Совмещенный электронный датчик обрыва защитного проводника и протечки воды

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам контроля безопасности электроустановок и может найти применение в системах помощи человеку умного дома и безопасного производства, например, при эксплуатации стиральных и посудомоечных машин. Использование этих бытовых и аналогичных приборов связано с риском затопления помещения водой, а также с риском поражения человека электрическим током. В связи с этим особое внимание уделяется оптимизации активных действий защиты за счет автоматизации отключения электропитания или подачи воды, что выполняется по сигналам различных датчиков.
К аналогам предлагаемого относятся многие известные устройства. Так, среди приборов с индикацией наличия напряжения можно указать патент [RU 2510031 C1, G01R 19/155, 19.07.2012], который обеспечивает дистанционное определение наличия или отсутствия напряжения на токоведущих частях и беспроводную передачу сигнала на прибор управления.
Высокую чувствительность к появлению напряжения на токопроводящих частях электроустановок обычно обеспечивают преобразованием наведенного электрического сигнала из переменного в постоянный и усилением [CN 107957513 А, G01 R19/155, 17.10.2016]. В этом случае электроды являются чувствительными элементами датчика напряжения [US 2019346493 A1, G01 R19/155, 09.05.2018]. Кроме того, надежность контроля повышают за счет использования нескольких электродов, плотно прилегающих к изолированным проводникам [CN 106291070A, G01R 19 /145, G01R 19 /155, 28.09.2016]. При этом для прочного соединения датчика с контролируемым проводником может использоваться магнит [DE 202018001954 U1, G01R 19 /155, 17.04.2018]. Для предупреждения людей об опасности при срабатывании таких датчиков в конструкции часто предусматриваются световые и звуковые оповещатели [US 10768210 B1, G01R 19 /155, 17.07.2018].
Подобным образом устроены и действуют устройства контроля помещения при затоплении, за исключением того, что вместо напряжения как правило контролируется электропроводность среды. Пример соответствующего аналога приведен в патенте [RU 2382148 C2, E03C 1/294, 29.04.2008], по которому система контроля выполнена с возможностью передачи сигналов на электромагнитные запорные клапаны водоразборного трубопровода. Реализуется контроль затопления чаще всего так, как контроль уровня электропроводящих жидкостей, например, с помощью нескольких электродов [RU 2321831 G01F 23/24, C2 15.03.2006], которые являются чувствительными элементами датчика тока [RU 50655 U1, G01F 23/24, 14.07.2005], [RU 2615910 C1, G01F 23/24, 17.03.2016]. Также известны устройства для обнаружения протечек с передачей данных по радио [RU 2543942 C2, G01M 3/16, 17.02.2011].
В качестве ближайшего аналога выбрана «Сигнализатор напряжения беспроводной стационарный», который содержит передающее устройство (радиопередатчик), оснащающее токоведущую часть электроустановки и осуществляющее преобразование переменного напряжения на указанной токоведущей части в сигнал для беспроводной передачи [RU 123171 U1, G01R 19/155, 19.07.2012].
Перечисленные известные технические решения позволяют предотвращать аварии бытовых и аналогичных электроприборами.
Предлагаемая полезная модель решает те же самые технические проблемы. Технический результат состоит в расширении арсенала технических средств для предотвращения неблагоприятного развития аварийных ситуаций, в том числе для защиты человека от поражения электрическим током из-за обрыва защитного проводника и протечки воды, а также для защиты от повреждения имущества из-за протечки воды.
Указанное достигается применением устройства, в корпусе которого содержится магнитный держатель, радиопередатчик и датчики с чувствительными элементами в виде двух электродов, и отличающегося тем, что оно снабжено суммирующим усилителем, первый датчик выбран из ряда беспроводных датчиков напряжения, второй датчик выбран из ряда проводных датчиков тока, корпус выполнен с вертикальной задней стенкой и нижней стенкой, расположенной спереди задней стенки в ее нижней части, причем магнитный держатель и один электрод первого датчика расположены вверху задней стенки, второй электрод первого датчика расположен на нижней стенке удаленно от задней стенки, два электрода второго датчика расположены под нижней стенкой на одинаковом расстоянии от задней стенки, а выходы датчиков соединены с радиопередатчиком через суммирующий усилитель. Дополнительно датчики и суммирующий усилитель могут быть выбраны с функцией порогового элемента. Также устройство может быть снабжено звуковым и световым оповещателями, которые соединены с выходом суммирующего усилителя. Еще в одной модификации расположенный на нижней стенке удаленно от задней стенки электрод соединен с одним из электродов второго датчика. В другой модификации нижняя стенка имеет уклон по отношению к горизонтали и снабжена водоотталкивающим покрытием. В третьей модификации устройство может быть снабжено клеммами входов для внешних соединений датчиков. Кроме того, радиопередатчик предлагается выбрать с функцией непосредственного соединения с приборами управления, с функцией соединения через локальную сеть с устройствами программирования и с функцией соединения через локальную сеть и интернет с удаленными устройствами контроля.
