WO2019030051A1 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung eines temperaturabhängigen impedanzverlaufs entlang eines elektrischen leiters - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ermittlung eines temperaturabhängigen impedanzverlaufs entlang eines elektrischen leiters Download PDF

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frequency spectrum
electrical
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Sergey Intelman
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Leoni Kabel Gmbh
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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 a device and a method for determining a temperature-dependent impedance curve along an electrical conductor.
  • Electrical conductors may be heated, for example, by electrical currents flowing through the electrical conductor. This may change the characteristics of the conductors, for example an impedance of the conductors.
  • charging cables are used for recharging batteries of electric vehicles, which are flowed through during a charging operation of currents with partly considerable amperage.
  • One consequence is a partial or complete heating of the charging cable, along with a partially significant increase in the line impedance.
  • a measuring device and / or a measuring method are required.
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • an electrical signal preferably a pulse signal
  • an electrical line is supplied. If the electrical line is cut at one point, the signal is reflected at this point. By measuring the transit time of the reflected signal, a position of the severing point can be determined. If the line is not cut, but damaged at one point, so that an impedance of the line is increased in the area of the damage, the increased impedance causes a
  • Partial reflection of the signal Based on a transit time measurement of the partially reflected signal, a position of the increased impedance and based on the amplitude of the reflected signal, a relation of the increased impedance to the surrounding line impedance can be determined.
  • FDR Frequency Domain Reflectometry
  • Phase information of the reflected signals as well as the amount of the reflected signals are taken into account.
  • FDR FDR
  • TDR TDR
  • the measuring devices or measuring assemblies required for this purpose are expensive, technically complicated and, due to their size and their weight, are not very portable. This is mainly due to the highly sensitive and broadband RF components for detecting the reflected signals, such as analog-to-digital converter or amplifier.
  • a device for determining a temperature-dependent impedance curve along an electrical conductor has a signal generator unit.
  • the signal generator unit is arranged and configured to generate a multifrequency electrical signal, in particular a time-variant multifrequency signal or a time-invariant noise signal, which passes through an electrical conductor.
  • the device for determining a temperature-dependent impedance curve further comprises a frequency spectrum detection unit.
  • Frequency spectrum detection unit is arranged and configured to detect a frequency spectrum of a multiplex frequency electrical signal leaving the conductor at least in a predetermined frequency range.
  • the device for determining a temperature-dependent impedance curve further comprises a frequency spectrum difference determination unit.
  • the frequency spectrum difference Averaging unit is arranged and designed to determine a frequency difference between the detected frequency spectrum and a predetermined frequency spectrum.
  • the device for determining a temperature-dependent impedance curve further comprises a frequency difference conversion unit.
  • the frequency difference conversion unit is designed and arranged to determine an amplitude profile / a time domain representation of the ascertained frequency difference along the electrical conductor.
  • the time domain representation of the determined frequency difference corresponds to the impedance profile or to the deviation from the nominal impedance characteristic along the electrical conductor.
  • An advantage of the device is that by determining the frequency difference between the detected frequency spectrum and a predetermined frequency spectrum both a punctual and a uniform impedance change of the entire conductor can be detected and quantified. If the entire conductor is heated uniformly by one temperature, the impedance of the entire conductor also increases uniformly. There is thus no signal reflection on a conductor section with an increased relative to its conductor environment impedance. However, the frequency spectrum reflected by the conductor varies such that the determined frequency difference between the detected frequency spectrum and the predetermined frequency spectrum after conversion shows an amplitude representation / time domain representation of a uniformly increased impedance due to the elevated temperature as a constant linear displacement of the signal amplitude.
  • the predetermined frequency spectrum is the frequency spectrum of the electrical conductor under predetermined conditions, in particular at a predetermined conductor temperature
  • the constant displacement of the detected signal amplitude by Ohm's law, the change in line impedance and indirectly, e.g. by multiplying by a conductor-specific temperature coefficient, the increase in the conductor temperature can be concluded.
  • the device may include an amplifier unit arranged and configured to amplify the multifrequency electrical signal.
  • An advantage of amplifying the signal, especially before passing through the electrical conductor, is that signal losses due to the attenuation of the conductor are reduced in relation to the signal strength.
  • the generated multifrequency signal may in particular be a noise signal, for example a continuous white or Gaussian noise signal.
  • the noise signal may have, for example, a bandwidth up to 2 GHz.
  • the generated multifrequency signal may be a time-variant multifrequency signal, in particular a frequency sweep.
  • the device for determining a temperature-dependent impedance curve along an electrical conductor comprises a directional coupler which is electrically conductively connected to a conductor end of the electrical conductor and arranged and configured, the multifrequency electrical signal generated by the signal generator ⁇ generator in the electrical To initiate the ladder.
  • the electrical conductor preferably has an open conductor end which reflects at least part of the multifrequency signal introduced into the electrical conductor.
  • the directional coupler is further arranged and adapted to derive the signal reflected by the conductor, in particular by the open conductor end, as the multifrequency electrical signal leaving the electrical conductor.
  • a reflected multifrequent signal / frequency spectrum can be detected by the frequency spectrum acquisition unit.
  • a multifrequency signal / frequency spectrum, once passing through the line may be detected at one end of the line.
  • the reflected signal / frequency spectrum can be determined by a subtraction of the introduced into the line signal / frequency spectrum with the line passing through the signal / frequency spectrum.
  • the multifrequency signal / frequency spectrum passing once through the line can be forwarded without prior subtraction to the signal / frequency spectrum of the frequency spectrum acquisition unit introduced into the line, whereby an adaptation of the predetermined frequency spectrum analogous thereto is a prerequisite.
  • the selection / determination of the predetermined frequency spectrum is described in more detail below.
  • the frequency spectrum acquisition unit and / or the signal generator unit is a Software Defined Radio, SDR for short.
  • the frequency spectrum detection unit may have a frequency detection range of 25 to 1750 MHz.
  • the frequency spectrum acquisition unit can have a software-based signal processing.
  • the frequency spectrum detection unit may comprise a USB port (USB: Universal Serial Bus).
  • a software defined radio for short, is a device which has at least one radio-frequency receiver and manages at least part of the signal processing by a computer-aided method. Furthermore, an SDR can have a signal generator unit which is suitable for generating a multifrequency signal, in particular a noise signal. Variations of an SDR, which have a signal generator unit for generating a time-variant multifrequency signal, are also possible. SDRs are characterized by their sometimes small size, their low weight and their low cost availability in the market. Furthermore, SDRs may include, for example, in measurement technology common 50-ohm SMA connectors and / or a USB port. Therefore SDRs are with especially for non-stationary use and / or to co-operate, in particular portab ⁇ len, computing devices.
  • SDRs are partially free configurable, in particular freely programmable, and a user ⁇ individual adjustment, for instance of the generated signal, enable. SDRs are thus suitable as device components for a device for determining a temperature-dependent impedance characteristic along a multiplicity of different conductors.
