СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПЕРЕГРЕВА С ДИСТАНЦИОННЫМ СЧИТЫВАНИЕМ ИНФОРМАЦИИ
SYSTEM FOR MONITORING OVERHEATING WITH REMOTE INFORMATION READING

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры и предназначено для использования в системах контроля перегрева.
Прежде известные системы контроля перегрева содержали различные типы чувствительных к температуре элементов. Например, датчик перегрева по патенту на полезную модель RU 27702 содержит корпус с глухим цилиндрическим отверстием, дилатометрический стержень, расположенный в нем, и заглушку в виде разрезанного по образующей полого цилиндра, вставленную в отверстие корпуса с натягом до упора в стержень. При этом стержень выполнен из предварительно одноосно сжатого монокристалла сплава с памятью формы на основе меди с заданной температурой восстановления исходной длины, в отверстие корпуса вставлена с натягом до упора в заглушку крышка, выполненная в виде стакана с разрезом на боковой поверхности и имеющая глубину посадки не более перемещения заглушки при восстановлении исходной длины стержня после нагрева. Кроме того, внешняя поверхность крышки имеет отличный от поверхности корпуса цвет. При превышении заданной критической температуры (температуры перегрева) длина стержня датчика увеличивается, и крышка начинает отходить от корпуса.
Использование этого датчика предполагает визуальный контроль за изменением его формы, что усложняется тем, что изменение формы элемента, чувствительного к подогреву, является обратимым, и как только температура понижается ниже критической, форма чувствительного к температуре элемента становится как прежде и установить факт перегрева становится проблематичным.
Недостатки, связанные с обратимостью формы чувствительного к критической температуре элемента, могут быть устранены при применении в качестве чувствительного к перегреву элемента термопереключателя по патенту на изобретение RU 2118865. Согласно этому патенту термопереключатель содержит теплопроводящий корпус, изолированную от корпуса контактную группу, состоящую из подвижного контакта, выполненного в виде пружинящей планки и неподвижного контакта, а также термочувствительный элемент, выполненный из материала с памятью формы и механически воздействующий на подвижной контакт, который выполнен из проволоки, изготовленной из металла с памятью формы в виде отрезка, оба конца которого жестко закреплены. Отрезку проволоки задана память на длину при температурах, превышающих температуру восстановления формы, и при температурах ниже температуры восстановления формы он растянут пружинящим усилием подвижного контакта, направленным перпендикулярно к прямой, соединяющей точки крепления концов отрезка, причем перемещающее воздействие на подвижный контакт оказывается усилием проволоки, возникающим при восстановлении запомненной длины отрезка. Крепление отрезка проволоки предлагается производить как непосредственно на пружинящей консольной планке подвижного контакта, так и на специально введенных для этого скобе или рамке. Хотя при температуре, превышающей критическую, чувствительный к заданной температуре перегрева элемент термопереключателя изменяет свою форму, которая далее не может измениться при любом изменении температуры, воздействующей на термопереключатель, однако описанная в патенте RU 2118865 конструкция этого термопереключателя не позволяет считывать данные об изменении формы термочувствительного элемента на расстоянии от него, а возможно только получение данных о произошедшем перегреве только при непосредственном визуальном контакте.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и по достигаемому техническому результату (прототипом) является система контроля перегрева приборов по свидетельству на полезную модель RU 44817, где система содержит датчики температуры, установленные в выбранных точках приборов, базовый электронный модуль и регистратор. При этом датчики температуры выполнены в виде цифровых термометров, базовый электронный модуль содержит процессор, микросхему согласования и источник питания, а регистратор содержит ЭВМ и принтер, при этом цифровые термометры шиной «данные» подсоединены к входу процессора, выход которого через микросхему согласования подсоединен к «СОМ» порту ЭВМ, кроме этого «LPT» порт ЭВМ подсоединен к порту «SPI» процессора, а выход ЭВМ соединен с принтером, причем процессор, микросхема согласования и цифровые термометры соединены с источником питания.
