WO2019179569A1 - Messanordnung zur überwachung eines biegeflexiblen strangs und biegeflexibler strang sowie verfahren zur überwachung eines biegeflexiblen strangs - Google Patents

Messanordnung zur überwachung eines biegeflexiblen strangs und biegeflexibler strang sowie verfahren zur überwachung eines biegeflexiblen strangs Download PDF

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WO2019179569A1
WO2019179569A1 PCT/DE2019/100247 DE2019100247W WO2019179569A1 WO 2019179569 A1 WO2019179569 A1 WO 2019179569A1 DE 2019100247 W DE2019100247 W DE 2019100247W WO 2019179569 A1 WO2019179569 A1 WO 2019179569A1
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WO
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measuring
core
strand
wire
conductor
Prior art date
Application number
PCT/DE2019/100247
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Janssen
Erwin Köppendörfer
Markus Schill
Original Assignee
Leoni Kabel Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leoni Kabel Gmbh filed Critical Leoni Kabel Gmbh
Publication of WO2019179569A1 publication Critical patent/WO2019179569A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement for monitoring a bend flexible strand with respect to a bend.
  • the invention further relates to a flexurally flexible strand for such a measuring arrangement and to a method for monitoring a bend-flexible strand with regard to bending.
  • Electricly operated or operable motor vehicles such as electric or hybrid vehicles
  • electrochemical battery systems as secondary energy storage for operating an electric motor.
  • high charging currents and high power transmissions are necessary for this purpose, which in the course of a charging process are led from a power supply unit (charging station) via a charging cable to the battery system.
  • Such a charging cable has a plurality of wires, ie insulated conductors, for energy and often also for signal transmission.
  • signal cores for signal or data transmission are also typically provided.
  • the wires form a cable core, which is surrounded by a common (insulating) jacket.
  • cables or other flexibly flexible strands are subject to various stresses which are unknown in terms of their duration and strength.
  • such strands are preferably flexurally flexible with regard to occurring mechanical loads, such as, for example, vibrations or bending, this means that the strand has at least a certain bendability and bending resistance.
  • the strand thus has a bending ability, that is to say a bending radius, about which it can be bent, without a significant impairment of the functionality occurring.
  • the object of the invention is to provide a particularly suitable measuring arrangement for monitoring a bend-flexible strand with regard to bending.
  • a simple and quantitative detection of a bend should be made possible.
  • the invention is further based on the object of specifying a flexurally flexible strand for such a measuring arrangement.
  • Another object of the invention is to specify a particularly suitable method for monitoring a bend-flexible strand with regard to bending.
  • Advantageous embodiments and developments are the subject matter of the respective subclaims.
  • the objects are achieved according to the invention by a measuring arrangement which is suitable and adapted for monitoring a bendable strand with regard to bending, by means of such a specially designed bendable strand and by a Method of monitoring the strand using the measuring arrangement.
  • the advantages and configurations listed below with regard to the measuring arrangement are analogously applicable to the string as well as the method and vice versa.
  • the strand runs in an unbent initial state along a
  • a bend in particular a geometric deviation from a straight or straight course of the strand is to be understood at a bending point, which is characterized by means of a bending radius.
  • the strand thus has a bending ability, so that it can be bent without significantly influencing its functionality up to a certain bending radius.
  • a bending radius is to be understood as meaning, in particular, the permissible radius for an occasional or permanent bending of the strand. This is to be understood in particular bending radii, which are approximately in the order of the strand diameter.
  • the strand has a centrally arranged, in particular bend-flexible core on which at least one measuring wire is guided along.
  • the artery is hereby preferably coiled or spirally guided along the core.
  • the or each measuring wire has an electrical conductor and a wire jacket surrounding it. Also called Insulator or Dielectric
  • Conductive cladding surrounds the conductor embodied, for example, as a stranded conductor or solid wire as an electrically insulating cladding layer.
  • the wire jacket preferably lies directly on the conductor.
  • the wire jacket is preferably formed as an extruded jacket.
  • the conductor of the at least one measuring core is made of a solid material as possible.
  • the measuring wire is provided with a shield, or at least shielded from sources of interference.
  • the measuring arrangement furthermore has a feed unit for feeding an electrical measuring signal into the at least one measuring wire, and a receiving unit for receiving a response signal of the measuring wire and for forwarding to an evaluating unit for evaluating the measuring signal after propagation in the head of the artery.
  • a response signal is understood to mean, in particular, here and in the following an electrical signal which results from the supplied measuring signal in the course of a signal propagation in the measuring wire.
  • the conductor of the measuring wire is relatively displaceable relative to the wire sheath, wherein the at least one measuring wire is arranged such that the measuring wire is guided without displacement along the core.
  • the conductor is guided essentially loosely in the cored jacket, wherein the core jacket without displacement, so firmly against the core.
  • the relative position of the measuring core to the core is unchanged during a bending of the strand, where this leads to a sectional deformation of the core sheath.
  • the deformation affects the signal propagation of the measurement signal in the conductor of the artery.
  • the received response signal is changed, so that by means of the evaluation unit a simple and reliable monitoring and detection of a bend of the strand is possible.
  • the jacket or the dielectric does not dissolve from the conductor.
  • the jacket is typically comparatively smooth and hard, so that no deformations occur in the course of a bend.
  • the line conductors slide against each other during a bend due to the stranding pitch, ie the lay length, as a result of which the length of the line cores remains constant on average. As a result, the most unchangeable electrical properties of the line or line elements are sought.
  • the (relative) displacement movability between the conductor and the cored casing of the measuring core ensures that the length of the conductor remains substantially constant along the core.
  • the wire sheath can not slip off the core, as a result of which mechanical deformation of the wire sheath occurs.
  • the invention is based on the recognition that in the course of a bend, the mechanical length changes radially on the inside and radially outside of the bending radius.
  • the conductor of this bend which is displaceably or loosely seated in the cored casing, differs essentially along the longitudinal direction of the string.
  • the conductor slides against the cored casing fixed to the core.
  • the wire sheath is compressed and / or stretched in the course of the bending, that is deformed.
  • the deformation causes changes in the distance and / or density of the wire sheath in the area of the bend.
  • the wire sheath is made of a compared to the prior art as soft as possible dielectric or insulating material.
  • the cored casing is preferably produced from a thermoelastic plastic material, in particular a thermoplastic elastomer (TPE), for example from a TPE on a (poly) urethane base (TPE-U, TPU).
  • TPE thermoplastic elastomer
  • the softness or deformability of the vein sheath is increased by means of swelling or foaming in the course of an extrusion.
  • the wire sheath is made of a decalcified polyurethane (PU, PU).
  • PU decalcified polyurethane
  • PU decalcified polyurethane
  • PU decalcified polyurethane
  • PU thermoplastic vulcanizate
  • TPV thermoplastic vulcanizate
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • the at least one measuring wire has a substantially known characteristic impedance or impedance value in the unbent initial state.
  • the distance and / or density changes of the wire sheath affect the
  • the Impedance value so that there is at least in the region of the bend to a local change or fluctuation of the impedance of the artery. Due to this local impedance change, the signal propagation of the measurement signal is influenced, so that by evaluating the signal propagation a conclusion to the Impedanz Sung and thus on the distance and / or density change or on the basis of this underlying bending is possible.
  • the evaluation unit is suitably designed and set up to use the response signal to draw conclusions about the impedance change and thus to the change in distance or to the bend on the basis of the signal propagation of the measured signal detected by the receiving unit, and to determine these and a bending radius or bending diameter to calculate.
  • signal attenuation also takes into account line attenuation due to the conductor material.
  • the feed unit and the receiving unit can be configured, for example, as a common transceiver unit, that is, as a transceiver.
  • the evaluation unit may also be part of the transceiver, for example, so that the evaluation takes place directly at the receiving location. It is also conceivable that the evaluation unit is designed to be external, ie separate from the measuring arrangement. In particular when the measuring arrangement is used in a motor vehicle, it is possible for the response signals received by the receiving unit to be forwarded to an evaluation unit which, for example, is part of a superordinate (motor vehicle) control unit.
  • evaluation unit as a computer or data cloud (cloud computing).
  • cloud computing cloud computing
  • the evaluation unit is suitable and configured, for example, to display or communicate the current bending state to a user, and if necessary to generate a warning signal, if the latter Bending of the strand reaches or exceeds an undesired bending radius.
  • the string is designed, for example, as a prefabricated cable with an attached plug.
  • the feed unit and / or the receiving unit of the measuring arrangement are in this case arranged completely or partially in the cable or in the plug. It is also conceivable, for example, that the
  • Feeding unit and / or the receiving unit of the measuring arrangement are arranged outside the strand.
  • At least two measuring leads are provided, which are stranded around the core in particular in such a way that, when the strand is bent, the relative position of the measuring leads to one another is unchanged.
  • the cores of the measuring leads to each other and to the core are essentially displacement-free.
  • a first displacement mobility is formed between the conductor and the cored casing of a measuring core
  • a second displacement mobility is formed between the cores of adjacent measuring conductors, wherein the first displacement mobility is greater than the second displacement mobility.
  • an adhesive seat smaller than 1 N (Newton) with a wire length of 50 mm (millimeters) is provided between the conductor and the wire sheath of a measuring core.
  • a “detention seat” here and in the following special understood the force that is necessary to remove a wire coat from the head.
  • the term “adhesive seat” thus describes the non-positive or frictional connection between the conductor and the surrounding wire sheath.
  • the measuring wire thus has a substantially negligible adhesive seat, so that the conductor can slide substantially loosely, that is without appreciable frictional resistance, along the wire jacket. This ensures that even comparatively small bending radii of the strand can be reliably monitored.
  • the hold between stranded wire sheaths is preferably dimensioned at least five times, in particular at least ten times larger, than the adhesive seat of the conductors in the wire sheaths.
  • the cores of at least two cores stranded together are held together in a positive and / or non-positive manner, wherein the positive and / or frictional connection between the corrugated sheaths is greater than 10 N, preferably greater than 20 N, in the case of abutting one another Sheath length of 10 cm (centimeters) is.
  • This ensures a lower (second) displaceability relative to the conductors inside the wire sheaths, which ensures deformation of the wire sheath in the course of (strand) bending on the one hand and relative displacement of the inserted conductors on the other hand.
  • the clothing can be fastened to the frame part only by means of a positive connection or only by means of a frictional connection or both by means of a form fit and by means of a frictional connection.
  • a “positive connection” or a “positive connection” between at least two interconnected parts is understood here and below to mean in particular that the cohesion of the interconnected Parts takes place at least in one direction by a direct meshing contours of the parts themselves or by an indirect meshing via an additional connecting part.
  • the "blocking" of a mutual movement in this direction is thus due to the shape.
  • a “frictional connection” or a “non-positive connection” between at least two interconnected parts is understood here and below to mean, in particular, that the interconnected parts are prevented from slipping against one another due to a frictional force acting between them. If there is no “connecting force” (ie the force which presses the parts against one another, for example a screw force or a weight force), this frictional force can not be maintained and thus released.
  • the positive and / or frictional connection between mutually stranded measuring wires is brought about by a surface roughness of the wire sheaths. This means that the corrugated sheaths have a surface-increasing roughness compared to a smooth surface.
  • the rough vein coats are roughened, for example in the course of coat production, in particular by means of a swirl, but a subsequent roughening process is also conceivable.
  • the cores In the stranded or stranded state, the cores thus hook or mutually engage one another so that, on the one hand, at least some form fit is realized between the cores.
