БЕСТОКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
POTENTIAL-FREE OPTICAL SWITCH

Область техники
В общем, данное изобретение относится к бестоковому оптическому переключателю, который передает состояние переключения. Переключатель может быть применен повсюду, где состояние переключения должно передаваться бестоковым способом. Он может применяться как для наблюдения за колодцами доступа или за дверями доступа к инженерным сетям телекоммуникации, газоснабжения, водоснабжения, водоотведения и электроснабжения, так и для защиты колодцев и дверей к резервуарам питьевой воды или распределителям питьевой воды, а также в защищенных инженерных сетях и защищенных тоннельных системах в гражданской и военной области. В добавление к этому, изобретение описывает устройство, которое делает возможной надежную регистрацию нескольких переключателей.
Уровень техники
Целью является разработка механического бестокового оптического переключателя, который может применяться повсюду, где доступы к ключевым инженерным сетям должны быть подвергнуты наблюдению или же защите. К таким ключевым структурам принадлежат наряду с телекоммуникационными колодцами также колодцы и двери доступа газоснабжения, водоснабжения и электроснабжения, которые должны быть защищены от недозволенного доступа. Часто такие колодцы находятся под землей и заперты крышкой колодца. Многоцелевой переключатель должен прикрепляться в колодцах для наблюдения за состоянием открытия соответствующей крышки колодца.
Кроме того, переключатель также должен делать возможным наблюдение за доступами к технике или же к зонам или отсекам повышенной безопасности и сообщать дополнительно, в сочетании, например, с поплавком, о заводнении колодца или уровня здания.
Из патента США US 7109873 В2 известен переключатель, который способен регистрировать открытие крышки колодца. В варианте осуществления этого переключателя в переключателе подвижно расположен штифт, который предварительно напряжен посредством пружины и прижат изнутри к запертой крышке колодца. Когда крышка колодца открывается, штифт сдвигается и деформирует оптический проводник (стекловолокно), который укреплен на штифте. Альтернативно, деформирование оптического проводника (стекловолокна) при открытии крышки колодца может быть запущено посредством магнитов. Для этого необходимо укрепление на крышке колодца первого магнита, который притягивает второй предварительно напряженный посредством пружины магнит при закрытой крышке колодца. При открытии крышки колодца предварительное напряжение снимается, и переключатель срабатывает. При срабатывании стекловолокно отклоняется и деформируется посредством соединенного со вторым магнитом конического штифта.
Изгиб (излом) оптического проводника регистрируется с помощью оптической рефлектометрии во временной области (ОРВО) посредством измерительного прибора. Для этого к оптическому проводнику присоединен ОРВО-измерительный прибор, который для каждого измерения посылает световой импульс через оптический проводник и измеряет интенсивность обратного рассеянного света во времени. Если в оптическом проводнике существует изгиб, то полное внутреннее отражение света в оптическом проводнике нарушено и свет выходит из оптического проводника. Посредством измерения обратного рассеянного света во времени могут быть обнаружены не только количественные, но и пространственные параметры потери интенсивности света в результате временного ослабления. Поскольку под измерением подразумевается импульсное измерение, в рамках которого высылаются световые импульсы в различные промежутки времени, и поскольку стекловолокно нуждается в некотором времени для возвращения вновь в начальную позицию, состояние переключения переключателя не может быть проверено в интервале между двумя световыми импульсами. Если переключатель сработал только очень кратковременно, срабатывание надежно не распознается.
Цель изобретения
Целью данного изобретения является предоставление бестокового оптического переключателя, который делает возможным надежное обнаружение срабатываний, независимо от временного срока соответствующего срабатывания. Эта цель достигнута посредством переключателя по п. 1 формулы изобретения.
