Устройство и способ оповещения о появлении токопроводящей жидкости с определением места разлива
APPARATUS AND METHOD FOR ALERTING OF THE APPEARANCE OF A CONDUCTIVE LIQUID WITH LOCATION OF THE SPILL SITE

Устройство и способ оповещения о протечке токопроводящей жидкости с определением места разлива посредством использования сенсорного кабеля.
Область техники.
Группа изобретений относится к средствам оповещения о появлении токопроводящей жидкости, в том числе воды, для определения протечек различных гидравлических систем, в частности у наземных или воздушных транспортных средств, инженерных сооружений и помещений, а также вблизи прилегающих протяженных или имеющих значительную площадь зонах, критичных к наличию таких жидкостей.
Уровень техники.
В случаях, требующих определения факта появления токопроводящей жидкости и места контакта с сенсорным элементом, используются системы с множеством точечных датчиков (RU00082058), либо сегментированный кабель с отдельными измерителями на каждом участке (RU0002543942, KR101006710). К недостаткам известных конструкций относятся: высокая стоимость реализации за счет множества измерительных преобразователей либо за счет кабеля сложной конструкции.
Известно решение, предложенное патентом KR102086975, в котором для охвата значительной площади предлагается использование сенсорного кабеля, состоящего из двух изолированных и двух неизолированных проводников относительно простой конструкции. Достоинством предложенного решения является контроль целостности сенсорного кабеля.
Недостатками предложенной конструкции является отсутствие возможности определения места контакта сенсорного кабеля с проводящей жидкостью, а также, за счет постоянного подключения сенсорного кабеля к источнику тока, - ускоренная электрохимическая коррозия неизолированных проводников.
Раскрытие сущности изобретения.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности определения наличия токопроводящей жидкости в местах, критичных к ее наличию.
Дополнительными техническими результатами заявленного изобретения являются:
- повышение надежности и целостности сенсорного элемента в период функционирования устройства за счет минимизации электрохимической коррозии неизолированных проводников.
Для устранения недостатков известных технических решений и получения вышеуказанного технического результата предложены устройство и способ оповещения о появлении токопроводящей жидкости.
Устройство оповещения представлено в виде блок-схем на фиг.1-3. На фиг.1 представлена конструкция сенсорного кабеля и измерительного модуля. На фиг.2 представлена функциональная схема измерительного модуля. На фиг.3 приведены схемы включения кабеля, формируемые путем управления ключами.
Устройство оповещения содержит:
- сенсорный кабель, состоящий из двух изолированных (111,112) и двух неизолированных (121,122) проводников;
- измерительный блок, содержащий:
- микроконтроллер (224);
- ключи (211,212,213,214), управляемые сигналами от микроконтроллера (224),
- преобразователи ток-напряжение (221,222);
- аналого-цифровой преобразователь (223);
- графическое устройство отображения (225);
- формирователь интерфейса типа 485 (226);
- радиомодуль связи (227);
- реле сигнализации о наличии токопроводящей жидкости (228);
- реле сигнализации (229) о неисправности сенсорного кабеля.
Сенсорный кабель содержит четыре проводника, которые конструктивно объединены в единый протяженный элемент. Сенсорный кабель  соединен с измерительным блоком, в котором к выходам микроконтроллера (224) подсоединены ключи (211,212,213,214), графическое устройство отображения (225), формирователь интерфейса типа 485 (226), радиомодуль связи (227), реле сигнализации о наличии токопроводящей жидкости (228), реле сигнализации о неисправности сенсорного кабеля (229), а к входу микроконтроллера (224) присоединен выход аналого-цифрового преобразователя (223), к входу которого присоединены преобразователи ток-напряжение (221,222), на которые поступает напряжение от источника питания через ключи (211,212), выходы преобразователей ток-напряжение (221,222) соединены с входами изолированных проводников  (111,112), а выходы неизолированных проводников соединены с ключами (213,214) соответственно.
Кроме того, возможны дополнительные варианты осуществления изобретения, , а именно:
- графический индикатор может быть выполнен с отображением текущего состояния в виде пиктограмм, а также графического и числового значения до места контакта с жидкостью;
- с дополнительным аналоговым или цифровым выходом для передачи дистанции до точки контакта с жидкостью;
- радиомодуль может быть дополнен радиоинтерфейсом или транспондером для передачи данных о затоплении или неисправности по радиоканалу в центр управления объектом;
- измерительная часть устройства может быть выполнена гальванически развязанной от других частей схемы.
Кроме того, устройство выполнено с возможностью определения дистанции до места контакта сенсорного кабеля с токопроводящей жидкостью, определения неисправности сенсорного кабеля и передачи данных о появлении токопроводящей жидкости или неисправности сенсорного кабеля по радиоканалу.
Представлен также способ оповещения о появлении токопроводящей жидкости.
Способ заключается в том, что в период ожидания разлива жидкости с заданной периодичностью определяют состояние сенсорного кабеля, наличие при его исправности токопроводящей жидкости, дистанцию от начала кабеля до места контакта с жидкостью. Для определения исправности сенсорного кабеля подключают неизолированные проводники (121,122) к питанию, производят измерение тока, возникающего при их подключении, сравнивают измеренные значения с записанными в микроконтроллер при установке системы, при отклонении их более чем на 20 % выдают сигнал о неисправности сенсорного кабеля и необходимости внепланового обслуживания. При исправности сенсорного кабеля определяют наличие токопроводящей жидкости, при появлении которой возникает ток утечки, который преобразуют в напряжение, величину которого сравнивают с заданным пороговым значением и при его превышении выдают сигнал о затоплении. При появлении тока утечки больше пороговой величины приступают к определению дистанции до места контакта с токопроводящей жидкостью, для чего подают напряжение на один из неизолированых проводников (121,122) и считывают наведенное напряжение на втором проводнике, определяют дистанцию по формуле:
V
V
S
CC
S = L * /
где Vcc - напряжение питания схемы
Vs   - напряжение, измеренное на проводнике (122)
L     - общая длина сенсорного кабеля
S     - дистанция от начала кабеля до места контакта с жидкостью.
Вычисленное значение выводят на устройство отображения.
Предлагаемые технические решения основаны на использовании единственного контроллера для сенсорного кабеля длиной до 300 м, при этом обеспечивается определение дистанции до места контакта с токопроводящей жидкостью.
Конструкция контроллера содержит ключи (211, 212, 213, 214) в цепях питания, которые коммутируются по командам микропроцессора по заложенному алгоритму таким образом, что в разные отрезки времени формируются различные схемы включения сенсорного кабеля.
При этом собственно измерения составляют малую часть времени. Основное время сенсорный кабель отключен от источника питания, что минимизирует явление электрохимической коррозии неизолированных проводников.
Возможны варианты конструкции сенсорного кабеля. Сенсорный кабель выполнен в виде плоского или витого кабеля, включающего в себя четыре проводника, два из которых изолированные (111, 112), два других (121, 122) выполнены из коррозионностойкого сплава и не имеют изоляции. Все четыре проводника конструктивно объединяются в единый протяженный элемент, таким образом, чтобы неизолированные проводники (121, 122) не контактировали друг с другом непосредственно. Например, по варианту A представленному на Фиг. 1 проводники закрепляются на текстильной или пластиковой ленте 131 по всей длине.
Пример реализации B, представленный на Фиг.1, предполагает скручивание всех четырех проводников вдоль оси таким образом, что неизолированные проводники (121, 122) располагаются в противоположных канавках, образованных изоляцией проводников 111, 112. На дальнем конце кабеля изолированные и неизолированные проводники соединяются между собой парами - 111 и 121, 112 и 122. Проводники ближнего конца кабеля подключаются к измерительному модулю непосредственно.
Схемы включения кабеля, представленные на фиг.3 состоят в следующем.
Ключи (211-214) коммутируют выводы кабеля по сигналам от микроконтроллера на различные интервалы времени и формируют различные схемы включения:
- Схема А — все ключи разомкнуты, в этом состоянии схема находится 1 - 30 сек.
- Схема В — попеременно или одновременно подключаются проводники 121 и 122. Посредством сравнения тока через них со значением в памяти микроконтроллера происходит проверка целостности каждого проводника.
- Схема С — попеременно включаются ключи по приведенной схеме и измеряется ток между проводниками 121 и 122 проходящий через жидкость 321, контактирующую с сенсорным кабелем.
- Схема D – определение расстояния до места контакта с проводящей жидкостью.
Конструкция устройства может быть выполнена в виде изделия в корпусе, предназначенного для крепления на поверхности, или на монтажной рейке DIN 35мм.
Функциональные блоки по фиг. 2 реализуются на одной или нескольких печатных платах, закрепляемых в корпусе изделия. Для подключения к источнику питания, к исполнительным устройствам, к сенсорному кабелю используются клеммы многоразового использования.
Электропитание электронных компонентов осуществляется от источника постоянного тока напряжением 3 - 5В. Ключи (211, 212, 213, 214) выполняются с использованием полевых транзисторов, управляемых по линиям от микроконтроллера 224. Преобразователи "ток-напряжение" выполняются путем измерения падения напряжения на шунте сопротивлением 0,2 - 2 Ом и подачи напряжения на вход аналогово-цифрового преобразователя 223.
Реализация функций устройства осуществляется циклически по алгоритму, заложенному в микроконтроллер путем программирования при производстве. Исходное состояние ключей (211, 212, 213, 214) показано на фиг. 3.
Схема A. Все ключи разомкнуты. Ток через проводники (121, 122) сенсорного кабеля не протекает. Время нахождения в данном состоянии - 1 - 30 сек. Увеличение времени данного состояния снижает энергопотребление, уменьшение - уменьшает задержку срабатывания при наличии токопроводящей жидкости при протечке. Определяется настройками.
Далее включается схема B на фиг. 3. В данном включении считывается значение с выходов преобразователей "ток-напряжение" (221, 222) через аналого-цифровой преобразователь 223 и заносится в память микроконтроллера 224.  Считанные значения сравниваются со значениями, записанными в энергонезависимую память микроконтроллера при пуско-наладочных работах.
В случае отклонения считанных значений от записанных ранее на величину более 20% состояние сенсорного кабеля определяется как "неисправен", по сигналу от микроконтроллера 224 включается реле 229 для сигнализации состояния неисправности сенсорного кабеля.
Если проверка по схеме B пройдена, включается схема C фиг. 3. При этом проводник 121 сенсорного кабеля подключается к питанию Vcc, а проводник 122 сенсорного кабеля подключается к общему проводнику. При наличии проводящей жидкости 321, контактирующей с проводниками сенсорного кабеля, происходит утечка тока, величина которой преобразуется модулем 221 и в виде напряжения пропорционального току утечки передается на аналого-цифровой преобразователь 223 для дальнейшего сравнения с пороговым значением в микроконтроллере 224. Если величина утечки больше порогового значения, записанного в энергонезависимую память микроконтроллера при пуско-наладке, подается сигнал на реле 228 для сигнализации состояния "наличие токопроводящей жидкости".
Если при включении схемы C выявлена утечка тока больше пороговой величины включается схема D фиг. 3. При этом проводник 121 подключается одним концом к Vcc, а другим к общему проводу. В месте контакта токопроводящей жидкости 321 на проводнике 122 наводится напряжение пропорциональное дистанции от начала кабеля S. Наведенное напряжение 312 поступает на аналого-цифровой преобразователь 223, и после преобразования считывается микроконтроллером 224, в котором происходит вычисление дистанции до контакта с токопроводящей жидкостью в метрах. Вычисленное значение выводится на устройство отображения 225. По окончании цикла осуществляется переход к схеме A. Измеренные величины утечки и дистанции до места появления токопроводящей жидкости при протечке сохраняются в памяти микроконтроллера до следующего цикла измерения и могут быть дистанционно считаны по интерфейсу типа 485 через преобразователь интерфейса 226.
Дополнительно в контроллер может быть установлен модуль радиосвязи 227 для передачи сигнала "наличие токопроводящей жидкости" посредством радиоканала. Сенсорный кабель в зависимости от задачи может быть расположен различными способами:
- крепление на трубопроводах для контроля нарушения их герметичности;
- укладка змейкой или концентрическими кругами под фальшполом, что позволяет контролировать значительные площади скрытых от просмотра пространств;
- укладка вдоль плинтусов стен или шкафов оборудования;
- другими способами для контроля наиболее вероятных путей распространения жидкостей.
Конструкция сенсорного кабеля может быть реализована по различным схемам в зависимости от особенностей применения, например, в виде плоского шлейфа, витого кабеля или тонкопленочного элемента.
Существенным преимуществом предлагаемой группы изобретений является надежный контроль целостности сенсорного элемента в период ожидания разлива жидкости за счет периодического измерения сопротивления сенсорных проводников 121 и 122 и сравнения измеренных величин с записанными в контроллер при установке системы. Отклонение этих величин более, чем на 20% считается неисправностью и сигнализируется подачей сигнала через «сухой контакт» вышестоящим системам для инициирования внепланового обслуживания.