  • the frictional or frictional connection between the stranded measuring leads is improved. Thus, it is ensured that, in the case of a bend, at least a partial deformation of the or each wire sheath occurs.
  • a particularly suitable cored casing for the measuring arrangement is realized.
  • a rough or roughened surface is to be understood in particular to be a shape deviation from a planar surface of the wire sheath due to unevenness or the like, whereby in particular the surfaces in the assembly or stranding state between the wire sheaths is increased.
  • the increase in surface area has a positive effect on the hold between the test leads, so that the risk of slippage is advantageously and simply reduced.
  • this reduces the (second) displacement mobility between the wire sheaths and thus increases their mutual support. This ensures that the cores do not undesirably slide off each other in the course of a bend, whereby a particularly reliable detection and monitoring of the strand is ensured with respect to a bend.
  • the core is a core of an electrical line.
  • the core or the conduit has a (conduction) diameter greater than 2 cm (centimeters), in particular greater than 3 cm, preferably greater than 5 cm.
  • the strand is designed here in particular as a charging cable for e-mobility applications.
  • a core with a smaller diameter is also conceivable, for example for robotics applications.
  • the core is designed as a supply element or as a hollow element, for example as a hose.
  • forms of further development of the core as a non-electrical supply element, such as, for example, a fiber optic line, are also conceivable.
  • the core is designed only as a particular cylindrical cavity, for example for the delivery of a fluid.
  • the core as the outermost element, has a shield around which the at least one measuring wire is guided.
  • the shield is used here as a return conductor for the or each artery.
  • the shield thus acts as a reference point for the characteristic impedance of the unbent strand.
  • the measuring signals become led from the at least one sense wire on the shield of the core to the receiving unit or to the evaluation unit.
  • the shield is otherwise signal-free. This means that, apart from the measurement signals or response signals during operation of the measurement arrangement, substantially no further electrical signals are routed or generated on the screen.
  • the evaluation unit is designed to detect a reflected signal component of the measurement signal as a response signal. This means that, during operation, the receiving unit detects a reflected signal component of the measuring signal as a response signal and forwards it to the evaluation unit. As a result, a particularly advantageous monitoring of the strand with respect to a bend is made possible.
  • the evaluation unit for evaluating the position of a local bending point on the core or on the strand is designed and set up by evaluating the propagation time of the reflected signal component (signal propagation time) in conjunction with the signal component or response signal.
  • the evaluation unit is suitable and configured to monitor the core in a locally resolved manner with respect to a bend.
  • the evaluation unit is further designed and set up to determine a quantitative measure of a bending of a local bending point on the strand.
  • the quantitative measure is in particular a measure or value for the bending radius or the bending diameter.
  • a signal pattern of the reflected signal component or of the response signal is evaluated, which is generated on the basis of the bend.
  • the evaluation unit is essentially designed to detect a bending profile along the core or the strand.
  • the supply unit feeds a measurement signal into the at least one measurement line, wherein the evaluation unit is designed as a response signal, in particular for monitoring the measurement wire to a reflected portion of the measurement signal.
  • a change in the impedance of the measuring signal in the conductor of the measuring wire is effected at the bending point.
  • the impedance is increased with decreasing the distance or increasing the density and decreasing with increasing the distance or decreasing the density.
  • the bend causes a local disturbance region along the measurement wire, which affects the signal propagation of the measurement signal.
  • the measurement signal is at least partially reflected in this interference region, so that the bending is detected and monitored by evaluating the reflected, ie returning, signal component. This means that the reflected signal component is the response signal received by the receiver unit.
  • a plurality of radially inward and outward distance and / or density changes may occur along the bending profile or bending profile.
  • a corresponding number of successive changes in impedance or impurities occur along the bend in the measuring wire.
  • the impedance changes cause the characteristic signal pattern of the reflected signal component, whereby a quantitative measure or value for the bending radius or the bending diameter can be determined by means of an evaluation of the reflected signal component.
  • the evaluation of the reflected signal component or response signal is in this case preferably taking into account a known (signal) attenuation in the conductor of the signal wire and / or the shielding. In other words, during the evaluation, a reduction of the signal amplitude of the measurement signal or of the reflected signal component due to a propagation path in the conductor is taken into account.
  • the measuring signal is a measuring pulse, in particular in the manner of a voltage jump or a voltage step.
  • the duration of the measurement signal or measurement pulse is preferably greater than or equal to an expected transit time of the measurement signal from the feed to an end of the at least one artery and back to the feed. This ensures that a reflected signal component at the infeed location is superimposed on the applied (constant) voltage amplitude.
  • a transit time measurement for example in the form of a time domain reflectometry, TDR (Time Domain Reflectometry)
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • a measurement pulse is fed into the artery and evaluated the voltage profile of the reflected signal component or response signal.
  • a measurement signal is fed from the feed unit into the artery per individual measurement, wherein when a predetermined voltage threshold (at the feed) is exceeded due to the reflected signal component, a stop signal is generated, wherein a transit time between the feeding of the measurement signal and the stop signal determined and changing the voltage threshold between the individual measurements.
  • the transit times (stop signals) of the reflected components are therefore generally recorded at different defined threshold values.
  • this method can be regarded as a voltage-discrete time measurement method.
  • the number of individual measurements is preferably more than 10, more preferably more than 20 or even more than 50 and, for example, up to 100 or even more individual measurements. From the large number of these individual measurements, a large number of stop signals are thus determined, which are arranged distributed over time.
  • the plurality of stop signals in conjunction with the threshold values therefore approximately represent the actual signal course of the injected measurement signal and the reflected components. Conveniently, from these stop signals, the actual waveform for a fed and reflected at the power end measurement signal, for example, by a mathematical see curve fit approximated.
  • the artery has a substantially known impedance value which is constant along the core and which is stored as a reference value or reference curve.
  • bends of the strand in a simple manner as deviations from this reference value or the reference curve can be detected and monitored.
  • four measuring wires are provided which form a quad stranding, in particular a star quad.
  • the quad stranding is hereby guided along the core and in particular roped around it, ie coiled or spirally guided. Due to the quad stranding, it is thus possible to monitor and detect essentially bends along all spatial directions reliably and reliably.
  • the flexurally flexible strand according to the invention is suitable and set up for a measuring arrangement described above.
  • the strand has a centrally arranged core and at least one measuring core, which has a conductor surrounded by a wire jacket and is preferably guided spirally along the core.
  • the conductor of the measuring wire is in this case relatively movable in displacement relative to the wire sheath, in particular the conductor lies essentially loosely in the respective wire sheath.
  • the at least one artery is arranged such that the artery along the core is guided without displacement, so that in a bend of the strand, the relative position of the artery core to the core is unchanged and there is a sectional deformation of the arcing. As a result, a particularly suitable strand is realized.
  • the core it is conceivable, for example, for the core to be subdivided into a plurality of subsections, each subsection having at least one associated artery as a bending sensor element.
  • a plurality of measuring wires are provided, which are guided along the core, in particular in different sections.
  • the preferably continuous or at least regular or periodic monitoring of the strand with respect to a bend enables a particularly long service life of the strand, as a result of which the strand can be reduced in terms of its diameter dimensioning. This reduces material and manufacturing costs.
  • a particularly suitable strand for applications in e-mobility, in particular as a charging cable is realized by the bending sensor in the form of the pair of sensor wires.
  • the strand is designed as a cable and the core as a particular electrical line.
  • the at least one artery and the core are in this case surrounded by a common (outer) jacket of the strand.
  • the strand is thus designed as a so-called intelligent cable, in which a (bending) sensor is integrated in the form of the or each artery.
  • the strand is hereby preferably designed as an electrical supply cable, in particular as an (intelligent) charging cable for applications in the field of e-mobility.
  • the method according to the invention is suitable and designed for monitoring a bend-flexible strand with regard to bending. According to the method, a measuring arrangement as described above is used in this case.
  • a measuring signal is fed into the or each measuring line, which propagates along it.
  • a bend of the strand of the wire sheath of the or each measuring core is compressed and stretched, so at least locally deformed in sections. This deformation becomes a local
  • Impedance change of the measuring wires causes, whereby the signal propagation of the measuring signal is influenced.
  • the measuring signal is at least partly reflected, whereby the reflected signal component returning along the respective measuring wire is detected and evaluated as a response signal.
  • the signal component is preferably evaluated with regard to a transit time, for locating the bending point, and with regard to a signal pattern for determining the bending radius.
  • FIG. 1 shows a measuring arrangement with a strand and with a feed unit and with an evaluation unit
  • FIG. 2 a fragmentary view of the strand with a core and with a quadrant of measuring leads
  • FIG. 4 shows a side view of the strand in a bent state with a measuring wire
  • Fig. 5 is a transit time impedance diagram in the unbent and bent
  • FIG. 1 shows, in a highly simplified representation, a detail of a measuring arrangement 2 for monitoring a bend-flexible strand 4 with regard to a bend B.
  • the measuring arrangement 2 has a feed unit 6 and a sensor. catching unit 7 and an evaluation unit 8, which are arranged at one end of the strand 4.
  • the measuring arrangement 2 is generally suitable and arranged for bending measurement or detecting a bending change or else for measuring a bending radius R preferably locally (spatially) resolved in the region of the strand 4.
  • the feed unit 6 and the receiving unit 7 and the evaluation unit 8 are, for example, as a common controller, in particular in the manner of a VNA (Vector Network Analyzer) or preferably in the manner of a TDR measuring device (Time Domain Reflectometry) trained. It is likewise conceivable, for example, for the evaluation unit 8 to be designed separately or externally to the measuring arrangement 2, for example as a (motor vehicle control device or as a computer or data cloud.)
  • the strand 4 is designed as a supply cable, in particular as an electrical supply cable.
  • the strand 4 is hereby designed, for example, for an application in e-mobility, wherein it is connected as a charging cable during operation in accordance with the invention for charging an energy store or battery system between the latter and a power supply unit is designed for a high current load and has, for example, a strand diameter of at least 2 cm (centimeters), in particular at least 3 cm, preferably at least 5 cm
  • the strand 4 is embodied, for example, as a prefabricated cable with an attached plug it is conceivable that the feed unit 6 and the evaluation unit 8 are arranged in the cable and / or the plug, so that the measuring arrangement 2 is essentially completely integrated in the charging cable.
  • the strand 4 runs in an unflexed initial state (FIGS. 2, 3), in particular along a strand longitudinal direction L, the strand 4 deviating in the course of the bend B from the straight or straight course in the region of a bending point which is not designated any closer ,
  • the strand 4 is described in more detail below with reference to FIG. 2.
  • the strand 4 shown in Fig. 2 in a partially disassembled state has an electrically insulating outer jacket 10, which surrounds a central core 12.
  • the core 12 is preferably formed as a line with at least one wire, not shown, which is surrounded by an electrically conductive shield 14 as the ultimate element.
  • a quad stranding 16 is applied, for example in the form of a star quad, which has four measuring leads 18 stranded together.
  • the measuring cores 18 each have a conductor 20 and a cored casing 22 surrounding it.
  • the conductor 20 and the corrugated sheath 22 are provided with reference numerals merely by way of example for a measuring wire 18.
  • the feed unit 6 feeds a measuring signal S into the or each measuring core 18 of the quad stranding 16.
  • the receiving unit 7 detects or receives the measuring signal S after a signal propagation in the conductor 20 of the respective artery 18.
  • the receiving unit 7 is suitable and arranged for a signal component reflected in the or each artery 18, which subsequently is also referred to as the response signal S ', to acquire the measurement signal S and forward it to the evaluation unit 8 for evaluation.
