Title:
Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels. Das Verfahren umfasst Bestrahlen einer Isolierschicht eines Kabels mit Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs, ortsabhängiges Detektieren eines Streumusters, welches durch Streuung des Lichts an der Isolierschicht des Kabels hervorgerufen wird und Bestimmen einer Materialeigenschaft der Isolierschicht basierend auf dem detektierten Streumuster. Ferner wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels beschrieben. embedded image




Inventors:
Falkenberg, Klaus (90411, Nürnberg, DE)
Application Number:
DE102017211950A
Publication Date:
08/16/2018
Filing Date:
07/12/2017
Assignee:
LEONI Kabel GmbH, 90402 (DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Wuesthoff & Wuesthoff, Patentanwälte PartG mbB, 81541, München, DE
Claims:
Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels, wobei das Verfahren umfasst:
Bestrahlen einer Isolierschicht eines Kabels mit Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs;
ortsabhängiges Detektieren eines Streumusters, welches durch Streuung des Lichts an der Isolierschicht des Kabels hervorgerufen wird; und
Bestimmen einer Materialeigenschaft der Isolierschicht basierend auf dem detektierten Streumuster.

Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Streumuster zumindest anteilig ein Streumuster einer Mie-Streuung darstellt und wobei das Bestimmen der Materialeigenschaft ein Bestimmen eines Durchmessers und/oder einer Brechzahl von Streukörpern der Isolierschicht basierend auf dem Streumuster der Mie-Streuung umfasst.

Verfahren nach Anspruch 2, wobei es sich bei den Streukörpern der Isolierschicht um Blasen handelt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend:
Bestrahlen der Isolierschicht mit Licht eines weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs; und
ortsabhängiges Detektieren eines weiteren Streumusters, welches durch Streuung des Lichts des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs an der Isolierschicht des Kabels hervorgerufen wird, wobei
das Bestimmen der Materialeigenschaft der Isolierschicht basierend auf dem detektierten Streumuster des Lichts des vorbestimmten Wellenlängenbereichs und basierend auf dem detektierten Streumuster des Lichts des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs durchgeführt wird.

Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend:
Bestimmen eines Anteils des Streumusters, welcher eine Mie-Streuung darstellt und Bestimmen eines Anteils des weiteren Streumusters, welcher eine Mie-Streuung darstellt, wobei
das Bestimmen der Materialeigenschaft basierend auf den jeweiligen Anteilen, welche jeweils eine Mie-Streuung darstellen, durchgeführt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend:
Aufschäumen der Isolierschicht mit Gas, wodurch Blasen in der Isolierschicht erzeugt werden, welche als Streukörper für die Streuung des Lichts dienen; und
Anpassen eines Gasstroms für das Aufschäumen der Isolierschicht, basierend auf der bestimmten Materialeigenschaft.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Kabel einen nichtmetallischen, dielektrischen Innenleiter umfasst.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend:
Bestimmen einer Permittivität der Isolierschicht basierend auf der bestimmten Materialeigenschaft.

Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Bestrahlungseinheit zum Bestrahlen einer Isolierschicht eines Kabels mit Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs;
eine Detektionseinheit zum ortsabhängigen Detektieren eines Streumusters, welches durch Streuung des Lichts an der Isolierschicht des Kabels hervorgerufen wird; und
eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist zum Bestimmen einer Materialeigenschaft der Isolierschicht basierend auf dem detektierten Streumuster.

Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, wenn das Streumuster zumindest anteilig ein Streumuster einer Mie-Streuung darstellt, einen Durchmesser und/oder eine Brechzahl von Streukörpern der Isolierschicht basierend auf dem Streumuster der Mie-Streuung zu bestimmen.

Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
wobei die Bestrahlungseinheit eingerichtet ist zum Bestrahlen der Isolierschicht mit Licht eines weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs,
wobei die Detektionseinheit eingerichtet ist zum ortsabhängigen Detektieren eines weiteren Streumusters, welches durch Streuung des Lichts des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs an der Isolierschicht des Kabels hervorgerufen wird,
und wobei die Steuereinheit eingerichtet ist zum Bestimmen der Materialeigenschaft der Isolierschicht basierend auf dem detektierten Streumuster des Lichts des vorbestimmten Wellenlängenbereichs und basierend auf dem detektierten Streumuster des Lichts des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs.

Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist zum:
Bestimmen eines Anteils des Streumusters, welcher eine Mie-Streuung darstellt und Bestimmen eines Anteils des weiteren Streumusters, welcher eine Mie-Streuung darstellt; und
Bestimmen der Materialeigenschaft basierend auf den jeweiligen Anteilen, welche jeweils eine Mie-Streuung darstellen.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, ferner umfassend:
eine Aufschäumeinheit zum Aufschäumen der Isolierschicht mit Gas und zum Erzeugen von Blasen in der Isolierschicht, welche dazu geeignet sind, als Streukörper für die Streuung des Lichts zu dienen; und
eine Anpassungseinheit, welche eingerichtet ist zum Anpassen eines Gasstroms für das Aufschäumen der Isolierschicht, basierend auf der bestimmten Materialeigenschaft.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist zum Bestimmen einer Permittivität der Isolierschicht basierend auf der bestimmten Materialeigenschaft.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels. Insbesondere und ohne Beschränkung kann die Materialeigenschaft für die Bestimmung einer Permittivität der Isolierschicht dienen.