Для пояснения конструкции предлагаемого устройства на фиг. 1-7 показаны эскизы и схемы. В том числе фиг. 1-3 содержат вертикальные и горизонтальные (А-А) сечения устройства, а фиг. 4-7 - схемы расположения и соединения устройства в разных ситуациях эксплуатации совместно с бытовыми электроприборами.
1
2
L
N
H
H
На фиг. 1-7 приняты следующие обозначения: 1 - корпус, 2 - магнитный держатель, 3 - радиопередатчик, 4, 5 - датчики Д, Д, 6, 7, 8, 9 - электроды, 10 - суммирующий усилитель, 11 - задняя стенка, 12 - нижняя стенка, 13, 14 - клеммы входов, 15 - звуковой оповещатель, 16 - световой оповещатель, 17 - основание (пол помещения), 18 - стенка корпуса электроприбора, 19 - ввод электропитания, 20 - устройство дифференциального тока QFD, 21 - ввод воды, 22 - электромагнитный клапан, 23 - радиореле PP, 24, 25 - места обрыва защитного проводника, 26 - схема (маркировка) возможных напряжений на корпусе электроприбора при обрыве защитного проводника или пробое изоляции [п. 6.1 ГОСТ IЕС 62423-2013], 27 - место протечки воды, L, N, Pe - фазный, нулевой и защитный проводники, C, C - конденсаторы сетевого фильтра, R , С - резистор и конденсатор цепи управления.
1
2
Сечения (фиг. 1) показывают, что корпус 1 содержит в определенных положениях детали 2, 6-9. Соединение и размещение в корпусе 1 электронных компонентов 3-5, 10 показано условно. Сам корпус выполнен с вертикальной задней стенкой 11, нижней стенкой 12 и находится на основании 17 в соединении со стенкой корпуса электроприбора 18. Электрод 6 максимально приближен к электроприбору (18), т.е. находится в верхней части стенки 11 вместе с магнитным держателем 2. Напротив, электрод 7 максимально удален и расположен на нижней стенке 12. Другие два электрода 8 и 9 расположены под нижней стенкой 12 на одинаковом расстоянии от задней стенки 11, например, параллельно, как показано в сечении А-А. При этом электроды 6 и 7 являются чувствительными элементами датчика 4, а электроды 8 и 9 - датчика 5. Первый датчик Д выбран из ряда беспроводных датчиков напряжения, второй датчик Д - из ряда проводных датчиков тока. Датчики 4, 5 соединены с радиопередатчиком 3 через суммирующий усилитель 10. Указанные датчики и суммирующий усилитель могут быть выбраны с функцией порогового элемента.
1
Вертикальное сечение (фиг. 2) дополнено клеммами входов 13, 14 для внешних соединений датчиков, например, Д.
Вертикальное сечение (фиг. 3) показывает возможность модификации формы корпуса при сохранении положения задней и нижней стенок (11, 12), а также при сохранении положения электродов 6-9. Здесь электронные компоненты 3-5, 10 условно сгруппированы на внутренней плате. Также на отдельной плате показаны звуковой оповещатель 15 и световой оповещатель 16, которые должны быть соединены с выходом суммирующего усилителя 10 и размещены внутри корпуса 1 напротив соответствующих окон. Еще одно дополнение, связанное с возможностью соединения электродов 7 и 8, показано в вертикальном и горизонтальном (А-А) сечениях. Такое соединение позволяет детализацию электронных компонентов 3-5, 10 на транзисторах с общим эмиттером или общим коллектором, при которой соединение электродов выполняется через общую шину, что не исключает альтернативное решение с полной гальванической развязкой между датчиками и суммирующим усилителем, например, через оптореле.
Предлагаемое выполнение нижней стенки 12 с уклоном по отношению к горизонтали показано в вертикальных сечениях на фиг. 1-3. Образующиеся при наклонном положении нижней стенки 12 боковые открытые проемы в корпусе 1 отображены на горизонтальных сечениях (А-А). Эти проемы позволяют свободное движение воздуха и воды, вход и выход которых условно показан тремя стрелками.
