УСТРОЙСТВО, ИМЕЮЩЕЕ УМЕНЬШЕННЫЕ ВНЕШНИЕ РАЗМЕРЫ, ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКИ В ЗАПЫЛЕННОМ И МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ОКРУЖЕНИИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ КОНТЕЙНЕРОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА, НА ПРОИЗВОДЯЩЕМ ИХ ПРЕДПРИЯТИИ
DEVICE HAVING REDUCED OVERALL DIMENSIONS FOR IDENTIFYING METAL SUBSTRATE IN DUSTY AND METALLIC ENVIRONMENT AND USE THEREOF FOR IDENTIFYING CONTAINERS CONTAINING NUCLEAR FUEL ELEMENTS AT PRODUCTION PLANT THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству уменьшенного размера для идентификации металлической подложки, находящейся в запыленной окружающей среде с высоким содержанием металла.
Если более точно, то оно относится к адаптации системы радиочастотной идентификации (RFID - Radio Frequency Identification), подверженной ограничениям по размеру, а также ограничениям по металлу и пыли для подложки, а также для условий окружающей среды, в которых находится подложка.
Главный вариант применения, на который направлено изобретение - это идентификация контейнеров, таких как контейнеры для ядерного топлива, содержащие элементы ядерного топлива, на производящем их предприятии.
Здесь отмечается, что в пределах объема изобретения транспортные емкости-контейнеры для порошка, такого как порошки оксида плутония, и/или оксида урана, и/или шамотной глины, служат как для биологической защиты контактирующих с контейнерами людей, так и в качестве транспортного средства для транспортировки емкостей, например, между местом хранения и различными производственными рабочими местами объекта.
Уровень техники
На производственном предприятии идентификация контейнеров во время каждого перемещения из производственного модуля или места хранения к другому модулю должна быть гарантированной, для того чтобы в одно и то же время обеспечивать:
- управление и отслеживание ядерных материалов в соответствии с инструкциями национальных и международных органов обеспечения безопасности,
- прослеживаемость топливного продукта на протяжении производственного процесса.
В качестве устройства для идентификации контейнеров в атомной промышленности, как правило, используется маркировка с помощью штрихового кода, взаимодействующая с оптическим считывателем. Устройство этого типа не полностью отвечает всем требованиям в условиях окружающей среды, ограниченных защитной камерой с перчатками в «порошковых» рабочих местах модуля, поскольку условия окружающей среды являются ограниченными и запыленными. Мелкие частицы откладываются на этикетке и считывателе. Контрастность штрихового кода уменьшается, таким образом уменьшая его разборчивость. Оптический считыватель также покрывается пылью и быстро изнашивается.
Из-за нахождения на некотором расстоянии и в связи с загрязнением просвечивающих панелей защитной камеры с перчатками, данная технология не дает надежного результата при установке считывателей снаружи защитной камеры с перчатками, чтобы защитить их от пыли и радиации.
Изобретатели в первую очередь стремились выявить все ограничивающие факторы, относящиеся к окружающей среде защитной камеры с перчатками, а во вторую очередь, они сделали обзор различных альтернативных технологий, используемых в промышленности.
После этого они пришли к заключению, что устройство радиочастотной идентификации (RFID) было, по существу, наилучшей возможностью соответствовать условиям окружающей среды, поскольку оно дает возможность иметь:
- 100% долю успешных попыток выполнения задачи,
- считыватель устанавливается снаружи защитной камеры с перчатками,
- быстрое считывание,
- считывание, невосприимчивое к пыли.
Также они пришли к заключению, что устройства радиочастотной идентификации (RFID), имеющиеся на рынке, не адаптированы к маленьким размерам окружающего пространства и к необходимости работы в среде с высоким содержанием металла, созданной самой защитной камерой с перчатками, содержащей или не содержащей устройства запирания для прохода перчаток и контейнера, который должен идентифицироваться.
Задача изобретения состоит в создании устройства для идентификации с помощью радиочастотной идентификации (RFID) контейнера, содержащего элементы ядерного топлива, которое имеет уменьшенный размер, и которое является надежным в окружающей среде с чрезвычайно высоким содержанием металла, создаваемой самой защитной камерой с перчатками, содержащей или не содержащей устройства запирания для прохода перчаток и контейнера, который должен идентифицироваться.
Более общей задачей изобретения является создание устройства для радиочастотной идентификации (RFID) металлической подложки, находящейся в пыльной среде с высоким содержанием металла, которое является надежным и имеет уменьшенный размер.
Осуществление изобретения
Поставленная задача, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, решена в устройстве для идентификации металлической подложки, находящейся в окружающей среде с чрезвычайно высоким содержанием металла, которая также может быть насыщена и пылью, содержащем пассивную этикетку радиочастотной идентификации (RFID), при этом носитель этикетки содержит ферритовый элемент, выполненный с возможностью крепления к металлической подложке и для позиционирования этикетки на определенном расстоянии от антенны, содержащей короткозамкнутый петлевой контур, расположенный во внутренней части петлевого контура антенны этикетки, а также считыватель RFID, имеющий антенну, которая включает в себя, как петлю индуктивности, две секции коаксиального кабеля, имеющие, по существу, идентичную длину, при этом каждый из них включает в себя металлическую сердцевину и металлическую оплетку, окружающую сердцевину, две секции соединены друг с другом, с одной стороны, на одном конце секций, за счет присоединения сердцевины одной секции к оплетке другой секции, и наоборот, а с другой стороны, на другом конце секций, за счет соединения вместе только оплеток, причем сердцевины секций остаются отделенными друг от друга.
