WO2015145068A1 - Procédé de surveillance de l'état de santé d'un câble électrique - Google Patents

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Thibaud LEBRETON
Hervé Ressencourt
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Labinal Power Systems
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    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/58—Testing of lines, cables or conductors
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G01R31/11—Locating faults in cables, transmission lines, or networks using pulse reflection methods

Definitions

  • the invention relates to the field of monitoring the state of health of an electric cable of an aircraft for the purpose of detecting anomalies.
  • aeronautical systems must meet particular requirements in terms of monitoring their condition and the designer must be able to determine the consequences of any type of defects appearing in his system.
  • a common technique for monitoring an electrical cable is a technique of visual inspection of the cable.
  • This technique consists of transmitting a signal and detecting a change in impedance. OTDR not only detects but also locates faults along the electrical cable.
  • a problem with this solution is that it only allows to detect blemishes: open circuits or short circuits. It therefore does not currently detect weak defects such as insulation wear, and therefore it does not allow to predictively alert a defect before it appears.
  • OTDR implements a single transceiver which is installed at the end of the line so that monitoring is global and the location of the defect remains rather imprecise.
  • the invention proposes to overcome at least one of these disadvantages.
  • the invention proposes a method for monitoring the state of health of an electric cable arranged between a transmitter and a receiver, said electric cable being configured to transmit, in addition to the electric current, digital communication data according to the technology.
  • OFDM-type multi-carrier carrier line signal said cable defining a transmission channel between said transmitter and said receiver, the method comprising the following steps implemented in a computer:
  • the invention is advantageously completed by the following characteristics, taken alone or in any of their technically possible combination.
  • a measurement of a transfer function consists in transmitting on N carrier (s) digital estimation data and in estimating the transmission channel from these digital estimation data.
  • the detection of at least one variation is performed over a time window of between 0 and 10 ms, in order to detect intermittent or frank defects.
  • the detection of at least one variation is carried out over a time window equal to the duration of a flight, in order to detect defects characteristic of a slow degradation of said electric cable.
  • the method includes, if a variation is detected, a cable analysis by a reflectometry technique to locate and / or confirm a fault.
  • the invention also relates to a device for monitoring the state of health of an electrical cable configured to transmit, in addition to the electrical current, digital communication data according to the in-line carrier technology, the device comprising a transmitter and a receiver arranged between two ends of the cable to be monitored, the receiver comprising a computer configured to implement one of the methods above.
  • the invention makes it possible to pool the complex electronics necessary for the transmission of PLC data and that necessary for diagnosing the state of the cable. In the case of PLC transmission, this makes it possible not to add industrial complexity or weight / volume for the addition of the cable monitoring function.
  • FIG. 1 diagrammatically illustrates an implementation of a method for monitoring the state of health of a cable according to one embodiment of the invention
  • Figure 2 schematically illustrates steps of a method according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 illustrates examples of transfer functions of an OFDM transmission channel.
  • FIG. 1 An electric cable C to be monitored.
  • a transmitter E and a receiver R are arranged respectively between two ends of the electrical cable C to be monitored.
  • Such an electric cable is obviously configured to transmit electrical current but also digital communication data according to the technology of the in-line carrier current (PLC).
  • PLC in-line carrier current
  • the CPL technology consists in superimposing on electric current a signal of higher frequency and low energy.
  • the communication data is transported on the electrical cable C according to a multi-carrier modulation of the OFDM type (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing).
  • the electric cable defines a transmission channel.
  • the OFDM modulation serves to distribute on the transmission channel the communication data which are digital data on a number N of subcarriers.
  • a method of monitoring the health of the electrical cable C is implemented in a computer 10 disposed in the receiver R.
  • the method consists in measuring MES in successive ways several transfer functions of the transmission channel defined by the electrical cable and detect DET possible variations that are characteristic of one or more fault (s) of the electric cable C.
  • the successive MES measurements of the transfer function of the transmission channel consist of the following substeps.
  • ALL is assigned a number of subcarriers N 'less than the number of N carriers allocated to the transmission OFDM transmission channel estimate (with N' ⁇ N).
  • these N 'carriers are allocated to the digital estimation data intended for channel estimation.
  • These estimation data are known in advance from the transmitter E and receiver R and are known under the term "pilot data".