  • the shielding 14 is preferably designed as a return conductor for the conductors 20 of the measuring leads 18 to the evaluation unit 8.
  • the evaluation unit 8 is designed to evaluate the position of the local bending point on the core 12 or on the strand 4 by evaluating a transit time t of the reflected signal component or response signal S 'with regard to the applied measurement signal S.
  • the evaluation unit 8 is further designed to determine a quantitative measure of the bend B at the local bending point on the strand 4.
  • the quantitative measure here is in particular a measure or a value for the bending radius R or the bending diameter or for the bending profile along the core 12 or the strand 4.
  • measuring leads 18 are spiral-shaped, ie helical or helical or helical, around core 12 or its shielding 14.
  • the measuring wires 18 are thus essentially in the manner of a twist or spiral screen (D-screen) roped around the core 12 or the shield 14.
  • the measurement wires 18 are arranged side by side in parallel, and are wound or guided in a substantially spiral around the core 12 as a layer.
  • the cored casing 22 also referred to as an insulator or dielectric, surrounds the respective conductor 20 of the measuring wire 18 as an electrically insulating casing layer.
  • the conductor 20 is embodied for example as a stranded conductor or alternatively as a solid wire.
  • the conductor 20 is in particular made of a copper or aluminum alloy.
  • the conductor 20 is in particular made of high-strength conductor materials, whereby the service life is improved.
  • the corrugated casing 22 is made of the softest possible dielectric or insulating material.
  • the corona casing 22 is produced here from a thermo-elastic plastic material, in particular a thermoplastic elastomer (TPE), for example on a (poly) urethane base (TPE-U, TPU).
  • TPE thermoplastic elastomer
  • TPU-U thermoplastic urethane base
  • this is preferably verzellt in the production.
  • the material of the cored shell 22 is in this case chosen in particular such that it does not adhere to the surface of the conductor 20 as possible.
  • the conductor 20 in the cores 22 has a comparatively low adhesive fit.
  • an adhesive seat smaller 1 N is provided at a wire length of 50 mm.
  • Messader 18 thus has a substantially negligible adhesive fit, so that the conductor 20 substantially loose, so without significant frictional resistance, within the cores 22 along slide.
  • the quad strand 16 or the or each measuring core 18 is held on the core 12 such that it is guided without displacement along the strand 4 or the core 12. This means that the relative position of the measuring leads 18 to the core 12 or to the shielding 14 at a bend B is substantially unchanged.
  • the measurement cores 18 are arranged on the core 12 such that no relative offset along the strand longitudinal direction L occurs at a bend B, so that the cores 18 do not slide along the strand longitudinal direction L at the core 12 by means of their cores 22.
  • the measuring leads 18 of the quad stranding 16 are in particular stranded or stranded with one another in such a way that, when the strand 4 is bent, the relative position of the measuring leads 18 with respect to one another is unchanged.
  • the cores 22 of the measuring leads 18 to each other and to the core 12 are substantially free of displacement. This means that the mobility of movement of the conductors 20 of the measuring leads 18 is greater, that is, the mobility of the core coats
  • the cores 22 of the measuring leads 18 in the composite of the quad strand 16 are held together in a positive and / or non-positive manner, the positive and / or frictional connection between the cores 22 being greater than 10 N, preferably greater than 20 N, at an adjoining coat length of 10 cm (centimeters) is.
  • the positive and / or frictional connection between the stranded measuring leads 18 is effected here by a surface roughness of the cores 22.
  • the decoated cores 22 have such a dimensioned degree of distortion that their surfaces have at least a certain roughness, whereby in particular the frictional engagement between the cores 18 is improved.
  • the measuring leads 18 are stranded together more firmly, that is, they are arranged on the core 12 under a greater tensile stress.
  • FIGS. 3 to 5 The monitoring of the strand 4 with respect to a bend B is explained in more detail below with reference to FIGS. 3 to 5.
  • the strand 4 is shown without the outer shell 10 and with only one measuring core 18.
  • a center line 24 of the core 12 is shown by dashed lines, wherein the core 12 itself is shown dotted for improved visibility of the measuring wire 18.
  • the strand 4 is shown in the unbent initial state.
  • FIG. 3 shows three successive turns of the spirally running measuring wire 18.
  • Cores 22 is compressed and / or stretched in the course of the bend B, so deformed.
  • the deformation results in local spacing and / or density changes of the cored casing 22 in the region of the bend B, which is shown in a schematic and simplified illustration in FIG. 4.
  • the radially inner-side winding sections of the wire sheaths 22 are compressed and the radially outer-side winding sections of the wire sheaths 22 are stretched.
  • the expansion and / or compression leads to local changes in the distance and density of the wire sheaths 22.
  • the density of the dielectric of the wire sheath 22 is reduced in the region of the elongation and increased in the region of the compression.
  • the diameter of the cored sleeve 22 or the measuring wire 18 is thereby reduced in the expansion region and increased in the accumulation region, the wire diameter of the conductor 20 essentially always remaining constant.
  • the conductor 20 shifts within the cored shell 22 such that the conductor sections, which were in the unbent initial state on the center line 24, move radially outward in the bent state.
  • these conductor sections travel in the area of the cored shell 22, in which the density of the dielectric is reduced.
  • This causes a change, in particular a reduction of the characteristic impedance or the impedance of the measuring wire 18, which subsequently affects the signal propagation of the measuring signal S.
  • reflections of the measurement signal S in the sensor wires 22 are generated by such impedance changes, which are at least partially returned as a signal component or response signal S 'to the receiving unit 7 and forwarded to the evaluation unit 8.
  • the at least one measuring core 18 has a substantially known characteristic impedance or impedance value Z in the unbent initial state.
  • the changes in distance and / or density of the cored shell 22 have an effect on this impedance value Z, so that at least in the region of the bend B a local change or fluctuation of the impedance of the artery 18 occurs.
  • this local impedance change the signal propagation of the measured signal S is influenced so that a conclusion on the impedance change and thus on the change in distance and / or density or on the underlying bend B is possible by evaluating the signal propagation.
  • the measurement signal S is in particular a measurement pulse, in particular in the manner of a voltage jump or a voltage stage.
  • a running time measurement is thus carried out in the manner of a time domain reflectometry (TDR).
  • TDR time domain reflectometry
  • the measurement signal S is fed into the measurement cores 18 and the voltage profile of the reflected signal component or response signal S 'is evaluated.
  • the local resolution accuracy is given here essentially by the stranding pitch and the number of mutually stranded measuring wires 18 on the core 12.
  • FIG. 5 shows a transit time impedance diagram (tZ diagram) of the measuring wire 18 for an unbent and a bent state of the strand 4.
  • tZ diagram transit time impedance diagram
  • x-axis the transit time t of the measuring signal S or of the reflected signal component S ', which corresponds essentially to a position on the measuring wire 18 along the longitudinal direction L of the line.
  • y-axis the impedance or the impedance value Z of the sense wire 18 is shown.
  • the unbent initial state has a constant course Z1 and is shown in dashed lines.
  • the geboge- ne state has an oscillating course Z2, which is shown in phantom in FIG.
  • sense wire 18 has a substantially constant impedance value Z over its entire length.
  • the t-Z diagram of FIG. 5 shows a constant profile Z1 for the unbent initial state.
  • the core 12 and thus the star quad 16 or the gauge cores 18 - as shown schematically in FIG. 4 - are compressed at the radially inward-side region of the bent strand 4, and at the diametrical one extended radially outward side area stretched.
  • the or each measuring core 18 is guided on the core 12 so as to be displaceable along the strand longitudinal direction L so that changes in distance and density of the corrugated sheaths 22 are brought about by the bending.
  • a local change in impedance ie an increase or decrease in the characteristic impedance of the measuring signal S in the conductor 20 of the measuring wire 18, is effected at the bending point.
  • the bend B by the Distance and density changes a number of impurities along the
  • Arrays 18, which affect the signal propagation of the measurement signal S are at least partially reflected in the region of these impurities so that the deflection B is detected by evaluating the reflected signal component S ', which is thus receding.
  • a complete period of the curve Z2 essentially represents a beat or a turn of the measuring wire 18.
  • the transit time t of the course Z2 corresponds to the position of the bending point on the strand 4, the number of deviations being higher or lower impedance values than the impedance value the course Z1 is a measure of the bending radius R and the length of the bend B, so the bending curve, are.
  • a corresponding signal pattern of the reflected signal component S ' is effected in the course of the transit time measurement, so that a quantitative measure or a value for the bending radius R can be determined by the evaluation of the reflected signal component or response signal S'.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung, aufweisend einen zentral angeordneten Kern, mindestens eine Messader, welche einen von einem Adernmantel umgebenen Leiter aufweist und am Kern entlang geführt ist, eine Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines Messsignals in die mindestens eine Messader, sowie eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Anwortsignals und zur Weiterleitung an eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer Änderung der Signalausbreitung des Messsignals in dem Leiter der Messader.

Description

Beschreibung
Messanordnung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs und biegeflexibler Strang sowie Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen
Strangs
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen biege- flexiblen Strang für eine derartige Messanordnung sowie ein Verfahren zur Über- wachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung.
Elektrisch betriebene oder betreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, weisen häufig elektrochemische Batteriesysteme als se- kundäre Energiespeicher zum Betrieb eines Elektromotors auf. Für die Alltags- tauglichkeit von Elektro- und Hybridfahrzeugen im Zuge der E-Mobilität ist es wünschenswert, dass sich deren Batteriesysteme jederzeit möglichst einfach und schnell aufladen lassen. Zu diesem Zweck sind unter anderem hohe Ladeströme und hohe Leistungsübertragungen notwendig, welche im Zuge eines Ladevor- gangs von einer Stromversorgungseinheit (Ladesäule) über ein Ladekabel zum Batteriesystem geführt werden. Dies bedingt eine vergleichsweise hohe Strombe- lastbarkeit des Strangs, wodurch derartige Ladekabel häufig einen vergleichswei- se großen Kabeldurchmesser aufweisen.
Ein solches Ladekabel weist zur Energie- und oftmals auch zur Signalübertragung mehrere Adern, also isolierte Leiter auf. Neben Versorgungsadern für den Lade- strom sind typischerweise auch Signaladern zur Signal- oder Datenübertragung vorgesehen. Die Adern bilden eine Kabelseele, welche von einem gemeinsamen (Isolier-)Mantel umgeben ist. Bei vielen Anwendungen beispielsweise im Automotivenbereich oder E-Mobilitäts- bereich unterliegen Kabel oder auch andere biegeflexible Stränge diversen Belas- tungen, welche bezüglich Dauer und Stärke unbekannt sind. Insbesondere sind derartige Stränge hinsichtlich auftretender mechanischer Belastungen, wie bei- spielsweise Vibrationen oder Biegungen, vorzugsweise biegeflexibel ausgeführt, dies bedeutet, dass der Strang zumindest eine gewisse Biegbarkeit und Biege- wechselfestigkeit aufweist. Der Strang weist somit eine Biegefähigkeit auf, also einen Biegeradius, um welchen er gebogen werden kann, ohne dass eine wesent- liche Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit auftritt.
Um eine bestimmte Mindestlebensdauer zu gewährleisten oder eine eventuell un- zulässige Biegung zu erkennen ist eine Kontrolle oder eine Überwachung des Strangs von Vorteil. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Messanord- nung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung bereitzustellen. Insbesondere soll eine einfache und quantitative Erfassung einer Biegung ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen biegeflexiblen Strang für eine solche Messanordnung anzugeben. Der Er- findung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung anzu- geben.
