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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koaxialkabelanordnung, die ein Koaxialkabel mit mindestens einem Innenleiter und einem den mindestens einen Innenleiter umgebenden Kabelschirm aufweist. Sie betrifft ferner ein Testverfahren für eine derartige Koaxialkabelanordnung.
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Koaxialkabel sind allgemein bekannt. Sie weisen in der Regel einen einzigen Innenleiter und einen den Innenleiter konzentrisch umgebenden Kabelschirm auf. Es sind aber auch schon Koaxialkabel bekannt, die eine Vielzahl von konzentrisch zueinander angeordneten Innenleitern aufweisen, beispielsweise so genannte Clogston-Leiter (siehe z. B.
3 der
US-A-2,841,792 ). Auch derartige Koaxialkabel sind Koaxialkabel im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Koaxialkabel werden unter anderem in Magnetresonanzanlagen eingesetzt, um so genannte Lokalspulen mit einer Steuer- und Auswertungseinrichtung zu verbinden. Die Lokalspulen sind räumlich derart angeordnet, dass sie Magnetresonanzen erfassen können, die unmittelbar zuvor in einem Untersuchungsobjekt mittels eines mit einer Anregungsfrequenz hochfrequenten Anregungsfeldes angeregt wurden. Die Anregungsfrequenz entspricht in der Regel der Larmorfrequenz der betreffenden Magnetresonanzanlage.
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Der Kabelschirm ist während des Anregens der Magnetresonanzen ebenfalls dem Anregungsfeld ausgesetzt. Dadurch können auf dem Kabelschirm Mantelwellen angeregt werden, die mit der Anregungsfrequenz oszillieren.
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Im Stand der Technik ist bekannt, entlang des Kabelschirms mehrere Mantelwellensperren anzuordnen. Jede Mantelwellensperre weist zwei Enden auf, wobei die Enden an voneinander beabstandeten Ankoppelpunkten des Kabelschirms an den Kabelschirm angekoppelt sind. Mittels der Mantelwellensperren sind die Mantelwellen dämpfbar, die auf Grund des Anregungsfeldes auf dem Kabelschirm angeregt werden.
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Die Ankopplung der Mantelwellensperren an den Kabelschirm kann direkt und fest sein (siehe z. B. die
US-A-5,294,886 oder die
DE-A-10 2004 015 856 ). Die Mantelwellensperren können aber auch auf den Kabelschirm aufgeschoben sein, eventuell sogar auch im Betrieb entlang des Kabelschirms verschiebbar sein (siehe z. B. die
US-B-6,822,846 ). Beide Arten der Ankopplung sind auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.
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Der
US-B-6,822,846 ist weiterhin bekannt, dass der durch die Mantelwellensperre hindurch geführte Leiter ein Führungsdraht sein kann. In diesem Fall kann mittels einer Abgreifschaltung im Empfangsfall ein an der Mantelwellensperre anstehendes Signal abgegriffen werden, das in einer Schaltung im Sinne einer Lokalisierung des Führungsdrahtes ausgewertet werden kann.
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Mantelwellensperren können – wie jedes andere Bauteil auch – ausfallen. Wenn eine Mantelwellensperre ausfällt, besteht die Gefahr, dass ein Nutzsignal, das über den mindestens einen Innenleiter übertragen werden soll, verfälscht oder anderweitig beeinträchtigt wird. Ferner können auf dem Kabelschirm lokal hohe Spannungspegel und/oder hohe Ströme induziert werden. Hierdurch kann das Untersuchungsobjekt beeinträchtigt werden. Auch können Folgeschäden beispielsweise am Kabelschirm, an der Lokalspule oder an der Steuer- und Auswertungseinrichtung der Magnetresonanzanlage die Folge sein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Koaxialkabelanordnung und ein Testverfahren für eine Koaxialkabelanordnung zu schaffen, mittels derer während des laufenden Betriebes einer Magnetresonanzanlage eine Fehlfunktion von Mantelwellensperren zumindest in einem Teil der möglichen Anwendungsfälle erkennbar ist.