  • the frequency spectrum detecting unit may be arranged and formed, at least one of phase information and / or a signal propagation time of the conductor leaving ⁇ send multifrequency electrical signal to be determined. However, this is expressly not intended in all embodiments. Generates the signal generator, for example, a continuous noise signal, so the Frequenzspektrumer terminates- may be formed unit to detect the frequency spectrum of leaving the conductor multifrequency electrical signal at least in a predetermined frequency range without phase information and / or a signal propagation time to ermit ⁇ stuffs.
  • the predetermined frequency spectrum is a frequency spectrum detected by the frequency spectrum acquisition unit of the multifrequency signal leaving the electrical conductor or an electrical reference conductor under predetermined (environmental) conditions, wherein the signal applied to the conductor or reference conductor is identical to the multifrequency signal associated with the electrical signal Head is supplied to determine the impedance curve.
  • the predetermined (environmental) conditions are in particular a freedom from damage and / or a constant temperature, preferably of 20 degrees Celsius, of the entire electrical conductor or of the entire reference conductor.
  • An advantage of the determination / determination of the predetermined frequency spectrum by detecting the frequency spectrum of the multifrequency signal leaving the electrical conductor or reference conductor under predetermined (environmental) conditions is that the determined frequency difference from the predetermined frequency spectrum represents a deviation from a predetermined state of the electrical conductor , Thus, after the conversion of the frequency difference into a time domain representation, no signal / impedance is presented, only a signal change / impedance change.
  • An advantage of determining the predetermined frequency spectrum by means of a reference conductor is that, for example, in the case of a plurality of identically manufactured electrical conductors having identical characteristics, the detection effort for the predetermined frequency spectrum can be reduced if one of the plurality of identical conductors is selected as representative of the plurality of identical conductors Head serves as a reference conductor.
  • the frequency difference conversion unit is designed and arranged to determine the amplitude profile / time domain representation along the electrical conductor with an inverse Fourier transformation, in particular with a fast inverse Fourier transformation, of the previously determined frequency difference.
  • the frequency difference conversion unit can be arranged and designed to phase-sequence the phase information determined by the frequency spectrum acquisition unit or conductor length referencing the amplitude profile / time domain representation.
  • the electrical conductor may in particular be surrounded by a dielectric with temperature-variant properties.
  • a dielectric constant of the dielectric surrounding the conductor may change with increasing or decreasing temperature.
  • the conductor may be a coaxial cable with a PVC dielectric.
  • the temperature-variant properties of the dielectric can promote an impedance increase of the conductor as a result of local or constant heating of the conductor, so that heating of the conductor is easier / easier / more clearly detectable / detectable with the device described here.
  • a multifrequency electrical signal in particular a time-variant multifrequency electrical signal or a time-invariant electrical noise signal which passes through an electrical conductor
  • the amplitude profile can be converted into an impedance curve.
  • the method may comprise at least one of the steps:
  • FIGS. 1A-1B schematically show a measuring arrangement for a time domain reflectometry.
  • FIGS. 2A-2B schematically show a measuring arrangement for a frequency domain reflectometry.
  • FIG. 3 schematically shows a possible embodiment of a device for determining a temperature-dependent impedance characteristic along an electrical conductor.
  • FIGS. 4A-4B schematically show the effects of increasing heating of the electrical conductor on the signal amplitude or the profile of the conductor impedance.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a measuring arrangement for a time domain reflectometry.
  • a (pulse) signal is fed to a cable via a directional coupler.
  • the cable is electrically connected at only one end to the directional coupler, while an opposite cable end is open or electrically isolated.
  • a (pulse) signal reflected from the cable end is led out through the directional coupler and fed to an evaluation or display, for example with an oscilloscope. By determining the duration of the signal can be concluded on the cable length.
  • the (pulse) signal is reflected at this point.
  • a position of the severing point can be determined.
  • the increased impedance causes a partial reflection of the (pulse) signal.
  • a position of the increased impedance and on the basis of the amplitude of the partially reflected (impulse) signal a relation of the increased impedance to the line impedance surrounding the damage can be determined.
  • variant B shown in FIG. 1 in contrast to variant A, the (pulse) signal is conducted completely through a cable which is in electrical contact with two cable ends. The signal leaving the cable is subtracted from the signal which is fed to the cable, and the thus determined difference signal is evaluated or represented analogously to variant A.
  • FIG. 2 schematically shows the structure of a measuring arrangement for frequency domain reflectometry or vector frequency domain reflectometry.
  • a multifrequency signal is fed to a cable via a directional coupler.
  • the cable is electrically connected at only one end to the directional coupler, while an opposite cable end is open or electrically isolated.
  • the frequency spectrum of the reflected multifrequency signal is detected and passed through the directional coupler.
  • a transformation of the detected frequency spectrum into an amplitude representation / time domain representation shows the course of a voltage drop / impedance along the cable.
  • the multifrequency signal is conducted completely through a cable which is in electrical contact with two cable ends.
  • the frequency spectrum of the signal leaving the cable is subtracted from the frequency spectrum of the signal supplied to the cable and evaluated the difference spectrum thus determined analogous to variant A.
  • FIG. 3 shows, by way of example and schematically, an embodiment of a device for determining a temperature-dependent impedance characteristic along an electrical cable.
  • a multi-frequency generator 10 generates a multifrequency signal.
  • the multifrequency signal is amplified by an amplifier 20 and then fed to a directional coupler 30.
  • the multifrequency signal is a time-invariant noise signal, but embodiments with a time-variant multifrequency signal, for example with a frequency sweep, are also possible.
  • the directional coupler 30 directs the amplified multifrequency signal into a cable 40, with one end of the cable 40 being electrically conductively connected to the directional coupler 30 and another end of the cable being open or electrically isolated.
  • the amplified multifrequency signal is reflected by the cable 40, in particular by the open or insulated cable end.
  • the reflected increased multifrequency sig ⁇ nal by the directional coupler 30 a Software Defined Radio, SDR short, 50 is fed.
  • the SDR 50 determines a frequency spectrum of the reflected amplified multifrequency signal.
  • the multifrequency signal is generated by the SDR 50 and supplied to the amplifier 20.
  • the SDR thus replaces the multi-frequency generator 10 in this development, which does not contradict the function of the SDR 50 in the device shown in FIG.
  • the SDR 50 thus allows the saving of device components in this development.
  • a (construction) size of the device shown can thus be reduced and the costs for implementing the device shown can thereby be reduced.
  • the SDR 50 may also determine phase information of the reflected amplified multifrequency signal.
  • the frequency spectrum of the reflected amplified multifrequency signal detected by the SDR 50 is supplied to a frequency spectrum difference detection unit 70.
  • the frequency spectrum difference determination unit 70 determines a frequency difference between the frequency spectrum of the reflected amplified multifrequency signal and a reference spectrum 60.
  • the reference spectrum 60 has previously been determined by detection of a reflected amplified multifrequency signal of a reference cable (not shown).
