СПОСОБ И СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
METHOD AND MEANS OF MONITORING THE INTEGRITY OF ELECTRICAL RESISTANCE

В основу настоящего изобретения положена задача создания простого и надежного устройства для мгновенного обнаружения повреждения электрической изоляции погружных электрических сопротивлений для нагрева воды.
Соответственно, изобретение относится к водонагревательным элементам, более точно к водонагревателям с тепловым аккумулятором, но в целом к любому бытовому прибору, такому как посудомоечные и стиральные машины, в котором используются погружные нагревательные элементы, или также к водонагревателям для ванн также погружного типа.
В приборах такого рода используются в основном так называемые армированные электрические сопротивления. Они содержат резистивную электрическую нить накала, соосную металлической трубке (фактической армировке), от которой она отделена, при этом электрическая нить накала погружена в электроизолирующий и химически инертный порошок (обычно порошковую окись магния).
Во время введения порошка под действием силы тяжести между армировкой и электрической нитью накала, которые находятся в вертикальном положении, армировку подвергают вибрации, чтобы лучше уплотнить порошок.
Как известно из уровня техники, трубка, образующая армировку сопротивлении,я состоит из металлического материала, в качестве которого в прошлом часто использовались сплавы меди, а в настоящее время часто используется алюминий, нержавеющая сталь и сплавы титана, поскольку они менее подвержены электрохимической коррозии в металлических баках для хранения нагретой воды. После помещения между армировкой и электрической нитью накала порошковую окись магния уплотняют известными методами, например путем ударного действия или укатывания.
Затем герметизируют концы сопротивления путем пропитки изолирующего порошка применимыми герметизирующими смолами для предотвращения просачивания порошка и попадания влаги; после этого устанавливают разъем (например, разъем "faston") для соединения с соответствующим источником питания; наконец, сгибают и/или наматывают полученное прямолинейное сопротивление для придания ему желаемой, даже сложной конечной формы (такой, как U-образная, зигзагообразная, спиралевидная форма и т.д.).
В дальнейшем упомянутые выше погружные электронагревательные элементы с одним состоянием электрической изоляции для удобства описания будут обозначаться родовым термином "стандартное армированное сопротивление".
До настоящего времени стандартное армированное сопротивление изготавливалось с использованием стандартных материалов и технологий, что служило существенней гарантией надлежащей работы; тем не менее, ему присущи недостатки, наиболее серьезным из которых является возможность прокалывания армировки и изоляционного материала или в любом случае поглощения влаги порошковой окисью магния из-за дефектного нанесения герметика с риском последующего возникновения короткого замыкания между резистивной нитью накала и водой, в которую погружено сопротивление.
По существу, при нарушении армировки вода в баке может соприкасаться с резистивной нитью накала, в результате чего вода и все контактирующие с ней электропроводящие детали находятся под напряжением.
С другой стороны, с учетом производственного процесса не существует альтернатив порошку и приходится использовать материал, который с трудом поддается уплотнению, но также применим для прямого контакта с электрической нитью накала, температура которой в процессе эксплуатации достигает сотен градусов.
При условии соблюдения требований безопасности как к конструкции водонагревателя, так и к системе электропитания нарушение наружной армировки не должно создавать опасные ситуации для пользователя. По существу, все металлические детали водонагревателя, а также системы электропитания имеют заземление и дополнительно предусмотрена распределительная коробка.
Тем не менее, требования безопасности не всегда соблюдаются. Система электропитания может быть по неосмотрительности не снабжена заземлением или, как происходит в некоторых странах, не используется распределительная коробка.
Недостатки этого типа частично преодолеваются за счет снабжения погружных электрических сопротивлений двойным электроизоляционным слоем, который значительно снижает вероятность коротких замыканий.
В патентной заявке CN 201298931 Y описан один из примеров электрического сопротивления этого типа с двойной электрической изоляцией, которое представляет собой типичное стандартное армированное сопротивление, дополнительно снабженное вторым изолирующим слоем окиси магния и наружной металлической трубкой, в которой оно помещается.
Второй слой также в любом случае подвержен риску попадания влаги из-за дефектов герметизации смолой.
