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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Inhomogenitäten des
Schirmverhaltens geschirmter elektrischer Leiter sowie eine Vorrichtung,
mit der ein derartiges Verfahren ausgeführt werden kann.
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Kabel
werden in allen Bereichen gewerblicher Anwendungen, in denen es
auf eine störungsfreie
Signalübertragung
und/oder die Unterdrückung der
Beeinflussung von Empfängern,
die auf elektromagnetische Strahlung reagieren, ankommt, geschirmt
ausgeführt.
D.h. mit anderen Worten, daß diese
Kabel mit einem Schirm bzw. einer die Kabel regelmäßig umgebenden
Abschirmung versehen sind, wobei dieser Schirm regelmäßig aus
einem geflochtenen, leitenden Werkstoff besteht. Geschirmte Kabel
finden bspw. im Flugzeugbau in sehr großem Maße Anwendung, bspw. solche,
die der Steuerung der gesamten aktiven Steuerungssysteme von Flugzeugen
dienen (Fly-by-Wire) und/oder auch für die Übertragung von sonstigen sicherheitsrelevanten
Signalen, bspw. für
navigatorische Zwecke und für
den gesamten Sicherheitsbereich eines Flugzeuges bzw. Hubschraubers.
Aufgrund von alterungsbedingten Verschleißerscheinungen, bspw. Korrosion,
ergeben sich kleine Inhomogenitäten
auf dem Schirm, die hinsichtlich erhöhter elektromagnetischer Einkopplung, verursacht
von Signalen anderer Signalquellen, zu einer Beeinträchtigung
der eigentlichen Signalübertragung
führen
können,
die mittels des geschirmten Kabels bzw. Leiters an sich beeinträchtigungsfrei
aufgrund des vorgesehenen Schirms die Signale leiten sollten.
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Derartige
Inhomogenitäten
der Schirme von Kabeln bzw. Leitern sind bisher lediglich im Labor
mit verhältnismäßig komplexen
Meßapparaturen
feststellbar gewesen, eine Lokalisierung von Schirminhomogenitäten bei
Kabeln im eingebauten Zustand, d.h. in Flugzeugen, um bei diesem
Beispiel zu bleiben, ist bisher, wenn überhaupt, nur unzureichend möglich gewesen.
Eine Ermittlung von Schirminhomogenitäten bei Kabeln im eingebauten
Zustand ist aber von großer
Wichtigkeit, da das Lösen
von Kabelsteckern, bspw. zu Meßzwecken,
irreversible mechanisch bedingte Kontaktänderungen hervorruft, die ein
gewünschtes
Meßergebnis
derart verfälschen können, daß eine qualitative
und quantitative Bewertung des Schirmverhaltens von geschirmten
Kabeln bzw. Leitern unmöglich
ist. Eine Aussage über
eine EMV-Tauglichkeit einer Signalübertragung nach dem Lösen von
Kabelsteckern ist nicht mehr gewähr
leistet.
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Aus
der
US 3 711 767 A ist
ein Verfahren bekannt, mit der eine Schirmverbindung dahingehend untersucht
werden soll, ob diese Schirmverbindung eine ausreichende Schirm wirkung
aufweist, und zwar an einer Stelle, an der die aneinandergrenzenden Enden
zweier isolierter und geschirmter Kommunikationskabelabschnitte
miteinander verbunden sind, ohne daß die Isolierung zerstört wird.
Das bekannte Verfahren ist gezielt auf eine Stelle der miteinander verbundenen
Kabel gerichtet, die eine Schwachstelle des Schirms darstellen,
nämlich
eine sog. Spleißverbindung
der aneinandergrenzenden Enden der Schirmverbindung. Bei der Ausführung des
bekannten Verfahrens werden die besagten Spleißverbindungen derart untersucht,
daß auf
den jeweiligen Schirmen der Kabel und der Kabelverbindung über den
fraglichen Spleiß und
angrenzend an den Ausgang und den Eingang ihrer jeweiligen Enden
Störsignale
erzeugt werden. Die von beiden Spleißverbindungen abgenommenen
Störsignale
werden durch eine Impedanzwandlerschaltung in einer Ausgangsspannung
mit geringer Impedanz umgewandelt und nachfolgend wird die Ausgangsspannung
mit niedriger Impedanz jeder Probe unter Bezugnahme auf eine gemeinsame
Masse gemessen. Dann werden die Differenzen zwischen den Ausgangssignalspannungen
der voneinander beabstandeten Proben im Hinblick auf eine Masse
mit einer bekannten Größe (Standard)
verglichen und bestimmt, ob die ausgeführte Spleißverbindung den erforderlichen
Schirmstandards genügt
oder ob eine Reparatur erforderlich ist.