  • a signal identical to the amplified multifrequency signal preferably a signal generated by the same arrangement of multifrequency generator 10, amplifier 20 and directional coupler 30, is supplied to the reference cable and, analogously to the arrangement shown in FIG. 3, a frequency spectrum / reference spectrum is determined.
  • the reference cable is an identical to the cable 40 or at least property-identical cable, which is damage-free and a
  • the frequency spectrum of the reflected amplified multifrequency signal actually detected by the SDR 50 is compared with a predetermined "target spectrum”.
  • the frequency difference determined by the frequency spectrum difference determination unit 70 is supplied to a spectral transformation calculator 80. This transforms the frequency difference with an inverse Fast Fourier Transform (IFFT) into an amplitude representation / time domain representation.
  • IFFT inverse Fast Fourier Transform
  • the spectral transformation computer 80 is a portable computing device.
  • the IFFT is performed using known algorithms and will not be described in detail here.
  • the spectral transformation computer 80 can additionally use phase information, for example a frequency sweep, determined by the SDR 50 to determine the amplitude representation / time domain representation. This enables a line length or transit time-referenced amplitude representation.
  • the determined, in particular line length and / or term time referenced, amplitude representation is fed to an output unit for the temperature-dependent impedance curve 90 and output by the latter.
  • the frequency spectrum difference determination unit 70, the spectral transformation computer 80 and the output unit 90 can be implemented jointly by a portable computer device with a screen, for example by a commercially available (mobile) computer.
  • the reference spectrum 60 may be stored by and / or provided by the computing device.
  • FIG. 4A shows examples of temperature-dependent impedance profiles output by the output unit 90.
  • the signal propagation time and / or the cable length are plotted in a coordinate system on the abscissa axis and the signal amplitude and / or the cable impedance on the ordinate axis.
  • the signal propagation time and the cable length as well as the signal amplitude or the cable impedance can each be converted into one another by multiplying constants unless ⁇ signal propagation speed and the power of the multi-frequency signal is at least substantially constant.
  • a local increase in cable impedance occurs due to the heating.
  • the increase in the cable impedance changes the line characteristics of the entire cable such that the frequency spectrum detected by the SDR 50 differs from the reference spectrum 60. If the frequency difference between the determined frequency spectrum from the reference spectrum 60 is converted into an amplitude representation / time domain representation by means of IFFT, an increase in the signal amplitude or the cable impedance is shown at the point T 1 (if the abscissa axis is normalized to a cable length). The increase increases with increasing temperature.
  • a change in the signal amplitude or the cable impedance over a period of time and / or different usage states of the cable can serve to distinguish a temperature-induced impedance change and a damage-related impedance change.
  • Analogous to the increase in the signal amplitude or the cable impedance at the first location Tl due to the change in the line characteristics of the entire cable is a change in the illustrated signal amplitude or the cable impedance at the open end of the cable E.
  • the cable impedance shown at the line end E does not correspond to the actual cable impedance at the cable end since an unrestricted frequency spectrum would have to be recorded for a correct representation.
  • the signal amplitude or line impedance actually shown at the cable end E changes with increasing temperature, however, analogously to the signal amplitude or to the cable impedance at the heated first location Tl and can thus additionally be used to determine the rise in temperature.
  • the abscissa axis can be normalized by the recognizable (variable) cable impedance at the open cable end E.
  • the abscissa with the detectable (variable) impedance corresponds to the cable end E, so that a (at least approximate) normalization of the abscissa axis is possible with known cable length (as long as no complete cable cut / damage exists).
  • the standardization can also be carried out in particular with the measurement of the reference spectrum on the reference cable.
  • Figure 4B shows the effect of expansion of the heating at a rate from ⁇ section of the cable between a first location and a second location T2 Tl, wherein the maximum of the heating between the first location and the second location Tl is reached T2.
  • the amplitude representation / time domain representation results in an increase in the signal amplitude or the cable impedance, which extends analogously to the heating along the cable.

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Abstract

Eine Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters weist eine Signalgeneratoreinheit auf, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, ein multifrequentes elektrisches Signal zu erzeugen, welches einen elektrischen Leiter durchläuft. Die Vorrichtung weist ferner eine Frequenzspektrumerfassungseinheit auf, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, ein Frequenzspektrum eines den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals zumindest in einem vorbestimmten Frequenzbereich zu erfassen. Die Vorrichtung weist ferner eine Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit auf, die dazu angeordnet und ausgebildet, eine Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und einem vorbestimmten Frequenzspektrum zu ermitteln. Die Vorrichtung weist ferner eine Frequenzdifferenzumwandlungseinheit auf, die dazu ausgebildet und angeordnet ist, einen Amplitudenverlauf der ermittelten Frequenzdifferenz entlang des elektrischen Leiters zu ermitteln.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters.
Elektrische Leiter können sich zum Beispiel durch elektrische Ströme, welche den elektrischen Leiter durchfließen, erwärmen. Hierdurch können sich die Eigenschaften der Leiter, zum Beispiel eine Impedanz der Leiter, verändern.
Zum Beispiel werden im technischen Bereich der Elektromobilität Ladekabel zum Aufladen von Akkumulatoren von Elektrofahrzeugen verwendet, die während eines Ladebetriebs von Strömen mit teils erheblicher Stromstärke durchflössen werden. Eine Folge ist eine abschnittsweise oder vollständige Erwärmung des Ladekabels, einhergehend mit einer teilweise signifikanten Erhöhung der Leitungsimpedanz.
Sollen neben den qualitativen auch die quantitativen Auswirkungen einer Erwärmung eines Leiters auf dessen Widerstandseigenschaften ermittelt werden, so werden eine Messvorrichtung und/oder ein Messverfahren benötigt.
Ein bekanntes Verfahren zur Ermittlung von Kabelbeschädigungen ist die Zeitbe- reichsreflektometrie (in Englisch: Time Domain Reflectometry, kurz TDR). Hierbei wird ein elektrisches Signal, vorzugsweise ein Pulssignal, einer elektrischen Leitung zugeführt. Ist die elektrische Leitung an einer Stelle durchtrennt, so wird das Signal an dieser Stelle reflektiert. Durch eine Laufzeitmessung des reflektierten Signals kann eine Position der Durchtrennungsstelle ermittelt werden. Ist die Leitung nicht durchtrennt, jedoch an einer Stelle beschädigt, sodass eine Impedanz der Leitung im Bereich der Beschädigung erhöht ist, so verursacht die erhöhte Impedanz eine
Teilreflektion des Signals. Anhand einer Laufzeitmessung des teilweise reflektierten Signals kann eine Position der erhöhten Impedanz und anhand der Amplitude des reflektierten Signals eine Relation der erhöhten Impedanz zur umgebenden Leitungsimpedanz ermittelt werden.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Ermittlung von Kabelbeschädigungen ist die Frequenzbereichsreflektometrie (in Englisch: Frequency Domain Reflectometry, kurz FDR). Hierbei werden Signale verschiedener Frequenzen einer Leitung zugeführt und das Frequenzspektrum der reflektierten Signale ermittelt. Weiter werden die ermittel- ten Frequenzspektren mittels einer Fourier-Transformation in eine Signaldarstellung umgewandelt. Die Position einer erhöhten Impedanz und/oder einer Leitungsdurchtrennung können durch einen Impedanzverlauf entlang der Kabellänge sichtbar gemacht werden. Bei der Ermittlung des Impedanzverlaufs kann sowohl die
Phaseninformation der reflektierten Signale als auch der Betrag der reflektierten Signale berücksichtigt werden.
