WO2019179645A1 - Verfahren sowie messanordnung zur erfassung eines elektromagnetischen störeinflusses auf einen leitungskern einer elektrischen leitung - Google Patents

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WO2019179645A1
WO2019179645A1 PCT/EP2018/081817 EP2018081817W WO2019179645A1 WO 2019179645 A1 WO2019179645 A1 WO 2019179645A1 EP 2018081817 W EP2018081817 W EP 2018081817W WO 2019179645 A1 WO2019179645 A1 WO 2019179645A1
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interference
signal
core
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Christian Hofmann
Bernd Janssen
Heiko Weber
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Leoni Kabel Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/34—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using capacitative elements
    • G01K7/343—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using capacitative elements the dielectric constant of which is temperature dependant

Definitions

  • the invention relates to a method and a measuring arrangement for detecting an electromagnetic interference on a line core of an electrical line.
  • an electrical line in particular an electrical data line
  • the electromagnetic disturbances are, for example, electromagnetic interference with external sources of interference (Electro Magnetic Interferenc, EMI).
  • EMI Electro Magnetic Interferenc
  • the electromagnetic interference can also be caused by internal disturbances within the line itself.
  • An example of this is the so-called cross-talk, in which a signal is coupled from one line pair into the other line pair by inductive and / or capacitive coupling between two adjacent line pairs. Interference can also be caused by adjacent lines or cables.
  • crosstalk also follows, which is referred to as extraneous crosstalk or alien crosstalk (alien cross talk).
  • Such disturbing influences can be noted, for example, by a kind of noise which superimposes the actual data signal transmitted over the line core. Especially with weak signals, this can disturb the transmission of tion, thus leading to a deterioration of the transmission quality, which can also be reflected in the loss of information. This partly leads to unwanted artefacts on the receiver side up to a failure. This should be avoided especially with safety-critical systems.
  • the invention has the object to detect electromagnetic interference, which act on a line core of an electrical line, in particular a data line.
  • the object is achieved according to the invention by a method for detecting an electromagnetic interference on a line core of an electrical line, wherein the line core has a (receiving) antenna designed for the interference influences line element and a due to the interference in the line element coupled interference signal is detected and evaluated.
  • the receiving antenna is a so-called passive element, into which the electromagnetic interference, that is to say in particular electromagnetic alternating fields originating from a source of interference, is coupled in.
  • an interference signal is generated in the receiving antenna, which can be detected and evaluated.
  • no voltage is applied to the antenna for detecting the interference signal and there is otherwise no active coupling of a voltage / current or a signal into the antenna.
  • the conductor core itself has-preferably in addition to the line element formed as an antenna-at least one (further) line element, in particular a plurality of (further) line elements.
  • the at least one (further) line element is in particular an electrical wire or a wire pair.
  • an electrical conductor Under a vein is generally understood an electrical conductor, which is surrounded by an insulating jacket.
  • the core is usually surrounded by an outer sheath made of an insulating material.
  • the lead core is surrounded by a shield, which is also referred to as the overall screen. This is typically arranged between the conductor core and the outer jacket.
  • the detection of the disturbing influence on the line core is made possible in a simple manner. By evaluating it is then possible to take into account the interference in the actual transfer function of the electrical line and, for example, to improve the transmission quality itself or the detection of transmitted signals.
  • the line element designed as a receiving antenna is either a bare, non-insulated conductor and preferably a wire. In particular, it is an unshielded wire.
  • the line element designed as an antenna extends in this case in particular over the entire length of the line core. According to a first embodiment, it runs parallel to a line longitudinal direction and is designed, for example, as a central element that runs along a center axis of the line.
  • the antenna is formed as a kind of loop.
  • the antenna for example, two running within the line core elements, for example, two wires, which are connected to each other electrically conductively, for example, at a line or wire end.
  • the antenna that is to say the conductor or the wire, runs in a helical manner within the line core and is wound, for example, around one or more further line elements of the transmission core.
  • the antenna is formed by a wire pair, which is connected to the evaluation unit.
  • the measurement of the interference signal is generally carried out with respect to a reference potential, which is, for example, the ground potential.
  • a reference potential which is, for example, the ground potential.
  • the end of the antenna (core) opposite the evaluation unit or receiving unit can somehow be adapted, short-circuited or open.
  • an open end or else a short-circuited end is used in particular, since this causes an amplification of the interference signal as a result of reflection.
  • the core of the core is surrounded by at least one shielding, thus having at least one overall shield.
  • an internal as well as an external interference is detected via the antenna integrated in the line core.
  • Internal interference is understood to mean an influence that is caused by electromagnetic interference occurring within the core, such as negative connotation.
  • external disturbances result from external sources of interference which are arranged outside the line core and the line. Even in the case of a cable provided with the shield (overall shield), such an external interference influence is determined in the preferred embodiment via the antenna, and preferably also an external interference source is identified.
  • the method is primarily designed to detect such external disturbances, which have their origin in a source of interference outside the line and penetrate into the line (thus influencing it).
  • the source of interference is, for example, electrical components, such as a motor, a converter or a (high-voltage) power transmission line, which generate electromagnetic interference fields that influence the line.
  • an external source of interference can also be an external cable or an external line, the external interference being in particular the foreign crosstalk.
  • This concerns at least one, preferably all of the following variables, namely amplitude, frequency spectrum and / or time profile.
  • the complete waveform of the interfering signal is evaluated.
  • this includes not only the existence of the interference signal but also the qualitative or quantitative evaluation of the interference signal with regard to at least one signal parameter. From these properties of the interference signal can then draw conclusions for example on the source of interference. At the same time, due to the precise knowledge of the interference signal, it is possible to take this into account in a targeted manner when receiving / evaluating a transmission signal which is transmitted via the electrical line, thereby increasing the reception or the transmission quality.
  • the type of interference source and / or the strength of the interference source are preferably also deduced.
  • the type of interference source is understood to be an identification of the type or type of interference source, such as the distinction between different types of electrical components such as motor, power line or other data line.
  • spectral information is extracted from the interference signal, in particular as indications of the interference source or as characteristic features for the interference source.
  • a frequency analysis of the interference signal is made.
  • an evaluation unit or measuring device for evaluating the interference signal for example, measuring devices and measuring methods based on frequency are used here.
  • time-based measuring methods and corresponding measuring devices are used, such as, for example, a TDR / TDT method (Time Domain Reflectometry / Time Domain Transmission).
  • a method is used based on a method as described in WO 2018/086949 A1, which is referred to as VVTT method. This is a voltage-discrete time-measuring method, which will be described in more detail below
  • LCRs level crossing rates
  • the electrical line is used in particular for the transmission of data signals, which are fed in at a first end from a transmitting unit and received at a second end from a receiving unit.
  • the data signals are optionally fed into the line core which defines the antenna or into a separate data line element.
  • the interference influences the transmission quality of such data signals.
  • the data signals are in particular high-frequency data signals with a frequency greater than one megahertz. The frequency is preferably in the one-, two- or even three-digit megahertz range.
  • the determined interference signal is taken into account on the reception side of the data signals, either directly upon receiving and identifying the data signal as such and / or during the evaluation of the data signal.
  • the interference signal is generally superimposed on the actual data signal (useful signal) in the manner of a noise, so that therefore the signal amplitude of the entire superimposed signal is typically increased in comparison to the pure data signal.
  • the data signal is extracted, for example, from the received total signal, for example by subtraction of the interference signal from the received total signal.
  • the received interference signal is optionally amplified with a 180 ° phase rotation and back into the line element
  • the data-line element is preferably an additional line element (for example, a wire or also a pair of wires, in particular unshielded), which is arranged running parallel to the antenna in addition to the antenna in the line.
  • Some methods of measurement rely on exceeding a given signal amplitude threshold (voltage level) as the tripping threshold. Specifically, this is the aforementioned discrete-time timing method mentioned. Since the interfering signal increases the signal amplitude (the signal level), this can lead to a falsification of the triggering threshold and thus to a corruption in the signal detection. Any required threshold values for such measuring methods are therefore adapted accordingly, taking into account the interference signal level. That is, in general, the disturbance-related noise, for example a time average, for the determination of the threshold value is taken into account, for example, added to a desired (without interference signal) desired threshold value.
