СХЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И РЕГИСТРАЦИИ СОСТОЯНИЯ УСТРОЙСТВ И УСТАНОВОК ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
SCHEMATIC DEVICE FOR CONTROL AND REGISTRATION OF STATUS OF DEVICES AND PROTECTION UNITS FROM OVERLOADS

Область техники
Изобретение относится к схемному устройству для контроля и регистрации состояния устройств и установок защиты от перенапряжения посредством контроля импульсного электрического тока, включающему в себя по меньшей мере один пассивный транспондер радиочастотной идентификации с электропитанием посредством индуктивной связи, причем в случае наступления события устройства защиты от перенапряжений или установки защиты от перенапряжения производится воздействие на антенный контур транспондера радиочастотной идентификации, в частности, он прерывается, замыкается накоротко или расстраивается, чтобы идентифицировать мешающие процессы, согласно патентному пункту 1.
Уровень техники
Из патентного документа WO 2011/058318 А1 известно устройство датчика, предназначенного для регистрации быстрых переходных токовых нагрузок в устройствах защиты от перенапряжений и записи количества импульсов тока в память вычислительного устройства. Исходя из количества зарегистрированных импульсов производится анализ состояния устройства защиты от перенапряжений.
В измерительном устройстве по патентному документу DE 102008016585 А1 изменение напряжения в устройстве защиты от перенапряжений регистрируется и оценивается посредством устройства диагностирования. По характеристикам изменения напряжения, таким как амплитуда, крутизна, диапазон значений напряжения и время, классифицируется функциональное состояние защитного устройства. Если характеристики не соответствуют предварительно заданным критериям, защитное устройство признается непригодным к эксплуатации.
Повторение проверки технического состояния через заданные интервалы показано в патентном документе DE 102008016589 А1. Непригодный к эксплуатации элемент защиты деактивируют, и происходит переключение на заменяющий его элемент. Посредством индикаторного устройства или датчика-извещателя сигнализируют о состоянии неисправности.
В патентном документе DE 102008025501 А1 раскрыто индикаторное устройство, выполненное в виде предохранителя, который включен в отводящую цепь устройства защиты от перенапряжений. При срабатывании предохранителя ветвь цепи отсоединяется, причем параллельно включенная вторая ветвь остается функционирующей.
Для учета ударных токов в проводниках и устройствах защиты от перенапряжений ранее известно решение согласно патентному документу DE 3823389 С1, в котором созданное ударным током электромагнитное поле изменяет данные, которые записаны на намагничиваем носителе информации, в частности стирает их. Тогда исходя из данных, остающихся на носителе информации, косвенно устанавливается интенсивность события электрического тока.
Патентный документ DE 102004006987 В3 раскрывает устройство для контроля и регистрации технического состояния устройств защиты от перенапряжений, в частности, при их использовании в сетях низкого напряжения или в информационной технике.
Согласно этому решению в одном корпусе с устройством защиты от перенапряжений конструктивно объединен имеющийся блок диагностики неисправностей, причем данные блока диагностики неисправностей считываются и запрашиваются посредством находящегося в корпусе транспондера радиочастотной идентификации.
В этом решении транспондер, который представляет собой собственно носитель информации системы радиочастотной идентификации, состоит, как правило, из связующего элемента и интегральной микросхемы. При этом, являясь пассивным транспондером, он не имеет никакого собственного энергоснабжения. Вся энергия для работы пассивного транспондера получается от электрического или электромагнитного поля считывающего устройства. При исполнении транспондера радиочастотной идентификации в виде пассивного транспондера с электропитанием посредством индуктивной связи, а также со схемой идентификации, имеющей функцию памяти, которая содержит специфические сведения для производства и применения, контрольные данные и основные параметры, в случае неисправности согласно патентному документу DE 102004006987 В3 устройства защиты от перенапряжений блок обнаружения неисправностей инициирует замыкание накоротко антенного контура транспондера или прерывает его. В альтернативном варианте возможно целенаправленное изменение частоты колебательного контура путем подключения или отключения витков антенной катушки или емкостей колебательного контура. На устройство для контроля технического состояния отправляют запрос при помощи ручного считывающего устройства. Данные, хранящиеся в микросхеме памяти транспондера, считываются, и имеется возможность произвести замену соответствующего устройства защиты от перенапряжений в зависимости от результата контроля.
