DE3921594A1 - Pulse echo measurement appts. with automatic threshold matching - measures time between sent and received pulse to register fault type in two=wire and coaxial leads - Google Patents
Pulse echo measurement appts. with automatic threshold matching - measures time between sent and received pulse to register fault type in two=wire and coaxial leadsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Meßgerät zur Ortung von Fehlern an Zweidraht- und Koaxialleitungen.The invention relates to an electronic measuring device for Locating faults on two-wire and coaxial lines.
Die Entfernung des Fehlerortes vom Leitungsanfang wird in Meter oder Kilometer auf einem Display angezeigt. Das Meßgerät arbeitet nach dem Prinzip des Radars und nutzt die physikalische Eigenschaft der Reflektion an einer Widerstandsänderung auf der Leitung aus.The distance of the fault location from the beginning of the line is given in Meters or kilometers are shown on a display. The Measuring device works on the principle of the radar and uses the physical property of reflection on one Change in resistance on the line.
Bei bisherigen Meßgeräten traten bedingt durch den exponentialförmigen Verlauf der Leitungsdämpfung Probleme bei der exakten Abtastung des reflektierten Signals auf. Dies wurde bei unserem Meßgerät durch eine exponentielle Änderung der Abtastgrenze unter Ausnutzung einer Entladekurve eines R-C-Gliedes gelöst (siehe Zeichnung C7, C8).In previous measuring devices, problems arose in the exact sampling of the reflected signal due to the exponential shape of the line attenuation. This was solved in our measuring device by an exponential change in the scanning limit using a discharge curve of an RC element (see drawing C 7 , C 8 ).
Das Gerät ist aus drei Platinen aufgebaut: Netzplatine, CPU-Karte mit Basic-Singlechip sowie einer Karte zur Impulserzeugung.The device is made up of three boards: power board, CPU card with basic single chip and a card for Pulse generation.
Das Gerät sendet kurze Impulse auf die Leitung und mißt die Zeit bis zum Eintreffen des Echos. Befindet sich auf der Leitung eine Widerstandsänderung (Fehler), so wird das gesendete Signal an dieser Stelle reflektiert und erreicht das Meßgerät nach Ablauf einer Zeit t. Die Zeit t ist abhängig von der Entfernung des Einspeisepunktes zum Fehlerort auf der Leitung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit V.The device sends short impulses on the line and measures the time until the echo arrives. Located on change in resistance (error) on the line the transmitted signal reflects at this point and reaches the measuring device after a time t. The time t depends on the distance of the entry point to the fault location on the line and the Velocity of propagation V.
Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit V leitungsspezifisch ist, und für alle Leitungstypen bekannt ist, kann aus der gemessenen Zeit die Entfernung des Fehlerortes vom Einspeisepunkt (Leitungsanfang) berechnet werden. Hierfür gilt die Formel:Since the propagation speed V is line-specific is, and is known for all line types, can from the measured time the distance of the fault location from the Entry point (line start) can be calculated. Therefor the formula applies:
1 = (V · t)/21 = (Vt) / 2
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von 10 verschiedenen Leitungen ist in einem resistenten Speicher abgelegt.The spreading speed of 10 different Lines are stored in a resistant memory.
Das zu schützende Gerät besendet die zu messende Leitung mit Rechteckimpulsen unterschiedlicher Dauer. Die Wahl der Impulsdauer wird vom Meßgerät automatisch vorgenommen. Es werden Impulse von 10 ns, 100 ns oder 1000 ns Impulsdauer erzeugt. Die Messung, Berechnung und Auswertung der kompletten Messung, sowie die Ausgabe auf dem Display wird durch den Einsatz eines Mikrocomputers vom Typ 8052 realisiert.The device to be protected sends the line to be measured with rectangular pulses of different durations. The choice of The measuring device automatically carries out the pulse duration. It become impulses from 10 ns, 100 ns or 1000 ns pulse duration generated. The measurement, Calculation and evaluation of the complete measurement, as well the output on the display is made using a Type 8052 microcomputers implemented.
