СПОСОБ МОНИТОРИНГА И СИСТЕМА ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СКРУЧИВАНИЯ ВДОЛЬ КАБЕЛЯ, СНАБЖЕННОГО ИДЕНТИФИКАЦИОННЫМИ МЕТКАМИ
MONITORING METHOD AND SYSTEM FOR KINKS DETECTION ALONG CABLE WITH IDENTIFICATION TAGS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу мониторинга и к системе для детектирования механического скручивания кабеля.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Кабели, предназначенные для работы в тяжелых режимах и, особенно, для подвижных установок, таких как подвижные портовые краны, контейнерные краны типа "судно-берег", суда-разгрузчики, распределители, шахтное и туннельное оборудование, ветряные установки и ветряные электростанции, специально конструируются таким образом, чтобы они могли противостоять тяжелым окружающим условиям и сильным механическим напряжениям, таким как усилия растяжения и скручивающие моменты. По тексту данного описания, говоря о кабелях для работы в тяжелых условиях и, особенно, но не исключительно, для подвижных установок, мы будем называть их в общем кабелями, предназначенными для работы в тяжелых условиях.
Пример такого электрического кабеля, предназначенного для работы в тяжелых условиях, приведен в патентной заявке DE № 3934718, которая описывает армированный волочащийся кабель для шахтных врубо-навалочных машин.
Публикация WO 01/78086 описывает электрический кабель, специально предназначенный для применения в погрузочных системах, таких как кран, или складских системах. Этот кабель содержит жилу, которая включает в себя первые проводники, полностью окруженные первым механически прочным материалом и встроенные в него. Вокруг первого механически прочного материала расположен, по меньшей мере, один дополнительный слой и в этом дополнительном слое есть, по меньшей мере, один дополнительный проводник, который полностью окружен вторым механически прочным материалом и встроен в него. Говорится, что механически прочные материалы в этом кабеле способствуют распределению механического напряжения по кабелю и, таким образом, значительно уменьшают эффект скручивания.
Патент США 6247359 описывает устройство для идентификации необходимости замены синтетического волоконного троса, образованного из, по меньшей мере, двух уложенных вместе концентрических слоев волокон, выполненных из высокопрочных арамидных жил, содержащих видимое на внешней поверхности троса устройство индикации для детектирования и визуальной индикации вращательного положения троса относительно его продольной оси.
Заявитель заметил, что обычные способы оценки скручивания кабеля на основе визуального детектирования цветных линий или меток, нанесенных вдоль длины кабеля, часто являются ненадежными, поскольку они в значительной степени зависят от состояния внешней поверхности кабеля, например, они подвержены влиянию присутствующих загрязнений и царапин. Кроме того, такие способы обычно не дают количественной информации относительно величины приложенного к кабелю скручивания.
Бесконтактные датчики крутящего момента находят широкое применение при измерении напряжений в валах или иных приводных компонентах транспортных средств во время их работы.
Заявка США 2007/0241890 описывает устройство для измерения, по меньшей мере, одной физической характеристики, например крутящего момента вала или иного приводного компонента транспортного средства. Для облегчения связи с устройством радиочастотного считывания с валом связана радиочастотная метка. Эта радиочастотная метка может хранить физические характеристики приводного компонента, такие как крутящий момент. Устройство радиочастотного считывания включает в себя передатчик, предназначенный для отправки модулированных радиочастотных сообщений, которые и снабжают энергией радиочастотную метку и связанный с ней датчик, и вызывают включение ответной передачи сигнала, указывающего на воспринятый крутящий момент. Устройство считывания радиочастотной метки расположено рядом с приводным компонентом и может считывать сигнал, переданный радиочастотной меткой. Для облегчения непрерывного мониторинга за наблюдаемым объектом радиочастотная метка может срабатывать непрерывно и считываться радиочастотным модулятором/устройством считывания в быстрых циклах.
Встроенные в кабель элементы радиочастотной идентификации могут облегчить определение местонахождения и идентификацию кабеля. Элементы радиочастотной идентификации или транспондеры могут сообщать информацию о кабеле, например его идентификационный номер, время укладки, производственную партию - на удаленное устройство считывания радиочастотной идентификации без осуществления прямого доступа к кабелю или контакта с ним. Это может быть особенно полезно, когда кабель уложен в землю, подвешен высоко над землей или уложен в кабельном коробе.
Заявка США 2007/0120684 раскрывает систему идентификации кабеля, используемую в кабеле со встроенной системой радиочастотной идентификации, включающей в себя радиочастотные идентификационные метки, при этом каждая радиочастотная идентификационная метка имеет ответчик, содержащий радиопередатчик/приемник и запоминающее устройство, которое может работать без физического контакта, эта система содержит также внешнее устройство хранения информации, которое предназначено для сохранения всей информации по идентифицирующим данным, сохраненным в запоминающих устройствах, введенных во все радиочастотные идентификационные метки, включенные в кабель со встроенной системой радиочастотной идентификации. Описана антенна, используемая для устройства считывания системы радиочастотной идентификации, с двумя полуцилиндрическими элементами. Утверждается, что при использовании антенны такого типа точное местонахождение каждой радиочастотной идентификационной метки детектировано быть не может, но информация от антенны, встроенной в радиочастотную идентификационную метку, может быть эффективно детектирована независимо от положения этой метки в кабеле.
Заявка США 2008/0204235 описывает оптико-волоконный кабель, содержащий непроводящую ленту, проходящую вдоль длины этого кабеля, и множество радиочастотных идентификационных транспондеров, расположенных через определенные промежутки вдоль длины этой ленты, в котором радиочастотные идентификационные транспондеры сообщают информацию, которая может облегчить определение местонахождения и идентификацию кабеля. Каждый элемент радиочастотной идентификации имеет свой уникальный код, и тем самым обеспечивается запись производственных параметров, характеризующих данный кабель. Этот уникальный код может быть "привязан" к возрастающей длине кабеля.
В некоторых приложениях, например, при работе в тяжелых условиях передача кабеля на катушку оборудования и принудительное направление его на этапах намотки и размотки могут привести к возникновению нежелательного скручивания, которое может изменяться в зависимости от длины кабеля. Хотя обычно рекомендуется предусматривать специальные меры при работе с кабелем и во время его установки в подвижное оборудование, такие как прямая передача кабеля, с исходного барабана на приемную катушку кабеля, избегая изменения направления или инвертирования первоначального направления намотки, условия работы могут создавать относительно большие и резкие моменты его скручивания. Кроме того, задействованные в движении кабеля другие системы, такие как направляющие устройства, системы шкивов, регулировочные устройства  могут во время работы создавать скручивание кабеля, особенно, если конкретные условия требуют быстрой работы и/или многократных отклонений кабеля в его русле.
Заявитель рассмотрел проблему детектирования наличия скручивания кабеля во время его использования и обеспечения надежного измерения действительного отклонения кабеля, которое может выполняться в течение его срока службы.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вследствие механических напряжений, возникающих во время обычной работы, типичный срок службы кабелей, предназначенных для работы в тяжелых условиях, относительно короткий и  в зависимости от приложения может изменяться от нескольких месяцев до нескольких лет. Заявитель заметил, что было бы благоприятно предложить систему мониторинга, которая позволила бы во время работы управлять возникающим в электрическом кабеле скручиванием, особенно в кабеле, предназначенном для работы в тяжелых условиях. Зная временное развитие скручивающих усилий кабеля, можно было бы расписать и проводить без каких-либо неудобств периодическое эффективное техническое обслуживание этого кабеля.
В частности, заявитель понял, что было бы полезно контролировать текущее развертывание кабеля на месте проведения работ, разместив систему мониторинга в соответствии с частями подвижного оборудования, где, как ожидается, кабель будет подвергаться значительным скручивающим напряжениям.
Во многих приложениях, особенно, в тяжелых условиях работы, один конец кабеля закреплен на катушке подвижного оборудования, такого как кран, для подъема контейнеров или груза, или шахтного оборудования, а другой конец прикреплен к блоку питания, подающему питание в кабель и/или передающему данные и сигналы управления. Блок питания обычно расположен на фиксированной позиции, в то время как подвижное оборудование перемещается в выбранной области перемещения товаров или материалов.
Заявитель понял, что было бы особенно полезно регистрировать временное изменение скручивания кабеля, по меньшей мере, для одной продольной секции кабеля, то есть изменение вращательного состояния секций кабеля вдоль его длины, которое может повредить кабель вследствие его усталости и сократить срок его службы.
В частности, поставкой кабеля, по меньшей мере, с одной считываемой посредством устройства считывания идентификационной меткой, меткой, которая расположена в радиальном направлении с детектируемым угловым положением, можно измерять изменение углового положения этой метки и, таким образом, судить о локальном состоянии скручивания кабеля. Из этого - если один из концов кабеля зафиксирован или неподвижен - можно сделать заключение относительно того, испытывает ли этот кабель в каком-либо месте вдоль своей длины скручивание (то есть, крутящий момент).
