JP2006029801A - ケーブル損傷検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 既存ケーブルに対しても使用できるケーブル損傷検出方法を提供する。
【解決手段】 ケーブルに信号を送信し、その反射波を計測することによりケーブルの損傷を検出するケーブル損傷検出方法において、ケーブルに周波数が時間的に変化する送信信号ｔ１（ｔ２）を入力し、ケーブルからの反射信号ｒと送信信号ｔ２（ｔ１）とを周波数差分した差分信号ｄを記憶し、初期に記憶させた差分信号ｄ０の波形と現在の差分信号ｄの波形とを比較し、その変化量の大きさ、または時間変化、あるいはその両方を用いてケーブルの損傷を検出する方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ケーブルの断線等の損傷を検出するケーブル損傷検出方法及びその装置に関するものである。

電力線などに用いられる各種ケーブルの損傷にあっては、その芯線の断線状態などを外部から視認することができないため、電気的に検出し得るようにしたものがある。

例えば、特許文献１においては、被覆ケーブルの断線状態を確実に検出するために、溶接ケーブル内にケーブル断線を検出するための検出ケーブルを挿入し、溶接ケーブルにおける電源側電圧と負荷側電圧との電圧差を検出し、溶接ケーブルの損傷を判定する方法が記載されている。

特許第３４１５５３８号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、溶接ケーブルを構成するのに、電力ケーブル以外に検出ケーブルが必要なため、ケーブル外径が大きくなってしまうこと、既存ケーブルに適用できないことなどの問題点がある。

そこで、本発明の目的は、既存ケーブルに対しても使用できるケーブル損傷検出方法及びその装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、ケーブルに信号を送信し、その反射波を計測することによりケーブルの損傷を検出するケーブル損傷検出方法において、上記ケーブルに周波数が時間的に変化する送信信号を入力し、上記ケーブルからの反射信号と上記送信信号とを周波数差分した差分信号を記憶し、初期に記憶させた差分信号の波形と現在の差分信号の波形とを比較し、その変化量の大きさ、または時間変化、あるいはその両方を用いて上記ケーブルの損傷を検出するケーブル損傷検出方法である。

請求項２の発明は、上記ケーブルに、上記差分信号の周波数を低下させないように長さを調整した調整ケーブルを介して、上記送信信号を入力する請求項１記載のケーブル損傷検出方法である。

請求項３の発明は、健全ケーブルに上記送信信号を入力して得られる差分信号と現在の差分信号の波形とを比較する請求項１または２記載のケーブル損傷検出方法である。

請求項４の発明は、ケーブルに信号を送信し、その反射波を計測することによりケーブルの損傷を検出するケーブル損傷検出装置において、出力電圧が時間的に変化する発振器と、その発振器の出力電圧に対応させた周波数の送信信号を発生させる電圧制御発振器と、その電圧制御発振器から発生した送信信号を分岐させ、分岐した一方の送信信号を上記ケーブルに入力する分岐器と、上記ケーブルからの反射信号と分岐した他方の送信信号とを周波数差分した差分信号を出力するミキサと、そのミキサから出力した差分信号を記憶する記憶装置と、初期に記憶させた差分信号の波形と現在の差分信号の波形とを比較する演算装置とを備えたケーブル損傷検出装置である。

請求項５の発明は、上記分岐器と、上記ミキサと、上記ケーブル間に、分岐した一方の送信信号を上記ケーブルに入力し、上記反射信号をミキサに入力する方向性結合器を接続した請求項４記載のケーブル損傷検出装置である。

請求項６の発明は、上記方向性結合器と上記ケーブルとを、上記差分信号の周波数を低下させないように長さを調整した調整ケーブルで接続した請求項４または５記載のケーブル損傷検出装置である。

請求項７の発明は、上記演算装置は、健全ケーブルに分岐した一方の送信信号を入力して得られる差分信号の波形と現在の差分信号の波形とを比較する請求項４〜６いずれかに記載のケーブル損傷検出装置である。

本発明によれば、ケーブル損傷を検出するための検出ケーブルなどを付加することなく、既存ケーブルの損傷を検出できるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。まず、ケーブル損傷検出装置を説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態を示すケーブル損傷検出装置のブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るケーブル損傷検出装置１は、測定対象となるケーブル（被測定ケーブル、あるいは外部ケーブル）（図示せず）に信号を送信し、その反射波を計測することにより、ケーブルの断線等の損傷を検出するものであり、発振器としての三角波発生器２と、電圧制御発振器（以下、ＶＣＯと略す）３と、分岐器４と、方向性結合器５と、ミキサ６と、Ａ／Ｄコンバータ７と、演算装置８と、記憶装置としてのメモリ９とで主に構成される。

三角波発生器２は、出力電圧が時間的に変化する三角波を発生させて出力し、その三角波をＶＣＯ２に入力するものである。

ＶＣＯ３は、三角波発生器２から発生した三角波の出力電圧に対応させた周波数の送信信号を発生させて出力し、その送信信号を分岐器４に入力するものである。このＶＣＯ３により、周波数変調された送信信号を発生させることで、ケーブル損傷の検出精度が向上する。

分岐器４は、一入力二出力端子型の素子であり、ＶＣＯ３から発生した送信信号を２つに分岐させて同じ送信信号ｔ１，ｔ２として出力し、分岐した一方の送信信号ｔ１を方向性結合器５を介してケーブルに入力（送信、あるいは入射）し、分岐した他方の送信信号ｔ２をミキサ６の他方の入力端子に入力するものである。

方向性結合器５は、三端子型の素子であり、信号の伝播（伝搬）方向により分岐方向が異なるものである。方向性結合器５の各端子は、分岐器４の一方の出力端子と、ミキサ６の一方の入力端子と、ケーブルに接続されるアプローチケーブル１０とにそれぞれ接続される。

この方向性結合器５は、分岐した一方の送信信号ｔ１をアプローチケーブル１０を介してケーブルに入力し、ケーブルからの反射信号（受信信号）ｒを受信してミキサ６の一方の入力端子に入力する。

ミキサ６は、二入力一出力端子型の素子であり、ケーブルからの反射信号ｒと分岐した他方の送信信号ｔ２とを周波数差分した差分信号ｄを出力し、その差分信号ｄをＡ／Ｄコンバータ７に入力するものである。

ここで、周波数差分とは、横軸を時間にとり、縦軸を周波数にとって示される送信信号ｔ２の周波数波形と、反射信号ｒの周波数波形との差の絶対値をとることをいう（後述する図２（ｃ）参照）。

Ａ／Ｄコンバータ７は、差分信号ｄをＡ／Ｄ変換して出力し、その差分信号ｄを演算装置８に入力するものである。

メモリ９は、演算装置８を介して入力される差分信号ｄを記憶するものである。このメモリ９には、初期データとして、使用開始直後や正常に動作する使用中のケーブルに、分岐した一方の送信信号ｔ１を入力して得られる差分信号ｄ０が予め記憶される。また、メモリ９には、送信信号ｔ１（ｔ２）のデータ（図２（ｂ）で後述する繰り返し時間Ｔｕ、最大周波数偏移ΔＦ）も予め記憶される。

演算装置８は、Ａ／Ｄコンバータ７からの差分信号ｄを取り込んで周波数解析すると共に、メモリ９への差分信号ｄの保存、およびメモリ９からの差分信号ｄの呼び出し、初期に記憶させた差分信号ｄ０の波形と現在の差分信号ｄの波形との比較を行うものである。

演算装置８は、これら比較した２つの差分信号ｄ０，ｄの変化量の大きさ、または時間変化、あるいはその両方を用いて、２つの差分信号ｄ０，ｄの差異を検出し、ケーブルの損傷を検出（検知）する。演算装置８とメモリ９とは、例えば、コンピュータで構成される。

ここで、ケーブル損傷検出装置１の動作を説明する。

三角波発生器２からは、図２（ａ）に示すような出力電圧を時間的に変化させた三角波２１が発生し、ＶＣＯ３に出力される。ＶＣＯ３では、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）の三角波２１が周波数変調され、三角波２１の出力電圧に対応させた周波数の送信信号ｔ１（ｔ２）を発生する。

方向性結合器５にアプローチケーブル１０を介して電気的に接続されたケーブルは、たいてい遠端となる接続部に負荷が接続されており、かつ負荷のインピーダンスがケーブルのインピーダンスとは異なるため、接続部において、電気的な不連続点が生じ、入力された送信信号ｔ１が反射された反射波が発生する。

したがって、ミキサ６には、図２（ｃ）に示すように、分岐器４からの送信信号ｔ２と方向性結合器５からの反射信号ｒが入力される。ミキサ６は、これら送信信号ｔ２と反射信号ｒとを周波数差分し、差分信号ｄを出力する。この差分信号ｄの周波数ｆの値は、次式で与えられる。

ｆ＝（ΔＦ・２Ｒ）／（Ｔｕ・ｃ） （１）
Ｒ：反射距離
Ｔｕ：送信信号の繰り返し時間（図２（ｂ）参照）
ｃ：伝搬速度
ΔＦ：送信信号の最大周波数偏移（図２（ｂ）参照）
ただし、ｔ（＝２Ｒ／ｃ）：往復時間（図２（ｃ）参照）
したがって、演算装置８によって、ミキサ出力である差分信号ｄを取り込み、周波数解析により差分信号ｄの周波数ｆを得ることにより、式（１）から反射距離Ｒが求められるので、反射波が発生した地点（送信信号ｔ１の反射位置）を知ることができる。