Da das Signal auf der Leitung einer längenabhängigen Dämpfung unterworfen ist, nimmt die Amplitude des Sendesignals und des Echos mit zunehmender Leitungslänge ab. Dies erschwert die Auswertung der Signale, da wegen kleinen Reflexionen (z. B. an Leitungsinhomogenitäten) nicht direkt am Fußpunkt abgetastet werden kann, sondern dies nur etwas darüber möglich ist. Mit zunehmender Entfernung werden diese unerwünschten Reflexionen ebenfalls schwächer, so daß die Abtastgrenze herabgesetzt werden kann (größere Empfindlichkeit und damit größere Meßgenauigkeit). Dies wird erfindungsgemäß durch eine exponentielle Änderung der Abtastgrenze (Kondensatorentladekurve) gelöst. Because the signal on the line is a length-dependent Damping is subject to the amplitude of the Transmitted signal and the echo with increasing cable length from. This complicates the evaluation of the signals because of small reflections (e.g. on line inhomogeneities) cannot be scanned directly at the base, but instead this is only possible a little bit above. With increasing Removing these unwanted reflections also weaker, so that the scanning limit is lowered can become (greater sensitivity and thus greater Accuracy). According to the invention, this is achieved by a exponential change of the sampling limit (Capacitor discharge curve) solved.
Die Veränderung der Abtastgrenze ist zeitabhängig und erlaubt damit eine "Kompensation" der Leitungsdämpfung (ebenfalls exponentialförmiger Verlauf) und garantiert eine exaktere Abtastung des reflektierten Signals. Damit können mit dem Meßgerät Fehlerentfernungen bis zu 10 km an Koaxialleitungen, und Fehlerentfernungen bis zu 2,5 km an symmetrischen Leitungen gemessen werden.The change in the sampling limit is time-dependent and thus allows a "compensation" of the line loss (also exponential) and guaranteed a more precise sampling of the reflected signal. In order to can measure distances of up to 10 km with the measuring device on coaxial lines, and error distances up to 2.5 km measured on symmetrical lines.
Die Mindestentfernung des Fehlers vom Leitungsanfang kann bei Koaxialleitungen 2,5 m betragen. The minimum distance of the fault from the beginning of the line can be 2.5 m for coaxial cables.
Das Gerät arbeitet mit Impulsbreiten von 10 ns, 100 ns und 1000 ns. Die Impulsbreiten sind über einen Auswahltaster frei wählbar. Zusätzlich besitzt das Gerät auch eine Pro grammroutine, welche eine automatische Auswahl der Impuls breite vornimmt. Die Auswahl der Impulsbreite wird durch die Ausgabe einer fallenden oder steigenden Flanke über den Portbaustein 8255 (PortB) realisiert.The device works with pulse widths of 10 ns, 100 ns and 1000 ns. The pulse widths are via a selection button freely selectable. The device also has a Pro gram routine, which automatically selects the pulse wide undertakes. The selection of the pulse width is made by the Output of a falling or rising edge over the Port block 8255 (PortB) implemented.
