WO2024033044A1 - Méthode de détermination d'une impédance minimale d'un défaut détectable au moyen d'une analyse d'un câble par réflectométrie - Google Patents

Méthode de détermination d'une impédance minimale d'un défaut détectable au moyen d'une analyse d'un câble par réflectométrie Download PDF

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WO2024033044A1
WO2024033044A1 PCT/EP2023/070152 EP2023070152W WO2024033044A1 WO 2024033044 A1 WO2024033044 A1 WO 2024033044A1 EP 2023070152 W EP2023070152 W EP 2023070152W WO 2024033044 A1 WO2024033044 A1 WO 2024033044A1
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cable
signal
fault
measurement
reflectogram
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PCT/EP2023/070152
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Inventor
Louise REVAULT
Josy Cohen
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G01R31/11—Locating faults in cables, transmission lines, or networks using pulse reflection methods
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/02—Details
    • H04B3/46—Monitoring; Testing

Definitions

  • the invention relates to the field of systems and methods for diagnosing the state of health of a cable or more generally of a transmission line. It falls within the field of reflectometry diagnostic methods which aim to detect and locate electrical faults on a cable or on a point-to-point network.
  • the invention relates more precisely to a method making it possible to characterize the minimum non-clear fault that it is possible to detect for a cable having given characteristics.
  • the invention applies to any reflectometry measurement, in particular optical or acoustic measurements.
  • the invention applies to any type of electrical cable, in particular energy transmission cables or communication cables, in fixed or mobile installations.
  • the cables concerned may be coaxial, two-wire, in parallel lines, in twisted pairs, in stranded cable or other.
  • the invention can also be applied to mechanical cables, for example infrastructure support cables such as an elevator or a bridge.
  • Transmission line networks may be exposed to internal and external restrictive conditions which are both natural and artificial disturbances such as fluctuations in temperature, humidity, pressure, etc., thereby causing the appearance, over time, of anomalies often called defects. These faults can be located on a point in the case of open circuits or short circuits (clear faults). Furthermore, cables also undergo aging over time which can cause damage.
  • an electrical signal often of high frequency or broadband, is injected into one or more locations of the cable to be tested.
  • the signal propagates in the cable or network and returns part of its energy when it encounters an electrical discontinuity.
  • An electrical discontinuity can result, for example, from a connection, from the end of the cable or more generally from a break in the signal propagation conditions in the cable. It most often results from a fault which locally modifies the characteristic impedance of the cable by causing a discontinuity in its linear parameters which can ultimately lead to a severe breakdown through the appearance of a clear fault.
  • Patent application FR3026848 describes a non-clear fault detection method by self-adaptive correlation. This method makes it possible to amplify the spectral signatures of non-clear defects on a temporal reflectometry measurement in order to make them more detectable. Any signature correlated with the injected signal is amplified. The amplification is all the more important as the amplitude of the fault is small. This makes it possible to highlight non-clear faults and to attenuate signal noise.
  • Patent application FR3036494 presents another method making it possible to amplify the spectral signatures of non-clear defects on a temporal reflectogram.
  • the method implements post-processing which implies that the right part of the defect signature is subtracted from the left part and vice versa to reduce the amount of noise and amplify this signature. Then each part (right and left) is weighted by its average to provide a gain inversely proportional to the amplitude of the signature.
  • This information is of interest for a user wishing to operate a cable because it makes it possible to know in advance the minimum severity of the faults that it is possible to detect for a given measuring equipment.
  • the invention thus provides assistance in the design, deployment and preventive maintenance of cables or cable networks for industrial installations.
  • the invention proposes a new method making it possible to determine the characteristic impedance of the smallest detectable fault for a given cable in its environment and by means of given measuring equipment. For this, the invention uses a reflectometry measurement carried out on a cable to be analyzed and develops, from this measurement and a predetermined detection threshold value, the minimum detectable characteristic impedance which corresponds to a fault whose amplitude of the spectral signature would be approximately equal to the detection threshold.
  • the subject of the invention is a method for determining a minimum impedance of a detectable fault by means of analysis of a cable by reflectometry, the method comprising the steps of:
  • a reflectogram Carry out a measurement, called a reflectogram, of the temporal impulse response of a reference signal propagated in the cable from an injection point then back-propagated to a measurement point
  • the estimate of the attenuation a of the signal is determined by means of the following relationship: with L the length of the cable, A f the amplitude of the peak corresponding to the termination of the cable, p 0 the amplitude of the mismatch peak at the cable entry measured on the reflectogram and p f the reflection coefficient of the signal on cable termination.
  • the estimate of the reflection coefficient of the signal on a defect characterized by an amplitude in the reflectogram equal to the detection threshold is determined by means of the following relationship: with L the length of the cable, A f the amplitude of the peak corresponding to the cable termination, p f the reflection coefficient of the signal on the termination of the cable, A s the value of the detection threshold, a the value of the signal attenuation and L d a hypothesis of position of a fault to be detected on the cable.
  • the detection threshold is equal to three times the standard deviation of the measurement.
  • the subject of the invention is also a computer program comprising instructions for executing the method according to the invention, when the program is executed by a processor and a recording medium readable by a processor on which a program is recorded comprising instructions for executing the method according to the invention, when the program is executed by a processor.
  • the invention also relates to a system for determining a minimum detectable impedance by means of an analysis of a cable by reflectometry comprising a reference signal generator configured to inject a reference signal into a cable in an injection point, measuring equipment configured to measure the back-propagated signal at a measuring point and a processing unit configured to execute the steps of the method according to the invention.
  • FIG. 1a represents a diagram of a first example of a temporal reflectometry system
  • FIG. 1 b represents a diagram of a second example of a temporal reflectometry system
  • FIG. 2 represents an example of a reflectogram obtained with the reflectometry system of Figures 1a or 1b for a simple cable
  • FIG. 3 represents a flowchart detailing the steps of implementing a method for determining a minimum impedance of a detectable fault, according to one embodiment of the invention
  • FIG. 4 represents an example of reflectogram measurement to illustrate the principle underlying the invention
  • FIG. 5 represents, on a diagram, the detection limits of a fault according to the characteristic impedance and the length of the fault
  • FIG. 6 represents a diagram of a reflectometry system configured to execute the method according to the invention.
