ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELECTRICAL LINE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к электрической линии в виде витой пары для соединения двух электрических устройств и к способу ее изготовления.
В процессе комплексного монтажа электрических устройств, например при производстве транспортных средств, строительстве зданий или сооружении промышленных установок, часто прокладывают множество электрических линий в тесном пространстве. Если в монтажную схему вносятся изменения, то есть имеющиеся устройства соединяются электрическими линиями друг с другом каким-либо иным образом, добавляется новое устройство или удаляется ранее установленное, то для получения правильных соединений часто требуется идентифицировать каждую электрическую линию в отдельности.
Идентифицировать электрические линии можно, например, по маркировке, нанесенной на их оболочку. Для этого обычно используют надписи и цветовое кодирование. Возможна также электрическая идентификация, при которой посредством электрической линии создается электрическая цепь. В одном варианте осуществления на одном конце электрической линии к двум ее проводникам подсоединяют генератор сигналов, а на другом конце - приемник сигналов. Вырабатываемый генератором сигнал может включать составляющую в виде постоянного напряжения или низкой частоты, в предпочтительном варианте - в звуковом диапазоне. По достижении сигналом приемника электрическая линия идентифицируется между обоими своими концами.
Соединение разных концов электрической линии в случае больших или труднодоступных монтируемых систем может быть связано со значительными затратами. Кроме того, в процессе идентификации электрической линии последняя, как правило, не может быть использована для обеспечения работы устройств, включенных в данную монтажную схему.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание электрической линии, обладающей улучшенной идентифицируемостью. Другой задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления электрической линии. Эти задачи решаются в настоящем изобретении посредством электрической линии, охарактеризованной в пункте 1 формулы изобретения, и способа ее изготовления, охарактеризованного в пункте 8 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Электрическая линия для соединения двух электрических устройств выполнена в виде витой пары и содержит первый участок с первым волновым сопротивлением и заданной первой длиной и второй участок со вторым волновым сопротивлением и заданной второй длиной. При этом первый участок граничит со вторым участком, а волновые сопротивления этих граничащих друг с другом участков отличаются друг от друга, вследствие чего в области граничащих друг с другом участков имеется изменение волнового сопротивления. При этом линия кодирована посредством места изменения волнового сопротивления с возможностью индивидуальной идентификации линии посредством рефлектометрии во временной области (с временным разрешением).
Место изменения волнового сопротивления можно обнаружить, например, метрологическим образом с помощью рефлектометрии во временной области. При этом можно определить общую длину линии и длину обоих участков. Если полученные и заданные значения длины искомой линии совпадают, то линия найдена.
Преимуществом настоящего изобретения является то, что в некоторых вариантах его осуществления электрическая линия может использоваться для соединения двух электрических устройств даже во время проведения описанной идентификации. Кроме того, эта идентификация может выполняться быстро и обычно требует лишь доступа к одному из концов электрической линии. В случае индивидуального кодирования линии посредством места изменения волнового сопротивления и достаточно прочного ее соединения с окружающей конструкцией можно проверить, находится ли в заданном месте конструкции какое-либо устройство, подключенное к линии. Следовательно, посредством описанной компоновки электрического соединения можно связать функционирование или использование устройства с окружающей конструкцией.
Электрическая линия может также содержать еще один или несколько других участков заданной длины, причем каждые два граничащих друг с другом участка имеют разные волновые сопротивления. Благодаря этому можно повысить надежность идентификации соединения. Кроме того, можно также идентифицировать электрическую линию, имеющую ответвление. Идентификацию электрической линии можно осуществлять на любом конце.
Если число участков превышает два, то пары граничащих друг с другом участков могут иметь волновые сопротивления, чередующиеся вдоль линии. Хотя с помощью рефлектометрии во временной области можно, сравнив интенсивность импульсов, определить изменение волнового сопротивления и в количественном отношении, все же нет необходимости выполнять идентификацию электрической линии на основе множества различных изменений волнового сопротивления. Напротив, достаточно поочередно использовать два разных волнового сопротивления вдоль электрической линии, благодаря чему можно упростить технологические аспекты производства этой линии и, следовательно, сэкономить на производственных затратах.
Электрическая линия может содержать два проходящих вдоль нее проводника, между которыми расположен диэлектрик, причем диэлектрики граничащих друг с другом участков линии обладают разными диэлектрическими проницаемостями. Тем самым обеспечивается возможность получения разных волновых сопротивлений у соседних участков электрической линии без изменения самой этой линии. Благодаря этому можно упростить технологические аспекты производства электрической линии на основе известного образца последней.
Один из диэлектриков может содержать частицы с высокой диэлектрической проницаемостью. Наличие таких частиц может приводить к изменению диэлектрической проницаемости диэлектрика, поэтому волновое сопротивление линии в области диэлектрика можно целенаправленно регулировать путем добавления частиц.