Недостатками этой системы является необходимость проводного соединения датчика с системой сбора и передачи информации.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности эксплуатации различных систем (электротехнических, механических и т.д.), у которых присутствует возможность перегрева этих систем при эксплуатации, приводящая к аварийной ситуации.
Поставленная задача достигается с помощью получаемого от использования изобретения технического результата, заключающегося в точном определении факта перегрева и оперативности сбора информации об этом, более удобной эксплуатации заявляемой системы.
Для достижения поставленной задачи система контроля перегрева с дистанционным считыванием информации содержит, по меньшей мере, один датчик перегрева и устройство регистрации информации о перегреве. Датчик перегрева выполнен в виде герметичного корпуса из материала с высокой теплопроводностью, закрываемого сверху радиопрозрачной крышкой, внутри которого установлена электрическая схема (цепь), состоящая из нелинейного элемента, термореле и антенны, при этом нелинейный элемент одним контактом закреплен на корпусе, а другим контактом соединен с термореле, к которому подключена антенна. Устройство регистрации информации о перегреве представляет собой детектор нелинейных переходов, дистанционно считывающий информацию о состоянии датчика перегрева, который состоит из передающего устройства, настроенного на передачу первой гармоники зондирующего сигнала, предназначенного для облучения электрической схемы датчика перегрева через его радиопрозрачную крышку, и синхронизированного с передающим принимающего устройства, настроенного на прием второй гармоники зондирующего сигнала и включающего устройство детектирования и устройство обработки сигнала демодуляции второй гармоники зондирующего сигнала.
В одном варианте выполнения электрической схемы датчика перегрева один контакт термореле подключен к нелинейному элементу, а другой контакт термореле подключен к антенне. В этом случае при наличии перегрева термореле замыкает цепь, и происходит с помощью этой цепи генерация второй гармоники зондирующего сигнала, которая принимается устройством регистрации информации о перегреве.
Для того чтобы исключить возможность пропуска перегрева при выходе из строя нелинейного элемента, что возможно при электрической схеме подключения датчика перегрева, где один контакт термореле подключен к нелинейному элементу, а другой контакт термореле подключен к антенне, предлагается другой вариант подключения, где один контакт термореле подключен к соединению нелинейного элемента с антенной, а другой контакт термореле закреплен на корпусе датчика перегрева. При данной схеме подключения сигнал о наличии перегрева не появляется, как в подключении, где один контакт термореле подключен к нелинейному элементу, а другой контакт термореле подключен к антенне, а пропадает. В данном случае, когда сигнал о наличии перегрева пропадает, необходимо на месте разобраться, из-за чего произошло срабатывание: то ли из-за перегрева и срабатывания термореле, то ли из-за выхода из строя одного из элементов датчика перегрева. Но в любом случае исключается возможность пропуска аварийной ситуации.
Для определения номера датчика перегрева, даты и времени совершения перегрева, в датчике перегрева параллельно нелинейному элементу подключено кодирующее устройство, предназначенное для модуляции второй гармоники зондирующего сигнала информацией о номере датчика перегрева, а в принимающем устройстве в качестве устройства обработки сигнала демодуляции второй гармоники зондирующего сигнала установлено устройство обработки сигнала демодуляции, предназначенное для получения информации о номере датчика перегрева, а также даты и времени совершения перегрева.
Предлагаемая система контроля перегрева с дистанционным считыванием информации иллюстрируется графически.
На фиг.1 изображена конструкция системы контроля перегрева с дистанционным считыванием информации, состоящей из датчика перегрева 1 с антенной 2 и устройства регистрации информации о перегреве 3 (обведено штрихпунктирной линией), включающего передающее устройство 4 с антенной 5 и принимающее устройство 6 с антенной 7.