Die elektrischen Eigenschaften eines Kabels werden wesentlich von der Permittivität des verwendeten Isoliermaterials bzw. der verwendeten Isoliermaterialien bestimmt. Für einige Kabel ist es notwendig, die Permittivität der Isolierschicht durch Aufschäumen mit einem Treibgas zu verringern. Hierbei muss bei der Fertigung der Gasanteil in der Isolierschicht des Kabels mit hoher Genauigkeit gemessen und geregelt werden, um eine gewünschte Permittivität der Isolierschicht zu erreichen.

Es ist beispielsweise bekannt, für eine solche Messung während der Fertigung des Kabels einen Durchmesser der Isolierschicht und/oder einen Kapazitätsbelag des Kabels zu messen. Die Messung des Kapazitätsbelags kann beispielsweise in einem Wasserbad erfolgen. Aus dieser Messung bzw. aus diesen Messungen kann auf die Verschäumung und, genauer gesagt, auf einen Gasanteil in der Isolierschicht und/oder auf eine Permittivität der Isolierschicht geschlossen werden.

Das Dokument DE 198 09 890 C1 beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung zur Messung der Kapazität von elektrischen Adern mithilfe eines Messrohrs und unter Verwendung einer hochfrequenten Messspannungsquelle, wobei sich das zu vermessende Kabel bei der Messung in einem Wasserbad befindet.

In der Praxis werden bei der Kabelfertigung die Kapazität und der Durchmesser innerhalb vorbestimmter Grenzen gehalten und somit wird die Verschäumung automatisch in einem vorbestimmten, gewünschten Bereich gehalten. Es kann dadurch sichergestellt werden, dass die Permittivität der Isolierschicht einen gewünschten Wert aufweist bzw. in einem gewünschten Toleranzbereich liegt.

Für die Kapazitätsmessung ist jedoch ein metallischer Innenleiter erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels bereitzustellen. Insbesondere soll eine Technik bereitgestellt werden, welche ein Bestimmen einer Materialeigenschaft auch bei Kabeln zulässt, welche keinen metallischen Innenleiter aufweisen. Insbesondere kann es sich bei der Isolierschicht um eine Verschäumung handeln.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.

Die Erfindung betrifft demnach gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels. Das Verfahren umfasst Bestrahlen einer Isolierschicht eines Kabels mit Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs, ortsabhängiges Detektieren eines Streumusters, welches durch Streuung des Lichts an der Isolierschicht des Kabels hervorgerufen wird und Bestimmen einer Materialeigenschaft der Isolierschicht basierend auf dem detektierten Streumuster.

Obwohl im Folgenden Details und Ausführungsbeispiele des ersten Aspekts (Verfahrensaspekt) beschrieben werden, treffen diese Details und Ausführungsbeispiele ebenfalls auf den zweiten Aspekt (Vorrichtungsaspekt) zu, sofern möglich.

Bei der Materialeigenschaft kann es sich beispielsweise um mindestens eine der folgenden Eigenschaften handeln: Durchmesser und/oder Anzahl von Streukörpern der Isolierschicht, Brechzahl von Streukörpern der Isolierschicht, Gasanteil in der Isolierschicht und Permittivität der Isolierschicht. Bei dem Durchmesser der Streukörper der Isolierschicht kann es sich um einen mittleren Durchmesser mehrerer Streukörper der Isolierschicht handeln. Ebenso kann es sich bei der Brechzahl um eine mittlere Brechzahl mehrerer Streukörper handeln. Der Gasanteil kann beispielsweise in Prozent bestimmt werden. Die Permittivität kann beispielsweise als absolute Permittivität in F/m bestimmt werden oder als relative Permittivität, d. h. als dimensionsloses Verhältnis der absoluten Permittivität zur Permittivität des Vakuums, bestimmt werden.

Es kann beispielsweise auch aus einer der vorgenannten Materialeigenschaften eine andere der vorgenannten Materialeigenschaften ermittelt werden. Beispielsweise kann basierend auf dem ermittelten Durchmesser und/oder der ermittelten Anzahl von Streukörpern die Permittivität der Isolierschicht bestimmt werden. Hierbei kann beispielsweise eine geeignete Kalibrierung verwendet werden, beispielsweise unter Verwendung einer Tabelle (z. B. eine Lookup-Table, LUT) oder eines linearen oder nicht-linearen Zusammenhangs in Form einer mathematischen Formel.

Bei dem vorbestimmten Wellenlängenbereich kann es sich um einen vorbestimmten Wellenlängenbereich innerhalb des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums (380 nm bis 780 nm) handeln. Der vorbestimmte Wellenlängenbereich kann jedoch auch Anteile im Infrarot-Spektrum und/oder im Ultraviolett-Spektrum aufweisen. Der vorbestimmte Wellenlängenbereich kann eine vorbestimmte Bandbreite aufweisen. Es kann sich bei dem vorbestimmten Wellenlängenbereich jedoch auch um einen sehr schmalen Wellenlängenbereich handeln, welcher im Wesentlichen eine gewünschte Wellenlänge umfasst und somit als monochrom gelten kann. Beispielsweise kann das Licht von einer im Wesentlichen monochromen Lichtquelle abgestrahlt werden, wie beispielsweise einer Leuchtemissionsdiode (LED) oder einem Laser. Es kann sich bei dem Licht der vorbestimmten Wellenlänge jedoch auch um weißes Licht handeln.