  • the number of carriers N 'allocated to the estimation digital data is less than the number of carriers N allocated to the transmission channel, the number NN' of remaining carriers is allocated to the useful data DU of communication which are then transmitted TRANS to the receiver R on these carriers, together with the estimation data.
  • the receiver R at the level of the receiver R to demodulate the useful data, the latter will need the transfer function of the channel in order to implement an EGA equalization process in order to obtain the demodulated useful data DD .
  • the receiver function R is the transfer function as such.
  • the transmitter sends data known to the receiver, with a fixed amplitude.
  • the receiver uses this data to determine / estimate the channel transfer function (ie the module and phase for each frequency).
  • Each estimate of the channel is then MEM stored in a memory of the receiver for further processing.
  • a channel transfer function is a function of the frequency.
  • the COMP comparison of the transfer functions can be done over a time window of between 0 and 10 ms (short time window), in order to detect intermittent or frank defects.
  • the COMP comparison of the transfer functions can be done over a time window having a duration equal to a duration for which a cable analysis is required.
  • this duration is typically equal to the duration of a flight of an aircraft (long time window), in order to detect defects characteristic of a slow degradation of said electric cable.
  • the duration of a flight of an aircraft is understood as the duration during which the aircraft is operational between its point of departure and its point of arrival.
  • the method comprises a step of association VAR_LENTE, VAR_RAPIDE of a variation detected with a defect of the cable.
  • the variation of the transfer function detected can be either slow VAR_LENTE or fast VAR_RAPIDE. Such an interpretation makes it possible to characterize finely the type of defect.
  • VAR_LENTE the defect is characterized by an attenuation of the transfer function from strong to strong depending on the frequency.
  • VAR_RAPIDE In the case of a fast variation VAR_RAPIDE is the defect is intermittent and results in an alternation in the function of transfer. Measurements made every millisecond make it possible to make comparisons along the function in order to detect the speed of variation of the transfer function.
  • the principle is based on the transmission of a signal that during an impedance change will undergo a reflection, the impedance change being characteristic of a defect.
  • OTDR is mainly used in the time domain or the frequency domain. The difference is that in the time domain, the analysis of the reflected signals gives information on the composition of the medium unlike the frequency domain whose stationary wave analysis gives the same information.
  • An impedance increase creates a reflection that reinforces the original impulse while a decline creates a reflection that opposes the original impulse.
  • the wave is sent along the cable and the short-circuit will be reflected back to the source. Once the wave arrives at the source point, there is a voltage drop, so we deduce the presence of a short circuit on the cable. In addition, by knowing the speed of propagation of the signal in the medium, it is possible to determine the distance to the short circuit.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de surveillance de l'état de santé d'un câble électrique disposé entre un émetteur et un récepteur, ledit câble électrique étant configuré pour transmettre outre du courant électrique des données numériques de communication selon la technologie du courant porteur en ligne selon une modulation multi-porteuses, du type OFDM, ledit câble définissant un canal de transmission entre ledit émetteur et ledit récepteur, le procédé comprenant les étapes suivantes mises en œuvre dans un calculateur: mesures successives d'une fonction de transfert d'uncanal de transmission; détection d'au moins une variation entre les fonctions de transfert mesurées, ladite variation étant caractéristique d'un défaut dans ledit câble électrique.

Description

Procédé de surveillance de l'état de santé d'un câble électrique DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L'invention concerne le domaine de la surveillance de l'état de santé d'un câble électrique d'un aéronef en vue d'en détecter des anomalies.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans un aéronef, le câblage électrique est un élément critique dans le fonctionnement nominal des systèmes qui sont de plus en plus électriques : sa fiabilité influe largement sur la sécurité du vol.
Les organismes de régulations FAA (en anglais, « Fédéral Aviation Administration ») et EASA (en anglais, « Européen Aviation Safety Agency ») requièrent à ce titre que le câblage soit considéré comme un système et non plus comme de simples éléments de transports de puissance et signaux.
En outre, les systèmes aéronautiques doivent répondre à des exigences particulières en termes de surveillance de leur état et le concepteur doit être capable de déterminer les conséquences de tout type de défauts apparaissant dans son système.
Une technique répandue pour surveiller un câble électrique est une technique d'inspection visuelle du câble.
Cette technique est très coûteuse en temps.
Afin d'éviter une intervention manuelle, on connaît une technique de surveillance de l'état de santé d'un câble électrique fondée sur la réflectométrie.