  • the identification and evaluation of the interference signal and, if necessary, identification of possible sources of interference are generally in the foreground.
  • An optimization of the data signals (useful signals) after a kind of noise cancelation, however, is less relevant and not provided in a preferred variant.
  • the evaluation of the interference signal therefore serves in this preferred variant exclusively for the identification and, if necessary, checking of the interference sources / the line.
  • the interference signal is recorded in time-recurring measurements and checked for changes. This is preferably carried out within the framework of condition monitoring, so that the functionality of, for example, the electrical line itself or possibly also of other components is monitored over time. If in the present case time-recurring measurements are used, it is understood that the distance between two successive detections / evaluations of the interference signals is at least several minutes, preferably several hours, more preferably several days and more preferably several weeks. Preferably, the detection / evaluation of the interference signal takes place at periodic intervals.
  • the evaluation unit or receiving unit for detecting the interference signal in this case comprises a comparator, via which an adjustable threshold value for a voltage level is specified. If this is exceeded, a binary signal, that is a signal pulse, is generated by the comparator. Furthermore, a period of time from a start time to the over / underflow of the reference voltage
  • the time and the threshold form a value pair.
  • the predefined threshold value is then successively varied, in particular increased, and pairs of values consisting of the time duration between the start time and the exceeding of the respective threshold value are successively detected in the course of many individual measurements. From these pairs of values, the height and type of the interference signal is finally determined.
  • a mean time duration over a plurality of individual measurements with the same threshold value is used as the time duration.
  • the start time is not fixed but arbitrary. By averaging over a plurality of individual measurements, a mean time duration characteristic of the signal is thus determined, which correlates to a frequency of the signal, so that information about the frequency is obtained from the mean time duration.
  • the average time to overshoot or undershoot a voltage value would be about 1 / (2 * f), where f is the frequency.
  • the result is a characteristic average time as a function of the voltage (above the voltage threshold, which is varied).
  • the voltage threshold generally also contains amplitude information. From this information (pairs of values formed from amplitude as well as associated duration / frequency) conclusions about the type of disturbance can be drawn.
  • exceeding the voltage threshold value is selected as the starting time, ie, the time is taken as the time from exceeding the voltage threshold value to the next exceeding of the voltage threshold value.
  • the measured time between the overshoots or undershoots of the voltage threshold corresponds to a periodic signal of the period T and thus the reciprocal frequency 1 / f.
  • This variant is advantageous in that the number of individual measurements is less than in the variant described first.
  • the object is further achieved according to the invention by a measuring arrangement for detecting an electromagnetic interference on a line core of an electrical line, wherein the line core has a line element designed as an antenna for the disturbing influences and furthermore an evaluation unit is provided, which is provided for detecting and evaluating an in-line element the antenna is formed due to an interference signal injected interference signal.
  • FIGS. show in partially simplified representations:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a measuring arrangement with an evaluation unit and an electrical line connected thereto
  • Fig. 2 is a block diagram representation of the measuring arrangement in an exemplary
  • FIG. 3 shows a cross-sectional representation of an exemplary electrical line to be monitored.
  • FIG. 1 shows a measuring arrangement 2 which has an evaluation unit 4 and an electrical line 6 to be monitored connected thereto.
  • the line 6 is, in particular, a data line which is designed to transmit electrical data signals D.
  • the line 6 typically has a plurality of line elements, which are preferably surrounded by a common insulating jacket.
  • data signals D are fed into the line 6 via a transmitting unit 8 and are received by a receiving unit 10 at an end of the line 6 opposite the transmitting unit 8.
  • the receiving unit 10 and the evaluation unit 4 are integrated in the embodiment in a common connection unit 12.
  • the line 6 is connected at its one end to the connection unit 12 and at its other end to the transmission unit 8.
  • a connector 14 is provided at least at one, preferably at both ends.
  • the line 6 is generally exposed to electromagnetic alternating fields which form electromagnetic interference E for the line 6.
  • electromagnetic interference E for the line 6.
  • an interference source 16 which is arranged outside the line 6.
  • this is an electrical component, such as an electric motor, a high-voltage component, such as a high-voltage line or other electrical components that generate alternating electric fields in their operation.
  • voltage ranges are typically understood to be from a few 100 volts to 1,000 or even up to 1,500 volts.
  • the line 6 is laid in particular in an environment with one or more potential external interference sources 16.
  • the line 6 is laid inside a vehicle, especially a motor vehicle.
  • a vehicle especially a motor vehicle.
  • the line is a hybrid or electric vehicle.
  • the line is laid within a tool or production machine or in the immediate vicinity of such machines.
  • the electromagnetic interference E can lead to an impairment of the data transmission.
  • a (receiving) antenna 18 designed for the disturbances E-formed line element is integrated. By coupling the interference field into the antenna 18, an interference signal S is generated therein, which is detected and evaluated by the evaluation unit 4.
  • the evaluation is carried out to the effect that based on the interference signal S is closed to the existence of a source of interference, that is based on the detected interference signal S is checked whether an external interference source 16 is present.
  • the type of interference source 16 is also closed by the evaluation of the interference signal S. This is done, for example, by a frequency analysis of the interference signal S.
  • the determined interference signal S is also taken into account in the acquisition and evaluation of the data signal D.
  • the received data signal D is corrected on the basis of the information obtained by the interfering signal S.
  • the interference signal S is subtracted from the total signal detected by the receiving unit 10 in order to extract a data signal D corrected by the interference signal S.
  • the received interference signal is optionally amplified and coupled back in with a 180 ° phase rotation, so that the interference signal is at least reduced in terms of noise cancellation.
  • the receiving unit 10 is suitably formed in example. In one embodiment, a consideration of the interference signal S for the detection and evaluation of the data signal is not provided.
  • the interference signal S is also checked with regard to possible damage to the line 6 itself in order to be able to determine, for example, a defective shielding 20 (for shielding 20 cf. FIG. 3).
  • the interference signal S is preferably detected and evaluated at recurring time intervals.
  • the determined interference signals S are compared with each other and at a deviation which exceeds, for example, a certain tolerance threshold, an error signal is output.
  • a strong increase in a signal level of the interference signal S indicates, for example, damage to the shield 20.
  • characteristic changes in the interference signal S can be indications of defects in the external interference sources 16 or indicate new sources of interference. In this respect, this also allows indi rect monitoring of the interference sources 16, such as electrical consumers or other electrical components and provided.
  • the evaluation unit 4 uses the interference signal S to deduce a current data transmission, for example as a result of such crosstalk. Specifically, therefore, it can be detected whether at the current measurement time, a data traffic takes place within the line 6, or a measurement is only performed when there is no data traffic.
  • an evaluation of the sensor signal this is understood in particular a) the detection of an external interference source 16 / an external interference E (interference field) and preferably the evaluation of such interference, for example, the evaluation of the interference signal in terms of amplitude, frequency and / or waveform
  • a measurement of the interference signal takes place optionally during a transmission pause or alternatively also during a data transmission.
  • the line 6 has an antenna 18. This can additionally be used as a sensor line 22 and / or for the transmission of data. Preferably, the antenna 18 is used only for detecting the interference signal.
  • An additional sensor line 22 is integrated, for example, in the line 6. Specifically, when the sensor line 22 also uses as the antenna 18, two different types of operation are preferably provided: On the one hand, a sensor operation for detecting a state variable of the line 6 or the environment. On the other hand, an EMI operation for detecting the interference signal S.
  • the measuring arrangement 2 is generally designed to carry out only the EMI operation or to carry out both the EMI operation and the sensor operation. If the measuring arrangement 2 is configured merely to carry out the EMI operation, the sensor line 22 is preferably dispensed with.
  • the sensor line 22 or the antenna 18 is preferably a wire.
  • the antenna is designed as a simple wire.
  • a sensor signal SO is fed into the sensor line 22 by means of a feed unit 24, which runs through the sensor line 22 over the length of the line 6 and preferably at a particular open line end of the sensor line 22 and reflected as a reflected sensor signal SO "on the Supply side is received again.
  • the feed unit 24 is therefore also designed as a receiving unit.
  • the received reflected sensor signal S0 ' is evaluated. This is preferably done within the evaluation unit 4.