Das ortsabhängige Detektieren kann beispielsweise durch Detektieren einer Intensitätsverteilung erfolgen. Die Intensitätsverteilung kann als zweidimensionale Intensitätsverteilung detektiert werden, wobei beispielsweise ein CCD-Array oder ein CMOS-Array verwendet werden kann. Das Detektieren kann jedoch auch mit einem eindimensionalen Intensitätsdetektor (beispielsweise einer Fotodiode) erfolgen, wobei dieser Intensitätsdetektor bei bekannter Position zweidimensional (d. h. innerhalb einer Ebene) oder dreidimensional (d. h. in einem vorbestimmten Raumbereich) über das gestreute Licht bewegt wird und somit das Detektieren ortsabhängig erfolgt. Ebenso kann ein zweidimensionaler Detektor (beispielsweise CCD-Array oder CMOS-Array) während der Messung ortsfest verbleiben oder über das gestreute Licht bewegt werden. Ein zweidimensionaler Detektor kann beispielsweise so angeordnet sein, dass er vorwärts gestreutes Licht detektiert. Eine optische Achse des zweidimensionalen Detektors kann beispielsweise mit einer optischen Achse einer Bestrahlungseinheit, welche das Licht emittiert, übereinstimmen oder zu dieser parallel sein. Ferner können mehrere zweidimensionale Detektoren vorgesehen sein, welche radial um eine Hauptachse des Kabels verteilt angeordnet sind. Bei der Hauptachse des Kabels kann es sich um eine Erstreckungsrichtung des Kabels handeln. Es kann jedoch auch ein ortsfester Detektor (beispielsweise ein CCD-Array oder ein CMOS-Array) vorgesehen sein, wobei die Bestrahlungseinheit beweglich gelagert ist und dazu eingerichtet ist, während der Messung entlang eines Kreises oder eines Kreisbogens bewegt zu werden, welcher in einer Ebene senkrecht zu einer Hauptachse des Kabels liegt und dessen Mittelpunkt sich auf der Hauptachse befindet.

Das Bestimmen der Materialeigenschaft kann durch ein Auswerten des detektierten Streumusters erfolgen. Hierbei kann es beispielsweise ausreichend sein, dass das detektiert Streumuster mit einem Referenz-Streumuster verglichen wird und auf Grundlage des Vergleichs festgestellt wird, ob sich die Materialeigenschaft in einem vorbestimmten Wertebereich befindet oder nicht. Anders ausgedrückt bedeutet das Bestimmen der Materialeigenschaft nicht unbedingt, dass ein expliziter numerischer Wert für eine physikalische Größe bestimmt und/oder ausgegeben wird. Vielmehr ist es ausreichend, dass die Materialeigenschaft eine Aussage über eine physikalische Größe gibt. Bei der Aussage kann es sich beispielsweise um die Feststellung handeln, ob sich eine physikalische Größe (beispielsweise eine Anzahl oder ein Durchmesser von Blasen in der Isolierschicht oder eine Permittivität der Isolierschicht) in einem vorbestimmten Wertebereich (Toleranzbereich) befindet oder nicht.

Das Streumuster kann zumindest anteilig ein Streumuster einer Mie-Streuung darstellen. Das Bestimmen der Materialeigenschaft kann ein Bestimmen eines Durchmessers und/oder einer Brechzahl von Streukörpern der Isolierschicht basierend auf dem Streumuster der Mie-Streuung umfassen.

Die Mie-Theorie ist die exakte Lösung der Maxwell-Gleichungen für die Streuung einer ebenen elektromagnetischen Welle an einem sphärischen Objekt (beliebiger Größe). Dabei werden die einfallende ebene Welle und das gestreute elektromagnetische Feld in eine Reihe nach abstrahlenden sphärischen Wellenfunktionen beschrieben. Das interne Feld wird in reguläre sphärische Wellenfunktionen entwickelt. Über die Randbedingungen auf der Kugeloberfläche können dann die Entwicklungskoeffizienten des gestreuten Feldes und damit das gestreute elektromagnetische Feld in jedem Raumpunkt berechnet werden. Weiterhin kann mit Hilfe der Mie-Theorie in der Partikelmesstechnik mit einfachen Methoden auf die Größe (d. h. den Durchmesser) und den Brechungsindex (d. h. die Brechzahl) eines mikroskopischen Partikels geschlossen werden. Das charakteristisch je nach Winkel im Raum schwankende Streulicht kann man auch als Interferenz der am Körper gebeugten Welle verstehen. Diese Intensitätsverteilung der Streuung im Raum kann aufgenommen werden. Daraus kann auf die Eigenschaften des Partikels zurück gerechnet werden.

Das Bestimmen der Materialeigenschaft kann somit ein Betrachten eines Anteils des Streumusters umfassen, welcher eine Mie-Streuung beschreibt. Basierend auf diesem Anteil kann beispielsweise entweder durch vorherige Kalibrierung oder durch exaktes zurückrechnen die Materialeigenschaft (beispielsweise ein Durchmesser eines Streukörpers der Isolierschicht) bestimmt werden. Vorherige Kalibrierung bedeutet hierbei, dass eine oder mehrere Eigenschaften (z. B. charakteristische Eigenschaften wie beispielsweise die relative oder absolute Intensität unter einem oder mehreren vorbestimmten Raumwinkeln) der Streuverteilung erfasst werden und auf Grundlage einer Tabelle oder eines Zusammenhangs in Form einer Formel von dieser Eigenschaft bzw. diesen Eigenschaften auf die Materialeigenschaft geschlossen wird.