В тексте настоящего описания и в приложенных пунктах формулы изобретения под термином "скручивание" имеется в виду состояние напряжения и деформации, появляющееся тогда, когда один конец кабеля повернут (скручен) в одном направлении, а противоположный конец зафиксирован (или неподвижен) или скручен в противоположном направлении. Скручивание может также появиться тогда, когда первая продольная секция длины кабеля скручена, а вторая продольная секция длины кабеля фиксирована или скручена в противоположном направлении.
В одном аспекте настоящее изобретение относится к способу мониторинга скручивания кабеля, содержащему этапы, на которых: обеспечивают кабель, имеющий внешнюю поверхность и проходящий вдоль продольного направления, причем кабель снабжен, по меньшей мере, одной идентификационной меткой, расположенной на угловом положении метки в плоскости поперечного сечения, выполненного в направлении, поперечном продольному направлению, причем эта, по меньшей мере, одна метка хранит идентификационный код метки и способна передавать электромагнитный сигнал метки; опрашивают, по меньшей мере, одну идентификационную метку для приема электромагнитного сигнала метки и детектируют электромагнитный сигнал метки, причем этап, на котором детектируют электромагнитный сигнал метки, содержит этап, на котором считывают идентификационный код метки и определяют угловое положение, по меньшей мере, одной идентификационной метки.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к системе мониторинга скручивания кабеля, содержащей: кабель, имеющий внешнюю поверхность и проходящий вдоль продольного направления, причем кабель снабжен, по меньшей мере, одной идентификационной меткой, расположенной на угловом положении метки в плоскости поперечного сечения, выполненного поперек продольного направления, причем эта, по меньшей мере, одна метка хранит идентификационный код метки и способна передавать электромагнитный сигнал метки; и, по меньшей мере, одно считывающее устройство, расположенное вокруг, по меньшей мере, одного участка внешней поверхности кабеля и способное опрашивать, по меньшей мере, одну метку для считывания ее идентификационного кода и детектирования ее углового положения метки.
В предпочтительных вариантах осуществления считывающее устройство расположено относительно кабеля таким образом, чтобы окружать внешнюю поверхность кабеля, которая, предпочтительно, является круговой, и позволяет кабелю быть подвижным относительно считывающего устройства.
В одном варианте осуществления система мониторинга содержит первое и второе считывающие устройства, расположенные на предварительно определенном расстоянии одно от другого, а кабель является подвижным относительно обоих считывающих устройств. Локальное вращательное состояние продольной секции кабеля оценивается посредством измерения первого углового положения, по меньшей мере, одной метки первым считывающим устройством и второго углового положения этой же метки вторым считывающим устройством и определения разности между первым и вторым угловыми положениями.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления кабель содержит множество идентификационных меток, расположенных вдоль длины кабеля, причем каждая метка из этого множества сохраняет соответствующий идентификационный код метки и способна передавать электромагнитный сигнал. Продольное расстояние между соседними метками может быть выбрано, исходя из типа контролируемого кабеля и требуемых характеристик, предписанных им на основании опыта производителя кабеля. Каждая метка распределена радиально по соответствующим угловым положениям. Определением изменения углового положения множества меток можно делать заключение относительно локального вращательного состояния кабеля во множестве его продольных секций.
В частности, угловая разность двух соседних меток из множества идентификационных меток может дать картину состояния скрученности кабеля по его длине.
В предпочтительных вариантах осуществления, по меньшей мере, одна идентификационная метка является радиочастотной (РЧ) идентификационной меткой, а именно радиочастотной идентификационной меткой, способной излучать РЧ сигнал, и, по меньшей мере, одно считывающее устройство способно считывать РЧ сигналы, переданные этими РЧ метками.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает общий вид части электрического кабеля в варианте осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 изображает схематичный вид поперечного сечения, выполненного по линии А-А на фиг. 1, показывающий несколько более подробно внутреннюю структуру кабеля, чем фиг. 1.
Фиг. 3 изображает вид кабеля сверху, иллюстрирующий распределение идентификационных меток по длине кабеля после того, как этот кабель подвергся скручиванию.
Фиг. 4 изображает поперечное сечение кабеля по фиг. 3, выполненное по линии В-В.
Фиг. 5 изображает условную иллюстрацию системы мониторинга скручивания кабеля в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 изображает схематичный общий вид устройства считывания в варианте осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 изображает схематичную иллюстрацию системы мониторинга скручивания кабеля в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 изображает схематичный общий вид подвижного оборудования для работы в тяжелых условиях, которое снабжается энергией кабелем, предназначенным для работы в тяжелых условиях, содержащего систему мониторинга скручивания кабеля в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 9 и 10 изображают виды сбоку подвижного оборудования по фиг. 8, показывающие, соответственно, подвижное оборудование, перемещающееся в направлении, противоположном направлению вперед относительно блока питания кабеля.
Фиг. 11 изображает схематичный общий вид подвижного оборудования для работы в тяжелых условиях, которое снабжается энергией кабелем, предназначенным для работы в тяжелых условиях, содержащего систему мониторинга скручивания кабеля в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 12 изображает условный вид ветряной установки, содержащей систему мониторинга скручивания кабеля в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 изображает общий вид электрического кабеля, в частности кабеля, предназначенного для тяжелых условий работы, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 2 изображает схематичный вид поперечного сечения электрического кабеля по фиг. 1, выполненного по линии А-А. Для увеличения ясности последней иллюстрации не все показанные на фиг. 2 элементы внутренней структуры кабеля присутствуют на фиг. 1. Кабель 1 проходит вдоль центральной продольной оси Z и содержит три жилы 2, радиально расположенные относительно центральной продольной оси Z. Жилы 2, например, обеспечивают передачу трехфазного питания. Каждая жила 2 имеет обычную структуру, например, она содержит электрический проводник 12, такой как медный проводник, образованный связкой луженых витых медных электрических проводов, скрученных вместе в соответствии с обычными способами. Изолирующий слой 17 обеспечивается в радиально внешней позиции относительно каждого электрического проводника 12. В некоторых конструкциях кабеля электрический проводник может быть окружен множеством слоев. Например, изолирующий слой может быть помещен между двумя слоями полупроводящего материала, причем эти слои выполнены из материалов на полимерной основе, которые могут быть экструдированы внешне относительно проводника 12 один по поверхности другого. Кабель 1 может быть силовым кабелем низкого или среднего напряжения, при этом низким напряжением считается напряжение величиной до 1 кВ, а средним напряжением считается напряжение величиной от 1 до 60 кВ.
Центральный жильный элемент 19 расположен вдоль центральной продольной оси Z. В показанном на фиг. 2 варианте осуществления кабель содержит два проводника 7 заземления, например, в виде связки луженых витых медных электрических проводов. Специально для работы с напряжениями средней величины связка электрических проводов проводников заземления может быть окружена полупроводниковым слоем. Проводники 7 заземления расположены радиально внешне относительно центрального жильного элемента 19 и скручены вместе с жилами 2 вдоль продольного направления кабеля. В частности, жилы 2 и проводники 7 заземления намотаны по винтовой линии вокруг центрального жильного элемента 19 в соответствии с обычными способами.
Количество жил и/или проводников заземления здесь примерное, просто для того, чтобы привести пример электрического кабеля и особенно кабеля, предназначенного для работы в тяжелых условиях.
Кабель 1 предпочтительно включает в себя оптико-волоконный элемент 3, содержащий множество оптических волокон, например от 6 до 18 волокон, предназначенных для передачи сигналов управления, голосовых, видео и других информационных сигналов. Оптико-волоконный элемент 3 может быть скручен вместе с жилами 2 и проводниками 7 заземления.
Жилы 2 и, если присутствуют, проводники 7 заземления и/или оптико-волоконный элемент 3 вместе по тексту называются продольными структурными элементами электрического кабеля. Электрические кабели для использования в тяжелых условиях обычно выполнены таким образом, чтобы они были прочными и гибкими. В некоторых вариантах осуществления кабель 1 может включать в себя полимерный наполнитель 20, экструдированный вокруг центрального жильного элемента 19, причем наполнитель 20 иногда может называться опорным разделителем из-за его назначения, заключающегося в поддержании расстояния между продольными структурными элементами, внешними в радиальном направлении относительно центрального жильного элемента, и в заполнении промежуточного пространства расположенных радиально внутренних элементов. Опорный разделитель 20 может быть образован из полупроводящего эластомера, такого как эластомер на основе бутадиен-нитрила (на NBR-основе). Продольные структурные элементы для сохранения геометрической стабильности внутри кабеля окружены внутренней оболочкой 11, предпочтительно, имеющей упругие свойства, например, эластомером на основе этилен-пропилена (на EPR-основе). Вместо использования внутренней оболочки стабилизация формы кабеля может быть достигнута множеством промежуточных заполнителей, заполняющих промежуточное пространство в радиально внешнем направлении относительно структурных элементов, которые (необязательно) могут быть покрыты упрочняющей пленкой (пример, на чертеже не показанный).