Общее описание изобретения
Изобретение, прежде всего, относится к переключателю, который передает состояние переключения чисто механически и без помощи тока, посредством оптического проводника, как например, стекловолокна в качестве рабочей среды передачи. Под понятием переключатель далее может подразумеваться переключающее устройство, а также многоцелевой переключатель. При этом система использует свойства светопроводящих, чувствительных к изгибу оптических проводников, а в особенности, то обстоятельство, что при изломе или деформировании такого оптического проводника на точке изгиба или же излома выходит свет.
Опрашиваемое переключающее устройство согласно изобретению содержит корпус, а также расположенный в корпусе оптический проводник и расположенное в корпусе отклоняющее устройство для оптического проводника. Переключающее устройство содержит также пусковое устройство, которое запускает процесс переключения устройства переключения и, по меньшей мере, периодически приводит в действие отклоняющее устройство. Отклоняющее устройство выполнено таким образом, что оптический проводник при приведении в действие пускового устройства отклоняется заданным образом посредством отклоняющего устройства так, что радиус изгиба оптического проводника заданно изменяется. Опрашиваемое переключающее устройство дополнительно имеет возвратный механизм для отклоняющего устройства, который имеет устройство запаздывания возврата, которое после возврата пускового устройства с заданной задержкой возвращает отклоняющее устройство в его исходное положение.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения оптический проводник внутри переключателя направлен мимо находящегося на подвижной задвижке поводка. При приведении в действие пускового механизма поводок отклоняет оптический проводник из его положения покоя, причем посредством результирующей деформации проводника возникает временное ослабление световой проводимости и отражательной способности оптического проводника. Это ослабление регистрируется измерительным инструментом, и соответствующая информация передается в привязанную к земной поверхности программу анализа, которая обнаруживает точное положение затронутого переключателя. В принципе, переключатель согласно изобретению может быть применен для передачи состояния переключения в произвольном окружении. Поскольку в переключателе согласно изобретению не возникает теплоты трения или разрядных искр, его использование может быть рекомендовано также во взрывоопасном, или пожароопасном, или же в коррозионно-активном окружении. Поскольку переключатель согласно изобретению функционирует абсолютно бестоковым образом, он предназначен для применения в местах, в которых проблематична подача тока. Кроме того, не применяются какие-либо магниты, вследствие чего переключатель невосприимчив к магнитным полям. Также не требуется его взаимодействие с дорогими и чувствительными к помехам телекоммуникационными модулями, такими как глобальная система мобильных коммуникаций или система пакетной радиосвязи общего пользования, которые могут быть подвержены саботажу, например, с помощью генераторов помех (таких как, например, передатчик помех с подстройкой частоты).
Возврат в исходное состояние пускового механизма, предпочтительно, производится посредством задержки, которая обеспечивает регистрацию срабатывания также и измерительным прибором. Такое устройство запаздывания возврата имеет два других существенных преимущества: 1) оно позволяет регистрировать несколько соединенных по схеме звезды волоконных жгутов (причем волоконный жгут обозначает как оптический проводник, так и функционально присоединенные к нему переключатели) последовательно и посредством только одного измерительного инструмента; 2) короткие последовательности переключения, тем не менее, надежно регистрируются благодаря задержке возврата в исходное состояние.
Необходимо отметить, что переключатель согласно изобретению в простом варианте осуществления может быть выполнен таким образом, что передается бинарное состояние переключения. В этом случае различимы лишь два состояния: «0» (переключатель в режиме покоя) и «1» (переключатель сработал). В таком «бинарном» переключателе волокно, по истечении времени возвращения в исходное состояние, механически приводится в начальную позицию через доли секунды. Это приводит к бинарному состоянию переключения: открыто или закрыто. Однако в альтернативном варианте осуществления переключатель может быть выполнен таким образом, что обнаруживается постепенный во времени возврат в исходное состояние. В действительности, может быть интересным в зависимости от применения измерять или же регистрировать переход из состояния «0» в состояние «1» или же из состояния «1» в состояние «0» во времени, то есть с изменяющимися параметрами ослабления.