Поставленная задача, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, решена в устройстве для идентификации металлической подложки, находящейся в окружающей среде с чрезвычайно высоким содержанием металла, которая также может быть насыщена пылью, содержащем этикетку радиочастотной идентификации (RFID), при этом носитель этикетки выполнен из электрически изолирующего материала, выполненного с возможностью крепления к металлической подложке и для позиционирования этикетки на определенном расстоянии от нее, и содержащем чехол, подходящий для полного размещения этикетки, а также считыватель RFID, антенна которого составлена из двух секций коаксиального кабеля, имеющих, по существу, идентичную длину, при этом каждый из них включает в себя металлическую сердцевину и металлическую оплетку, окружающую сердцевину, причем две секции соединены друг с другом, с одной стороны, на одном конце секций за счет присоединения сердцевины одной секции к оплетке другой секции, и наоборот, а с другой стороны, на другом конце секций, за счет соединения вместе только их оплеток, причем сердцевины секций остаются отделенными на вышеуказанном другом конце.
Окружающая среда, называемая "highly metallic" (с высоким содержанием металла), находится в пределах объема изобретения, поскольку это понятие вмещает в себя различные материалы, большей частью выполненные из металлов различной природы (нержавеющая сталь, алюминий, сталь). Например, когда окружающая среда определяется внутри защитной камеры с перчатками в ядерном секторе, то многочисленные вспомогательные агрегаты представляют: двигатели, конвейеры, составленные из катков, выполненных из нержавеющей стали, на которых может транспортироваться контейнер для ядерного топлива, лифт для подъема контейнера для ядерного топлива в верхнюю часть защитной камеры с перчатками и т.д. Кроме того, на стенках размещаются металлические бандажные рамки, чтобы вставлять на место перчатки и резервуары, подходящие для создания биологической защиты.
Таким образом, расположение этикетки на расстоянии от металлической подложки с использованием электрической изоляции, позволяет избежать значительного уменьшения ее эффективной поверхности, в то же самое время поддерживается ограниченный размер. Кроме того, этикетка размещается таким образом, что она полностью герметизируется в чехле, и ее функции не изменяются в запыленной окружающей среде.
Выбор производства антенны считывателя RFID является особенного продуманным, поскольку дает возможность получить собственную резонансную частоту, другими словами, снаружи от установленной конфигурации в окружающей среде, практически равную той, которая имеется у этикетки, в то же время поддерживая ограниченный размер. Как правило, для высокочастотной этикетки с частотой 13.56 МГц можно использовать коаксиальный кабель со средней емкостью порядка 97 пФ и формировать общую длину двух секций антенного считывателя, которая составляет порядка 1.2 мм. Как объясняется в дальнейшем, факт создания нарушения непрерывности в коаксиальном кабеле, когда он сформирован, дает возможность получить увеличенное излучение поверхности, в то же самое время, поддерживая ограниченный размер.
Носитель этикетки является деталью, выполненной из электрически изолирующего материала, содержащего выдвижной чехол, в котором этикетка RFID может совершать скользящее перемещение. Предпочтительно, данная деталь выполнена из электрически изолирующего материала, на основе полиэтилена высокой плотности (HDPE - high-density polyethylene). Этот простой выбор дает возможность не корректировать индуктивность и, таким образом, авторезонансную частоту этикетки.
Предпочтительно, размеры носителя являются соответствующими положению этикетки на расстоянии, по меньшей мере, 4 мм, предпочтительно 12 мм, от металлической подложки. Как объясняется в дальнейшем, изобретатели установили, что на этом расстоянии этикетка имеет достаточный размер ее эффективной поверхности, чтобы быть активизированной и считываться, даже во время перемещения антенной считывателя RFID, как правило установленной на номинальное расстояние порядка 275 мм. Кроме того, изобретатели заметили, что параметр предельного срабатывания устройства для идентификации во время бокового перемещения составлял порядка 70 мм около вышеуказанного номинального расстояния, т.е. предельное расстояние составляет порядка 345 мм.
Диаметр секций коаксиального кабеля, предпочтительно, меньше или равен 1.05 мм.
За счет использования коаксиального кабеля с такими маленькими размерами, видимость просвечивающих стенок ограждения, к которому прикрепляется антенна считывателя RFID, изменяется настолько мало, насколько это возможно.
Предпочтительно, имеется электронный корректирующий элемент, который присоединен к сердцевинам, отделенным от антенной петли, при этом элемент содержит средства для адаптации импеданса и настройки частоты антенной петли в установленной конфигурации в окружающей среде. Таким образом, адаптация импеданса, как правило, на 50 Ω, и настройка частоты антенного считывателя, как правило, в областях частоты 13,56 МГц, могут быть выполнены для каждого случая отдельно, как функция большего или меньшего содержания металла в окружающих условиях, в которых находится устройство для идентификации.
