Brevet FR3095700A1 — publié le 20201106

Description Titre de l'invention : Procédé de détection de défauts non francs dans un câble par analyse en composantes principales [0001] L'invention concerne le domaine des systèmes de diagnostic filaires basés sur le principe de la réflectométrie. Elle a pour objet un procédé de détection de défauts non francs dans un câble utilisant plusieurs signaux de test à différentes fréquences et une analyse en composantes principales. [0002] Un objectif de l'invention est (l'exploiter une diversité en fréquence des signaux de test pour évaluer le meilleur choix de fréquence en fonction des caractéristiques du câble et du défaut à détecter. [0003] Les câbles sont omniprésents dans tous les systèmes électriques, pour l'alimentation ou la transmission d'information. Ces câbles sont soumis aux mêmes contraintes que les systèmes qu'ils relient et peuvent être sujets à des défaillances. H est donc nécessaire de pouvoir analyser leur état et d'apporter des informations sur la détection de défauts, mais aussi leur localisation et leur type, afin d'aider à la maintenance. Les méthodes de réflectométrie usuelles permettent ce type de test. [0004] Les méthodes de réflectométric utilisent un principe proche de celui du radar - un signal électrique, le signal de sonde ou signal de référence, qui est le plus souvent de haute fréquence ou large bande, est injecté en un ou plusieurs endroits du câble à tester. Le signal se propage dans le câble ou le réseau et renvoie unc partie de son énergie lorsqu'il rencontre unc discontinuité électrique. Unc discontinuité électrique peut résulter, par exemple, d'un branchement, de la fin du câble ou d'un défaut ou plus généralement d'une rupture des conditions de propagation du signal dans le câble. Elle résulte le plus souvent d'un défaut qui modifie localement l'impédance caractéristique du câble en provoquant une discontinuité dans ses paramètres linéiques. [0005] L'analyse des signaux renvoyés au point d'injection permet d'en déduire des in- formations sur la présence et la localisation de ces discontinuités, donc des défauts éventuels. Une analyse dans le domaine temporel ou fréquentiel est habituellement réalisée. Ces méthodes sont désignées par les acronymes TDR venant de l'expression anglo-saxonne « Time Domain Reflectometry » et FDR venant de l'expression anglo-saxonne « Frequency Domain Reflectometry ». [0006] L'invention entre dans le champ d'application des méthodes de réflectométrie pour le diagnostic filaire et s'applique à tout type de câble électrique, en particulier des câbles de transmission d'énergie ou des câbles de communication, dans des installations fixes ou mobiles. Les câbles concernés peuvent être coaxiaux, bifilaires, en lignes parallèles, en paires torsadées ou autre pourvu qu'il soit possible d'y injecter un signal de réflec- 2 tométrie en un point du câble et de mesurer sa réflexion au même point ou en un autre point. [0007] Les méthodes de réflectométric TDR et FDR ainsi que les méthodes dérivées de ces dernières telles que la méthode MCTDR (Multi-Carrier Time Domain Reflectometry) ou OMTDR (Orthogonal Multi-tone Ti me Domain Reflectometry) ont prouvé leur efficacité dans la détection et la localisation de défauts francs, c'est-à-dire des défauts qui impactent significativement l'impédance caractéristique locale d'un câble, par exemple des défauts associés à une détérioration du matériau diélectrique constituant le câble. [0008] Au contraire, lorsqu'il s'agit de détecter et localiser la présence de défauts non francs, c'est-à-dire des défauts superficiels, ces méthodes sont relativement limitées. Cette difficulté est duc au fait qu'un défaut non franc se traduit par une très faible variation d'impédance caractéristique et un coefficient de réflexion également très faible. Par conséquent, un signal se réfléchissant sur un tel défaut non franc engendrera une réflexion d'amplitude très faible par rapport à l'amplitude d'une réflexion identique sur un défaut franc. Le pic d'amplitude, encore appelé signature, du défaut non franc peut donc être noyé dans le bruit de mesure ou masqué par un défaut franc adjacent. [0009] Un défaut non franc introduit généralement une modification locale des caracté- ristiques électriques d'une ligne de transmission, par exemple d'un câble. La dégradation physique, même superficielle, de la ligne cntraine en particulier une modification locale de l'impédance caractéristique du câble, ce qui a pour conséquence la modification du coefficient de réflexion à l'endroit du défaut. [0010] Le terme défaut non franc vise ici tout défaut impactent superficiellement un câble de sorte à engendrer une variation de l'impédance caractéristique localement. En particulier, de tels défauts incluent une éraflure ou une usure de la gaine, du diélectrique mais aussi le début de la dégradation du conducteur métallique, la compression d'un câble, le frottement ou encore la corrosion. Ces dégradations peuvent, au premier abord, sembler bénignes et sans répercussions notables pour