Liegt eine fallende Flanke an einem der beiden Monoflops IC7A oder IC7B an, so erzeugt dieser eine Impulsbreite von 100 ns bzw. 1000 ns. Eine steigende Flanke an dem Laufzeit glied IC8 erzeugt eine Impulsbreite von 30 ns (30 ns = Gatter laufzeit von IC8D + Gatterlaufzeit IC8C). IC8 dient auch als Auswahllogik für die von den beiden Monoflops (IC7) kommenden Signale und wandelt diese in einen Low-Impuls der gewünschten Dauer um. Dieser Low-Impuls wird an den beiden Gattern 2/6 IC9A und IC9B die als Stromtreiber (96 mA = 2 · 48 mA) wirken invertiert. Dieser Strom wird benötigt, da der nach folgende Feldeffekt Transistor eine Eingangskapazität von 60 pF besitzt. Der Feldeffekt-Transistor ist in Mos-Technik aufgebaut. Der MOSFET verstärkt den Impuls auf ≈-15 V, welcher dann auf die zu untersuchende Leitung gegeben wird. Da das Einschalten teilweise über den Pull-up-Widerstand R3 erfolgt, das Ausschalten aber direkt über den Treiber IC9A und IC9F (niederohmig) erfolgt, wird die Einschaltzeit erheblich länger als die reine Einschaltzeit des FET's bei unveränderter Ausschaltzeit, was eine Verkürzung der Impulsdauer zur Folge hat. Es wurde eine Impulsdauer von 10 ns gemessen.If there is a falling edge on one of the two monoflops IC 7 A or IC 7 B, this generates a pulse width of 100 ns or 1000 ns. A rising edge at the delay element IC 8 generates a pulse width of 30 ns (30 ns = gate delay of IC 8 D + gate delay IC 8 C). IC 8 also serves as selection logic for the signals coming from the two monoflops (IC 7 ) and converts them into a low pulse of the desired duration. This low pulse is inverted on the two gates 2/6 IC 9 A and IC 9 B, which act as current drivers (96 mA = 2 · 48 mA). This current is needed because the following field effect transistor has an input capacitance of 60 pF. The field effect transistor is constructed using Mos technology. The MOSFET amplifies the pulse to ≈-15 V, which is then applied to the line to be examined. Since the switch-on takes place partly via the pull-up resistor R 3 , but the switch-off takes place directly via the driver IC 9 A and IC 9 F (low-resistance), the switch-on time becomes considerably longer than the pure switch-on time of the FET with the switch-off time unchanged, which results in a shortening of the pulse duration. A pulse duration of 10 ns was measured.
Dieser Impuls und sein Echo gelangen über den Spannungs teiler (47 Ω + 22 Ω = 69 Ω ≈ Zw) auf die beiden Komperatoren IC6A und IC6B, wobei der positive Impuls das "Vorzeichen"-Flip- Flop 1/6 IC9C und IC9D setzt. This impulse and its echo reach the two comparators IC 6 A and IC 6 B via the voltage divider (47 Ω + 22 Ω = 69 Ω ≈ Z w ), the positive impulse being the "sign" flip-flop 1/6 IC 9 C and IC 9 D sets.
Positiver und Negativer Impuls werden über das Gatter 1/4 IC3D miteinander verknüpft (in beiden Fällen H-Signal am Ausgang) und schalten das als Binärteiler geschaltete Flip- Flop 1/2 IC5A.Positive and negative impuls are linked with each other via the gate 1/4 IC 3 D (in both cases H signal at the output) and switch the flip-flop 1/2 IC 5 A, which is switched as a binary divider.
Dieses wird durch den gesendeten Impuls gesetzt und durch das "Echo" zurückgesetzt. Beim gesendeten Impuls schaltet der Komparator IC6B sobald die negative Schaltschwelle unterschritten wird. Bei einem mit umgekehrten Vorzeichen reflektierten Impuls (Kurzschluß) schaltet der Komparator IC6A sowie die positive Schaltschwelle überschritten wird. Bei einem reflektierten Impuls dessen Vorzeichen nicht umgekehrt wurde (Leerlauf) schaltet wieder IC6B sowie die negative Schaltschwelle unterschritten wird.This is set by the transmitted pulse and reset by the "echo". When the pulse is sent, the comparator IC 6 B switches as soon as the negative switching threshold is undershot. In the event of a pulse (short circuit) reflected with the opposite sign, the comparator IC 6 A switches and the positive switching threshold is exceeded. In the event of a reflected pulse whose sign has not been reversed (idle), IC 6 B switches again and the negative switching threshold is undershot.
Das Flip-Flop IC5A schließt bei gesendeten Impuls die Analogschalter IC4 welche über eine Zeitkonstante (τ = R · C) die Schaltschwellen der Komparatoren herabsetzen. Ein Herabsetzen der Schaltschwelle ist auch über die Analog schalter IC4D und IC4C über das Programm möglich. Die Schalter werden über den Portbaustein 8255 (Port B) an gesprochen. Dadurch wird eine größere Empfindlichkeit bei der Messung erreicht. Gelangt nun der reflektierte Impuls über IC6 an das Flip-Flop 1/2 IC5A so wird das zweite Flip- Flop 1/2 IC5B gesetzt.When the pulse is sent, the flip-flop IC 5 A closes the analog switches IC 4, which reduce the switching thresholds of the comparators via a time constant (τ = R · C). A lowering of the switching threshold is also possible via the analog switch IC 4 D and IC 4 C via the program. The switches are addressed via port block 8255 (port B). This increases the sensitivity of the measurement. If the reflected pulse reaches the flip-flop 1/2 IC 5 A via IC 6 , the second flip-flop 1/2 IC 5 B is set.