Для того чтобы создать питание для антенной петли считывателя, предпочтительно, обеспечивается первичная петля, которая позволяет создать электромагнитное взаимодействие, при этом первичная петля присоединяется к электронному модулю считывателя, подходящего для считывания идентификационных данных с пассивной этикетки. Это решение имеет преимущество, поскольку оно дает возможность доставлять мощность в необходимую радиочастоту без ухудшения устойчивости к нарушениям для резонатора RLC, частично составленного из секций коррекционного коаксиального кабеля, и в то же самое время, позволяя их адаптировать к необходимому импедансу, как правило, 50 Ω. Как объясняется в дальнейшем, это решение за счет электромагнитного взаимодействия с первичной петлей, вместе с тем, дает возможность не увеличивать размеры цепи питания, поскольку существует возможность установить первичную петлю внутри и настолько близко, насколько это возможно, к антенной петле, составленной из двух секций коаксиального кабеля.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, дающим преимущества, этикетка выполнена с возможностью излучения на частоте 13.56 МГц, при этом две секции коаксиального кабеля антенны считывателя имеют среднюю емкость 97 пФ/м и общую длину порядка 1.2 м. С этими характеристиками получается значение внутренней резонансной частоты антенного считывателя, другими словами, снаружи от места его установки в окружающей среде с чрезвычайно высоким содержанием металла, по существу равна 13.56 МГц, т.е. значению резонансной частоты этикетки, и таким образом, несмотря на относительно малую общую длину антенны, составляющую порядка 1.2 м, совместимую с окружающим пространством малых размеров.
Изобретение также относится к металлическому контейнеру, на который прикрепляется носитель этикетки устройства для идентификации, как описывалось ранее.
Такой контейнер составляет, предпочтительно, емкость для ядерного топлива, подходящую для содержания элементов ядерного топлива, таких как порошок оксидов плутония и/или оксидов урана, и/или шамотной глины.
И наконец, изобретение относится к ограждению, содержащему стенки, разграничивающие замкнутое пространство с чрезвычайно высоким содержанием металла, которое также может быть запыленным, с, по меньшей мере, одной стенкой, на которой расположена антенна считывателя RFID описанного ранее устройства для идентификации.
Предпочтительно, когда стенки ограждения являются просвечивающими, секции антенны прикрепляются к периферической части прозрачной пластины-подложки, которая сама прикреплена к одной из просвечивающих стенок ограждения. Таким образом, возможно создавать антенную петлю, вытянутую в наибольшей степени, без изменения видимости через стенки ограждения, которая является возможной или необходимой.
Предпочтительно, чтобы не подвергать секции антенны слишком большому количеству деформаций, эти секции прикрепляются к периферической части пластины-подложки, для того чтобы их радиус кривизны составлял менее чем 4 мм вдоль всей периферической части.
Когда ограждение имеет свойства биологической защиты в отношении расположенного снаружи человека, например, когда одна из просвечивающих стенок содержит панель на основе свинцового стекла, а другая панель выполнена на основе другого стекла, отличающегося от свинцового, пластина-подложка для секций антенны, предпочтительно, вставляется между двумя панелями просвечивающей стенки. Антенная петля, составленная из двух секций коаксиального кабеля, таким образом, не подвергается влиянию толщины и материала (свинца) для биологической защиты.
Когда ограждение является ограждением типа защитной камеры с перчатками, другими словами, когда в одной из стенок проделываются отверстия, каждое из которых окружается металлическим бандажом, выполненным с возможностью вмещения перчатки, используемой для манипулирования контейнером внутри ограждения, при этом форма пластины-подложки для секций антенны, предпочтительно, прочно захватывается, по меньшей мере, в одной металлической бандажной рамке, не окружая ее. Благодаря такой схеме гарантируется, что металлическое бандажирование(я), связанное(ые) с прохождением тока, индуцированного током, протекающим через секции антенны, добавляется к последнему. Другими словами, металлическая бандажная рамка способствует увеличению электромагнитного поля, создаваемого секциями антенны, и необходимого для запитывания этикетки.
И снова предпочтительно, чтобы форма пластины-подложки для секций антенны прочно захватывалась, по меньшей мере, двумя металлическими бандажными рамками, в то же время не окружая любую из них. Это прекрасно подходит в том случае, когда защитная камера с перчатками является камерой такого типа, в которой используются четыре отверстия камеры с перчатками, выставленные парами на различной высоте, при этом пары имеют смещение по отношению друг к другу.
И наконец, изобретение относится к варианту применения устройства, описанного ранее, для идентификации контейнеров для ядерного топлива, содержащих элементы ядерного топлива на производящем его предприятии. Вышеуказанные контейнеры для ядерного топлива являются, например, емкостями с порошком, и их идентификация имеет место на каждом производственном рабочем месте между местом производства порошка и складским туннелем этого производственного предприятия.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и характеристики изобретения станут более понятными после прочтения подробного описания, приведенного со ссылками на фигуры с 1 по 13.