Детальное изображение датчика перегрева 1 изображено на фиг.2. Датчик перегрева 1 представляет собой герметично закрытый корпус 8, выполненный из материала с высокой теплопроводностью. В корпусе 8 датчика перегрева 1 располагается электрическая схема (цепь), состоящая из нелинейного (полупроводникового) элемента 9 (в частности, диода Д), термореле (замыкателя электрической цепи Р) 10 и антенны (А) 2, расположенной на неметаллической (прозрачной для радиоволн и неэкранирующей) крышке 11, закрывающей сверху полость корпуса 8. Замыкатель электрической цепи 10 может представлять из себя отрезок проволоки из металла с памятью формы, например никелида титана или нитинола. В исходном положении замыкатель 10 механически изгибается таким образом, чтобы отсутствовало электрическое соединение в точке «а» (в цепи). При нагреве до определенной температуры замыкатель 10 выпрямляется и происходит электрическое соединение, в результате чего в электрическую цепь подключается антенна 2, в частности полосковая. Температура срабатывания подбирается с помощью соответствующего состава сплава никеля и титана. Меняя процентное содержание компонентов сплава, используемого в качестве замыкателя, можно менять температуру срабатывания датчика перегрева 1.
На фиг.3а представлен первый вариант схемы цепи датчика перегрева 1, где один контакт термореле (замыкателя электрической цепи Р) 10 подключен к нелинейному элементу 9, а другой контакт термореле 10 подключен к антенне 2.
На фиг.3б представлен второй вариант схемы цепи датчика перегрева 1, где один контакт термореле (замыкателя электрической цепи Р) 10 подключен к соединению нелинейного элемента 9 (в частности, диода Д) с антенной 2, а другой контакт термореле 10 закреплен на корпусе 8 датчика перегрева 1. Этот вариант схемы предназначен для того, чтобы исключить возможность пропуска перегрева датчика 1 при выходе из строя нелинейного элемента (Д) 9 или других элементов датчика перегрева 1, которое возможно при схеме подключения по первому варианту.
Таким образом, при схеме, описанной на фиг.3б, подключения термореле 10 исключается возможность срабатывания датчика перегрева 1 при выходе его из строя и тем самым пропуска неисправности контролируемого объекта.
После срабатывания цепь датчика перегрева 1 всегда остается в замкнутом положении, что позволяет в любое время определить тот факт, что датчик перегрева 1 был перегрет выше критической температуры, даже при охлаждении контролируемого объекта.
На фиг.4 изображен датчик перегрева 1, в котором параллельно нелинейному элементу 9 подключено устройство кодирования 12, которое модулирует вторую гармонику зондирующего сигнала информацией о датчике перегрева (например, о его номере).
Кодирующее устройство 12 может быть с источником питания, например батарейкой, или может быть пассивным. В случае пассивного кодирующего устройства для его работы источником питания может быть использован конденсатор, заряжаемый энергией зондирующего сигнала.
Устройство регистрации информации только о перегреве, дистанционно считывающее информацию о состоянии датчика перегрева 1, изображено на фиг.5 в виде объединенного приемопередатчика, в котором передающее устройство 4 включает последовательно соединенные кварцевый генератор 13, усилитель 14, усилитель мощности 15, блок фильтров 16, выходную антенну 5. При этом выход кварцевого генератора 13 соединен с формирователем сигнала гетеродина 17 принимающего устройства 6, которое включает последовательно соединенные приемную антенну 7, входной фильтр 18, усилитель 19, синхронно-фазовый детектор (СФД) 20, второй вход которого подключен к выходу формирователя сигнала гетеродина 17, а выход СФД 20 подключен к последовательно соединенным усилителю постоянного тока УПТ 21, компаратору 22, настроенному на определенное пороговое значение, индикатору перегрева 23.