Н
H
H
Применяется и действует устройство следующим образом. Место расположения корпуса 1 (см. фиг. 4-7) может быть выбрано у стенок 18 стиральных, посудомоечных или аналогичных машин, для которых выполняется  ввод электропитания 19 через устройство дифференциального тока 20 и ввод воды 21 через электромагнитный клапан 22. Фиксация корпуса 1 во всех случаях показана с помощью магнитного держателя 2 (см. фиг. 1-3). Применение устройства одинаково для схемы питания в системе TN-C-S (фиг. 4) и схемы с независимым заземлителем в системе ТТ (фиг. 5). В представляемых далее примерах в качестве приборов управления выбраны устройства дифференциального тока 20, однако также возможно применения релейных схем контроля с контакторами. В любом случае радиосигнал об опасности от предлагаемого устройства должно получать радиореле 23. Оно при использовании устройства дифференциального тока 20 замыкает цепь управления между фазным L и защитным Pe проводниками через конденсатор С и резистор R (см. фиг. 4). В другом варианте (см. фиг. 5) радиореле 23 замыкает цепь управление по диагонали устройства дифференциального, т.е. фазный проводник выхода L и нулевой проводник входа N через резистор R. Появление тока в цепи управления приводит к нарушению баланса устройства дифференциального тока 20 и к его отключению. В результате прекращается электропитание, исключается поражение человека электрическим током, одновременно при отсутствии электропитания закрывается электромагнитный клапан 22, прекращается подача воды и предотвращается дальнейшая протечка.
Электропитание электронных компонентов предлагаемого устройства может осуществляться от основной и резервной встроенных батарей или от внешнего источника. Для обеспечения работоспособности имеет значение указанное расположение деталей (см. рис. 1-3). Благодаря этому электрод 6 имеет наибольшую электрическую емкость со стенкой корпуса электроприбора 18, а электрод 7 с основанием 17. При появлении напряжения на стенке корпуса электроприбора 18 возникает электрическое поле, соответственно между электродами 6 и 7 наводится разность потенциалов, которая окажется максимально возможной в габаритах корпуса 1.  Напротив, между электродами 8 и 9 разность потенциалов от внешнего поля не возникает, поскольку они одинаково удалены от стенки 11. Датчик 4 будет фиксировать напряжение, а датчик 5 - только ток, если между электродами 8 и 9 появляется электропроводная среда. Например, когда при протечке воды она по основанию 17 попадает в пространство под нижней стенкой 12 и замыкает цепь между электродами 8, 9. Разность потенциалов между электродами 8 и 9 возникает за счет источника питания (батарей), либо благодаря выполнению этих электродов из металлов с разными электрохимическими потенциалами.
Суммирующий усилитель 10 по предложенной схеме (фиг. 1-3) преобразует сигналы датчиков 4, 5 и при превышении установленного порога передает на радиопередатчик 3 в качестве сигнала об аварийной ситуации. Одновременно для предупреждения человека об опасности этот сигнал может передаваться на звуковой и световой оповещатели 15, 16 (фиг. 3), либо на удаленное устройство контроля, если радиопередатчик выбран с функцией соединения через локальную сеть и интернет.
Выбранный принцип действия датчика 4 связан с беспроводной индикацией напряжения, что не исключает проводное соединение датчика с помощью клемм входов 13, 14, например, между стенкой корпуса электроприбора 18 и защитным проводником (заземлителем) (см. фиг. 6).
После контакта электродов 8, 9 (фиг. 1-3) и нижней стенки 12 с водой для исключения ложного сигнала о протечке требуется сушка. Кроме того, при эксплуатации устройства необходимо исключить появление на указанных деталях конденсата. В связи с этим безошибочную (надежную) работу датчика 5 можно обеспечивать за счет выполнения нижней стенки 12 с уклоном по отношению к горизонтали и снабжения ей водоотталкивающим покрытием, что будет способствовать естественной вентиляции пространства под нижней стенкой, предотвратит капиллярный эффект и концентрацию влаги.
Действие предлагаемого устройства зависит от состояния контролируемой электроустановки и может быть проиллюстрировано в следующих примерах.
Пример 1. Дежурный режим (фиг. 4, 5) имеет место, когда электроприборы (электроустановка) исправны, т.е. надежно заземлены, изоляция не нарушена и, следовательно, нет опасного напряжение на открытых электропроводящих частях, также нет протечки воды на основании (на полу помещения). В этом случае отсутствует напряжение между электродами 6 и 7, и ток между электродами 8 и 9 (фиг 1-3). Соответственно нет сигнала об опасности на выходе датчиков и радиопередатчика. Устройство дифференциального тока 20 (фиг. 4, 5) также находится в дежурном режиме и реализует штатные функции контроля показателей работы электроустановки. Если радиопередатчик выбран с функцией соединения через локальную сеть с устройствами программирования, то в дежурном режиме устанавливают желаемый  сценарий действий, например, прописывается адрес радиопередатчика в память радиореле, задержка сигнала об опасности и т.д. Аналогично на информирование о дежурном режиме, а также на действия при разряде батареи и аварии могут программироваться световой и звуковой оповещатели.