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Aus
der
DE 196 21 401
C2 ist ein Verfahren bekannt, daß nur dann eine Messung eines
Schirmverhaltens eines geschirmten Kabels zuläßt, wenn das zu untersuchende
Kabel von einer bestehenden Verbindung gelöst wird, um einen Teststrom
in die Innenadern des Kabels einspeisen zu können. Die Messung dort ist
nur mit einer Änderung
der bestehenden Kabelinstallation möglich, d.h. keine Messung der
Feldverteilung in der Nähe
möglicherweise im
Schirm vorhandener Inhomogenitäten.
Demzufolge ist der Ort der Schirminhomogenitäten nicht feststellbar. Das Trennen
bestehender Kabelverbindungen ist in vielen Bereichen, bspw. in
Flugzeugen und anderen komplexen Systemen, selbst im Rahmen von
Wartungsarbeiten nicht zulässig,
da häufiges
Lösen und
Verbinden einer Kabelverbindung zu mechanisch bedingten Kontaktproblemen
in den Steckern führen
kann und zudem diverse Kabel ohne Steckverbindungen fest angeschlossen
sind.
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Detektion und/oder Lokalisierung von
Inhomogenitäten
des Schirmverhaltens geschirmter elektrischer Leiter im eingebauten
Zustand möglich
ist, mit denen sowohl qualitative als auch quantitative Aussagen über die
ermittelten Inhomogenitäten
des Schirmverhaltens längs
eines geschirmten Leiters möglich
ist, wobei das Verfahren verhältnismäßig einfach
durchführbar
ist und dafür eine
Vorrichtung bereitzustellen, die einfach realisierbar ist und die
eine Ermittlung der Inhomogenitäten des
Schirmverhaltens geschirmter elektrischer Leiter unmittelbar vor
Ort im eingebauten Zustand der Kabel bzw. Leiter ermöglicht,
und wobei die Vorrichtung im Vergleich zu bisherigen Vorrichtungen
zur Ermittlung von Inhomogenitäten
des Schirmverhaltens geschirmter elektrischer Leiter mit einem geringen
apparativen Aufwand auskommt.
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Gelöst wird
die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Ermittlung von Inhomogenitäten
des Schirmverhaltens geschirmter elektrischer Leiter, umfassend
folgende Verfahrensschritte:
- a. Anlegen eines
Spannungssignals vorbestimmbarer Frequenz und Spannungsamplitude
an den Schirm des Leiters,
- b. sensorische Erfassung des durch das Spannungssignal erzeugten
elektrischen und/oder Magnetfeldes des Schirmes in definiertem Abstand zum
Schirm an im wesentlichen gegenüberliegenden
Orten des Schirms und Ausbildung eines entsprechenden elektrischen
und/oder Magnetfeldsignalpaares,
- c. jeweilige Gleichrichtung der Signale des elektrischen und/oder
Magnetfeldsignalpaares,
- d. Bildung eines Differenzsignals aus den gleichgerichteten
elektrischen und/oder Magnetfeldsignalen und
- e. Bewertung des Differenzsignals als Funktion der ermittelten
Inhomogenitäten
des Schirmverhaltens des geschirmten elektrischen Leiters.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht im wesentlichen darin, daß aufgrund der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Maßnahmen, insbesondere
der Ausbildung eines Differenzsignals, die mittels des Verfahrens
erreichbaren Meßergebnisse
von äußeren Rausch-
und anderen Feldstörungen
lediglich sehr gering, wenn überhaupt,
beeinflußbar
sind. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
zudem vorteilhafterweise eine absolute Messung der Feldstärke des
elektrischen und/oder des magnetischen Feldes nicht nötig. Mit
der erfindungsgemäß gewählten Differenzbildung
aus den beiden Feldsignalen, die das besagte Signalpaar bilden, wird
ein sehr einfaches Kriterium zur Verfügung gestellt, um Schirminhomogenitäten zu erkennen
und zu lokalisieren. Da das Verfahren im wesentlichen mit im Handel
erhältlichen
Grundkomponenten durchgeführt
werden kann, ist das Verfahren auch grundsätzlich, wie ebenfalls angestrebt, äußerst kostengünstig durchführbar.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die gemäß Merkmal
c. gleichgerichteten Signale der elektrischen und/oder Magnetfeldsignale
als Funktion der ermittelten Inhomogenität des Schirmverhaltens des
geschirmten elektrischen Leiters ebenfalls einer Bewertung unterzogen. Dadurch
ist es möglich,
auch für
bestimmte Meßzwecke
quantitative Aussagen über
das Schirmverhalten des geschirmten elektrischen Leiters für jedes
Sensorpaar gesondert voneinander zu ermitteln, was ggf. für die Ermittlung
des Ortes und den Grad der Inhomogenität des Schirmes von Nutzen sein
kann.