  • the evaluation unit 4 has an optional signal generator 26 (only for the sensor operation, in an embodiment variant in which only the EMI operation is provided, the signal generator 26 is not required and in particular also not present), furthermore a microcontroller 28, a time measuring element 30 and a comparator 32.
  • the microcontroller 28 generally serves to control and carry out the method. For example, the microcontroller 28 outputs a start signal T1 for performing a respective measurement. This start signal T1 initiates the output of the sensor signal SO by the signal generator 26. This is reflected in the line 6, especially in the sensor line 22, there reflected in particular at the open end and finally the comparator 32nd fed.
  • the injected sensor signal SO is, in particular, a stepped or rectangular signal with a steep rising edge.
  • a threshold value W is set.
  • a stop signal T2 in the form of a binary voltage pulse is sent to the timing element, which then determines the time duration t between the start signal T1 and the stop signal T2 and transmits it to the microcontroller 28.
  • Such a single measurement is repeated many times (eg more than 10, in particular more than 50 or 100 individual measurements), the threshold value W being changed in each case for successive individual measurements.
  • the microcontroller 28 acquires a value pair, which is composed of the time duration t and the threshold value W set for the respective measurement. A multiplicity of such individual measurements are successively performed, so that a large number of such value pairs (t n ; W n ) are obtained, which more or less reproduce the signal curve of the reflected sensor signal S0 ".
  • the detection of the interference signal S in the EMI mode is carried out in a similar manner, albeit with the essential difference that no sensor signal SO is actively fed.
  • the detection of the interference signal S is purely passive, that is, the evaluation unit 4 detects only the interference signal S coupled into the antenna 18 as a result of the coupling in. Thus, no signal is actively coupled into the antenna 18. Therefore, the difference to the method described above is that there is no feeding of a sensor signal SO.
  • a "start signal" T1 is transmitted to the time measuring element 30 via the microcontroller 28 as reference time. From this reference time, the respective measurement is running.
  • a stop signal T2 is again generated, transmitted to the time measuring element 30, and the time duration is assigned to the respective threshold value and a value pair is created obtained as described above. This is repeated many times and with varying values for the threshold value W, so that a multiplicity of value pairs is determined, which overall represent the temporal signal curve and thus a frequency spectrum of the interference signal S.
  • the signal curve can then be approximated, for example, by a mathematical fit and used for further evaluation, for example with regard to a frequency analysis, etc.
  • the time for the start signal T 1 is chosen arbitrarily for the individual measurements.
  • the large number of measurements determines a mean time duration and thus also a mean temporal signal course.
  • the exceeding of the threshold value W is used as the time for the start signal T 1.
  • the line 6 is in particular a data line. An example of this is shown in FIG. 3.
  • the line 6 generally has a line core 34, which is surrounded by the above-mentioned shield 20. These are, for example, a foil screen, a braid screen or any other screen or else a multi-layer screen assembly of combinations thereof.
  • a closed screen is preferably formed by the shield 20, that is, the guide core 34 completely covered with a high degree of coverage, example, greater than 90%, and preferably encloses the entire surface.
  • a variety of shield structures as they are well known, possible.
  • the shield 20 is in turn surrounded by an outer sheath 36.
  • a plurality of line elements with electrical functions are arranged within the conductor core 34 enclosed by the shield 20, a plurality of line elements with electrical functions are arranged.
  • a total of four wire pairs 38 are arranged, wherein a respective wire pair 38 forms a transmission channel for a respective data signal D.
  • Wire pairs 38 are in particular stranded wires 40 without further wrapping. Preferably, these are unshielded.
  • the pair of wires 38 is thus as so-called UTP line element formed (unshielded twistet pair).
  • the cores 40 also run parallel to one another and / or are surrounded by a pair shielding or a foil. In the exemplary embodiment, some optional filler strands 42 are also shown.
  • a respective core 40 or a respective pair of wires 38 each forms a line element of the line 6.
  • the already mentioned antenna 18 is likewise designed as an (unshielded) wire 40 and is guided centrally as a central element in the line 6.
  • a respective core 40 generally has an electrical conductor 44 and an insulation 46 surrounding it.
  • the antenna 18 is also designed as the sensor line 22 at the same time or is used as a sensor line 22.

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Abstract

Das Verfahren und die Messanordnung dienen zur Erfassung eines elektromagnetischen Störeinflusses auf einen Leitungskern einer elektrischen Leitung. Der Leitungskern weist ein als Antenne für die Störeinflüsse ausgebildetes Leitungselement auf und ein aufgrund des Störeinflusses in die Antenne eingekoppeltes Störsignal wird erfasst und ausgewertet.

Description

Beschreibung
Verfahren sowie Messanordnung zur Erfassung eines elektromagnetischen Störeinflusses auf einen Leitungskern einer elektrischen Leitung Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Messanordnung zur Erfassung ei- nes elektromagnetischen Störeinflusses auf einen Leitungskern einer elektrischen Leitung.
Es ist bekannt, dass die Übertragungsqualität einer elektrischen Leitung, insbe- sondere einer elektrischen Datenleitung, durch elektromagnetische Störeinflüsse beeinträchtigt werden kann. Bei den elektromagnetischen Störeinflüssen handelt es sich beispielsweise um elektromagnetische Interferenzen mit externen Stör- quellen (Electro Magnetic Interferenc, EMI). Daneben können die elektromagneti- schen Störeinflüsse aber auch durch interne Störungen innerhalb der Leitung selbst hervorgerufen werden. Ein Beispiel hierfür ist das sogenannte Nebenspre- chen (cross talk), bei dem durch induktive und / oder kapazitive Kopplung zwi- schen zwei benachbarten Leitungspaaren ein Signal von dem einen Leitungspaar in das andere Leitungspaar eingekoppelt wird. Störeinflüsse können darüber hinaus auch von einander benachbarten Leitungen oder Kabeln herrühren. Auch hier besteht die Möglichkeit einer Kopplung zwi- schen den benachbarten Leitungen/Kabeln. In diesem Fall folgt also ebenfalls ein Nebensprechen, welches als Fremd-Nebensprechen oder Fremd-Übersprechen (alien cross talk) bezeichnet wird.
Derartige Störeinflüsse machen sich beispielsweise durch ein Art Rauschen be- merkbar, welches das eigentliche über den Leitungskern übertragene Datensignal überlagert. Speziell bei schwachen Signalen kann dies zur Störung der Übertra- gung, also zu einer Verschlechterung der Übertragungsqualität führen, was sich auch in dem Verlust von Informationen niederschlagen kann. Dies führt auf Emp- fängerseite teilweise zu unerwünschten Artefakten bis hin zu einem Ausfall. Spe- ziell bei sicherheitskritischen Systemen ist dies zu vermeiden.
Üblicherweise werden elektrische Leitungen, insbesondere Datenleitungen spezi- ell konzipiert, um derartige Störeinflüsse zu minimieren. Hierzu sind beispielswei- se Verseilungen von Adernpaaren und insbesondere elektrische Schirmungen vorgesehen. Dennoch kann es zu Störeinflüssen insbesondere aufgrund von ex- fernen Störquellen kommen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, elektromagnetische Störeinflüsse zu erfassen, die auf einen Leitungskern einer elektrischen Leitung, insbesondere einer Datenleitung einwirken.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung eines elektromagnetischen Störeinflusses auf einen Leitungskern einer elektri- schen Leitung, wobei der Leitungskern ein als (Empfangs-)Antenne für die Stör- einflüsse ausgebildetes Leitungselement aufweist und ein aufgrund des Störein- flusses in das Leitungselement eingekoppeltes Störsignal erfasst und ausgewertet wird. Bei der Empfangsantenne handelt es sich dabei insbesondere um ein soge- nanntes passives Element, in welches der elektromagnetische Störeinfluss, also insbesondere elektromagnetische Wechselfelder, die von einer Störquelle herrüh- ren, eingekoppelt werden. Hierdurch wird in der Empfangsantenne ein Störsignal generiert, welches erfasst und ausgewertet werden kann. Aktiv wird an die Anten- ne zur Erfassung des Störsignals keine Spannung angelegt und es erfolgt auch sonst keine aktive Einkopplung einer Spannung / eines Stroms oder eines Signals in die Antenne. Der Leitungskern selbst weist - vorzugsweise zusätzlich zu dem als Antenne aus- gebildeten Leitungselement - zumindest ein (weiteres) Leitungselement auf, ins- besondere eine Vielzahl von (weiteren) Leitungselementen. Bei dem zumindest einen (weiteren) Leitungselement handelt es sich dabei spezi- ell um eine elektrische Ader oder auch ein Adernpaar. Unter einer Ader wird all- gemein ein elektrischer Leiter verstanden, welcher von einem Isolationsmantel umgeben ist. Diese weiteren Leitungselemente dienen vorzugsweise zur Daten- Übertragung und/ oder auch zur Leistungsübertragung.