Следует понимать, что вышеприведенное описание структуры электрического кабеля представляет собой лишь одну из возможных структур кабеля, предназначенного для работы в тяжелых условиях, поскольку настоящее изобретение не сводится к конкретной внутренней структуре или к количеству структурных элементов внутри кабеля. Например, жилы кабеля 2 в общем случае могут быть фазными жилами для передачи энергии, жилами для передачи сигналов управления или жилами для передачи и сигналов управления и энергии.
Обратимся, в частности, к фиг. 1, на ней на внешней окружной поверхности кабеля вдоль его длины распределено множество идентификационных меток, начиная с 16а, 16b, 16с и т.д., которые могут детектироваться считывающим устройством. Показанное на чертеже количество идентификационных меток является чисто иллюстративным, поскольку данный чертеж представляет общий вид части кабеля. Здесь под идентификационными метками подразумевается устройство, считываемое без физического контакта, то есть бесконтактное, - посредством считывающего устройства, и, в частности, способное передавать однозначный идентификационный код с использованием электромагнитных полей. Этот идентификационный код одной метки из множества является однозначным относительно других меток этого множества.
Внешняя оболочка 14 окружает внутреннюю оболочку 11, например, будучи нанесенной на нее экструзией. В предпочтительных вариантах осуществления идентификационные метки встроены в структуру кабеля, предпочтительно расположены под внешней оболочкой кабеля, для обеспечения механической защиты и повышения износостойкости при воздействии внешнего окружения. В некоторых вариантах осуществления идентификационные метки размещены на внешней поверхности внутренней оболочки 11. На проиллюстрированном кабеле, прежде чем наносить внешнюю оболочку 14, для увеличения сопротивления электрического кабеля скручиванию на внешнюю поверхность внутренней оболочки 11 нанесен упрочняющий слой 15, такой как слой в виде оплетки или обмотки из двойной спирали упрочняющих волокон, например волокон полиэстера, например изготовленных из кевлара.
Радиочастотные идентификационные метки 16а, 16b, 16с и т.д. могут быть наклеены на внутреннюю оболочку 11, или же они могут быть зафиксированы посредством нанесения на них упрочняющего слоя 15 (если он есть) или внешней оболочки 14.
В предпочтительных вариантах осуществления идентификационные метки представляют собой радиочастотные идентификационные метки. Основные принципы работы радиочастотной идентификационной считывающей системы как таковой известны. Радиочастотные идентификационные метки дистанционно опрашиваются считывающим устройством, а связь между считывающим устройством и удаленными метками обеспечивается радиочастотными сигналами. Каждая радиочастотная идентификационная метка, по сути, является транспондером, содержащим запоминающую схему, обычно в виде микросхемы, для сохранения информации и антенну для приема и передачи РЧ сигналов. Кроме того, каждая метка содержит РЧ модуль для модуляции и демодуляции РЧ сигнала. Информация, сохраненная в запоминающей схеме, содержит однозначный идентификационный код, такой как двоичный код. По выбору, эта информация может содержать другие данные, идентифицирующие кабель, такие как дата выпуска кабеля, длина кабеля, тип кабеля и т.д. Предпочтительно, запоминающая схема хранит информацию об относительном продольном положении метки вдоль длины кабеля.
Радиочастотная идентификационная метка может быть активного типа, если она отслеживает сигналы опроса от считывающего устройства. Когда сигнал опроса, направленный на активную метку, воспринимается, ответом метки могут быть электромагнитные сигналы, использующие энергию либо от внутренней батареи, либо от источника питания. Альтернативно, радиочастотные идентификационные метки могут быть метками пассивного типа, и в отличие от активных радиочастотных идентификационных меток, не имеющими никакой внутренней батареи или источника питания. Когда радиоволны от считывающего устройства доходят до антенны метки, пассивная метка генерирует электромагнитное поле. Это электромагнитное поле запитывает метку и дает возможность отправить назад на считывающее устройство информацию, сохраненную в запоминающей схеме.
Предпочтительно, используются пассивные радиочастотные идентификационные метки, поскольку они, как правило, менее дороги, чем активные метки, и имеют длительный срок службы, практически неограниченный по сравнению со средним сроком службы кабеля, предназначенного для работы в тяжелых условиях. Предпочтительно, каждая радиочастотная идентификационная метка содержит находящуюся в микросхеме антенну, встроенную в микросхему энергонезависимой памяти, в которую встроен и радиочастотный модулятор-демодулятор.
Для увеличения сопротивляемости электрического кабеля механическим напряжениям внешняя оболочка кабеля, предназначенного для работы в тяжелых условиях, типично выполнена из полимерного материала, упрочненного отверждением, например, выполненного из усиленного, отвержденного литого термореактивного эластомера, предназначенного для работы в тяжелых условиях, такого как полихлоропрен или резиновые смеси, экструдированные на внутренние слои, например на внутреннюю оболочку 11. Большей части эластомерных материалов, пригодных для внешней оболочки кабелей, предназначенных для работы в тяжелых условиях, после экструзии требуется процесс отверждения, обычно проходящий в течение нескольких минут при температуре в 180-200°С.
Заявитель заметил, что идентификационные метки должны противостоять относительно высоким температурам производственных процессов, необходимым для формирования кабеля. Кроме того, желательно, чтобы метки выдерживали сильные изгибы кабеля, которым он часто подвергается в динамических приложениях, как, например, в случае использования кабелей, предназначенных для работы в тяжелых условиях, в подвижных установках.
Радиочастотная идентификационная метка, предпочтительно, заключена в отвержденную смолу, для увеличения механической сопротивляемости имеющую получечевицеобразную или чечевицеобразную форму. Такой отвержденной смолой может быть, например, эпоксидная смола.
2
Радиочастотные идентификационные метки, например, могут иметь прямоугольную форму с площадью от 50 до 500 мм и с толщиной от 1 до 5 мм.
Примерами радиочастотных идентификационных меток, подходящих для настоящего изобретения, являются D7-TAG 2k, D7-TAG 16k и D7-TAG 32k, промышленно выпускаемые компанией Microsensys GmbH.
Предполагается, что кабель на фиг. 1 находится по существу в нескрученном состоянии (то есть, свободен от деформации кручения). В том смысле, как оно здесь используется, выражение "по существу нескрученное состояние" предназначено для описания условий начального "опорного" состояния кабеля, которое может соответствовать состоянию до его размотки с исходного барабана, поставленного производителем (то есть, состоянию "после производства"), например, до его установки на наматывающую катушку и катушку крепления или на системы "челнока" и шкива. Однако в большинстве случаев, относящихся к кабелям, предназначенным для работы в тяжелых условиях, опорные условия относятся к состоянию кабеля после его монтажа на подвижное оборудование или на ветряную установку, то есть к состоянию после его переноса с исходного барабана и до использования, таким образом, до того, как он будет подвергнут воздействию соответствующих скручивающих напряжений.
Скрученное состояние содержит любое состояние кабеля, отличное от по существу нескрученного состояния.
В предпочтительном варианте осуществления на внешней поверхности кабеля вдоль образующей, обозначенной на фиг. 1 условным обозначением 18, которая может быть по существу параллельна центральной продольной оси Z, расположено множество идентификационных меток. Таким образом, когда кабель находится в по существу нескрученном состоянии, каждая из меток расположена под почти одинаковым углом, то есть в пределах ±10°, относительно соответствующей воображаемой оси в поперечном сечении кабеля, перпендикулярном его центральной продольной оси и проходящем через эту метку, в предположении, что определенные таким образом воображаемые оси параллельны одна другой.
,
0
i
Начальная компоновка меток вдоль образующей, далее по тексту - опорной образующей кабеля, может упростить производственный процесс размещения этих меток внутри внутренней структуры кабеля. Однако в соответствии с объемом настоящего изобретения начальное почти продольное расположение меток вдоль длины кабеля не является необходимым, и обычно i-я метка, где i=12, n, при количестве n меток во множестве связана с опорным углом α , соответствующим по существу нескрученному состоянию.