На фиг.1 показана экспериментальная кривая, иллюстрирующая влияние металла подложки, которая должна быть идентифицирована, на эффективную поверхность этикетки RFID;
на фиг.2 схематично показан измерительный детектор магнитного поля, используемый для измерения поля, создаваемого в антенне этикетки RFID в испытательных условиях;
на фиг.3 показана экспериментальная кривая, иллюстрирующая влияние на резонансную частоту этикетки RFID, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, разделителя, размещенного между металлической подложкой, которая должна быть идентифицирована, и этикеткой RFID;
на фиг.4 схематично показан шаблон для травления, используемый для производства соответствующей цепи резонансной частоты этикетки RFID, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.5 показан носитель этикетки вместе с этикеткой RFID, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, при этом носитель этикетки выполнен с возможностью прикрепления к металлической подложке, которая должна быть идентифицирована, вид в перспективе с пространственным разделением деталей;
на фиг.6 и 6А показан носитель этикетки, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, при этом носитель этикетки выполнен с возможностью прикрепления к металлической подложке, которая должна быть идентифицирована, вид спереди и сбоку, соответственно;
на фиг.7 схематично показана антенна петли считывателя RFID, в соответствии с изобретением, вид спереди;
на фиг.8 показано производство антенной петли, в соответствии с фиг.7, схематичный детальный вид;
на фиг.9 показана электронная схема кабельных соединений варианта осуществления изобретения электронного корректирующего элемента антенного считывателя RFID, в соответствии с изобретением;
на фиг.10 детально показан вариант прикрепления антенного считывателя RFID, в соответствии с изобретением, к пластине-подложке;
на фиг.11 показан вариант осуществления электрического питания антенного считывателя, в соответствии с изобретением, за счет электромагнитного взаимодействия с первичной петлей;
на фиг.12 показана схема настройки, использующая корректирующий элемент, в соответствии с фиг.11, и позволяющая регулировать антенный считыватель RFID после того, как он встраивается в установленную конфигурацию в окружающих условиях с чрезвычайно высоким содержанием металла;
на фиг.13А и 13В показаны два режима установки пластины-подложки антенного считывателя RFID, в соответствии с изобретением, в ограждение, разграничивающее пространство с чрезвычайно высоким содержанием металла.
Осуществление изобретения
Устройство для идентификации, в соответствии с изобретением, использует в качестве комплектующих пассивную этикетку и считыватель RFID, отвечающие требованиям стандарта ISO 15693.
Как правило, этикетка является пассивной этикеткой с частотой, равной 13.56 МГц. Например, этикетка является такой, промышленное внедрение которой осуществлено компанией RAFSEC, с размерами 45×76 мм, со встроенной микросхемой с торговой маркой "Phillips Icode2 SLI".
Что касается считывателя RFID, то он использует модуль с мощностью 1.7 Вт с импедансом 50 Ом. Например, применяемый считыватель является носителем с номером "RP-IDISC-MR200-A".
Изобретение относится как к определению носителя этикетки, подходящего для прикрепления к металлической подложке, так и к антенной петле считывателя RFID, который дает возможность освободиться от любых возмущений, связанных с условиями окружающей среды с чрезвычайно высоким содержанием металла, которая к тому же может быть также и запыленной.
Хотя описанное относится к применению для идентификации металлических емкостей, содержащих порошок ядерного топлива и находящихся в окружении типа защитной камеры с перчатками, представляющей собой связывающий модуль на рабочем месте производства элементов ядерного топлива, изобретение также можно легко применить для других целей, где также имеется среда с высоким содержанием металла и высокой запыленностью.
В этом высокоточном варианте применения, в котором защитная камера с перчатками содержит просвечивающие стенки, такие как Lexan, Plexiglas, или основанные на свинцовом стекле, изобретатели в первую очередь заметили, что эти стенки имеют незначительное влияние на настроечную частоту и на уровень излучения пассивной этикетки при 13.56 МГц.
Затем изобретатели изучили влияние металлической природы подложки, которая должна быть идентифицирована, на пассивную этикетку при 13.56 МГц.
Фиг.1 является кривой, показывающей изменение эффективной поверхности пассивной антенны в виде этикетки при 13.56 МГц по отношению к расстоянию до металлической плоскости, характеризующей внешнюю стенку металлического контейнера для ядерного топлива, обычно выполненного из нержавеющей стали.
Видно, что это влияние является значительным на расстоянии далее 30 мм, которое является расстоянием, на котором уменьшение эффективной поверхности антенны этикетки уже составляет порядка 50%. Действительное значение антенны ниже 3.5 мм составляет только 10%, и составляет близкое к нулю значение, когда этикетка находится в непосредственном контакте с металлической подложкой.
Кроме того, изобретатели проанализировали, что необходимо увеличивать эффективную поверхность антенны в виде этикетки. Для окружающей обстановки защитной камеры с перчатками задаются очень ограниченные размеры. Изобретатели также проанализировали, что рассматриваемое решение должно соответствовать очень строгим ограничениям по отношению к размеру. Тогда они обсудили два решения:
1) или вставлять ферритовую пластину между антенной в виде этикетки и металлической подложкой, которая должна идентифицироваться;
2) или размещать этикетку на расстоянии, в то же время изолируя электрически металлическую подложку, которая должна идентифицироваться.