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Die Aufgabe wird für die Koaxialkabelanordnung dadurch gelöst, dass mindestens einer der Mantelwellensperren eine Erfassungsschaltung zugeordnet ist, von der ein für eine Belastung der jeweiligen Mantelwellensperre durch das Anregungsfeld charakteristisches Messsignal generierbar ist, das abgreifbar und auswertbar ist.
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Hiermit korrespondierend wird die Aufgabe für das Testverfahren dadurch gelöst, dass das Koaxialkabel dem Anregungsfeld ausgesetzt wird, dass mittels der Erfassungsschaltung das Messsignal generiert wird und dass das Messsignal abgegriffen und ausgewertet wird.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in dem Fall, dass eine von mehreren Mantelwellensperren ausfällt, die übrigen, intakten Mantelwellensperren stärker belastet werden. Übersteigt die Belastung der mit der Erfassungsschaltung versehenen Mantelwellensperre eine Grenzbelastung, kann dies als Indiz dafür gesehen werden, dass eine oder mehrere der übrigen Mantelwellensperren defekt sind. Eventuell ist sogar eine Fehlereingrenzung dergestalt möglich, dass aus einer übermäßigen Belastung einer bestimmten Mantelwellensperre auf eine Fehlfunktion einer anderen Mantelwellensperre geschlossen wird, die in der Nähe der übermäßig belasteten Mantelwellensperre angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Erfassungsschaltung ein Gleichrichterelement auf, mittels dessen ein durch das Anregungsfeld in der jeweiligen Mantelwellensperre angeregtes hochfrequentes Anregungssignal gleichrichtbar ist. Das Messsignal entspricht in diesem Fall dem gleichgerichteten Anregungssignal. Denn dann ist die Auswertung des Messsignals besonders einfach möglich. Als Gleichrichterelement kommt im einfachsten Fall eine Diode zur Anwendung. Es sind aber auch komplexere Gleichrichterelemente verwendbar, beispielsweise Brückengleichrichter, mittels derer eine Vollwellengleichrichtung erfolgt.
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Die jeweilige Mantelwellensperre weist vorzugsweise eine zwischen den Enden der jeweiligen Mantelwellensperre angeordnete Reihenschaltung von zwei Kondensatorelementen auf, wobei das Gleichrichterelement einem der Kondensatorelemente parallel geschaltet ist. Denn dann wird das Gleichrichterelement nur mit einem Teil der in der jeweiligen Mantelwellensperre auftretenden Spannung belastet. Gleiches gilt für etwaige dem Gleichrichterelement nachgeschaltete Bauelemente.
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Die Kondensatorelemente sind vorzugsweise derart dimensioniert, dass sie zusammen mit dem Kabelschirm, soweit er sich zwischen den beiden Ankoppelpunkten befindet, einen bei der Anregungsfrequenz resonanten Sperrkreis bilden. Denn dann ist die Mantelwellensperre besonders wirksam.
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Die beiden Kondensatorelemente können alternativ gleiche Kapazitätswerte oder voneinander verschiedene Kapazitätswerte aufweisen. Wenn sie voneinander verschiedene Kapazitätswerte aufweisen, ist das Gleichrichterelement vorzugsweise demjenigen der Kondensatorelemente parallel geschaltet, das den größeren Kapazitätswert aufweist.
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Dem Gleichrichterelement ist vorzugsweise ein kapazitives Speicherelement zum Zwischenspeichern des Messsignals nachgeordnet. Denn dann ist das Messsignal besonders stabil und darüber hinaus einfach abgreifbar.
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Das Auswerten des Messsignals umfasst vorzugsweise einen Vergleich des Messsignals mit einem anhand des Anregungsfeldes ermittelten Referenzsignal. Denn dann ist es sofort und ohne weiteres möglich, das Messsignal mit einer theoretisch zu erwartenden maximalen Belastung in Beziehung zu setzen.
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Vorzugsweise wird auf eine Fehlfunktion einer anderen Mantelwellensperre als der Mantelwellensperre, der die Erfassungsschaltung zugeordnet ist, erkannt, wenn ein Quotient des Messsignals und des Referenzsignals einen Schwellwert übersteigt. Denn dann ist die Auswertung des Messsignals besonders einfach. Die Auswertung kann intellektuell durch einen Menschen erfolgen, sie kann aber auch von einer Steuer- und Auswertungsschaltung vorgenommen werden.