Если же необходимо установить информацию о датчике перегрева (его номере, дате и времени совершения перегрева), то применяется схема, изображенная на фиг.6, в виде объединенного приемопередатчика, в котором передающее устройство 4 включает последовательно соединенные кварцевый генератор 13, усилитель 14, усилитель мощности 15, блок фильтров 16, выходную антенну 5. При этом выход кварцевого генератора 13 соединен с формирователем сигнала гетеродина 17 принимающего устройства 6, которое включает последовательно соединенные приемную антенну 7, входной фильтр 18, усилитель 19, синхронно-фазовый детектор (СФД) 20, второй вход которого подключен к выходу формирователя сигнала гетеродина 17, а к выходу СФД 20 последовательно подключены усилитель низкой частоты (УНЧ) 24, формирователь цифрового сигнала (ЦС) 25, микроконтроллер 26, регистратор датчика перегрева 27.
Заявляемая система контроля перегрева с дистанционным считыванием информации работает следующим образом.
Зондирующий сигнал системы дистанционной идентификации датчика перегрева 1 формируется передающим устройством 4, состоящим из кварцевого генератора 13, усилителя 14, усилителя мощности 15 с блоком фильтров 16, которые формируют первую гармонику зондирующего сигнала и подавляют вторую гармонику зондирующего сигнала.
Излучаемый с помощью выходной антенны 5 зондирующий сигнал попадает на антенну 2 датчика перегрева 1 (фиг.1, 2). Цепь датчика перегрева 1, включающая полупроводниковый элемент 9, термореле 10, антенну 2, при их последовательном соединении и замыкании термореле 10 генерирует вторую гармонику зондирующего сигнала, отсутствующую в излучаемом зондирующем сигнале. На эту вторую гармонику зондирующего сигнала настроена приемная антенна 7 принимающего устройства 6. Сигнал второй гармоники зондирующего сигнала, возникшего в датчике перегрева 1 от приемной антенны 7 (фиг.5), через входной фильтр 18 и усилитель 19 поступает на первый вход синхронно-фазового детектора (СФД) 20, на второй вход которого поступает сигнал первой гармоники зондирующего сигнала от формирователя сигнала гетеродина 17, в качестве которого используется часть сигнала кварцевого задающего генератора 13, из которой в формирователе сигнала гетеродина 17 формируется сигнал гетеродина в виде первой гармоники зондирующего сигнала необходимой амплитуды и с подавленным уровнем второй гармоники зондирующего сигнала.
Целесообразность применения синхронно-фазового детектора (СФД) 20 в системах, имеющих рядом расположенные приемное 6 и передающее 4 устройства, существенно упрощает синхронное принимающее устройство 6, так как напряжение формирователя сигнала гетеродина 17 принимающего устройства 6 - это часть напряжения задающего кварцевого генератора 13 передающего устройства 4. Синхронное приемное устройство, как известно, обладает повышенной помехоустойчивостью и его можно рассматривать как супергетеродинный с нулевой промежуточной частотой.
Входной фильтр 18 необходим для того, чтобы обеспечивать пропускание второй гармоники зондирующего сигнала, генерируемой датчиком перегрева 1 и попадающей на приемную антенну 7, и не пропускать первую гармонику зондирующего сигнала. С выхода фильтра 18 через усилитель 19 вторая гармоника зондирующего сигнала поступает на первый вход СФД 20, на второй вход которого подается первая гармоника зондирующего сигнала с формирователя сигнала гетеродина 17. На выходе СФД 20 получают огибающую принятой второй гармоники зондирующего сигнала.
В случае, если необходимо установить только, был ли перегрев или нет, и в датчике перегрева 1 применяется электрическая схема, изображенная на фиг.3а, с последовательным соединением нелинейного элемента 9, термореле 10, антенны 2, то в качестве устройства регистрации информации о перегреве применяется схема, изображенная на фиг.5, и на выходе СФД 20 получают огибающую принятой второй гармоники зондирующего сигнала в виде постоянного тока, который усиливается усилителем постоянного тока УПТ 21 и далее поступает на компаратор 22. Компаратор 22 выдает результирующий сигнал, если сигнал с выхода УПТ 21 превышает установленный в компараторе пороговый уровень, превышающий в 2-3 раза уровень шума. Результирующий сигнал с выхода компаратора 22 будет далее отображаться в индикаторе перегрева 23.