L
H
H
H
Пример 2. Обнаружение обрыва защитных проводников 24, 25 одинаково реализуется в системах TN-C-S (фиг. 6) и ТТ (фиг. 7). Учитывая то, что электроприборы как правило снабжены сетевыми фильтрами, их корпус в том числе стенка корпуса электроприбора 18 соединена с фазным проводником L через конденсатор С. Поэтому при обрыве защитного проводника Pe стенка корпуса электроприбора 18 оказывается под напряжением. Соответственно предлагаемое устройство реагирует на появление электрического поля и его радиопередатчик передает сигнал об опасности на радиореле 23, замыкается цепь ( R , Сили R), срабатывает устройство дифференциального тока 20 и электропитание прекращается. Так выполняется децентрализованное автоматическое предотвращение опасного развития аварийной ситуации. Дополнительно определенное время производится местное информирование об аварии с помощью светового и звукового оповещателя, а также удаленно через локальную сеть и интернет.
Пример 3. Обнаружение пробоя изоляции при обрыве защитного проводника может потребоваться в случае высокого сопротивления заземляющего устройства. Например, из-за окисления контакта 24 электрического соединителя, при малых токах от сетевого фильтра напряжение на корпусе будет незаметным, но при больших токах оно способно вырасти до опасных значений (см. фиг. 6). Если повреждение изоляции приводит к появлению на корпусе обычного переменного напряжения, то действие предлагаемого устройства будет такое же как в предыдущем примере. Вместе с тем за счет преобразователей и выпрямителей напряжение на корпусе может иметь вид, условно показанный на стандартной схеме 26 [п. 6.1 ГОСТ IЕС 62423-2013]. Беспроводное детектирование некоторых из подобных сигналов связано с пропусками аварийных ситуаций и ложными срабатываниями. В этом случае для повышения надежности целесообразно использовать клеммы выводов 13, 14 и непосредственное соединение датчика предлагаемого устройства со стенкой корпуса электроприбора 18 и защитным проводником Pe. Такая модификация схемы не меняет порядка действий, и при аварийной ситуации будет обеспечиваться своевременное прекращение электропитания.
Пример 4. Обнаружение протечки 27 (фиг. 7) происходит при попадании воды на основание 17, что может случиться из-за разгерметизации ввода 21 или других частей внутри электроприбора.  В этой ситуации в предлагаемом устройстве как уже указано действует датчик тока, возникает соответствующий радиосигнал об опасности, прекращается электропитание, срабатывает клапан 22, дальнейшая протечка воды предотвращается, и одновременно отключение электропитания исключает опасность поражения человека электрическим током.
3
Испытания предлагаемого устройства выполнены на модели с серийно выпускаемыми электронными компонентами. Так, был использован беспроводный датчик напряжения КВТ KT 100 PROLINE 79134 и датчик протечки воды Rubetek RS-3220, усилитель которого применен в качестве суммирующего усилителя для двух датчиков. Указанные электронные компоненты размещались в корпусе с габаритами в вертикальном сечении - 150×150 мм, шириной - 30 мм, причем задняя стенка корпуса была вертикальной, а нижняя - с уклоном 20° к горизонтали. Расположение электродов соответствовало представленному описанию. С помощью магнитного держателя корпус крепился к модели стенки корпуса электроприбора, которая была соединена с сетевым фильтром D.E.M. PLF 00472705100A стиральной машины. В качестве прибора управления использовали выключатель дифференциального тока Legrand DX 411500, 16A, 10 mA. Цепь управления была построена на радиореле Rubetek RE-3311 с резистором нагрузки - 5,1 кОм. Напряжение питания устанавливалось в пределах 200…230 В. При моделировании обрыва защитного проводника на модели стенки корпуса электроприбора возникало напряжение 95…115 В. Такое испытание подтвердило работоспособность и эффективность действия предлагаемого устройства. Время противоаварийного  отключения электропитания не превышало 1 сек. Также устройство реагировало на протечку воды. Время отключения электропитания от момента видимого появления жидкости на электродах составило  1…3 сек.
Таким образом, в системе помощи человеку реализовано первоочередное действие в виде автоматического отключения электропитания, которое может сопровождаться местным и удаленным информированием об аварии. Технический результат состоит в расширении арсенала технических средств для предотвращения неблагоприятного развития аварийных ситуаций.