Однако существуют случаи применения, когда желательны контроль и регистрация состояния таких устройств или установок защиты от перенапряжения, для которых целенаправленная перегрузка антенного контура узла транспондера радиочастотной идентификации или другого релевантного входа транспондера в результате прохождения импульсного тока невозможна. Это имеет место, например, в случаях, когда площадь катушки антенны радиочастотной идентификации слишком мала, нет оптимальной ориентации антенны относительно силовых линий магнитного поля помехи или же наблюдаемые импульсные токи слишком малы, т.е. не обладают достаточной энергией.
Раскрытие изобретения
Поэтому из вышеизложенного следует задача изобретения - указать усовершенствованное схемное устройство для контроля и регистрации состояния устройств и установок защиты от перенапряжения посредством отслеживания импульсного электрического тока, исходящего от пассивного транспондера радиочастотной идентификации с электропитанием посредством индуктивной связи, причем в случае наступления указанного события для устройства или установки защиты от перенапряжения обеспечена возможность воздействия на антенный контур транспондера радиочастотной идентификации, с тем чтобы идентифицировать мешающие процессы. В соответствии с задачей предусмотрена возможность воздействия на антенный контур транспондера, не зависящая от свойств соответствующей катушки радиочастотной идентификации, причем необходимо также учитывать, что входы имеющихся на рынке узлов транспондеров, как правило, имеют более высокую электрическую прочность.
Задача изобретения решена схемным устройством согласно комбинации признаков по пункту 1 формулы изобретения, причем зависимые пункты формулы изобретения представляют по меньшей мере целесообразные варианты осуществления и усовершенствования изобретения.
Согласно изобретению предусмотрен запускаемый магнитным полем импульсного электрического тока реверсивный или нереверсивный переключатель или соответствующее переключающее устройство, которое воздействует на антенный контур радиочастотной идентификации, в частности размыкает его.
В варианте осуществления изобретения существует возможность оценки импульсных токов или ударных токов при помощи имеющихся нескольких параллельных переключающих устройств, которые подвергаются действию разделенного тока отключения путем предварительного включения соответствующих сопротивлений. Каждому переключающему устройству поставлена в соответствие собственная цепь радиочастотной идентификации, причем оценивающее устройство обращается к цепям радиочастотной идентификации по очереди и затем проверяет, имеется ли возможность считывания данных в соответствующем транспондере. После этого, исходя из такой информации, оценивающее устройство имеет возможность определить сработавшие пороговые выключатели, т.е. активизированные переключающее устройства, и получить информацию о величине появляющегося или появившегося ударного тока.
Если переключатель выполнен в виде электронного переключателя, например, нормально открытого МОП-транзистора, то существует возможность прерывать антенный контур радиочастотной идентификации только на определенное время. Если соответствующее оценивающее устройство производит непрерывный опрос транспондера, возможна реализация счетного устройства для подсчета появлений мешающих импульсов. При этом нужно обратить внимание на то, что оценивающее устройство  должно работать с временным интервалом между опросами, меньшим, чем постоянная времени электронного переключателя.
Следовательно, предмет изобретения исходит из схемного устройства для контроля и регистрации состояния устройств и установок защиты от перенапряжения посредством контроля импульсного электрического тока, причем схемное устройство включает в себя по меньшей мере один пассивный транспондер радиочастотной идентификации с электропитанием посредством индуктивной связи. В случае наступления события для устройства защиты от перенапряжений или установки защиты от перенапряжения производится воздействие на контур транспондера радиочастотной идентификации, в частности, контур прерывается, замыкается накоротко или расстраивается, чтобы получить возможность идентифицировать мешающие процессы.