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Es ist möglich, dass das Erkennen der Fehlfunktion eine Ausgabe eines von einem Menschen mit einem seiner Sinnesorgane unmittelbar wahrnehmbaren Warnsignals auslöst. In diesem Fall wird eine entsprechende Reaktion des Menschen erwartet, welche die Fehlfunktion berücksichtigt.
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Wenn das Testverfahren in einer Anlage durchgeführt wird, ist es alternativ oder zusätzlich zur Ausgabe des oben erwähnten Warnsignals auch möglich, dass das Erkennen der Fehlfunktion ein Sperrsignal auslöst, auf Grund dessen ein Start einer Messsequenz der Anlage gesperrt wird.
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Die Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
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1 einen Querschnitt durch ein Koaxialkabel,
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2 schematisch eine Magnetresonanzanlage,
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3 bis 5 mögliche Ausgestaltungen von Mantelwellensperren,
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6 bis 8 mögliche Ausgestaltungen von Erfassungsschaltungen und
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9 bis 11 Ablaufdiagramme.
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Gemäß 1 weist ein Koaxialkabel 1 zwei Innenleiter 2, 2' und einen Kabelschirm 3 auf. Zwischen den Innenleitern 2, 2' und zwischen dem äußeren Innenleiter 2' und dem Kabelschirm 3 sind Dielektrika 4, 4' angeordnet. Der Kabelschirm 3 ist von einem Kabelmantel 5 umgeben, der aus elektrisch isolierendem Material besteht. Die dargestellte Anzahl (2) von Innenleitern 2, 2' ist rein beispielhaft. Es könnten auch mehr als zwei Innenleiter 2, 2' oder nur ein einziger Innenleiter 2 vorhanden sein.
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Gemäß 2 kann das Koaxialkabel 1 der 1 beispielsweise dazu verwendet werden, ein Magnetresonanzsignal von einer Lokalspule 6 einer Magnetresonanzanlage 7 zu einer Steuer- und Auswertungseinrichtung 8 der Magnetresonanzanlage 7 zu übertragen. In diesem Fall ist die Lokalspule 6 innerhalb eines Wirkbereichs 9 einer Hochfrequenz-Sendeantenne 10 der Magnetresonanzanlage 7 angeordnet, die Steuer- und Auswertungseinrichtung 8 außerhalb des Wirkbereichs 9.
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Im Betrieb der Magnetresonanzanlage 7 sendet die Hochfrequenz-Sendeantenne 10 ein Anregungsfeld aus, das eine Anregungsfrequenz fA aufweist. Durch das Anregungsfeld ist ein Untersuchungsobjekt 11 zu Magnetresonanzen anregbar. Das Untersuchungsobjekt 11 ist in 2 nur schematisch darge- stellt.
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Die angeregten Magnetresonanzen werden mittels der Lokalspule 6 erfasst und über den Innenleiter 2 und/oder eventuell auch einen der weiteren Innenleiter 2' des Koaxialkabels 1 der Steuer- und Auswertungseinrichtung 8 zugeführt.
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Während des Sendebetriebs der Hochfrequenz-Sendeantenne 10 ist das Koaxialkabel 1 dem Anregungsfeld ausgesetzt. Mittels des Kabelschirms 3 wird während des Sendebetriebs der Hochfrequenz-Sendeantenne 10 das von dieser abgegebene Anregungsfeld vom Innenleiter 2 und gegebenenfalls auch den weiteren Innenleitern 2' abgeschirmt.
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Auf Grund des Anregungsfeldes werden weiterhin auf dem Kabelschirm 3 Mantelwellen 12 angeregt. Die Anregung erfolgt direkt und unmittelbar, also insbesondere von außen, nicht über den Innenleiter 2 oder einen weiteren Innenleiter 2'.