В рабочих условиях кабель может подвергаться воздействию скручивающих сил и испытывать соответствующие развороты, которые могут происходить вдоль кабеля и при этом могут быть разными в различных секциях по его длине. Фиг. 3 изображает вид сверху части кабеля, который иллюстрирует скрученное состояние кабеля по фиг. 1, когда он подвергся воздействию значительных скручивающих усилий. Показаны радиочастотные идентификационные метки 16а-16f. Можно, например, предположить, что один конец кабеля зафиксирован, а в продольном участке кабеля имеет место скручивание. Вследствие разворота кабеля на участке длины кабеля возникают угловые отклонения радиочастотных идентификационных меток относительно опорной образующей 18. В частности, на показанном на фиг. 3 примере радиочастотные идентификационные метки 16c, 16d, 16e и 16f расположены на образующих, отличных от опорной образующей 18.
1
1
1
1
1
1
0
0
Фиг. 4 изображает вид поперечного сечения фиг. 3, сделанного по линии В-В, перпендикулярной продольной оси кабеля, такой как центральная продольная ось Z, и пересекающего радиочастотную идентификационную метку 16е. В изображенной плоскости поперечного сечения кабеля воображаемая ось 21, проходящая через метку 16е, образует угол α с воображаемой опорной осью 22 в той же плоскости поперечного сечения, пересекающей опорную образующую 18. Обусловленное разворотом кабеля угловое изменение определяется как Δα=α-α , где αесть действительное угловое положение (скрученное состояние), а α есть опорный угол для метки 16е.
0
0
i
i
1
В общем случае, зная опорный угол α , где i=1, 2, n, для каждой метки из множества меток и измеряя угловое положение α i-й метки в определенный момент времени, например во время работы кабеля, можно определить угловое изменение Δα, которое является показателем состояния разворота кабеля на продольном участке кабеля в области i-й метки. Поскольку кабель зафиксирован, по меньшей мере, на одном из своих концов,  либо поскольку он подключен к системе энергоснабжения или вследствие трения на участке своей длины, величина углового изменения, отличная от нуля, является показателем присутствия скручивающего напряжения в некотором месте вдоль кабеля.
В проиллюстрированном на рисунках варианте осуществления предполагается, что продольное расстояние вдоль оси Z между двумя соседними радиочастотными идентификационными метками по существу постоянно и равно l, то есть l=1 м. Однако, как более подробно описано далее, следует понимать, что нет необходимости в том, чтобы идентификационные метки располагались по длине кабеля с равными промежутками.
В соответствии с главным аспектом настоящего изобретения идентификационные метки детектируются считывающим устройством, которое сконфигурировано с возможностью измерения углового положения, по меньшей мере, одной метки из множества идентификационных меток в плоскости поперечного сечения относительно продольной оси кабеля. Предпочтительно, плоскость поперечного сечения это плоскость, перпендикулярная продольной оси кабеля. Фиг. 5 изображает схематично вариант осуществления настоящего изобретения - системы мониторинга скручивания для мониторинга скручивания в кабеле 51, содержащем множество радиочастотных идентификационных меток, 52а, 52b, 52e, расположенных вдоль длины кабеля. Эти метки встроены в кабель, например, они расположены под внешней оболочкой кабеля (внутренняя структура кабеля не изображена). Считывающее устройство 50 системы радиочастотной идентификации, имеющее кольцевую форму, расположено относительно кабеля 51 таким образом, что охватывает внешнюю круговую поверхность кабеля в соответствии с определенным продольным участком кабеля.
Радиочастотные идентификационные метки сохраняют в своих запоминающих схемах (то есть, в микросхемах) свой однозначный идентификационный код, и, предпочтительно, они являются пассивными метками.
В обычных условиях считывающее устройство содержит, по меньшей мере, один приемопередатчик, при этом приемопередатчик содержит источник сигнала опроса, связанный с антенной для передачи и приема сигнала опроса в зоне опроса, и также связанный с антенной детектор для обработки сигналов, сгенерированных находящимися в зоне опроса метками. Когда пассивная радиочастотная идентификационная метка находится в зоне опроса, она отправляет радиочастотный сигнал метки, активизированный сигналом опроса. Возвращенный радиочастотный сигнал метки принимается антенной считывающего устройства и передается на детектор, который декодирует этот ответ (а именно: считывает идентификационный код и другие возможные закодированные данные) и идентифицирует метку.
По меньшей мере, один приемопередатчик испускает радиочастотный несущий сигнал, активизирующий метку, а созданное приемопередатчиком электромагнитное поле индуцирует в антенне метки небольшой электрический ток. В частности, когда радиочастотная идентификационная метка проходит через зону опроса приемопередатчика, то есть через область, в которой радиочастотная идентификационная метка может быть активизирована и таким образом считана приемопередатчиком. После этого считывающее устройство декодирует данные, закодированные в запоминающей схеме метки, и тем самым однозначно идентифицирует метку.
i
i
i
0
Считывающее устройство сканирует внешнюю круговую поверхность кабеля для детектирования расположенной в зоне опроса или проходящей сквозь нее радиочастотной идентификационной метки. Когда произведено детектирование i-й радиочастотной идентификационной метки, детектируется также и ее угловое положение α. Считывающее устройство может либо сохранить декодированный идентификационный код и измеренное угловое положение i-й метки, либо передать эти данные в блок управления (не изображен). Предпочтительно, эти данные поставляются в блок управления, такой как персональный компьютер (ПК) или программируемый логический контроллер (ПЛК), который может обрабатывать принятые данные. В некоторых вариантах осуществления блок управления сконфигурирован с возможностью ассоциирования i-й метки с ее опорным угловым положением α  и, исходя из этого,  вычисления углового изменения Δα, которое является показателем локального скручивания кабеля и общим индикатором того, находится ли некоторая область кабеля по его длине или на определенной продольной секции кабеля в скрученном состоянии. Когда угловое изменение вычислено для множества соседних меток, может быть определена кривая, представляющая угловое изменение как функцию от длины кабеля, которая может быть сравнена либо с опорной кривой, составленной из опорных угловых положений, в зависимости от длины кабеля, либо с кривой, определенной по предыдущим измерениям.
В некоторых вариантах осуществления считывающее устройство 50 расположено в зафиксированном положении относительно перемещающегося кабеля, который, в общем, может перемещаться во взаимно противоположных продольных направлениях, которые на фиг. 5 обозначены двойной стрелкой 54, так чтобы через зону (зоны) опроса считывающего устройства проходили различные продольные участки кабеля и считывающее устройство могло детектировать различные радиочастотные идентификационные метки.
В том случае, когда кабель проходит мимо считывающего устройства "взад-вперед", одну и ту же радиочастотную идентификационную метку из множества радиочастотных меток можно считывать в различные моменты времени. Это позволяет  выполнением последовательных считываний одной и той же радиочастотной идентификационной метки в различные моменты времени  производить оценку локального состояния скручивания кабеля.
В частности, считывающее устройство 50 первый раз детектирует i-ю метку и измеряет угловое положение детектированной метки. Первое угловое положение, ассоциированное с i-й меткой, сохраняется, например, в связанном со считывающим устройством блоке управления. Позже, когда i-я метка вновь проходит через считывающее устройство, считывающее устройство детектирует i-ю метку второй раз и измеряет ее второе угловое положение. Первое угловое положение может быть ассоциировано как опорное, а последующие измерения угловых положений i-й метки, выполненные, когда i-я метка пересекает зону опроса считывающего устройства и, таким образом, вновь детектируется, могут быть ассоциированы с этим первым угловым положением с тем, чтобы определить временное развитие вращательного состояния продольного участка кабеля в области i-й метки.
Временное развитие углового положения может быть, например, проанализировано сравнением опорной кривой, представленной опорными угловыми положениями множества меток вдоль длины кабеля, с одной или большим количеством кривых, полученных измеренными угловыми положениями в различные моменты времени после последовательных проходов меток через считывающее устройство.
0
i
1
1
1
1
1
1
1
i
1
1
1
0
0
Т
Т
0
Т
0
В некоторых вариантах осуществления угловое изменение представляет собой разность между первым угловым положением (то есть, опорным угловым положением) и вторым угловым положением, связанным с той же самой меткой. Поскольку считывающее устройство обычно может производить измерение углов в диапазоне от 0 до 2π, то при измерении "истинного" углового изменения i-й метки в данный момент времени t принимаются во внимание возможные единичные или множественные развороты кабеля на величину 2π. Поскольку кабель может вращаться в двух возможных направлениях - по часовой стрелке или против часовой стрелки, эти два различных направления можно распознавать, например, приписав разворотам по часовой стрелке положительные значения углов, а разворотам против часовой стрелки - отрицательные (или наоборот). Для определения углового изменения в момент времени t для i-й метки (i=1, 2, 3, n) вводится опорное измерение угла кабеля назначением углового положения и, предпочтительно, продольного положения каждой метки в опорный момент времени t, которое может соответствовать, например, моменту установки кабеля. Назначенная величина является опорным угловым положением α  (опорный угол для i-й метки). Например, первая метка, расположенная рядом с фиксированным концом кабеля, то есть первая метка имеет опорное угловое положение α . Когда величина углового положения α (измеренное значение между 0 и 2π) считывается считывающим устройством в момент t1 получения данных, соответствующее "истинное" значение угла есть α , то есть угол разворота для первой метки в момент времени t1 вычисляется следующим образом. Угол α  есть величина, заключенная между значениями (α-2π), α и (α+2π), которая, вычтенная относительно опорной величины α , заключена между значениями -π и +π (этому условию может удовлетворить только одна из трех вышеупомянутых величин). Тогда "истинное" угловое изменение Δα дается выражением (α -α ).