Cette technique consiste à transmettre un signal et en détecter un changement d'impédance. La réflectométrie permet non seulement de détecter mais aussi de localiser des défauts le long du câble électrique.
Un problème avec cette solution est qu'elle ne permet que de détecter des défauts francs : circuits ouverts ou court circuits. Elle ne permet donc pas actuellement de détecter les défauts faibles comme des usures d'isolant, et donc elle ne permet pas de pouvoir alerter de manière prédictive un défaut avant qu'il n'apparaisse.
D'autre part, elle ne permet pas de bien localiser les défauts dans un harnais complexe, présentant de multiples branches. En effet, la réflectométrie met en œuvre un seul émetteur récepteur qui est installé en bout de ligne de sorte que la surveillance est globale et que la localisation du défaut reste assez imprécise.
Enfin, cette technique ajoute une complexité et un poids non négligeable ce qui dans l'aéronautique est problématique, les critères de poids/volume étant drastiques. PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients.
A cet effet, l'invention propose un procédé de surveillance de l'état de santé d'un câble électrique disposé entre un émetteur et un récepteur, ledit câble électrique étant configuré pour transmettre outre du courant électrique des données numériques de communication selon la technologie du courant porteur en ligne selon une modulation multi- porteuses, du type OFDM, ledit câble définissant un canal de transmission entre ledit émetteur et ledit récepteur, le procédé comprenant les étapes suivantes mises en œuvre dans un calculateur :
mesures successives d'une fonction de transfert d'un canal de transmission ;
détection d'au moins une variation entre les fonctions de transfert mesurées, ladite variation étant caractéristique d'un défaut dans ledit câble électrique ;
association de la variation détectée à un défaut du câble électrique.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible.
Une mesure d'une fonction de transfert consiste à émettre sur N porteuse(s) des données numériques d'estimation et à estimer le canal de transmission à partir de ces données numériques d'estimation.
La détection d'au moins une variation est réalisée sur une fenêtre temporelle comprise entre 0 et 10 ms, afin de détecter des défauts intermittents ou francs.
La détection d'au moins une variation est réalisée sur une fenêtre temporelle égale à la durée d'un vol, afin de détecter des défauts caractéristiques d'une dégradation lente dudit câble électrique.
Le procédé comprend, si une variation est détectée, une analyse du câble par une technique de réflectométrie afin de localiser et/ou confirmer un défaut.
L'invention concerne également un dispositif de surveillance de l'état de santé d'un câble électrique configuré pour transmettre outre du courant électrique des données numériques de communication selon le technologie du courant porteur en ligne, le dispositif comprenant un émetteur et un récepteur disposés entre deux extrémités du câble à surveiller, le récepteur comprenant un calculateur configuré pour mettre en œuvre un des procédés ci-dessus.
Les avantages de l'invention sont multiples. L'utilisation d'émetteur/récepteur CPL (Courant Porteur en Ligne) pour émettre et analyser des signaux dédiés par exemple à la surveillance ou au contrôle permet de s'affranchir plus simplement des problèmes liés aux embranchements. En effet, en réflectométrie, la réflexion du signal sur les embranchements limite l'utilisation de la technologie dès lors que des branches apparaissent dans le cheminement.
En outre, l'invention permet de mutualiser l'électronique complexe nécessaire à la transmission de données CPL et celle nécessaire au diagnostic de l'état du câble. Dans le cas de transmission CPL, cela permet donc de ne pas ajouter de complexité industrielle ni de poids/volume pour l'ajout de la fonction de surveillance du câble.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 illustre schématiquement une implémentation d'un procédé de surveillance de l'état de santé d'un câble selon un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 2 illustre schématiquement des étapes d'un procédé selon un mode de de réalisation de l'invention ;
- La figure 3 illustre des exemples de fonction de transfert d'un canal de transmission OFDM.
Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
On a illustré sur la figure 1 un câble électrique C lequel doit être surveillée. Pour ce faire, un émetteur E et un récepteur R sont disposés, respectivement entre deux extrémités du câble électrique C à surveiller.
Un tel câble électrique est évidemment configuré pour transmettre du courant électriques mais également des données numériques de communication selon la technologie du courant porteur en ligne (CPL).
Telle que connue en soit, la technologie CPL consiste à superposer à du courant électrique un signal de plus haute fréquence et de faible énergie.
Les données de communication sont transportées sur le câble électrique C selon une modulation multi-porteuses du type OFDM (en anglais, « Orthogonal Frequency-Division Multiplexing »). Ainsi, le câble électrique définit un canal de transmission.