Ein Nachteil der bekannten Verfahren (FDR, TDR) ist es, dass die hierfür benötigten Messvorrichtungen bzw. Messaufbauten teuer, technisch aufwendig und aufgrund ihrer Baugröße und ihres Gewichts wenig portabel sind. Begründet ist dies vor allem durch die hoch empfindlichen und breitbandigen HF-Bauelemente zur Erfassung der reflektierten Signale, wie zum Beispiel Analog-Digital-Konverter oder Verstärker.
Die Einsatzgebiete bekannter Messvorrichtungen sind daher auf Labore oder ausgesprochen kostenintensive Anwendungsgebiete, bei welchen die hohen Kosten der Messvorrichtung in den Hintergrund treten (z.B. Unterseekabel, Ölpipelines), eingeschränkt. Für weniger kostenintensive Anwendungsgebiete, zum Beispiel zur Überprüfung kürzerer Kabel mit einer Länge von z.B. 10 m, ist der Einsatz der bekannten Vorrichtungen und Verfahren aus wirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll und daher unüblich.
Es besteht somit ein Bedarf an einer verbesserten, insbesondere kostengünstigeren, Vorrichtung und einem verbesserten, insbesondere kostengünstigeren, Verfahren zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters.
Eine Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters weist eine Signalgeneratoreinheit ein. Die Signalgeneratoreinheit ist dazu angeordnet und ausgebildet, ein multifrequentes elektrisches Signal, insbesondere ein zeitvariantes multifrequentes Signal oder ein zeitinvariantes Rauschsignal, zu erzeugen, welches einen elektrischen Leiter durchläuft. Die Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs weist ferner eine Frequenzspektrumerfassungseinheit auf. Die
Frequenzspektrumserfassungseinheit ist dazu angeordnet und ausgebildet, ein Frequenzspektrum eines den Leiter verlassenden muitifrequenten elektrischen Signals zumindest in einem vorbestimmten Frequenzbereich zu erfassen. Die Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs weist ferner eine Fre- quenzspektrumdifferenzermittlungseinheit auf. Die Frequenzspektrumsdifferenzer- mittlungseinheit ist dazu angeordnet und ausgebildet, eine Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und einem vorbestimmten Frequenzspektrum zu ermitteln. Die Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs weist ferner eine Frequenzdifferenzumwandlungseinheit auf. Die Frequenzdifferenzumwandlungseinheit ist dazu ausgebildet und angeordnet, einen Amplitudenverlauf/eine Zeitbereichsdarstellung der ermittelten Frequenzdifferenz entlang des elektrischen Leiters zu ermitteln.
Anhand der Zeitbereichsdarstellung der ermittelten Frequenzdifferenz kann auf einen Impedanzverlauf bzw. auf Abweichungen zu einem SOLL-Impedanzverlauf entlang des elektrischen Leiters geschlossen werden. Die Zeitbereichsdarstellung der ermittelten Frequenzdifferenz korrespondiert zum Impedanzverlauf bzw. zur Abweichung zum SOLL-Impedanzverlauf entlang des elektrischen Leiters.
Ein Vorteil der Vorrichtung ist, dass durch die Ermittlung der Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und einem vorbestimmten Frequenzspektrum sowohl eine punktuelle als auch eine gleichmäßige Impedanzveränderung des gesamten Leiters festgestellt und quantifiziert werden kann. Wird der gesamte Leiter gleichmäßig um eine Temperatur erwärmt, so steigt die Impedanz des gesamten Leiters ebenfalls gleichmäßig an. Es erfolgt somit keine Signalreflektion an einem Leiterabschnitt mit einer relativ zu seiner Leiterumgebung erhöhten Impedanz. Jedoch verändert sich das von dem Leiter reflektierte Frequenzspektrum derart, dass die ermittelte Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und dem vorbestimmten Frequenzspektrum nach der Umwandlung eine Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung eine aufgrund der erhöhten Temperatur gleichmäßig erhöhte Impedanz als eine konstante lineare Verschiebung der Signalamplitude zeigt.
Ist das vorbestimmte Frequenzspektrum zum Beispiel das Frequenzspektrum des elektrischen Leiters unter vorbestimmten Bedingungen, insbesondere bei einer vorbestimmten Leitertemperatur, so kann mit der konstanten Verschiebung der ermittelten Signalamplitude, mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes, auf die Veränderung der Leitungsimpedanz und indirekt, z.B. durch Multiplikation mit einem leiterspezifischen Temperaturkoeffizienten, auf den Anstieg der Leitertemperatur geschlossen werden.
Weiter kann die Vorrichtung eine Verstärkereinheit umfassen, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, das multifrequente elektrische Signal zu verstärken. Ein Vorteil der Verstärkung des Signals, insbesondere vor dem Durchlaufen des elektrischen Leiters, ist, dass Signalverluste aufgrund der Dämpfung des Leiters in Relation zur Signalstärke reduziert werden.
Das erzeugte multifrequente Signal kann insbesondere ein Rauschsignal, zum Beispiel ein kontinuierliches weißes oder gaußsches Rauschsignal sein. Das Rauschsignal kann zum Beispiel eine Bandbreite bis zu 2 GHz haben. In einer anderen Ausführungsform kann das erzeugte multifrequente Signal ein zeitvariantes multifrequenr.es Signal, insbesondere ein Frequenzsweep, sein.
In einer spezifischen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters einen Richtkoppler, welcher mit einem Leiterende des elektrischen Leiters elektrisch leitfähig verbunden und dazu angeordnet und ausgebildet ist, das durch die Signal¬ generatoreinheit erzeugte multifrequente elektrische Signal in den elektrischen Leiter einzuleiten.
Der elektrische Leiter weist hierbei vorzugsweise ein offenes Leiterende auf, welches zumindest einen Teil des in den elektrischen Leiter eingeleiteten multifrequenten Signals reflektiert. Der Richtkoppler ist weiter dazu angeordnet und ausgebildet, das durch den Leiter, insbesondere durch das offene Leiterende, reflektierte Signal als das den elektrischen Leiter verlassende multifrequente elektrische Signal auszuleiten.