Hinsichtlich der Messanordnung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des An- spruchs 1 und hinsichtlich des Strangs mit den Merkmalen des Anspruchs 13 so- wie hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 15 erfindungs- gemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegen- stand der jeweiligen Unteransprüche Die Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Messanordnung, die zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung ge- eignet und eingerichtet ist, durch einen derartigen speziell ausgebildeten biegefle- xiblen Strang sowie durch ein Verfahren zur Überwachung des Strangs mit Hilfe der Messanordnung. Die nachfolgend im Hinblick auf die Messanordnung ange- führten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Strang sowie das Verfahren übertragbar und umgekehrt. Der Strang verläuft in einem ungebogenen Ausgangszustand entlang einer
Stranglängsrichtung, wobei unter einer Biegung (Kurve, Krümmung, Knick) insbe- sondere eine geometrische Abweichung von einem geraden oder geradlinigen Verlauf des Strangs an einer Biegestelle zu verstehen ist, welche mittels eines Biegeradius charakterisierbar ist. Der Strang weist somit eine Biegefähigkeit auf, so dass er ohne wesentliche Beeinflussung seiner Funktionsfähigkeit bis zu einem gewissen Biegeradius gebogen werden kann. Im Nachfolgenden ist unter einem Biegeradius insbesondere der zulässige Radius für eine gelegentliche oder stän- dige Biegung des Strangs zu verstehen. Hierunter sind insbesondere Biegeradien zu verstehen, welche etwa in der Größenordnung des Strangdurchmessers sind.
Der Strang weist einen zentral angeordneten, insbesondere biegeflexiblen Kern auf, an dem mindestens eine Messader entlang geführt ist. Die Messader ist hier- bei vorzugsweise gewendelt oder spiralförmig entlang dem Kern geführt. Die oder jede Messader weist hierbei einen elektrischen Leiter und einen diesen umgeben- den Adernmantel auf. Der auch als Isolator oder Dielektrikum bezeichnete
Adernmantel umgibt den beispielsweise als Litzenleiter oder massiven Draht aus- geführten Leiter als eine elektrisch isolierende Mantelschicht. Der Adernmantel liegt vorzugsweise unmittelbar am Leiter an. Der Adernmantel ist vorzugsweise als ein aufextrudierter Mantel ausgebildet. Zur Verbesserung der Lebensdauer ist der Leiter der mindestens einen Messader aus einem möglichst festen Material her- gestellt. Zur Verbesserung der Störfestigkeit ist es weiterhin möglich, dass die Messader mit einer Schirmung versehen ist, oder zumindest von Störquellen ab- geschirmt wird. Die Messanordnung weist weiterhin eine Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines elektrischen Messsignals in die mindestens eine Messader, und eine Empfangs- einheit zum Empfangen eines Anwortsignals der Messader und zur Weiterleitung an eine Auswerteeinheit zur Auswertung des Messsignals nach einer Ausbreitung in dem Leiter der Messader auf. Unter einem Antwortsignal wird hier und im Fol- genden insbesondere ein elektrisches Signal verstanden, welches sich aus dem eingespeisten Messsignal im Zuge einer Signalausbreitung in der Messader ergibt.
Erfindungsgemäß ist der Leiter der Messader gegenüber dem Adernmantel relativ verschiebebeweglich, wobei die mindestens eine Messader derart angeordnet ist, dass die Messader entlang des Kerns verschiebefrei geführt ist. Dies bedeutet, dass der Leiter im Wesentlichen lose in dem Adernmantel geführt ist, wobei der Adermantel verschiebefrei, also fest an dem Kern anliegt. Dadurch ist die Relativ- position der Messader zum Kern bei einer Biegung des Strangs unverändert, wo durch es zu einer abschnittsweisen Verformung des Adermantels kommt. Durch die Verformung ist die Signalausbreitung des Messsignals in dem Leiter der Messader beeinflusst. Somit wird das empfangene Antwortsignal verändert, so dass mittels der Auswerteeinheit eine einfache und zuverlässige Überwachung und Erfassung einer Biegung des Strangs ermöglicht ist.
Herkömmlicherweise ist bei gewöhnlichen Leitungen oder Leitungselementen (z.
B. mit Sternvierern) ein hoher Haftsitz der Leiter in dem zugeordneten Mantel an- gestrebt, sodass sich auch im Falle einer Biegung der Mantel oder das Dielektri- kum nicht von dem Leiter löst. Weiterhin ist der Mantel hierbei typischerweise ver- gleichsweise glatt und hart ausgeführt, so dass keine Verformungen im Zuge einer Biegung auftreten. Bei verseilten Leitungselementen gleiten die Leitungsadern bei einer Biegung aufgrund der Verseilsteigung, also der Schlaglänge, aneinander ab, wodurch im Mittel die Länge der Leitungsadern konstant bleibt. Dadurch werden möglichst unveränderliche elektrische Eigenschaften der Leitung oder Leitungs- elemente angestrebt.
Im Gegensatz hierzu wird durch die erfindungsgemäße (relative) Verschiebebe- weglichkeit zwischen dem Leiter und dem Adernmantel der Messader sicherge- stellt, dass die Länge des Leiters entlang des Kerns im Wesentlichen konstant bleibt. Im Falle einer Biegung kann der Adernmantel nicht am Kern abgleiten, so dass es in der Folge zu mechanischen Verformungen des Adernmantels kommt. Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass sich im Zuge einer Bie- gung die mechanische Länge radial innenseitig und radial außenseitig des Biege- radius ändert. Durch die verschiebefreie Befestigung des Adernmantels an dem Kern weicht der im Adernmantel verschiebebeweglich oder lose einsitzende Leiter dieser Biegung im Wesentlichen entlang der Stranglängsrichtung aus. Mit anderen Worten gleitet der Leiter gegenüber dem am Kern fixierten Adernmantel ab. Der Adernmantel wird im Zuge der Biegung gestaucht und/oder gedehnt, also ver- formt. Durch die Verformung kommt es zu Abstands- und/oder Dichteänderungen des Adernmantels im Bereich der Biegung.
Zweckmäßigerweise ist der Adernmantel aus einem im Vergleich zum Stand der Technik möglichst weichen Dielektrikum oder Isoliermaterial hergestellt. Vorzugs- weise ist der Adernmantel aus einem thermoelastischen Kunststoffmaterial, ins- besondere einem thermoplastischen Elastomer (TPE), beispielsweise aus einem TPE auf einer (Poly-)Urethanbasis (TPE-U, TPU) hergestellt. Zusätzlich oder al- ternativ ist es möglich, dass die Weichheit oder Verformbarkeit des Adernmantels mittels Verzellung oder Schäumung im Zuge einer Extrusion erhöht wird. Bei- spielsweise ist der Adernmantel aus einem verzellten Polyurethan (PUR, PU) her- gestellt. Ebenso denkbar ist auch eine Ausführungsform mit einem thermoplasti- schen Vulkanisat (TPV) auf Olefinbasis. Weiterhin ist ein gummiartiges Material oder Silikon denkbar. Vorteilhafterweise wird ein expandiertes
Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Wesentlich ist, dass das Adermantelma- terial des Adernmantels im Wesentlichen nicht an dem Leitermaterial des Leiters haftet.
Die mindestens eine Messader weist im ungebogenen Ausgangszustand einen im Wesentlichen bekannten Wellenwiderstands- oder Impedanzwert auf. Die Ab- stands- und/oder Dichteänderungen des Adernmantels wirken sich auf den
Impedanzwert aus, sodass es zumindest im Bereich der Biegung zu einer lokalen Veränderung oder Schwankung der Impedanz der Messader kommt. Durch diese lokale Impedanzänderung wird die Signalausbreitung des Messsignals beeinflusst, sodass durch Auswertung der Signalausbreitung ein Rückschluss auf die Impedanzänderung und somit auf die Abstands- und/oder Dichteänderung bezie- hungsweise auf die dieser zugrundeliegenden Biegung möglich ist.
Die Auswerteeinheit ist hierbei geeigneterweise dazu ausgelegt und eingerichtet, anhand der durch die Empfangseinheit erfassten Signalausbreitung des Messsig- nals anhand des Antwortsignals auf die Impedanzänderung und somit auf die Ab- standsänderung beziehungsweise auf die Biegung zurückzuschließen, und diese zu bestimmen sowie einen Biegeradius oder Biegedurchmesser zu berechnen. Insbesondere wird bei der Signalauswertung auch eine Leitungsdämpfung auf- grund des Leitermaterials berücksichtigt.
Die Einspeiseeinheit und die Empfangseinheit können beispielsweise als eine gemeinsame Sende-Empfangseinheit, also als ein Transceiver, ausgestaltet sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise ebenfalls Teil des Transceivers sein, so dass die Auswertung direkt am Empfangsort erfolgt. Ebenso denkbar ist, dass die Auswerteeinheit extern, also separat zu der Messanordnung ausgeführt ist. Insbe- sondere bei einer Anwendung der Messanordnung in einem Kraftfahrzeug ist es möglich, dass die von der Empfangseinheit empfangenen Antwortsignale an eine Auswerteeinheit weitergeleitet werden, welche beispielsweise Teil eines überge- ordneten (Kraftfahrzeug-)Steuergeräts ist.
Ebenso denkbar ist eine Ausführung der Auswerteeinheit als eine Rechner- oder Datenwolke (Cloud Computing). Dies bedeutet, dass die empfangenen Antwort- signale über das Internet weitergeleitet werden, und mittels eines Internet- oder Onlinedienstes ausgewertet werden. Dadurch ist eine besonders kostengünstige und resourceneffiziente Auswertung ermöglicht.
Durch diese Überwachung ist es möglich, den Biegezustand des Strangs zuver- lässig und betriebssicher zu erfassen. Insbesondere kann der Strang dahinge- hend überwacht werden, dass eine Biegung des Strangs einen zulässigen Biege- radius nicht überschreitet. Die Auswerteeinheit ist hierbei beispielsweise dazu ge- eignet und eingerichtet, einem Benutzer den aktuellen Biegezustand anzuzeigen oder zu kommunizieren, und gegebenenfalls ein Warnsignal zu erzeugen, falls die Biegung des Strangs einen ungewünschten Biegeradius erreicht oder überschrei- tet.
Der Strang ist beispielsweise als ein vorkonfektioniertes Kabel mit einem ange- brachten Stecker ausgeführt. Die Einspeiseeinheit und/oder die Empfangseinheit der Messanordnung sind hierbei vollständig oder teilweise im Kabel oder in dem Stecker angeordnet. Ebenso denkbar ist es beispielsweise, dass die
Einspeiseeinheit und/oder die Empfangseinheit der Messanordnung außerhalb des Strangs angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausführung sind mindestens zwei Messadern vorgesehen, welche insbesondere derart parallel zueinander um den Kern angeseilt sind, dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messadern zueinander un- verändert ist. Mit anderen Worten sind die Adernmäntel der Messadern zueinan- der sowie zum Kern im Wesentlichen verschiebefrei. Dadurch ist eine verbesserte Überwachung des biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung realisiert.
In einer geeigneten Weiterbildung ist zwischen dem Leiter und dem Adernmantel einer Messader eine erste Verschiebebeweglichkeit und zwischen den Adern- mänteln benachbarter Messadern eine zweite Verschiebebeweglichkeit ausgebil- det, wobei die erste Verschiebebeweglichkeit größer als die zweite Verschiebe- beweglichkeit ist. Dadurch ist eine zuverlässige Überwachung und Erfassung ei- ner Biegung ermöglicht. Die Verschiebebeweglichkeiten sind hierbei geeigneterweise derart dimensioniert, dass einerseits bei geringen Biegeradien ein Abgleiten der Leiter an den Adern- mänteln entlang der Stranglängsrichtung möglich ist, und andererseits bei großen Biegeradien kein Abgleiten der Adernmäntel aneinander oder entlang des Kerns erfolgt.