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Vorzugsweise
wird das Differenzsignal, das regelmäßig zunächst ein analoges Signal ist,
digitalisiert, was gleichermaßen
für die
gleichgerichteten elektrischen und/oder Magnetfeldsignale gilt,
die nach der Gleichrichtung erzeugt werden. Eine Digitalisierung
der elektrischen und/oder Magnetfeldsignale und eine Digitalisierung
des Differenzsignals ermöglicht
unter gewissen Umständen
eine Vereinfachung der Signalweiterverarbeitung und der Auswertung
der Signale zur Bewertung der ermittelten Inhomogenität des Schirmverhaltens.
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Auch
ist es vorteilhaft, das Spannungssignal innerhalb eines vorbestimmbaren
Spannungsintervalls zu erzeugen, d.h., daß bspw. Signalamplituden über einen
Frequenzbereich von 0 bis 200 MHz erzeugt werden, um auch eine mögliche Frequenzabhängigkeit
der ermittelten Schirminhomogenität zu erfassen.
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Lösungsgemäß umfaßt eine
Vorrichtung zur Ermittlung von Inhomogenitäten des Schirmverhaltens geschirmter
elektrischer Leiter, mit der auch das vorangehend beschrie bene Verfahren
ausgeführt werden
kann, eine Spannungssignalquelle, die mit dem Schirm des Leiters
zur Übertragung
eines Spannungssignals vorbestimmbarer Frequenz und Spannungsamplitude
auf den Leiter verbunden ist, daß über Abstandsmittel beabstandet
zum Schirm des Leiters wenigstens zwei Sensorpaare angeordnet sind,
die jeweils mit einer Gleichrichtereinheit elektrisch verbunden
sind, wobei die jeweiligen Ausgänge
der Gleichrichtereinheiten, von denen gleichgerichtete Signale entsprechend
einem von dem jeweiligen Sensorpaar erfaßten elektrischen und/oder
Magnetfeld ausgegeben werden, auf eine Differenzbildungseinheit
gegeben werden, und daß schließlich vom
Ausgang der Differenzbildungseinheit ein Differenzsignal geliefert
wird, das eine Funktion der ermittelten Inhomogenität des Schirmverhaltens
des geschirmten elektrischen Leiters ist.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung entsprechen
sinngemäß denen,
die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung des Verfahrens angegeben
worden sind. Auch hier gilt, daß die
Vorrichtung aufgrund im Handel erhältlicher elektronischer Komponenten
verhältnismäßig einfach,
kompakt und kostengünstig
aufgebaut werden kann, so daß diese
auch in großer
Anzahl auch bei komplexen zu untersuchenden Kabelsträngen ohne Schwierigkeiten
vor Ort eingesetzt werden kann.
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Grundsätzlich kann
die Bewertung des Differenzsignals auf beliebige geeignete Weise
mit beliebig geeigneten Mitteln erfolgen, vorzugsweise bspw. mittels
eines Rechners. Unabhängig
davon, ob das Differenzsignal unmittelbar vor Ort der Vorrichtung bewertet
wird oder aber dort lediglich die den Differenzsignalen entsprechenden
Daten zunächst
aufgezeichnet werden und dann einer Bewertung unterzogen werden,
ist es vorteilhaft, die Vorrichtung derart auszugestalten, daß der Ausgang
der Differenzbil dungseinheit mit einer das Differenzbildungssignal bewertenden
Bewertungseinheit verbunden wird, wobei Verbindung in diesem Sinne
sowohl eine leitungsmäßige Verbindung
als auch eine drahtlose Übertragung
bedeuten kann.
