfronterne vil fremkomme med stadigt stigende afstand foran de faste bagsider.

Fig. 5 viser en rørlængde 4 med tilhørende overvågningstråd 2, hvor et fejlsted D optræder i en afstand af ca. 700 m fra måleenden M. Når en impulsserie (fig. 3) udsendes fra den som helhed med 1 betegnede måleindretning, vil de første mange impulser med kort bredde, f.eks.de i fig.6 viste impulser P^ og P2, blive reflekteret fra stedet D, uden at de pågældende reflekterede impulser PR^, PR2 når at komme tilbage til detektoren før de udsendte impulser P^ og ?2 er ophørt. Efterhånden som impulsbredden tiltager vil der som vist i fig. 7 fremkomme en situation , hvor en bestemt impuls, nemlig den med P^ ^ g betegnede impuls vil frembringe en reflekteret impuls P^^g, hvis frontside fremkommer til detektoren umiddelbart efter at udsendelsen af impulsen ^7^ er ophørt, hvorefter den følgende reflekterede 148270 8 impuls PR7-7 vil fremkomme til detektoren umiddelbart før udsendelsen af den tilhørende impuls 7 ophører. Derefter vil naturligvis alle følgende impulser i samme impulsserie blive reflekteret således, at de reflekterede fronter ankommer til detektoren, medens de pågældende impulser fortsat er under udsendelse.

De af generatoren 6 frembragte impulser, der gennem ledningen 12 føres til detektoren 10, udnyttes som strobeimpulser, der tjener til at aktivere en kreds til detektering af indgangsspændingen fra ledningen 20 på detektoren og til at gøre denne detektering uvirksom i nøjagtig afhængighed af standsningen af udsendelsen af den pågældende impuls. I fig. 7 er de operative perioder af detektoren betegnet med og . Det vil for stås, at der under måleperioden V^g kun vil blive målt spændingen af hovedimpulsen P^g, medens der ved slutningen af perioden vil måles ikke alene spændingen af den udsendte impuls P717 men. yderligere den nu overlejrede spænding af den reflekterede impuls PR7<|7r hvilket giver anledning til en pludselig og væsentlig ændring i den målte spænding (uanset om den reflekterede impuls er positiv eller negativ), og denne væsentlige spændingsændring er forholdsvis let at detektere ved hjælp af egnede kredsløb, der ikke skulle behøve nærmere beskrivelse på dette sted. Den målte spænding er vist skematisk i fig. 8, hvor nævnte spændingsændring forekommer på tidspunktet t^^.

Detektoren 10 frembringer sit udgangssignal, så snart den nævnte spændingsændring detekteres, hvorved tælleren 14 standses og viserpanelet 18 aktiveres til visning af det pågældende tællertrin under den tilbageværende periode af impulsserien. Derefter vil påbegyndes en ny måleperiode ved begyndelsen af den næste impulsrække, og da impulsrækkerne kan udsendes hurtigt efter hinanden, vil visningen på panelet 18 fremtræde som stationær, omend sidste ciffer vil kunne svinge en smule alt efter kvaliteten af systemet og beliggenheden af punktet D, nemlig hvis punktet ligger ved den naturlige overgang mellem en visning og den næste.

Målesystemet ifølge opfindelsen er anvendeligt ikke blot til detektering af en mere eller mindre udpræget kortslutning 148270 9 mellem ledningen 2 og omgivelserne, men også til detektering af et brud på tråden 2. Hvis det defekte punkt D repræsenterer et ledningsbrud.vil de reflekterede impulser blive positive, medens de vil være negative, hvis punktet repræsenterer et sted med reduceret impedans i forhold til den karakteristiske impedans af generatoren 6 og ledningen 2 under normale forhold.

I fig. 8 er det nedenunder tidsaksen vist med punkterede linier, at man i stedet for at detektere et fald i den positive spænding vil kunne detektere en stigning i en negativ spænding.

Fig. 9 svarer til fig. 7, men viser impulsforholdene ved registrering af et ledningsbrud, hvor impulserne reflekteres som positive impulser. De anførte talværdier viser, at der tænkes på et brudsted beliggende to trediedele ude af ledningen. Når foonten af impulsen Pgg-^ returnerer til detektoren som en reflekteret front, vil dens spænding adderes til spændingen på bagsiden af den udsendte impuls Pgg^» hvorved den resulterende spændingsændring vil registreres ved slutningen af den med betegnede måleperiode, ganske som beskrevet i forbindelse med fig. 8, omend det kan være nødvendigt at gøre brug af separate detektorkredsløb for de to typer af detekteringer.

I stedet for at standse optællingen i tælleren 14 ved fremkomsten af detekteringssignalet kunne man lade tælleren fortsætte optællingen, når blot signalet giver anledning til en visning på panelet 18 af nummeret på den impuls, som har givet anledning til detektorsignalet; det skal så blot sikres, at signalet udnyttes til at gøre detektoren uvirksom under resten af perioden for den pågældende impulsserie.