In einer bevorzugten Ausbildung ist zwischen dem Leiter und dem Adernmantel einer Messader ein Haftsitz kleiner 1 N (Newton) bei einer Adernlänge von 50 mm (Millimeter) vorgesehen. Unter einem„Haftsitz“ ist hierbei und im Folgenden ins- besondere diejenige Kraft verstanden, die notwendig ist einen Adernmantel vom Leiter abzuziehen. Der Begriff„Haftsitz“ beschreibt somit die kraft- oder reib- schlüssige Verbindung zwischen dem Leiter und dem umgebenden Adernmantel. Die Messader weist somit einen im Wesentlichen vernachlässigbaren Haftsitz auf, sodass der Leiter im Wesentlichen lose, also ohne nennenswerten Reibwider- stand, entlang des Adernmantels gleiten kann. Dadurch wird sichergestellt, dass auch vergleichsweise geringe Biegeradien des Strangs zuverlässig überwachbar sind. Der Halt zwischen miteinander verseilten Adernmänteln ist vorzugsweise mindes- tens fünfmal, insbesondere mindestens zehnmal größer dimensioniert als der Haftsitz der Leiter in den Adernmänteln.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Adernmäntel von mindestens zwei miteinander geseilten Messadern form- und/oder kraftschlüssig aneinander gehal- ten, wobei der Form- und/oder Kraftschluss zwischen den Adernmänteln größer als 10 N, vorzugsweise größer als 20 N, bei einer aneinander anliegenden Mantel- länge von 10 cm (Zentimeter) ist. Dadurch ist eine geringere (zweite) Verschiebe- beweglichkeit gegenüber den Leitern im inneren der Adernmäntel gewährleistet, wodurch eine Verformung der Adernmäntel im Zuge einer (Strang-)Biegung einer- seits sowie eine relative Verschiebung der einliegenden Leiter andererseits si- chergestellt wird.
Die Konjunktion„und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können. Mit anderen Worten kann die Bespannung lediglich mittels eines Formschlusses oder lediglich mittels eines Kraftschlusses oder sowohl mittels eines Formschlusses als auch mittels eines Kraftschlusses an dem Rahmenteil befestigt sein.
Unter einem„Formschluss“ oder einer„formschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden ins- besondere verstanden, dass der Zusammenhalt der miteinander verbundenen Teile zumindest in einer Richtung durch ein unmittelbares Ineinandergreifen von Konturen der Teile selbst oder durch ein mittelbares Ineinandergreifen über ein zusätzliches Verbindungsteil erfolgt. Das„Sperren“ einer gegenseitigen Bewegung in dieser Richtung erfolgt also formbedingt.
Unter einem„Kraftschluss“ oder einer„kraftschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden ins- besondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile aufgrund einer zwischen ihnen wirkenden Reibkraft gegen ein Abgleiten gegeneinander gehindert sind. Fehlt eine diese Reibkraft hervorrufende„Verbindungskraft“ (also diejenige Kraft, welche die Teile gegeneinander drückt, beispielsweise eine Schraubenkraft oder eine Gewichtskraft), kann die kraftschlüssige Verbindung nicht aufrecht er- halten und somit gelöst werden. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist der Form- und/oder Kraftschluss zwischen miteinander verseilten Messadern durch eine Oberflächenrauigkeit der Adernmäntel bewirkt. Dies bedeutet, dass die Adernmäntel im Vergleich zu einer glatten Oberfläche eine oberflächenvergrößernde Rauheit aufweisen. Die rauen Adernmäntel sind beispielsweise im Zuge der Mantelherstellung insbesondere mittels Verzellung aufgeraut, wobei aber auch ein nachträglicher Aufrauprozess denkbar ist. Im geseilten oder verseilten Zustand verhaken oder verkrallen sich die Adernmäntel somit gegenseitig, so dass einerseits zumindest ein gewisser Form- schluss zwischen den Adernmänteln realisiert ist. Andererseits wird aufgrund der Oberflächenvergrößerung der Reib- oder Kraftschluss zwischen den verseilten Messadern verbessert. Somit ist gewährleitstet, dass es bei einer Biegung zu ei- ner zumindest abschnittsweisen Verformung des oder jedes Adernmantels kommt.
Durch die vergrößerte Oberflächenrauigkeit sowie durch das besonders weiche Dielektrikumsmaterial ist ein besonders geeigneter Adernmantel für die Messan- ordnung realisiert. Unter einer rauen oder aufgerauten Oberfläche ist insbesondere eine Gestaltab- weichung von einer planen Oberfläche des Adernmantels durch Unebenheiten oder Ähnlichem zu verstehen, wodurch insbesondere die im Montage- oder Verseilungszustand in Kontakt stehenden Oberflächen zwischen den Adern- mänteln vergrößert wird. Die Oberflächenvergrößerung wirkt sich hierbei positiv auf den Halt zwischen den Messadern aus, sodass die Gefahr eines Verrutschens vorteilhaft und einfach reduziert wird. Insbesondere wird hierdurch die (zweite) Verschiebebeweglichkeit zwischen den Adernmänteln reduziert und somit deren gegenseitiger Halt erhöht. Dadurch wird sichergestellt, dass die Adernmäntel im Zuge einer Biegung nicht ungewünscht aneinander abgleiten, wodurch eine be- sonders zuverlässige Erfassung und Überwachung des Strangs hinsichtlich einer Biegung gewährleistet ist.
In einer möglichen Weiterbildung handelt es sich bei dem Kern um einen Kern einer elektrischen Leitung. Der Kern beziehungsweise die Leitung weist insbeson- dere einen (Leitungs-)Durchmesser größer 2 cm (Zentimeter), insbesondere grö- ßer 3 cm, vorzugsweise größer 5 cm auf. Der Strang ist hierbei insbesondere als ein Ladekabel für E-Mobilitätsanwendungen ausgebildet. Ebenso denkbar ist je- doch auch ein Kern mit einem geringeren Durchmesser, beispielsweise für Robotikanwendungen.
In einer alternativen Weiterbildungsform ist der Kern als ein Versorgungselement oder als ein Hohlelement, beispielsweise als ein Schlauch, ausgebildet. Des Wei- teren sind auch Weiterbildungsformen des Kerns als nicht elektrisches Versor- gungselement, wie beispielsweise eine faseroptische Leitung, denkbar. Ebenso ist es möglich, dass der Kern lediglich als ein insbesondere zylindrischer Hohlraum, beispielsweise zur Förderung eines Fluids, ausgeführt ist.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist der Kern als äußerstes Element eine Schirmung auf, um welche die mindestens eine Messader geführt ist. Vorzugs- weise wird die Schirmung hierbei als ein Rückleiter für die oder jede Messader verwendet. Die Schirmung wirkt somit als ein Bezugspunkt für den Wellenwider- stand des ungebogenen Strangs. Mit anderen Worten werden die Messsignale von der mindestens einen Messader über die Schirmung des Kerns zur Emp- fangseinheit bzw. zur Auswerteeinheit geführt. Vorzugsweise ist die Schirmung ansonsten signalfrei. Dies bedeutet, dass außer den Messsignalen bzw. Antwort- signalen im Betrieb der Messanordnung im Wesentlichen keine weiteren elektri- sehen Signale auf dem Schirm geführt oder erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Auswerteeinheit zur Erfassung eines re- flektierten Signalanteils des Messsignals als Antwortsignal ausgebildet. Dies be- deutet, dass die Empfangseinheit im Betrieb einen reflektierten Signalanteil des Messsignals als Antwortsignal erfasst und an die Auswerteinheit weiterleitet. Da- durch ist eine besonders vorteilhafte Überwachung des Strangs hinsichtlich einer Biegung ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausbildung ist die Auswerteeinheit zur Auswertung der Posi- tion einer lokalen Biegestelle am Kern beziehungsweise am Strang ausgebildet und eingerichtet, indem die Laufzeit des reflektierten Signalanteils (Signallaufzeit) in Verbindung mit dem Signalanteil oder Antwortsignal ausgewertet wird. Mit an- deren Worten ist die Auswerteeinheit dazu geeignet und eingerichtet den Kern ortsaufgelöst hinsichtlich einer Biegung zu überwachen.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Auswerteeinheit weiterhin zur Bestim- mung eines quantitativen Maßes einer Biegung einer lokalen Biegestelle am Strang ausgebildet und eingerichtet. Das quantitative Maß ist hierbei insbesonde- re ein Maß oder Wert für den Biegeradius oder den Biegedurchmesser. Hierzu wird ein Signalmuster des reflektierten Signalanteils bzw. des Antwortsignals aus- gewertet, welches aufgrund der Biegung erzeugt wird. Dadurch ist die Auswerte- einheit im Wesentlichen zur Erfassung eines Biegeprofils entlang des Kerns be- ziehungsweise des Strangs ausgebildet. Im Betrieb speist die Einspeiseeinheit ein Messsignal in die mindestens eine Messader ein, wobei die Auswerteeinheit insbesondere zur Überwachung der Messader auf einen reflektierten Anteil des Messsignals als Antwortsignal ausge- bildet ist. Bei einer Biegung des Strangs an einer Biegestelle wird der Kern an dem radial innenseitigen Bereich des gebogenen Strangs gestaucht und an dem diametral gegenüberliegenden radial außenseitigen Bereich gedehnt. Durch die verrutschfreie Fixierung des Adernmantels am Kern wird der Adernmantel hierbei in gleicher weise gedehnt und gestaucht, und somit verformt. Dadurch wird eine Abstands- und/oder Dichteänderung des Adernmantelmaterials zu dem darin lose einliegenden Leiter bewirkt, insbesondere wird der Abstand im radial innenseitigen Bereich reduziert und die Dichte erhöht sowie im radial außenseitigen Bereich der Abstand vergrößert und die Dichte reduziert. An der Biegestelle wird somit eine lokale Impedanzveränderung bewirkt, also eine Veränderung des Wellenwiderstands des Messsignals im Leiter der Messader, infolge der lokalen begrenzten Abstands- und/oder Dichteänderung des Adern- mantels. Insbesondere wird die Impedanz bei einer Verringerung des Abstands oder Erhöhung der Dichte erhöht und bei einer Erhöhung des Abstands oder Ver- ringerung der Dichte erniedrigt. Mit anderen Worten bewirkt die Biegung einen lokalen Störbereich entlang der Messader, welcher sich auf die Signalausbreitung des Messsignals auswirkt. Insbesondere wird das Messsignal in diesem Störbe- reich zumindest teilweise reflektiert, so dass durch Auswertung des reflektierten, also zurücklaufenden Signalanteils die Biegung erfasst und überwacht wird. Dies bedeutet, dass der reflektierte Signalanteil das von der Empfangseinheit empfan- gene Antwortsignal ist.