le système. Cependant, si rien n'est fait, les contraintes mécaniques, environnementales ou encore le vieillissement du câble, feront évoluer un défaut non franc vers un défaut franc, dont les conséquences, tant économiques que matérielles, peuvent être considérables. Détecter les défauts naissants permet une meilleure gestion de la maintenance et donc une réduction des coûts de réparation. [0011] Par ailleurs, un paramètre important pour les méthodes de réflectométrie temporelle concerne le choix de la largeur de bande passante fréquentielle du signal de test utilisé. En effet, ce paramètre a une incidence directe sur la capacité à détecter un défaut non franc ainsi que sur la précision de détection. D'un côté, lorsque la durée de l'impulsion du signal de test est supérieure à la durée que met le signal pour traverser le défaut 3 (cette durée étant liée à la longueur du défaut), la signature du défaut peut être rendue invisible sur le réflectogramme. Ainsi, un signal de test ayant une bande fréquentielle trop étroite ne permet pas de détecter des défauts de largeur trop importante. A l'inverse, un signal de test ayant une bande fréquentielle trop élevée présente l'inconvénient d'une atténuation plus importante du signal, notamment pour des câbles de longueur importante. Ainsi, la détection d'un écho dans le signal réfléchi est rendue plus délicate du fait de cette atténuation. [0012] On voit donc qu'un compromis doit être trouvé pour sélectionner la bande de fréquence la plus optimale pour le signal de test en fonction des caractéristiques du câble à analyser et du type de défaut que l'on souhaite détecter. [0013] Typiquement, la mise en oeuvre d'une méthode de réflectométrie temporelle implique l'injection dans le câble d'un seul signal de test ayant une bande passante fréquentielle donnée. Si la bande passante du signal de test n'est pas adaptée aux défauts présents sur le câble, ceux-ci ne seront pas détectés. [0014] Il existe donc un besoin pour une méthode permettant d'adapter la bande passante du signal de test pour prendre en compte la variabilité des caractéristiques des câbles et des défauts à analyser de manière à améliorer la détection des défauts de natures diverses, en particulier les défauts non francs. [0015] La littérature contient différentes publications décrivant des méthodes de détection de défauts par réflectométrie pour des câbles ou réseaux de câbles. On peut citer notamment les références [1] et [2]. Plus particulièrement, des méthodes adaptées à la détection de défauts non francs sont décrites dans les références [3]-[6]. [0016] Cependant, aucune de ces méthodes n'adresse la problématique du choix de la bande passante du signal de test à utiliser. [0017] Le document [7] décrit une méthode qui combine une approche par réflectométrie et un réseau de neurones artificiels pour résoudre un problème inverse qui consiste à détecter des défauts à partir du réflectogramme temporel. [0018] Globalement, l'état de l'art ne contient pas de solution permettant de sélectionner de façon adaptative la bande passante du signal de test en fonction des caractéristiques du câble et des défauts à analyser. [0019] L'invention propose une méthode basée sur une analyse en composantes principales d'une variable multidimensionnelle composée de plusieurs réflectogrammes résultants de tests par réflectométrie avec des signaux de bandes passantes différentes. [0020] L'invention permet d'une part d'améliorer la capacité de détection d'un défaut en ex- ploitant conjointement plusieurs mesures de réflectométrie à différentes fréquences. D'autre part, l'invention permet de sélectionner la bande de fréquences la plus optimale pour la surveillance continue de l'état d'un câble ou pour l'analyse d'un câble de même nature que celui utilisé pour mettre en oeuvre l'invention. [0021] L'invention a pour objet un procédé de détection de défauts non francs dans une ligne de transmission comprenant les étapes de : [0022] Définir plusieurs signaux de test ayant chacun une bande spectrale de fréquence maximale différente, l'ensemble des signaux de test formant une première variable multidimensionnelle, Appliquer à la première variable multidimensionnelle, une analyse en composantes principales pour déterminer un modèle de la ligne de transmission à partir des mesures de signaux caractéristiques de la réflexion desdits signaux de test préalablement injectés dans la ligne à un instant initial, chaque mesure étant appelée réflectogramme temporel, Acquérir plusieurs réflectogrammes temporels correspondants auxdits signaux de test préalablement injectés dans la ligne à un instant courant de sorte à former une seconde variable multidimensionnelle, Déterminer au moins une erreur de prédiction entre la seconde variable multidimensionnelle et une projection de la seconde variable multidimensionnelle sur un espace défini par le modèle de la ligne de transmission à l'instant initial, Comparer l'au moins une erreur de prédiction à un seuil de détection de défauts et en déduire l'existence d'un