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Die
Gleichrichtereinheit selbst umfaßt vorteilhafterweise in Reihe
geschaltet wenigstens eine erste Verstärkerstufe, eine Multiplizierstufe,
einen Tiefpaßfilter
und diesem nachgeschaltet eine zweite Verstärkerstufe, deren Ausgang mit
der Differenzbildungseinheit verbunden ist. Mittels der ersten Verstärkerstufe
wird das sensorisch erfaßte
Feldsignal (magnetisches und/oder elektrisches) für die nachfolgende
Multiplizierstufe aufbereitet. In dieser Stufe wird bspw. eine analoge
Quadraturbildung des sensorisch erfaßten Feldsignals ausgeführt. Der
nachfolgende Tiefpaßfilter
filtert das Doppelte der sensorisch erfaßten Signalfrequenz aus, wobei
die zweite nachfolgende Verstärkerstufe
den Gleichspannungsanteil für
einen Spannungsmeßbereich
nachfolgender Stufen erzeugt.
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Die
Ausgangssignale der zweiten Verstärkerstufe beider Gleichrichtereinheiten
sind vorteilhafterweise derart ausgestaltet, daß sie relativ zueinander offsetspannungsfrei
sind. Dadurch wird dem unterschiedlichen Verstärkungsverhalten der Verstärkerstufen
der Gleichrichtereinheiten Rechnung getragen, so daß quasi
von zwei gleichen zweiten Verstärkerstufen
ausgegangen werden kann.
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Vorzugsweise
kann die Differenzbildungseinheit im wesentlichen durch ein einfaches
Differenzbildungsglied gebildet werden, das als Operationsverstärker, genau
wie die ersten und zweiten Verstärkerstufen
der Gleichrichtereinheit, ausgebildet sein kann. Am Ausgang der
Diffe renzbildungseinheit liegt ein analoges Differenzsignal an.
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Für die Weiterverarbeitung
der Ausgangssignale der Gleichrichtereinheiten und/oder des Differenzsignals
der Differenzbildungseinheit ist es äußerst vorteilhaft, diese zu
digitalisieren, d.h. jeweils auf einen Analog-Digital-Umsetzer zu geben, um so die
Bewertung der erzeugten magnetischen und/oder elektrischen Feldsignale
entweder als besagte gleichgerichtete Signale und/oder als Differenzsignal leichter
durchführen
zu können,
d.h. unter Ausnutzung der gesamten funktionellen Bandbreite, die
eine digitalisierte Datenverarbeitung ermöglicht.
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Das
Abstandsmittel nimmt das Sensorpaar vorzugsweise derart auf, daß dieses
einander im wesentlichen gegenüberliegend
gleich zur Außenoberfläche der
den Leiter umgebenden Isolierung einstellbar beabstandet ist. Dabei
ist es möglich,
den Abstand des Abstandsmittels, in bzw. an dem das jeweilige Sensorpaar
gegenüberliegend
angeordnet ist, derart einstellbar auszubilden, daß das zwischen
den Sensoren angeordnete, zu messende Kabel geringfügig eingeklemmt
wird, so daß eine
abstandswahrende Messung des elektrischen und/oder des magnetischen
Feldes möglich
ist. Ein Einfluß durch
mögliche
Bewegung der menschlichen Hand und der damit normalerweise zwangsweise
verbunden sein würdenden
Meßungenauigkeiten
wird vernachlässigbar
unterdrückt.
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Der
Werkstoff des Abstandsmittels wird dabei vorteilhafterweise derart
gewählt,
daß er
ein elektrisches Feld und/oder ein magnetisches Feld, in dem das
Abstandsmittel angeordnet ist, lediglich auf minimal mögliche Weise
beeinflußt.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die mittels der Vorrichtung
erfolgte Messung der Inhomogenität
frei von werkstoffseitigen Beeinflus sungen der für die Messung erforderlichen
Hilfsmittel erfolgen kann.
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Als
Werkstoff des Abstandsmittels kann vorzugsweise bspw. Plexiglas
verwendet werden.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen
Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles
eingehend beschrieben. Darin zeigen:
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1 in
perspektivischer Darstellung mehrere isolierte Leiter, die von einem
Schirm umgeben sind, wobei ein Sensorpaar angedeutet ist, das ein elektrisches
und/oder magnetisches Feld aufgrund eines auf den Schirm aufgeprägten Spannungssignals
erfaßt,
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2 in
Form eines Blockschaltbildes eine Vorrichtung zur Ausführung des
Verfahrens,
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3 ein
Blockschaltbild einer Gleichrichtereinheit der Vorrichtung,
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4 einen
Signalverlauf der gemessenen Magnetfeldstärke anhand mehrerer Beispiele,
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5 ein
Ausschnitt des Blockschaltbildes gemäß 2 zur Darstellung
der Verknüpfung
der Ausgänge
beider Gleichrichtereinheiten mit einer Differenzbildungseinheit
in größerer Einzelheit,
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6 ein
Abstandsmittel, ein geschirmtes Kabel in sich einschließend, zur
Messung des ermittelten Magnetfeldes in der y-Ebene und
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7 eine
Abbildung wie 6, bei der jedoch das Magnetfeld
in der x-Ebene gemessen wird.