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Die Mantelwellen 12 weisen eine Frequenz auf, die mit der Anregungsfrequenz fA korrespondiert. Die Mantelwellen 12 können, wenn sie nicht gedämpft werden, auf dem Kabelschirm 3 erhebliche Spannungen und Ströme hervorrufen. Zur Dämpfung der Mantelwellen 12 sind daher entlang des Kabelschirms 3 mehrere Mantelwellensperren 13 angeordnet.
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Die Mantelwellensperren 13 können verschieden ausgebildet sein. Verschiedene mögliche Ausbildungen der Mantelwellensperren 13 werden nachstehend in Verbindung mit den 3 bis 5 kurz erläutert. Gemeinsam ist den Mantelwellensperren 13 der 3 bis 5, dass die Mantelwellensperren 13 jeweils zwei Enden 14, 15 aufweisen und dass die Enden 14, 15 an voneinander beabstandeten Ankoppelpunkten 16, 17 des Kabelschirms 3 an den Kabelschirm 3 angekoppelt sind.
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Gemäß 3 ist gemäß einer ersten möglichen Ausgestaltung einer Mantelwellensperre 13 ein Abschnitt 18 des Koaxialkabels 1 zu mehreren Windungen geformt. An den Enden des Abschnitts 18 befinden sich die Ankoppelpunkte 16, 17, an welche die Mantelwellensperre 13 mit ihren Enden 14, 15 angekoppelt ist. Die Mantelwellensperre 13 der 3 ist als solche als einfacher Kondensator ausgebildet.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 4 ist die Mantelwellensperre 13 als Sperrtopf ausgebildet, der das Koaxialkabel 1 entlang eines Abschnitts 19 umgibt. Der Sperrtopf 13 ist axial einseitig geschlossen, axial einseitig offen und vom Kabelschirm 3 radial beabstandet. Er ist an seinem geschlossenen Ende direkt an den Kabelschirm 3 angekoppelt, an seinem offenen Ende über einen Kondensator 20. Der guten Ordnung halber sei erwähnt, dass auch der Sperrtopf 13 selbst bereits als Kapazität wirkt.
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Auch gemäß 5 ist die Mantelwellensperre 13 als Sperrtopf ausgebildet. Im Unterschied zu 4 ist der Sperrtopf 13 auf einer Tragstruktur 21 angeordnet, die auf den Kabelschirm 3 aufgeschoben ist. In diesem Fall besteht daher – im Gegensatz zu den Ausgestaltungen der 3 und 4 – keine direkte galvanische Anbindung der Mantelwellensperre 13 an den Kabelschirm 3, sondern nur eine induktive Ankopplung.
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Gemäß den 2 und 6 ist mindestens einer der Mantelwellensperren 13 eine Erfassungsschaltung 22 zugeordnet. Von der Erfassungsschaltung 22 ist ein Messsignal M generierbar. Das Messsignal M ist für eine Belastung der jeweiligen Mantelwellensperre 13 durch das Anregungsfeld charakteristisch. Das Messsignal M ist also für die Stärke der Mantelwelle 12 charakteristisch. Es ist proportional zur Stärke des Anregungsfeldes. Das Messsignal M kann – beispielsweise von der Steuer- und Auswertungsschaltung 8 – abgegriffen und ausgewertet werden.
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7 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Mantelwellen sperren 13, denen eine Erfassungsschaltung 22 zugeordnet ist. Gemäß 7 weisen diese Mantelwellensperren 13 eine Reihenschaltung von zwei Kondensatorelementen 23, 24 auf. Diese Reihenschaltung ist zwischen den Enden 14, 15 der jeweiligen Mantelwellensperre 13 angeordnet. Angewendet auf 3 kann die Reihenschaltung der Kondensatorelemente 23, 24 beispielsweise durch geeignete Aufteilung des in 3 dargestellten Kondensators entstanden sein. Angewendet auf die 4 und 5 entspricht je eines der Kondensatorelemente 23, 24 dem Sperrtopf bzw. dem Kondensator 20.