Ein Vorteil der Verwendung eines Richtkopplers ist es, dass ein reflektiertes multifre- quentes Signal/Frequenzspektrum durch die Frequenzspektrumerfassungseinheit erfasst werden kann. In anderen Ausführungsformen kann ein die Leitung einmalig durchlaufendes multifrequenr.es Signal/Frequenzspektrum an einem Leitungsende erfasst werden. Das reflektierte Signal/Frequenzspektrum kann hierbei durch eine Subtraktion des in die Leitung eingeleiteten Signals/ Frequenzspektrums mit dem die Leitung durchlaufenden Signal/Frequenzspektrum ermittelt werden. Alternativ kann das die Leitung einmalig durchlaufende multifrequente Signal/Frequenzspektrum ohne vorherige Subtraktion mit dem in die Leitung eingeleiteten Signal/Frequenzspektrum der Frequenzspektrumerfassungseinheit zugleitet werden, wobei eine hierzu analoge Anpassung des vorbestimmten Frequenzspektrums Voraussetzung ist. Die Auswahl/Bestimmung des vorbestimmten Frequenzspektrums ist nachfolgend detaillierter beschrieben. In einer Variante ist die Frequenzspektrumerfassungseinheit und/oder die Signalgeneratoreinheit ein Software Defined Radio, kurz SDR. Die Frequenzspektrumerfas- sungseinheit kann einen Frequenzerfassungsbereich von 25 bis 1750 MHz aufweisen. Weiter kann die Frequenzspektrumerfassungseinheit eine softwarebasierte Signalverarbeitung aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Frequenzspektrumerfas- sungseinheit einen USB-Anschluss (USB: Universal Serial Bus) aufweisen.
Ein Software Defined Radio, kurz SDR, ist eine Vorrichtung, welche zumindest einen Hochfrequenzempfänger aufweist und zumindest einen Teil der Signalverarbeitung durch ein rechnergestütztes Verfahren bewältigt. Weiter kann ein SDR eine Signalgeneratoreinheit aufweisen, welche zur Erzeugung eines multifrequenten Signals, insbesondere eines Rauschsignals, geeignet ist. Varianten eines SDRs, welche eine Signalgeneratoreinheit zur Erzeugung eines zeitvarianten multifrequenten Signals aufweisen, sind ebenfalls möglich. SDRs zeichnen sich durch ihre zum Teil geringe Baugröße, ihr geringes Gewicht und ihre kostengünstige Verfügbarkeit am Markt aus. Weiter können SDRs zum Beispiel in der Messtechnik übliche 50-Ohm SMA Anschlüsse und/oder einen USB-Anschluss aufweisen. SDRs eignen sich daher besonders zum nicht stationären Einsatz und/oder zum Zusammenwirken mit, insbesondere portab¬ len, Rechnervorrichtungen.
Ein Vorteil der Verwendung eines SDR liegt, neben dem/der möglichen geringen Gewicht/Baugröße und der günstigen Verfügbarkeit am Markt, darin, dass SDRs teilweise frei konfigurierbar, insbesondere frei programmierbar, sind und eine nutzer¬ individuelle Anpassung, zum Beispiel des erzeugten Signals, ermöglichen. SDRs eignen sich somit als Vorrichtungsbestandteile für eine Vorrichtung zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang einer Vielzahl von unterschiedlichen Leitern.
Die Frequenzspektrumerfassungseinheit kann dazu angeordnet und ausgebildet sein, zumindest eine Phaseninformation und/oder eine Signallaufzeit des den Leiter verlas¬ senden multifrequenten elektrischen Signals zu ermitteln. Jedoch ist dies ausdrücklich nicht in allen Ausführungsformen vorgesehen. Erzeugt der Signalgenerator zum Beispiel ein kontinuierliches Rauschsignal, so kann die Frequenzspektrumerfassungs- einheit dazu ausgebildet sein, das Frequenzspektrum des den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals zumindest in einem vorbestimmten Frequenzbereich zu erfassen ohne eine Phaseninformation und/oder eine Signallaufzeit zu ermit¬ teln. In einer Ausführungsform ist das vorbestimmte Frequenzspektrum ein durch die Frequenzspektrumerfassungseinheit erfasstes Frequenzspektrum des den elektrischen Leiter oder einen elektrischen Referenzleiter unter vorbestimmten (Umwelt-) Bedingungen verlassenden multifrequenten Signals, wobei das dem Leiter oder Referenzleiter zugeführte Signal identisch zu dem multifrequenten Signal ist, welches dem elektrischen Leiter zur Ermittlung des Impedanzverlaufs zugeführt wird. Die vorbestimmten (Umwelt-) Bedingungen sind insbesondere eine Beschädigungsfreiheit und/oder eine konstante Temperatur, bevorzugt von 20 Grad Celsius, des gesamten elektrischen Leiters oder des gesamten Referenzleiters.
Ein Vorteil der Ermittlung/Bestimmung des vorbestimmten Frequenzspektrums durch das Erfassen des Frequenzspektrums des den elektrischen Leiter oder Referenzleiter unter vorbestimmten (Umwelt-)Bedingungen verlassenden multifrequenten Signals ist, dass die ermittelte Frequenzdifferenz zu dem vorbestimmten Frequenzspektrum eine Abweichung zu einem vorbestimmten Zustand des elektrischen Leiters repräsentiert. Somit ist nach der Umwandlung der Frequenzdifferenz in eine Zeitbereichsdarstellung kein Signal/keine Impedanz, sondern lediglich eine Signalveränderung/eine Impedanzveränderung dargestellt.
Ein Vorteil der Ermittlung des vorbestimmten Frequenzspektrums mit Hilfe eines Referenzleiters ist es, dass zum Beispiel im Falle einer Vielzahl identisch gefertigter elektrischer Leiter mit identischen Eigenschaften der Ermittlungsaufwand für das vorbestimmte Frequenzspektrum reduziert werden kann, wenn stellvertretend für die Vielzahl identischer Leiter ein aus der Vielzahl ausgewählter Leiter als Referenzleiter dient.
In einer Variante ist die Frequenzdifferenzumwandlungseinheit dazu ausgebildet und angeordnet, den Amplitudenverlauf/ die Zeitbereichsdarstellung entlang des elektrischen Leiters mit einer inversen Fourier-Transformation, insbesondere mit einer schnellen inversen Fourier-Transformation, der zuvor ermittelten Frequenzdifferenz zu ermitteln.
Ein Vorteil hierbei ist, dass sich die schnelle inverse Fourier-Transformation zur res¬ sourceneffizienten Implementierung von rechnergestützten Umwandlungsverfahren eignet. In jenen Ausführungsformen der Vorrichtung, in denen die Frequenzspektrumerfas- sungseinheit eine Phaseninformation und/oder eine Signallaufzeit des den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals ermittelt, kann die Frequenzdiffe- renzumwandlungseinheit dazu angeordnet und ausgebildet sein, die durch die Fre- quenzspektrumerfassungseinheit ermittelte Phaseninformation zu einer Laufzeit- oder Leiterlängenreferenzierung des Amplitudenverlaufs/ der Zeitbereichsdarstellung heranzuziehen.