Для решения 1) увеличивается эффективная поверхность, при этом изобретатели сначала искали существующие ферритовые пластины. Они выбрали ферритовые пластины производителя Kaschke, выполненные под маркой «К40», проницаемость которых составляет 40 при 20ºС, которые пригодны для эксплуатации с частотой использования вплоть до 50 МГц и выше.
Затем они протестировали пластины с точно определенными размерами. Они использовали тот же самый протокол испытаний, описанный со ссылкой на фиг.1, но размещали ферритовую пластину между антенной этикетки, взятой за образец (13.56 МГц), и металлической плоскостью.
Были протестированы различные элементы феррита с пластинами следующих размеров (которые соответствуют, по порядку, длине, ширине и толщине):
- ферритовый элемент №1: две пластины, расположенные бок о бок, с общими размерами 200 мм×120 мм×3.75 мм,
- ферритовый элемент №2: пластина с размерами 200 мм×120 мм×3.75 мм,
- ферритовый элемент №3: пластина с размерами 100 мм×56 мм×3.75 мм,
- ферритовый элемент №4: две пластины, расположенные одна на другой, с общими размерами 100 мм×120 мм×7.5 мм.
Эффективные поверхности были представлены на фиг.1, соответственно, в точках р11, р12, р13 и р14. Таким образом, возможно установить соответствие между используемым ферритовым элементом и эквивалентным воздушным расстоянием, другими словами, изолятором.
Таким образом, было замечено, что для той же самой толщины (3.75 мм), эквивалентное воздушное расстояние было тем больше, чем была больше поверхность пластины. Фактически, для:
- ферритового элемента №1 эффективная поверхность составляет 74%, т.е. эквивалентное воздушное расстояние составляет 61 мм,
- ферритового элемента №2 эффективная поверхность составляет 56%, т.е. эквивалентное воздушное расстояние составляет 36 мм,
- ферритового элемента №3 эффективная поверхность составляет 40%, т.е. эквивалентное воздушное расстояние составляет 21 мм.
Также наблюдается, что для пластины одного и того же формата (100 мм×120 мм) эффективная поверхность увеличивается с толщиной ферритового элемента, но коэффициент усиления с эквивалентным воздушным расстоянием уменьшается с толщиной феррита. Фактически, для:
- ферритового элемента №2 эффективная поверхность составляет 56%, т.е. эквивалентное воздушное расстояние составляет 36 мм,
- ферритового элемента №4 эффективная поверхность составляет 67%, т.е. эквивалентное воздушное расстояние составляет 48 мм.
При заданном доступном размере для держателя на контейнере для ядерного топлива, изобретатели выбрали ферритовый элемент, составленный из единой пластины с размерами 60 мм×100 мм×3.75 мм, который приводит к уменьшению видимой поверхности антенны пассивной этикетки, приблизительно, на 50%.
Затем изобретатели провели эксперимент для измерения резонансной частоты этикетки, как функции установки этикетки с ферритовым элементом по отношению к металлической плоскости.
Этикетка, промышленное внедрение которой осуществлено компанией RAFSEC, с размерами 45×76 мм и встроенной микросхемой с торговой маркой "Phillips I-code SLI", и кодовым номером 3000165 для продаж, была выбрана в качестве ссылочной этикетки. Она была расположена над ферритовым элементом №3, который был расположен над металлической поверхностью с размерами 32 см×30 см.
Излучающая петля для создания магнитного поля затем размещается на расстоянии около 25 см выше этикетки.
Детектор S8 магнитного поля в виде восьмерки, как схематично представлено на фиг.2, в этом случае позиционируется на витках спирали антенны этикетки для того, чтобы воспринимать только магнитное поле, создаваемое циркуляцией тока в антенне этикетки.
Параллельно, измерительный детектор магнитного поля также размещается в центре излучающей петли, чтобы управлять излучаемым магнитным полем.
Затем измеряют резонансную частоту из ответа, полученного измерительным детектором магнитного поля в форме восьмерки из детектора S8 для постоянного первичного поля, частота которого сделана изменяемой.
Измеренная внутренняя частота этикетки, взятой за образец, имеет значение 14.27 МГц.
Можно наблюдать, что когда этикетка, взятая за образец, накладывается на ферритовый элемент №3, резонансная частота падает до значения 10.0 МГц.
Таким образом, влияние расстояния между витками спирали антенны RFID и ферритовым элементом является очень значительным.
Затем были взяты замеренные значения резонансной частоты с разделителем различной толщины, размещенным между этикеткой RFID и ферритовым элементом №3. Кривая, представленная на фиг.3, иллюстрирует процесс изменения этой резонансной частоты, как функции толщины разделителя. Эта кривая показывает точки смещения по отношению к направлению процесса изменения: фактически, они соответствуют разнице в материалах, используемых для разделителя, а именно, соответственно: тефлон, полипропилен, стеклоэпоксидная смола FR4. Таким образом, для точки, соответствующей толщине, которая составляет 1.6 мм, использовался разделитель в форме пластины из стеклоэпоксидной смолы FR4. Это показывает, что антенна этикетки RFID также является чувствительной к электрической проницаемости материала в непосредственной близости от ее витков. Из этого можно заключить, что материал с высокой проницаемостью способен вызвать более важное уменьшение резонансной частоты. Из этого также можно заключить, что с разделителем толщиной 2 мм резонансная частота может быть увеличена на значение, составляющее около 2 МГц.
