JP3628701B2 - 遮へい完全性モニタ - Google Patents

Description

発明の背景
電磁障害によってフライバイワイヤ（FBW）航空機制御システムが混乱し、または故障するおそれがあることは深刻な問題である。遮へい有効度が下がると、有害なレベルの電磁障害に臨界アビオニクス回路がさらされる確率が高まる。この結果、断続的なデータ送信エラーといった問題が一般に生じるが、システムが完全に故障する場合もある。多くの適用例において、航空機の一部分の制御回路から別の制御回路へ航空機制御信号を経路づけるために遮へいされたワイヤが用いられる。雷および高強度放射性電界（HIRF）信号といった危険な環境の電磁効果にワイヤがさらされるおそれがあるときには、ワイヤ遮へいの完全性は決定的な要因となる。したがって、特定のワイヤの遮へいについての完全性が非侵入的にテストされることが所望される。
背景技術
従来、ワイヤ電磁遮へいが完全であるかどうかの確認は定期的な目視検査によって行なわれてきた。ワイヤ遮へいの完全性を確認するためにいくつかの標準電気テストも利用できる。しかしこれらのテストは典型的に、回路が外部的に探査または切離されることを必要とし、かつ回路が専用器具によって検査されることを必要としてきた。これらの方法は熟練した技術者を必要とし、かつ通常のメンテナンス周期の間の故障を特定することしかできないため、不便なことが多い。
いくつかの特許は、たとえば米国特許第3,667,034号は、このように固定される共振周波数に関する先行技術に係わり、電気巻線（ケーブルではない）をテストする。さらに日本国特許第52−45034号に関し、これは変換器によって部分的に発生された共振電流の変化を識別することによって電力線の接触不良を検出する。ゲール（Gale）の米国特許第3,781,665号、ハイン（Heins）の米国特許第3,728,610号およびソヴィエト社会主義共和国連邦特許第746,343号は線における大きな故障箇所までの距離を決定するために共振振動を利用する。ジーリングス他（Jeerings et al.）のさらなる米国特許第4,851,782号は故障を検出するために電流電圧の位相変化を利用する。
発明の概要
電圧変換関数の自然共振を用いて、ワイヤに対する遮へいの完全性を自動的に、かつ非侵入的に検証するための装置および方法である。
【図面の簡単な説明】
この発明のさらなる利点および使用は、添付の図面と関連して読まれると、以下のこの発明の好ましい実施例の詳細な説明からより明らかになるだろう。
図１は、本件の遮へい完全性モニタ（SIM）のシステムの概念を示すブロック図である。
図２は、複数の、内部コアワイヤ導線を有する遮へいされたケーブルの図である。
図３は、図２のケーブルの等価低周波数回路の概略図である。
図４は図３の等価低周波数回路の電圧変換関数の大きさを典型的に描く図である。
図５は本件のSIM送信回路および受信回路のシステム図である。
図６は、テスト信号の定義を示し、さらにケーブル電圧変換関数によって変形されたテスト信号を示す図である。
図７は、テスト信号が受信回路によってどのように復調されるかを示し、すなわち図５のシステムの振幅検出器を出た後のテスト信号を示す図である。
図８は、図５のシステムの他の制御信号、すなわちピークタイミングトリガ信号、表示有効信号、リセット信号、振幅検出禁止信号および振幅検出器信号出力の波形を示す図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図１は、本件の遮へい完全性モニタ（SIM）の基本的な概念を示す。モニタ回路はモニタされるべき一続きの遮へいワイヤ10の両側に配置される。動作しないときには、SIMは単に、２つの制御装置12と24との間に信号を通過させることとなる。SIMは制御回路にとってトランスペアレントである。動作するときは、SIMモジュールのうち１つ（送信モジュール26）がテスト信号を送り、このテスト信号は遮へいケーブル10を通り、その後、他方のSIMモジュール（受信28）によって分析されることとなる。テスト信号の特定的な特性は、遮へい回路10が完全であるかどうかを示す。SIM機能は制御回路の中に直接統合されて、通常の制御回路構成動作の間で動作するよう設計される。フィルタ処理されるならば、さらなるオプションとして制御回路の通常動作の間、遮へいモニタ回路を動作してもよい。
SIMの動作の理論
SIMは、遮へいされたワイヤの電圧変換関数の非常に具体的な特徴を測定することによって遮へい回路が完全であるかどうかを判断する。図２は、典型的な遮へいされたワイヤシステムを示し、かつ入力および出力電圧を規定する。
遮へいされたワイヤ10によって伝えられた信号の周波数が十分低く、ワイヤの長さが波長に比べて短いとき、図２に示されたケーブル10は、遮へいされたワイヤの自己インダクタンスに対応する等価回路によって適度にモデル化されてもよい。キャパシタンスはコアワイヤと遮へいとの間のキャパシタンスに対応する抵抗はコアワイヤの抵抗に対応する。インダクタンスおよびキャパシタンスはともに、ケーブルの長さの関数となる。重要なことにさらに、インダクタンス値はワイヤの周りの遮へいの完全性の関数として変化することとなる。遮へい回路が破壊されているならば、遮へいの中を電流が流れず、かつ遮へいは自己インダクタンスのための、磁束を囲むループをもはや規定しないこととなる。その場合、自己インダクタンスはより大きなループから作られることとなる。すなわち、遮へいされた他のワイヤまたは航空機の構造によって規定されるループである。この大きな「ループ領域」により、より大きな自己インダクタンスが生ずる。したがって、ケーブルの自己インダクタンスが高まることは、遮へい回路が破壊されていることを示す。
回路の自己インダクタンスにおける変化を測定するためには簡単な方法がある。第１に、低周波数等価回路の電圧変換関数が図3Aの式によって与えられる。
次に変換関数の大きさが図3Bの式によって与えられる。
図４は、電圧変換関数の大きさの典型的な形状を示す。回路の電圧応答が高い周波数において降下し始める直前に、共振が起こることに注目したい。図3Bの式を考察することによって、この共振は図４の式によって規定される周波数で起こるということがわかる。
図４の式は、ケーブルの共振周波数が、ケーブルの自己インダクタンスの関数であること示す。したがってケーブルの共振周波数における変化はすべてケーブルの自己インダクタンスの変化を示し、したがって遮へい回路が破壊されたことを示す。
図５は、ケーブルの共振周波数を測定する１対の回路を示す。その基本的な動作は以下のとおりである。すなわち、送信回路は低振幅の振動数が変調された正弦信号をコアワイヤ10に与える。周波数がケーブルの共振周波数を掃引するように、正弦信号の周波数が変調されている。受信器60での信号の電圧振幅は共振周波数で最大になる。受信回路はテスト信号の振幅を検出し、それにより共振周波数を決定する。
共振周波数の測定の結果がもたらすように、テスト信号の周波数が変調され、かつ復調され得る多くの異なった構成がある。例示の目的で、１つの構成が図５、６および７に示される。
図５は以下のように動作する。すなわち、テスト信号は周波数が鋸波によって変調され、このため周波数はf1からf₂まで時間に対して線形的に変化する。その後、テスト信号は、鋸波関数の1/2の周波数で方形波によって100％振幅が変調される。この振幅変調により、テスト信号の掃引の間に「ブランク期間」が生ずる。テスト信号は図６に示される。遮へいされたワイヤ10を通過した後、テスト信号の振幅包絡線は、図４に示され、かつ図３の式に規定される電圧変換関数の大きさの形状を得る。遮へいされたワイヤ10の電圧変換関数によって変形されたテスト信号が図６にさらに示される。受信回路振幅は、図７に示されるようにテスト信号を復調する。その後、制御回路は掃引の開始からピーク信号T_pまでの時間を測定する。周波数は時間と線形的に変化するため、時間間隔は（相対的な）共振の周波数を示す。
図５のシステムは、周波数の掃引されたパルス間で制御信号が、受信回路60から送信回路50まで送られることを可能にする。これらの信号はテスト信号発生器の振幅を制御し、かつテスト信号発生器を活性化および不活性化するために用いられていてもよい。図８はタイミング図であり、これは図５のシステムのさまざまな制御信号の間の関係を示すのに役立つ。
遮へいされたワイヤ10の共振周波数は典型的に、ワイヤを用い得る制御システムに通常用いられ得るいかなる振動数よりも遙に高い。したがってフィルタ処理を用いることにより、意図された目的にワイヤが用いられるのと同時に遮へいモニタを動作することができる。
以上に、非侵入の態様でタイヤに対する遮へいの完全性を検出するシステムが示された。このシステムは遮へいされたワイヤの電圧変換関数の自然共振を利用する。この共振の周波数はコアワイヤの自己インダクタンスを示す。共振周波数の変化は、破壊した遮へい回路によって生じる自己インダクタンスの変化を示す。
この発明の異なった実施例が、この発明の精神および範囲から離れることなく展開されてもよく、この好ましい実施例は添付の請求の範囲のみに規定されるこの発明の好ましい実施例を単に例示するものである。