  • Figure 1a describes a block diagram of an example of a temporal reflectometry system.
  • the invention is positioned in the context of reflectometry methods for detecting, locating or characterizing faults impacting a cable or a point-to-point cable network.
  • FIG. 1a there is shown a cable to be tested 104 which has a fault 105 at any distance from one end of the cable.
  • the cable 104 can be replaced by a network of complex cables interconnected with each other.
  • the simple cable 104 in Figure 1a is shown for purely illustrative purposes in order to explain the general principle of a reflectometry method.
  • a reflectometry system 101 comprises an electronic component 111 of the integrated circuit type, such as a programmable logic circuit, for example of the FPGA type, or micro-controller, adapted to perform two functions.
  • an electronic component 111 of the integrated circuit type such as a programmable logic circuit, for example of the FPGA type, or micro-controller, adapted to perform two functions.
  • component 111 makes it possible to generate a reflectometry signal s(t) to be injected into the cable 104 under test.
  • This digitally generated signal is then converted via a digital-to-analog converter 112 and then injected 102 at one end of the cable.
  • the signal s(t) propagates in the cable and is reflected on the singularity generated by the fault 105.
  • the reflected signal is back-propagated to the injection point 106 then captured 103, converted digitally via an analog-digital converter 113, and transmitted to the component 111.
  • the electronic component 111 is further adapted to execute the steps of the method according to the invention which will be described below to, from the signal s(t) received, determine a reflectogram or several reflectograms.
  • the reflectogram(s) can be transmitted to a processing unit 114, of the computer, personal digital assistant or other type to display the measurement results on a man-machine interface.
  • the system 101 described in Figure 1a is a non-limiting exemplary embodiment.
  • the two functions performed by component 111 can be separated into two distinct components or devices as illustrated in the example of Figure 1 b.
  • the injection point and the signal measurement point can also be taken at any location on the cable and not at its end.
  • FIG. 1 b there is shown a first device 101 dedicated to the generation of the reflectometry signal and its injection into the cable and a second device 116 dedicated to measuring the signal at any point on the cable then at calculation of the reflectogram via a component 115.
  • the component 115 may be an electronic component of the integrated circuit type, such as a programmable logic circuit, for example of the FPGA type, or a microcontroller, for example a digital signal processor, which receives the signal measurements and is configured to carry out the method according to the invention.
  • the component 115 includes at least one memory for saving the last signal samples generated and injected into the cable and the last measured signal samples.
  • the position d DF of a fault 105 on the cable 104 in other words its distance from the signal injection point, can be directly obtained from of the measurement, on the calculated time reflectogram R(t), of the duration t DF between the first amplitude peak noted on the reflectogram and the amplitude peak corresponding to the signature of the defect.
  • Figure 2 represents an example of a reflectogram R(n) obtained using the system of Figure 1a or 1b, on which we observe a first peak of amplitude at an abscissa N and a second peak of amplitude at an abscissa N+M.
  • the first amplitude peak corresponds to the reflection of the signal at the injection point in the cable, while the second peak corresponds to the reflection of the signal on an impedance discontinuity caused by a fault.
  • Different known methods are possible to determine the position d D F (distance from the peak at the end of the cable or from the clear fault).
  • Figure 3 schematizes, on a flow chart, the steps of implementing the method according to the invention.
  • the first step 301 consists of measuring a reflectogram at an observation point of the cable P.
  • FIG. 4 An example of a reflectogram obtained is illustrated in Figure 4. It represents the result of the intercorrelation between the reference signal injected into the cable and the signal backpropagated at the injection point as a function of the distance to the point of injection.
  • the time-distance conversion is obtained from an estimate or a priori knowledge of the average propagation speed of the signal along the cable.
  • the measured reflectogram can be a time or frequency reflectogram or obtained from any reflectometry method such as multi-carrier methods. If the reflectogram is obtained in the frequency domain, an inverse Fourier transform IFFT or Chirp Z type is applied to obtain a measurement in the time domain.
  • the second step 302 consists of determining a detection threshold for amplitude peaks, in the reflectogram, which correspond to spectral signatures of defects.
  • the measurement of the reflectogram is reduced to a temporal zone excluding the amplitude peak corresponding to the mismatch between the cable and the measuring equipment on the one hand and also excluding the amplitude peak corresponding to the reflection of the signal on the end of the cable.
  • Xj for i varying from 1 to N are the digitized samples of the reflectogram, N is the number of samples and x is the average of the samples.
  • the threshold is set at a multiple of the standard deviation o, for example equal to 3o or 4o or more generally to a positive integer value multiplied by the standard deviation o.
  • a point can be considered aberrant when it is the only one to exceed a detection threshold as opposed to a group of points which all exceed the same threshold and can correspond to an amplitude peak characterizing a defect.
  • the spectral signature of a fault being most often characterized by a positive pulse followed by a negative pulse, there are in reality two detection thresholds of identical absolute value S and -S. If the signal is not centered at 0, the average of the signal is taken into account in the calculation of the two thresholds which are fixed at p-S and p+S where p is the average of the signal and S a threshold value.
  • An objective of the invention then consists of characterizing the weakest non-clear defect that it is possible to detect based on the chosen detection threshold.
  • the fault is characterized in particular by determining its characteristic impedance.
  • the reflectogram in Figure 4 also includes a peak of high amplitude A f corresponding to the termination of the cable and located at a time abscissa equivalent to a length L of the cable.
  • Ao po is the amplitude of the peak, in the reflectogram, corresponding to the mismatch at the cable input, that is to say the impedance mismatch between the measuring equipment and the cable. This amplitude can be measured on the reflectogram as shown in Figure 4.
  • a f is the amplitude of the peak, in the reflectogram, corresponding to the reflection of the signal on the end of the cable. This amplitude can also be measured on the reflectogram as shown in Figure 4.