In einer Variante kann der elektrische Leiter insbesondere von einem Dielektrikum mit temperaturvarianten Eigenschaften umgeben sein. Insbesondere kann sich eine dielektrische Konstante des den Leiter umgebenden Dielektrikums mit steigender oder abnehmender Temperatur verändern. Zum Beispiel kann der Leiter ein Koaxialkabel mit einem PVC-Dielektrikum sein. Die temperaturvarianten Eigenschaften des Dielektrikums können eine Impedanzerhöhung des Leiters in Folge einer lokalen oder konstanten Erwärmung des Leiters befördern, sodass eine Erwärmung des Leiters leichter/einfacher/deutlicher mit der hier beschriebenen Vorrichtung feststellbar/ermittelbar ist.
Ein Verfahren für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters umfasst die Schritte:
- Erzeugen eines multifrequenten elektrischen Signals, insbesondere eines zeitvarian- ten multifrequenten elektrischen Signals oder eines zeitinvariantes elektrischen Rauschsignals, welches einen elektrischen Leiter durchläuft,
- Erfassen eines Frequenzspektrums, zumindest in einem vorbestimmten Frequenz¬ bereich, eines den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals,
- Ermitteln einer Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und einem vorbestimmten Frequenzspektrum, und
- Ermitteln eines Amplitudenverlaufs der Frequenzdifferenz entlang des elektrischen Leiters.
Ist die Leistung des multifrequenten elektrischen Signals konstant, so kann der Amplitudenverlaufs in einen Impedanzverlauf überführt werden. Weiter kann das Verfahren zumindest einen der Schritte umfassen:
- Verstärken des multifrequenten elektrischen Signals
- Einleiten des multifrequenten elektrischen Signals in den elektrischen Leiter
- Ausleiten des durch den elektrischen Leiter reflektierten multifrequenten elektrischen Signals als das den Leiter verlassende Signal, wobei der elektrische Leiter insbesondere ein offenes Leiterende aufweist, welches zumindest einen Teil des in den elektrischen Leiter eingeleiteten Signals reflektiert.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.
Fig. 1A - 1B zeigen schematisch eine Messanordnung für eine Zeitbereichsreflekto- metrie.
Fig. 2A - 2B zeigen schematisch eine Messanordnung für eine Frequenzbereichsre- flektometrie.
Fig. 3 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters.
Fig. 4A - 4B zeigen schematisch die Auswirkungen einer ansteigenden Erwärmung des elektrischen Leiters auf die Signalamplitude bzw. den Verlauf der Leiterimpedanz.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Messanordnung für eine Zeitbereichsre- flektometrie.
In der in Fig. 1 gezeigten Variante A wird ein (Impuls-)Signal über einen Richtkoppler einem Kabel zugeführt. Das Kabel ist nur an einem Ende mit dem Richtkoppler elektrisch leitend verbunden, während ein entgegengesetztes Kabelende offen oder elektrisch isoliert ist. Ein von dem Kabelende reflektiertes (Impuls-)Signal wird durch den Richtkoppler ausgeleitet und einer Auswertung oder Darstellung, zum Beispiel mit einem Oszil- loskop, zugeführt. Durch eine Ermittlung der Laufzeit des Signals kann auf die Kabellänge geschlossen werden.
Ist das Kabel an einer Stelle durchtrennt, so wird das (Impuls-)Signal an dieser Stelle reflektiert. Durch eine Laufzeitmessung des reflektierten Signals kann eine Position der Durchtrennungsstelle ermittelt werden.
Ist das Kabel nicht durchtrennt, jedoch an einer Stelle beschädigt, sodass eine Impedanz der Leitung punktuell oder örtlich begrenzt erhöht ist, verursacht die erhöhte Impedanz eine Teilreflektion des (Impuls-)Signals. Anhand der Laufzeitmessung des teilweise reflektierten (Impuls-)Signals kann eine Position der erhöhten Impedanz und anhand der Amplitude des teilweise reflektierten (Impuls-)Signals eine Relation der erhöhten Impedanz zu der die Beschädigung umgebenden Leitungsimpedanz ermittelt werden.
In der in Fig. 1 gezeigten Variante B wird das (Impuls-)Signal, im Unterschied zu Variante A, vollständig durch ein an zwei Kabelenden elektrisch kontaktiertes Kabel geleitet. Das Signal, welches das Kabel verlässt, wird von dem Signal, welches dem Kabel zugeführten wird, subtrahiert und das so ermittelte Differenzsignal analog zur Variante A ausgewertet oder dargestellt.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Messanordnung für eine Frequenzbe- reichsreflektometrie bzw. Vektor-Frequenzbereichsreflektometrie.
In der in Fig. 2 gezeigten Variante A wird ein multifrequentes Signal über einen Richtkoppler einem Kabel zugeführt. Das Kabel ist nur an einem Ende mit dem Richtkoppler elektrisch leitend verbunden, während ein entgegengesetztes Kabelende offen oder elektrisch isoliert ist.
Das Frequenzspektrum des reflektierten multifrequenten Signals wird erfasst und durch den Richtkoppler ausgeleitet.
Eine Transformation des erfassten Frequenzspektrums in eine Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung, zum Beispiel mit einem Oszilloskop, zeigt den Verlauf eines Spannungsabfalls/einer Impedanz entlang des Kabels. In der in Fig. 2 gezeigten Variante B wird das multifrequente Signal, im Unterschied zu Variante A der Fig. 2 und analog zur Variante B der Fig. 1, vollständig durch ein an zwei Kabelenden elektrisch kontaktiertes Kabel geleitet. Das Frequenzspektrum des das Kabel verlassenden Signals wird von dem Frequenzspektrum des dem Kabel zugeführten Signals subtrahiert und das so ermittelte Differenzspektrum analog zur Variante A ausgewertet oder dargestellt.
Figur 3 zeigt beispielhaft und schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Kabels.
Ein Multifrequenzgenerator 10 erzeugt ein multifrequentes Signal. Das multifrequente Signal wird durch einen Verstärker 20 verstärkt und anschließend einem Richtkoppler 30 zugeführt. Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das multifrequente Signal ein zeitinvariantes Rauschsignal, jedoch sind auch Ausführungsformen mit einem zeitvarianten multifrequenten Signal, zum Beispiel mit einem Frequenzsweep, möglich.
Der Richtkoppler 30 leitet das verstärkte multifrequente Signal in ein Kabel 40, wobei ein Ende des Kabels 40 elektrisch leitfähig mit dem Richtkoppler 30 verbunden ist und ein weiteres Kabelende offen oder elektrisch isoliert ist.
Das verstärkte multifrequente Signal wird vom Kabel 40, insbesondere vom offenen bzw. isolierten Kabelende, reflektiert. Das reflektierte verstärkte multifrequente Sig¬ nal wird durch den Richtkoppler 30 einem Software Defined Radio, kurz SDR, 50 zugeleitet. Das SDR 50 ermittelt ein Frequenzspektrum des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals.
