ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и электропитания системы мониторинга автономного объекта

Классы МПК:H05F7/00 Использование природных источников электричества
H05F3/02 с помощью заземляющих соединений 
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-05-07
публикация патента:

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и связано с практическим использованием микромощных возобновляемых источников энергии, в частности энергии электростатического заряда, возникающего на поверхности полимерных материалов, например специальной одежде и т.п. Технический результат: дистанционное измерение высоких напряжений, образующихся на поверхности полимерных и других материалов, накопивших электростатический заряд, и организация электропитания микромощной системы мониторинга мобильных объектов различных классов (например, человека) от энергии того же электростатического электричества. Устройство содержит источник статического электричества (1), на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент (2), последовательно с которым включена первичная обмотка (3) согласующего трансформатора (4), имеющая первый (5) и второй (6) выводы, вторичная (7) обмотка согласующего трансформатора (4), имеющая первый (8) и второй (9) выводы, причем ее первый (8) вывод связан через выпрямительный элемент (10) с первыми выводами накопительного конденсатора (11) и цепи нагрузки (12), а второй вывод (9) вторичной (7) обмотки согласующего трансформатора (4) связан со вторыми выводами накопительного конденсатора (11) и цепи нагрузки (12). Источник статического электричества (1), на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, соединен с разрядным элементом (2) через высокоомный резистор (13), общий узел высокоомного резистора (13) и разрядного элемента (2) соединен с первым выводом дополнительного конденсатора (14), второй вывод которого связан со вторым (6) выводом первичной обмотки (3) согласующего трансформатора (4), в качестве цепи нагрузки (12) используется система мониторинга автономного объекта, включающего радиопередающее устройство (12), основной модулирующий вход (15) которого связан с первым (8) выводом вторичной (7) обмотки согласующего трансформатора (4), а радиоприемное устройство (16) содержит приемник радиосигналов (17), первый (18) выход которого связан со входом измерителя (19) интервалов времени между импульсами на вторичной (7) обмотке согласующего трансформатора (4), зависящих от величины высокого измеряемого напряжения статического электричества. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического   электричества и электропитания системы мониторинга автономного   объекта, патент № 2534759

Рисунки к патенту РФ 2534759

устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического   электричества и электропитания системы мониторинга автономного   объекта, патент № 2534759 устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического   электричества и электропитания системы мониторинга автономного   объекта, патент № 2534759

Предполагаемое изобретение относится к области электротехники и связано с практическим использованием микромощных возобновляемых источников энергии, в частности энергии электростатического заряда, возникающего на поверхности полимерных материалов, например специальной одежде и т.п.

Статическое электричество является не только опасностью, но и самостоятельным естественно возобновляемым источником энергии, потенциально способным обеспечить электропитанием различные микромощные системы мониторинга автономных объектов. Такой подход представляет собой концепцию одновременного устранения опасностей статического электричества, измерения напряжений на поверхности полимерных материалов и накопления энергии для электропитания мобильных радиоэлектронных приборов (в т.ч. аварийных радиомаяков, систем мониторинга окружающей среды и т.п.). Генерация статического электричества на поверхности полимерных материалов достаточно активно проявляется, например, при воздействии снежной массы, переносимой ветром в условиях низких температур северных регионов России.

Известны устройства для преобразования энергии статического электричества в напряжение вторичного источника электропитания [1-9]. Наиболее близким к заявляемому объекту является преобразователь атмосферного разряда (молнии) в напряжение на накопительном конденсаторе, к которому подключаются традиционные потребители электроэнергии (RU 2332816, фиг.1). Он содержит источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент 2, последовательно с которым включена первичная обмотка 3 согласующего трансформатора 4, имеющая первый 5 и второй 6 выводы, вторичная 7 обмотка согласующего трансформатора 4, имеющая первый 8 и второй 9 выводы, причем ее первый 8 вывод связан через выпрямительный элемент 10 с первыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12, а второй вывод 9 вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4 связан со вторыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12.