Die Bestrahlung kann so erfolgen, dass mehrere Streukörper von dem Licht getroffen werden und somit eine Streuung an mehreren Streukörpern erfolgt. Bei der Streuverteilung kann es sich somit um eine Überlagerung mehrerer Streuverteilungen handeln. Dadurch kann bei der Auswertung der Streuverteilung ein Mittelwert der Materialeigenschaft bestimmt werden.

Es kann sich bei den Streukörpern der Isolierschicht um Blasen handeln. Die Blasen können mit Gas gefüllt sein. Genauer gesagt können die Blasen mit Gas gefüllt sein, welches zum Aufschäumen der Isolierschicht während der Fertigung des Kabels verwendet wird. Mehrere Blasen der Isolierschicht können gleichzeitig zu der detektieren Streuverteilung beitragen. In diesem Fall kann beispielsweise ein mittlerer Durchmesser der Blasen und/oder ein mittlerer Gasanteil in der Isolierschicht bestimmt werden. Ferner kann eine Anzahl der Blasen in einem vorbestimmten Volumenbereich bestimmt werden, woraus sich eine Dichte der Blasen (oder Blasendichte) in der Verschäumung ermitteln lässt.

Das Verfahren kann ferner umfassen: Bestrahlen der Isolierschicht mit Licht eines weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs und ortsabhängiges Detektieren eines weiteren Streumusters, welches durch Streuung des Lichts des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs an der Isolierschicht des Kabels hervorgerufen wird. Das Bestimmen der Materialeigenschaft der Isolierschicht kann basierend auf dem detektierten Streumuster des Lichts des vorbestimmten Wellenlängenbereichs und basierend auf dem detektierten Streumuster des Lichts des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs durchgeführt werden.

Das Bestrahlen der Isolierschicht mit Licht eines weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs kann beispielsweise zeitlich nach dem Bestrahlen mit Licht des vorbestimmten Wellenlängenbereichs erfolgen. Es können jedoch auch geeignete Farbfilter verwendet werden, sodass die Isolierschicht gleichzeitig mit Licht des vorbestimmten Wellenlängenbereichs sowie mit Licht des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereich bestrahlt werden kann und die beiden Streumuster durch geeignete Farbfilter voneinander separiert werden. Hierbei können übliche optische Kurzpassfilter, Langpassfilter und/oder Bandpassfilter verwendet werden.

Neben dem Licht des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereich kann zusätzlich eine Bestrahlung mit einem oder mehreren noch weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichen erfolgen und dementsprechend noch weitere Streumuster für diese vorbestimmten Wellenlängenbereiche erzeugt und ausgewertet werden. Somit kann die Isolierschicht beispielsweise mit rotem, grünem und/oder blauem Licht bestrahlt werden. Dementsprechend kann ein rotes, ein grünes und/oder ein blaues Streumuster detektiert werden.

Es kann beispielsweise ein Differenzbild des Streumusters des Lichts des vorbestimmten Wellenlängenbereichs und Streumusters des Lichts des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs erstellt werden. Auf Grundlage dieses Differenzbilds kann ein von einer Mie-Streuung hervorgerufener Anteil separiert werden.

In einem Beispiel kann ein „rotes Streumuster“ (d. h., ein Streumuster, hervorgerufen durch Licht in einem roten Wellenlängenbereich), ein „grünes Streumuster“ (d. h., ein Streumuster, hervorgerufen durch Licht in einem grünen Wellenlängenbereich) und ein blaues Streumuster (d. h., ein Streumuster, hervorgerufen durch Licht in einem blauen Wellenlängenbereich) erfasst werden. Anschließend kann ein Differenzbild (d. h. Differenz zwischen den Intensitätswerten der jeweiligen Streuverteilungen) zwischen dem roten und dem grünen Streumuster und ein Differenzbild zwischen dem blauen und dem grünen Streumuster erzeugt werden. Auf Grundlage der beiden Differenzbilder kann eine Größenselektion der Streukörper stattfinden. Anders ausgedrückt, kann auf Grundlage der Differenzbilder eine Aussage über den Durchmesser der Streukörper (z. B. von Blasen) erfolgen, da die beiden Differenzbilder Informationen über Streuung von Licht mit einer kurzen Wellenlänge (blau) und Streuung von Licht mit einer langen Wellenlänge (rot) enthalten.

Das Verfahren kann ferner umfassen: Bestimmen eines Anteils des Streumusters, welcher eine Mie-Streuung darstellt und Bestimmen eines Anteils des weiteren Streumusters, welcher eine Mie-Streuung darstellt, wobei das Bestimmen der Materialeigenschaft basierend auf den jeweiligen Anteilen, welche jeweils eine Mie-Streuung darstellen, durchgeführt wird.