Переключатель согласно изобретению является водонепроницаемым и, в его усиленном выполнении для монтажа на открытом воздухе, защищен, по меньшей мере, по классу IP 68 и, по меньшей мере, имеет ударопрочность до силы удара 10 Дж.
Согласно альтернативному варианту осуществления переключатель может быть приведен к срабатыванию посредством дистанционного пускового устройства, такого как, например, трос Боудена с прочной проволокой. За счет этого физическая близость между переключателем и крышкой колодца, в случае системы мониторинга крышки колодца, становится не настоятельно необходимой.
В предпочтительном варианте осуществления переключатель в его конструктивном варианте выполнен таким образом, что он невосприимчив к саботажу. При попытках саботажа переключатель автоматически срабатывает. Данный переключатель безотлагательно срабатывает также и при дефекте материала. В качестве дефекта материала в переключателе может считаться, например, разрыв дефектного стекловолокна, который распознается также как «разрыв». Таким образом, переключатель, благодаря своей высокой надежности, выполняет также функцию самотестирования: переключатель, если он не сработал, является работоспособным.
Предложенный переключатель является необслуживаемым и имеет область применения между -20° и +40°С. В зависимости от варианта осуществления переключателя этот температурный диапазон также может быть расширен.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения оптический проводник направлен в корпусе посредством направляющих элементов по круговой траектории. Радиус изгиба, с которым оптический проводник направлен в корпусе, в не приведенном в действие состоянии превышает минимальный радиус изгиба оптического проводника или равняется ему. За счет этого обеспечено компактное выполнение корпуса переключателя. Отклоняющее устройство содержит поводок, который при приведении в действие отклоняющего устройства отклоняет оптический проводник в заданное направление таким образом, что радиус изгиба оптического проводника, по меньшей мере, на одном месте временно уменьшается. Радиус изгиба находящегося в отклоняющем устройстве оптического проводника в приведенном в действие состоянии меньше, чем минимальный радиус изгиба оптического проводника.
Кроме того, устройство запаздывания возврата может быть выполнено либо в виде часового механизма, либо в виде гидравлического пластинчатого тормоза. Под понятием гидравлического пластинчатого тормоза следует понимать тормозное устройство, которое имеет пакет пластин по меньшей мере с двумя тормозными поверхностями, которые прижимаются друг к другу в среде высоковязкой жидкости. Такой тормоз имеет по сравнению с обычным фрикционным тормозом то преимущество, что перемещение возврата продолжается существенно дольше. За счет этого могут быть достигнуты более длительные времена задержки, что выгодно при сложных топологиях сети. Оптический проводник может быть вложен в корпус таким образом, что он входит в корпус и вновь покидает корпус. За счет этого оптический проводник может быть проложен насквозь через несколько переключателей (подобно конструкции обычного последовательного включения). Для считывания волоконного жгута ОРВО-измерительный прибор присоединен, по меньшей мере, на конце волокна. За счет такого расположения переключателей вдоль волоконного жгута за состояниями переключения могут надежно наблюдать, например, до 12 переключателей на волоконный жгут, вследствие чего расходы по монтажу такого устройства могут быть существенно уменьшены.
Согласно предпочтительной конструкции оптического проводника и переключателя оптический проводник вложен в корпус таким образом, что он входит в корпус и оканчивается в корпусе. Расположенный в корпусе оптический проводник может заканчиваться волоконно-оптическим адаптером с физическим контактом или выполненным в виде отражателя адаптером. При этой конструкции эксплуатационное соединение переключателей сделано возможным посредством разделителя луча, который расположен перед каждым переключателем, например, в муфте. Каждый разделитель луча отделяет заданную часть количества света в оптическом проводнике и передает ее далее на переключатель. При помощи такой конструкции количество света лучше распределяется на переключатели. За счет этого в зависимости от производительности ОРВО-измерительного прибора могут быть надежно считаны из оптического проводника состояния переключения более чем 150 переключателей, вследствие чего расходы по монтажу могут быть далее уменьшены. Вызванное изгибом волокна в переключателе временное ослабление не влияет при этом на метрологическую регистрацию остальных переключателей.