Т
Т
Т
Т
Т
Т
Т
0
0
i
i-1
2
2
2
2
2
1
1
2
2
2
2
Следующим этапом является детектирование соседней метки. Расстояние между двумя последовательными соседними метками или, в более общем смысле,  между двумя последовательно измеренными метками, поскольку некоторые метки считывающим устройством могут быть случайно пропущены, должно быть достаточно малым для того, чтобы величина углового скручивания кабеля между ними была между -π и +π (по часовой стрелке или против часовой стрелки, крайние значения исключены, то есть -π<(α -α )<+π). Если это условие не выполнено, то невозможно определить, скручен ли кабель по часовой стрелке или против часовой стрелки, а значит, и невозможно определить "истинный" угол и "истинное" угловое изменение детектированной метки. Измерение соседней метки, например второй метки, даст измеренную величину α, всегда находящуюся между 0 и 2π, которая получена в момент времени t2>t1. "Истинное" угловое положение α  определяется сравнением трех величин, а именно: (α-2π), α и (α+2π) с последним "истинным" угловым положением последней ранее измеренной метки, то есть α . Только одна из этих трех величин, вычтенная относительно α , дает значение, заключенное между значениями -π и +π, и это есть "истинная" величина угла α . Соответствующее "истинное" угловое изменение 2-й метки дается выражением (α -α ), где α  есть опорный угол для 2-й метки. Этапы процесса для определения углового изменения 2-й метки повторяются для следующей измеренной метки и, вообще, могут быть многократно повторены для определения углового изменения для множества детектированных меток.
Следует, однако, понимать, что настоящее изобретение не ограничено частным выбором алгоритма определения временных угловых изменений положения радиочастотных идентификационных меток.
1
2
1
2
Фиг. 6 изображает схематичный общий вид устройства считывания в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения. Считывающее устройство 40 содержит полое цилиндрическое тело 41, открытое с первого конца и со второго, противоположного, конца таким образом, что кабель может перемещаться через него в продольном направлении. Продольная ось симметрии цилиндрического тела на фиг. 6 обозначена условным обозначением 46. Это цилиндрическое тело имеет внутренний диаметр d и внешний диаметр d. Внутренний диаметр d цилиндрического тела, предпочтительно, отличается от внешнего диаметра d таким образом, что разница в измерении составляет не более 2 см.
Хотя на чертеже не изображено, две пары перпендикулярных роликов, соответственно, на входе и на выходе этого цилиндрического тела направляют кабель на вход в это тело и на выход из него, тем самым предупреждая трение между внешней оболочкой кабеля и внутренней поверхностью цилиндрического тела. Ролики могут быть расположены вдоль продольной оси 46 и могут быть, например, прикреплены к структуре фермы подвижного оборудования.
R
Вокруг внутренней поверхности цилиндрического тела 41 расположены первое множество 42 микросхем 43 антенны приемопередатчика и второе множество 44 микросхем 45 антенны приемопередатчика (обозначенные на чертежах пунктирной линией), используемых при опросе радиочастотных идентификационных меток, таким образом, что образуют две кольцевые группы приемопередатчиков. Первое и второе множества микросхем приемопередатчика отстоят одна другой в осевом направлении вдоль оси 46 цилиндрического тела 41. Предпочтительно, первое множество 42 микросхем приемопередатчика расположено вблизи первого открытого конца тела 46, а второе множество 44 микросхем приемопередатчика расположено вблизи противоположного второго открытого конца этого тела. Промежуток между центрами первой группы и второй группы обозначен L, величина которого может быть, например, от 100 до 500 мм.
Каждая микросхема приемопередатчика первого и второго множества может быть микросхемой обычного типа и содержит источник опроса и детектор, причем оба они присоединены к антенне, расположенной на поверхности микросхемы. Каждый приемопередатчик подключен к встроенной электронной входной схеме таким образом, что он работает как считывающее устройство радиочастотной идентификационной метки, а электронная схема подключена (беспроводным образом или посредством проводов) к ПК или к ПЛК, который извлекает детектированную информацию. Антенны микросхемы могут иметь, например, прямоугольную форму, могут быть длиной 2-3 см и шириной 1 см и, предпочтительно, расположены в длину вдоль продольный оси 46. В типичных конфигурациях размер микросхемы приемопередатчика примерно соответствует размеру расположенной на микросхеме антенны, например антенного провода, намотанного на поверхность микросхемы, или площади решетки антенны, нанесенной на поверхность микросхемы печатным способом.
Для облегчения установки считывающего устройства вокруг кабеля и, возможно, на специальных частях подвижной установки, несущей на себе считывающее устройство, это считывающее устройство может содержать цилиндрическое тело, образованное из двух полуцилиндрических элементов (не изображены), которые могут быть механически соединены между собой любым обычным способом, например шарнирно соединены одно с другим.
Микросхемы приемопередатчика каждого из первого и второго множества установлены вокруг внутренней поверхности цилиндрического тела на заданном окружном расстоянии один от другого. Более конкретно, приемопередатчики каждого множества разнесены между собой в радиальном направлении на предварительно определенные считываемые угловые положения таким образом, чтобы каждый приемопередатчик мог быть соотнесен с соответствующим считываемым угловым положением. Каждый приемопередатчик идентифицируется однозначным считываемым идентификационным кодом.
j
j
Приемопередатчики сконфигурированы с возможностью окружать кабель и считывать информацию с радиочастотной идентификационной метки, расположенной внутри электромагнитной зоны считывающего устройства под предварительно определенными углами по всей окружности кабеля. На фиг. 6 в качестве примера указано угловое положение β микросхемы 45j приемопередатчика второго множества микросхем. Считывание углового положения β производится в плоскости поперечного сечения, проходящей через микросхему 45j перпендикулярно оси симметрии 46 относительно опорной оси 47 в той же самой плоскости поперечного сечения перпендикулярно оси симметрии 46.
В одном варианте осуществления центры микросхем приемопередатчиков расположены на одинаковых угловых расстояниях друг от друга.
R
В некоторых вариантах осуществления микросхемы приемопередатчиков каждого множества расположены в радиальном направлении таким образом, что их центры лежат один рядом с другим в общей плоскости поперечного сечения, перпендикулярной оси симметрии 46. В этом случае промежуток L между первым и вторым множествами микросхем приемопередатчиков определяется осевым расстоянием между двумя общими плоскостями поперечного сечения.
Два множества микросхем приемопередатчиков, предпочтительно, взаимно смещены друг от друга, то есть они расположены на круговой плоскости внутренней поверхности таким образом, что каждая микросхема первого множества 42 расположена на угловом положении, отличном от углового положения каждой микросхемы второго множества 44 относительно продольной оси, лежащей в круговой плоскости внутренней поверхности. В одном варианте осуществления количество микросхем приемопередатчиков и их угловые расстояния одинаковы для этих двух кольцевых групп. Угловое перемещение или смещение между двумя кольцевыми группами микросхем выбрано таким образом, что ось внутренней цилиндрической поверхности, параллельная оси симметрии 46 этого цилиндра, пересекает только одну микросхему приемопередатчика - либо в первой, либо во второй группе. Когда кабель, оснащенный множеством радиочастотных идентификационных меток, перемещается через цилиндрическое тело считывающего устройства 40 при пренебрежимо малом развороте кабеля на относительно небольшой длине считывающего устройства, его радиочастотная идентификационная метка перемещается по линии, параллельной или почти параллельной оси симметрии цилиндра, и детектируется микросхемой приемопередатчика либо первой, либо второй группы. Это может увеличить угловое разрешение считывающего устройства, что более подробно описано далее.