Für die Messung kann die Isolierschicht somit mit Licht in unterschiedlichen Wellenlängen beleuchtet werden. Verteilungsmuster, die innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs liegen, können separiert werden. Der Anteil, dessen Intensität bei allen vorbestimmten Wellenlängenbereichen (d. h. bei allen Farben) zu einer Mie-Verteilung passt, kann zur Auswertung herangezogen werden. Der verbleibende Anteil kann beispielsweise verworfen werden.

Das Verfahren kann ferner umfassen Aufschäumen der Isolierschicht mit Gas, wodurch Blasen in der Isolierschicht erzeugt werden, welche als Streukörper für die Streuung des Lichts dienen, und Anpassen eines Gasstroms für das Aufschäumen der Isolierschicht, basierend auf der bestimmten Materialeigenschaft.

Durch das Anpassen des Gasstroms kann ein Gasanteil in der Isolierschicht verringert werden. Der Gasstrom kann beispielsweise erhöht oder verringert werden, wenn sich die Materialeigenschaft außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs befindet. Ferner kann der Gasstrom konstant gehalten werden, wenn sich die Materialeigenschaft innerhalb des Toleranzbereichs befindet.

Das Kabel kann einen nichtmetallischen, dielektrischen Innenleiter umfassen. Bei dem dielektrischen Innenleiter kann es sich um einen dielektrischen Wellenleiter handeln.

Die Isolierschicht kann beispielsweise aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET) gebildet sein. Als Gas zum Aufschäumen des Materials der Isolierschicht kann beispielsweise Stickstoff oder CO2 verwendet werden.

Das Verfahren kann ferner umfassen Bestimmen einer Permittivität der Isolierschicht basierend auf der bestimmten Materialeigenschaft.

Aufgrund vorheriger Kalibrierungsmessungen kann bekannt sein, wie die Materialeigenschaft mit der Permittivität der Isolierschicht zusammenhängt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen linearen Zusammenhang handeln, welcher durch eine Formel ausgedrückt werden kann. Ferner kann eine Tabelle verwendet werden. Mithilfe der Formel oder der Tabelle kann von der Materialeigenschaft direkt auf einen Wert für die Permittivität der Isolierschicht geschlossen werden. Die Permittivität kann beispielsweise als absolute Permittivität in F/m angegeben werden oder als relative Permittivität, d. h. als dimensionsloses Verhältnis der Permittivität der Isolierschicht zur Permittivität des Vakuums.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels. Die Vorrichtung umfasst eine Bestrahlungseinheit zum Bestrahlen einer Isolierschicht eines Kabels mit Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs, eine Detektionseinheit zum ortsabhängigen Detektieren eines Streumusters, welches durch Streuung des Lichts an der Isolierschicht des Kabels hervorgerufen wird, und eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist zum Bestimmen einer Materialeigenschaft der Isolierschicht basierend auf dem detektierten Streumuster.

Die oben im Hinblick auf das Verfahren erwähnten Details können ebenso auf den Aspekt der Vorrichtung zutreffen. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, einen oder mehrere der oben erwähnten Verfahrensschritte durchzuführen.

Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, wenn das Streumuster zumindest anteilig ein Streumuster einer Mie-Streuung darstellt, einen Durchmesser und/oder eine Brechzahl von Streukörpern der Isolierschicht basierend auf dem Streumuster der Mie-Streuung zu bestimmen.

Die Bestrahlungseinheit kann eingerichtet sein zum Bestrahlen der Isolierschicht mit Licht eines weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs. Die Detektionseinheit kann eingerichtet sein zum ortsabhängigen Detektieren eines weiteren Streumusters, welches durch Streuung des Lichts des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs an der Isolierschicht des Kabels hervorgerufen wird. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein zum Bestimmen der Materialeigenschaft der Isolierschicht basierend auf dem detektierten Streumuster des Lichts des vorbestimmten Wellenlängenbereichs und basierend auf dem detektierten Streumuster des Lichts des weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichs.

Die Steuereinheit kann eingerichtet sein zum Bestimmen eines Anteils des Streumusters, welcher eine Mie-Streuung darstellt und Bestimmen eines Anteils des weiteren Streumusters, welcher eine Mie-Streuung darstellt. Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein zum Bestimmen der Materialeigenschaft basierend auf den jeweiligen Anteilen, welche jeweils eine Mie-Streuung darstellen.

Die Vorrichtung kann ferner umfassen eine Aufschäumeinheit zum Aufschäumen der Isolierschicht mit Gas und zum Erzeugen von Blasen in der Isolierschicht, welche dazu geeignet sind, als Streukörper für die Streuung des Lichts zu dienen, und eine Anpassungseinheit, welche eingerichtet ist zum Anpassen eines Gasstroms für das Aufschäumen der Isolierschicht, basierend auf der bestimmten Materialeigenschaft.

Die Steuereinheit kann eingerichtet sein zum Bestimmen einer Permittivität der Isolierschicht basierend auf der bestimmten Materialeigenschaft.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren erläutert. Es stellen dar:

  • 1: eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt; und
  • 2: eine schematische Darstellung einer charakteristischen Intensitätsverteilung der Mie-Streuung.

Die 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels. Die Vorrichtung umfasst eine Bestrahlungseinheit 1, eine Detektionseinheit 3 und eine Steuereinheit 5.