Затем изобретатели сделали вывод, что в контексте изобретения, где необходимо оставлять размеры ограниченными, было невозможно определить разделитель, который был бы достаточно тонким, чтобы можно было восстановить резонансную частоту до ее первоначального значения.
Затем изобретатели пришли к мнению, что можно предусматривать два средства, для того чтобы восстановить резонансную частоту до оптимального значения:
- или изменить антенну этикетки, но это приводит к необходимости обращения к специфическому изготовлению антенны RFID или выполнению переноса интегральных микросхем, таких как чип I-code, на стандартный антенный контур,
- или добавлять вторичную корректирующую цепь к стандартной антенне RFID другими словами, к антенне, доступной в настоящий момент на рынке.
С учетом сложности производства и связанных с этим затрат, изобретатели решили формировать вторичную корректирующую цепь антенны RFID.
После проведенного эксперимента, изобретатели пришли к выводу, что корректирующая цепь представлена единственным образом на внешней части антенны RFID, другими словами, зона между средним витком антенны этикетки и краем пластины из феррита не позволяет получить достаточную коррекцию резонансной частоты антенны RFID.
Даже в том случае, когда короткозамкнутые контуры параллельных цепей, которые раскладываются внутри антенной цепи этикетки, уменьшают ее эффективную поверхность, это расположение создает преимущество и дает возможность получить удовлетворительную коррекцию резонансной частоты.
На фиг.4 схематично показан шаблон М медной цепи корректора, используемый для этикетки RFID, взятой за образец. Как можно увидеть на фиг.4, внутренняя цепь имеет множество ответвлений, снабженных ограничением, отсекание которых позволяет производить геометрическую настройку.
На фиг.5, на виде сбоку, представлена сборка носителя 1 этикетки, содержащая этикетку RFID, взятую за образец, и ферритовый элемент №3, присоединенный к коллекторной цепи, составленной из короткозамкнутых контуров параллельных цепей, которые раскладываются внутри контуров параллельных цепей антенны, взятой за образец.
Если более точно, то сборка производится с помощью соединения различных слоев следующих материалов:
- элемент 1 феррита №3 (типа К40, промышленное внедрение которой осуществлено компанией Kaschke, со следующими размерами: 60×100×3.75 мм),
- разделитель 11, выполненный из электрически изолирующего и немагнитного материала, состоящего из трех слоев 110, 111, 112 туфола общей толщиной порядка 3 мм,
- сборка 12, состоящая из этикетки RFID, присоединенной к медной печатной схеме с толщиной 35 мкм, сформированной на подложке 120 в FR4 с толщиной 0.2 мм, при этом этикетка защищается слоем туфола 121 толщиной 0.35 мм.
Для решения 2/ увеличения эффективной поверхности, изобретатели в конечном итоге сохранили носитель этикетки, выполненный из полиэтилена высокой плотности (HDPE - high-density polyethylene), позволяющий располагать металлическую массу металлической подложки (контейнера), который должен идентифицироваться на достаточно большом расстоянии. Для варианта применения защитной камеры с перчатками изобретатели сохранили преимущества дистанционного расположения, порядка 12 мм между этикеткой и верхней частью металлической детали ручки контейнера для ядерного топлива. Кроме того, такое расположение этикетки выше ручки контейнера для ядерного топлива приводит к перемещению этикетки от корпуса контейнера для ядерного топлива на расстояние около 40 мм.
Как представлено на фиг.6 и 6А, носитель 1 этикетки HDPE, в соответствии с изобретением, содержит чехол 10 этикетки, который, строго говоря, сам содержит направляющие салазки 100 и который дает возможность полностью вместить пассивную этикетку RFID во время использования, и таким образом защитить ее от всей пыли, которая, вероятно, должна находиться в окружающей среде, например такая, как порошок ядерного топлива во взвешенном состоянии. Кроме того, направляющие салазки 100 позволяют легко вставлять и вытаскивать этикетку в случае необходимости.
Что касается способа прикрепления носителя этикетки, то предпочтительно, он осуществляется путем просверливания в носителе отверстий, как правило, в количестве двух, для крепления с помощью винтов, предпочтительно, к ручке контейнера для ядерного топлива.
Что касается антенны считывателя RFID, то изобретатели выбрали, как предположение, рассмотреть антенну, являющуюся резонирующей антенной индуктивного типа с целевой резонансной частотой, равной частоте этикетки, т.е. 13.56 МГц, и таким образом, с целевым импедансом в 50 Ом. И еще, благодаря их знанию антенны этого типа, изобретатели позаботились о том, чтобы минимизировать его электрический аспект. К электрическому аспекту обращаются для того, чтобы иметь в виду, что различные части антенной цепи могут иметь различия в электрических потенциалах и, таким образом, придавать антенне переменные электрические характеристики. Другими словами, антенный считыватель не достигает только электромагнитного взаимодействия с пассивной этикеткой.
И еще, чем больше электрический аспект считывателя, тем в большей степени окружающая среда с чрезвычайно высоким содержанием металла способна оказывать влияние на индуктивные характеристики антенны за счет приведения ее в нестабильное состояние, например при воздействии руки.