В более общем плане, угловое расстояние между двумя соседними приемопередатчиками кольцевой группы определяет - вместе с размерами антенн - угловое разрешение измерений. В частности, относительно малое окружное расстояние может привести к взаимному влиянию двух соседних приемопередатчиков при считывании радиочастотной идентификационной метки. Хотя в идеальном случае радиочастотная идентификационная метка должна быть считана лишь одним приемопередатчиком, размерные ограничения полого цилиндрического тела, например, вследствие требования близости источника опроса к внешней поверхности измеряемого кабеля, на практике устанавливают диапазон угловых расстояний между приемопередатчиками, который, кроме всего, зависит и от размеров обычных серийно выпускаемых микросхем приемопередатчиков. В некоторых конфигурациях, например, когда измеряемая метка находится в угловом положении между двумя микросхемами приемопередатчиков, то есть угловое положение этой метки находится внутри перекрытия зон опроса двух соответствующих приемопередатчиков, может иметь место одновременное детектирование одной и той же радиочастотной идентификационной метки более чем одним приемопередатчиком.
R
Например, угловое расстояние между следующими соседними микросхемами приемопередатчиков в каждой кольцевой группе составляет от 20° до 30°, и предпочтительно, оно наименее возможное во избежание их взаимовлияния. В одном варианте осуществления считывающее устройство содержит две взаимно сдвинутые группы приемопередатчиков с угловым расстоянием в 30° и со смещением в 15°, что дает номинальное угловое разрешение в 15°, если промежуток L между двумя группами вдоль продольного направления перемещающегося кабеля внутри устройства достаточно велик, чтобы определенно детектировать движущуюся метку, либо микросхемой первой группы, либо микросхемой второй группы.
Каждый приемопередатчик ассоциирован со считываемым идентификационным кодом, а также с считываемым угловым положением внутри считывающего устройства, при этом считанный идентификационный код хранится в микросхеме приемопередатчика, а считываемое угловое положение извлекается блоком управления, например ПК, который обрабатывает данные. Когда производится считывание радиочастотной идентификационной метки, блок управления сохраняет идентификационный код метки и ассоциирует этот код со считываемым угловым положением приемопередатчика, который детектирует данную метку. В некоторых вариантах осуществления, когда детектирующий метку приемопередатчик идентифицирован по считываемому идентификационному коду, блок управления ассоциирует упомянутый код со считываемым угловым положением. Если одну и ту же радиочастотную идентификационную метку при прохождении ее через считывающее устройство детектирует более чем один приемопередатчик, то выбирается одно угловое положение, например среднее между детектированными значениями.
В одном варианте осуществления (на чертежах не изображен) считывающее устройство содержит одну кольцевую группу приемопередатчиков, расположенных вокруг внутренней поверхности цилиндрического тела. Центры микросхем приемопередатчиков в группе могут лежать на общей плоскости, перпендикулярной продольной оси, и располагаются в любом осевом местоположении на цилиндрическом теле или в различных перпендикулярных плоскостях, распределенных по длине этого тела.
Хотя является предпочтительным, чтобы, по меньшей мере, одно множество приемопередатчиков было расположено таким образом, чтобы оно окружало внешнюю поверхность кабеля, настоящее изобретение охватывает считывающее устройство, в котором, по меньшей мере, одно множество приемопередатчиков окружает, по меньшей мере, один участок внешней поверхности кабеля.
C
i
C
i
C
1
2
Фиг. 7 изображает схематичную иллюстрацию системы мониторинга скручивания кабеля, предназначенную для мониторинга скручивания в кабеле 51, содержащем множество радиочастотных идентификационных меток 52a, 52b, 52d, 52e, расположенных вдоль длины кабеля в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Для нумерации подобных относительно фиг. 5 компонентов, имеющих одинаковые или схожие функции, используются одинаковые условные обозначения. С целью большей ясности условные обозначения присвоены только меткам 52d и 52e. Система мониторинга содержит первое считывающее устройство 30 и второе считывающее устройство 31, которые расположены в фиксированном положении относительно друг друга и разделены известным фиксированным расстоянием L, которое, например, может быть измерено в момент установки системы. Кабель 51 является подвижным относительно считывающих устройств вдоль, по меньшей мере, одного продольного направления 58 таким образом, что радиочастотная идентификационная метка в различные моменты времени может быть детектирована обоими считывающими устройствами. В частности, i-я метка детектируется при прохождении первого считывающего устройства 30, и при этом измеряется первое угловое положение α . Через расстояние L та же самая i-я метка детектируется вторым считывающим устройством 31, и при этом измеряется второе угловое положение α . Величина L, например, может составлять от 20 до 200 см.
i
i
i
1
2
Угловое изменение между измеренным первым и вторым угловыми положениями для одной и той же i-й метки есть Δα=α -α , и оно является показателем состояния вращения кабеля, которое является причиной перемещение кабеля от одного считывающего устройства к другому в скрученном состоянии. Если кабель имеет, по меньшей мере, один фиксированный конец, то угловое изменение является показателем того, что в кабеле между двумя считывающими устройствами произошло скручивание. Этот кабель проходит сначала через первое считывающее устройство 30 или через второе считывающее устройство 31 в зависимости от направления его продольного перемещения. В вышеприведенном описании предполагалось, что кабель перемещается от первого считывающего устройства ко второму считывающему устройству. При этом понимается, что кабель может перемещаться относительно этих же считывающих устройств в противоположных продольных направлениях.
Первое и второе считывающие устройства 30 и 31 окружают внешнюю круговую поверхность кабеля и содержат соответствующие цилиндрические тела 32 и 33.
Каждое из двух считывающих устройств 30 и 31 сконфигурировано с возможностью детектирования и декодирования идентификационного кода, сохраненного в i-й метке, а также с возможностью детектирования углового положения этой метки. Каждое из этих считывающих устройств может содержать, по меньшей мере, одно множество приемопередатчиков, радиально расположенных с возможностью окружать внешнюю окружность измеряемого кабеля, что более подробно описывается со ссылками на фиг. 6. Информация, содержащая идентификационный код метки и измеренное угловое положение, передается, по меньшей мере, одному блоку управления.
В одном варианте осуществления система мониторинга содержит первый и второй блоки управления (не изображены), подключенные посредством проводной или беспроводной связи соответственно к первому и ко второму считывающим устройствам и способные вести обработку данных, принятых от обоих считывающих устройств. В другом варианте осуществления система мониторинга содержит блок управления, который посредством беспроводной или проводной связи может связываться с обоими считывающими устройствами. Каждая радиочастотная идентификационная метка идентифицируется посредством уникального идентификационного кода метки и номинально детектируется одним приемопередатчиком, идентифицированным по однозначному считываемому идентификационному коду, который ассоциирован со считываемым угловым положением. В случае наличия двух пространственно разделенных считывающих устройств считываемый идентификационный код каждого приемопередатчика, предпочтительно, является однозначным для обоих считывающих устройств, так чтобы было возможно ассоциировать этот код с каждым из считывающих устройств в данной системе мониторинга скручивания. Пространственная последовательность меток вдоль кабеля известна, то есть она может быть предоставлена производителем кабеля и сохранена в блоке управления. Зная пространственную последовательность, блок управления может получить направление перемещения кабеля между двумя считывающими устройствами. Различные проходы i-й метки отличаются различными временами получения данных.
В некоторых вариантах осуществления может быть установлено пороговое значение для углового изменения, при превышении которого кабель признается невосстановимо поврежденным и, таким образом, подлежит замене. Однако в большинстве случаев пороговое значение может быть показателем лишь "аварийного" состояния кабеля, при котором скручивание может не привести к невосстановимому повреждению кабеля, а может привести лишь к его износу. В одном варианте осуществления если пороговая величина превышается предварительно определенное количество раз, то кабель считается поврежденным вследствие усталости.
Радиочастотные идентификационные метки имеют практическое расстояние считывания, которое зависит от выбранной радиочастоты и от размера и формы их антенны. Заявитель заметил, что если расстояние считывания слишком мало, то радиочастотная идентификационная метка вследствие наличия относительного перемещения между кабелем и считывающим устройством может быть детектирована не точно. С другой стороны, если расстояние считывания слишком велико, то радиочастотные сигналы, испущенные из двух меток, соседних в продольном направлении кабеля, могут взаимодействовать между собой в ущерб точности измерения. Предпочтительно, радиочастотные идентификационные метки имеют расстояние считывания, изменяющееся в диапазоне от 0,5 до 20 см. В одном варианте осуществления рабочая частота радиочастотных идентификационных меток (и, по меньшей мере, одного считывающего устройства) составляет около 13,56 МГц.
Вообще говоря, расстояние между двумя соседними вдоль кабеля идентификационными метками может быть случайным и неизвестным. Однако, предпочтительно, чтобы это расстояние было равным или большим, чем минимальное расстояние l0, которое позволяет производить разрешенное детектирование двух соседних меток. Способность по разрешению при считывании двух соседних меток зависит от скорости кабеля, проходящего через считывающее устройство, например, во время намотки-размотки кабеля, которая обычно находится в диапазоне от 1 до 4 м/с. В некоторых вариантах осуществления минимальное расстояние l0 составляет 0,5 м.