В упомянутой патентной заявке CN 201298931 Y не предложены средства проверки нормальной работы электрического сопротивления, т.е. контроля состояния их износа и предотвращения рисков для пользователя в случае прокалывания и возникновения короткого замыкания между резистивным элементом и водой в баке.
В патенте JP 7208805, который также относится к армированному сопротивлению, снабженному множеством изолирующих слоев, описано средство проверки их целостности. Предложено устройство, которое измеряет электрическое сопротивление находящейся снаружи армировки внутренней резистивной нити накала.
Тем не менее, такие измерения могут выполняться только при отсоединении резистивной нити накала от сети электроснабжения; для этого требуются средства отсоединения электрического сопротивления от источника питания и, соответственно, такой контроль неизбежно может осуществляться не непрерывно, а с интервалами. Как указано в патенте, интервалы составляют 24 часа. Каждый раз определяется разность между измеренным значением и хранимым значением сопротивления; резистор считается поврежденным, если такая разность превышает заданный порог. Соответственно, описанный способ способен сигнализировать о медленном ухудшении изоляционной способности, но не способен защищать от неожиданных повреждений; кроме того, процедура измерений является более сложной, чем это допустимо для устройства защиты, простота которого является одной из лучших гарантий надежности.
Как и в патенте JP 7208805, в заявке DE 19940988 предложен способ контроля целостности одного или нескольких изолирующих слоев электрического сопротивления в обязательном порядке после отсоединения обоих его выводов от электрической сети.
В заявке DE 199409855, в которой описана система, также применимая в сопротивлениях с одинарной изоляцией, измеряется удельное сопротивление электрической нити накала; также предложено отключение выводов сопротивления от электрической сети с помощью контрольных диверторов и их подключение к прибору для измерения удельного сопротивления резистора: если оно является слишком высоким, это значит, что сопротивление прервано, а если оно является слишком низким, в изолирующем слое возникло короткое замыкание. Разумеется, важно иметь возможность обнаруживать наличие коротких замыканий; с другой стороны, обнаружение разъединения сопротивления несущественно, поскольку это не связано с опасными ситуациями; кроме того, показателем такого повреждения сопротивления, разумеется, уже является прекращение нагрева.
Соответственно, такие способы не способны обеспечивать непрерывный мониторинг, требующий периодического выключения электрического сопротивления; кроме того, для них требуются дорогостоящие дополнительные устройства, такие как контрольные диверторы и измерительная аппаратура для проверки целостности изолирующего слоя; наконец, они специально рассчитаны на сопротивления с одинарной изоляцией.
В дальнейшем электрические погружные нагревательные элементы с двумя или более концентрическими изолирующими слоями, каждый из которых в направлении изнутри наружу заключен в соответствующую металлическую оболочку, будут обозначаться родовым термином "сопротивление с многослойной изоляцией". Разумеется, что в большинстве случаев на практике такие сопротивления с многослойной изоляцией представляют собой просто сопротивления с двухслойной изоляцией.
Хотя такие сопротивления с многослойной изоляцией являются более совершенными с точки зрения безопасности, известно, что средства и способы мониторинга их целостности еще неудовлетворительны.
Задачей изобретения является по меньшей мере частично преодоление таких недостатков за счет использования устройств и способов непрерывного мониторинга, в которых при ухудшении характеристик одного или нескольких слоев электрической изоляции сопротивления с многослойной изоляцией предусмотрена немедленная передача сигнала, используемого с целью оповещения пользователя и/или автоматического отсоединения сопротивления от электрической сети. Одной из дополнительных задач по меньшей мере некоторых из вариантов осуществления изобретения является использование для отсоединения от электрической сети устройств, уже присутствующих или используемых для контроля сопротивления с многослойной изоляцией.
Одной из дополнительных задач по меньшей мере предпочтительных вариантов осуществления изобретения является решение упомянутых задач также при отсутствии питания от электрической сети или при выключенном электрическом сопротивлении.
Решение этих и других задач, которые станут ясны далее, достигается за счет устройства согласно изобретению, признаки которого станут ясны из следующего далее описания предпочтительных вариантов осуществления и которое охарактеризовано в формуле изобретения и в качестве неограничивающего примера проиллюстрировано на прилагаемых чертежах, на которых:
на фиг. 1 схематически показано сопротивление с двухслойной изоляцией и цепь аварийной сигнализации при ухудшении характеристик электрической изоляции наружного изолирующего слоя,
на фиг. 2 схематически показано сопротивление с двухслойной изоляцией и цепь аварийной сигнализации и размыкания при ухудшении характеристик электрической изоляции наружного изолирующего слоя согласно первому варианту осуществления,
на фиг. 3 схематически показано сопротивление с двухслойной изоляцией и цепь аварийной сигнализации и размыкания при ухудшении характеристик электрической изоляции наружного изолирующего слоя согласно второму варианту осуществления,
на фиг. 4 схематически показано сопротивление с двухслойной изоляцией и цепь аварийной сигнализации и размыкания при ухудшении характеристик электрической изоляции наружного изолирующего слоя согласно третьему варианту осуществления.
Далее описаны признаки изобретения с использованием позиций, указанных на чертежах.
Позицией 10 на всех чертежах обозначено описанное в изобретении сопротивление с двухслойной изоляцией или обобщено сопротивление 10 с многослойной изоляцией.
В различных вариантах осуществления буквой С обозначено устройство для контроля целостности наружного изолирующего слоя сопротивления 10 с двухслойной изоляцией.
Позицией 22 обозначен генератор тока низкого напряжения, состоящий из аккумулятора, заряжаемого от источника питания, или предпочтительно из простой батареи с учетом ее очень низкой стоимости и срока службы в незамкнутых цепях, исчисляемого годами. Недостатком источника питания с прямым питанием от электрической сети является по меньшей мере то, что он не действует при отсутствии электроэнергии, поступающей из электрической сети. Тем не менее, в качестве генератора 22 тока низкого напряжения также может использоваться обычный трансформатор, способный преобразовывать напряжение тока, поступающего из электрической сети.
Позицией 21 обозначен моностабильный кнопочный электрический переключатель, способный замыкать электрическую цепь только в нажатом положении (именуемый далее контрольным переключателем 21).
Позицией 23, которой обозначен символ, используемый для светоизлучающего диода (СИД), указан акустический или визуальный сигнализатор (далее сигнализатор 23), то есть сигнализационное устройство, такое как зуммер или СИД, способный излучать звуковые или световые сигналы, воспринимаемые пользователем.
Позицией 24 обозначены возможные резисторы для калибровки перепада тока и напряжения, допустимого на выводах сигнализаторов 23 (далее калибровочные резисторы 24) в электрических цепях 20.а, 20.b, 20.с, 20.d, проиллюстрированных далее.
Буквами А и В обозначены точки подсоединения электрических цепей 20.а, 20.b, 20.с, 20.d соответственно к наружной оболочке 11 и внутренней 12 оболочке сопротивления 10 с двухслойной изоляцией.
Как показано на фиг. 1, генератор 22 тока создает разность напряжений между наружной оболочкой 11 и внутренней 12 оболочкой, но, поскольку они электрически изолированы друг от друга наружным изоляционный слоем 13, это не создает циркуляцию тока.
Напряжение и мощность генератора 22 тока достаточны для срабатывания сигнализатора 23 и остальных средств, которые описаны далее, что происходит только в случае ухудшения изоляционной способности наружного изоляционного слоя 13, достаточной для прохождения тока Ice короткого замыкания, необходимого для такого срабатывания.
Известно, что, поскольку сигнализаторы 23 этого типа срабатывают при напряжении 2-3 вольта, значительно меньшем, чем опасное напряжение, напряжение, подаваемое генератором 22 тока, может находиться в таком интервале.
Поскольку посредством цепи 20.а, показанной на фиг. 1, все элементы которой обозначены, на точки А и В подсоединения постоянно подается напряжение, обеспечивается непрерывный мониторинг состояния наружного изоляционного слоя 13, и, как только величина его сопротивления падает вследствие потери изоляционной способности, в цепи 20.а генерируется ток Ice короткого замыкания, после чего сигнализатор 23 подает сигнал опасности, воспринимаемый пользователем.
Тем не менее, следует периодически проверять состояние зарядки аккумулятора или батареи 22 или в любом случае проверять работоспособность генератора 22 тока и/или целостность по меньшей мере цепи 20.а. Для этого используется контрольный переключатель 21, который в нажатом положении позволяет срабатывать сигнализатору 23 при условии работоспособности генератора 22 тока и исправности цепи 20.а. Такое же устройство может использоваться в цепях 20.b, 20.с, 20.d, которые будут описаны.
Соответственно, сигнализатор 23 выполняет двойную функцию в цепи 20.а:
основную функцию, т.е. сигнализации о состоянии наружного изоляционного слоя 13,
вспомогательную функцию, т.е. сигнализации о состоянии зарядки аккумулятора или батареи 22 и целостности цепи 20.а.
Известно, что в большинстве водонагревательных термостатов имеется устройство тепловой защиты, снабженное термочувствительным элементом, преимущественно состоящим из бистабильных биметаллических дисков, который при нагреве до температур, превышающих определенный порог и указывающих на неисправность терморегулятора, срабатывает, изгибаясь в обратную сторону, и тем самым необратимо размыкает оба электрических контакта, соединяющих электронагревательный элемент с электрической сетью.
Реже, но используются устройства тепловой защиты других типов (например, с плавкими термочувствительными элементами), действие которых основано на других принципах, но которые срабатывают, когда температура термочувствительных элементов превышает заданную величину. Общим свойством таких устройств тепловой защиты является то, что термочувствительные элементы также служат исполнительными механизмами, то есть являются их механической модификацией и срабатывают при колебании температуры, что вызывает размыкание контактов электрического сопротивления. Такие устройства тепловой защиты именуются далее электромеханическими устройствами тепловой защиты.
Когда сопротивление 10 с двухслойной изоляцией, которое служит бытовым прибором, таким как водонагреватель и т.п., снабжено устройством тепловой защиты такого типа, может выгодно использоваться проиллюстрированный на фиг. 2 вариант осуществления изобретения, в котором цепь 20.b содержит все элементы, уже описанные при рассмотрении цепи 20.а, и дополнительно один или несколько резисторов R с низкой мощностью (предпочтительно 2-6 ватта).
Поскольку такие резисторы R расположены в непосредственной близости от термочувствительных элементов электромеханического устройства тепловой защиты (не показанного), в случае замыкания цепи 20.b вследствие потери изоляционной способности наружным изоляционным слоем 13 циркулирующего тока Ice короткого замыкания достаточно для нагрева таких термочувствительных элементов вплоть до срабатывания устройства тепловой защиты. С учетом очень малой требуемой электрической мощности такие резисторы R могут иметь очень небольшие размеры и могут легко размещаться снаружи или внутри контейнера с термочувствительными элементами.
Иными словами, в этом варианте осуществления изобретения токовый сигнал, отображающий ухудшение характеристик электрической изоляции, преобразуется в температурный сигнал, чтобы в случае отказа вызвать срабатывание устройства защиты, которым в любом случае оснащен водонагреватель, но которое рассчитано на защиту от перегрева, а не от нарушений электрической изоляции. Цепь 20.b отличается от цепи 20.а тем, что дополнительно содержит резисторы R, включенные последовательно с сигнализатором 23, который, как и в случае цепи 20.а, может выполнять двойную функцию сигнализатора состояния изоляционного слоя 13 и зарядки генератора 22.
Тем не менее, предпочтительным является проиллюстрированный на фиг. 2 вариант осуществления, в котором предусмотрен дополнительный сигнализатор 23 в цепи, включенной параллельно цепи резисторов R и последовательно с контрольным переключателем 21.
Если бы резисторы R были включены последовательно с переключателем 21, в особенности, если бы его кнопка нажималась с небольшой задержкой, при использовании контрольного переключателя 21 для проверки состояния зарядки батареи 22 резисторы R могли бы нагреваться до такой степени, что это вызывало бы срабатывание устройства тепловой защиты и требовалось бы вмешательство службы технической поддержки для переналадки.
Напротив, поскольку цепь 20.b снабжена активной защитой, сигнализатор 23 в ней является лишь предпочтительным, но не существенным для фундаментальных задач изобретения. Аналогичным образом, такой сигнализатор 23 не является существенным для цепей 20.с и 20.d.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 3, предложен электронный термостат Т, снабженный неэлектромеханическим устройством тепловой защиты. По существу, в термостатах такого типа устройство тепловой защиты (далее электронное устройство тепловой защиты) часто срабатывает в ответ на сигнал датчика температуры, погруженного в проверяемую горячую воду.
Цепь 20.с снабжена оптическим изолятором 26, посредством которого сигнал тока Ice короткого замыкания, который генерируется в начале ухудшения изоляционной способности, передается электронному термостату Т с электронным устройством тепловой защиты. СИД оптического изолятора 26 предпочтительно приводится в действие непосредственно током Ice короткого замыкания, циркулирующим в цепи 20.с. Фотоэлемент оптического изолятора 26 подсоединен к контактам, уже обычно имеющимся в таких электронных термостатах Т. За счет этого термостату Т передается сигнал, который имеет такой же эффект, как и датчик температуры, т.е. вызывает срабатывание электронного устройства тепловой защиты. Если ток Ice короткого замыкания проходит непосредственно через СИД оптического изолятора 26, может потребоваться последовательно включить калибровочный резистор 24.
Оптический изолятор 26 может быть заменен любыми другими передающими средствами, приводимыми в действие током Ice короткого замыкания и совместимыми с электронным термостатом Т.
Разумеется, что электронное устройство тепловой защиты может приводиться в действие только при наличии напряжения электрической сети, но это является безусловным ограничением электронных устройств тепловой защиты, а не изобретения (сопротивление не действует при отсутствии напряжения электрической сети).
В любом случае СИД оптического изолятора 26 продолжает светиться, пока сохраняется зарядка генератора 22 тока, то есть ориентировочно несколько месяцев, и, соответственно, электронное устройство тепловой защиты может приводиться в действие, как только восстанавливается напряжения электрической сети.
Как показано, такая цепь также может быть снабжена сигнализатором 23, который может выполнять двойную функцию сигнализации о состоянии наружного изоляционного слоя 3 и состоянии зарядки аккумулятора или батареи 22. Как уже отмечалось, такой сигнализатор также действует при отсутствии питания от электрической сети.
В некоторых случаях применения сопротивлений 10 с двухслойной изоляцией электромеханическое или электронное устройство тепловой защиты не требуется, например, когда сопротивления используются для нагрева воды в открытых контейнерах (такого, как, например, непосредственный нагрев воды в ваннах).
На фиг. 4 показана цепь 20.d устройства для отсоединения сопротивления 10 с двухслойной изоляцией без использования ранее существовавших электромеханических или электронных устройств тепловой защиты.
Также показан возможный термостат 40, снабженный двойным защитным переключателем 41 и одинарным регулятором 42, но лишь с целью подчеркнуть, что они не относятся к изобретению.
Помимо уже описанного генератора 22 тока, контрольного переключателя 21 и сигнализатора 23 с уже упомянутой двойной функцией индикации состояния изоляционного слоя 13 и зарядки аккумулятора или батареи 22, цепь 20.d снабжена двухпозиционным реле 30 с первой и второй катушками 31 и 32, которые размыкают/замыкают переключатель 33.
Сначала изготовитель устройства замыкает переключатель 33 путем нажатия на кнопку 34 перезапуска, которая приводит в действие первую катушку 31; такая кнопка 34 перезапуска предпочтительно недоступна для пользователя и в контексте изобретения может считаться частью двухпозиционного реле 30.
Осуществляется нормальная эксплуатация сопротивления 10 с двухслойной изоляцией под управлением необязательного термостата 40 независимо от его типа.
В случае ухудшения изоляционной способности сопротивления наружного изоляционного слоя 13 по цепи [А - В - 32 - 22 - 24 - 23 - А] циркулирует ток и приводится в действие катушка 32, которая размыкает переключатель 33.
Хотя для наглядности на чертежах показано двухпозиционное реле 30, которое размыкает только один из полюсов, подсоединенных к сопротивлению 10 с двухслойной изоляцией, ясно, что с помощью двухпозиционного реле 30 и/или двух двухпозиционных реле могут размыкаться оба полюса, как это требуется в случае устройства тепловой защиты.
Также для наглядности показано, что все контакты переключателя разомкнуты, хотя их действительное состояние ясно из описания.
Подводя итог описанию сопротивления 10 с двухслойной изоляцией согласно настоящему изобретению, путем постоянного обеспечения разности напряжений между наружной оболочкой 11 и внутренней оболочкой 12 сопротивления 10 может генерироваться электрический сигнал Ice, отображающий ухудшение характеристик сопротивления наружного изоляционного слоя 13 такого сопротивления 10 с двухслойной изоляцией, как только происходит такое ухудшение.
По существу, как только происходит ухудшение характеристик, с помощью указанных средств генерируется ток Ice короткого замыкания, способный приводить в действие средства, применимые для прямого или опосредованного отсоединения сопротивления 10 с двухслойной изоляцией от источника питания, при этом
средствами опосредованного отсоединения являются сигнализаторы 23, которые вызывают вмешательство пользователя,
средствами прямого отсоединения являются резисторы R или оптические изоляторы 26 или двухпозиционные реле 30 или их эквиваленты, которые отсоединяют сопротивление 10 с двухслойной изоляцией от электрической сети,
возможно, но не необходимо, одновременное присутствие как средств 23 прямого, так средств R, 26, 30 опосредованного отсоединения, при этом каждое из них само по себе способно восстанавливать условия безопасности.
Генератор 22 тока предпочтительно представляет собой батарею, поскольку она является простым устройством, не зависящим от напряжения электрической сети. Кроме того, зарядка таких батарей сохраняется в течение нескольких лет, если они не используются.
Тем не менее, как сказано выше, в качестве генератора 22 тока также может использоваться обычный низковольтный трансформатор, который понижает напряжение тока, поступающего из электрической сети.
Хотя описанные сигнализаторы 23 срабатывают при напряжении всего 2-3 вольта, в генераторах 22 тока предпочтительно используются 3-24-вольтные батареи, которые способны обеспечивать емкость заряда для поддержания работоспособности сигнализаторов 23 (СИД или зуммеров) в течение около месяца, чтобы оповещать пользователя после его возвращения после длительного отсутствия.
С целью обеспечения совместимости генераторов 22 тока с сигнализаторами 23 в цепях 20.a, 20.b, 20.с, 20.d могут применяться калибровочные резисторы 24.
Специалисту в данной области техники ясно, что электрической мощности, генерируемой генератором 22 тока, достаточно для приведения в действие возможного электромеханического или электронного устройства тепловой защиты или двухпозиционного реле 30 или катушки 31. Возможны другие варианты осуществления, не выходящие за пределы объема его охраны. Хотя изобретение описано со ссылкой на сопротивление 10 с двухслойной изоляцией, его идеи могут распространяться на сопротивления 10 с многослойной изоляцией, содержащие более двух изолирующих слоев, когда наружный изоляционный слой 13 заключен между наружной оболочкой 11 и следующей второй оболочкой 12, а внутренний изоляционный слой 14 заключен между резистивной нитью 15 накала и внутренней оболочкой 12. Разумеется, что у показанного сопротивления 10 с двухслойной изоляцией вторая оболочка 12 является внутренней оболочкой 12.
Каждый из изолирующих слоев, заключенных между двумя соседними оболочками 11 и 12, может по отдельности контролироваться соответствующим контрольным устройством С или множество соседних слоев, ограниченных своими наружными оболочками 11 и внутренними оболочками 12, могут совместно контролироваться одним контрольным устройством С, которое в этом случае сигнализирует об отклонении только при ухудшении характеристик всех изолирующих слоев.
Изобретение обладает явными преимуществами с точки зрения надежности и простоты изготовления.
Одним из дополнительных преимуществ является то, что возможны средства отсоединения от электрической сети сопротивления 10 с многослойной изоляцией с использованием любых существующих устройств тепловой защиты.
Еще одним дополнительным преимуществом является то, что проверка состояния устройства обеспечивается путем нажатия на контрольный переключатель 21, который имитирует аномальное состояние и приводит в действие сигнализатор 23.