Для повышения надежности могут быть применены несколько ОРВО-измерительных приборов, особо предпочтительно два ОРВО-измерительных прибора, причем ОРВО-измерительный прибор измеряет в антициклическом режиме и синхронизирован в этом отношении со вторым измерительным прибором, что обеспечивает предотвращение измерения в произвольный момент времени обоими приборами того же самого волоконного жгута.
Кроме того, необходимо отметить, что при разрыве волокна, например, между переключателем 7 и переключателем 8 волоконного жгута измерительный прибор, который измеряет от переключателя 1, начиная с переключателя 7 является «слепым». Измерение из противоположного направления не является возможным, поскольку разделители луча функционируют лишь однонаправленно. Для обеспечения в таком случае, вопреки разрыву волокна, возможности измерения для всех переключателей волоконного жгута, является выгодным, если посредством второго измерительного прибора на втором «параллельном» волокне может производиться измерение в противоположном направлении. Второе волокно должно проходить в этом случае, в свою очередь, через каждый переключатель или же быть присоединено к каждой муфте посредством разделителя луча к соответствующему переключателю. Посредством измерения в противоположном направлении во втором волокне в этом случае могут быть считаны также те переключатели, которые при рассмотрении от первого измерительного прибора находятся за разрывом волокна.
Описание чертежей
В дальнейшем различные варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 является схематическим представлением разреза первого уровня предпочтительного варианта осуществления переключателя.
Фиг. 2 является схематическим представлением разреза второго уровня предпочтительного варианта осуществления переключателя.
Фиг. 3 является схематическим представлением разреза третьего уровня предпочтительного варианта осуществления переключателя.
Фиг. 4 является первым схематическим представлением предпочтительной конструкции разделителя луча, переключателя и измерительного прибора.
Фиг. 5 является вторым схематическим представлением возможной конструкции переключателя.
Подробное описание посредством чертежей
Функциональный принцип: чувствительное к изгибу стекловолокно, например типа G652, введено в переключатель согласно изобретению и, проведено с соблюдением минимального радиуса изгиба соответствующего типа волокна вокруг подвижного поводка. При приведении в действие переключателя, например, посредством приподнимания крышки колодца, которая соединена с пусковым механизмом, стекловолокно посредством подвижного поводка изламывается или же изгибается. Тем самым полное внутреннее отражение света в оптическом проводнике нарушено, и свет выходит из оптического проводника. Этот недостающий свет может быть измерен с помощью специального ОРВО-измерительного инструмента (оптического рефлектометра во временной области) и однозначно посредством программного обеспечения, приписан специфическому переключателю. На графике отраженного излучения каждый переключатель поставляет характерное пиковое значение сигнала, положение которого задано величиной расстояний между переключателем и ОРВО-измерительным прибором. При построении сети из переключателей и соотнесенных с ними разделителей луча за счет наложения отдельных пиков создается характерное полное изображение (сравнимое с отпечатком пальца), которое при вводе в эксплуатацию сети переключателей регистрируется, сохраняется и, при каждом более позднем измерении, применяется в качестве опорного изображения. Возврат в исходное состояние стекловолокна производится механическим способом посредством поводка, который перемещает стекловолокно назад в его начальную позицию.