Telle que connue en soi la modulation OFDM sert à répartir sur le canal de transmission les données de communication qui sont des données numériques sur un nombre N de sous-porteuses.
Le nombre N de sous-porteuses est typiquement une puissance de 2 et est généralement N=256, N=512 ou encore N=1024. Ce nombre N de sous-porteuses peut toutefois être arbitrairement choisi mais on préfère une puissance de 2 pour simplifier les calculs pour la Transformée de Fourier impliquée dans la modulation OFDM.
Pour surveiller l'état de santé du câble électrique afin d'en détecter un éventuel défaut, un procédé de surveillance de l'état de santé du câble électrique C est mis en œuvre dans un calculateur 10 disposé dans le récepteur R.
On décrit ci-après, en relation avec la figure 2, un procédé de surveillance de l'état de santé du câble électrique C.
Le procédé consiste notamment à mesurer MES de manières successives plusieurs fonctions de transfert du canal de transmission définies par le câble électrique et en détecter DET des variations éventuelles qui sont caractéristiques d'un ou plusieurs défaut(s) du câble électrique C.
Les mesures MES successives de la fonction de transfert du canal de transmission consistent en les sous-étapes suivantes.
Au niveau de l'émetteur E, on alloue ALL un nombre de sous-porteuses N' inférieur au nombre de porteuses N allouées à la transmission OFDM à l'estimation du canal de transmission (avec N'≤N).
En particulier, ces N' porteuses sont allouées aux données numériques d'estimation destinées à l'estimation du canal. Ces données d'estimation sont connues à l'avance de l'émetteur E et récepteur R et sont connues sous l'expression « données pilotes ».
Dans le cas où le nombre de porteuses N' allouées aux données numériques d'estimation est inférieur au nombre de porteuse N allouées au canal de transmission, le nombre N-N' de porteuses restant est alloué aux données utiles DU de communication qui sont alors transmises TRANS au récepteur R sur ces porteuses, en même temps que les données d'estimation.
En effet, on note qu'au niveau du récepteur R pour démoduler les données utiles, ce dernier aura besoin de la fonction de transfert du canal afin de mettre en œuvre un traitement d'égalisation EGA afin de d'obtenir les données utiles démodulées DD.
Une fois cette allocation réalisée on estime EST en tant que telle au niveau du récepteur R la fonction de transfert. Pour ce faire, l'émetteur envoie des données connus du récepteur, avec une amplitude fixée. Le récepteur utilise ces données pour déterminer/estimer la fonction de transfert du canal (c'est-à-dire le module et la phase, pour chaque fréquence).
Chaque estimation du canal est alors mémorisée MEM dans une mémoire du récepteur pour traitement ultérieur.
Une fois ces mesures MES réalisées, la détection DET des variations consiste à mettre en œuvre les étapes suivantes.
On a illustré sur la figure 3 des exemples de fonction de transfert du canal (dB) estimée en fonction de la fréquence (MHz).
Comme on peut le voir sur cette figure, une fonction de transfert du canal est fonction de la fréquence.
Ainsi, pour détecter DET une variation on va comparer COMP les unes par rapport aux autres des fonctions de transfert successives ce dernier devant sans défaut être constant d'une mesure à l'autre, un défaut étant caractérisé par une déviation des valeurs de la fonction de transfert.
Dans la fonction de transfert, un défaut franc affecte toutes les fréquences. En général, les basses fréquences s'atténuent moins avec la distance et sont donc bien visibles.
S'agissant des défauts non francs, qui sont moins visibles, un traitement de l'information peut s'avérer nécessaire pour améliorer l'information.
La comparaison COMP des fonctions de transfert peut se faire sur une fenêtre temporelle comprise entre 0 et 10 ms (fenêtre temporelle courte), afin de détecter des défauts intermittents ou francs.
De manière alternative ou complémentaire, la comparaison COMP des fonctions de transfert peut se faire sur une fenêtre temporelle ayant une durée égale à une durée pour laquelle une analyse du câble est requise. S'agissant d'un aéronef, cette durée est typiquement égale à la durée d'un vol d'un aéronef (fenêtre temporelle longue), afin de détecter des défauts caractéristiques d'une dégradation lente dudit câble électrique. La durée d'un vol d'un aéronef est entendue comme étant la durée pendant laquelle l'aéronef est opérationnel entre son point de départ et son point d'arrivée.