Der Leitungskern ist in der Regel von einem Außenmantel aus einem Isolierwerk- stoff umgeben. Bei einigen Ausführungsvarianten ist der Leitungskern von einer Schirmung umgeben, die auch als Gesamtschirm bezeichnet wird. Dieser ist typi- scherweise zwischen dem Leitungskern und dem Außenmantel angeordnet.
Durch die Integration der (passiven) Empfangsantenne ist in einfacher Weise die Erfassung des auf den Leitungskern einwirkenden Störeinflusses ermöglicht. Durch dessen Auswertung besteht dann die Möglichkeit, die Störeinflüsse bei der eigentlichen Übertragungsfunktion der elektrischen Leitung zu berücksichtigen und beispielsweise die Übertragungsqualität selbst oder auch die Erfassung von übertragenen Signalen zu verbessern.
Bei dem als Empfangsantenne ausgebildeten Leitungselement handelt es sich entweder um einen blanken, nicht isolierten Leiter und vorzugsweise um eine Ader. Insbesondere handelt es sich um eine ungeschirmte Ader.
Das als Antenne ausgebildete Leitungselement erstreckt sich hierbei insbesonde- re über die gesamte Länge des Leitungskerns. Gemäß einer ersten Ausführungs- Variante verläuft es parallel zu einer Leitungslängsrichtung und ist beispielsweise als ein Zentralelement ausgeführt, das entlang einer Mittenachse der Leitung ver- läuft. Alternativ hierzu ist die Antenne als eine Art Schlaufe ausgebildet. Hierzu weist die Antenne beispielsweise zwei innerhalb des Leitungskerns verlaufende Elemente, beispielsweise zwei Adern auf, die beispielsweise an einem Leitungs- oder Aderende miteinander elektrisch leitend verbunden sind. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung verläuft die Antenne, also der Leiter oder die Ader, in- nerhalb des Leitungskerns wendelförmig und ist beispielsweise um ein oder meh- rere weitere Leitungselemente des Übertragungskerns gewickelt. In einer Ausfüh- rungsvariante ist die Antenne durch ein Adernpaar gebildet, welches an der Aus- werteeinheit angeschlossen ist.
Die Messung des Störsignals erfolgt allgemein gegenüber einem Bezugspotenzial, welches beispielsweise das Massepotenzial ist. Das die Auswerteeinheit bzw. Empfangseinheit gegenüberliegende Ende der Antenne (Ader) kann irgendwie angepasst, kurzgeschlossen oder offen sein. Bevorzugt wird jedoch insbesondere ein offenes Ende oder auch ein kurzgeschlossenes Ende verwendet, da hierdurch eine Verstärkung des Störsignals infolge einer Reflexion erfolgt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Leitungskern insgesamt von mindestens ei- ner Schirmung umgeben, weist also mindestens einen Gesamtschirm auf.
Grundsätzlich wird über die in den Leitungskern integrierte Antenne sowohl ein interner als auch ein externer Störeinfluss erfasst. Unter internem Störeinfluss wird ein Einfluss verstanden, der durch innerhalb des Leitungskerns auftretende elektromagnetische Störungen hervorgerufen wird, wie beispielsweise das Ne- bensprechen. Externe Störeinflüsse resultieren demgegenüber von externen Störquellen, die außerhalb des Leitungskerns und der Leitung angeordnet sind. Auch bei einer mit der Schirmung (Gesamtschirm) versehenen Leitung wird in be- vorzugter Ausgestaltung über die Antenne ein derartiger externer Störeinfluss er- mittelt sowie vorzugsweise auch eine externe Störquelle identifiziert.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Verfahren dabei in erster Linie darauf ausge- legt, derartige externe Störeinflüsse zu detektieren, welche ihren Ursprung in einer Störquelle außerhalb der Leitung haben und in die Leitung eindringen (diese also beeinflussen). Bei der Störquelle handelt es sich beispielsweise um elektrische Komponenten, wie zum Beispiel ein Motor, ein Konverter oder eine (Hochspan- nungs-)Leitung zur Leistungsübertragung, welche elektromagnetische Störfelder generieren, die auf die Leitung Einfluss nehmen. Eine externe Störquelle kann daneben auch ein externes Kabel oder eine externe Leitung sein, wobei es sich bei dem externen Störeinfluss insbesondere um das Fremd-Nebensprechen han- delt. Zur Auswertung des Störsignals wird dieses im Hinblick auf seine Eigenschaften- ausgewertet. Dies betrifft zumindest eine, vorzugsweise alle der nachfolgenden Größen, nämlich Amplitude, Frequenzspektrum und/oder Zeitverlauf. Vorzugswei- se wird der vollständige Signalverlauf des Störsignals ausgewertet. Sofern vorlie- gend von Eigenschaften gesprochen wird, wird hierunter neben der Existenz des Störsignals auch die qualitative oder quantitative Auswertung des Störsignals im Hinblick auf zumindest einen Signalparameter verstanden. Aus diesen Eigenschaften des Störsignals lassen sich dann Rückschlüsse bei spielsweise auf die Störquelle ziehen. Gleichzeitig besteht durch die genaue Kenntnis des Störsignals die Möglichkeit, dieses zielgerichtet beim Empfan- gen/Auswerten eines Übertragungssignals, welches über die elektrische Leitung übertragen wird, zu berücksichtigen und dadurch die Empfangs- oder die Übertra- gungsqualität zu erhöhen.
Zweckdienlicherweise werden anhand des Störsignals insbesondere Informatio- nen über die den Störeinfluss verursachende Störquelle abgeleitet. Hierunter wird zum einen die Existenz einer externen Störquelle verstanden. Weiterhin wird auf- grund der im Störsignal enthaltenen Informationen vorzugsweise auch auf die Art der Störquelle und/oder die Stärke der Störquelle zurückgeschlossen. Unter Art der Störquelle wird dabei eine Identifizierung der Art oder des Typs der Störquelle verstanden, wie beispielsweise die Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Arten von elektrischen Komponenten wie Motor, Hochspannungsleitung oder sonstige Datenleitung.
In bevorzugter Weiterbildung werden aus dem Störsignal spektrale Informationen insbesondere als Hinweise auf die Störquelle bzw. als charakteristische Merkmale für die Störquelle extrahiert. Hierzu wird beispielsweise eine Frequenzanalyse des Störsignals vorgenommen. Als Auswerteeinheit oder Messgerät zur Auswertung des Störsignals werden hierbei beispielsweise Messgeräte und Messverfahren auf Frequenzbasis herangezogen. Alternativ zu Messgeräten auf Frequenzbasis werden zeitbasierte Messverfahren und entsprechende Messgeräte eingesetzt, wie beispielsweise ein TDR/TDT- Verfahren (Time Domain Reflectometry/ Time Domain Transmission). Vorzugs- weise wird ein Verfahren eingesetzt, basierend auf einem Verfahren, wie es in der WO 2018/086949 A1 beschrieben ist, welches als VVTT-Verfahren bezeichnet ist. Bei diesem handelt es sich um ein spannungsdiskretes Zeitmessverfahren, wel- ches nachfolgend noch näher beschrieben wird
Bei derartigen Zeitmessverfahren werden beispielsweise die sogenannten Level- Crossing-Rates (LCRs) ermittelt, welche wiederum einen Rückschluss auf die spektrale Zusammensetzung, also die Frequenzanteile des Störsignals, erlauben. Ein Beispiel für die Berechnung und Auswertung hierzu ist zu entnehmen aus „Spectral Analyses and Discrimination by Zero-Crossings“, Benjamin Kedem, Proceedings of the IEEE, vol. 74, no. 11 , November 1986.