Im Zuge der Biegung können hierbei entlang des Biegeverlaufs oder Biegeprofils mehrere radial innen- und außenseitige Abstands- und/oder Dichteänderungen auftreten. Dadurch treten entsprechend mehrere aufeinanderfolgende Impedanz- änderungen oder Störstellen entlang der Biegung bei der Messader auf. Die Impedanzänderungen bewirken das charakteristische Signalmuster des reflektier- ten Signalanteils, wodurch mittels einer Auswertung des reflektierten Signalanteils ein quantitatives Maß oder Wert für den Biegeradius oder den Biegedurchmesser ermittelbar ist. Mit anderen Worten ist es mittels einer Auswertung der Amplitude der Impedanzänderungen sowie durch Auswertung deren Anzahl und Abstand möglich, auf den Biegeradius und die Länge der Biegung, also das Biegeprofil oder den Biegeverlauf des Strangs zu schließen. Die Auswertung des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals erfolgt hierbei vorzugsweise unter Berücksichtigung einer bekannten (Signal-)Dämpfung in dem Leiter der Messader und/oder der Schirmung. Mit anderen Worten wird bei der Auswertung eine Reduzierung der Signalamplitude des Messsignals oder des re- flektierten Signalanteils aufgrund einer Ausbreitungsstrecke im Leiter berücksich- tigt.
Durch Auswertung der (Signal-)Laufzeit zwischen dem Einspeisen des Messsig- nals und der Ankunft des reflektierten Signalanteils ist es möglich, anhand des Antwortsignals auf den Ort der Biegestelle am Strang zurückzuschließen. Bei dem Messsignal handelt es sich insbesondere um einen Messimpuls, insbesondere nach Art eines Spannungssprungs oder einer Spannungsstufe. Die Zeitdauer des Messsignals oder Messimpuls ist dabei vorzugsweise größer oder gleich einer zu erwartenden Laufzeit des Messsignals vom Einspeiseort zu einem Ende der min- destens einen Messader und wieder zurück zum Einspeiseort. Dadurch ist sicher- gestellt, dass ein reflektierter Signalanteil am Einspeiseort zur eingespeisten (kon- stanten) Spannungsamplitude überlagert wird. Für eine ortsaufgelöste Messung oder zur Auswertung und/oder Bestimmung der Position einer lokalen Biegestelle am Strang ist eine Laufzeitmessung, beispiels- weise in Form einer Zeitbereichsreflektometrie, kurz TDR (Time Domain Reflecto- metry), möglich. Hierbei wird ein Messimpuls in die Messader eingespeist und der Spannungsverlauf des reflektierten Signalanteils bzw. Antwortsignals ausgewertet.
Alternativ zu einer TDR-Messung wird ein Messverfahren verwendet, wie es in der zum Anmeldezeitpunkt noch unveröffentlichten internationalen Anmeldung der Anmelderin vom 30.10.2017 mit dem Aktenzeichen PCT/EP 2017/077828 be- schrieben ist. Deren Offenbarungsgehalt, insbesondere deren Ansprüche (mit zu- gehörigen Erläuterungen) werden hiermit ausdrücklich mit in die vorliegende An- meldung mit einbezogen. Speziell wird Bezug genommen auf die Ansprüche 1 ,2, 6,7 und 12 mit den zugehörigen Ausführungen speziell auf Seiten 5/6 sowie 8/9. Hierbei werden im Zuge eines Messzyklus mehrere Einzelmessungen durchge- führt, wobei pro Einzelmessung ein Messsignal von der Einspeiseeinheit in die Messader eingespeist wird, wobei bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Spannungs-Schwellwerts (am Einspeiseort) infolge des reflektierten Signalanteils ein Stoppsignal erzeugt wird, wobei eine Laufzeit zwischen dem Einspeisen des Messsignals und dem Stoppsignal ermittelt wird, und wobei der Spannungs- Schwellwert zwischen den Einzelmessungen verändert wird.
Zu jeder Einzelmessung wird daher genau ein Stoppsignal erzeugt. Aufgrund des zwischen den Einzelmessungen veränderten Schwellwerts werden unterschiedli- che Störstellen, welche somit zu unterschiedlich hohen Amplituden bei der Reflek- tion führen - durch die unterschiedlichen Laufzeiten örtlich aufgelöst erfasst. Mit anderen Worten werden die Abstands- oder Impedanzänderungen des Sensor- adernpaares entlang des Kerns örtlich aufgelöst erfasst. Somit ist durch die Lauf- zeit eine Positionsbestimmung der Biegestelle, sowie durch die Auswertung der Anzahl und Größe der Impedanzänderungen der Biegeradius beziehungsweise das Biegeprofil oder der Biegeverlauf des Stranges bestimmbar.
Durch die Vielzahl der Einzelmessungen werden daher allgemein zu unterschied- lichen definierten Schwellwerten die Laufzeiten (Stoppsignale) der reflektierten Anteile erfasst. Insofern kann dieses Verfahren als ein spannungsdiskretes Zeit- messverfahren angesehen werden. Die Zahl der Einzelmessungen liegt dabei be- vorzugt über 10, weiter bevorzugt über 20 oder auch über 50 und beispielsweise bis zu 100 oder auch mehr Einzelmessungen. Aus der Vielzahl dieser Einzelmes- sungen wird also eine Vielzahl von Stoppsignalen ermittelt, die zeitlich verteilt an- geordnet sind. Die Vielzahl der Stoppsignale in Verbindung mit den Schwellwerten gibt daher näherungsweise den tatsächlichen Signalverlauf des eingespeisten Messsignals und der reflektierten Anteile wieder. Zweckdienlicher Weise wird aus diesen Stoppsignalen der tatsächliche Signalverlauf für ein eingespeistes und am Leistungsende reflektiertes Messsignal beispielsweise durch einen mathemati- sehen Kurvenfit approximiert.
Vorzugsweise sind in einem Speicher der Auswerteeinheit Referenzwerte für die Signalausbreitung beziehungsweise den reflektierten Signalanteil, also für das Antwortsignal für den ungebogenen Ausgangszustand des Strangs hinterlegt. Die Messader weist im Ausgangszustand des Strangs einen im Wesentlichen bekann- ten und entlang des Kerns konstanten Impedanzwert auf, welcher als Referenz- wert oder Referenzkurve hinterlegt ist. Dadurch sind Biegungen des Strangs in einfacher Art und Weise als Abweichungen von diesem Referenzwert oder der Referenzkurve erfassbar und überwachbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind vier Messadern vorgesehen, welche eine Viererverseilung, insbesondere einen Sternvierer, bilden. Die Vierer- Verseilung ist hierbei am Kern entlang geführt und insbesondere um diesen herum geseilt, also gewendelt oder spiralförmig geführt. Durch die Viererverseilung ist es somit möglich, im Wesentlichen Biegungen entlang sämtlicher Raumrichtungen zuverlässig und betriebssicher zu überwachen und zu erfassen. Der erfindungsgemäße, biegeflexible Strang ist für eine vorstehend beschriebene Messanordnung geeignet und eingerichtet. Der Strang weist einen zentral ange- ordneten Kern und mindestens eine Messader auf, welche einen von einem Adernmantel umgebenen Leiter aufweist und am Kern entlang vorzugsweise spi- ralförmig geführt ist.
Erfindungsgemäß ist der Leiter der Messader hierbei gegenüber dem Adern- mantel relativ verschiebebeweglich, insbesondere liegt der Leiter im Wesentlichen lose im jeweiligen Adernmantel ein. Die mindestens eine Messader ist derart an- geordnet, dass die Messader entlang des Kerns verschiebefrei geführt ist, so dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messader zum Kern unver- ändert ist und es zu einer abschnittsweisen Verformung des Adermantels kommt. Dadurch ist ein besonders geeigneter Strang realisiert.
Hierbei ist es beispielsweise denkbar, dass der Kern in mehrere Teilabschnitte untergliedert ist, wobei jeder Teilabschnitt zumindest eine zugeordnete Messader als Biegesensorelement aufweist. In dieser Variante sind daher mehrere Mess- adern vorgesehen, welche insbesondere in unterschiedlichen Teilabschnitten am Kern entlang geführt sind. Durch die mindestens eine, vorzugsweise integrierte Messader ist der Strang im Betrieb somit hinsichtlich seiner zulässigen mechanischen Biegefähigkeit oder Biegebelastbarkeit überwachbar. Dadurch ist im Betrieb stets die gewünschte Funktionsfähigkeit des Strangs sichergestellt.
Des Weiteren ist durch die vorzugsweise kontinuierliche oder zumindest regelmä- ßige oder periodische Überwachung des Strangs hinsichtlich einer Biegung eine besonders hohe Lebensdauer des Strangs ermöglicht, wodurch der Strang hin- sichtlich seiner Durchmesser-Dimensionierung reduziert werden kann. Dadurch werden Material- und Herstellungskosten reduziert.
Weiterhin ist durch die Biegesensorik in Form des Sensoradernpaares ein beson- ders geeigneter Strang für Anwendungen in der E-Mobilität, insbesondere als La- dekabel realisiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Strang als ein Kabel und der Kern als eine insbesondere elektrische Leitung ausgeführt. Dies bedeutet, dass die oder jede Messader beispielsweise um eine Schirmung des Kerns insbesondere spiral- förmig geführt ist. Die mindestens eine Messader und der Kern sind hierbei von einem gemeinsamen (Außen-)Mantel des Strangs umgeben. Der Strang ist somit als ein sogenanntes intelligentes Kabel ausgeführt, in welchen eine (Biege- )Sensorik in Form der oder jeder Messader integriert ist. Der Strang ist hierbei vorzugsweise als ein elektrisches Versorgungskabel, insbesondere als ein (intelli- gentes) Ladekabel für Anwendungen im Bereich der E-Mobilität ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung geeignet und ausgestaltet. Verfahrensge- mäß wird hierbei eine vorstehend beschriebene Messanordnung verwendet.
Bei dem Verfahren wird ein Messsignal in die oder jede Messader eingespeist, welches sich entlang diesen ausbreitet. Bei einer Biegung des Strangs wird der Adernmantel der oder jeder Messader gestaucht und gedehnt, also zumindest abschnittsweise lokal verformt. Durch diese Verformung wird eine lokale
Impedanzänderung der Messadern bewirkt, wodurch die Signalausbreitung des Messsignals beeinflusst wird. Insbesondere wird das Messsignal hierbei zumin- dest teilweise reflektiert, wobei der entlang der jeweiligen Messader zurücklaufen- de, reflektierte Signalanteil als Antwortsignal erfasst und ausgewertet wird.
Vorzugsweise wird der Signalanteil hierbei hinsichtlich einer Laufzeit, zur Lokali- sierung der Biegestelle, und hinsichtlich eines Signalmusters, zur Bestimmung des Biegeradius, ausgewertet.