Вдоль обоих участков можно смешать друг с другом в разных пропорциях две среды с разными диэлектрическими проницаемостями, вследствие чего диэлектрическая проницаемость вдоль этих участков будет зависеть от пропорции компонентов смеси.
Проводники предпочтительно свивают (скручивают) друг с другом. Свитые электрические проводники требуют меньше затрат при изготовлении и демонстрируют параметры передачи сигналов, подходящие для многих применений. Диэлектрик может быть размещен в области проводников во время или после изготовления электрической линии. Поэтому средства идентификации электрической линии можно выборочно приводить в соответствие с требованиями или изменять до, во время и лишь после прокладки этой линии согласно монтажной схеме.
В предпочтительном варианте осуществления длина области граничащих друг с другом участков несколько меньше диаметра электрической линии. Тем самым можно обеспечить достаточно крутой фронт отраженного импульса в области изменения волнового сопротивления между граничащими друг с другом участками, что позволяет получить однозначный результат измерения. Благодаря этому можно повысить идентифицируемость электрической линии.
Способ изготовления предлагаемой в изобретении электрической линии включает этапы подготовки двух проходящих вдоль линии проводников, подготовки нескольких диэлектриков с разными диэлектрическими проницаемостями и размещения диэлектриков между проводниками на заранее определенных участках вдоль линии таким образом, чтобы граничащие друг с другом участки заданной длины имели разные волновые сопротивления.
Таким способом можно изготовить описанную выше электрическую линию без значительных затрат. При этом данный способ является достаточно гибким и позволяет изготовить множество различных видов электрических линий, обеспечивая надежную индивидуальную идентифицируемость последних. В одном варианте осуществления используются только два разных диэлектрика, одним из которых является уже имеющаяся в окружающем пространстве среда, например воздух. Это упрощает изготовление и снижает производственные затраты.
В одном варианте осуществления оба проводника свивают друг с другом, а по меньшей мере один из диэлектриков размещают только после свивания. При этом изготовление описанной электрической линии не требует значительных затрат на переделку производственной установки для получения линий со свитыми проводниками.
В приведенном ниже описании изобретение подробнее поясняется со ссылкой на приложенные чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - монтируемая система, включающая несколько устройств,
на фиг. 2 - вид в разрезе коаксиального кабеля, предназначенного для монтажа системы, показанной на фиг. 1,
на фиг. 3 - вид сбоку коаксиального кабеля, показанного на фиг. 2,
на фиг. 4 - вид сбоку кабеля с витой парой проводников, предназначенного для монтажа системы, показанной на фиг. 1,
на фиг. 5 - схема последовательности операций по реализации способа изготовления кабеля, показанного на фиг. 3 или 4.
На фиг. 1 показана система 100, монтируемая на борту транспортного средства 105 и включающая несколько устройств, соединенных друг с другом электрической линией 110. Данное изображение представляет собой принципиальную схему, а применение подробно описанной ниже электрической линии 110 не ограничивается транспортным средством 105. Напротив, электрическая линия 110 может, в принципе, использоваться в любых монтируемых электрических системах.
В одном варианте осуществления задача состоит в том, чтобы распространить идентифицируемость электрической линии 110 на окружающую ее конструкцию. С этой целью в предпочтительном варианте механически соединяют электрическую линию с окружающей ее конструкцией таким образом, чтобы замена этой электрической линии или манипулирование с нею были связаны с очень значительными затратами. Например, можно расположить электрическую линию 110 внутри кабельного ствола, проложенного по борту транспортного средства 105 или внутри последнего. В другом варианте осуществления электрическая линия 110 может быть проложена внутри здания в виде кабеля, проходящего через нижний слой штукатурки или в полу с монолитным покрытием.
Два устройства 115, 120, показанные на фиг. 1, могут представлять собой любые электрические приборы. Представленный вариант осуществления исходит из того, что идентификация электрической линии 110 выполняется со стороны первого устройства 115. В этом случае можно отказаться от второго электрического устройства 120. В альтернативных вариантах осуществления идентификация может также выполняться через второе электрическое устройство 120 или другое устройство, соединенное с электрической линией 110. Этим другим устройством может быть, например, прибор, используемый для технического обслуживания или диагностики и электрически соединенный с линией 110 дополнительно к одному из устройств 115, 120 или вместо него.
Электрическая линия 110 содержит первый участок 125 и второй участок 130. Первый участок 125 имеет длину L1 и волновое сопротивление Z1 и проходит от первого устройства 115 до второго участка 130. Второй участок 130 имеет длину L2 и волновое сопротивление Z2 и проходит от первого участка 125 до второго электрического устройства 120. Изменение (переход) 135 волнового сопротивления линии 110 происходит в месте примыкания первого участка 125 ко второму участку 130.