На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 представлен предпочтительный переключатель 2, который находится в сработавшем состоянии. Корпус 4 этого переключателя 2 может быть выполнен компактным за счет послойного расположения внутренней механической части переключателя на нескольких уровнях. Фиг. 1 соответствует первому уровню переключателя 2, на котором нечувствительное к изгибу стекловолокно 6 типа G657 или G652, G655 или совместимое со стандартом G652 волокно посредством зажима 8 освобождено от натяжения и состыковано в пределах корпуса 4 с чувствительным к изгибу стекловолокном 10 типа G652. Чувствительное к изгибу стекловолокно 10 удерживается в корпусе в форме нескольких петель посредством направляющих элементов. Направляющие планки 12 и направляющие носики 14 обеспечивают стабильное направление стекловолокна и поддержание минимального радиуса изгиба. Защита стыковочного места от сплющивания защищает стыковочное место и защемлена при этом в продольном пазе между двумя перемычками в переключателе 2. Одна из петель чувствительного к изгибу стекловолокна 10 проведена мимо поводка 16 отклоняющего устройства, который отклоняет стекловолокно 10 при запуске процесса переключения вниз и сгибает его на двух скругленных кромках 18, 20 корпуса 2 в каждом случае на угол примерно 90°.
Показанное на фиг. 2 пусковое и отклоняющее устройство находится на втором уровне переключателя 2. Пусковое устройство выполнено в виде кнопочного выключателя 20, который срабатывает, например, в результате приподнимания охраняемой переключателем 2 крышки колодца. В результате срабатывания винтовая пружина 22 освобождается и подъемный рычаг 24 посредством выступа 26 воздействует на подъемную штангу 28. Расположенный с возможностью вращения вокруг оси 30 подъемный рычаг 24 приводит в действие задвижку 32, к которой посредством штифта 25 прикреплен поводок 16. Одновременно посредством подъемного рычага 24 запускается устройство 34 запаздывания возврата, которое возвращает поводок 16 в исходное положение только по прошествии заданного, регулируемого времени. За счет этого обеспечено, что также и кратковременное приведение в действие подъемной штанги 28 распознается как срабатывание. Без устройства 34 запаздывания возврата приподнимание крышки колодца и, вскоре после этого в течение секунд или даже еще меньших промежутков времени, ее опускание прижимают подъемную штангу 28 книзу, сжимают винтовую пружину 22 и возвращают отклоняющее устройство сразу в исходное положение. В таком случае эффективное и малозатратное измерение срабатывания является технически труднодостижимым.
Фиг. 3 соответствует уровню, на котором расположено устройство 34 запаздывания возврата. Как ранее описано, устройство 34 запаздывания возврата выполняет задачу замедления возврата в исходное состояние переключателя 2 таким образом, что срабатывание может быть надежно зарегистрировано измерительным прибором. При этом время задержки регулируется индивидуально. Механизм задержки может быть выполнен, например, в виде часового механизма или в виде приводимого в действие пружиной пакета пластин, который перемещается в служащей в качестве тормозящего средства высоковязкой и невосприимчивой к температуре жидкости.
Измерения выполняются одним и тем же измерительным прибором последовательно (это является причиной в необходимости устройства 34 запаздывания возврата). При этом являются возможными измерения расстояний длиной до 80-90 км. При более сложных топологиях сети измерение производится по схеме звезды. Число возможных переключателей на волоконный жгут зависит лишь от разрешающей способности и динамики измерительного прибора и самоослабления волоконного жгута. Последовательное или же по схеме звезды измерение уменьшает число необходимых измерительных приборов и, соответствующим образом, совокупные издержки на мониторинг. Механизм задержки служит также для самоконтроля переключателя, поскольку дефект устройства запаздывания возврата в любом случае запускает переключатель.
Переключатель 2, при снабжении его поплавком, кроме всего прочего, также может применяться в качестве датчика давления, уровня наполнения или заводнения. В этом случае, в зависимости от области применения, устройство запаздывания возврата может быть отключено или шунтировано.