In einer Weiterentwicklung (nicht gezeigt) wird das multifrequente Signal durch das SDR 50 erzeugt und dem Verstärker 20 zugeführt. Das SDR ersetzt in dieser Weiterentwicklung somit den Multifrequenzgenerator 10, wobei dieses nicht im Widerspruch zu der Funktion des SDR 50 in der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung steht. Das SDR 50 ermöglicht in dieser Weiterentwicklung somit die Einsparung von Vorrichtungsbestandteilen. Eine (Bau-)Größe der gezeigten Vorrichtung kann somit reduziert werden und die Kosten zur Implementierung der gezeigten Vorrichtung können hierdurch gesenkt werden. In Ausführungsformen der Vorrichtung (nicht gezeigt), welche zum Beispiel ein mul- tifrequentes Signal in Form eines Frequenzsweeps vorsehen, kann das SDR 50 zudem eine Phaseninformationen des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals ermitteln.
Weiter wird das durch das SDR 50 ermittelte Frequenzspektrum des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals einer Frequenzspektrumdifferenzermittlungsein- heit 70 zugeleitet. Die Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit 70 ermittelt eine Frequenzdifferenz zwischen dem Frequenzspektrum des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals und einem Referenzspektrum 60.
Das Referenzspektrum 60 ist zuvor durch eine Ermittlung eines reflektierten verstärkten multifrequenten Signals eines Referenzkabels bestimmt worden (nicht gezeigt). Hierzu wird ein zum verstärkten multifrequenten Signal identisches Signal, vorzugsweise ein durch dieselbe Anordnung aus Multifrequenzgenerator 10, Verstärker 20 und Richtkoppler 30 erzeugtes Signal, dem Referenzkabel zugeführt und analog zu der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ein Frequenzspektrum/Referenzspektrum ermittelt. Das Referenzkabel ist ein zu dem Kabel 40 identisches oder zumindest eigenschaftsidentisches Kabel, welches beschädigungsfrei ist und eine
gleichmäßige/konstante Temperatur von 20°C aufweist. Analog zu der in Fig. 3 ge¬ zeigten Anordnung ist ein Kabelende des Referenzkabels während der Ermittlung des reflektierten elektrischen multifrequenten Signals offen oder elektrisch isoliert.
Mit anderen Worten wird bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung das tatsächlich durch das SDR 50 ermittelte Frequenzspektrum des reflektierten verstärkten multifrequenten Signals mit einem vorbestimmten "Soll-Spektrum" vergleichen.
Die durch die Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit 70 ermittelte Frequenzdifferenz wird einem Spektraltranformationsrechner 80 zugeführt. Dieser transformiert die Frequenzdifferenz mit einer inversen schnellen Fourier-Transformation (in Englisch: inverse fast fourier transform, kurz IFFT) in eine Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Spektraltranformationsrechner 80 eine portable Rechnervorrichtung. Die IFFT wird anhand von bekannten Algorithmen durchgeführt und soll an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden. In einer Ausführungsform der Vorrichtung (nicht gezeigt) kann der Spektraltranfor- mationsrechner 80 zur Ermittlung der Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung zusätzlich auch durch das SDR 50 ermittelte Phaseninformationen, zum Beispiel eines Freuqenzsweeps, nutzen. Hierdurch wird eine Leitungslängen- oder laufzeitre- ferenzierte Amplitudendarstellung ermöglicht.
Die ermittelte, insbesondere leitungslängen- und/oder laufzeitreferenzierte, Amplitudendarstellung wird einer Ausgabeeinheit für den temperaturabhängigen Impedanzverlauf 90 zugeleitet und durch diese ausgegeben.
In einer Variante können die Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit 70, der Spektraltransformationsrechner 80 und die Ausgabeeinheit 90 gemeinsam durch eine portable Rechnervorrichtung mit Bildschirm, zum Beispiel durch einen handelsüblichen (Mobil-)Rechner, realisiert sein. Das Referenzspektrum 60 kann durch die Rechnervorrichtung abgespeichert sein und/oder durch diese bereitgestellt werden.
Figur 4A zeigt Beispiele für durch die Ausgabeeinheit 90 ausgegebene temperaturabhängige Impedanzverläufe. Hierbei werden in einem Koordinatensystem auf der Abszissenachse die Signallaufzeit und/oder die Kabellänge und auf der Ordinatenach- se die Signalamplitude und/oder die Kabelimpedanz aufgetragen, wobei die Signallaufzeit und die Kabellänge sowie Signalamplitude oder die Kabelimpedanz jeweils durch die Multiplikation von Konstanten ineinander überführbar sind, sofern Signal¬ ausbreitungsgeschwindigkeit und die Leistung des multifrequenten Signals zumindest im Wesentlichen konstant sind.
Wird eine erste Stelle Tl oder ein Abschnitt des Kabels 40 erwärmt, so erfolgt aufgrund der Erwärmung ein lokaler Anstieg der Kabelimpedanz. Der Anstieg der Kabelimpedanz verändert die Leitungseigenschaften des gesamten Kabels derart, dass sich das durch das SDR 50 ermittelte Frequenzspektrum vom Referenzspektrum 60 unterscheidet. Wird die Frequenzdifferenz zwischen dem ermittelten Frequenzspektrum vom Referenzspektrum 60 mittels IFFT in eine Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung umgewandelt, so zeigt sich an der Stelle Tl (sofern die Abszissenachse auf eine Kabellänge normiert ist) eine Anhebung der Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz. Die Anhebung nimmt mit steigender Temperatur zu. Eine Veränderung der Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz über einen Zeitraum und/oder unterschiedliche Nutzungszustände des Kabels hinweg kann zur Unterscheidung einer temperaturbedingten Impedanzänderung und einer beschädigungsbedingten Impedanzänderung dienen. - -
Analog zur Anhebung der Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz an der ersten Stelle Tl erfolgt aufgrund der Änderung der Leitungseigenschaften des gesamten Kabels eine Änderung der dargestellten Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz am offenen Kabelende E. Die dargestellte Kabelimpedanz am Leitungsende E entspricht nicht der tatsächlichen Kabelimpedanz am Kabelende, da für eine korrekte Darstellung ein unbeschränktes Frequenzspektrum erfasst werden müsste. Die tatsächlich dargestellte Signalamplitude bzw. Leitungsimpedanz am Kabelende E verändert sich mit steigender Temperatur jedoch analog zur Signalamplitude bzw. zur Kabelimpedanz an der erwärmten ersten Stelle Tl und kann somit zusätzlich zur Bestimmung des Temperaturanstiegs (mit-)herangezogen werden.