Если в датчике перегрева 1 установлена электрическая схема, изображенная на фиг.3б, где термореле 10 подключено к точке соединения нелинейного элемента 9 с антенной 2, то при облучении датчика перегрева 1 с помощью первой гармоники зондирующего сигнала передающего устройства 4, на выходе СФД 20 (фиг.5), при замыкании термореле 10 в случае перегрева, сигнал не появляется, а пропадает, хотя при отсутствии перегрева и незамкнутом термореле 10 сигнал второй гармоники зондирующего сигнала на выходе СФД 20 присутствует.
В данном случае необходимо на месте разобраться, из-за чего произошло срабатывание: то ли из-за перегрева и срабатывания термореле 10, то ли из-за выхода из строя одного из элементов датчика перегрева 1. Но в любом случае исключается возможность пропуска аварийной ситуации.
Если же необходимо установить информацию о датчике перегрева (его номер, дату и время совершения перегрева), то в качестве датчика перегрева 1 применяется схема, изображенная на фиг.4, где параллельно нелинейному элементу 9 подключено кодирующее устройство 12, и при замыкании электрической цепи: нелинейный элемент 9, термореле 10, антенна 2, в датчике перегрева 1 на нелинейный элемент 9 с кодирующего устройства 12 поступает последовательность импульсов, соответствующая информации о номере датчика перегрева 1, и происходит модуляция второй гармоники зондирующего сигнала, генерированной с помощью этой электрической цепи. При этом в качестве устройства регистрации информации о перегреве применяется схема, изображенная на фиг.6, где на выходе СФД 20 получают огибающую принятой второй гармоники зондирующего сигнала в виде последовательности импульсов, соответствующей информации о номере датчика перегрева 1, которая через усилитель низкой частоты (УНЧ) 24, формирователь цифровых сигналов (ЦС) 25 поступает на микроконтроллер 26, где сравнивается с информацией о датчике перегрева (номере) и другой информацией, записанной в памяти микроконтроллера 26. Результаты сравнения регистрируются в регистраторе датчика перегрева 27.
Для подтверждения работоспособности предлагаемой системы датчики перегрева 1 устанавливались на испытуемых объектах, которыми были буксы железнодорожных вагонов, а также система шин в электропередающих устройствах. При этом в качестве термореле 10 использовался замыкатель электрической цепи в виде отрезка проволоки из металла с памятью формы, в нашем случае никелида титана или нитинола.
При испытаниях на перегреве букс железнодорожных вагонов датчик был выполнен в виде болта, крепящего смотровую крышку буксы железнодорожного вагона. В головке болта была выфрезерована полость с помещением в него датчика перегрева 1, в котором применялись электрические схемы, изображенные на фиг.3а и 3б.
Устройство регистрации информации о перегреве 3 было выполнено с применением стандартных комплектующих. В качестве микроконтроллера использовалась программируемая логическая интегральная схема «ПЛИС» Зеленоградского завода «Ангстрем».
Основные характеристики системы:
- частота зондирующего сигнала (ЗС) - 300 МГц,
- выходная мощность ЗС - 5 Вт,
- принимаемая гармоника - вторая,
- чувствительность приемника - 130 дБ/Вт,
- поляризация антенн - линейная,
- напряжение питания - 12 В,
- масса - 8 кг,
- габариты - кейсовый вариант.
Колесная пара с неисправным буксовым узлом находилась на диагностирующем стенде. При раскручивании колесной пары буксовый узел с неисправным подшипником перегревался, датчик в виде одного из крепежных болтов смотровой крышки буксы нагревался до той же температуры, что и вся букса. Происходило срабатывание термореле и регистрирующее устройство фиксировало перегрев. При этом если применялась электрическая схема, изображенная на фиг.3а, то в регистрирующем устройстве сигнал второй гармоники зондирующего сигнала появлялся, а если применялась электрическая схема, изображенная на фиг.3б, то в регистрирующем устройстве сигнал второй гармоники зондирующего сигнала пропадал.