Согласно изобретению на отводе, проводящем импульсные токи, в устройстве или установке защиты от перенапряжения, предусмотрена катушка, которая ориентирована так, что поле, обусловленное импульсным током, пронизывает площадь обмотки катушки, причем катушка связана с по меньшей мере одним переключающим устройством, которое присоединяется к антенному контуру транспондера радиочастотной идентификации с имеющейся в нем индуктивностью, чтобы воздействовать на антенный контур по меньшей мере периодически. При этом вышеупомянутая катушка работает полностью независимо от самой катушки антенного контура транспондера и оптимизируется для предусмотренных здесь целей.
Катушка, образующая индуктивность антенного контура транспондера радиочастотной идентификации, имеет такую ориентацию, которая при появляющихся импульсных токах обеспечивает отсутствие индукции или только наименьшую индукцию.
В предпочтительном варианте исполнения катушка электрического импульсного тока связана с выпрямительным мостом, который присоединяется на стороне выхода через диод к переключающему элементу или переключающему устройству, причем в исходном положении переключающий элемент поддерживает антенный контур транспондера радиочастотной идентификации, включающий в себя катушку антенного контура и его конденсатор, в замкнутом состоянии.
В случае срабатывания переключающего элемента полуволна напряжения, произведенного катушкой антенного контура, блокируется выпрямительным мостом и вышеупомянутым диодом, что влияет на чувствительность коммуникации радиочастотной идентификации, в частности сокращает ее.
Катушка импульсного тока предпочтительно выполнена в виде индуктивной катушки с сердечником кольцеобразного сечения или бесстержневой воздушной катушки, в частности в виде катушки Роговского.
При дальнейшем варианте исполнения изобретения на выходной стороне выпрямительного моста предусмотрены несколько диодов, каждый из которых подходит к присоединенному переключающему элементу через соответствующее сопротивление, причем значениями этих сопротивлений задается порог срабатывания для присоединенных переключающих элементов. В результате этого возможен анализ появляющихся импульсных или ударных токов. С этой целью каждый из переключающих элементов состоит в соединении с собственным транспондером радиочастотной идентификации и его соответствующим антенным контуром.
В вышеназванных вариантах возможно выполнение переключающих элементов в виде предохранителей.
Если в качестве переключающих элементов использовать транзисторы, в частности МОП-транзисторы, существует возможность влиять на антенный контур радиочастотной идентификации, в частности прерывать его, только в течение определенного времени. По прошествии задаваемого фиксированного времени антенный контур снова замыкается и переводится в обыкновенное рабочее положение. Эта мера позволяет реализовать счетное устройство для появляющихся импульсов, например, для регистрации отведенного тока утечки в молниеприемнике установки молниезащиты.
При разомкнутом переключающем устройстве существует возможность посредством улучшенной связи между считывающим устройством транспондера и антенным контуром организовать коммуникативное соединение, чтобы считывать записанные в транспондере сведения. Улучшение связи возможно, например, путем повышения мощности передачи с целью передачи данных между транспондером и считывающим устройством.
Краткое описание чертежей
Изобретение более подробно разъясняется ниже на основе вариантов осуществления и с привлечением чертежей, где:
Фиг. 1 - инципиальная схема первого варианта исполнения решения согласно изобретению для контроля и регистрации состояния устройств защиты от перенапряжений с предохранителем в качестве переключающего элемента или переключающего устройства;
фиг. 2 - инципиальная электрическая схема решения согласно изобретению с разделением энергии, генерируемой посредством катушки L2, между несколькими переключающими устройствами, в частности, предохранителями, для простой оценки появившегося в проводнике ударного тока;
фиг. 3 - инципиальная электрическая схема с электронным переключателем в качестве переключающего устройства, с помощью которого электрическая цепь антенны радиочастотной идентификации прерывается на определенное время, чтобы реализовать счетное устройство для подсчета проявления импульсов, и
фиг. 4 - имер устройства катушки согласно изобретению импульсного электрического тока и катушки антенного контура радиочастотной идентификации в молниеприемнике для контроля последнего.