Anhand der Spektralanalyse werden allgemein beispielsweise Aussagen über die Art der Störquelle abgeleitet. Hierbei wird ausgenutzt, dass spezielle elektrische Komponenten/Geräte ein spezifisches Frequenzmuster als Störeinfluss abgeben. Wie bereits erwähnt, dient die elektrische Leitung insbesondere zur Übertragung von Datensignalen, die an einem ersten Ende von einer Sendeeinheit eingespeist und an einem zweiten Ende von einer Empfangseinheit empfangen werden. Die Datensignale werden wahlweise in den Leitungskern eingespeist, welcher die An- tenne definiert oder in ein separates Daten-Leitungselement. Durch die Störein- flüsse wird die Übertragungsqualität solcher Datensignale beeinflusst. Bei den Datensignalen handelt es sich insbesondere um hochfrequente Datensignale mit einer Frequenz größer ein Megahertz. Bevorzugt liegt die Frequenz im ein-, zwei- oder auch dreistelligen Megahertz-Bereich.
Gemäß einer Ausführungsvariante wird das ermittelte Störsignal auf der Emp- fangsseite der Datensignale berücksichtigt, und zwar entweder unmittelbar beim Empfangen und Identifizieren des Datensignals als solches und/oder bei der Aus- wertung des Datensignals. Das Störsignal ist allgemein dem eigentlichen Datensignal (Nutzsignal) nach Art eines Rauschens überlagert, sodass also die Signalamplitude des gesamten über- lagerten Signals im Vergleich zum reinen Datensignal typischerweise erhöht ist. Zur Auswertung des Datensignals wird das Datensignal beispielsweise aus dem empfangenen Gesamtsignal extrahiert, beispielsweise durch Subtraktion des Störsignals vom empfangenen Gesamtsignal.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das empfangene Störsignal mit einer 180° Phasendrehung ggf. verstärkt und wieder in das Leitungselement
eingekoppelt, über das das Datensignal übertragen wird. Durch diese Maßnahme wird das Störsignal, welches in das Daten-Leitungselement eingekoppelt wird und einem Nutz-Datensignal überlagert ist, zumindest teilweise im Sinne einer Noise cancellation im Datensignal reduziert. Die Einkopplung erfolgt dabei beispielswei- se mit Hilfe der Auswerteeinheit also derart, dass das eigentliche Störsignal und das erfasste, wieder eingekoppelte Störsignal um 180° phasenversetzt zueinander sind. Bei dem Daten-Leitungselement handelt es sich vorzugsweise um ein zu- sätzliches Leitungselement (beispielsweise Ader oder auch Adernpaar, insbeson- dere ungeschirmt), das neben der Antenne in der Leitung insbesondere parallel zur Antenne verlaufend angeordnet ist.
Einige Messverfahren bauen darauf auf, dass ein vorgegebener Schwellwert für die Signalamplitude (Spannungspegel) als Auslöseschwelle überschritten wird. Speziell ist hierzu das zuvor genannte spannungsdiskrete Zeitmessverfahren zu nennen. Da das Störsignal die Signalamplitude (den Signalpegel) erhöht, kann dies zu einer Verfälschung der Auslöseschwelle und damit zu einer Verfälschung bei der Signalerfassung führen. Eventuell erforderliche Schwellwerte bei derarti- gen Messverfahren werden daher unter Berücksichtigung des Störsignal-Pegels entsprechend angepasst. Das heißt, allgemein wird das störbedingte Rauschen, beispielsweise ein zeitlicher Mittelwert, für die Festlegung des Schwellwerts be- rücksichtig, beispielsweise auf einen (ohne Störsignal) gewünschten Soll- Schwellwert aufaddiert. Bei dem hier beschriebenen Verfahren steht allgemein jedoch die Identifizierung und Auswertung des Störsignals und ggf. Identifizierung möglicher Störquellen im Vordergrund. Eine Optimierung der Datensignale (Nutzsignale) nach einer Art Noise Cancelation ist dagegen weniger relevant und in einer bevorzugten Variante nicht vorgesehen. Die Auswertung des Störsignals dient daher in dieser bevorzug- ten Variante ausschließlich zur Identifizierung und ggf. Überprüfung der Störquel- len / der Leitung.
In zweckdienlicher Ausgestaltung wird dabei das Störsignal in zeitlich wiederkeh- renden Messungen erfasst und auf Änderungen überprüft. Dies erfolgt vorzugs- weise im Rahmen eines sogenannten Condition-Monitorings, sodass also die Funktionsfähigkeit beispielsweise der elektrischen Leitung selbst oder ggf. auch von weiteren Komponenten im Zeitverlauf überwacht wird. Sofern vorliegend von zeitlich wiederkehrenden Messungen gesprochen wird, so wird hierunter verstan- den, dass der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Erfassungen / Aus- wertungen der Störsignale zumindest mehrere Minuten, vorzugsweise mehrere Stunden, weiter vorzugsweise mehrere Tage und weiter vorzugsweise mehrere Wochen beträgt. Vorzugsweise erfolgt das Erfassen / Auswerten des Störsignals in periodischen Zeitabständen.
Auf Basis der Änderungen werden dann zweckdienlicherweise Rückschlüsse auf Änderungen der Störquellen oder auch der Leitung selbst gezogen. Eine starke Zunahme des Störeinflusses einer zuvor identifizierten externen Störquelle, wie zum Beispiel ein Motor, weist beispielsweise darauf hin, dass der Motor, allgemein die elektrische Komponente, schadhaft sein kann und sich beispielsweise ihrem Lebensdauerende nähert, sodass ein Austausch angezeigt ist. Weiterhin deutet beispielsweise ein erhöhter Signalpegel des Störsignals darauf hin, dass die Lei- tung selbst, speziell die Abschirmung, einen Defekt aufweist. Dies ist insbesonde- re interessant bei dynamisch belasteten Leitungen, um frühzeitig eine Schädigung der Leitung erkennen zu können. Vorzugsweise wird in den Fällen, bei denen eine Änderung ermittelt wird, die einen zuverlässigen Toleranzbereich übersteigt, eine Fehlermeldung abgegeben. Vorzugsweise wird durch das Condition Monitoring auch überwacht, ob z. B. neue Störquellen hinzugekommen sind. Zur Erfassung des Störsignals werden allgemein an dem Leitungselement, also an der Antenne anliegende Spannungspegel entweder im Frequenzraum, vor- zugsweise jedoch im Zeitraum, also im zeitlichen Verlauf, erfasst. Wie zuvor er- wähnt, wird hierbei insbesondere ein spannungsdiskretes Zeitmessverfahren ba- sierend auf dem in der WO 2018/086949 A1 beschriebenen Verfahren verwendet:
Die Auswerteeinheit bzw. Empfangseinheit zur Erfassung des Störsignals umfasst hierbei einen Komparator, über den ein einstellbarer Schwellwert für einen Span- nungspegel vorgegeben wird. Wird dieser überschritten, wird ein binäres Signal, also ein Signalimpuls vom Komparator erzeugt. Weiterhin wird eine Zeitdauer von einem Startzeitpunkt bis zur Über-/Unterschreitung der Referenzspannung
(Schwellwert) bestimmt. Die Zeit und der Schwellwert bilden ein Wertepaar. Der vorgegebene Schwellwert wird anschließend sukzessive variiert, insbesondere erhöht, und es werden sukzessive im Rahmen von vielen Einzelmessungen je- weils Wertepaare bestehend aus der Zeitdauer zwischen dem Startzeitpunkt und der Überschreitung des jeweiligen Schwellwerts erfasst. Aus diesen Wertepaaren wird letztendlich die Höhe und Art des Störsignales ermittelt. Gemäß einer ersten Variante wird als Zeitdauer eine mittlere Zeitdauer über eine Mehrzahl von Einzelmessungen mit dem gleichen Schwellwert herangezogen. Der Startzeitpunkt ist dabei nicht fest definiert sondern willkürlich. Durch die Mittelung über mehrere Einzelmessungen wird also eine für das Signal charakteristische mittlere Zeitdauer ermittelt, die zu einer Frequenz des Signals korreliert, so dass aus der mittleren Zeitdauer eine Information über die Frequenz erhalten wird. Bei einem Sinussignal würde die mittlere Zeit bis zur Über- oder Unterschreitung eines Spannungswertes etwa 1/(2*f) betragen, wobei f die Frequenz ist. Bei einem ver- rauschten Signal mit einzelnen Peaks ergibt sich eine charakteristische mittlere Zeitdauer in Abhängigkeit der Spannung (über den Spannungsschwellwert gege- ben, welcher variiert wird). Durch den Spannungsschwellwert ist allgemein zusätz- lich noch eine Amplitudeninformation enthalten. Aus diesen Informationen (Wer- tepaare gebildet aus Amplitude sowie zugehörige Zeitdauer / Frequenz) lassen sich dann Rückschlüsse auf die Art der Störung ziehen. Gemäß einer zweiten Variante wird als Startzeitpunkt ein Überschreiten des Spannungsschwellwerts gewählt, d.h. als Zeitdauer wird die Zeit ab Überschreiten des Spannungsschwellwerts bis zur nächsten Überschreitung des Spannungs- schwellwerts herangezogen. Die gemessene Zeit zwischen den Über- oder Unter- schreitungen des Spannungsschwellwerts entspricht bei einem periodischen Sig nal der Periode T und damit der reziproken Frequenz 1/f. Diese Variante ist inso- fern von Vorteil, als die Zahl der Einzelmessungen geringer ist als bei der zuerst beschriebenen Variante.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch eine Messanordnung zur Erfassung eines elektromagnetischen Störeinflusses auf einen Leitungskern einer elektrischen Leitung, wobei der Leitungskern ein als eine Antenne für die Störeinflüsse ausgebildetes Leitungselement aufweist und weiterhin eine Auswer- teeinheit vorgesehen ist, die zur Erfassung und Auswertung eines in die Antenne aufgrund eines elektromagnetischen Störeinflusses eingekoppelten Störsignals ausgebildet ist.
Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausge- staltungen sind sinngemäß auch auf die Messanordnung zu übertragen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in teilweise vereinfachten Darstellungen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einer Aus- werteeinheit und einer daran angeschlossenen elektrischen Leitung,
Fig. 2 eine Blockbilddarstellung der Messanordnung in einer beispielhaften
Ausführungsvariante,
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung einer beispielshaften zu überwachen- den elektrischen Leitung.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen verse- hen. Fig. 1 zeigt eine Messanordnung 2, die eine Auswerteeinheit 4 sowie eine daran angeschlossene zu überwachende elektrische Leitung 6 aufweist. Bei der Lei- tung 6 handelt es sich insbesondere um eine Datenleitung, die zur Übertragung von elektrischen Datensignalen D ausgebildet ist. Die Leitung 6 weist typischer- weise mehrere Leitungselemente auf, die vorzugsweise von einem gemeinsamen Isoliermantel umgeben sind. Über eine Sendeeinheit 8 werden im Betrieb bei Be- darf Datensignale D in die Leitung 6 eingespeist und an einem der Sendeeinheit 8 gegenüberliegenden Ende der Leitung 6 von einer Empfangseinheit 10 empfan- gen.
Die Empfangseinheit 10 und die Auswerteeinheit 4 sind im Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Anschlusseinheit 12 integriert. Die Leitung 6 ist mit ihrem ei- nen Ende an der Anschlusseinheit 12 und mit ihrem anderen Ende an der Sende- einheit 8 angeschlossen. Hierfür ist beispielsweise zumindest an einem, vorzugs- weise an beiden Enden ein Steckverbinder 14 vorgesehen.
Die Leitung 6 ist allgemein elektromagnetischen Wechselfeldern ausgesetzt, wel- che elektromagnetische Störeinflüsse E für die Leitung 6 bilden. Diese Störein- flüsse E resultieren von einer Störquelle 16, die außerhalb der Leitung 6 angeord- net ist. Bei dieser handelt es sich insbesondere um eine elektrische Komponente, wie beispielsweise ein Elektromotor, eine Hochvolt-Komponente, wie eine Hoch- voltleitung oder sonstige elektrische Komponenten, die in ihrem Betrieb elektro- magnetische Wechselfelder erzeugen. Sofern vorliegend von Hochvolt gespro- chen wird, so werden hierunter Spannungsbereiche typischerweise von einigen 100 Volt bis 1.000 oder auch bis 1.500 Volt verstanden.
Die Leitung 6 ist insbesondere in einer Umgebung mit ein oder mehreren potenzi- ellen externen Störquellen 16 verlegt. Insbesondere ist die Leitung 6 innerhalb eines Fahrzeugs, speziell eines Kraftfahrzeugs verlegt. Beispielsweise handelt es sich um ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Alternativ ist die Leitung innerhalb einer Werkzeug- oder Produktionsmaschine oder in unmittelbarer Nähe solcher Ma- schinen verlegt. Der elektromagnetische Störeinfluss E kann zu einer Beeinträchtigung der Daten- übertragung führen. In die Leitung 6 ist ein als (Empfangs-) Antenne 18 für die Störeinflüsse E ausge- bildetes Leitungselement integriert. Durch Einkopplung des Störfelds in die Anten- ne 18 wird in dieser ein Störsignal S generiert, welches von der Auswerteeinheit 4 erfasst und ausgewertet wird. Gemäß einer ersten Variante erfolgt die Auswertung dahingehend, dass anhand des Störsignals S auf die Existenz einer Störquelle geschlossen wird, das heißt anhand des erfassten Störsignals S wird überprüft, ob eine externe Störquelle 16 vorliegt. Vorzugsweise wird durch die Auswertung des Störsignals S weiterhin auf die Art der Störquelle 16 geschlossen. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Fre- quenzanalyse des Störsignals S. Störquellen 16, wie beispielsweise Elektromoto- ren, geben ein charakteristisches elektrisches Störfeld E ab, anhand dessen dann auf die Art der Störquelle, beispielsweise Elektromotor, zurückgeschlossen wer- den kann. Neben der Auswertung des Störsignals S im Hinblick auf eine Störquelle 16 wird alternativ oder ergänzend das ermittelte Störsignal S auch bei der Erfassung und Auswertung des Datensignals D berücksichtigt. Hierunter wird verstanden, dass das empfangene Datensignal D anhand der Informationen, die durch das Störsig- nal S erhalten werden, korrigiert wird. So wird beispielsweise das Störsignal S von dem von der Empfangseinheit 10 erfassten Gesamtsignal subtrahiert, um ein um das Störsignal S korrigierte Datensignal D zu extrahieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das empfangene Störsignal mit einer 180° Phasendrehung ggf. verstärkt und wieder eingekoppelt, so dass das Störsig- nal im Sinne einer Noise cancellation zumindest reduziert wird. Hierzu ist bei spielsweise die Empfangseinheit 10 geeignet ausgebildet. In einer Ausführungsvariante ist eine Berücksichtigung des Störsignals S für die Erfassung und Auswertung des Datensignals nicht vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Option wird alternativ oder ergänzend das Störsignal S auch im Hinblick auf eventuelle Schäden der Leitung 6 selbst überprüft, um bei spielsweise eine defekte Schirmung 20 (zur Schirmung 20 vgl. Fig. 3) feststellen zu können.