Zudem kann bei einer bekannten Kabellänge die Abszissenachse durch die erkennbare (veränderliche) Kabelimpedanz am offenen Kabelende E normiert werden. Mit anderen Worten entspricht die Abszissenstelle mit der erkennbaren (veränderlichen) Impedanz dem Kabelende E, sodass eine (zumindest ungefähre) Normierung der Abszissenachse bei bekannter Kabellänge möglich ist (soweit keine vollständige Kabeldurchtrennung/Beschädigung vorliegt). Dies ist vor allem bei Ausführungsformen der Vorrichtung/ des Verfahrens ohne Laufzeit- oder Phaseninformationsbestimmung vorteilhaft. Die Normierung kann insbesondere auch mit der Messung des Referenzspektrums am Referenzkabel durchgeführt werden.
Figur 4B zeigt die Auswirkungen einer Ausdehnung der Erwärmung auf einen Ab¬ schnitt des Kabels zwischen einer ersten Stelle Tl und einer zweiten Stelle T2, wobei das Maximum der Erwärmung zwischen der ersten Stelle Tl und der zweiten Stelle T2 erreicht wird. In der Folge ergibt sich in der Amplitudendarstellung/Zeitbereichsdarstellung eine Anhebung der Signalamplitude bzw. der Kabelimpedanz, welche sich analog zur Erwärmung entlang des Kabels erstreckt.
Ein Vorteil hierbei besteht darin, dass auch eine vollständige gleichmäßige Erwär¬ mung des Kabels durch eine Anhebung / einen Offset der / auf die Signalamplitude bzw. die Kabelimpedanz feststellbar und quantisierbar ist.
Es versteht sich, dass die zuvor erläuterten beispielhaften Ausführungsformen nicht abschließend sind und den hier offenbarten Gegenstand nicht beschränken. Insbe¬ sondere ist für den Fachmann ersichtlich, dass er die beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombinieren kann und/oder verschiedene Merkmale weglassen kann, ohne dabei von dem hier offenbarten Gegenstand abzuweichen.

Claims

Patentansprüche
Eine Vorrichtung für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters, aufweisend:
eine Signalgeneratoreinheit, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, ein multifrequentes elektrisches Signal zu erzeugen, welches einen elektrischen Leiter durchläuft,
eine Frequenzspektrumerfassungseinheit, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, ein Frequenzspektrum eines den Leiter verlassenden multifre- quenten elektrischen Signals zumindest in einem vorbestimmten Frequenzbereich zu erfassen,
eine Frequenzspektrumdifferenzermittlungseinheit, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, eine Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenzspektrum und einem vorbestimmten Frequenzspektrum zu ermitteln, und
eine Frequenzdifferenzumwandlungseinheit, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, einen Amplitudenverlauf der ermittelten Frequenzdifferenz entlang des elektrischen Leiters zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das multifrequente elektrische Signal ein Rauschsignal, insbesondere ein kontinuierliches weißes Rauschen, ist, oder
das multifrequente elektrische Signal ein zeitvariantes Signal, insbeson¬ dere ein Frequenzsweep, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter aufweisend
eine Verstärkereinheit, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, das multifrequente elektrische Signal zu verstärken.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter aufweisend einen Richtkoppler, welcher mit einem Leiterende des elektrischen Leiters elektrisch leitfähig verbunden und dazu angeordnet und ausgebildet ist, das durch die Signalgeneratoreinheit erzeugte multifrequente elektrische Signal in den elektrischen Leiter einzuleiten, und ein durch den elektrischen Leiter reflektiertes multifrequentes elektrisches Signal als das den elektrischen Leiter verlassende multifrequente elektrisches Signal auszuleiten, wobei
der elektrische Leiter insbesondere ein offenes Leiterende aufweist, welches zumindest einen Teil des in den elektrischen Leiter eingeleiteten Signals reflektiert.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
die Frequenzspektrumerfassungseinheit dazu angeordnet und ausgebildet ist, zumindest eine Phaseninformation des den Leiter verlassenden mul- tifrequenten elektrischen Signals zu ermitteln, und/oder
die Frequenzspektrumerfassungseinheit ein Software Defined Radio, SDR, ist, und/oder
die Signalgeneratoreinheit ein SDR ist, und/oder
die Frequenzspektrumerfassungseinheit einen Frequenzerfassungsbereich von 25 bis 1750 MHz aufweist, und/oder
die Frequenzspektrumerfassungseinheit eine softwarebasierte Signalverarbeitung aufweist, und/oder
die Frequenzspektrumerfassungseinheit einen USB-Anschluss aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
das vorbestimmte Frequenzspektrum ein durch die Frequenz- spektrumerfassungseinheit erfasstes Frequenzspektrum des den elektrischen Leiter oder einen elektrischen Referenzleiter unter vorbestimmten Bedingungen verlassenden elektrischen Signals ist, wobei
die vorbestimmten Bedingungen insbesondere eine Beschädigungsfrei¬ heit und/oder eine konstante Temperatur, bevorzugt von 20 Grad Celsius, des elektrischen Leiters oder des Referenzleiters umfassen.
7. Vorrichtung einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
die Frequenzdifferenzumwandlungseinheit dazu angeordnet und ausge¬ bildet ist, den Amplitudenverlauf entlang des elektrischen Leiters mit einer in- versen Fourier-Transformation, insbesondere mit einer schnellen inversen Fourier-Transformation, der Frequenzdifferenz zu ermitteln, und/oder
die Frequenzdifferenzumwandlungseinheit weiter dazu angeordnet und ausgebildet ist, eine Phaseninformation zu einer Laufzeit- oder Leiterlängenre- ferenzierung des Amplitudenverlaufs heranzuziehen.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der elektrische Leiter von einem Dielektrikum mit temperaturvarianten Eigenschaften umgeben ist, insbesondere von einem Dielektrikum mit einer temperaturabhängigen dielektrischen Konstante.
9. Verfahren für die Ermittlung eines temperaturabhängigen Impedanzverlaufs entlang eines elektrischen Leiters mit den Schritten:
- Erzeugen eines multifrequenten elektrischen Signals, welches einen elektrischen Leiter durchläuft,
- Erfassen eines Frequenzspektrums, zumindest in einem vorbestimmten Frequenzbereich, eines den Leiter verlassenden multifrequenten elektrischen Signals,
- Ermitteln einer Frequenzdifferenz zwischen dem erfassten Frequenz¬ spektrum und einem vorbestimmten Frequenzspektrum, und
- Ermitteln eines Amplitudenverlaufs der Frequenzdifferenz entlang des elektrischen Leiters.
Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend zumindest einen der Schritte:
- Verstärken des multifrequenten elektrischen Signals
- Einleiten des multifrequenten elektrischen Signals in den elektrischen
Leiter
- Ausleiten eines durch den elektrischen Leiter reflektierten multifre¬ quenten elektrischen Signals als das den Leiter verlassenden multifrequenten Signal, wobei
der elektrische Leiter insbesondere ein offenes Leiterende aufweist, welches zumindest einen Teil des in den elektrischen Leiter eingeleiteten multifrequenten Signals reflektiert.
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