Затем изобретатели искали способ производства антенны, который минимизирует, насколько это возможно, электрический аспект. И еще, известные решения, доступные для данного случая, такие как электрическое экранирование антенной цепи, или разделение ее с помощью электрической симметрии, не были подходящими в существующей ситуации, поскольку они приводили к увеличению размера цепи антенного считывателя.
Кроме того, изобретатели таким образом определили структуру антенны, как показано на фиг.7: антенна 2 включает в себя, как индукционная петля, две секции 20, 21 коаксиального кабеля, имеющие практически идентичную длину. Каждая секция 20, 21 коаксиального кабеля содержит металлическую сердцевину 200, 210 и металлическую оплетку 201, 211, окружающую сердцевину. Две секции 20, 21 соединяются друг с другом, с одной стороны, на одном конце 200А, 210А секций, за счет присоединения сердцевины 200 одной секции к оплетке 211 другой секции, и наоборот (сердцевина 210 присоединяется к оплетке 201), а с другой стороны, на другом конце 200В, 210В секций, за счет соединения вместе только оплеток 201, 211, причем сердцевины 200, 210 секций остаются отделенными друг от друга на вышеуказанном другом конце. Таким образом, антенна имеет, как бы, две петли без разделения.
Каждая секция используемого кабеля выполнена из микроформатного коаксиального кабеля, промышленное внедрение которого осуществлено компанией AXON в виде коммерческого образца SM 50 с диаметром, по существу, равным 1.05 мм с линейной емкостью порядка 97 пФ/м.
Как правило, общая длина коаксиального кольца, произведенного таким способом, с прерываниями между сердцевиной и оплеткой, составляет порядка 1.2 м, т.е. общая емкость составляет 120 пФ, и, таким образом, приводит к внутренней резонансной частоте порядка 14 МГц.
Кроме того, как объясняется в дальнейшем, очень маленький диаметр секций дает возможность не изменять видимость через просвечивающие стенки ограждения, к которому может быть прикреплен антенный считыватель.
На фиг.8 детально показан предпочтительный вариант выполнения прерывания между сердцевинами 200, 210 и оплетками 201, 211. Сердцевина 200 секции 20 приваривается с помощью сварки S1 к оплетке 211 другой секции 21, и наоборот: сердцевина 210 секции 21 приваривается с помощью сварки S2 к оплетке 201 секции 20. Как видно, что каждая секция содержит оболочку 203, соответственно, 213, изолирующую сердцевину 200, соответственно 210, от оплетки 201, соответственно, 211. Изолирующая оболочка 202, соответственно, 212, также имеется снаружи от оплетки 201, соответственно, 211. И последнее, термоусадочная трубка 22 полностью изолирует всю область прерывания.
Как представлено на фиг.9, два конца сердцевин антенного считывателя, которые отделены друг от друга, могут быть присоединены к электронному корректирующему элементу 3 в точках ТР4 и ТР5. Вышеуказанный электронный корректирующий элемент 3 содержит на входе конденсатор CV1 переменной емкости, соединенный с двумя сердцевинами 200, 210 для регулирования настроечной частоты, и потенциометр Р, адаптированный для импеданса, обычно составляющего 50 Ом. Это регулирование производится сразу после того, как антенна 2 устанавливается в конфигурацию окружающей среды с чрезвычайно высоким содержанием металла.
Кроме того, видно, что две линии 30, 31 соединяются вместе с помощью потенциометра, при этом каждая из линий содержит комплект R1, C1, и соответственно, R2, С2, соединенные параллельно.
Как правило, имеются следующие значения:
С1=С2=4.7 пФ,
R1=R2=12 кОм,
CV1 изменяется от 1.8 до 10 пФ,
Р изменяется от 0 до 200 к.
Для окружения защитной камеры с перчатками с просвечивающей стенкой на основе свинцового стекла, изобретатели выбрали использование пластины-подложки 4, выполненной из прозрачного материала. Если более точно, то секции коаксиального кабеля 20, 21 вставляются и закрепляются в канавке 40, используя клеящий состав 5, на периферийной части пластины-подложки 4, как подробно проиллюстрировано на фиг.10. В любой точке на периферии пластины-подложки 4 радиус кривизны секций составляет менее 4 мм, для того чтобы не создавать слишком много механических деформаций в ней. Углубление 40, кроме того, подходит для того, чтобы принимать в расчет дополнительную толщину, вызванную пересечением сердцевины/оплетки, как проиллюстрировано на фиг.4.
Таким образом, можно определить пластину-подложку, имеющую толщину, позволяющую вставлять ее между стенкой на основе свинца и другой просвечивающей стенкой. В результате предотвращается любое влияние, вызванное металлическими свойствами стенки на основе свинца. Кроме того, пластина-подложка выполнена из просвечивающего материала, и она не изменяет видимость через защитную камеру с перчатками.