Im Rahmen eines Monitorings wird hierbei vorzugsweise in wiederkehrenden Zeit- abständen das Störsignal S erfasst und ausgewertet. Die ermittelten Störsignale S werden miteinander verglichen und bei einer Abweichung, die beispielsweise eine bestimmte Toleranzschwelle überschreitet, wird ein Fehlersignal ausgegeben. Ei- ne starke Zunahme eines Signalpegels des Störsignals S deutet beispielsweise auf eine Schädigung an der Schirmung 20 hin. Auch können charakteristische Änderungen des Störsignals S Hinweise für Defekte in den externen Störquellen 16 sein oder auf neue Störquellen hinweisen. Insofern ist hierdurch auch ein indi rektes Monitoring der Störquellen 16, wie beispielsweise elektrische Verbraucher oder sonstige elektrische Komponenten ermöglicht und vorgesehen. Grundsätzlich besteht neben der Erfassung und Auswertung von Störsignalen S die von externen Störquellen 16 herrühren, auch die Möglichkeit, Störsignale zu erfassen, die innerhalb der Leitung selbst generiert werden. Hier ist in erster Linie das sogenannte Nebensprechen innerhalb der Leitung 6 zwischen einzelnen Übertragungskanälen der Leitung 6 zu nennen. Speziell wird mittels der Auswer- teeinheit 4 anhand des Störsignals S beispielsweise infolge von einem solchen Nebensprechen auf eine aktuelle Datenübertragung zurückgeschlossen. Speziell kann daher erkannt werden, ob zum aktuellen Messzeitpunkt ein Datenverkehr innerhalb der Leitung 6 stattfindet, bzw. eine Messung wird nur dann durchgeführt, wenn kein Datenverkehr besteht.
Sofern vorliegend daher von einer Auswertung des Sensorsignals gesprochen wird, wird hierunter insbesondere verstanden a) die Detektion einer externen Störquelle 16 / eines externen Störeinflusses E (Störfeld) sowie vorzugsweise die Auswertung eines solchen Störeinflusses, beispielsweise die Auswertung des Störsignals im Hinblick auf dessen Ampli- tude, Frequenz und/oder Signalverlauf
und/oder
b) die Auswertung eines durch Nebensprechen eingekoppelten Störsignals im Hinblick auf dessen Amplitude, Frequenz und/oder Signalverlauf.
Eine Messung des Störsignals erfolgt wahlweise während einer Übertragungspau- se oder alternativ auch während einer Datenübertragung.
Zur Erfassung und Messung des Störsignals S weist die Leitung 6 eine Antenne 18 auf. Diese kann ergänzend auch als eine Sensorleitung 22 und/oder zur Über- tragung von Daten verwendet werden. Vorzugsweise wird die Antenne 18 lediglich zur Erfassung des Störsignals herangezogen. Eine zusätzliche Sensorleitung 22 ist beispielsweise in der Leitung 6 integriert. Speziell wenn die Sensorleitung 22 zugleich als Antenne 18 benutzt, so sind vorzugsweise zwei unterschiedliche Be- triebsarten vorgesehen: Zum einen ein Sensorbetrieb zur Erfassung einer Zu- standsgröße der Leitung 6 oder der Umgebung. Zum Anderen ein EMI-Betrieb zur Erfassung des Störsignals S.
Die Messanordnung 2 ist allgemein zur Durchführung lediglich des EMI-Betriebs oder zur Durchführung sowohl des EMI-Betriebs als auch des Sensorbetriebs ausgebildet. Ist die Messanordnung 2 lediglich zur Durchführung des EMI-Betriebs ausgebildet, so ist vorzugsweise auf die Sensorleitung 22 verzichtet.
Bei der Sensorleitung 22 oder der Antenne 18 handelt es sich vorzugsweise um eine Ader. Im Einfachsten Fall ist die Antenne als ein einfacher Draht ausgebildet. Im Sensorbetrieb wird in die Sensorleitung 22 mittels einer Einspeiseeinheit 24 ein Sensorsignal SO eingespeist, welches durch die Sensorleitung 22 über die Länge der Leitung 6 läuft und vorzugsweise an einem insbesondere offenen Leitungsen- de der Sensorleitung 22 reflektiert und als reflektiertes Sensorsignal SO“ auf der Einspeiseseite wieder empfangen wird. Die Einspeiseeinheit 24 ist daher zugleich auch als eine Empfangseinheit ausgebildet.
Das empfangene reflektierte Sensorsignal S0‘ wird ausgewertet. Vorzugsweise erfolgt dies innerhalb der Auswerteeinheit 4. Insbesondere wird das reflektierte Sensorsignal SO“ im Hinblick auf seine Laufzeit ausgewertet und anhand der Laufzeit wird auf Zustandsgrößen der Leitung selbst oder von Umgebungsvariab- len zurückgeschlossen. Beispielsweise führen Knickstellen der Leitungen zu einer Reflexion an der Knickstelle, was sich auf die Laufzeit auswirkt. Insofern kann mit- tels der Sensorleitung 22 eine ortsaufgelöste Erfassung von Fehlstellen der Lei- tung detektiert werden.
Für die Auswertung des reflektierten Sensorsignals SO“ wird vorzugsweise ein spannungsdiskretes Zeitmessverfahren verwendet, wie es in der
WO 2018/086949 A1 beschrieben ist.
Im EMI-Betrieb erfolgt die Erfassung und Auswertung des Störsignals S in ähnli cher Weise, wobei im Unterschied zu der Auswertung des Sensorsignals SO kein Einspeisen eines Sensorsignals SO erforderlich und vorgesehen ist. Es wird ledig- lieh das eingekoppelte Störsignal S empfangen und ausgewertet. Dieses span- nungsdiskrete Zeitmessverfahren wird insbesondere nachfolgend im Zusammen- hang mit der Fig. 2 erläutert:
Die Auswerteeinheit 4 weist einen optionalen Signalgenerator 26 (nur für den Sensorbetrieb, in einer Ausführungsvariante, bei der lediglich der EMI-Betrieb vor- gesehen ist, ist der Signalgenerator 26 nicht erforderlich und insbesondere auch nicht vorhanden), weiterhin einen Mikrocontroller 28, ein Zeitmesselement 30 so- wie einen Komparator 32 auf. Der Mikrocontroller 28 dient allgemein zur Steue- rung und Durchführung des Verfahrens. So gibt der Mikrocontroller 28 beispiels- weise ein Startsignal T1 zur Durchführung einer jeweiligen Messung ab. Dieses Startsignal T1 initiiert die Abgabe des Sensorsignals SO durch den Signalgenera- tor 26. Dieses wird in die Leitung 6, speziell in die Sensorleitung 22 eingespeist, dort insbesondere am offenen Ende reflektiert und schließlich dem Komparator 32 zugeführt. Bei dem eingespeisten Sensorsignal SO handelt es sich insbesondere um ein Stufen- oder Rechtecksignal mit steil ansteigender Flanke.
Am Komparator 32 ist ein Schwellwert W eingestellt. Sobald die Amplitude des reflektierten Sensorsignals SO“ den Schwellwert W überschreitet ergeht ein Stoppsignal T2 in Form eines binären Spannungsimpulses an das Zeitmessele- ment, welches daraufhin die Zeitdauer t zwischen Startsignal T1 und Stoppsignal T2 ermittelt und an den Mikrocontroller 28 übermittelt. Eine solche Einzelmessung wird vielfach (z.B. mehr als 10, insbesondere mehr als 50 oder 100 Einzelmes- sungen) wiederholt, wobei jeweils für aufeinanderfolgende Einzelmessungen der Schwellwert W verändert wird. Der Mikrocontroller 28 erfasst zu jeder einzelnen Messung ein Wertepaar, welches sich zusammensetzt aus der Zeitdauer t und dem für die jeweilige Messung eingestellten Schwellwert W. Es werden sukzessi- ve eine Vielzahl von derartigen Einzelmessungen durchgeführt, sodass eine Viel- zahl von derartigen Wertepaaren (tn; Wn) erhalten werden, die quasi den Signal- verlauf des reflektierten Sensorsignals SO“ wiedergeben.
Bei einer einfachen Temperaturmessung ist bereits die Erfassung eines einzelnen Wertepaares ausreichend. Anhand der ermittelten Laufzeit t kann unmittelbar auf die herrschende Temperatur zurückgeschlossen werden.