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Es
wird zunächst
Bezug genommen auf die Darstellung von 1. In 1 ist
eine Mehrzahl von Kabeln dargestellt, die hier im wesentlichen zentral
jeweils einen Leiter 11 aufweisen, der jeweils von einer
Isolierung 110 umgeben ist. Das Bündel der in 1 dargestellten
Kabel ist gemeinschaftlich von einem Schirm 12 umgeben,
wobei aber darauf hinzuweisen ist, daß das erfindungsgemäße Verfahren und
die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 auch
zur sensorischen Erfassung des Magnetfeldes und/oder des elektrischen
Feldes auch lediglich eines einzigen Kabels im Stande ist, das aus
einem Leiter 11, einer den Leiter 11 umgebenden
Isolierung 110 und einem die Isolierung 110 umgebenden
Schirm 12 besteht. In vorbestimmtem Abstand 17 zur
Außenoberfläche 11, vgl.
auch die 6 und 7, ist ein
Sensorpaar 14 angeordnet, wobei bei einer realen Ermittlung
der Inhomogenität
des Schirmverhaltens der geschirmten elektrischen Leiter 11 zwei
Sensorpaare 14, 15 angeordnet sind, die jeweils
um 90° zueinander
versetzt sind, was andeutungsweise aus 2 ersichtlich
ist.
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Die
Vorrichtung 10 zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist schematisch in einem Blockschaltbild in 2 dargestellt.
Den Kern der Vorrichtung 10 bilden zwei identisch aufgebaute Gleichrichtereinheiten 27, 28 sowie
eine Differenzbildungseinheit 29. Die Gleichrichtereinheiten 27, 28 sind
in Form eines Blockschaltbildes in 3 dargestellt.
Darauf wird zunächst
Bezug genommen.
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Die
Gleichrichtereinheit 27, 28 umfaßt in Reihe
geschaltet eine erste Verstärkerstufe 272, 282. Das
von dem jeweiligen Sensorpaar 14 bzw. 15 erfaßte elektrische
und/oder magnetische Feld 16, hervorgerufen durch ein Spannungssignal 13 vorbestimmter
Amplitude und Frequenz, bspw. im Bereich von 0 bis 200 MHz, erzeugt
durch eine Frequenzsignalquelle 23, wird auf bekannte Weise
auf den Schirm 12 eines Leiters 11 gegeben und
erzeugt dadurch ein elektrisches und/oder magnetisches Feld und
wird als elektrisches bzw. magnetisches Feldsignal 18, 19 auf
den Eingang 270, 280 einer ersten Verstärkerstufe
gegeben. In der ersten Verstärkerstufe 272, 282 wird
das elektrische und/oder magnetische Feldsignal 18, 19 verstärkt und
auf die nachfolgende Multiplizierschaltung 273, 282 gegeben.
Dort wird eine analoge Quadraturbildung des elektrischen und/oder
magnetischen Feldsignals 18, 19 durchgeführt, so
daß ein
Gleichspannungsanteil und ein Anteil der doppelten gemessenen Feldsignalfrequenz erzeugt
wird. Ein nachgeschalteter Tiefpaßfilter 274, 284,
der bspw. eine Grenzfrequenz von 10 Hz aufweist, filtert diesen
Frequenzanteil heraus. Das Filterausgangssignal wird dann auf eine
nachfolgende zweite Verstärkerstufe 275, 285 gegeben,
in der der Gleichspannungsanteil für einen Spannungsmeßbereich
eines nachfolgenden Analog-Digital-Umsetzers 32, 33 erzeugt
wird, bspw. für
einen Spannungsmeßbereich
von 0 bis 5 V. Die Analog-Digital-Umsetzer 32, 33 können auf
eine Steuereinheit 35 (Mikrocontroller) gegeben werden.