Известное техническое решение преобразует энергию молнии в постоянный электрический ток низкого напряжения, который в дальнейшем используется для электропитания тех или иных объектов бытового или промышленного назначения. Роль разрядного элемента 2 в известном устройстве выполняет газовый промежуток между источником статического электричества (грозовой тучей) и громоотводом (первичной 3 обмоткой согласующего трансформатора 4, индуктивно связанного со вторичной 7 обмоткой), причем параметры разрядного элемента 2 трудно предсказуемы и непостоянны, что приводит к существенной нестабильности разрядных процессов.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не позволяет провести дистанционные измерения высокого напряжения (Ux) источника статического электричества 1 - полимерной поверхности, накопившей электростатический заряд, а также обеспечить дистанционную передачу данной информации по радиоканалу и ее представление в электронном регистраторе, позволяющем судить о численных значениях Ux.

Основная задача предлагаемого изобретения - дистанционное измерение высоких напряжений источника статического электричества 1, образующихся на поверхности полимерных и других материалов, накопивших электростатический заряд.

Дополнительная задача - организация электропитания микромощной системы мониторинга мобильных объектов различных классов (например, человека) от энергии того же электростатического электричества, обеспечивающей дистанционное измерение не только высоких напряжений, образующихся на поверхности полимерных материалов, но и других параметров мобильных объектов (температуры, давления, влажности и т.п.).

Поставленные задачи достигаются тем, что в известном устройстве для электропитания от статического электричества фиг.1, содержащем источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент 2, последовательно с которым включена первичная обмотка 3 согласующего трансформатора 4, имеющая первый 5 и второй 6 выводы, вторичная 7 обмотка согласующего трансформатора 4, имеющая первый 8 и второй 9 выводы, причем ее первый 8 вывод связан через выпрямительный элемент 10 с первыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12, а второй вывод 9 вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4 связан со вторыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12, предусмотрены новые элементы и связи - источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, соединен с разрядным элементом 2 через высокоомный резистор 13, общий узел высокоомного резистора 13 и разрядного элемента 2 соединен с первым выводом дополнительного конденсатора 14, второй вывод которого связан со вторым 6 выводом первичной обмотки 3 согласующего трансформатора 4, в качестве цепи нагрузки 12 используется система мониторинга автономного объекта, включающего радиопередающее устройство 12, основной модулирующий вход 15 которого связан с первым 8 выводом вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4, а радиоприемное устройство 16 содержит приемник радиосигналов 17, первый 18 выход которого связан со входом измерителя 19 интервалов времени между импульсами на вторичной 7 обмотке согласующего трансформатора 4, зависящих от величины высокого измеряемого напряжения статического электричества.

На фиг.1 показана схема устройства-прототипа.

На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства, соответствующая п.1 и п.2 формулы изобретения.

Устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и электропитания системы мониторинга автономного объекта фиг.2 содержит источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент 2, последовательно с которым включена первичная обмотка 3 согласующего трансформатора 4, имеющая первый 5 и второй 6 выводы, вторичная 7 обмотка согласующего трансформатора 4, имеющая первый 8 и второй 9 выводы, причем ее первый 8 вывод связан через выпрямительный элемент 10 с первыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12, а второй вывод 9 вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4 связан со вторыми выводами накопительного конденсатора 11 и цепи нагрузки 12. Источник статического электричества 1, на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, соединен с разрядным элементом 2 через высокоомный резистор 13, общий узел высокоомного резистора 13 и разрядного элемента 2 соединен с первым выводом дополнительного конденсатора 14, второй вывод которого связан со вторым 6 выводом первичной обмотки 3 согласующего трансформатора 4, в качестве цепи нагрузки 12 используется система мониторинга автономного объекта, включающего радиопередающее устройство 12, основной модулирующий вход 15 которого связан с первым 8 выводом вторичной 7 обмотки согласующего трансформатора 4, а радиоприемное устройство 16 содержит приемник радиосигналов 17, первый 18 выход которого связан со входом измерителя 19 интервалов времени между импульсами на вторичной 7 обмотке согласующего трансформатора 4, зависящих от величины высокого измеряемого напряжения статического электричества.

Кроме этого, на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения радиопередающее устройство 12 системы мониторинга автономного объекта имеет дополнительные модулирующие выходной радиосигнал радиопередающего устройства 12 входы 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, к которым подключены N сенсорных элементов S1, устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического   электричества и электропитания системы мониторинга автономного   объекта, патент № 2534759 , Sn, обеспечивающих измерение основных параметров автономного объекта, причем дополнительные выходы 29.1, 29.N приемника радиосигналов 17 подключены к регистраторам параметров 30.1, 30.N автономного объекта, измеряемых N сенсорными элементами.

Рассмотрим работу устройства фиг.2.

При возникновении на поверхности источника статического электричества 1 высокого напряжения (Ux) начинает заряжаться (через высокоомный резистор 13) дополнительный конденсатор 14 до напряжения, соответствующего напряжению включения разрядного элемента 2. Постоянная времени заряда конденсатора 14 и напряжение на конденсаторе 14 определяется по формуле, в которую входит неизвестное измеряемое напряжение Ux:

устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического   электричества и электропитания системы мониторинга автономного   объекта, патент № 2534759

где устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического   электричества и электропитания системы мониторинга автономного   объекта, патент № 2534759 3=R13C14 - постоянная времени заряда конденсатора 14.

В момент времени t1, когда напряжение на конденсаторе 14 достигнет напряжения включения разрядного элемента 2 Uвкл.2, замыкается цепь разряда конденсатора 14 на первичную обмотку 3 трансформатора 4. При этом во вторичной обмотке 7 образуется импульс тока, который, с одной стороны, через выпрямительный элемент 10 заряжает накопительный конденсатор 11, напряжение на котором подается на радиопередающее устройство 12 и обеспечивает его переход в активный режим, а с другой - формирует на основном модулирующем входе 15 радиопередающего устройства 12 соответствующий импульсный сигнал u8. Этот сигнал модулирует (одним из известных способов) высокочастотный сигнал радиопередающего устройства, который поступает в его антенну, излучается в эфир и принимается антенной приемника радиосигналов 17.

Когда напряжение на конденсаторе 14 станет меньше напряжения удержания во включенном состоянии разрядного элемента 2, этот элемент 2 переходит в высокоомное состояние и процесс заряда конденсатора 14 и формирования импульсов тока во вторичной 7 обмотке трансформатора 4 повторяется. В результате периодического включения разрядного элемента 2 на вторичной обмотке 7 трансформатора 4 выделяется периодический импульсный сигнал переменной частоты, которая пропорциональна измеряемому высокому напряжению. В дальнейшем этот сигнал передается в антенну радиопередающего устройства 12 в виде высокочастотного модулированного колебания.

Таким образом, при известных значениях емкости дополнительного конденсатора 14 и сопротивления резистора 13 частота следования импульсов тока во вторичной обмотке 7 трансформатора 4 прямо пропорциональна измеряемому высокому напряжению Ux , образующемуся на поверхности накопления разряда 1.

Кроме этого, энергия импульсов во вторичной 7 обмотке трансформатора 4 обеспечивает электропитание радиопередающего устройства 12, которое может иметь N дополнительных входов 21, 22, устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического   электричества и электропитания системы мониторинга автономного   объекта, патент № 2534759 , 28 для подключения к ним нескольких сенсоров (S1 устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического   электричества и электропитания системы мониторинга автономного   объекта, патент № 2534759 Sn), обеспечивающих измерение других параметров мобильного объекта, например температуры окружающей среды, влажности, давления и т.п., и их последующую передачу в эфир в виде высокочастотных модулированных колебаний.

В радиоприемном устройстве 16 с помощью приемника радиосигналов 17 осуществляется демодуляция радиосигналов, поступивших в его антенну, и их соответствующая передача в регистраторы параметров автономного объекта 30.1, устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического   электричества и электропитания системы мониторинга автономного   объекта, патент № 2534759 , 30.N. По состоянию выходных сигналов измерителя 19 интервалов времени между импульсами на вторичной 7 обмотке согласующего трансформатора 4 можно с высокой точностью определить уровень высокого напряжения Ux статического электричества источника 1.

Работоспособность заявляемого устройства при очень малых уровнях энергии накопленного на поверхности 1 статического электричества существенно зависит от тока утечки Iут дополнительного конденсатора 14 и остаточного тока Iос разрядного элемента 2 в его выключенном состоянии. В этой связи в качестве разрядного элемента 2 авторы рекомендуют использование транзисторных аналогов динисторов, а также ключей и ограничителей напряжения на КМОП транзисторах, обладающих высоким выходным сопротивлением в закрытом состоянии.

Таким образом, в заявляемом устройстве решена комплексная задача дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и одновременного использования энергии этого статического электричества для электропитания различных мобильных объектов микросистемной техники.

Источники информации

1. Патент RU 2415520

2. Патент RU 2366121

3. Патент RU 2439864

4. Патент RU 2293451

5. Патент RU 2369991

6. Патент RU 2124821

7. Патент DE 2621672

8. Патент GB 2279875

9. Патент US 4.373.175

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и электропитания системы мониторинга автономного объекта, содержащее источник статического электричества (1), на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, разрядный элемент (2), последовательно с которым включена первичная обмотка (3) согласующего трансформатора (4), имеющая первый (5) и второй (6) выводы, вторичная (7) обмотка согласующего трансформатора (4), имеющая первый (8) и второй (9) выводы, причем ее первый (8) вывод связан через выпрямительный элемент (10) с первыми выводами накопительного конденсатора (11) и цепи нагрузки (12), а второй вывод (9) вторичной (7) обмотки согласующего трансформатора (4) связан со вторыми выводами накопительного конденсатора (11) и цепи нагрузки (12), отличающееся тем, что источник статического электричества (1), на поверхности которого образуется высокое измеряемое напряжение, соединен с разрядным элементом (2) через высокоомный резистор (13), общий узел высокоомного резистора (13) и разрядного элемента (2) соединен с первым выводом дополнительного конденсатора (14), второй вывод которого связан со вторым (6) выводом первичной обмотки (3) согласующего трансформатора (4), в качестве цепи нагрузки (12) используется система мониторинга автономного объекта, включающего радиопередающее устройство (12), основной модулирующий вход (15) которого связан с первым (8) выводом вторичной (7) обмотки согласующего трансформатора (4), а радиоприемное устройство (16) содержит приемник радиосигналов (17), первый (18) выход которого связан со входом измерителя (19) интервалов времени между импульсами на вторичной (7) обмотке согласующего трансформатора (4), зависящих от величины высокого измеряемого напряжения статического электричества.

2. Устройство для дистанционного измерения высоких напряжений статического электричества и электропитания системы мониторинга автономного объекта по п.1, отличающееся тем, что радиопередающее устройство системы мониторинга автономного объекта имеет дополнительные модулирующие радиосигнал радиопередающего устройства (12) входы (21), (22), (23), (24), (25), (26), (27), (28), к которым подключены N сенсорных элементов, обеспечивающих измерение основных параметров автономного объекта, причем дополнительные выходы (29.1), (29.N) приемника радиосигналов (17) подключены к регистраторам параметров (30.1), (30.N) автономного объекта, измеряемых N сенсорными элементами.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2534759

patent-2534759.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс H05F7/00 Использование природных источников электричества

Патенты РФ в классе H05F7/00:
устройство преобразования энергии статического электричества -  патент 2504129 (10.01.2014)
устройство отбора статического электричества -  патент 2499372 (20.11.2013)
устройство для использования атмосферного электричества "русэлектро" -  патент 2482640 (20.05.2013)
способ и устройство для использования атмосферного электричества -  патент 2414106 (10.03.2011)
атмосферная электрическая станция кущенко в.а. -  патент 2403691 (10.11.2010)
способ получения постоянной электрической энергии -  патент 2388191 (27.04.2010)
способ получения электрической и других видов энергий при подземной разработке массива полезных ископаемых -  патент 2377413 (27.12.2009)
способ преобразования атмосферного электричества в электрическую энергию -  патент 2366121 (27.08.2009)
источник теллурического тока -  патент 2355074 (10.05.2009)
способ получения постоянной электрической энергии -  патент 2344576 (20.01.2009)

Класс H05F3/02 с помощью заземляющих соединений 

Патенты РФ в классе H05F3/02:
устройство для нейтрализации электростатического заряда на внутренней поверхности трубы -  патент 2525855 (20.08.2014)
антистатическое поверхностное покрытие -  патент 2515982 (20.05.2014)
способ испытаний объектов на молниезащищенность и устройство для его осуществления -  патент 2502237 (20.12.2013)
устройство для снижения скорости коррозии нефтепровода путем удаления электростатического заряда -  патент 2490835 (20.08.2013)
устройство для снятия электростатического заряда с нефтепровода -  патент 2490834 (20.08.2013)
устройство металлизации подвижных элементов конструкции -  патент 2462005 (20.09.2012)
способ молниезащиты и устройство для его реализации -  патент 2456727 (20.07.2012)
устройство для использования энергии электростатического поля -  патент 2439864 (10.01.2012)
устройство для отвода зарядов из потока углеводородов -  патент 2400021 (20.09.2010)
устройство металлизации подвижных элементов конструкции -  патент 2393651 (27.06.2010)


Наверх