défaut lorsqu'au moins une erreur de prédiction dépasse un seuil de détection de défauts pour au moins un échantillon de la variable multidimensionnelle. [0023] Selon un aspect particulier de l'invention, l'espace défini par le modèle de la ligne de transmission à l'instant initial est un sous espace principal ou un sous espace résiduel défini par l'analyse en composantes principales. [0024] Selon un aspect particulier de l'invention, l'erreur de prédiction est prise parmi une erreur du type erreur de prédiction quadratique ou une erreur du type statistique de Hotelling T2. [0025] Selon un aspect particulier de l'invention, l'état initial de la ligne est un état pour lequel la ligne ne présente aucun défaut. [0026] Selon une variante particulière, le procédé comprend l'étape de, pour chaque échantillon de la variable multidimensionnelle pour lequel l'erreur de prédiction dépasse un seuil de détection, déterminer une contribution relative de chaque fréquence à cet échantillon. [0027] Selon une variante particulière, le procédé comprend une étape de sélection d'au moins une fréquence parmi les fréquences qui contribuent le plus aux échantillons pour lesquels un défaut est détecté. [0028] Selon un aspect particulier de l'invention, le seuil de détection de défauts est un seuil de confiance déterminé à partir du modèle obtenu par l'analyse en composantes principales. [0029] Selon un aspect particulier de l'invention, les signaux de test sont des impulsions temporelles de fréquence maximale variable. [0030] Selon un aspect particulier de l'invention, les signaux de test sont des signaux multi- porteuses de fréquence maximale variable. [0031] Selon un aspect particulier de l'invention, l'acquisition d'un réflectogramme temporel comprend la corrélation de la mesure du signal caractéristique de la réflexion d'un signal de test préalablement injecté dans la ligne et d'un signal de test. [0032] L'invention a aussi pour objet un dispositif pour l'analyse d'un câble comprenant un appareil de mesure, en un point du câble, d'un signal réfléchi dans le câble et un calculateur configuré pour exécuter le procédé de détection de défauts non francs selon l' invention. [0033] L'invention a encore pour objet un programme d'ordinateur comportant des ins- tructions pour l'exécution du procédé de détection de défauts non francs dans un câble selon l'invention, lorsque le programme est exécuté par un processeur, ainsi qu'un support d'enregistrement lisible par un processeur sur lequel est enregistré un programme comportant des instructions pour l'exécution du procédé de détection de défauts non francs dans un câble selon l'invention, lorsque le programme est exécuté par un processeur. [0034] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés qui représentent : [0035] [Fig. 1] représente un schéma illustrant le principe connu de la réflectométrie temporelle et son application à la détection d'un défaut non franc, [Fig. 2] représente un exemple de réflectogramme illustrant l'allure de la signature d'un défaut non franc, [Fig. 3] représente un organigramme détaillant les étapes de mise en oeuvre d'un procédé de détection de défauts selon l'invention, [Fig. 4] représente un exemple de mesures de réflectométrie pour un premier type de défaut, [Fig. 4a] représente un schéma d'un exemple de défaut sur la gaine d'un câble, [Fig. 5] représente un exemple de mesures de réflectométrie pour un deuxième type de défaut, [Fig. 6] représente un exemple de mesures de réflectométrie pour un troisième type de défaut, [Fig. 7] représente un diagramme d'un premier type d'erreurs de prédiction obtenues pour les mesures des figures 4,5 et 6, [Fig. 8] représente un diagramme d'un second type d'erreurs de prédiction 6 obtenues pour les mesures des figures 4,5 et 6, [Fig. 9] représente un diagramme des contrihutions des différentes mesures pour un défaut détecté à partir du premier type d'erreurs de prédiction, [Fig. 10] représente un diagramme des contrihutions des différentes mesures pour un défaut détecté à partir du second type d'erreurs de prédiction, [Fig. 11] représente un exemple de dispositif de détection de défauts selon [0036] La figure 1 schématise, pour rappel, le principe de fonctionnement d'une méthode de diagnostic par réflectométrie appliquée à une ligne de transmission L présentant un défaut non-franc DNF. L'exemple décrit ci-dessous correspond à une méthode de réflectométrie temporelle. [0037] Un signal de référence S est injecté dans la ligne de transmission en un point P. Le signal réfléchi R est mesuré au même point P (ou en un autre point de la ligne). Ce signal se propage dans la ligne et rencontre, au cours de sa propagation, une première discontinuité d'impédance à l'entrée du défaut non franc DNF. Lc signal se réfléchit sur cette discontinuité avec un coefficient de réflexion 1' . Si l'impédance caractéristique Z,-2 dans la zone du défaut non franc DNF est inférieure à l'impédance caractéristique Z st avant l'apparition du défaut, alors le coefficient de réflexion LI est négatif et se traduit