Die Steuereinheit 35 steht in Verbindung mit einem Rechner 34,
der Teil einer Bewertungseinheit 30 ist. Zwischen die Steuereinheit 35 und
die Bewertungseinheit 30 kann ein sogenannter Transceiver 36 (Schnittstelle
PC-Controller) geschaltet sein.
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Die
Ausgänge 271, 281,
an denen die gleichgerichteten Signale 21, 22,
die auf vorbeschriebene Weise aufbereitet sind, anliegen, sind ebenfalls
jeweils mit den beiden Eingängen 290 einer
nachgeschalteten Differenzbildungseinheit 29 verbunden, die
im wesentlichen aus einem Differenzbildungsglied 292 besteht,
vgl. die 5 und 2. Aus 5 ist
ersichtlich, daß die
beiden zweiten Verstärkerstufen 275, 285 derart
beschaltet sind, daß aufgrund
des Umstandes, daß die
Multiplizierglieder 273, 283 keinen konstanten
Offset besitzen, ein Offsetabgleich der beiden zweiten Verstärkerstufen 275, 285 vorgenommen
werden kann.
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Die
Differenzbildungseinheit 29 wird vorgesehen, um die Meßempfindlichkeit
der sensorisch erfaßten
Inhomogenitäten 120 des
Schirms 12 zu erhöhen.
D.h., daß aus
den offsetfreien gleichgerichteten Signalen 21, 22 ein
Differenzsignal 20 gebildet wird, und zwar derart, daß eine Differenz
mit positivem und eine Differenz mit negativem Vorzeichen gebildet wird.
Eine Komparatorschaltung schaltet daraufhin einen Schalter (nicht
im einzelnen dargestellt) derart um, daß immer der Betrag, d.h. die
positiv gebildete Differenz am Ausgang 291 des Differenzbildungsgliedes 29 anliegt
und auf den dritten Analog-Digital-Umsetzer 31 gegeben
wird, der ebenfalls mit der Steuereinheit 35 (Mikrocontroller)
zusammenwirkt. Für
die Kommunikation mit der Steuereinheit 35 und der Bewertungseinheit 30 dient
der besagte Transceiver 36.
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In
den 6 und 7 ist in größerer Einzelheit das Abstandsmittel 24 dargestellt,
an dem ein jeweiliges Sensorpaar 14, 15 angeordnet
ist. Das Abstandsmittel 24 umfaßt im wesentlichen zwei im
wesentlichen parallel voneinander beabstandete Schenkel 240, 241,
die über
ein Stellglied 242 in ihrem Abstand 17 derart
verstellbar sind, daß sie
einen Leiter 11, der eine umgebende Isolierung 110 aufweist
und darauf einen Schirm (Abschirmung), in sich einschließen können. Der
Werkstoff des Abstandsmittels 24 ist derart gewählt, daß er ein
elektrisches Feld und/oder ein magnetisches Feld 16, angedeutet in 6 und 7 durch
ein Pfeilbündel,
lediglich auf minimal mögliche
Weise beeinflußt.
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Grundsätzlich ist
die Vorrichtung 10 zur Messung des magnetischen Feldes 16 als
auch zur Messung des elektrischen Feldes des Schirmes 12 geeignet,
wobei bei der Darstellung gemäß 7 die
Sensorpaare 14, 15 derart angeordnet sind, daß sie mit ihren
Sensorschleifen mit einer gedachten Sensorschleifenfläche vertikal
auf dem Schirm 12 des Leiters 11 stehen, wobei
bei der Messung des magnetischen Feldes 16 des Schirmes 12 die
gedachten Flächen
der Sensorpaare 14, 15 parallel zur Außenoberfläche 111 des
Schirmes 12 ausgerichtet sind.
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Es
sei noch darauf hingewiesen, daß die
hier schleifenförmig
dargestellten Sensorpaare 14, 15 tatsächlich real
diese Form zur Erfüllung
einer sensorischen Erfassung eines elektrischen und/oder magnetischen
Feldes 16 nicht aufweisen müssen. Die schleifenförmige Darstellung
der Sensorpaare 15, 16 ist hier lediglich als
schematische, die realen Formen nicht beschränkende Formgebung zu verstehen.
Dieses gilt sowohl für
die Ausbildung der Sensorpaare 15, 16 für die Erfassung
eines Magnetfeldes als auch für
die Erfassung eines elektrischen Feldes.