Das Setzen von Flip Flop IC5B bewirkt, daß die Komperatoren über deren Strobesignal gesperrt werden. Dadurch wird erreicht, daß Mehrfachreflektionen nicht störend in das Meß ergebnis eingehen.Setting flip-flop IC 5 B causes the comparators to be blocked by their strobe signal. This ensures that multiple reflections do not interfere with the measurement result.
Flip Flop IC5A öffnet gleichzeitig das Tor 1/4 IC3C. Das Tor bleibt solange geöffnet, bis das Flip Flop IC5A von dem reflektierten Impuls zurückgesetzt wird. Während dieser Zeit wird der 20-MHz-Takt zum Zähler IC1 und IC2 durchgeschaltet. Der Zählerinhalt kann nun über den Portbaustein 8255 (Port A) vom Mikroprozessor abgefragt und weiterverarbeitet werden. The flip-flop IC 5 A simultaneously opens the gate 1/4 IC 3 C. The gate remains open until the flip-flop IC 5 A is reset by the reflected pulse. During this time, the 20 MHz clock is switched through to the counter IC 1 and IC 2 . The counter content can now be queried and processed by the microprocessor via port block 8255 (port A).
Jede fallende Flanke des Zählerüberlaufs inkrementiert über das Monoflop IC8 auf der Prozessorplatine den Counter des 8052. Dadurch ist gewährleistet, daß auch längere Laufzeiten vom Mikroprozessor verarbeitet werden können.Each falling edge of the counter overflow increments the counter of the 8052 via the monoflop IC 8 on the processor board. This ensures that even longer runtimes can be processed by the microprocessor.
Das Meßergebnis steht als Zählerstand in IC21 und IC2 (je 74AS161). Dieses Ergebnis wird parallel im 8-Bit-Format zum Portbaustein 8255 Port Pa der CPU-Karte übertragen. Hierbei wird der normale Dualcode verwendet. Bei Ergebnissen größer 256 (= 12,8 µs) wird das Zählerüberlaufsignal von IC1 der Impulskarte verwendet. Dies ist ein Signal mit fallender Flanke am RCO-Ausgang. Dieses Signal wird auf der CPU-Karte durch das Monoflop IC8 (74121) in einen ca. 2,5 µs langen Low-Impuls umgewandelt. Der Low-Impuls inkrementiert den CPU-internen Timer (Timer 0). Timer 0 arbeitet hier als 16-Bit-Zähler (Steuerwort TMOD = 15 H). Der 16-Bit-Zähler wird über eine fallende Flanke am T0-Eingang getriggert. Um die Flanke einwandfrei zu erkennen, benötigt die CPU vor und nach der Flanke mindestens für:The measurement result is available as a counter reading in IC 21 and IC 2 (74AS161 each). This result is transmitted in parallel in 8-bit format to port block 8255 Port Pa of the CPU card. The normal dual code is used here. For results greater than 256 (= 12.8 µs), the counter overflow signal from IC 1 of the pulse card is used. This is a signal with a falling edge at the RCO output. This signal is converted on the CPU card by the Monoflop IC 8 (74121) into an approx. 2.5 µs long low pulse. The low pulse increments the internal CPU timer (timer 0). Timer 0 works here as a 16-bit counter (control word TMOD = 15 H). The 16-bit counter is triggered by a falling edge at the T0 input. In order to correctly recognize the edge, the CPU needs at least before and after the edge for:
einen konstanten H- bzw. L-Pegel.a constant H or L level.