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Einem der Kondensatorelemente 23, 24 ist ein Gleichrichterelement 25 parallel geschaltet. Gemäß 7 ist das Gleichrichterelement 25 als einfache Diode ausgebildet. Es könnte aber auch komplexer ausgestaltet sein, insbesondere als Brückengleichrichter 25. Dies ist schematisch in 8 dargestellt.
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Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Gleichrichterelements 25 wird mittels des Gleichrichterelements 25 ein hochfrequentes Anregungssignal, das in der jeweiligen Mantelwellensperre 13 durch das Anregungsfeld angeregt wird, gleichgerichtet. Das Messsignal M entspricht dem gleichgerichteten Anregungssignal, gemäß der beispielhaften Ausgestaltung der 7 und 8 also der Amplitude der über dem Kondensatorelement 24 auftretenden Wechselspannung. Die Erfassungsschaltung 22 generiert also das für die Belastung der jeweiligen Mantelwellensperre 13 charakteristische Messsignal M dadurch, dass sie das Anregungssignal gleichrichtet.
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Zum Zwischenspeichern und Stabilisieren des Messsignals M ist dem Gleichrichterelement 25 gemäß den 7 und 8 ein kapazitives Speicherelement 26 nachgeordnet. In dem kapazitiven Speicherelement 26 wird das Messsignal M zwischengespeichert.
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Die Ausgestaltungen der 7 und 8 sind, wie bereits er wähnt, bevorzugt. Sie sind aber nicht zwingend erforderlich. Insbesondere könnte das kapazitive Speicherelement 26 entfallen, wenn der Abgriff hinreichend hochohmig ausgestaltet ist. Auch könnte gegebenenfalls die Gleichrichtung entfallen, wenn das Anregungssignal direkt erfassbar und auswertbar ist.
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Die Kondensatorelemente 23, 24 der Reihenschaltung können denselben Kapazitätswert aufweisen. Vorzugsweise aber weisen sie voneinander verschiedene Kapazitätswerte C1, C2 auf. Insbesondere weist vorzugsweise dasjenige der Kondensatorelemente 23, 24, dem das Gleichrichterelement 25 parallel geschaltet ist, den größeren Kapazitätswert C2 auf. In der Regel ist ein Quotient der Kapazitätswerte C1, C2 deutlich von Eins verschieden. Oft liegt er zwischen 3 und 15, beispielsweise zwischen 5 und 10.
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Die Kondensatorelemente 23, 24 sind vorzugsweise derart dimensioniert, dass sie zusammen mit dem Kabelschirm 3, soweit er sich zwischen den beiden Ankoppelpunkten 16, 17 befindet, einen bei der Anregungsfrequenz fA resonanten Sperrkreis bilden. Diese Aussage ist insbesondere derart zu verstehen, dass der Kapazitätswert C3 des kapazitiven Speicherelements 26 bei der Dimensionierung der Kondensatorelemente 23, 24 nicht berücksichtigt wird.
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Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Koaxialkabels 1 ist es möglich, ein Testverfahren für das Koaxialkabel 1 durchzuführen, das nachfolgend in Verbindung mit 9 näher erläutert wird.
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Gemäß 9 wird das Koaxialkabel 1 zunächst in einem Schritt S1 im Wirkbereich 9 positioniert. Der Schritt S1 kann motorisiert und gegebenenfalls sogar automatisiert erfolgen. In der Regel wird er aber von einer Bedienperson 27 durchgeführt.
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In einem Schritt S2 wird sodann die Hochfrequenz-Sendeantenne 10 angesteuert, so dass diese das hochfrequente Anregungsfeld aussendet. Der Schritt S2 wird in der Regel von der Steuer- und Auswertungseinrichtung 8 durchgeführt. Er wird durch ein entsprechendes Steuerkommando der Bedienperson 27 ausgelöst.
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In einem optionalen Schritt S3 kann als nächstes das Anregungsfeld erfasst und daraus ein Referenzsignal R abgeleitet werden. Das Referenzsignal R kann auch anderweitig gegeben sein, beispielsweise auf Grund älterer Messungen oder auf Grund theoretischer Überlegungen. Auch eine Vorgabe des Referenzsignals R auf Grund von Erfahrungswerten der Bedienperson 27 kommt in Frage.