  • a s is the absolute value of the threshold S which also corresponds to the amplitude of the peak corresponding to the weakest fault D that it is possible to detect.
  • Zo is the characteristic impedance of the measurement port
  • Z c is the characteristic impedance of the fault-free cable
  • L is the total length of the cable
  • L d corresponds to the supposed position of the defect D
  • p s is the reflection coefficient of the signal on the fault D
  • p f is the reflection coefficient of the signal on the end of the cable which corresponds to the end of cable impedance
  • ai is the attenuation of the signal before the fault D
  • a 2 is the attenuation of the signal after fault D
  • step 303 we first determine an estimate of the attenuation of the signal when it has propagated along the cable to fault D.
  • the aim here is to characterize a fault not clear of low amplitude (the lowest potentially detectable), we take the hypothesis that the attenuation of the signal is not modified by this fault and is identical before and after the fault.
  • the amplitude A f of the peak at the end of the cable can be modeled by the following equation: [0067]
  • p 2 is negligible compared to 1 therefore (1 - p 2 ) ⁇ l because the defect D is of small amplitude.
  • step 304 an estimate of the reflection coefficient of the signal on the fault D is determined, for example by means of the following relationship:
  • the characteristic impedance of the fault D is determined, for example by means of the following relationship:
  • the invention makes it possible to automatically determine the impedance of a fault whose spectral signature would be substantially equal to the value of the detection threshold, which corresponds to the smallest detectable fault.
  • an additional step 306 is executed to determine the minimum length of a detectable defect by means of the threshold S and as a function of the parameters of the reflectometry signal used.
  • the minimum length of a detectable defect on a reflectogram can be set, by experience, to 1/10th of the wavelength of the signal.
  • f f max - f min : frequency band in Hz
  • the speed of propagation of a signal in an electric cable is greater than one fifth of the speed of light .
  • Figure 5 represents, on a diagram, the fault detection limits, obtained by simulation, for a detection threshold set at 3o and by varying the characteristic impedance and the length of the fault.
  • a reflectometry device comprises at least one signal generator GS, to generate a test signal s and inject it into the cable to be analyzed CA which includes, for example, a DNF fault, equipment for measurement Ml to measure the reflected signal r in the AC cable and an electronic component MC of the integrated circuit type, such as a programmable logic circuit, for example of the FPGA type or a micro-controller, for example a digital signal processor, which receives a measurement of the reflected signal r(t) and is configured to perform the method according to the invention in order to evaluate the fault detection limits on the AC cable.
  • the electronic component MC can also include both an integrated circuit, for example to acquire the reflected signal, and a microcontroller to execute the processing steps required by the invention.
  • the injection of the test signal s into the cable is, for example, carried out by a coupling device (not shown in Figure 6) which can be a coupler with capacitive or inductive effect or even using an ohmic connection.
  • the coupling device can be produced by physical connectors which connect the signal generator to the cable or by non-contact means, for example by using a metal cylinder whose internal diameter is substantially equal to the external diameter of the cable and which produces an effect capacitive coupling with the cable.
  • the acquisition of the signal reflected in the cable can also be carried out by means of a coupling device of the type described above.
  • the reflectometry device can also include a digital-analog converter placed between the test signal generator, in the case where it is a digital signal, and the injection coupler.
  • the reflectometry device may also include an analog-digital converter placed between the coupler for measuring the reflected signal and the measuring equipment Ml or the electronic component MC for the purpose of digitizing the measured analog signal.
  • a processing unit (not shown in Figure 6), of the computer, personal digital assistant or other type, is used to control the reflectometry system according to the invention and display the results of the measurements on a human interface. -machine.
  • the results displayed may include the impulse response calculated using the method according to the invention and/or information relating to the existence and location of a fault and/or information relating to the detection limits fault in terms of length and/or characteristic impedance.
  • the injected test signal s can also be supplied to the MC component when the processing carried out requires knowledge of the injected signal, in particular when these include an intercorrelation step between the test signal s and the reflected signal r.
  • the injection of the signal into the cable and the measurement of the reflected signal are, for example, carried out by a single component but also by two distinct components, in particular when the injection point and the measurement point are separated. .
  • the device described in Figure 6 is, for example, implemented by an electronic card on which the different components are arranged.
  • the card can be connected to the cable by a coupler.

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Abstract

Méthode de détermination d'une impédance minimale d'un défaut détectable au moyen d'une analyse d'un câble par réflectométrie, la méthode comprenant les étapes de : - Réaliser (301) une mesure, appelée réflectogramme, de la réponse impulsionnelle temporelle d'un signal de référence propagé dans le câble à partir d'un point d'injection puis rétro-propagé en un point de mesure, - Déterminer (302) un seuil de détection de pics d'amplitude dans le réflectogramme, le seuil étant proportionnel à l'écart type de la mesure, - Déterminer (303) une estimée de l'atténuation du signal à partir de la mesure, l'atténuation étant considérée constante le long du câble, - Déterminer (304) une estimée du coefficient de réflexion du signal sur un défaut caractérisé par une amplitude dans le réflectogramme égale au seuil de détection, à partir de l'atténuation du signal et de la mesure, - Déterminer (305) une estimée de l'impédance caractéristique dudit défaut, égale à l'impédance minimale d'un défaut détectable.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Méthode de détermination d’une impédance minimale d’un défaut détectable au moyen d’une analyse d’un câble par réflectométrie
[0001] L’invention concerne le domaine des systèmes et procédés de diagnostic de l’état de santé d’un câble ou plus généralement d’une ligne de transmission. Elle entre dans le champ des méthodes de diagnostic par réflectométrie qui visent à détecter et localiser des défauts électriques sur un câble ou sur un réseau point à point.
[0002] L’invention porte plus précisément sur une méthode permettant de caractériser le défaut non franc minimal qu’il est possible de détecter pour un câble ayant des caractéristiques données.
[0003] L’invention s’applique à toute mesure de réflectométrie, notamment les mesures optique ou acoustique.
[0004] L’invention s’applique à tout type de câble électrique, en particulier des câbles de transmission d’énergie ou des câbles de communication, dans des installations fixes ou mobiles. Les câbles concernés peuvent être coaxiaux, bifilaires, en lignes parallèles, en paires torsadées, en toron de câble ou autre. L’invention peut également s’appliquer à des câbles mécaniques, par exemple des câbles de soutien d’infrastructures telles un ascenseur ou un pont.
[0005] Les réseaux de lignes de transmission peuvent être exposés à des conditions contraignantes internes et externes qui sont à la fois des perturbations naturelles et artificielles telles que des fluctuations de température, l'humidité, la pression, etc., entraînant ainsi l'apparition, à terme, d'anomalies souvent appelées défauts . Ces défauts peuvent être localisés sur un point dans le cas des circuits ouverts ou des courts-circuits (défauts francs). Par ailleurs, les câbles subissent également un vieillissement au cours du temps qui peut engendrer des dégradations.
[0006] Au cours des dernières décennies, des efforts considérables ont été investis dans la recherche et l'industrie pour étudier et développer des techniques capables de détecter la présence, la localisation et les caractéristiques de défauts de câblage susceptibles de mettre en péril les infrastructures dépendant de ces réseaux. Par conséquent, la surveillance des pannes et le dépannage des câbles sont devenus un problème important afin de garantir un fonctionnement sûr, des performances élevées et une rentabilité optimale.
[0007] Une des techniques connues permettant de détecter et localiser la présence d’un défaut est la technique dite de réflectométrie.
[0008] Selon un principe connu, les méthodes dites de réflectométrie sont utilisées pour détecter et/ou localiser des défauts électriques ou mécaniques qui engendrent des discontinuités ou des ruptures d’impédance dans un câble.
[0009] Ces méthodes utilisent un principe proche de celui du radar : un signal électrique, souvent de haute fréquence ou large bande, est injecté en un ou plusieurs endroits du câble à tester. Le signal se propage dans le câble ou le réseau et renvoie une partie de son énergie lorsqu’il rencontre une discontinuité électrique. Une discontinuité électrique peut résulter, par exemple, d’un branchement, de la fin du câble ou plus généralement d’une rupture des conditions de propagation du signal dans le câble. Elle résulte le plus souvent d’un défaut qui modifie localement l’impédance caractéristique du câble en provoquant une discontinuité dans ses paramètres linéiques qui peut donner à terme, une panne sévère par l’apparition d’un défaut franc.
[0010] L’analyse des signaux renvoyés au point d’injection permet d’en déduire des informations sur la présence et la localisation de ces discontinuités, donc des défauts éventuels. Une analyse dans le domaine temporel ou fréquentiel est habituellement réalisée. Ces méthodes sont désignées par les acronymes TDR venant de l’expression anglo-saxonne « Time Domain Reflectometry » et FDR venant de l’expression anglo-saxonne « Frequency Domain Reflectometry ».
[0011] Il existe de nombreuses méthodes permettant de détecter et localiser la présence d’un défaut sur un câble à partir d’une analyse par réflectométrie.
[0012] On peut citer, sans être exhaustif, les demandes de brevet du Demandeur FR3026848 et FR3036494.
[0013] La demande de brevet FR3026848 décrit une méthode de détection de défaut non franc par corrélation auto adaptative. Cette méthode permet d’amplifier les signatures spectrales de défauts non-francs sur une mesure de réflectométrie temporelle afin de les rendre plus détectables. Toute signature corrélée avec le signal injecté est amplifiée. L’amplification est d’autant plus importante que l’amplitude du défaut est faible. Cela permet de mettre en évidence les défauts non- francs et d’atténuer le bruit du signal.
[0014] La demande de brevet FR3036494 présente une autre méthode permettant d’amplifier les signatures spectrales de défauts non francs sur un réflectogramme temporel. La méthode met en œuvre un post traitement qui implique que la partie droite de la signature du défaut est soustraite à la partie gauche et inversement pour réduire la quantité de bruit et amplifier cette signature. Puis chaque partie (droite et gauche) est pondérée par sa moyenne pour apporter un gain inversement proportionnel à l’amplitude de la signature.
[0015] Cependant aucune des méthodes précitées ne permet de caractériser la sensibilité de détection d’un défaut, c’est-à-dire de déterminer quels défauts sont détectables pour un câble donné.
[0016] Cette information présente un intérêt pour un utilisateur souhaitant exploiter un câble car cela permet de connaître à l’avance la sévérité minimale des défauts qu’il est possible de détecter pour un équipement de mesure donné. L’invention apporte ainsi une aide à la conception, au déploiement et à la maintenance préventive de câbles ou réseaux de câbles pour des installations industrielles.
[0017] L’invention propose une nouvelle méthode permettant de déterminer l’impédance caractéristique du plus petit défaut détectable pour un câble donné dans son environnement et au moyen d’un équipement de mesure donné. Pour cela, l’invention exploite une mesure de réflectométrie effectuée sur un câble à analyser et élabore, à partir de cette mesure et d’une valeur de seuil de détection prédéterminée, l’impédance caractéristique minimale détectable qui correspond à un défaut dont l’amplitude de la signature spectrale serait sensiblement égale au seuil de détection.
[0018] L’invention a pour objet une méthode de détermination d’une impédance minimale d’un défaut détectable au moyen d’une analyse d’un câble par réflectométrie, la méthode comprenant les étapes de :
- Réaliser une mesure, appelée réflectogramme, de la réponse impulsionnelle temporelle d’un signal de référence propagé dans le câble à partir d’un point d’injection puis rétro-propagé en un point de mesure,
- Déterminer un seuil de détection de pics d’amplitude dans le réflectogramme, le seuil étant proportionnel à l’écart type de la mesure, - Déterminer une estimée de l’atténuation du signal à partir de la mesure, l’atténuation étant considérée constante le long du câble,
- Déterminer une estimée du coefficient de réflexion du signal sur un défaut caractérisé par une amplitude dans le réflectogramme égale au seuil de détection, à partir de l’atténuation du signal et de la mesure,
- Déterminer une estimée de l’impédance caractéristique dudit défaut, égale à l’impédance minimale d’un défaut détectable, à partir de la relation suivante :
Figure imgf000006_0001
avec Zo l’impédance caractéristique du port de mesure, p0 l’amplitude du pic de désadaptation à l’entrée du câble mesurée sur le réflectogramme et ps l’estimée du coefficient de réflexion du signal sur un défaut caractérisé par une amplitude dans le réflectogramme égale au seuil de détection.
[0019] Selon un aspect particulier de l’invention, l’estimée de l’atténuation a du signal est déterminée au moyen de la relation suivante :
Figure imgf000006_0002
avec L la longueur du câble, Af l’amplitude du pic correspondant à la terminaison du câble, p0 l’amplitude du pic de désadaptation à l’entrée du câble mesurée sur le réflectogramme et pf le coefficient de réflexion du signal sur la terminaison du câble.
[0020] Selon un aspect particulier de l’invention, l’estimée du coefficient de réflexion du signal sur un défaut caractérisé par une amplitude dans le réflectogramme égale au seuil de détection est déterminée au moyen de la relation suivante :
Figure imgf000006_0003
avec L la longueur du câble, Af l’amplitude du pic correspondant à la terminaison du câble, pf le coefficient de réflexion du signal sur la terminaison du câble, As la valeur du seuil de détection, a la valeur de l’atténuation du signal et Ld une hypothèse de position d’un défaut à détecter sur le câble.
[0021] Dans une variante de réalisation, la méthode comprend en outre une étape de détermination de la longueur minimale d’un défaut détectable comme étant égale à Ls = — - — , où c est la vitesse de propagation du signal dans le câble et Fmax lOFmax la valeur maximale de la fréquence du signal.
[0022] Selon un aspect particulier de l’invention, le seuil de détection est égal à trois fois l’écart type de la mesure.
[0023] L’invention a aussi pour objet un programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution de la méthode selon l’invention, lorsque le programme est exécuté par un processeur et un support d'enregistrement lisible par un processeur sur lequel est enregistré un programme comportant des instructions pour l'exécution de la méthode selon l’invention, lorsque le programme est exécuté par un processeur.
[0024] L’invention a encore pour objet un système de détermination d’une impédance minimale détectable au moyen d’une analyse d’un câble par réflectométrie comprenant un générateur de signal de référence configuré pour injecter un signal de référence dans un câble en un point d’injection, un équipement de mesure configuré pour mesurer le signal rétro-propagé en un point de mesure et une unité de traitement configurée pour exécuter les étapes de la méthode selon l’invention.
[0025] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.
[0026] [Fig. 1a] représente un schéma d’un premier exemple d’un système de réflectométrie temporelle,
[0027] [Fig. 1 b] représente un schéma d’un second exemple d’un système de réflectométrie temporelle,
[0028] [Fig. 2] représente un exemple de réflectogramme obtenu avec le système de réflectométrie des figures 1a ou 1 b pour un câble simple, [0029] [Fig. 3] représente un organigramme détaillant les étapes de mise en œuvre d’une méthode de détermination d’une impédance minimale d’un défaut détectable, selon un mode de réalisation de l’invention,
[0030] [Fig. 4] représente un exemple de mesure de réflectogramme pour illustrer le principe à la base de l’invention,
[0031] [Fig. 5] représente, sur un diagramme, les limites de détection d’un défaut selon l’impédance caractéristique et la longueur du défaut,
[0032] [Fig. 6] représente un schéma d’un système de réflectométrie configuré pour exécuter la méthode selon l’invention.
[0033] La figure 1a décrit un synoptique d’un exemple de système de réflectométrie temporelle. L’invention se positionne dans le contexte des méthodes de réflectométrie pour détecter, localiser ou caractériser les défauts impactant un câble ou un réseau point à point de câble.
[0034] Sur la figure 1a, on a représenté un câble à tester 104 qui présente un défaut 105 à une distance quelconque d’une extrémité du câble. Sans sortir du cadre de l’invention, le câble 104 peut être remplacé par un réseau de câbles complexes interconnectés entre eux. Le câble simple 104 de la figure 1a est représenté dans un but purement illustratif afin d’expliciter le principe général d’une méthode de réflectométrie.
[0035] Un système de réflectométrie 101 selon l’invention comprend un composant électronique 111 de type circuit intégré, tel un circuit à logique programmable, par exemple de type FPGA, ou micro-contrôleur, adapté à exécuter deux fonctions.
D’une part, le composant 111 permet de générer un signal de réflectométrie s(t) à injecter dans le câble 104 sous test. Ce signal généré numériquement est ensuite converti via un convertisseur numérique-analogique 112 puis injecté 102 à une extrémité du câble. Le signal s(t) se propage dans le câble et est réfléchi sur la singularité engendrée par le défaut 105. Le signal réfléchi est rétropropagé jusqu’au point d’injection 106 puis capturé 103, converti numériquement via un convertisseur analogique-numérique 113, et transmis au composant 111. Le composant électronique 111 est en outre adapté à exécuter les étapes du procédé selon l’invention qui sera décrit ci-après pour, à partir du signal s(t) reçu, déterminer un réflectogramme ou plusieurs réflectogrammes. [0036] Le ou les réflectogramme(s) peuvent être transmis à une unité de traitement 114, de type ordinateur, assistant numérique personnel ou autre pour afficher les résultats des mesures sur une interface homme-machine.
[0037] Le système 101 décrit à la figure 1a est un exemple de réalisation nullement limitatif. En particulier les deux fonctions exécutées par le composant 111 peuvent être séparées dans deux composants ou dispositifs distincts comme cela est illustré sur l’exemple de la figure 1 b. Le point d’injection et le point de mesure du signal peuvent également être pris en des endroits quelconques du câble et non à son extrémité.
[0038] Sur la figure 1 b, on a représenté un premier dispositif 101 dédié à la génération du signal de réflectométrie et à son injection dans le câble et un second dispositif 116 dédié à la mesure du signal en un point quelconque du câble puis au calcul du réflectogramme via un composant 115.
[0039] Le composant 115 peut être un composant électronique de type circuit intégré, tel un circuit à logique programmable, par exemple de type FPGA ou un microcontrôleur, par exemple un processeur de signal numérique, qui reçoit les mesures de signal et est configuré pour exécuter le procédé selon l’invention. Le composant 115 comporte au moins une mémoire pour sauvegarder les derniers échantillons de signal généré et injecté dans le câble et les derniers échantillons de signal mesuré.
[0040] Comme cela est connu dans le domaine des méthodes de diagnostic par réflectométrie temporelle, la position dDF d’un défaut 105 sur le câble 104, autrement dit sa distance au point d’injection du signal, peut être directement obtenue à partir de la mesure, sur le réflectogramme temporel calculé R(t), de la durée tDF entre le premier pic d’amplitude relevé sur le réflectogramme et le pic d’amplitude correspondant à la signature du défaut.
[0041] La figure 2 représente un exemple de réflectogramme R(n) obtenu à l’aide du système de la figure 1a ou 1 b, sur lequel on observe un premier pic d’amplitude à une abscisse N et un second pic d’amplitude à une abscisse N+M. Le premier pic d’amplitude correspond à la réflexion du signal au point d’injection dans le câble, tandis que le second pic correspond à la réflexion du signal sur une discontinuité d’impédance provoquée par un défaut. [0042] Différentes méthodes connues sont envisageables pour déterminer la position dDF (distance du pic de fin de câble ou du défaut franc). Une première méthode consiste à appliquer la relation liant distance et temps : dDF = Vg tDF/2 où Vg est la vitesse de propagation du signal dans le câble. Une autre méthode possible consiste à appliquer une relation de proportionnalité du type dDF/ tDF = Lc/t0 où Lc est la longueur du câble et t0 est la durée, mesurée sur le réflectogramme, entre le pic d’amplitude correspondant à la discontinuité d’impédance au point d’injection et le pic d’amplitude correspondant à la réflexion du signal sur l’extrémité du câble.
[0043] La figure 3 schématise, sur un organigramme, les étapes de mise en œuvre de la méthode selon l’invention.
[0044] La première étape 301 consiste à réaliser une mesure d’un réflectogramme en un point d’observation du câble P.
[0045] Un exemple de réflectogramme obtenu est illustré à la figure 4. Il représente le résultat de l’ intercorrélation entre le signal de référence injecté dans le câble et le signal rétropropagé au point d’injection en fonction de la distance au point d’injection. La conversion temps-distance est obtenue à partir d’une estimation ou d’une connaissance a priori de la vitesse de propagation moyenne du signal le long du câble.
[0046] Le réflectogramme mesuré peut être un réflectogramme temporel ou fréquentiel ou obtenu à partir de toute méthode de réflectométrie telles que des méthodes multi porteuses. Si le réflectogramme est obtenu dans le domaine fréquentiel, une transforme de Fourier inverse IFFT ou de type Chirp Z est appliquée pour obtenir une mesure dans le domaine temporel.
[0047] La deuxième étape 302 consiste à déterminer un seuil de détection de pics d’amplitude, dans le réflectogramme, qui correspondent à des signatures spectrales de défauts.
[0048] Pour cela, la mesure du réflectogramme est réduite à une zone temporelle excluant le pic d’amplitude correspondant à la désadaptation entre le câble et l’équipement de mesure d’une part et excluant également le pic d’amplitude correspondant à la réflexion du signal sur l’extrémité du câble. Ainsi, on conserve uniquement la portion de réflectogramme excluant le point de mesure et la terminaison du câble. Ensuite, on calcule l’écart type o de la mesure, par exemple au moyen de la formule suivante :
Figure imgf000011_0001
Xj pour i variant de 1 à N sont les échantillons numérisés du réflectogramme, N est le nombre d’échantillons et x est la moyenne des échantillons.
Enfin le seuil est fixé à un multiple de l’écart type o, par exemple égal à 3o ou 4o ou plus généralement à une valeur entière positive multipliée par l’écart type o.
[0049] Lorsque des points de mesure du réflectogramme sont très éloignés de la moyenne et/ou sont isolés temporellement, optionnellement ils peuvent être considérés comme des points aberrants dus à des artéfacts de mesure et être éliminés du calcul de l’écart type. Par exemple, un point peut être considéré comme aberrant lorsqu’il est le seul à dépasser un seuil de détection par opposition à un groupe de points qui dépassent tous le même seuil et peuvent correspondre à un pic d’amplitude caractérisant un défaut.
[0050] La signature spectrale d’un défaut étant le plus souvent caractérisée par une impulsion positive suivie d’une impulsion négative, il existe en réalité deux seuils de détection de valeur absolue identique S et -S. Si le signal n’est pas centré en 0, la moyenne du signal est prise en compte dans le calcul des deux seuils qui sont fixés à p-S et p+S où p est la moyenne du signal et S une valeur de seuil.
[0051] Un objectif de l’invention consiste ensuite à caractériser le défaut non franc le plus faible qu’il est possible de détecter à partir du seuil de détection choisi. La caractérisation du défaut est faite notamment en déterminant son impédance caractéristique.
[0052] Sur la figure 4, le défaut D ayant la signature spectrale la plus faible détectable via le seuil de détection S est représenté à la distance Ld du point d’injection correspondant à l’abscisse temporelle t=0. Le réflectogramme de la figure 4 comporte également un pic d’amplitude élevée Af correspondant à la terminaison du câble et situé à une abscisse temporelle équivalente à une longueur L du câble. [0053] Par la suite et en référence au réflectogramme de la figure 4, on considère les paramètres suivants associés au câble pour lequel la mesure de réflectogramme a été réalisée à l’étape 301
[0054] Ao = po est l’amplitude du pic, dans le réflectogramme, correspondant à la désadaptation à l’entrée du câble, c’est-à-dire la désadaptation d’impédance entre l’équipement de mesure et le câble. Cette amplitude est mesurable sur le réflectogramme comme indiqué à la figure 4.