Som nævnt kan der arbejdes med impulsserier, hvori impulsbredden er jævnt aftagende i stedet for tiltagende, da man jo ligeså vel vil kunne registrere den modsat gående overgang mellem impulserne P^g og ^717 j^r· fig· 7 og 8. Principielt behøver impulserne ikke at ændre impulsbredde på jævn måde, når blot man ved hjælp af en egnet identifikationsindretning såsom tælleren 14 kan identificere den impuls, som giver anledning til fremkomst af detektorsignalet. For opnåelse af den ønskede virkning stilles ikke primært noget krav til, at 148270 10 impulserne skal udsendes med noget indbyrdes fast tidsforhold, når blot man ved hver impulsudsendelse kender varigheden af den pågældende impuls eller bagefter kan bestemme varigheden af den impuls, som viser sig at give anledning til et detektorsignal. Eksempelvis kan man forestille sig, at man i et lidt grovere system arbejder med skalastyret fastlæggelse af varigheden af de udsendte impulser fra generatoren 6, medens tælleren 14 erstattes med en signallampe, som lyser op, når man ved drejning af skalaen når til den indstilling, ved hvilken fejlstedet "opt’ages", hvorved den udslagsgivende impuls kan identificeres på skalaen.

I praksis kan målesystemet ifølge opfindelsen anvendes enten som stationært udstyr anbragt i marken ved den ene ende af det kabel eller den langstrakte struktur, som skal overvåges, eksempelvis således, at der opstilles et måleapparat for hver partiel længde på en kilometer af rørene i et fjernvarmesystem, eller det kan udføres som en transportabel enhed til forbindelse med de enkelte overvågningsstrækninger, hvor blot kravet om impedanstilpasning mellem måleudstyret af målestrækningerne skal iagttages. Ved brug af en fast installation af udstyret beregnet til overvågning af f. eks. en strækning på en kilometer vil man dog kun behøve en måleindretning for hver to kilometer, idet der kan arbejdes med indbyrdes afbrudte overvågningsledninger, således at man på målestedet ved brug af en omskifter kan måle en strækning på en kilometer ud til begge sider for måleindretningen. Når der i rørsystemet benyttes to parallelle rør, kan man tilsvarende fra hvert målested ved hjælp af en passende, f. eks. elektronisk, omskifter overvåge alle fire kilometer ledningslængde, som støder op til målestedet.

Navnlig i forbindelse med større fjernvarmerørsystemer eller meget lange rørstrækninger af tilsvarende art, f.eks. isolerede olieledninger, vil det for opnåelse af god målenøjagtighed være hensigtsmæssigt at arbejde med adskillige målesteder i systemet, da meget lange overvågeningsstrækninger øger risikoen for forstyrrelser i det ideelle impulsbillede. Når der således skal arbejdes med et større antal af måleindretninger, vil det være muligt at samle resultataflæsningen på et centralt sted.

148270 11 ved brug af enhver egnet form for hjemtransmission af måleresultaterne, eksempelvis indmoduleret på individuelle bærefrekvenser hidrørende fra tonegeneratorer i forbindelse med de enkelte måleindretninger , hvorved hjemtransmissionen kan finde sted over en fælles signalledning.

Claims (2)

148270 PATENTKRAV :

1. Målesystem til lokalisering af et sted (D) langs en elektrisk leder (2), hvor der er foregået en impedansændring såsom et brud eller en kortslutning, hvilket system omfatter en impulsgenerator (6) til afgivelse af impulser til lederen fra den ene ende (M) deraf samt en tilhørende modtager til detektering af tilbagekomsten af impulser reflekteret fra nævnte sted, hvilken generator og modtager er forbundet med en indikeringsenhed til bestemmelse af tidsrummet for frem- og tilbageløbet af den reflekterede impuls og tilsvarende visning af afstanden ud til det pågældende sted, kendetegnet ved, at impulsgeneratoren (6) er indrettet til at afgive impulsserier hver indeholdende et antal impulser (P) med individuel varighed eller bredde, fortrinsvis jævnt stigende eller jævnt aftagende bredde, mellem en minimumbredde svarende til frem- og tilbageløb af impulsen mellem målestedet og et punkt af lederen forholdsvis nær målestedet og en maksimumbredde svarende til frem- og tilbageløb mellem målestedet og et punkt i det mindste nær den anden ende af den den lederstrækning, der skal måles eller overvåges, og at nævnte modtager omfatter en detektor (10) til afgivelse af et styresignal ved tilbagekomst af en reflekteret impulsfront, når denne tilbagekomst i det væsentlige er sammenfaldende med afslutningen af den tilhørende udsendte impuls, hvorhos der findes impulsidentifikationsorganer (14,18) til afgivelse af informationer, der selektivt identificerer de udsendte individuelle impulser med hensyn til impulsbredden deraf, hvilke identifikationsorganer er forbundet med detektoren (10) på en sådan måde, at de af dennes styresignal påvirkes til afgivelse af information til identifikation af den impuls, som har fremkaldt styresignalet.

2. Målesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved,