СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧКИ ТЕКУЩИХ СРЕД И ТРЕВОЖНОГО ОПОВЕЩЕНИЯ
SYSTEM FOR DETECTING LEAKAGE OF FLUID MEDIA AND ALARM SIGNAL

Изобретение относится к системам контроля на герметичность различных устройств (например, труб или резервуаров) путем обнаружения жидких или газообразных веществ в местах их возможной утечки. В частности, изобретение относится к системам обнаружения утечки текущих сред и тревожного оповещения, использующим электрические средства обнаружения с последующей передачей данных об обнаруженных утечках текущих сред по каналам связи.
Известно устройство для обнаружения утечки текущей среды, содержащее датчик утечки, источник питания, световой индикатор и радиопередатчик для трансляции на расстояние сигналов оповещения о наличии утечки контролируемой текущей среды.
Устройство содержит специальное приспособление для установки на корпусе контролируемой емкости, например цистерны для перевозки сырой нефти (патентная публикация US №2008/0100462, G08B 21/00).
Данное устройство предназначено для применения при перевозке ряда опасных жидкостей (например, кислот или бензина). Новизна указанного устройства обусловлена оригинальностью конструкции используемого в нем специального приспособления.
Недостатком данного устройства является необходимость "встраивания" его в корпус контролируемого объекта. Кроме того, в данном устройстве отсутствуют средства анализа информации, получаемой датчиком утечки. Поэтому высока вероятность ложной тревоги. Это существенно ограничивает сферу возможного применения данного устройства.
В основном такие устройства могут применяться при промышленных перевозках больших объемов опасных жидкостей.
Для применения в быту (например, для обнаружения протечки воды в сантехническом оборудовании коттеджей, многоквартирных домах или офисных помещений) необходима более простая и удобная конструкция, позволяющая свободно размещать такое устройство для обнаружения утечки текущих сред в различных местах установки сантехнического оборудования (без "встраивания" в корпус контролируемого объекта).
Кроме того, целесообразно, чтобы такое устройство для обнаружения утечки текущих сред могло использовать существующие сети передачи информации. Например, могут использоваться каналы связи стандартных систем охранно-пожарной или аварийной сигнализации.
Известны различные модификации бытовых устройств для обнаружения протечек воды (например, в сантехническом оборудовании многоквартирных домов или в коттеджей). Такие устройства производятся, например, компанией Flair Electronics (Waterguard 1000 H20, H20S).
В нашей стране широко известен серийно выпускаемый датчик утечки "Н20-Контакт" (сертификат соответствия №РОСС RU.AU50.H03660). Этот датчик утечки применяется для контроля протечек текущих сред (затопления водой или другими токопроводящими жидкостями) в промышленных и офисных зданиях, в первую очередь, в тех зонах, в которых отсутствует постоянный контроль над состоянием систем водоснабжения, отопления и кондиционирования. Возможно также использование таких датчиков утечки в бытовых условиях - в квартирах или в коттеджах (www.complex-safety.com).
Датчик утечки "Н20-Контакт" универсален и совместим с большинством пороговых и адресно-аналоговых приемно-контрольных приборов систем охранно-пожарной сигнализации. Указанный датчик утечки подключается по типу дымового пожарного датчика - параллельно оконечному сопротивлению шлейфа. Принцип действия указанного датчика утечки основан на изменении сопротивления цепи при достижении уровнем воды (или другой токопроводящей жидкости) внешних контактов данного датчика утечки.
Использование каналов связи стандартных систем охранно-пожарной сигнализации является, с одной стороны, достоинством, а с другой стороны, - недостатком датчиков утечки "Н20-Контакт", поскольку требует:
- наличия проводных сетей (шлейфов) в помещении, выбранном для установки датчиков утечки;
- определенной подготовки специалистов при установке датчиков утечки.
Поэтому более удобными для применения в быту являются системы обнаружения утечки, использующие радиоканал. Пример одной из таких систем описан в американской патентной заявке US №2007/0000310, G01M 3/04.
Как и все вышеупомянутые аналоги, эта система относится к классу систем, использующих электрические средства обнаружения утечки с последующей передачей данных об обнаруженной утечке по каналу связи. Однако, в отличие от датчиков типа "Н20-Контакт" (а также "Нептун", "Gidrolock" или "Аквасторож") такая передача может осуществляться без проводов (по радиоканалу).
Вышеупомянутая американская система содержит устройство обнаружения утечки и приемно-исполнительное устройство, вход которого с помощью канала связи подключен к выходу устройства обнаружения утечки. При этом устройство обнаружения утечки содержит датчик утечки, блок передачи данных и процессор, информационный вход которого подключен к выходу датчика утечки, а выход - к информационному входу блока передачи данных. Выход блока передачи данных является при этом выходом устройства обнаружения утечки. В состав устройства обнаружения утечки входит также первый блок питания, выход которого подключен ко входам питания процессора и блока передачи данных. Приемно-исполнительное устройство, связанное с устройством обнаружения утечки по радиоканалу, включает в себя последовательно соединенные радиоприемник, контроллер и исполнительный блок, а также второй блок питания, выход которого подключен ко входам питания радиоприемника, контроллера и исполнительного блока.
Исполнительный блок содержит блок светозвукового оповещения и блок отображения, вход управления которого подключен к выходу клавиатуры управления, при этом соединенные между собой информационные входы блока отображения и блока светозвукового оповещения являются информационным входом исполнительного блока, а соединенные между собой входы питания блока отображения и блока светозвукового оповещения являются входом питания исполнительного блока.
В данной известной системе речь идет об определении утечки газа (а не жидкости), но как системы контроля утечки газа, так и системы контроля утечки текущих сред относятся к одному и тому же классу Международной патентной классификации. По количеству сходных с предлагаемой системой существенных признаков указанная система значительно превосходит другие аналоги. Поэтому она выбрана в качестве ближайшего аналога для настоящего заявляемого изобретения.
Недостаток ближайшего аналога связан с тем, что в бытовых условиях расположение датчика утечки относительно контролируемого объекта, например относительно вентиля подачи воды, может несанкционированно изменяться. Например, его могут случайно сдвинуть с места или перевернуть при подметании или мытье пола. В отсутствие хозяев квартиры это могут сделать домашние животные. Поскольку принцип действия любого датчика утечки текущих сред основан на изменении электрического сопротивления при физическом попадании воды (или другой жидкости) на внешние контакты датчика утечки, то сохранение относительного местоположения и ориентации датчика утечки относительно объекта контроля имеет принципиальное значение. Эти факторы определяют надежность работы системы для обнаружения утечки текущих сред, поэтому местоположение и ориентация датчика утечки должны постоянно находиться под контролем (естественно, что при контроле утечки газа такая задача не возникает).
Настоящее изобретение направлено на устранение указанного недостатка ближайшего аналога.
Предметом изобретения является система для обнаружения утечки текучих сред и тревожного оповещения, содержащая размещенное в месте возможной утечки устройство обнаружения утечки и территориально-разнесенное с ним приемно-исполнительное устройство, вход которого с помощью канала связи подключен к выходу устройства обнаружения утечки, при этом устройство обнаружения утечки содержит датчик утечки, блок передачи данных и процессор, первый информационный вход которого подключен к выходу датчика утечки, а выход - к информационному входу блока передачи данных, выход которого является выходом устройства обнаружения утечки, а также первый блок питания, выход которого подключен ко входам питания процессора и блока передачи данных, приемно-исполнительное устройство включает в себя контроллер, исполнительный блок отображения и оповещения, второй блок питания и приемник, информационный вход которого является входом приемно-исполнительного устройства, а выход подключен к информационному входу контроллера, выход которого подключен к информационному входу исполнительного блока отображения и оповещения, выход которого подключен ко входу второго блока питания, выход которого подключен ко входам питания приемника, контроллера и исполнительного блока отображения и оповещения, - при этом в устройство обнаружения утечки введен инерциальный блок позиционирования, выполненный с возможностью обнаружения несанкционированного перемещения и несанкционированного поворота устройства обнаружения утечки вокруг любой из его осей, причем вход питания инерциального блока позиционирования подключен к выходу первого блока питания, а процессор выполнен со вторым информационным входом, который подключен к выходу инерциального блока позиционирования.
Частными существенными признаками настоящего изобретения являются следующие.
Исполнительный блок отображения и оповещения содержит блок светозвукового оповещения и блок отображения, вход управления которого подключен к первому выходу клавиатуры управления, второй выход которой является выходом исполнительного блока отображения и оповещения, при этом соединенные между собой информационные входы блока отображения и блока светозвукового оповещения являются информационным входом исполнительного блока отображения и оповещения, а соединенные между собой входы питания блока отображения и блока светозвукового оповещения являются входом питания исполнительного блока отображения и оповещения.
Блок передачи данных выполнен с возможностью светозвукового оповещения о нештатной ситуации.
Канал связи может быть выполнен в виде проводного канала передачи данных.
Также канал связи может быть выполнен в виде радиоканала передачи данных.
Задачей настоящего изобретения является создание удобной в бытовых условиях и надежной при эксплуатации системы для обнаружения утечки текущих сред (например, воды) с обеспечением удобного для пользователя системы тревожного оповещения.
Принципы построения предлагаемой системы для обнаружения утечки текущих сред и тревожного оповещения поясняются на фиг.1-3.
На фиг.1 показана обобщенная структурная схема построения системы для обнаружения утечки текущих сред и тревожного оповещения.
На фиг.2 представлен вариант построения приемно-исполнительного устройства.
На фиг.3 показан вариант построения исполнительного блока отображения и оповещения.
На фиг.1-3 использованы следующие обозначения: 1 - устройство обнаружения утечки; 2 - датчик утечки; 3 - процессор; 4 - блок передачи данных; 5 - приемно-исполнительное устройство; 6 - первый блок питания; 7 - приемник; 8 - контроллер; 9 - исполнительный блок отображения и оповещения; 10 - блок отображения; 11 - клавиатура управления; 12 - блок светозвукового оповещения; 13 - второй блок питания; 14 - инерциальный блок позиционирования.
Рассматриваемая система для обнаружения утечки текущих сред и тревожного оповещения (фиг.1) содержит устройство 1 обнаружения утечки и приемно-исполнительное устройство 5, вход которого с помощью канала связи подключен к выходу устройства 1 обнаружения утечки.
Канал связи может быть выполнен либо в виде проводного канала, либо в виде радиоканала передачи данных.
Устройство 1 обнаружения утечки (фиг.1) содержит датчик 2 утечки, блок 4 передачи данных и процессор 3, первый информационный вход которого подключен к выходу датчика 2 утечки, а выход - к информационному входу блока 4 передачи данных, выход которого является выходом устройства 1 обнаружения утечки. В состав устройства 1 обнаружения утечки входит также первый блок 6 питания, выход которого подключен ко входам питания процессора 3 и блока 4 передачи данных. При этом блок 4 передачи данных может быть выполнен с возможностью светозвукового оповещения о нештатной ситуации.
Кроме того, устройство 1 обнаружения утечки содержит инерциальный блок 14 позиционирования, выход которого подключен ко второму информационному входу процессора 3, а вход питания подключен к выходу первого блока 6 питания.
Приемно-исполнительное устройство 5 (фиг.2) включает в свой состав контроллер 8, исполнительный блок 9 отображения и оповещения, второй блок 13 питания и приемник 7, информационный вход которого является входом приемно-исполнительного устройства 5. Выход приемника 7 подключен к информационному входу контроллера 8. Выход контроллера 8 подключен к информационному входу исполнительного блока 9 отображения и оповещения, выход которого подключен ко входу второго блока 13 питания. Выход второго блока 13 питания подключен ко входам питания приемника 7, контроллера 8 и исполнительного блока 9 отображения и оповещения.
Исполнительный блок 9 отображения и оповещения (фиг.3) содержит блок 12 светозвукового оповещения и блок 10 отображения, вход управления которого подключен к первому выходу клавиатуры 11 управления, с помощью которой пользователь системы может осуществлять управление блоком 10 отображения. Второй выход клавиатуры 11 управления является выходом исполнительного блока 9 отображения и оповещения и служит для управления режимами работы, включением и выключением второго блока 13 питания. Информационные входы блока 10 отображения и блока 12 светозвукового оповещения соединены между собой и являются информационным входом исполнительного блока 9 отображения и оповещения. А входы питания блока 10 отображения и блока 12 светозвукового оповещения также соединены между собой и являются входом питания исполнительного блока 9 отображения и оповещения.
Инерциальный блок 14 позиционирования реализует запатентованную еще в 1905 г. (Рейнгард Вуссов) идею определения местоположения объекта с помощью двукратного интегрирования по времени проекций измеряемого вектора ускорения движущегося объекта (Мартыненко Ю.Г., Инерциальная навигация, "Соровский образовательный журнал", 1998, №8). Подобные блоки применяются предприятием-заявителем в системах сбора и анализа данных о дорожно-транспортных происшествиях, защищенных патентами RU №2221277, G07C 5/08, B60R 27/00; RU №2222830, G07C 5/08, B60R 16/02.
В частности, в них может использоваться инерциальный блок 14 позиционирования в виде микрочипа ADXRS 300 с размерами 7×7×3 мм (рекламная информация фирмы Analog Devices, Inc. на сайте www.analog.com).
Все другие элементы рассматриваемой системы для обнаружения утечки текущих сред и тревожного оповещения - такие же, как и в системе, являющейся ближайшим аналогом рассматриваемой системы (патентная публикация US №2007/0000310, G01M 3/04).
Отличия в построении процессора 3 связаны только с его программным обеспечением.
Таким образом, все составные части предлагаемой системы для обнаружения утечки текущих сред и тревожного оповещения хорошо известны, поэтому возможность ее практической реализации не вызывает сомнений.
Рассматриваемая система для обнаружения утечки текущих сред и тревожного оповещения работает следующим образом.
Источником информации для предлагаемой системы является устройство 1 обнаружения утечки, в состав которого входит, в частности, датчик 2 утечки, выход которого (в виде, например, контактов реле) подключен к первому информационному входу процессора 3. Датчик 2 утечки контролирует утечку воды (или другой жидкости), и в дежурном режиме (при отсутствии утечки) его выходные контакты реле разомкнуты.
Принцип действия датчика 2 утечки основан на изменении электрического сопротивления в измерительной цепи, которая образуется в датчике 2 утечки, при попадании воды (или какой-нибудь другой токопроводящей текущей среды) на контакты датчика 2 утечки. Когда текущая среда достигает внешних контактов датчика 2 утечки, выходные контакты реле датчика 2 утечки замыкаются. Это приводит к скачку тока на первом информационном входе процессора 3. Процессор 3 интерпретирует этот скачок тока как сигнал тревоги. При снижении уровня текущей среды выходные контакты реле датчика 2 утечки размыкаются, и датчик 2 утечки возвращается в дежурный режим. Размыкание контактов реле также изменяет сигнал на первом информационном входе процессора 3. При этом процессор 3 отмечает возврат датчика утечки в дежурный режим.
При интерпретации процессором 3 сигнала тревоги процессор 3 формирует команды включения светозвуковой тревожной сигнализации, средства подачи которой входят, например, в состав блока 4 передачи данных. Процессор 3 также может формировать команды дистанционного управления различными исполнительными механизмами, например соленоидными клапанами для перекрытия подачи воды. Работа этих механизмов не относится к теме изобретения и потому специально не рассматривается.
Естественно, что при возврате датчика 2 утечки в дежурный режим работа указанных выше исполнительных механизмов, а также светозвуковая тревожная сигнализация, должна быть отключена.
Сигналы тревоги (а также служебные сигналы об окончании тревоги) поступают на информационный вход блока 4 передачи данных. Блок 4 передачи данных преобразует эти сигналы к виду, пригодному для передачи по используемому каналу связи и через канал связи передает эти сигналы в приемно-исполнительное устройство 5.
Питание процессора 3 и блока 4 передачи данных осуществляется от первого блока 6 питания (путем подключения выходного напряжения первого блока 6 питания ко входам питания процессора 3 и блока 4 передачи данных).
Канал связи блока 4 передачи данных с приемно-исполнительным устройством 5 может быть как проводным, так и беспроводным. Тип канала связи не является определяющим для данного изобретения. Так, в стандартных системах охранно-пожарной и аварийной сигнализации, использующих вышеупомянутый датчик утечки "Н20-Контакт", канал связи является проводным.
В вышеупомянутых аналогах (патентные публикации US №2008/0100462, G08B 21/00 и US №2007/0000310, G01M 3/04) применена беспроводная, а именно - радиоканальная передача данных.
Сигналы из блока 4 передачи данных по каналу связи поступают в приемно-информационном устройстве 5 (фиг.2) на информационный вход приемника 7 (представляющего собой модем - при использовании проводной связи либо приемный радиомодуль - при использовании беспроводной связи). Приемник 7 осуществляет преобразование принятых сигналов, выделяя из них служебные и/или тревожные сообщения, и передает их на информационный вход контроллера 8. Контроллер 8 выделяет из указанных сообщений информацию, которую необходимо довести до пользователя системы, например, до владельца квартиры, в которой установлено устройство 1 обнаружения утечки, и/или до оператора диспетчерской коммунально-эксплуатационной службы.
Эта информация подается на информационный вход исполнительного блока 9 отображения и оповещения. В исполнительном блоке 9 отображения и оповещения (фиг.3) данная информация поступает на информационный вход блока 10 отображения, управляемого пользователем с помощью клавиатуры 11 управления, сигналы с первого выхода которой поступают на вход управления блока 10 отображения.
Кроме того, информация, которую необходимо довести до пользователя системы, поступает из контроллера 8 на информационный вход блока 12 светозвукового оповещения, который формирует сигналы тревожного светозвукового оповещения. Подача сигналов тревожного светозвукового оповещения позволяет привлечь внимание пользователя (то есть владельца квартиры и/или оператора диспетчерской коммунально-эксплуатационной службы) к возникшей тревожной ситуации и принять необходимые меры.
Питание приемника 7, контроллера 8 и исполнительного блока 9 отображения и оповещения осуществляется от второго блока 13 питания путем подачи выходного напряжения второго блока 13 питания на входы питания приемника 7, контроллера 8 и исполнительного блока 9 отображения и оповещения. При этом управление режимами работы второго блока 13 питания осуществляется пользователем с помощью клавиатуры 11 управления.
Главной отличительной особенностью рассматриваемой системы для обнаружения утечки текущих сред и тревожного оповещения (по сравнению с ближайшим аналогом) является введение в состав устройства 1 обнаружения утечки (фиг.1) инерциального блока 14 позиционирования, вход питания которого подключен к выходу первого блока 6 питания. Выход инерциального блока 14 позиционирования подключается при этом к специально введенному в процессор 3 второму информационному входу, предназначенному для ввода сигналов, формируемых инерциальным блоком 14 позиционирования. С учетом поступления в процессор 3 сигналов от инерциального блока 14 позиционирования изменено программное обеспечение процессора 3, чтобы была возможность осуществлять обработку указанных сигналов для обнаружения несанкционированного продольного перемещения и/или поворота устройства 1 обнаружения утечки относительно своих осей. В этих случаях процессор 3 формирует специальное служебное сообщение о возникновении нештатной ситуации, которое подается на информационный вход блока 4 передачи данных. В блоке 4 передачи данных осуществляется при этом светозвуковая (например, с помощью светодиода и бузера) индикация возникшей нештатной ситуации, а также происходят формирование и передача информации о возникновении нештатной ситуации в приемно-исполнительное устройство 5.
Принцип работы инерциального блока 14 позиционирования заключается в измерении акселерометром исходного параметра (ускорения) и интегрировании: одинарном - для определения скорости и двойном - для определения смещения устройства 1 обнаружения утечки. Ускорение измеряется по трем осям - с помощью трех ортогонально ориентированных акселерометров. Ориентирование измерительных осей акселерометров по заданным направлениям производится свободными или управляемыми (по сигналам от акселерометров) гироскопическими устройствами. В результате обеспечивается возможность обнаружения нештатной ситуации, то есть изменения геометрических параметров:
- несанкционированного продольного перемещения устройства 1 обнаружения утечки;
- несанкционированного поворота корпуса указанного устройства 1 обнаружения утечки вокруг любой из своих осей.
В отличие от стандартных инерциальных измерителей, используемых в инерциальной навигации ("Принципы инерциальной навигации", пер. с англ. под ред. В.А.Боднера, М., 1965), инерциальный блок 14 позиционирования не требует ввода начальных данных по координатам точки старта и предварительного ориентирования (выставления) осей гироскопов. Это существенно упрощает конструкцию инерциального блока 14 позиционирования.
В частности, в инерциальном блоке 14 позиционирования, реализованном на предприятии-заявителе, используются три измерителя ортогональной составляющей угловой скорости, которые представляют собой три ортогонально ориентированных гироскопических датчика типа ADXRS 300 (рекламная информация фирмы Analog Devices, Inc. на сайте www.analog.com).
Датчик ADXRS 300 действует по принципу гироскопического резонатора. Он содержит две многослойные кремниевые чувствительные пластины, каждая из которых находится в вибрирующей рамке, вводимой в состояние резонанса с помощью электростатического поля. Скорость резонансного движения пластин достаточно велика для появления при попытке поворота пластин вокруг осей, перпендикулярных их поверхностям, кориолисовой силы. На двух внешних границах каждой рамки перпендикулярно направлению вибрационных колебаний пластин расположены неподвижные штифты, между которыми находятся подвижные штифты. Штифты расположены относительно друг друга таким образом, что образуют конденсорную тензочувствительную структуру, реагирующую на кориолисово ускорение. Формируемый в такой конденсорной структуре сигнал пропускается через несколько каскадов электронной схемы (интегрирующих, усиливающих и демодулирующих). Таким путем формируется выходной сигнал инерциального блока 14 позиционирования, обрабатываемый далее в процессоре 3 (как это было рассмотрено выше). Указанный сигнал передается по каналу связи в приемно-исполнительное устройство 5 и служит предупреждением о том, что система для обнаружения утечки текущих сред и тревожного оповещения работает в нештатном режиме.
В ряде случаев, предусмотренных при программировании процессора 3, возможно продолжение контроля функционирования работы датчика 2 утечки, учитывающее возникновение нештатной ситуации. В этом случае процессор 3 формирует служебное сообщение, учитывающее изменение параметров устройства 1 обнаружения утечки, и передает его в приемно-исполнительное устройство 5 по каналу связи через блок 4 передачи данных. Если же после возникновения нештатной ситуации дальнейший контроль за датчиком 2 утечки становится невозможным, то в приемно-исполнительное устройство 5 поступает сообщение о снятии с контроля данного устройства 1 обнаружения утечки. Блок 4 передачи данных формирует при этом специальную световую и звуковую сигнализацию, которая должна быть сразу же обнаружена, например, владельцем квартиры. Меры по восстановлению работоспособности устройства 1 обнаружения утечки в рамках настоящего изобретения не рассматриваются, поскольку не относятся к его теме.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет решить поставленную задачу - создать удобную и надежную в эксплуатации систему для обнаружения утечки текущих сред (например, воды) в бытовых условиях.
Решение указанной задачи обеспечивается совокупностью новых и общих с ближайшим аналогом признаков, что позволяет классифицировать предлагаемое техническое решение как изобретение.