Die Erfassung des Störsignals S im EMI-Betrieb erfolgt auf ähnliche Weise, aller- dings mit dem wesentlichen Unterschied, dass kein Sensorsignal SO aktiv einge- speist wird. Die Erfassung des Störsignals S ist rein passiv, das heißt die Aus- werteinheit 4 erfasst lediglich das infolge der Einkopplung in die Antenne 18 eingekoppelte Störsignal S. Es wird also kein Signal aktiv in die Antenne 18 eingekoppelt. Der Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Verfahren besteht also daher darin, dass keine Einspeisung eines Sensorsignals SO erfolgt. Über den Mikrocontroller 28 wird wiederum als Referenzzeitpunkt ein„Startsignal“ T1 an das Zeitmesselement 30 übermittelt. Ab diesem Referenzzeitpunkt läuft die jeweilige Messung. Sobald der Schwellwert W überschritten wird, wird wiederum ein Stoppsignal T2 generiert, an das Zeitmesselement 30 übermittelt und es wird die Zeitdauer dem jeweiligen Schwellwert zugeordnet und es wird ein Wertepaar wie zuvor beschrieben erhalten. Dies wiederholt sich vielfach und mit variierenden Werten für den Schwellwert W, sodass eine Vielzahl von Wertepaaren ermittelt wird, die insgesamt den zeitlichen Signalverlauf und damit ein Frequenzspektrum des Störsignals S repräsentieren. Der Signalverlauf kann dann beispielsweise noch durch einen mathematischen Fit approximiert werden und dient zur weiteren Auswertung beispielsweise im Hinblick auf eine Frequenzanalyse etc.
Gemäß einer ersten Variante wird der Zeitpunkt für das Startsignal T 1 willkürlich für die Einzelmessungen gewählt. In diesem Fall wird durch die Vielzahl der Mes- sung eine mittlere Zeitdauer und damit auch ein mittlerer zeitlicher Signalverlauf ermittelt.
Gemäß einer zweiten Variante wird als Zeitpunkt für das Startsignal T 1 das Über- schreiten des Schwellwerts W herangezogen. Wie bereits erwähnt handelt es sich bei der Leitung 6 insbesondere um eine Da- tenleitung. Ein Beispiel hierfür ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Leitung 6 weist all- gemein einen Leitungskern 34 auf, welcher von der bereits erwähnten Schir- mung 20 umgeben ist. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Folien- schirm, einen Geflechtschirm oder um einen sonstigen Schirm oder auch um ei- nen mehrlagigen Schirmaufbau aus Kombinationen hiervon. Insgesamt ist durch die Schirmung 20 vorzugsweise ein geschlossener Schirm ausgebildet, der also den Leitungskern 34 vollständig mit einem hohen Überdeckungsgrad, beispiels weise größer 90%, überdeckt und vorzugsweise vollflächig umschließt. Grundsätz- lich sind die unterschiedlichsten Schirmaufbauten, wie sie allgemein bekannt sind, möglich.
Die Schirmung 20 ist wiederum von einem Außenmantel 36 umgeben. Innerhalb des von der Schirmung 20 umschlossenen Leitungskerns 34 sind mehrere Lei- tungselemente mit elektrischen Funktionen angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Adernpaare 38 angeordnet, wobei ein jeweiliges Adernpaar 38 einen Übertragungskanal für ein jeweiliges Datensignal D bildet. Bei den
Adernpaaren 38 handelt es sich insbesondere um verseilte Adern 40 ohne weitere Umhüllung. Vorzugsweise sind diese ungeschirmt. Das Adernpaar 38 ist also als sogenanntes UTP-Leitungselement ausgebildet (unshielded twistet pair). Alterna- tiv hierzu verlaufen die Adern 40 auch parallel zueinander und/oder sind von einer Paarschirmung oder einer Folie umgeben. Im Ausführungsbeispiel sind weiterhin einige optionale Füllstränge 42 dargestellt. Eine jeweilige Ader 40 oder auch ein jeweiliges Adernpaar38 bildet jeweils ein Leitungselement der Leitung 6.
Weiterhin ist anhand der Fig. 3 zu erkennen, dass in diesem Ausführungsbeispiel die bereits erwähnte Antenne 18 ebenfalls als (ungeschirmte) Ader 40 ausgebildet ist und zentral als Zentralelement in der Leitung 6 geführt ist.
Eine jeweilige Ader 40 weist allgemein jeweils einen elektrischen Leiter 44 sowie eine diese umgebende Isolierung 46 auf. Zweckdienlicherweise ist die Antenne 18 zugleich auch als die Sensorleitung 22 ausgebildet oder wird als Sensorleitung 22 herangezogen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erfassung eines elektromagnetischen Störeinflusses auf einen Leitungskern einer elektrischen Leitung, wobei der Leitungskern ein als An- tenne für die Störeinflüsse ausgebildetes Leitungselement aufweist und ein aufgrund des Störeinflusses in die Antenne eingekoppeltes Störsignal erfasst und ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Leitungselement ein Leiter oder eine Ader ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Leitungskern von einer Schirmung umgeben ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein externer Störein- fluss erfasst und ausgewertet wird, der seinen Ursprung in einer Störquelle außerhalb der Leitung hat.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Störsignal im
Hinblick auf seine Eigenschaften wie Amplitude, Frequenz, Signalverlauf ausgewertet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem anhand des Störsig- nals Informationen über eine den Störeinfluss verursachenden Störquelle abgeleitet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem aus dem Störsignal spektrale Informationen extrahiert werden
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem über die Leitung, bei spielsweise über den Leitungskern oder ein zusätzliches Daten- Leitungselement ein Datensignal übertragen wird und das ermittelte Störsig- nal beim Empfang und/oder der Auswertung des Datensignals berücksichtigt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das ermittel- te Störsignal mit einer 180° Phasendrehung in ein Daten-Leitungselement eingespeist wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Leitung eine Sen- sorleitung zur Erfassung einer Zustandsgröße aufweist, und ein Sensorsignal in die Sensorleitung eingespeist und nach Durchlaufen der Sensorleitung ausgewertet wird, wobei vorzugsweise das ermittelte Störsignal für die Aus- Wertung des Sensorsignals berücksichtigt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Störsignal in zeit- lich wiederkehrenden Abständen erfasst wird und auf Änderungen überprüft wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , bei dem zur Erfassung des Störsignals ein an dem Leitungselement anliegender Spannungspegel im zeitlichen Verlauf erfasst wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem zur Erfassung des
Störsignals ein spannungsdiskretes Zeitmessverfahren verwendet wird, bei dem ein Spannungsverlauf des Störsignals erfasst wird, indem ein an dem Leitungselement anliegender Spannungswert mit einem Schwellwert vergli- chen wird, welcher zur Ermittlung des Spannungsverlaufs sukzessive variiert wird.
14. Messanordnung zur Erfassung eines elektromagnetischen Störeinflusses auf einen Leitungskern einer elektrischen Leitung, mit einer Auswerteeinheit und einer daran angeschlossenen Leitung, die einen Leitungskern aufweist, wo- bei im Leitungskern ein Leitungselement als Antenne angeordnet ist, welche mit der Auswerteeinheit verbunden ist, die zur Erfassung und Auswertung eines in die Antenne aufgrund eines elektromagnetischen Störeinflusses eingekoppelten Störsignals ausgebildet ist.
15. Messanordnung nach Anspruch 14, wobei der Leitungskern von einer Schirmung umgeben ist und die Auswerteeinheit zur Erfassung eines exter- nen Störeinflusses ausgebildet ist, der durch eine Störquelle außerhalb der Leitung bedingt ist.
16. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, wobei die Auswerte- einheit derart ausgebildet ist, dass anhand des Störsignals Informationen über eine den Störeinfluss verursachende und insbesondere außerhalb der Leitung angeordnete Störquelle abgeleitet werden.
17. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Leitungs- kern zur Übertragung von Datensignalen ausgebildet ist und eine Empfangs- einheit zum Empfang der Datensignale angeordnet ist und die Auswerteein- heit derart ausgebildet ist, das ermittelte Störsignal beim Empfang und/oder der Auswertung der Datensignale zu berücksichtigen.
18. Messanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17 wobei die Leitung eine Sensorleitung zur Erfassung einer Zustandsgröße aufweist und eine Ein- speiseeinheit zum Einspeisen eines Sensorsignals sowie eine Empfangsein- heit zum Auswerten des Sensorsignals angeordnet sind, und die Auswerte- einheit derart ausgebildet ist, das ermittelte Störsignal beim Empfang und/oder der Auswertung des Sensorsignals zu berücksichtigen.
PCT/EP2018/081817 2018-03-19 2018-11-19 Verfahren sowie messanordnung zur erfassung eines elektromagnetischen störeinflusses auf einen leitungskern einer elektrischen leitung WO2019179645A1 (de)

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