Claims (5)

1. 第１および第２の端部を有する遮へいされたワイヤケーブルの遮へいを監視するシステムであって、
   前記遮へいされたワイヤケーブルの第１の端部に結合されて、前記遮へいされたワイヤケーブルの共振周波数を掃引するためのテスト信号発生器と、
   前記遮へいされたワイヤケーブルの第２の端部に結合されて、劣化したかまたは破壊されたワイヤケーブルの存 在を示す、前記遮へいされたワイヤの前記共振周波数の 変化を判定するための受信回路と、
   前記遮へいされたワイヤケーブルの両端部に配されて、 前記ワイヤケーブルに信号を通すための制御回路とを含 み、
   前記テスト信号発生器および前記受信回路は、前記制御 回路の動作中に前記ワイヤケーブルを監視する、遮へい 完全性モニタシステム。
2. 前記テスト信号発生器は、前記制御回路に よって使用される周波数よりも高い周波数を掃引する、 請求項１に記載の遮へい完全性モニタシステム。
3. 前記テスト信号発生器および前記受信回路 は、前記制御回路に統合されている、請求項１または２ に記載の遮へい完全性モニタシステム。
4. 前記受信回路が、
   前記ワイヤケーブルを介して受信した前記テスト信号の 振幅を検出する振幅検出回路と、
   前記振幅検出回路に結合され、検出された前記テスト信 号の振幅のピーク値を保持するピーク保持回路と、
   前記ピーク保持回路に結合され、前記テスト信号の振幅 がピーク値を取るタイミングを検出するピークタイミン グ回路とを含む、請求項１から３のいずれかに記載の遮 へい完全性モニタシステム。
5. 前記テスト信号発生器が鋸波で周波が変調されたテスト信号を与え、それにより周波数は周波数f₁から周波数f₂まで時間と線形的に変化し、
   前記テスト信号は鋸波関数の1/2の周波数で方形波によってさらに100％振幅が変調される、請求項１から４の いずれかに記載の遮へい完全性モニタシステム。

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