Для идентификации электрической линии 110 первое устройство 115 содержит генератор 140 сигналов и считывающее устройство 145. Оба последних устройства соединены с первым участком 125 на одном и том же конце электрической линии 110. Для идентификации линии 110 определяют, через первое устройство 115, длину первого участка 125, длину второго участка 130, а также, в случае необходимости, границы перехода 135 волнового сопротивления. В альтернативном варианте осуществления первое электрическое устройство 115 может быть также соединено с другим местом электрической линии 110, причем это соединение в предпочтительном варианте выполняется на определенном расстоянии от перехода 135 волнового сопротивления.
Идентификация электрической соединительной линии 110 осуществляется как описано ниже.
Генератор 140 сигналов вырабатывает первый электрический импульс, который поступает на конец электрической линии 110 и регистрируется считывающим устройством 145. Первый импульс проходит по первому участку 125 вправо и претерпевает частичное отражение в месте перехода 135 волнового сопротивления. Отраженная часть первого импульса образует второй импульс, который возвращается по первому участку 125 влево. Момент поступления и амплитуда этого импульса определяются считывающим устройством 145. Часть первого импульса, не отраженная в месте перехода 135 волнового сопротивления, образует третий импульс, проходящий по второму участку 130 вправо. В конце второго участка 130 этот импульс тоже частично отражается на втором устройстве 120, образуя четвертый импульс. Для улучшения отражения между концом второго участка 130 и вторым устройством 120 может оказаться целесообразным создать в этой области еще один переход волнового сопротивления. Например, можно отсоединить электрическое устройство 120 от электрической линии 110 или соединить друг с другом проводники электрической линии 110 на втором электрическом устройстве 120. Четвертый импульс проходит по второму участку 130 влево до места перехода 135 волнового сопротивления, где он снова претерпевает частичное отражение. Неотраженная часть четвертого импульса образует пятый импульс, который проходит по первому участку 125 влево до первого устройства 115, где момент поступления и амплитуда этого импульса регистрируются считывающим устройством 145. Из интервалов времени между первым импульсом и другими импульсами, зарегистрированными считывающим устройством 145, определяют скорость распространения сигналов вдоль электрической линии 110, откуда получают длину первого участка 125 и длину электрической линии 110. Вычитая первую длину из второй, можно определить длину второго участка 130.
Электрическая линия 110 выполнена таким образом, что значения длины L1, L2 участков 125 и 130 являются характеристическими для этой линии. Если полученные значения длины L1, L2 участков 125 и 130 совпадают с заданными значениями, то это означает, что электрическая линия 110 идентифицирована. Исходя из предположения, что электрическая линия 110 неразрывно связана с транспортным средством 105 (или с другой окружающей конструкцией), можно таким путем определить, находится ли устройство 115 на борту данного транспортного средства 105. Из этого можно вывести рабочий режим, или эксплуатационное состояние, электрического устройства 115. Например, можно сделать вывод о невозможности использования устройства 115 на борту транспортного средства 105, для которого это устройство не является штатным.
Описанную процедуру определения длины участков 125 и 130 электрической линии 110 можно распространить на любое число и любую конфигурацию граничащих друг с другом участков 125, 130 соединительной линии 110. При этом наличие ответвлений и даже замкнутых контуров между отдельными участками не является препятствием для описанной идентификации. Конечно, в зависимости от места расположения первого устройства 115 в электрической линии 110 участки 125, 130 этой линии будут иметь разную длину и находиться в разных конструктивных узлах.
На фиг. 2 показан вид в разрезе коаксиального кабеля 200, соответствующего электрической линии 110, изображенной на фиг 1. Коаксиальный кабель 200 содержит внутренний проводник 205, радиально окруженный внутренним изолирующим элементом 210. От внутреннего изолирующего элемента 210 и до наружного изолирующего элемента 220 радиально проходит несколько поперечных ребер 215. Между поперечными ребрами 215 и изолирующими элементами 210, 220 образованы камеры 225. Наружный изолирующий элемент 220 окружен в радиальном направлении наружным проводником 230, который, в свою очередь, окружен защитной оболочкой 235.
В известных коаксиальных кабелях (например, Aircom Plus) камеры 225 заполнены воздухом или каким-либо другим газом. Заполняющая камера 225 среда действует как расположенный между проводниками 205 и 230 диэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого влияет на волновое сопротивление коаксиального кабеля 200. Если на каком-либо участке, расположенном вдоль оси коаксиального кабеля, заполнить камеры 225 средой, имеющей диэлектрическую проницаемость, отличающуюся от диэлектрической проницаемости воздуха, или содержащей другой газ, то волновое сопротивление коаксиального кабеля 200 на этом участке изменится. В результате образуются переходы волнового сопротивления применительно к соседним участкам, расположенным вдоль оси коаксиального кабеля 200. В альтернативном варианте можно использовать на этих участках разные материалы с отличающимися друг от друга процентными долями, например путем изменения концентрации вспенивающего агента в изоляционной пене, образующей диэлектрик кабеля.