Dadurch ist ein aufwandsarmes und kostengünstiges Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung realisiert.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
Fig. 1 eine Messanordnung mit einem Strang und mit einer Einspeiseeinheit sowie mit einer Auswerteeinheit,
Fig. 2 ausschnittsweise den Strang mit einem Kern und mit einer Viererversei- lung von Messadern,
Fig. 3 in Seitenansicht ausschnittsweise den Strang in einem ungebogenen
Ausgangszustand mit einer Messader,
Fig. 4 in Seitenansicht ausschnittsweise den Strang in einem gebogenen Zu- stand mit einer Messader, und
Fig. 5 ein Laufzeit-Impedanz-Diagramm im ungebogenen und gebogenen
Zustand des Strangs.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den glei- chen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ausschnittsweise eine Messan- ordnung 2 zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs 4 im Hinblick auf eine Biegung B. Die Messanordnung 2 weist eine Einspeiseeinheit 6 und eine Emp- fangseinheit 7 sowie eine Auswerteeinheit 8 auf, welche an einem Ende des Strangs 4 angeordnet sind. Die Messanordnung 2 ist allgemein zur Biegungsmes- sung oder Erfassung einer Biegungsänderung oder auch zur Messung eines Bie- geradius R vorzugsweise lokal (orts-)aufgelöst im Bereich des Strangs 4 geeignet und eingerichtet.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Einspeiseeinheit 6 und die Empfangs- einheit 7 sowie die Auswerteeinheit 8 beispielsweise als ein gemeinsamer Control- ler, insbesondere nach Art eines VNA (Vector Network Analyzer) oder vorzugs- weise nach Art eines TDR-Messgeräts (Time Domain Reflectometry) ausgebildet. Ebenso denkbar ist beispielsweise, dass die Auswerteinheit 8 separat oder extern zu der Messanordnung 2 ausgebildet ist, beispielsweise als ein (Kraftfahrzeug- Steuergerät oder als eine Rechner- oder Datenwolke. Der Strang 4 ist als ein Versorgungskabel, insbesondere als ein elektrisches Ver- sorgungskabel, vorzugsweise als ein Ladekabel ausgeführt. Der Strang 4 ist hier- bei beispielsweise für eine Anwendung in der E-Mobilität ausgebildet, wobei er als Ladekabel im Betrieb funktionsgemäß zur Ladung eines Energiespeichers oder Batteriesystems zwischen diesem und einer Stromversorgungseinheit ange- schlossen ist. Der Strang 4 ist hierbei für eine hohe Strombelastung ausgelegt und weist beispielsweise einen Strangdurchmesser von mindestens 2 cm (Zentimeter), insbesondere mindestens 3 cm, vorzugsweise mindestens 5 cm auf. Der Strang 4 ist beispielsweise als ein vorkonfektioniertes Kabel mit einem angebrachten Ste- cker ausgeführt. Hierbei ist es denkbar, dass die Einspeiseeinheit 6 und die Aus- werteeinheit 8 in dem Kabel und/oder dem Stecker angeordnet sind, sodass die Messanordnung 2 im Wesentlichen vollständig in dem Ladekabel integriert ist.
Der Strang 4 verläuft in einem ungebogenen Ausgangszustand (Fig. 2, Fig. 3) ins- besondere entlang einer Stranglängsrichtung L, wobei der Strang 4 im Zuge der Biegung B von dem geraden oder geradlinigen Verlauf im Bereich einer nicht nä- her bezeichneten Biegestelle abweicht. Der Strang 4 ist anhand der Fig. 2 nachfolgend näher beschrieben. Der in Fig. 2 in einem teilweise auseinandergenommenen Zustand gezeigte Strang 4 weist einen elektrisch isolierenden Außenmantel 10 auf, welcher einen zentralen Kern 12 umgibt. Der Kern 12 ist vorzugsweise als eine Leitung mit mindestens einer nicht näher dargestellten Ader ausgebildet, welche von einer elektrisch leitfähigen Schirmung 14 als äußerstes Element umgeben ist.
Auf der Schirmung 14 ist eine Viererverseilung 16 beispielsweise in Form eines Sternvierers aufgebracht, welche vier miteinander verseilte Messadern 18 auf- weist. Die Messadern 18 weisen jeweils einen Leiter 20 und einen diesen umge- benden Adernmantel 22 auf. In der Fig. 2 sind der Leiter 20 und der Adernmantel 22 lediglich beispielhaft für eine Messader 18 mit Bezugszeichen versehen.
Im Betrieb der Messanordnung 2 speist die Einspeiseeinheit 6 ein Messsignals S in die oder jede Messader 18 der Viererverseilung 16 ein. Im Betrieb erfasst oder empfängt die Empfangseinheit 7 hierbei das Messsignals S nach einer Signalaus- breitung in dem Leiter 20 der jeweiligen Messader 18. Insbesondere ist die Emp- fangseinheit 7 dazu geeignet und eingerichtet, einen in der oder jeder Messader 18 reflektierten Signalanteil, welcher nachfolgend auch als Antwortsignal S‘ be- zeichnet ist, des Messsignals S zu erfassen und zur Auswertung an die Auswert- einheit 8 weiterzuleiten. Vorzugsweise ist die Schirmung 14 hierbei als Rückleiter für die Leiter 20 der Messadern 18 zur Auswerteeinheit 8 ausgeführt.
Die Auswerteeinheit 8 ist zur Auswertung der Position der lokalen Biegestelle am Kern 12 beziehungsweise am Strang 4 ausgebildet, indem eine Laufzeit t des re- flektierten Signalanteils oder Antwortsignals S‘ im Hinblick auf das eingespeiste Messsignal S ausgewertet wird. Die Auswerteeinheit 8 ist weiterhin zur Bestim- mung eines quantitativen Maßes der Biegung B an der lokalen Biegestelle am Strang 4 ausgebildet. Das quantitative Maß ist hierbei insbesondere ein Maß oder ein Wert für den Biegeradius R oder den Biegedurchmesser beziehungsweise für das Biegeprofil entlang des Kerns 12 beziehungsweise des Strangs 4. Die Messadern 18 sind im Zuge der Viererverseilung 16 spiralförmig, also helix- oder wendel- oder schraubenförmig, um den Kern 12 beziehungsweise dessen Schirmung 14 geführt. Die Messadern 18 sind somit im Wesentlichen nach Art eines Drall- oder Wendelschirms (D-Schirm) um den Kern 12 oder die Schirmung 14 geseilt. Mit anderen Worten sind die Messadern 18 nebeneinander parallel angeordnet, und im Wesentlichen als eine Lage spiralförmig um den Kern 12 ge- wickelt oder geführt. Dies bedeutet, dass der Kern 12 beziehungsweise dessen Schirmung 14 von den Messadern 18 als Viererspirale umlaufen ist. Der auch als Isolator oder Dielektrikum bezeichnete Adernmantel 22 umgibt den jeweiligen Leiter 20 der Messader 18 als eine elektrisch isolierende Mantelschicht. Der Leiter 20 ist beispielsweise als ein Litzenleiter oder alternativ als ein massiver Draht ausgeführt. Der Leiter 20 ist insbesondere aus einer Kupfer- oder Alumini- umlegierung gefertigt. Vorzugsweise ist der Leiter 20 insbesondere aus hochfes- ten Leitermaterialien gefertigt, wodurch die Lebensdauer verbesser wird.
Der Adernmantel 22 ist aus einem möglichst weichen Dielektrikum oder Isolierma- terial hergestellt. Insbesondere ist der Adernmantel 22 hierbei aus einem thermo- elastischen Kunststoffmaterial, insbesondere einem thermoplastischen Elastomer (TPE), beispielsweise auf einer (Poly-)Urethanbasis (TPE-U, TPU) hergestellt. Zur Verbesserung der Weichheit oder der Verformbarkeit des Adernmantels 22 wird dieser bei der Herstellung vorzugsweise verzellt.
Das Material des Adernmantels 22 ist hierbei insbesondere derart gewählt, dass es an der Oberfläche des Leiters 20 möglichst nicht haftet. Mit anderen Worten weist der Leiter 20 im Adernmantel 22 einen vergleichsweise geringen Haftsitz auf. Insbesondere ist hierbei zwischen dem Leiter 20 und dem Adernmantel 22 ein Haftsitz kleiner 1 N bei einer Adernlänge von 50 mm vorgesehen. Die
Messader 18 weist somit einen im Wesentlichen vernachlässigbaren Haftsitz auf, sodass der Leiter 20 im Wesentlichen lose, also ohne nennenswerten Reibwider- stand, innerhalb des Adernmantels 22 entlang gleiten kann. Die Viererverseilung 16 beziehungsweise die oder jede Messader 18 ist derart an dem Kern 12 gehalten, dass sie entlang des Strangs 4 beziehungsweise des Kerns 12 verschiebefrei geführt ist. Dies bedeutet, dass die Relativposition der Messadern 18 zum Kern 12 oder zur Schirmung 14 bei einer Biegung B im We- sentlichen unverändert ist. Mit anderen Worten sind die Messadern 18 derart an dem Kern 12 angeordnet, dass bei einer Biegung B kein relativer Versatz entlang der Stranglängsrichtung L auftritt, die Messadern 18 mittels ihrer Adernmäntel 22 also nicht entlang der Stranglängsrichtung L am Kern 12 abgleiten. Hierzu sind die Messadern 18 der Viererverseilung 16 insbesondere derart mitei- nander geseilt oder angeseilt, dass bei einer Biegung des Strangs 4 die Relativ- position der Messadern 18 zueinander unverändert ist. Mit anderen Worten sind die Adernmäntel 22 der Messadern 18 zueinander sowie zum Kern 12 im Wesent- lichen verschiebefrei. Dies bedeutet, dass die Verschiebebeweglichkeit der Leiter 20 der Messadern 18 größer ist, also die Verschiebebeweglichkeit der Adermäntel
22 gegeneinander und bezüglich des Kerns 12.
Zu diesem Zwecke sind die Adernmäntel 22 der Messadern 18 im Verbund der Viererverseilung 16 form- und/oder kraftschlüssig aneinander gehalten, wobei der Form- und/oder Kraftschluss zwischen den Adernmänteln 22 größer als 10 N, vor- zugsweise größer als 20 N, bei einer aneinander anliegenden Mantellänge von 10 cm (Zentimeter) ist. Der Form- und/oder Kraftschluss zwischen den verseilten Messadern 18 ist hierbei durch eine Oberflächenrauigkeit der Adernmäntel 22 bewirkt. Insbesondere weisen die verzellten Adernmäntel 22 einen derartig di- mensionierten Verzellungsgrad auf, dass deren Oberflächen zumindest eine ge- wisse Rauheit aufweisen, wodurch insbesondere der Reibschluss zwischen den Messadern 18 verbessert wird. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise denkbar, dass die Messadern 18 fester miteinander verseilt werden, also unter einer größeren Zugspannung auf den Kern 12 angeordnet werden.
Anhand der Figuren 3 bis 5 ist nachfolgend die Überwachung des Strangs 4 hin- sichtlich einer Biegung B näher erläutert. In den Figuren 3 und 4 ist der Strang 4 ohne den Außenmantel 10 und mit lediglich einer Messadern 18 dargestellt. In den Fig. 3 und der Fig. 4 ist eine Mittellinie 24 des Kerns 12 strichliniert gezeigt, wobei der Kern 12 selbst zur verbesserten Sichtbarkeit der Messader 18 punktiert dargestellt ist. In der Fig. 3 ist der Strang 4 in dem ungebogenen Ausgangszustand gezeigt. Die Fig. 3 zeigt drei aufeinanderfolgende Windungen der spiralförmig verlaufenden Messader 18.
Bei einer Biegung B des Strangs 4 (Fig. 4) wird die mechanische Länge radial in- nenseitig und radial außenseitig des Biegeradius R verändert. Durch die verschie- befreie Befestigung der Adernmäntel 22 an dem Kern 12 weicht der im jeweiligen Adernmantel 22 verschiebebeweglich oder lose einsitzende Leiter 20 dieser Bie- gung B entlang der Stranglängsrichtung L aus. Die Adernmäntel 22 sind hingegen an dem Kern 12 beziehungsweise dessen Schirmung 14 fixiert, so dass die Adernmäntel 22 der Biegung B beispielsweise nicht durch aneinandergleiten ent- lang der Verseilsteigung ausweichen können. Somit wird der oder jeder
Adernmantel 22 wird im Zuge der Biegung B gestaucht und/oder gedehnt, also verformt. Durch die Verformung kommt es zu lokalen Abstands- und/oder Dichteänderun- gen des Adernmantels 22 im Bereich der Biegung B, was in der Fig. 4 in einer schematischen und vereinfachten Darstellung gezeigt ist. Insbesondere werden die radial innenseitigen Windungsabschnitte der Adernmäntel 22 gestaucht und die radial außenseitigen Windungsabschnitte der Adernmäntel 22 werden ge- dehnt.