Чтобы обеспечить питанием считыватель 2 антенны, изобретатели рассматривали использование решения электромагнитного взаимодействия с первичной петлей, которое дает возможность подавать электропитание для резонатора с радиочастотной мощностью без ухудшения устойчивости к нежелательным воздействиям на уровне прерываний антенны с чередующимися секциями, как было представлено выше. Кроме того, это позволяет сохранять возможность адаптации импеданса на 50 Ом. На фиг.11 схематично показана такая первичная петля 6, которая добавляется частично вдоль участков секций 20, 21 коаксиального кабеля: петля 6 и секции 20, 21 кабеля располагаются, насколько это возможно, ближе друг к другу, как правило, менее чем 0.5 мм. В варианте осуществления изобретения помещение секций кабеля в канавку 40 на периферии пластины-подложки 4, и помещение первичной петли 6 также осуществляется совместно. Только один участок 60 первичной петли не следует за секциями коаксиального кабеля, при этом вышеуказанный участок, предпочтительно, также помещается в пластину-подложку 4. Обычно петля формируется из эмалированной медной проволоки диаметром от 0.2 до 0.3 мм, например как проволока, промышленное внедрение которой осуществлено под названием "Radiospares RS 357-716". Углы кривизны здесь также выбраны таким образом, чтобы не создавать слишком много деформаций: как правило, они составляют порядка 3 мм. Кроме того, на этой фигуре 11 можно увидеть, что коробка 50 вмещает электронный корректирующий элемент 3, установленный на месте прерывания сердцевин 200, 210 рядом с пластиной - подложкой 4, с разъемом 7 на конце. Таким образом, пластина-подложка 4, антенный считыватель 2 RFID, первичная петля 6 питания, сборка электронного корректирующего элемента, формируют автономный модуль.
На фиг.12 схематично показаны различные средства, позволяющие производить регулирование антенного считывателя RFID, как только он установлен в конфигурацию в защитную камеру с перчатками между стенкой на основе свинцового стекла и просвечивающей стенкой, выполненной из плексигласа. Если более точно, то на этой схеме показаны различные средства, позволяющие производить настройку частоты, причем, обычно частота соответствует 13.56 МГц, и адаптацию импеданса на 50 Ом антенного считывателя 2 RFID, описанного вместе с корректирующим элементом 3, и его первичной петлей питания за счет электромагнитного взаимодействия 6.
Способ состоит в использовании направленного устройства 8 связи между модулем 25 электронного считывателя антенны RFID и осциллоскопа 9. Осциллоскоп дает возможность визуализировать сигнал с частотой 13.56 МГц, который представляет электромагнитную волну, возвращающуюся на устройство 8 связи. Амплитуда этого сигнала, таким образом, минимизируется за счет последовательного действия на конденсатор С VI переменной емкости корректирующего элемента 3 с целью получения настройки и на потенциометре Р с целью получения демпфирования антенной цепи RLC. Этот способ является предпочтительным, поскольку он дает возможность регулирования на своем месте, принимая во внимание реальные окружающие условия с чрезвычайно высоким содержанием металла, используя при этом минимальные средства (направленное устройство 8 связи, осциллоскоп 9).
В окружающей среде защитной камеры G с перчатками эта камера содержит, как правило, металлические бандажные рамки С, подходящие для вмещения отверстий перчаточной камеры для манипулирования. В этом случае изобретатели сочли целесообразным определить форму антенного считывателя, для того чтобы этот электромагнитный сигнал усиливался за счет вышеуказанных металлических бандажных рамок. Эта форма уже представлена на фиг.11 и 12.
Фактически, бандажная рамка, подвергаемая воздействию электромагнитного поля антенного считывателя 2, развивает электромагнитную силу и вторичный ток, который затем протекает в вышеуказанной металлической бандажной рамке. Вышеуказанная короткозамкнутая бандажная рамка затем является источником вторичного излучения электромагнитного поля. Таким образом, за счет адаптации формы секций антенны надлежащим образом, чтобы она сжималась, по меньшей мере, одной металлической бандажной рамкой, не окружая ее, электромагнитное поле бандажной рамки добавляется к полю антенного считывателя 2.
Два предпочтительных варианта установки на ту же самую защитную камеру G с перчатками модуля, содержащего антенный считыватель 2 RFID, в соответствии с изобретением, и пластину-подложку, на периферии которой прикрепляются представленные на фиг.13А и 13В:
- на фиг.13А можно увидеть, что на одной из внешних поверхностей F1 защитной камеры с перчатками форма пластины-подложки 4 секций 20, 21 антенны сжимается двумя металлическими бандажными рамками C1, C2 отверстий перчаточной камеры для манипулирования, в то же время не окружая какую-либо из них,
- на фиг.13В можно увидеть, что на другой внешней поверхности F2 защитной камеры с перчатками форма пластины-подложки 4 секций 20, 21 антенны сжимается тремя металлическими бандажными рамками C1, C2, С3 отверстий перчаточной камеры для манипулирования, в то же время не окружая какую-либо из них.
Это решение, в соответствии с изобретением, позволяет надежно считывать металлические контейнеры для ядерного топлива, постоянно перемещаемые через защитные камеры с перчатками, и позволяет сделать это без внесения существенных изменений в контейнеры для ядерного топлива и защитные камеры с перчатками, поскольку предлагаемое радиочастотное устройство для идентификации может быть легко установлено, без необходимости выходить за пределы существующих размеров контейнеров для ядерного топлива и защитных камер с перчатками, или полного их переопределения.