Die Bestrahlungseinheit 1 ist dazu eingerichtet, ein Kabel 7 mit Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu bestrahlen. Das Kabel 7 umfasst mindestens eine Isolierschicht und mindestens einen Innenleiter, welcher beispielsweise in der Mitte des Kabels 7 entlang einer Hauptachse 9 des Kabels 7 verläuft (in der Darstellung der 1 entlang der x-Richtung). Die Isolierschicht und der Innenleiter des Kabels 7 sind in der 1 nicht gesondert dargestellt.

Es kann von dem Fachmann jedoch leicht erkannt werden, dass eine Vielzahl verschiedener Kabeltypen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, welche eine beliebige Anzahl und Anordnung von Innenleitern und eine beliebige Anzahl und Anordnung von Isolierschichten aufweisen können. Wichtig ist lediglich, dass das von der Bestrahlungseinheit 1 abgestrahlte Licht die zu vermessende Isolierschicht trifft, sodass das Licht an der Isolierschicht gestreut wird. Insbesondere kann das Kabel 7 ein Kabel mit mindestens einem nichtmetallischen Innenleiter sein. Bei dem Innenleiter kann es sich beispielsweise um einen dielektrischen Wellenleiter handeln. Es können auch mehrere nichtmetallische, dielektrische Innenleiter vorgesehen sein, welche beispielsweise jeweils von einer eigenen Isolierschicht umgeben sind. Der Innenleiter bzw. die Innenleiter des Kabels sind in der beschriebenen Ausführungsform transparent für das von der Bestrahlungseinheit 1 emittierte Licht.

Die Bestrahlungseinheit 1 strahlt das Licht in y-Richtung auf eine Isolierschicht des Kabels 7 ab, wobei das Licht an der Isolierschicht (genauer gesagt an Streukörpern 11 der Isolierschicht) gestreut wird, wie in der 1 durch Pfeile angedeutet ist. In der Vorrichtung der 1 umfasst die Bestrahlungseinheit 1 drei unterschiedliche Lichtquellen, welche jeweils für die Erzeugung von Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs eingerichtet sind. Hierbei kann beispielsweise eine rote LED, eine grüne LED und eine blaue LED vorgesehen sein.

Alternativ kann ein oder mehrere Laser verwendet werden, um Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bereitzustellen. Ferner kann weißes Licht verwendet werden, welches nacheinander von unterschiedlichen Farbfiltern gefiltert wird, sodass jeweils Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs auf das Kabel 7 trifft. Die Beleuchtung des Kabels mit dem Licht der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche erfolgt gemäß der in 1 dargestellten Vorrichtung zeitlich nacheinander. Alternativ kann jedoch eine Überlagerung des Lichts der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche (beispielsweise weißes Licht) in Richtung des Kabels 7 emittiert werden und ein Streumuster für jeden der Wellenlängenbereiche mithilfe geeigneter Farbfilter aus dem überlagerten Streumuster separiert werden. Somit können separate Streumuster für jeden der Wellenlängenbereiche aufgenommen und ausgewertet bzw. betrachtet werden.

Das gestreute Licht trifft auf die Detektionseinheit 3, von welcher ein Streumuster detektiert wird. Bei dem Streumuster handelt es sich um die Darstellung eines Ausschnitts der dreidimensionalen Intensitätsverteilung des an dem Streukörper 11 gestreuten Lichts. Details zu dem Streumuster werden nachfolgend im Zusammenhang mit 2 erläutert.

Die Detektionseinheit 3 ist somit dazu eingerichtet, ein Streumuster zu detektieren. Die Vorrichtung der 1 umfasst hierfür ein CCD-Array als Detektionseinheit 3, welches eine zweidimensionale Intensitätsverteilung detektieren kann.

Alternativ zu der ortsfesten Detektionseinheit 3 der 1 kann beispielsweise eine Detektionseinheit 3 vorgesehen sein, welche sich um das Streuzentrum, d. h. um den Streukörper 11, bewegen kann, um die räumliche Intensitätsverteilung der Streuung zu detektieren. Hierbei kann ein Detektor beispielsweise um die Hauptachse 9 des Kabels 7 rotieren

Die Steuereinheit 5 ist dazu eingerichtet, eine Materialeigenschaft der Isolierschicht basierend auf dem detektierten Streumuster zu bestimmen. Hierbei kann die Steuereinheit 5 beispielsweise dazu eingerichtet sein, von einer Mie-Streuung an dem Streukörper 11 auszugehen. Bei bekannter (d. h. in diesem Fall bei detektierter) Intensitätsverteilung kann für den Fall der Mie-Streuung exakt auf einen Durchmesser und eine Brechzahl des Streukörpers 11 zurück gerechnet werden. Somit kann die Steuereinheit 5 dazu eingerichtet sein, einen Durchmesser und/oder eine Brechzahl des Streukörpers 11 zu bestimmen.

Dies ist jedoch nicht zwangsläufig notwendig und es ist ausreichend, bestimmte charakteristische Eigenschaften des Streumusters zu betrachten und basierend auf diesen Eigenschaften Rückschlüsse auf eine Materialeigenschaft (beispielsweise den Durchmesser des Streukörpers 11 bzw. einen mittleren Durchmesser mehrerer Streukörper 11 oder eine Anzahl von Streukörpern 11 in einem vorbestimmten Volumen der Isolierschicht) zu machen.