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Das
Blockschaltbild der gemäß der Vorrichtung 10 verwendeten
Gleichrichtereinheit 27, 28 ist im Zusammenhang
mit der Darstellung von 3 erläutert worden. Es wird nachfolgend
der Signalverlauf in der Gleichrichtereinheit 27, 28 in
Verbindung mit 4 beschrieben. 4 stellt
die in der Vorrichtung 10 vorgenommene Gleichrichtung eines
gemessenen sinusförmigen
Sensorsignals in vier Schritten dar.
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In
der ersten Verstärkerstufe 272, 281 wird zunächst das
gemessene Sensorsignal eines Feldsensors bei einer Frequenz fH, die eine breitbandige Verstärkerstufe
darstellt, vorverstärkt,
vgl. auch 4a. Die Amplitude hat dann
den Wert A0. Das Sensorsignal ist proportional
zu einer sinusförmigen Spannung
mit derselben Frequenz fH, mit welcher der Schirm 12 des
Leiters 11 mit dem von der Spannungssignalquelle 23 kommenden
Frequenzsignal angeregt wird.
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In
der Multiplizierstufe 273, 283 wird das Signal
quadriert. Mathematisch ergibt sich dadurch ein Signal der Form: A0 2·sin2(2·pi·fH·t)
= 0.5(A0 2 – A0 2 sin(2·pi·(2fH)·t)).
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Das
bedeutet, daß am
Ausgang der Multiplizierstufe 273, 283 ein Signal
mit einem Gleichanteil und einem Wechselstromanteil der doppelten
Frequenz 2fH, vgl. 4b., anliegt.
Die neu gebildete Amplitude A02 ist proportional
zur ursprünglich
gemessenen Amplitude des Sensorsignals. Diese Amplitude ist, wie
die vorangehend aufgeführte
Gleichung zeigt, sowohl im Gleichanteil als auch im Wechselanteil
der Frequenz 2fH enthalten. Die Digitalisierung
des Gleichanteils als proportionale Größe zur gemessenen Feldstärke reicht
für die
weitere Verarbeitung des Signals aus.
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Der
Tiefpaßfilter 274, 284,
vgl. auch 4c., filtert hierzu den Wechselstromanteil
der Frequenz 2fh heraus, so daß ein gleichgerichtetes
Signal 0,5 A0 2,
das proportional zur gemessenen Sensorsignalamplitude ist, übrig bleibt.
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Mit
der zweiten Verstärkerstufe 275, 285 wird eine
Verstärkung
des Gleichanteils vorgenommen, um den Spannungsmeßbereich
des nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzers 32, 33 auf
bestmögliche
Weise auszunutzen.
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Diese
Verstärkung
ist variabel einstellbar und hängt
vom verwendeten Analog-Digital-Umsetzer 32, 33 ab.
Das aus der zweiten Verstärkerstufe 275, 285 resultierende
Gleichsignal beträgt
danach 0,5·Faktor·A0 2, wobei "Faktor" die variabel einstellbare
Verstärkung
bedeuten soll, vgl. 4d.
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Das
Verfahren, das mittels der vorbeschriebenen Vorrichtung 10 zur
Ermittlung von Inhomogenitäten
des Schirmverhaltens geschirmter elektrischer Leiter 11 ausgeführt werden
kann, kann gemäß folgenden
Verfahrensschritten durchgeführt
werden:
- a. Erzeugung eines Spannungssignals 13 in
einer Frequenzsignalquelle 23 vorbestimmbarer Frequenz
und Spannungsamplitude und Anlegen des Frequenzsignals 13 an
den Schirm 12 des Leiters 11, bspw. mittels direkter
Einkopplung oder des Einsatzes einer Einkoppelzange (nicht dargestellt),
- b. sensorische Erfassung mittels eines Sensorpaares 14, 15 des
durch das Spannungssignal 13 erzeugten elektrischen und/oder
Magnetfeldes 16 des Schirmes 12 in definiertem
Abstand 17 zum Schirm 12 an im wesentlichen gegenüberliegenden
Orten des Schirms 12 und Ausbildung eines entsprechenden
elektrischen und/oder Magnetfeldsignalpaares 18, 19 unter
Berücksichtigung des
Umstandes, daß an
einer intakten Stelle des Schirmes 12 des Leiters 11 eine
rotationssymme trische Feldverteilung vorliegt, so daß die Sensorpaare 14, 15 im
Idealfall die gleiche Spannung messen,
- c. Gleichrichtung der jeweiligen Signale des elektrischen und/oder
Magnetfeldsignalpaares 18, 19,
- d. Bildung eines Differenzsignals 20 aus den gleichgerichteten
elektrischen und/oder Magnetfeldsignalen 18, 19,
wobei ein Differenzsignal dann erzeugt wird, wenn beide Sensorpaare 14, 15 unterschiedlich
abgestrahlte elektrische und/oder Magnetfelder detektieren, wenn
eine Schirminhomogenität
zu einer Verzerrung der elektrischen und/oder Magnetfeldverteilung
führt, und
- e. Bewertung des Differenzsignals 20 als Funktion der
ermittelten Inhomogenität
des Verhaltens des Schirms 12 des geschirmten elektrischen
Leiters 11, und zwar nach entsprechender Umwandlung in
Digitalsignale und Bewertung der Signale in der Bewertungseinrichtung 30.