次に、図１のケーブル損傷検出装置１を用いたケーブル損傷検出方法の一例として、ケーブルの断線検出を行う方法を説明する。

図３に示すように、移動するロボット（例えば、溶接ロボット）などの負荷としての機器３１と商用周波電源などの電源３２とが、測定対象のケーブルとしての移動用ケーブル３３で接続され、機器３１に移動用ケーブル３３で電源３２より電力が供給されている。移動用ケーブル３３は、３本のケーブル３３ａ〜３３ｃで構成され、そのうち１本のケーブル３３ｃが機器側および電源側でそれぞれ接地される。

この移動用ケーブル３３の断線検出を行うために、まず、ケーブル損傷検出装置（ケーブル損傷診断装置）１と２本のケーブル３３ａ，３３ｂの電源側とをアプローチケーブル１０で接続する。ケーブル損傷検出装置１は接地しておく。

アプローチケーブル１０のケーブル接続側は途中で２つに分岐される。分岐されたアプローチケーブル１０と各ケーブル３３ａ，３３ｂとは、各ケーブル３３ａ，３３ｂにそれぞれ接続された高周波信号注入（入力）用コンデンサ３４ａ，３４ｂを介して接続される。各ケーブル３３ａ，３３ｂのコンデンサ３４ａ，３４ｂとの接続点が信号注入部である。

各ケーブル３３ａ，３３ｂの信号注入部より電源側には、注入される送信信号ｔ１が電源３２に流入しないように高周波阻止用インダクタ３５をそれぞれ挿入する。また、機器３１のノイズカット機能が弱い場合は、各ケーブル３３ａ，３３ｂの機器側に、高周波阻止用インダクタ３６をそれぞれ挿入してもよい。

装置１から送信された送信信号ｔ１は、アプローチケーブル１０、コンデンサ３４を通過し、移動用ケーブル３３の導体を機器側に伝搬した後、機器３１と移動用ケーブル３３の接続部、またはインダクタ３６が挿入されている場合にはインダクタ３６で反射されて反射波となり、反射信号ｒとして装置１に戻ってくる。

装置１では、上述したように、この反射信号ｒと送信信号ｔ１（ｔ２）とを周波数差分した差分信号ｄ０を初期データとして予め記憶し、この差分信号ｄ０の周波数ｆを得ることで、式（１）から送信信号ｔ１の反射位置を得ることができる。

さて、この計測をある時間間隔で行っている間に、機器３１が移動することにより、移動用ケーブル３３が繰り返し屈曲を受け、移動用ケーブル３３の導体を構成する素線の断線が発生した場合には、その断線位置で送信信号ｔ１の反射波が発生する。

装置１の演算装置８は、このとき（現在）の差分信号ｄの波形と、初期に記憶した初期データの差分信号ｄ０の波形とを比較し、その変化量の大きさ、または時間変化、あるいはその両方を調べる。

例えば、演算装置８により、差分信号ｄと差分信号ｄ０の周波数ピーク高さを比較すると、差分信号ｄの方が差分信号ｄ０よりも低いため、周波数解析結果から、移動用ケーブル３３の断線の発生を知ることができる。

差分信号ｄの周波数ピーク高さが差動信号ｄ０より低くなるのは、断線時、送信信号ｔ１の反射位置がより装置１に近くなることで、反射信号ｒが装置１に早く戻り、図２（ｃ）に示した往復時間ｔが短くなるからである。

また、差分信号ｄと差分信号ｄ０の時間変化として、例えば、往復時間ｔの長さを比較すると、差分信号ｄの方が差分信号ｄ０よりも短いため、この場合も周波数解析結果から、移動用ケーブル３３の断線の発生を知ることができる。差分信号ｄと差分信号ｄ０の周波数ピーク高さ、往復時間ｔの両方を用いて、移動用ケーブル３３の断線の発生の有無を検出してもよい。

さらに、装置１の演算装置８によって、使用中の移動用ケーブル３３とは別の健全ケーブルに送信信号ｔ１を入力して得られる差分信号の波形と、現在の差分信号ｄの波形とを比較することにより、初期データの差分信号ｄ０がなくても、移動用ケーブル３３の断線等の損傷を検出したり、移動用ケーブル３３の故障を診断することも可能である。

移動用ケーブル３３に十分な長さがない場合には、往復時間ｔが短くなり、差動信号ｄの周波数が低くなるため、直流付近のノイズに差分信号ｄが埋もれてしまうことが考えられる。この場合には、アプローチケーブル１０として、差分信号ｄの周波数を低下させないように長さを適宜調整した調整ケーブルを用いればよい。