Bei dem Streukörper 11 der Isolierschicht des Kabels 7 handelt es sich um eine Blase im Material der Isolierschicht, welche durch Aufschäumen der Isolierschicht mit einem Treibgas erzeugt wurde. Dadurch, dass die Steuereinheit 5 dazu eingerichtet ist, den Durchmesser dieser Blase zu bestimmen, können Rückschlüsse auf einen Gasgehalt innerhalb der Isolierschicht gemacht werden. Die Blasengröße bzw. der Gasgehalt bestimmen wiederum die Permittivität der Isolierschicht, welche während der Fertigung des Kabels 7 in einem vorbestimmten Toleranzbereich gehalten werden soll.

Obwohl in dieser Darstellung von einem einzigen Streukörper 11 gesprochen wird, kann das Licht an vielen Streukörpern 11 der Isolierschicht gestreut werden und das Streumuster entspricht hierbei einer Überlagerung der einzelnen Streumuster der Streuungen an den einzelnen Streukörpern 11. Aus diesem überlagerten Streumuster können ebenso Rückschlüsse auf einen mittleren Durchmesser der Streukörper 11 gezogen werden.

Wie oben geschildert wurde kann die Bestimmung der Materialeigenschaft der Isolierschicht dadurch erfolgen, dass die Materialeigenschaft (beispielsweise ein mittlerer Durchmesser der Streukörper 11) möglichst exakt bestimmt wird. Es kann jedoch für den Zweck der vorliegenden Erfindung ausreichend sein, lediglich eine Kenngröße als Materialeigenschaft anzugeben. Hierbei kann es sich in einem Extremfall um lediglich zwei Kenngrößen (beispielsweise 0 und 1) handeln, welche jeweils angeben, dass sich die eine physikalische Größe in einem vorbestimmten Toleranzbereich befindet (1) oder dass sich die physikalische Größe außerhalb des Toleranzbereichs befindet (0).

Beispielsweise kann auf Grundlage einer vorherigen Kalibrierung festgestellt werden, welche charakteristischen Eigenschaften ein Streumuster aufweist, wenn sich die zu bestimmende Materialeigenschaft innerhalb eines Toleranzbereichs befindet. Bei anschließenden Messungen des Streumusters kann festgestellt werden, ob das Streumuster diese charakteristischen Eigenschaften aufweist oder nicht und auf Grundlage der Feststellung kann darauf geschlossen werden, ob sich die Materialeigenschaft innerhalb des Toleranzbereichs befindet oder nicht.

Wenn beispielsweise die Permittivität der Isolierschicht in einem vorbestimmten Toleranzbereich gehalten werden soll, so können vorbestimmte charakteristische Eigenschaften des Streumusters analysiert werden, welche ein Hinweis darauf sind, ob sich die Permittivität innerhalb des Toleranzbereichs befindet oder nicht. Befindet sich die Materialeigenschaft (beispielsweise die Permittivität) nicht im gewünschten Toleranzbereich, können entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, wie anschließend noch beschrieben wird.

Wie oben bereits beschrieben wurde, ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, Streumuster für unterschiedliche vorbestimmte Wellenlängenbereiche zu erzeugen und diese auszuwerten. Durch den Einsatz unterschiedlicher Wellenlängenbereiche kann der Anteil der Mie-Streuung separiert werden. Anders ausgedrückt kann durch die Betrachtung von Streumustern für unterschiedliche Wellenlängenbereiche die Messung jeweils auf Blasen (d. h. Streukörper 11) einer bestimmten Größenklasse beschränkt werden.

Hierbei ist zu beachten, dass die Mie-Streuung lediglich für Streukörper 11 auftritt, welche ein bestimmtes Verhältnis zu der Wellenlänge des streuenden Lichts aufweisen. Für kleine Objekte (Objektdurchmesser kleiner ca. 0,2 mal die Wellenlänge) kann die Mie-Streuung durch die Rayleigh-Streuung approximiert werden, für große Objekte (Objektdurchmesser größer ca. 2 bis 10 mal die Wellenlänge) nähert sich die Mie-Theorie der klassischen (geometrischen) Lösung der Brechung an einer Kugel an. Daher spricht man häufig von Mie-Streuung, wenn sich der Objektdurchmesser in diesem Grenzbereich zwischen Rayleigh-Streuung und klassischer Streuung befindet.

Die Steuereinheit 5 kann somit dazu eingerichtet sein, aus der Streuverteilung für den jeweiligen Wellenlängenbereich einen Anteil zu separieren, der einer Mie-Streuung entspricht, wobei gewährleistet werden kann, dass dieser Mie-Anteil für den jeweiligen Wellenlängenbereich durch Streuung an Streukörpern 11 einer bestimmten Größenklasse (nämlich ca. 0,2 bis 10 mal die Wellenlänge) entstanden ist. Durch die Betrachtung von mehreren Streumustern für unterschiedliche vorbestimmte Wellenlängenbereiche kann somit bereits eine Aussage über den Durchmesser der Streukörper 11 (d. h. den Durchmesser der Blasen in der Isolierschicht) getroffen werden.