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Auch
die absoluten gleichgerichteten Signale 21, 22,
die die jeweiligen Gleichrichtereinheiten 27, 28 verlassen,
können
nach entsprechender Digitalisierung mittels der Bewertungseinheit 30 bewertet werden.
Den entsprechenden Datenfluß gewährleistet
die Steuereinheit 35 in Verbindung mit dem Transceiver 36,
wobei über
die Bewertungseinheit 30 auch der gesamte Verfahrensablauf
gesteuert werden kann, um bspw. über
das mit der Steuereinheit verbundene Interface 37 die damit
verbundene Spannungs signalquelle 33 zu steuern, die den
gesamten Frequenzbereich von bspw. 0 bis 200 MHz als Meßintervall überstreichen
kann. Bei jeder beliebiger geeigneter Frequenz kann das Verfahren
prinzipiell ohne Veränderung
der Verfahrensführung
und des Aufbaus der Vorrichtung 10 durchgeführt werden.
Dieses kann bspw. programmgestützt
bspw. in vorbestimmten Frequenzschritten erfolgen, es ist aber auch
möglich,
eine derartige Messung programmgestützt über einen geeignet ausgewählten Frequenzmeßbereich
durchzuführen.
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Es
sei noch darauf hingewiesen, daß entlang des
Umfangs des zu untersuchenden geschirmten Leiters 11 eine
Mehrzahl von Sensorpaaren 14, 15 vorgesehen werden
kann, die auf gleiche Weise, wie oben im Zusammenhang mit einem
Sensorpaar 14, 15 beschrieben, ein elektrisches
und/oder Magnetfeld 16 erfaßt, das nachfolgend auf oben
beschriebene Weise ausgenutzt wird. Dadurch kann die Genauigkeit
der Erfassung von Inhomogenitäten
des Schirmes 12 erhöht
werden.
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Leiter
- 110
- Isolierung
- 111
- Isolierung
- 12
- Schirm
(des Leiters)
- 120
- Inhomogenität
- 13
- Spannungssignal
- 14
- Sensor
- 15
- Sensor
- 16
- magnetische/elektrisches
-
- Feld
- 17
- Abstand
- 18
- magnetisches/elektrisches
-
- Feldsignalpaar
- 19
- magnetisches/elektrisches
-
- Feldsignalpaar
- 20
- Differenzsignal
- 21
- gleichgerichtetes
Signal
- 22
- gleichgerichtetes
Signal
- 23
- Spannungssignalquelle
- 24
- Abstandsmittel
- 240
- Schenkel
- 241
- Schenkel
- 242
- Stellglied
- 25
-
- 26
-
- 27
- Gleichrichtereinheit
- 270
- Eingang
- 271
- Ausgang
- 272
- erste
Verstärkerstufe
- 273
- Multiplizierstufe
- 274
- Tiefpaßfilter
- 275
- zweite
Verstärkerstufe
- 28
- Gleichrichtereinheit
- 280
- Eingang
- 281
- Ausgang
- 282
- erster
Verstärkerstufe
- 283
- Multiplizierstufe
- 284
- Tiefpaßfilter
- 285
- zweite
Verstärkerstufe
- 29
- Differenzbildungsein
-
- heit
- 290
- Eingang
- 291
- Ausgang
- 292
- Differenzbildungsglied
- 30
- Bewertungseinheit
- 31
- Analog-Digital-
-
- Umsetzer
- 32
- Analog-Digital-
-
- Umsetzer
- 33
- Analog-Digital-
-
- Umsetzer
- 34
- Rechner
- 35
- Steuereinheit
-
- (Mikrocontroller)
- 36
- Transceiver
- 37
- Interface