На фиг. 3 показан вид сбоку коаксиального кабеля 200, изображенного на фиг. 2. Коаксиальный кабель 200 разделен в осевом направлении на ряд участков 310-370. При этом на участках 350-370, расположенных между парами участков 310-340, камеры 225 заполнены диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого отличается от диэлектрической проницаемости диэлектрика, содержащегося в камерах 225 участков 310-340. Таким образом, вдоль оси коаксиального кабеля 200 образованы переходы волнового сопротивления между парами граничащих друг с другом участков 310-370.
В процессе производства коаксиального кабеля 200 камеры 225 заполняются, через равномерные или неравномерные промежутки, различными диэлектриками. Первый диэлектрик может содержать воздух или изоляционную пену, тогда как второй диэлектрик может содержать среду, или вещество, к которому примешаны частицы материала, обладающего высокой диэлектрической проницаемостью, например керамики.
На фиг. 4 показан вид сбоку кабеля 400 с витой парой проводников, соответствующего электрической линии 110, изображенной на фиг. 1. Как показано на фиг. 1, кабель 400 соединяет устройство 115 со вторым устройством 120. Кабель 400 содержит два свитых между собой проводника 403, 405 и разделен на участки 410-450, причем участки 440 и 450 расположены между парами участков 410-430. На участках 440 и 450 кабель 400 окружен веществом 460, к которому примешаны частицы 470 материала, обладающего высокой диэлектрической проницаемостью. В случае вещества 460 речь в предпочтительном варианте может идти о полимере или клеящем веществе, например горячем клее или двухкомпонентном клее, например на полиэфирной, акриловой или эпоксидной основе.
В альтернативном варианте осуществления вещество 460 может быть, например, сформировано в виде крепежного хомута, заключающего в себе кабель 400 и/или крепящего его к окружающей конструкции.
На участках 440 и 450 вещество 460, содержащее частицы 470, ведет себя как диэлектрик, поэтому волновое сопротивление кабеля 400 на этих участках изменяется сравнительно с другими участками 410-430. В местах примыкания соседних участков 410-450 возникают переходы волнового сопротивления, где происходит частичное отражение импульса, проходящего по кабелю 400.
На фиг. 5 представлена схема последовательности операций по реализации способа 500 изготовления электрической линии 110, соответствующей кабелю 200 или 400, показанному на фиг. 3 или 4.
На первом этапе 505 подготавливают проводники, которые должны будут впоследствии проходить вдоль линии 110, 200 или 400. Коаксиальный кабель 200 содержит внутренний проводник 205 и наружный проводник 230, а кабель 400 содержит свитые проводники 403 и 405. На этапе 505 может быть подготовлено более двух проводников 205, 230, 403, 405, которые затем встраивают в электрическую линию 110, 200, 400.
На следующем этапе 510 подготавливают несколько диэлектриков с разными диэлектрическими проницаемостями. В одном варианте осуществления используют только два разных диэлектрика, один из которых содержит среду, уже имеющуюся в пространстве, окружающем подготовленные проводники 205, 230, 403, 405. В частности, эта среда может представлять собой воздух, изоляционную пену, полимер или предварительно рассчитанную структуру, компонентами которой являются полимер и воздух. В другом варианте осуществления подготавливают разные диэлектрики, в процессе чего к одному и тому же веществу 460 примешивают, в разной пропорции, частицы 470 материала, обладающего высокой диэлектрической проницаемостью. С этой целью можно также использовать частицы 470, отличающиеся друг от друга.
На следующем этапе 515 размещают диэлектрики на заранее определенных участках 125, 130, 310-370, 410-450 вдоль линии 110 между проводниками 205, 230, 403, 405 таким образом, чтобы граничащие друг с другом участки 125, 130, 310-370, 410-450 заданной длины L1, L2 имели разные волновые сопротивления Z1, Z2. В одном варианте осуществления длину L1, L2 участков 125, 130, 310-370, 410-450 выбирают случайным образом.
На этом процесс, соответствующий способу 500, завершается. При изготовлении электрических линий 110, 200, 400 в промышленных масштабах обычно производят электрическую линию 110 очень большой или даже неограниченной длины, которую на завершающем этапе процесса обрезают по требуемому размеру и снабжают, в случае необходимости, электрическими контактными элементами на обоих концах.