[0055] Af est l’amplitude du pic, dans le réflectogramme, correspondant à la réflexion du signal sur la fin du câble. Cette amplitude est aussi mesurable sur le réflectogramme comme indiqué à la figure 4.
[0056] As est la valeur absolue du seuil S qui correspond également à l’amplitude du pic correspondant au défaut D le plus faible qu’il est possible de détecter.
[0057] Zo est l’impédance caractéristique du port de mesure ;
[0058] Zc est l’impédance caractéristique du câble sans défaut ;
[0059] L est la longueur totale du câble;
[0060] Ld correspond à la position supposée du défaut D ;
[0061] ps est le coefficient de réflexion du signal sur le défaut D ;
[0062] pf est le coefficient de réflexion du signal sur l’extrémité du câble qui correspond à l’impédance de fin de câble
[0063] ai est l’atténuation du signal avant le défaut D ;
[0064] a2 est l’atténuation du signal après le défaut D ;
[0065] A l’étape 303, on détermine tout d’abord une estimée de l’atténuation du signal lorsqu’il s’est propagé le long du câble jusqu’au défaut D. Comme il s’agit ici de caractériser un défaut non franc de faible amplitude (la plus faible potentiellement détectable), on prend l’hypothèse que l’atténuation du signal n’est pas modifiée par ce défaut et est identique avant et après le défaut.
[0066] Par ailleurs, l’amplitude Af du pic de fin de câble peut être modélisée par l’équation suivante :
Figure imgf000012_0001
[0067] On prend l’hypothèse que p2 est négligeable devant 1 donc (1 - p2)~l car le défaut D est de faible amplitude.
[0068] On obtient alors
Figure imgf000013_0001
signal.
[0070] A l’étape 304, on détermine une estimée du coefficient de réflexion du signal sur le défaut D, par exemple au moyen de la relation suivante :
Figure imgf000013_0002
[0072] Enfin, à l’étape 305, on détermine l’impédance caractéristique du défaut D, par exemple au moyen de la relation suivante :
Figure imgf000013_0003
[0074] Ainsi, l’invention permet de déterminer automatiquement l’impédance d’un défaut dont la signature spectrale serait sensiblement égale à la valeur du seuil de détection, ce qui correspond au plus petit défaut détectable.
[0075] Dans une variante de réalisation de l’invention de l’invention, une étape supplémentaire 306 est exécutée pour déterminer la longueur minimale d’un défaut détectable au moyen du seuil S et en fonction des paramètres du signal de réflectométrie utilisé.
[0076] La longueur minimale d’un défaut détectable sur un réflectogramme peut être fixée, par expérience à 1/10eme de la longueur d’onde du signal.
[0077] En effet, on sait que : f = avec f : la fréquence ; c : la vitesse de la lumière et  : la longueur d’onde.
[0078] On sait par ailleurs que la longueur minimale dmin d’un câble permettant de mesurer sa longueur par réflectométrie est donnée par
[0079] dmin = ÿf-
[0080] f = fmax - fmin : bande de fréquence en Hz
[0081] Nous considérons que la fréquence minimale est négligeable devant la fréquence maximale, et donc ôf = fmax. [0082] Ainsi, on peut démontrer que la longueur minimale Ls d’un défaut détectable est donnée par:
[0083] Ls = -v
[0084] La vitesse de propagation d’un signal dans un câble électrique est supérieure à un cinquième de la vitesse de la lumière
Figure imgf000014_0001
.
Figure imgf000014_0002
[0087] On en déduit donc que pour qu’un défaut soit détectable, sa longueur doit être supérieure au seuil Ls et donc supérieure à
Figure imgf000014_0003
Figure imgf000014_0004
[0088] Sachant que la longueur d’onde est égale au ratio entre la vitesse v de propagation de l’onde et la valeur maximale Fmax de la bande de fréquence du signal, on en déduit que la limite de détection pour la longueur d’un défaut est
Figure imgf000014_0005
[0089] La figure 5 représente, sur un diagramme, les limites de détection de défaut, obtenues par simulation, pour un seuil de détection fixé à 3o et en faisant varier l’impédance caractéristique et la longueur du défaut.
[0090] L’impédance caractéristique du câble est égale à Zc=48.45 Ohms sur l’exemple. La figure 5 représente deux courbes de part et d’autre de la droite d’ordonnée Zc=48.45 Ohms qui délimitent une zone de non détection située entre les deux courbes. Il y a deux courbes sur ce graphique car les valeurs d’impédance du défaut varient autour de l’impédance caractéristique du câble. Les valeurs représentées sont obtenues par simulation en faisant varier la longueur et l’impédance du défaut. On identifie la limite de détection concernant la longueur du défaut Ls minimale en dessous de laquelle un défaut n’est plus détectable. Ensuite, pour des valeurs plus élevées de longueur de défaut, le diagramme de la figure 5, donne les valeurs limites d’impédance caractéristique de défaut qui sont détectables.
[0091] La figure 6 schématise, sur un synoptique, un exemple de dispositif de réflectométrie apte à mettre en œuvre le procédé selon l’invention. [0092] Un dispositif de réflectométrie, ou réflectomètre, comporte au moins un générateur de signal GS, pour générer un signal de test s et l’injecter dans le câble à analyser CA qui comporte, par exemple, un défaut DNF, un équipement de mesure Ml pour mesurer le signal réfléchi r dans le câble CA et un composant électronique MC de type circuit intégré, tel un circuit à logique programmable, par exemple de type FPGA ou un micro-contrôleur, par exemple un processeur de signal numérique, qui reçoit une mesure du signal réfléchi r(t) et est configuré pour exécuter le procédé selon l’invention afin d’évaluer les limites de détection de défaut sur le câble CA. Le composant électronique MC peut également comporter à la fois un circuit intégré, par exemple pour réaliser l’acquisition du signal réfléchi, et un micro-contrôleur pour exécuter les étapes de traitement requises par l’invention.
[0093] L’injection du signal de test s dans le câble est, par exemple, réalisée par un dispositif de couplage (non représenté à la figure 6) qui peut être un coupleur à effet capacitif ou inductif ou encore à l’aide d’une connexion ohmique. Le dispositif de couplage peut être réalisé par des connecteurs physiques qui relient le générateur de signal au câble ou par des moyens sans contact, par exemple en utilisant un cylindre métallique dont le diamètre interne est sensiblement égal au diamètre externe du câble et qui produit un effet de couplage capacitif avec le câble.
[0094] L’acquisition du signal réfléchi dans le câble peut également être réalisée au moyen d’un dispositif de couplage du type décrit précédemment.
[0095] Le dispositif de réflectométrie peut également comporter un convertisseur numérique-analogique disposé entre le générateur de signal de test, dans le cas où il s’agit d’un signal numérique, et le coupleur d’injection.
[0096] Le dispositif de réflectométrie peut également comporter un convertisseur analogique-numérique disposé entre le coupleur de mesure du signal réfléchi et l’équipement de mesure Ml ou le composant électronique MC aux fins de numériser le signal analogique mesuré.
[0097] En outre, une unité de traitement (non représentée à la figure 6), de type ordinateur, assistant numérique personnel ou autre est utilisée pour piloter le système de réflectométrie selon l’invention et afficher les résultats des mesures sur une interface homme-machine. [0098] Les résultats affichés peuvent comprendre la réponse impulsionnelle calculée à l’aide du procédé selon l’invention et/ou une information relative à l’existence et à la localisation d’un défaut et/ou une information relative aux limites de détection de défaut en termes de longueur et/ou d’impédance caractéristique.
[0099] Selon un mode de réalisation particulier, le signal de test s injecté peut également être fourni au composant MC lorsque les traitements réalisés nécessitent la connaissance du signal injecté, notamment lorsque ceux-ci incluent une étape d’intercorrélation entre le signal de test s et le signal réfléchi r.
[0100] L’injection du signal dans le câble et la mesure du signal réfléchi sont, par exemple, réalisées par un seul et même composant mais aussi par deux composants distincts, notamment lorsque le point d’injection et le point de mesure sont dissociés.
[0101] Le dispositif décrit à la figure 6 est, par exemple, mis en œuvre par une carte électronique sur laquelle sont disposés les différents composants. La carte peut être connectée au câble par un coupleur.

Claims

REVENDICATIONS Méthode de détermination d’une impédance minimale d’un défaut détectable au moyen d’une analyse d’un câble par réflectométrie, la méthode comprenant les étapes de :
- Réaliser (301 ) une mesure, appelée réflectogramme, de la réponse impulsionnelle temporelle d’un signal de référence propagé dans le câble à partir d’un point d’injection puis rétro-propagé en un point de mesure,
- Déterminer (302) un seuil de détection de pics d’amplitude dans le réflectogramme, le seuil étant proportionnel à l’écart type de la mesure,
- Déterminer (303) une estimée de l’atténuation du signal à partir de la mesure, l’atténuation étant considérée constante le long du câble,
- Déterminer (304) une estimée ps du coefficient de réflexion du signal sur un défaut caractérisé par une amplitude dans le réflectogramme égale au seuil de détection, à partir de l’atténuation du signal et de la mesure,
- Déterminer (305) une estimée Zs de l’impédance caractéristique dudit défaut, égale à l’impédance minimale d’un défaut détectable, à partir de la relation suivante :
Figure imgf000017_0001
avec Zo l’impédance caractéristique du port de mesure, p0 l’amplitude du pic de désadaptation à l’entrée du câble mesurée sur le réflectogramme et ps l’estimée du coefficient de réflexion du signal sur un défaut caractérisé par une amplitude dans le réflectogramme égale au seuil de détection. Méthode de détermination d’une impédance minimale détectable selon la revendication 1 dans laquelle, l’estimée (303) de l’atténuation a du signal est déterminée au moyen de la relation suivante :
Figure imgf000018_0001
avec L la longueur du câble, Af l’amplitude du pic correspondant à la terminaison du câble, p0 l’amplitude du pic de désadaptation à l’entrée du câble mesurée sur le réflectogramme et pf le coefficient de réflexion du signal sur la terminaison du câble. Méthode de détermination d’une impédance minimale détectable selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l’estimée (304) du coefficient de réflexion du signal sur un défaut caractérisé par une amplitude dans le réflectogramme égale au seuil de détection est déterminée au moyen de la relation suivante :
Figure imgf000018_0002
avec L la longueur du câble, Af l’amplitude du pic correspondant à la terminaison du câble, pf le coefficient de réflexion du signal sur la terminaison du câble, As la valeur du seuil de détection, a la valeur de l’atténuation du signal et Ld une hypothèse de position d’un défaut à détecter sur le câble. Méthode de détermination d’une impédance minimale détectable selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une étape (306) de détermination de la longueur minimale d’un défaut détectable comme étant égale à Ls = — - — , où c est la vitesse de propagation du signal dans le lOFmax câble et Fmax la valeur maximale de la fréquence du signal. Méthode de détermination d’une impédance minimale détectable selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le seuil de détection est égal à trois fois l’écart type de la mesure. Système de détermination d’une impédance minimale détectable au moyen d’une analyse d’un câble par réflectométrie comprenant un générateur de signal de référence (GS) configuré pour injecter un signal de référence dans un câble (CA) en un point d’injection, un équipement de mesure (Ml) configuré pour mesurer le signal rétro-propagé en un point de mesure et une unité de traitement (MC) configurée pour exécuter les étapes de la méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 5. Programme d'ordinateur comportant des instructions qui conduisent l’unité de traitement (MC) du système de la revendication 6 à exécuter les étapes de la méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes. Support d'enregistrement lisible par un processeur sur lequel est enregistré le programme d’ordinateur selon la revendication 7.
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