移動用ケーブル３３に、この調整ケーブルを介して送信信号ｔ１を入力すれば、往復時間ｔが長くなり、差動信号ｄの周波数が高くなるため、所望の周波数の差動信号ｄを得ることができる。

このように、本実施の形態に係るケーブル損傷検出方法では、まず、周波数が時間的に変化する（周波数変調した）送信信号ｔ１（ｔ２）を移動用ケーブル３３に送信しながら、同時に移動用ケーブル３３からの反射信号ｒを受信する。さらに、反射信号ｒと送信信号ｔ２とを周波数差分した差分信号ｄを記憶し、初期に記憶した差分信号ｄ０と現在の差分信号ｄを比較することで、移動用ケーブル３３の断線等の損傷を検出できる。

つまり、本実施の形態に係るケーブル損傷検出方法は、電波高度計などのレーダに広く用いられているＦＭＣＷ（周波数変調連続波）方式をケーブル診断に応用したものである。

したがって、本実施の形態に係るケーブル損傷検出方法によれば、ケーブル損傷を検出するための検出ケーブルなどを付加することなく、既存ケーブルの断線等の損傷を検出できる。

また、ケーブル損傷検出装置１によれば、本実施の形態に係るケーブル損傷検出方法を容易に実施できる。

上記実施の形態では、測定対象のケーブルとして、移動用ケーブル３３を用いた例で説明したが、測定対象のケーブルとしては、例えば、自動車などの車両に搭載される車載ハーネス用ケーブルを用いてもよく、この場合も、上述と同様にして断線等のケーブル損傷を検出できる。

本発明の好適な実施の形態を示すケーブル損傷検出装置のブロック図である。 図２（ａ）は三角波発生器から発生した信号の波形の一例を示す図、図２（ｂ）はＶＣＯから発生した送信信号の波形の一例を示す図、図２（ｃ）は送信信号、反射信号、差分信号の波形の一例を示す図である。 図１に示したケーブル損傷検出装置を用いて、ケーブルの断線検出を行う方法を説明するブロック図である。

符号の説明

１ ケーブル損傷検出装置
２ 三角波発生器（発振器）
３ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）
４ 分岐器
５ 方向性結合器
６ ミキサ
８ 演算装置
９ メモリ
ｔ１，ｔ２ 送信信号
ｒ 受信信号
ｄ 差分信号

Claims (7)

1. ケーブルに信号を送信し、その反射波を計測することによりケーブルの損傷を検出するケーブル損傷検出方法において、上記ケーブルに周波数が時間的に変化する送信信号を入力し、上記ケーブルからの反射信号と上記送信信号とを周波数差分した差分信号を記憶し、初期に記憶させた差分信号の波形と現在の差分信号の波形とを比較し、その変化量の大きさ、または時間変化、あるいはその両方を用いて上記ケーブルの損傷を検出することを特徴とするケーブル損傷検出方法。
2. 上記ケーブルに、上記差分信号の周波数を低下させないように長さを調整した調整ケーブルを介して、上記送信信号を入力する請求項１記載のケーブル損傷検出方法。
3. 健全ケーブルに上記送信信号を入力して得られる差分信号と現在の差分信号の波形とを比較する請求項１または２記載のケーブル損傷検出方法。
4. ケーブルに信号を送信し、その反射波を計測することによりケーブルの損傷を検出するケーブル損傷検出装置において、出力電圧が時間的に変化する発振器と、その発振器の出力電圧に対応させた周波数の送信信号を発生させる電圧制御発振器と、その電圧制御発振器から発生した送信信号を分岐させ、分岐した一方の送信信号を上記ケーブルに入力する分岐器と、上記ケーブルからの反射信号と分岐した他方の送信信号とを周波数差分した差分信号を出力するミキサと、そのミキサから出力した差分信号を記憶する記憶装置と、初期に記憶させた差分信号の波形と現在の差分信号の波形とを比較する演算装置とを備えたことを特徴とするケーブル損傷検出装置。
5. 上記分岐器と、上記ミキサと、上記ケーブル間に、分岐した一方の送信信号を上記ケーブルに入力し、上記反射信号をミキサに入力する方向性結合器を接続した請求項４記載のケーブル損傷検出装置。
6. 上記方向性結合器と上記ケーブルとを、上記差分信号の周波数を低下させないように長さを調整した調整ケーブルで接続した請求項４または５記載のケーブル損傷検出装置。
7. 上記演算装置は、健全ケーブルに分岐した一方の送信信号を入力して得られる差分信号の波形と現在の差分信号の波形とを比較する請求項４〜６いずれかに記載のケーブル損傷検出装置。
   

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