Осуществление изобретения
Как представлено на фиг. 1, 2 и 3, текущий через отвод электрический ток импульса i создает в катушке L2, расположенной на отводе или вблизи него, индуцированное напряжение.
Через выпрямительный мост G1 и включенный в прямом направлении диод D1 это индуцированное напряжение прикладывается к переключающему устройству, выполненному в виде предохранителя S1.
Если скопившаяся в катушке L2 энергия выше, чем интегральная энергия плавления предохранителя S1, то он разъединяется.
В исходном состоянии предохранитель S1 не нагружен. В результате этого антенный контур, образованный катушкой L1 радиочастотной идентификации и конденсатором С1 радиочастотной идентификации, который посредством транспондера IC1 осуществляет передачу сигнала радиочастотной идентификации, замкнут.
Если S1 разъединяется, происходит блокирование полуволны напряжения, произведенной катушкой радиочастотной идентификации L1 через выпрямительный мост G1 и диод D1.
Вследствие этого чувствительность канала передачи относительно (не показанного) устройства считывания понижена. Таким образом, в случае слабой связи между считывающим устройством и цепью транспондера при размыкании предохранителя S1 передача отключается.
Улучшив качество связи, например повысив мощность излучаемого сигнала считывающего устройства, можно снова установить связь с транспондером или со считывающим устройством, несмотря на разомкнутое положение предохранителя S1. При этом преимущество состоит в том, что даже при отключенном контроле импульсного тока имеется возможность считывать информацию, записанную в транспондере.
Для повышения чувствительности при распознавании импульсного тока возможно выполнение катушки L2 с использованием сердечника кольцеобразного сечения. Кольцеобразный сердечник возможен также в открываемом исполнении или с подвижной полкой, как это известно ранее для так называемых токоизмерительных клещей. Для того чтобы представить индуктивность L2 максимально удобной для пользователя, подходит также и бесстержневая воздушная катушка, в частности  катушка Роговского.
Примерный выбор размеров для контроля тока утечки в устройствах защиты от перенапряжений исходит из параметров катушки радиочастотной идентификации L1 с индуктивностью L=7,4 mH и количеством витков N=480.
Катушка L2 имеет индуктивность, приблизительно равную L=1,1 μH, с числом витков N=12 на кольцеобразном сердечнике.
В качестве предохранителя S1 используется Schurter MAG FF, 200 мА.
При вышеописанным выборе параметров срабатывание предохранителя происходит при импульсном токе 8/20 μC величиной примерно 4,3 kA.
Согласно изобретению возможно изменение порога срабатывания в широких пределах путем выбора определенных типов предохранителей, отличающихся величиной тока срабатывания и другими характеристиками. Еще один существенный параметр - это число витков, а также площадь витка, материал сердечника для катушки L2 и заданное значение сопротивления R1, которое подключено на стороне выхода выпрямительного моста G1.
Благодаря раздельной компоновке катушки L1 антенного контура и катушки L2 импульсного электрического тока согласно фиг. 1 имеется возможность соединять отводную цепь для электрического импульсного тока в разных исполнениях с устройством оценки согласно изобретению.
Чтобы не быть жестко связанным с пороговым значением ударного тока i, текущего в проводнике, предлагается согласно фиг. 2 разделять энергию, производимую в катушке L2, между несколькими переключающими элементами или предохранителями S1.1-S1.x, для получения возможности предпринимать простым образом оценку ударного тока, появляющегося в проводнике.
Согласно изображению с фиг. 2 на выходной стороне выпрямительного мостика G1 за сопротивлением R1 образован узел, в котором в показанном примере имеются три диода D1.1, D1.2 и D1.х. Последовательно к каждому из диодов D1.1, D1.2 и D1.x присоединены соответствующие сопротивления R2.1, R2.2 и R2.x, которые после этого приводят к имеющемуся в каждой из ветвей предохранителю S1.1, S1.2 и S1.x. Для каждого из вышеназванных предохранителей образуется собственный контур IC1.1, IC1.1 и IC1.X радиочастотной идентификации. Каждый контур радиочастотной идентификации содержит катушку L1.1, L1.2 и L1.X радиочастотной идентификации с соответствующим конденсатором С1.1, С1.2 и С1.х антенного контура.