S'il s'avère qu'une variation est détectée DET alors le câble électrique C présente un défaut sinon le câble C ne présente pas de défaut.
Ainsi, le procédé comprend une étape d'association VAR_LENTE, VAR_RAPIDE d'une variation détectée à un défaut du câble.
La variation de la fonction de transfert détectée peut être soit lente VAR_LENTE ou rapide VAR_RAPIDE. Une telle interprétation permet de caractériser finement le type de défaut.
Dans le cas d'une variation lente VAR_LENTE le défaut est caractérisé par une atténuation de la fonction de transfert de plus en forte en fonction de la fréquence.
Dans le cas d'une variation rapide VAR_RAPIDE soit le défaut est intermittent et se traduit par une alternance dans la fonction de transfert. Des mesures effectuées, toutes les millisecondes permettent de faire des comparaisons le long de la fonction afin de détecter la rapidité de variation de la fonction de transfert.
De manière complémentaire, une fois un ou plusieurs défauts détecté(s), on peut mettre en œuvre sur le câble électrique une étape de localisation LOC du défaut au moyen de la technique connue de la réflectométrie.
Comme déjà évoqué, le principe repose sur la transmission d'un signal qui lors d'un changement d'impédance va subir une réflexion, le changement d'impédance étant caractéristique d'un défaut.
La réflectométrie est principalement utilisée dans le domaine temporel ou le domaine fréquentiel. La différence est que dans le domaine temporel, l'analyse des signaux réfléchis donne des informations sur la composition du milieu contrairement au domaine fréquentiel dont c'est l'analyse de l'onde stationnaire qui donne ces mêmes informations.
Une augmentation d'impédance crée une réflexion qui renforce l'impulsion d'origine alors qu'une baisse crée une réflexion qui s'oppose à l'impulsion originale.
Dans le cas où le câble est en court-circuit à un moment (soit une impédance nulle), l'onde est envoyée le long du câble et arrivée au court-circuit va être réfléchie et retourne vers la source. Une fois l'onde arrivée au point source, on observe une chute de tension, ainsi on en déduit la présence d'un court-circuit sur le câble. En outre, en connaissant la vitesse de propagation du signal dans le milieu, on peut déterminer la distance au court- circuit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de surveillance de l'état de santé d'un câble électrique (C) disposé entre un émetteur (E) et un récepteur (R), ledit câble électrique (C) étant configuré pour transmettre outre du courant électrique des données numériques de communication selon la technologie du courant porteur en ligne selon une modulation multi-porteuses, du type OFDM, ledit câble définissant un canal de transmission entre ledit émetteur et ledit récepteur, le procédé comprenant les étapes suivantes mises en œuvre dans un calculateur (10) :
mesures (MES) successives d'une fonction de transfert d'un canal (C) de transmission ;
détection (DET) d'au moins une variation entre les fonctions de transfert mesurées, ladite variation étant caractéristique d'un défaut dans ledit câble électrique ;
association (VAR_LENTE, VAR_RAPIDE) de la variation détectée à un défaut du câble électrique.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel une mesure (MES) d'une fonction de transfert consiste à émettre (EME) sur N porteuse(s) des données numériques d'estimation et à estimer (EST) le canal de transmission à partir de ces données numériques d'estimation.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la détection (DET) d'au moins une variation est réalisée sur une fenêtre temporelle comprise entre 0 et 10 ms, afin de détecter des défauts intermittents ou francs.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la détection (DET) d'au moins une variation est réalisée sur une fenêtre temporelle égale, afin de détecter des défauts caractéristiques d'une dégradation lente dudit câble électrique.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant si une variation est détectée, une étape de localisation (LOC) consistant à analyser le câble par une technique de réflectométrie afin de localiser et/ou confirmer un défaut détecté.
6. Dispositif de surveillance de l'état de santé d'un câble électrique (C) configuré pour transmettre outre du courant électrique des données numériques de communication selon le technologie du courant porteur en ligne, le dispositif comprenant un émetteur (E) et un récepteur (R) disposés entre deux extrémités du câble à surveiller, le récepteur (R) comprenant un calculateur configuré pour mettre en œuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes.
PCT/FR2015/050754 2014-03-26 2015-03-25 Procédé de surveillance de l'état de santé d'un câble électrique WO2015145068A1 (fr)

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