Как описано выше, хотя предпочтительно, чтобы считывающее устройство могло детектировать по существу каждую метку из множества идентификационных меток, настоящее изобретение охватывает систему мониторинга, в которой считывающее устройство не производит последовательного считывания всех соседних меток. Это может иметь место в том случае, когда скорость кабеля, проходящего через одно или большее количество считывающих устройств, больше, чем скорость, максимально допустимая для детектирования каждой метки, проходящей через зону опроса. В одном варианте осуществления максимальная скорость составляет 4-5 м/с. Например, считывающее устройство может пропустить некоторые метки, проходящие через ее зону (зоны) опроса. В том случае, когда считывание метки пропущено, пропущенной метке приписывается какая-то угловая величина. Например, в качестве такой фиктивной угловой величины может быть приписана угловая величина, определенная при выполнении по этой метке последнего предшествующего измерения. Альтернативно, ей может быть приписана угловая величина, определенная для соседней метки, измеренная непосредственно перед прохождением пропущенной метки через зону опроса или сразу же после него. В одном варианте осуществления для получения угловой величины, которая должна быть приписана пропущенной метке, используется полиномиальная интерполяция кривой угловых величин последовательности меток, проходящей через измеренные метки.
В зависимости от конструкции считывающего устройства может также случиться, что радиочастотная идентификационная метка во время одного прохода мимо этого устройства измеряется более одного раза. Обратившись к варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 6, видно, что это может произойти в том случае, когда одну и ту же метку детектируют два приемопередатчика из разных групп или два соседних приемопередатчика из одной и той же группы. В этом случае "близкого" считывания одной и той метки в блоке управления должен быть задан алгоритм для рассмотрения и сохранения только одного значения.
Фиг. 8 изображает схематичный общий вид подвижного оборудования для работы в тяжелых условиях, которое снабжается энергией кабелем, предназначенным для работы в тяжелых условиях, содержащего систему мониторинга скручивания кабеля в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Без намерения ограничить возможные применения настоящего изобретения вариант осуществления по фиг. 8 показывает подъемный кран 70, предназначенный для работы в тяжелых условиях, для перемещения товаров, таких как грузы и, в частности, контейнеров через выбранную область контейнерного терминала или пристани в порту. Этот подъемный кран 70, предназначенный для работы в тяжелых условиях, поднимает и переносит контейнеры, будучи снабженным энергией и управляемым от станции подачи электроэнергии (не изображено), обычно расположенной на удалении от крана. Подъемный кран 70, предназначенный для работы в тяжелых условиях, может быть портальным подъемным краном, перемещающимся по двум стационарным рельсам 74а и 74b во взаимно противоположных горизонтальных направлениях, обозначенных двойной стрелкой 73. Опорная структура портального подъемного крана 70 содержит мост 83, обычно оснащенный грузовой тележкой, которая движется перпендикулярно перемещению самого крана и поднимает контейнеры (грузовая тележка и подъемная система на рисунке не изображены).
Портальный кран снабжается энергией посредством кабеля 71, предназначенного для работы в тяжелых условиях, подключенного к блоку 81 питания крана, предназначенному для подачи электроэнергии для всех перемещений этого крана, и предпочтительно, для передачи и приема управляющих данных на удаленный пульт управления работой крана. Хотя на рисунке и не изображено, от блока 81 питания крана к удаленной электрической установке может быть подключен обычный силовой кабель.
Кабель 71, предназначенный для работы в тяжелых условиях, намотан на кабельную катушку 75, закрепленную с боковой стороны структуры крана. Кабельная катушка 75 может иметь электромеханический привод, так чтобы вращение катушки было бы возможным в обоих направлениях.
Один конец кабеля 71, предназначенного для работы в тяжелых условиях, закреплен на блоке 81 питания крана, а противоположный конец прикреплен к кабельной катушке 75, обычно в ее центре, соответствующем оси вращения 76 катушки, называемом подающим центром. Таким образом, на этапах размотки кабеля, предназначенного для работы в тяжелых условиях, с катушки и намотки его на катушку, которые имеют место во время быстрых горизонтальных перемещений крана, этот кабель зафиксирован по обоим концам. Направление кабеля 71 к блоку 81 питания крана обеспечивается направляющим устройством 77 кабеля, предназначенного для принудительного бокового направления вертикально подвешенного кабеля, сходящего с катушки 75.
Заявитель пришел к заключению, что даже в хорошо спроектированных направляющих устройствах кабеля во время перемещений крана на кабель могут воздействовать значительные скручивающие усилия. В показанном на фиг. 8 примере направляющее устройство 77 кабеля содержит две расположенные напротив друг друга относительно направления движения крана направляющие ролики 78а и 78b, предназначенные для обеспечения направления кабеля во время перемещений крана по обеим сторонам рельс относительно блока 81 питания крана. Блок питания крана может быть помещен в среднее положение по длине рельс. В соответствии с обычными конструкциями каждый направляющий ролик 78а и 78b может включать в себя роликовые подшипники 84, вставленные в V-образный паз или в профилированный рельс. Направляющие ролики образуют угол отклонения относительно вертикального направления кабеля, входящего в направляющее устройство. Фиг. 9 и 10 изображают виды крана по фиг. 8 сбоку, показывающие взаимно противоположные перемещения крана в указанном соответствующими стрелками 86 и 87 направлении относительно блока питания кабеля.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения кабель 71, предназначенный для работы в тяжелых условиях, содержит множество радиочастотных идентификационных меток, расположенных по длине кабеля в радиально распределенных угловых положениях (метки на чертеже не изображены). Кабель 71, например, может иметь структуру, такую как структура, описанная со ссылками на фиг. 1 и 2. Кран 70 оборудован системой мониторинга, содержащей считывающее устройство 80, способное опрашивать и идентифицировать встроенные в кабель радиочастотные идентификационные метки, а также детектировать угловое положение этих идентифицированных меток. Считывающее устройство 80 размещено поблизости с направляющим роликом 77. В варианте осуществления по фиг. 8-10 это считывающее устройство посредством обычных крепежных элементов 79, таких как гнездовая пластина (видна на фиг. 8), установлено на верхнем участке направляющего устройства 77. Считывающее устройство установлено на входе направляющего устройства, так чтобы мониторинг производился на продольном участке вертикально подвешенного кабеля, который далее будет отклонен направляющими роликами.
Считывающему устройству 80 придана такая форма, чтобы оно окружало кабель 71 и детектировало угловое положение радиочастотных идентификационных меток по всей окружной поверхности кабеля. В одном варианте осуществления считывающее устройство 80 представляет собой считывающее устройство типа, описанного со ссылками на фиг. 6.
Предпочтительно, угловое разрешение составляет не более чем 30°, более предпочтительно, не более чем 15°.
Считывающее устройство 80 логически подключено к блоку управления, сконфигурированному с возможностью обработки и сохранения считанной с радиочастотной идентификационной метки информации, включающей в себя идентификационный код и измеренные угловые положения, связанные с каждой из групп считанных данных радиочастотной идентификационной метки. Блок управления (на чертеже не изображен) может быть микропроцессором, связанным, например подключенным, со считывающим устройством. Данные измерений передаются, например, посредством кабеля сети Ethernet, от блока управления на панель 82 электрического управления, которая обычно устанавливается для электрического управления работой электродвигателей для всех перемещений подъемного крана и катушки. Панель 82 управления установлена с одной стороны боковой фермы опорной структуры крана и содержит электрооптический преобразователь, такой как Ethernet-преобразователь. На выходе электрооптического преобразователя панели 82 вдоль фермы крана идет оптическое волокно (не показано), например многорежимное оптическое волокно, которое подключается к оптическому волокну такого же типа, содержащемуся в кабеле, предназначенном для работы в тяжелых условиях, посредством подвижного волоконно-оптического шарнира, которое часто используется для обеспечения возможности использования дополнительных волокон для передачи сигналов управления и информационных сигналов по кабелю, предназначенному для работы в тяжелых условиях - к станции подачи электроэнергии. Подвижный волоконно-оптический шарнир может быть размещен в соответствии с подающим центром катушки. Оптическое волокно, выходящее из электрооптического преобразователя, несет оптическую информацию, содержащую (преобразованные) данные, детектированные считывающим устройством. Таким образом, данные, полученные от системы мониторинга скручивания, могут быть выведены на дисплей и/или проанализированы дистанционно от крана, как, например, на станции подачи электроэнергии. Оптическое волокно, подключающее электрооптический преобразователь к подающему центру катушки, и Ethernet-кабель, подключающий блок управления к электрооптическому преобразователю, могут проходить внутри структуры фермы крана и, таким образом, на фиг. 8-10 не показаны. Альтернативно, для передачи данных от считывающего устройства 80 на станцию обработки этих данных может быть использована беспроводная связь.