par un pic d'amplitude négative dans le signal réfléchi R. Dans le cas inverse, le coefficient de réflexion 1.1 est positif et se traduit par un pic d'amplitude positive dans le signal réfléchi R. [0038] La partie transmise T du signal incident S continue de se propager dans la ligne et rencontre ensuite une deuxième discontinuité d'impédance créant une deuxième réflexion du signal incident avec un coefficient de réflexion 1 2 de signe opposé au premier coefficient de réflexion L1. Si 1 1 O. Si 1.1 > 0 alors 1.2 REVENDICATIONSProcédé de détection de défauts non francs dans une ligne de transmission (L) comprenant les étapes de : Définir (300) plusieurs signaux de test ayant chacun une bande spectrale de fréquence maximale différente, l'ensemble des signaux de test formant une première variable multidimensionnelle. Appliquer (302) à la première variable multidimensionnelle, une analyse en composantes principales pour déterminer un modèle de la ligne de transmission à partir des mesures de signaux caractéristiques de la réflexion desdits signaux de test préalablement injectés dans la ligne (L) à un instant initial, chaque mesure étant appelée réflectogramme temporel, Acquérir (303) plusieurs réflectogrammes temporels correspondants auxdits signaux de test préalablement injectés dans la ligne (L) à un instant courant de sorte à former une seconde variable multidimensionnelle, Déterminer (304) au moins une erreur de prédiction entre la seconde variable multidimensionnelle et une projection de la seconde variable multidimensionnelle sur un espace défini par le modèle de la ligne de transmission à l'instant initial, Comparer (305) l'au moins une erreur de prédiction à un seuil de détection de défauts et en déduire l'existence d'un défaut lorsqu'au moins une erreur de prédiction dépasse un seuil de détection de défauts pour au moins un échantillon de la variable multidimensionnelle. [Revendication 2] Procédé de détection de défauts non francs selon la revendication 1 dans lequel l'espace défini par le modèle de la ligne de transmission à l'instant initial est un sous espace principal ou un sous espace résiduel défini par l'analyse en composantes principales. [Revendication 3] Procédé de détection de défauts non francs selon l'une des reven- dications précédentes dans lequel l'erreur de prédiction est prise parmi une erreur du type erreur de prédiction quadratique ou une erreur du type statistique de Hotelling [Revendication 4] Procédé de détection de défauts non francs selon l'une des reven- 20 dications précédentes dans lequel l'état initial de la ligne est un état pour lequel la ligne ne présente aucun défaut. [Revendication 5] Procédé de détection de défauts non francs selon l'une des reven- dications précédentes comprenant l'étape de, pour chaque échantillon de la variable multidimensionnelle pour lequel l'erreur de prédiction dépasse un seuil de détection, déterminer (306) une contribution relative de chaque fréquence à cet échantillon. [Revendication 6] Procédé de détection de défauts non francs selon la revendication 5 comprenant une étape de sélection (306) d'au moins une fréquence parmi les fréquences qui contribuent le plus aux échantillons pour lesquels un défaut est détecté. [Revendication 7] Procédé de détection de défauts non francs selon l'une des reven- dications précédentes dans lequel le seuil de détection de défauts est un seuil de confiance déterminé à partir du modèle obtenu par l'analyse en composantes principales. [Revendication 8] Procédé de détection de défauts non francs selon l'une des reven- dications précédentes dans lequel les signaux de test sont des impulsions temporelles de fréquence maximale variable. [Revendication 9] Procédé de détection de défauts non francs selon l'une des reven- dications 1 à 7 dans lequel les signaux de test sont des signaux mufti-porteuses de fréquence maximale variable. [Revendication 10] Procédé de détection de défauts non francs selon la revendication 9 dans lequel l'acquisition (301,303) d'un réflectogramme temporel comprend la corrélation de la mesure du signal caractéristique de la réflexion d'un signal de test préalablement injecté dans la ligne (L) et d'un signal de test. [Revendication 11] Dispositif pour l'analyse d'un câble comprenant un appareil de mesure (MI), en un point du câble (CA), d'un signal réfléchi dans le câble et un calculateur (MC) configuré pour exécuter le procédé de détection de défauts non francs selon l'une des revendications précédentes. [Revendication 12] Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution du procédé de détection de défauts non francs dans un câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lorsque le programme est exécuté par un processeur. [Revendication 13] Support d'enregistrement lisible par un processeur sur lequel est en- registré un programme comportant des instructions pour l'exécution du procédé de détection de défauts non francs dans un câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lorsque le programme est exécuté par un processeur. 21