Da IC1 der Impulskarte nur einen H-Impuls von RCO von: 16/foszImp = 16/20 MHz = 16 · 50 ns = 0,8 µs erzeugt, muß dieser durch das Monoflop IC8 auf der CPU-Karte verlängert werden. Der Low-Impuls des RCO-Signals von IC1 auf der Impulskarte ist mit 12 µs (256 · 50 ns = 12 µs) lange genug. Er kann ohne "Verlängerung" einwandfrei erkannt werden.Since IC 1 of the pulse card only generates an H pulse of RCO of: 16 / f oszImp = 16/20 MHz = 16 · 50 ns = 0.8 µs, this must be extended by the monoflop IC 8 on the CPU card. The low pulse of the RCO signal from IC 1 on the pulse card is long enough at 12 µs (256 · 50 ns = 12 µs). It can be recognized correctly without an "extension".
Das Vorzeichenbit, welches durch das Flip Flop IC9A und IC9B auf der Impulskarte erzeugt wird, wird zum Portbaustein 8255 Port PC0 übertragen. Hierbei entspricht ein Low-Signal einer positiven Reflexion (Leerlauf).The sign bit, which is generated by the flip-flop IC 9 A and IC 9 B on the pulse card, is transferred to port block 8255 port PC0. A low signal corresponds to a positive reflection (idle).
Die Signale für Reset, Impulserzeugung und Empfindlichkeit gelangen vom Portbaustein 8255 Port B der CPU-Karte auf die entsprechenden Eingänge der Impulskarte. Dies sind im einzelnen:The signals for reset, pulse generation and sensitivity go from port block 8255 port B of the CPU card to the corresponding inputs of the pulse card. These are in the single:
Reset:
Die Impulskarte muß vor jeder Messung zurückgesetzt
werden. Um die Impulskarte zurückzusetzen wird der
Reset-Eingang der Impulskarte auf High gesetzt.
Während der Messung muß der Eingang der Impulskarte
auf Low liegen. Die Reset-Signale werden über den
Portbaustein 8255 Port PB0 ausgegeben.
kurzer Impuls:
Für die Erzeugung eines kurzen Impulses wird
auf der Impulskarte ein Signal mit steigender Flanke
benötigt. Dieses Signal wird vom Portbaustein 8255
über Port PB1 an die Impulskarte übertragen.
mittlerer Impuls:
Für die Erzeugung eines Impulses mit
mittlerer Impulsdauer ist ein Signal mit fallender
Flanke notwendig. Dieses Signal wird über den Port
baustein 8255 Port PB1 zur Impulskarte übertragen.
Port PB2 muß High sein.
langer Impuls:
Für die Erzeugung eines Impulses mit langer
Impulsdauer wird auf der Impulskarte ein Signal mit
fallender Flanke benötigt. Dieses Signal wird vom
Portbaustein 8255 Port PB3 übertragen. Port PB1 muß
High sein.
Empfindlichkeit:
Um über die Analogschalter IC4 auf der
Impulskarte die Empfindlichkeit der Messung zu
verändern, wird vom Portbaustein ein Low- bzw. High-
Signal benötigt. Mit einem High-Signal erhält man
eine Messung mit großer Empfindlichkeit. Mit einem
Low-Signal eine Messung mit geringerer
Empfindlichkeit. Diese Signale werden über den Port
PB4 des Portbausteins 8255 an die Impulskarte
übertragen.Reset:
The pulse card must be reset before each measurement. To reset the pulse card, the reset input of the pulse card is set to high. During the measurement, the input of the pulse card must be low. The reset signals are output via port block 8255 port PB0.
short impulse:
To generate a short pulse, a signal with a rising edge is required on the pulse card. This signal is transmitted from port block 8255 to the pulse card via port PB1.
middle impulse:
A signal with a falling edge is necessary to generate a pulse with a medium pulse duration. This signal is transmitted to the pulse card via port block 8255 port PB1. Port PB2 must be high.
long impulse:
To generate a pulse with a long pulse duration, a signal with a falling edge is required on the pulse card. This signal is transmitted by port block 8255 port PB3. Port PB1 must be high.
Sensitivity:
To change the sensitivity of the measurement via the analog switch IC 4 on the pulse card, the port module requires a low or high signal. A high signal gives a measurement with great sensitivity. With a low signal, a measurement with lower sensitivity. These signals are transmitted to the pulse card via port PB4 of the 8255 port module.
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