На фиг. 4 и фиг. 5 схематически представлены различные возможные конструкции переключателя. Волоконный жгут на фиг. 4 соединяет ОРВО-измерительный прибор 36 или же резервный ОРВО-измерительный прибор 35 посредством разделителя 38 луча с первым переключателем 2. Разделитель 38 луча отделяет, например, 3% входящего на входе 42 количества света и передает эту долю далее в стекловолокно первого переключателя 2. Предпочтительно, количество отделенного света выбирается таким, что изгиб стекловолокна посредством отклоняющего устройства 48 может быть надежно распознан. Расположенное в переключателе 2 стекловолокно оканчивается в корпусе, и количество света отражается на конце стекловолокна с помощью отражателя 46. Отражения достигают посредством либо 90° обреза стекловолокна, либо посредством открытой соединительной детали с физическим контактом (например, волоконно-оптического адаптера с физическим контактом), или посредством открытого адаптера, который выполнен в виде отражателя. Адаптер может находиться как в переключателе 2, защемленным между пластинами 15, так и в муфте 45, наряду с разделителем 50 луча. При этом размещение адаптера в муфте 45 имеет то преимущество, что адаптер может быть заменен в случае неисправности без открывания водонепроницаемого переключателя.
Остающиеся 97% количества света передаются на выходе 44 в стекловолокно и могут быть применены для считывания последующих переключателей. Аналогично конструкции первого разделителя 38 луча и переключателя 2 волоконный жгут может быть продолжен последующими разделителями луча и переключателями (обозначенными в качестве примера посредством пунктирного представления разделителя 50 луча и переключателя 52 на фиг. 4), до тех пор, пока количество света является достаточным для надежного распознавания срабатывания переключателей.
Такая конструкция имеет по сравнению с простым последовательным включением без разделителя луча следующие преимущества:
- более быстрое измерение/перепроверка состояний переключателя, примерно 20 секунд для 50 переключателей, за счет лучшего использования наличествующего количества света,
- отсутствие необходимости в разработке дополнительного программного обеспечения для коррекции графика измерения при срабатывающем переключателе, и
- простая идентификация сработавшего переключателя.
Вызванное в результате изгиба волокна в переключателе ослабление света не влияет на контроль над остальными переключателями.
Присоединение к муфте, предпочтительно, происходит посредством водонепроницаемого соединения, например гибкой трубы, которая содержит нечувствительное к изгибу стекловолокно типа G657. За счет этого обеспечено, что при изломе волоконного присоединения переключателя между выходом переключателя и стыковочной кассетой в муфте не может возникать какого-либо ошибочного толкования состояния переключения. Однако присоединение может производиться также посредством стекловолокна типа G652 или же G655 или иного стекловолокна, которое совместимо со стандартом G652.
Альтернативное расположение переключателей 102, 152 вдоль волоконного жгута представлено схематически на фиг. 5. Стекловолокно 154 соединяет ОРВО-измерительный прибор 136 или же резервный ОРВО-измерительный прибор 135 с отклоняющими устройствами 148 и 156 соответствующих переключателей 102, 152. Переключатели 102 и 152 соединены последовательно. Расположение переключателей может быть дополнено расположением последующих переключателей вдоль волоконного жгута, как в качестве примера показано посредством (представленного пунктиром) переключателя 152.
ССЫЛОЧНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
2, 52, 102, 152 переключатель
4 корпус
6 нечувствительное к изгибу стекловолокно
8 зажим
10 чувствительное к изгибу стекловолокно
11 защита стыковочного места от сплющивания
12 направляющая планка
14 направляющий носик
15 пластины
16 поводок
18, 20 скругленная кромка
22 винтовая пружина
24 подъемный рычаг
26 выступ
28 подъемная штанга
30 ось
32 задвижка
34 устройство запаздывания возврата
35, 135 резервный ОРВО-измерительный прибор
36, 136 ОРВО-измерительный прибор
38, 50 разделитель луча
42 вход разделителя луча
44 выход разделителя луча
45 муфта
46 отражатель
48, 148, 156 отклоняющее устройство
154 стекловолокно