Хотя в варианте осуществления по фиг. 8-10 считывающее устройство расположено на входе направляющего устройства, следует понимать, что возможны другие конфигурации. Например, считывающее устройство может быть расположено рядом с концом направляющего ролика, или соответствующее считывающее устройство может быть расположено рядом с концом каждого направляющего ролика, так чтобы измерять разворот кабеля на выходе направляющего устройства при обоих направлениях перемещения крана.
Поскольку кабель закреплен по обоим концам, детектирование углового изменения и, таким образом, состояния вращения кабеля указывает на наличие в некоторых местах кабеля скручивающих напряжений.
Фиг. 11 изображает схематичный общий вид подвижного оборудования для работы в тяжелых условиях, которое снабжается энергией кабелем, предназначенным для работы в тяжелых условиях, содержащего систему мониторинга скручивания кабеля в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения. Для идентификации элементов, подобных элементам по фиг. 8-10, имеющих одинаковые или схожие функции, используются одинаковые условные обозначения. Относительно варианта осуществления, показанного на фиг. 8-10, система мониторинга скручивания по фиг. 11 содержит первое и второе считывающие устройства 92 и 91. Первое считывающее устройство 92 расположено на входе направляющего устройства 93, содержащего лишь один направляющий ролик, в то время как второе считывающее устройство 91 расположено рядом с выходом направляющего ролика. Считывающие устройства 92 и 91 могут быть закреплены на структуре направляющего устройства 93 кабеля посредством обычных крепежных элементов, таких как соответствующие гнездовые пластины 94 и 95. Первое и второе считывающие устройства конструктивно выполнены таким образом, что окружают кабель 71, предназначенный для работы в тяжелых условиях, который в различные моменты времени проходит через первое и второе считывающие устройства. Порядок, в котором кабель проходит через первое и второе считывающие устройства, зависит от того, сматывается ли он с катушки 75 или наматывается на нее. Первое и второе считывающие устройства отстоят одно от другого на известное постоянное расстояние. Измерение углового изменения кабеля от фиксированной точки, где помещено первое считывающее устройство 91, до второй фиксированной точки, где помещено второе считывающее устройство 92, может быть выполнено в соответствии со способом, описанным со ссылками на фиг. 7. Кабель 71, предназначенный для работы в тяжелых условиях, подключен к блоку 96 питания, расположенному вблизи конца рельса 74а.
1
2
1
2
i
i
i
i
Каждое считывающее устройство 91 и 92 подключено к соответствующему блоку управления или к единственному блоку управления, который сконфигурирован с возможностью сохранения и обработки информации, детектированной этими считывающими устройствами. Подобно тому, что было описано со ссылками на фиг. 8, блок(и) управления подключен(ы) к панели 82 управления посредством кабеля, такого как Ethernet-кабель. Полагая, что i-я метка проходит через зону опроса считывающих устройств в направлении от кабельной катушки к направляющему устройству (то есть, на этапе размотки), первое считывающее устройство 92 детектирует угловое положение α , а второе считывающее устройство 91 детектирует угловое положение α . Угловое изменение α -α , отличное от нуля или большее, чем заданное пороговое значение, является показателем скрученного состояния кабеля.
Особый аспект настоящего изобретения относится к подъемному крану, предназначенному для работы в тяжелых условиях, содержащему опорную структуру, установленную на структуре фермы катушку, электрический кабель, намотанный на катушку и имеющий первый и второй концы, направляющее устройство, расположенное (то есть, установленное) на опорной структуре, при этом кабель сходит с катушки и входит в направляющее устройство (то есть, проходит через, по меньшей мере, один направляющий ролик направляющего устройства), систему мониторинга скручивания, содержащую, по меньшей мере, одно считывающее устройство, расположенное таким образом, что окружает находящийся под катушкой участок электрического кабеля, а также блок управления, подключенный к, по меньшей мере, одному считывающему устройству.
Особый вариант осуществления настоящего изобретения относится к ветряным электрогенераторам.
Фиг. 12 изображает условный вид поперечного сечения ветряной установки, предназначенной для генерации электрической энергии. Ветряная установка 110 содержит башню 112, установленную вдоль продольной оси, и расположенную на ее вершине гондолу 111. Гондола 111 содержит известные сами по себе устройства, предназначенные для преобразования вращательной энергии лопастей 116 в электрическую энергию, включающие в себя также генераторную систему (на рисунке не показана) и трансформатор 115, обозначенный пунктирной линией. Гондола может разворачиваться относительно оси башни, чтобы отслеживать изменение направления ветра.
Ветряная установка оснащена силовым кабелем, соединяющим расположенный в гондоле 111 трансформатор 115 с основанием 114 башни, где генерированная электрическая энергия передается в распределительную сеть или подается непосредственно конечному потребителю.
Силовой кабель, как правило, представляет собой трехфазный кабель и обычно он содержит три изолированных силовых проводника и три провода заземления, причем каждый из проводов заземления расположен в промежуточной области, образованной между двумя соседними силовыми проводниками. Три силовых проводника и три провода заземления скручены по винтовой линии, и вся сборка последовательно покрыта внешней оболочкой кабеля.
Кабель расположен вертикально вдоль башни ветряной установки, при этом первый его участок 113а свободно подвешен внутри башни, а второй его участок 113b прикреплен к боковой стороне башни, например, посредством крепежных элементов 117. Длина кабеля обычно составляет около 18-20 м, а высота башни - 60-100 м. Вследствие вращательного перемещения гондолы в направлении и по часовой стрелке, и против часовой стрелки силовой кабель подвержен воздействию переменных циклических скручивающих напряжений. В частности, скручивающие напряжения возникают вдоль длины кабеля, который свободно размещен внутри башни, то есть вдоль длины участка, который начинается от трансформатора и подвешен внутри башни, - до места крепления к ее боковой стороне. Следовательно, при поворотах гондолы первый участок 113а скручивается вокруг своей оси. Вообще, во время работы ветряной установки она делает от трех до пяти оборотов (каждый в 360°) в данном направлении (например, по часовой стрелке), а затем направление разворотов изменяется на обратное (например, пять оборотов в обратном направлении, то есть против часовой стрелки). В среднем ветряная установка делает один оборот в день, поскольку направление ветра обычно изменяется не более чем на 180° за 24 часа.
На силовой кабель 113 нанесена, по меньшей мере, одна радиочастотная идентификационная метка, расположенная вдоль оси кабеля, идущей в башне ветряной установки вертикально. Поскольку кабель 113 зафиксирован на обоих своих противоположных концах и не подвержен существенным продольным перемещениям вдоль оси башни, скручивающие напряжения могут быть детектированы нанесением на кабель всего одной радиочастотной идентификационной метки (на рисунке не изображена). Предпочтительно, радиочастотная идентификационная метка нанесена на подвешенном участке кабеля, более предпочтительно,  вблизи гондолы, которая подвержена вращению. Эта радиочастотная идентификационная метка может быть включена в структуру кабеля на этапе производства, или же она может быть закреплена на внешней оболочке кабеля до или после установки кабеля.
Считывающее устройство 118 выполнено в соответствии с секцией кабеля, обеспеченной радиочастотной идентификационной меткой. Считывающее устройство может быть того типа, который описан со ссылками на фиг. 6, содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую группу радиально распределенных микросхем приемопередатчиков.
Хотя предпочтительно, чтобы для упрощения изготовления кабеля с детектируемым скручиванием информационные данные, относящиеся к опорному угловому положению идентификационных меток, сохранялись на удалении от кабеля, в таком месте как подключенный к считывающему устройству блок управления или удаленный ПК, настоящее изобретение охватывает и кабель, в котором каждая из множества распределенных вдоль кабеля идентификационных меток включает в себя запоминающее устройство, хранящее информацию, относящуюся к опорному угловому положению.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к кабелю, проходящему вдоль центральной продольной оси и содержащему вдоль длины кабеля множество идентификационных меток, причем, по меньшей мере, одна метка из множества идентификационных меток содержит запоминающее устройство, причем запоминающее устройство хранит информацию, относящуюся к опорному угловому положению, по меньшей мере, одной метки относительно воображаемой оси поперечного сечения кабеля, проходящего через эту метку в плоскости, перпендикулярной центральной продольной оси. Предпочтительно, каждая из множества меток включает в себя запоминающее устройство, хранящее информацию, относящуюся к опорному угловому положению.
Хотя подробное описание приведено со ссылками на электрический кабель, настоящее изобретение охватывает способ и систему для измерения скручивания оптического кабеля или кабеля управления, в котором необходимо выполнять детектирование и мониторинг скручивания.