Ferner kann die Steuereinheit 5 dazu eingerichtet sein, wie im Folgenden beschrieben, Differenzbilder zu erzeugen und auszuwerten. Auf Grundlage des von der Bestrahlungseinheit 1 ausgestrahlten Lichts unterschiedlicher Wellenlängen wird ein „rotes Streumuster“ (d. h., ein Streumuster, hervorgerufen durch Licht in einem roten Wellenlängenbereich), ein „grünes Streumuster“ (d. h., ein Streumuster, hervorgerufen durch Licht in einem grünen Wellenlängenbereich) und ein blaues Streumuster (d. h., ein Streumuster, hervorgerufen durch Licht in einem blauen Wellenlängenbereich) erfasst. Anschließend wird ein Differenzbild (d. h. Differenz zwischen den Intensitätswerten der jeweiligen Streuverteilungen) zwischen dem roten und dem grünen Streumuster und ein Differenzbild zwischen dem blauen und dem grünen Streumuster erzeugt. Auf Grundlage der beiden Differenzbilder findet eine Größenselektion der Streukörper statt. Anders ausgedrückt, erfolgt auf Grundlage der Differenzbilder eine Aussage über den Durchmesser der Blasen, da die beiden Differenzbilder Informationen über Streuung von Licht mit einer kurzen Wellenlänge (blau) und Streuung von Licht mit einer langen Wellenlänge (rot) enthalten.

Die in der 1 dargestellte Vorrichtung kann wie folgt während der Fertigung des Kabels 7 eingesetzt werden. Während der Fertigung des Kabels 7 bewegt sich dieses in x-Richtung und die Isolierschicht des Kabels 7 wird hierbei durch eine Aufschäumeinheit 13 mit einem Treibgas aufgeschäumt, sodass in der Isolierschicht Blasen entstehen, welche bei der späteren Bestrahlung der Bestrahlungseinheit 1 als Streukörper 11 dienen können. Die Aufschäumeinheit 13 ist in Fertigungsrichtung des Kabels 7 (x-Richtung) stromaufwärts von der Bestrahlungseinheit 1 angeordnet.

Die Steuereinheit 5 ist kommunikativ mit der Bestrahlungseinheit 1, der Detektionseinheit 3 und der Aufschäumeinheit 13 verbunden. Hierbei fungiert die Steuereinheit 5 auch als Anpassungseinheit, wie im Folgenden beschrieben wird. Durch die Aufschäumeinheit 13 wird ein vorbestimmter Gasstrom zum Aufschäumen der Isolierschicht des Kabels 7 verwendet, wobei der Gasstrom ausschlaggebend dafür ist, wie stark die Isolierschicht aufgeschäumt wird, d. h. wie viele Blasen in der Isolierschicht (pro Volumeneinheit) erzeugt werden, wie groß die Blasen in der Isolierschicht werden und welchen Wert eine Permittivität der Isolierschicht einnimmt.

Wie oben geschildert wurde, ist die Steuereinheit 5 dazu eingerichtet, eine Materialeigenschaft der Isolierschicht zu bestimmen, wobei die Materialeigenschaft Rückschlüsse auf die Permittivität der Isolierschicht zulässt. Wenn sich die Materialeigenschaft innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs befindet, so wird der Gasstrom der Aufschäumeinheit 13 konstant gehalten. Wenn jedoch die Materialeigenschaft den vorbestimmten Toleranzbereich verlässt, so wird der Gasstrom der Aufschäumeinheit 13 von der Anpassungseinheit 5 so angepasst (d. h. erhöht oder erniedrigt), dass sich die Materialeigenschaft wieder im vorbestimmten Toleranzbereich befindet. Es kann somit ein geschlossener Regelkreis vorgesehen sein.

Durch das oben geschilderte Verfahren kann gewährleistet werden, dass eine Materialeigenschaft der Isolierschicht des Kabels 7 in einem vorbestimmten Toleranzbereich bleibt. Hierdurch kann beispielsweise gewährleistet werden, dass die Permittivität der Isolierschicht des Kabels 7 konstant auf einem gewünschten Wert gehalten wird.

Die 2 zeigt einen Querschnitt einer typischen Intensitätsverteilung im Rahmen einer Mie-Streuung. Hierbei befindet sich der Streukörper am Kreuzungspunkt der horizontalen und vertikalen Achse und die Intensitätsverteilung wird von einer Linie konstanter Intensität dargestellt. In der Darstellung der 2 trifft Licht von links auf den Streukörper, was aufgrund der Mie-Streuung zu einer winkelabhängigen Intensitätsverteilung führt, wie sie in der 2 dargestellt ist. Die Intensität I ist hierbei auf eine logarithmische Achse aufgetragen.

Wie oben bereits geschildert wurde, kann die Steuereinheit 5 dazu eingerichtet sein, aus einem Streumuster, welches dem einer Mie-Verteilung entspricht, eine Materialeigenschaft der Isolierschicht abzuleiten. Ferner kann die Steuereinheit 5 dazu eingerichtet sein, auf Grundlage der zu erwartenden Mie-Verteilung (gemäß 2) aus dem detektierten Streumuster eine Mie-Verteilung zu separieren.

Wie im Zusammenhang mit den obigen Ausführungsbeispielen geschildert wurde, stellt die vorliegende Technik eine Möglichkeit dar, auf einfache und unkomplizierte Weise eine Materialeigenschaft einer Isolierschicht eines Kabels zu bestimmen. Insbesondere ist es hierbei nicht erforderlich, dass das Kabel einen metallischen Innenleiter aufweist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 19809890 C1 [0004]