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In einem Schritt S4 werden die Messsignale M abgegriffen. Dieses Abgreifen erfolgt in der Regel durch die Steuer- und Auswertungseinrichtung 8. Es ist auch ein manuelles Abgreifen, beispielsweise mittels eines Oszilloskops, möglich.
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In einem Schritt S5 werden die erfassten Messsignale M ausgewertet. Auch hier ist eine automatische Auswertung durch die Steuer- und Auswertungseinrichtung 8 möglich. Im Einzelfall kann die Auswertung auch unmittelbar von der Bedienperson 27 vorgenommen werden.
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Die Auswertung der Messsignale M erfolgt gemäß 10 beispielsweise dadurch, dass in einem Schritt S11 für jedes erfasste Messsignal M der Quotient Q mit dem Referenzsignal R (vergleiche Schritt S3 von 9) gebildet wird und dieser Quotient Q in einem Schritt S12 mit einem Schwellwert S verglichen wird. Liegt der Quotient Q oberhalb des Schwellwerts S, wird auf eine Fehlfunktion einer anderen Mantelwellensperre 13 als der Mantelwellensperre 13, der die Erfassungsschaltung 22 zugeordnet ist, erkannt. Das Auswerten des Messsignals M umfasst also einen Vergleich des Messsignals M mit dem Referenzsignal R.
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Als Reaktion auf das Erkennen einer Fehlfunktion kann beispielsweise eine Ausgabe eines Warnsignals ausgelöst werden, das von einem Menschen (insbesondere der Bedienperson 27) mit einem seiner Sinnesorgane unmittelbar wahrnehmbar ist. Insbesondere kann eine Meldung des Inhalts „Mantelwellensperre x wird übermäßig belastet” ausgegeben werden, wobei x für die Mantelwellensperre 13 steht, die übermäßig belastet wird. Die Ausgabe der Meldung kann beispielsweise überein Sichtgerät 28 erfolgen, das der Steuer- und Auswertungseinrichtung 8 zugeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich zur Ausgabe des optischen Warnsignals kannselbstverständlich auch ein akustisches Warnsignal ausgegeben werden. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich zur Ausgabe des optischen und/oder akustischen Warnsignals in einem Schritt S14 auch ein Flag gesetzt werden.
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In dem Fall, dass der Schritt S14 vorhanden ist, das Flag also gesetzt werden kann, und der Test des Koaxialkabels 1 in einer Magnetresonanzanlage 7 durchgeführt wird, ist es gemäß 11 weiterhin möglich, dass die Steuer- und Auswertungseinrichtung 8 in einem Schritt S21 eine Aufforderung zur Durchführung einer Messsequenz der Magnetresonanzanlage 7 entgegen nimmt.
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Vor der Ausführung der Messsequenz prüft die Steuer- und Auswertungseinrichtung 8 in einem Schritt S22, ob das Flag (vergleiche Schritt S14 von 10) gesetzt ist. Wenn das Flag gesetzt ist, also eine Fehlfunktion einer Mantelwellensperre 13 erkannt wurde, wird in einem Schritt S23 eine entsprechende Meldung an die Bedienperson 27 ausgegeben. Die Ausgabe kann wieder über das Sichtgerät 28 erfolgen. Weiterhin wird die Ausführung der Messsequenz nicht gestartet. Wenn das Flag hingegen nicht gesetzt ist, wird in einem Schritt S24 die Messsequenz ausgeführt. Das Erkennen der Fehlfunktion löst somit ein Sperrsignal aus (nämlich das Setzen des Flags), auf Grund dessen ein Start der Messsequenz gesperrt wird.
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Mittels der vorliegenden Erfindung kann somit die Betriebssicherheit des Koaxialkabels 1 erheblich verbessert werden. Dies gilt unabhängig davon, bei welcher Anwendung (Magnetresonanz, Radar, ...) das Koaxialkabel 1 eingesetzt werden soll. Wenn der Test des Koaxialkabels 1 in einer Anlage, z. B. der Magnetresonanzanlage 7, erfolgt, kann auch deren Betriebssicherheit verbessert werden.