Одно только параллельное включение предохранителей в качестве переключающих устройств с разными токами срабатывания еще не позволяет регулировать пороговые величины. Причина этого - обратно пропорциональная зависимость между током срабатывания и сопротивлением предохранителя. Чтобы реализовать необходимые пороговые выключатели, все предохранители S1.x выполняются рассчитанными на один и тот же ток срабатывания, причем распределение по разным токам срабатывания осуществляется посредством сопротивлений R2.1, R2.2 и R2.x. Чем ниже значение сопротивления R2.x, тем выше частичный электрический ток, идущий в этой ветви цепи, так что в этом случае соответствующий предохранитель срабатывает при самом низком пороге.
Срабатывание отдельных цепей радиочастотной идентификации может происходить посредством так называемой функции AOR (сигнал по запросу), которая предлагается для имеющихся на рынке транспондеров. Альтернативная возможность - допустимы также разные параметры несущей частоты для разных цепей радиочастотной идентификации.
Разъясненные выше варианты осуществления согласно фиг. 1 и 2 позволяют осуществлять разовую регистрацию превышения одного или нескольких пороговых значений. Однако подсчет этих событий невозможен.
Если, как представлено на фиг. 3, заменить предохранитель электронным переключателем, выполненным в виде нормально открытого МОП-транзистора Т1, имеется возможность прерывать антенный контур транспондера IC1 на определенное время. По истечении периода, регулируемого постоянной времени R2, С2, антенный контур снова закрывается.
Если посредством считывающего устройства проводится непрерывный опрос транспондера IC1, возможна реализация счетного устройства для проходящих импульсов. Необходимым условием является то, что считывающее и оценивающее устройство работает с интервалом между запросами, меньшим, чем постоянная времени электронного переключателя Т1. Элементы С2 и R2 реализованы как параллельные подключения, расположенные на управляющем входе электронного переключателя Т1.
Принципиальная схема с фиг. 3 позволяет осуществлять регистрацию тока утечки в молниеприемнике установки молниезащиты. Для этого система контроля импульса с транспондером радиочастотной идентификации размещена в корпусе, который укрепляется на молниеприемнике или на соответствующем отводе.
Ориентация катушки L2 выбирается такой, что магнитное поле Н (см. также фиг. 4), вызванное ударным током i, пронизывает площадь обмотки катушки.
Площадь обмотки катушки L1 антенного контура радиочастотной идентификации расположена таким образом, что действие магнитного поля Н импульсного тока по возможности не вызывает индукции.
Такое принципиальное расположение катушек L1 и L2 показано на фиг. 4.
При этом плоскости площадей обмоток катушек L1 и L2 расположены по существу перпендикулярно друг другу.
Магнитное поле Н пронизывает плоскость поверхности катушки L2 как бы под прямым углом, так что имеет место максимальная индукция.
Считывание данных имеющихся пассивных транспондеров радиочастотной идентификации производится с электропитанием посредством индуктивной связи при помощи катушки L1 и не показанного считывающего устройства.
Для этого не требуются никакие электрические соединения. Поэтому возможно герметичное закрытие схемы для контроля импульса в корпусе и ее размещение, защищенное от погодных воздействий, что особенно предпочтительно для устройств, находящихся в молниеприемниках.
Устройство для оценки и считывания выносное, размещается в отдельном корпусе. В зависимости от выбора способа передачи и от свойств катушки L1 возможна работа на различных заданных расстояниях. При использовании транспондеров радиочастотной идентификации с функцией ответа по запросу (AOR) возможен опрос нескольких молниеприемников, производимый единственным оценивающим устройством.