Durch die Dehnung und/oder Stauchung kommt es zu lokalen Abstands- und Dichteänderungen der Adernmäntel 22. Insbesondere wird die Dichte des Dielekt- rikums des Adernmantels 22 im Bereich der Dehnung reduziert und im Bereich der Stauchung erhöht. Somit wird der Durchmesser des Adernmantels 22 bezie- hungsweise der Messader 18 hierbei im Dehnungsbereich reduziert und im Stau- chungsbereich erhöht, wobei der Drahtdurchmesser des Leiters 20 im Wesentli- chen stets konstant bleibt. Im Bereich der Dehnung, also radial außerhalb der Mittellinie 24, verschiebt sich der Leiter 20 innerhalb des Adernmantels 22 derart, dass die Leiterabschnitte, welche sich im ungebogenen Ausgangszustand auf der Mittellinie 24 befanden, im gebogenen Zustand radial nach außen wandern. Somit wandern diese Leiterab- schnitte in Bereich des Adernmantels 22, bei welchen die Dichte des Dielektri- kums reduziert ist. Dies bewirkt eine Veränderung, insbesondere eine Reduzie- rung des Wellenwiderstands oder der Impedanz der Messader 18, welche sich in der Folge auf die Signalausbreitung des Messsignals S auswirkt. Insbesondere werden durch solche Impedanzänderungen Reflektionen des Messsignals S in den Sensoradern 22 erzeugt, welche zumindest teilweise als Signalanteil oder Antwortsignal S‘ an die Empfangseinheit 7 zurückgeführt und an die Auswerteein- heit 8 weitergeleitet werden. Die mindestens eine Messader 18 weist im ungebogenen Ausgangszustand einen im Wesentlichen bekannten Wellenwiderstands- oder Impedanzwert Z auf. Die Abstands- und/oder Dichteänderungen des Adernmantels 22 wirken sich auf die- sen Impedanzwert Z aus, sodass es zumindest im Bereich der Biegung B zu einer lokalen Veränderung oder Schwankung der Impedanz der Messader 18 kommt. Durch diese lokale Impedanzänderung wird die Signalausbreitung des Messsig- nals S beeinflusst, sodass durch Auswertung der Signalausbreitung ein Rück- schluss auf die Impedanzänderung und somit auf die Abstands- und/oder Dichte- änderung beziehungsweise auf die dieser zugrundeliegenden Biegung B möglich ist.
Hierzu wird insbesondere die (Signal-)Laufzeit t zwischen dem Einspeisen des Messsignals S und der Ankunft des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals S‘ ausgewertet, wodurch auf den Ort der Biegestelle am Strang 4 zurückgeschlos- sen werden kann. Bei dem Messsignal S handelt es sich insbesondere um einen Messimpuls, insbesondere nach Art eines Spannungssprungs oder einer Span- nungsstufe. Für eine ortsaufgelöste Messung oder zur Auswertung und/oder Be- stimmung der Position der lokalen Biegestelle am Strang 4 wird somit eine Lauf- zeitmessung nach Art einer Zeitbereichsreflektometrie (TDR) durchgeführt. Hier- bei wird das Messsignal S in die Messadern 18 eingespeist und der Spannungs- verlauf des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals S‘ ausgewertet. Die Ort- sauflösegenauigkeit ist hierbei im Wesentlichen durch die Verseilsteigung sowie die Anzahl der miteinander verseilten Messadern 18 am Kern 12 gegeben.
Die Fig. 5 zeigt ein Laufzeit-Impedanz-Diagramm (t-Z-Diagramm) der Messader 18 für einen ungebogenen und einen gebogenen Zustand des Strangs 4. Entlang der horizontalen Abszissenachse (x-Achse) ist hierbei die Laufzeit t des Messsig- nals S oder des reflektierten Signalanteils S‘ aufgetragen, welche im Wesentli- chen einer Position an der Messader 18 entlang der Stranglängsrichtung L ent- spricht. Entlang der vertikalen Ordinatenachse (y-Achse) ist die Impedanz bzw. der Impedanzwert Z der Messader 18 gezeigt. Der ungebogene Ausgangszustand weist einen konstanten Verlauf Z1 auf und ist strichliniert dargestellt. Der geboge- ne Zustand weist einen oszillierenden Verlauf Z2 auf, welcher in der Fig. 5 strich- punktiert gezeigt ist.
Im ungebogenen Zustand sind der Abstand und die Dichte des Dielektrikums des Adernmantels 22 im Wesentlichen über die vollständige Länge der Messader 18 gleich. Somit weist Messader 18 über ihre vollständige Länge einen im Wesentli- chen konstanten Impedanzwert Z auf. Somit zeigt das t-Z-Diagramm der Fig. 5 einen konstanten Verlauf Z1 für den ungebogenen Ausgangszustand.
Bei einer Biegung B des Strangs 4 an einer Biegestelle wird der Kern 12 und so- mit der Sternvierer 16 beziehungsweise die Messadern 18 - wie in der Fig. 4 schematisch dargestellt - an dem radial innenseitigen Bereich des gebogenen Strangs 4 gestaucht, und an dem diametral gegenüberliegenden radial außensei- tigen Bereich gedehnt. Die oder jede Messader 18 ist entlang der Stranglängsrich- tung L verschiebefest an dem Kern 12 geführt, sodass durch die Biegung Ab- stands- und Dichteänderungen der Adernmäntel 22 bewirkt werden.
An der Biegestelle wird somit eine lokale Impedanzveränderung, also eine Erhö- hung oder Erniedrigung des Wellenwiderstands des Messsignals S im Leiter 20 der Messader 18 bewirkt. Mit anderen Worten bewirkt die Biegung B durch die Abstands- und Dichteänderungen eine Anzahl von Störstellen entlang der
Messader 18, welche sich auf die Signalausbreitung des Messsignals S auswir- ken. Insbesondere wird das Messsignal S im Bereich dieser Störstellen zumindest teilweise reflektiert, so dass durch Auswertung des reflektierten, also zurücklau- fenden Signalanteils S‘ die Biegung B erfasst wird.
Im Zuge der Biegung B treten hierbei entlang des Biegeverlaufs des Strangs 4 mehrere radial innen- und außenseitige Dehnungen und Stauchungen der Adernmäntel 22 für aufeinanderfolgende Windungen des spiralförmig verlaufen- den Messadern 18 auf. Somit treten mehrere aufeinanderfolgende Impedanz- änderungen oder Störstellen entlang der Biegung B bei der Messader 18 auf.
Im Laufzeitbereich der Biegung B ergibt sich somit ein oszillierender Verlauf Z2 des Impedanzwerts. Dabei stellt eine komplette Periode des Verlaufs Z2 im We- sentlichen einen Schlag oder eine Windung der Messader 18 dar. Die Laufzeit t des Verlaufs Z2 entspricht der Position der Biegestelle am Strang 4, wobei die Anzahl der Abweichungen zu höheren oder niedrigeren Impedanzwerten als dem Impedanzwert des Verlaufs Z1 ein Maß für den Biegeradius R und die Länge der Biegung B, also den Biegeverlauf, sind.
Durch die Impedanzänderungen des Verlaufs Z2 wird im Zuge der Laufzeitmes- sung ein entsprechendes Signalmuster des reflektierten Signalanteils S‘ bewirkt, so dass durch die Auswertung des reflektierten Signalanteils oder Antwortsignals S‘ ein quantitatives Maß oder ein Wert für den Biegeradius R ermittelbar ist.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausfüh- rungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinan- der kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Messanordnung zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf eine Biegung, aufweisend
- einen zentral angeordneten Kern,
- mindestens eine Messader, welche einen von einem Adernmantel umge- benen elektrischen Leiter aufweist und am Kern entlang geführt ist,
- eine Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines elektrischen Messsignals in die mindestens eine Messader, sowie
- eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Anwortsignals und zur Wei- terleitung an eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer Änderung der Signalausbreitung des Messsignals in dem Leiter der Messader,
- wobei der Leiter der Messader gegenüber dem Adernmantel relativ ver- schiebebeweglich ist, und
- wobei die mindestens eine Messader derart angeordnet ist, dass die
Messader entlang des Kerns verschiebefrei geführt ist, so dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messader zum Kern unver- ändert ist und es zu einer abschnittsweisen Verformung des Adermantels kommt, und die Signalausbreitung des Messsignals durch die Verformung des Adernmantels in dem Leiter beeinflusst ist.
2. Messanordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Messadern vorgesehen sind, welche derart geseilt sind, dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messadern zueinander unverändert ist.
3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Leiter und dem Adernmantel einer Messader eine erste Verschiebebeweglichkeit und zwischen den Adernmänteln benachbarter Messadern eine zweite Verschiebebeweglichkeit ausgebildet ist, wobei die erste Verschiebebeweglichkeit größer als die zweite Verschiebebeweglich- keit ist.
4. Messanordnung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Leiter und dem Adernmantel einer Messader ein Haftsitz kleiner 1 N bei einer Adernlänge von 50 mm vorgesehen ist.
5. Messanordnung nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Adernmäntel von mindestens zwei miteinander geseilten Mess- adern form- und/oder kraftschlüssig aneinander gehalten sind, wobei der Form- und/oder Kraftschluss zwischen den Adernmänteln größer als 10 N, vorzugsweise größer als 20 N, bei einer aneinander anliegenden Mantellän- ge von 10 cm ist.
6. Messanordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Form- und/oder Kraftschluss durch eine Oberflächenrauigkeit der Adernmäntel bewirkt ist.
7. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Kern um einen Kern einer elektrischen Leitung handelt.
8. Messanordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kern als äußerstes Element eine Schirmung aufweist, um welche die mindestens eine Messader geführt ist. {Schirmung als Rückleiter)
9. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Erfassung eines reflektierten Signalanteils des Messsignals als Antwortsignal ausgebildet ist.
10. Messanordnung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinheit zur Auswertung der Position einer lokalen Biege- stelle am Strang ausgebildet ist, indem der reflektierte Signalanteil in Verbin- dung mit der Laufzeit ausgewertet wird.
11. Messanordnung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Biegung einer lokalen Bie- gestelle am Strang ausgebildet ist, indem ein Signalmuster des reflektierten Signalanteils ausgewertet wird, welches aufgrund der Biegung erzeugt wird.
12. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass vier Messadern eine Viererverseilung bilden, insbesondere einen Sternvierer, und die Viererverseilung am Kern entlang geführt ist.
13. Biegeelastischer Strang für eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend einen zentral angeordneten Kern und mindestens eine Messader, welche einen von einem Adernmantel umgebenen elektrischen Leiter aufweist und am Kern entlang geführt ist, wobei der Leiter der
Messader gegenüber dem Adernmantel relativ verschiebebeweglich ist, und wobei die mindestens eine Messader derart angeordnet ist, dass die
Messader entlang des Kerns verschiebefrei geführt ist, so dass bei einer Biegung des Strangs die Relativposition der Messader zum Kern unverän- dert ist und es zu einer abschnittsweisen Verformung des Adermantels kommt.
14. Strang nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strang als ein Kabel und der Kern als eine Leitung ausgeführt ist.
15. Verfahren zur Überwachung eines biegeflexiblen Strangs im Hinblick auf ei- ne Biegung mit Hilfe einer Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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