разрядное индикаторное устройство

Формула изобретения

РАЗРЯДНОЕ ИНДИКАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее диэлектрический герметичный корпус с цилиндрической полостью и электродами по его торцам, один из которых содержит клемму заземления, а другой- клемму соединения с токопроводящей рабочей частью, заполняющую полость неполярную жидкость с размещенной в ней токопроводящей сферической частицей, покрытой светоотражающим слоем, а также детектор перемещения частицы в виде фотоприемника, источника излучения и оптически связанных с ними световодов, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности о процессе разряда и упрощения конструкции, торцы волоконно оптических световодов закреплены по центру заподлицо на внутренней поверхности корпуса так, что оси волокон ортогогальны траектории частицы, при этом внутренний диаметр D полости, диаметр d частицы и ширина h светового барьера на траектории частицы связаны следующим неравенством:

1,5 d < 1,5 < d + h.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для искробезопасного отвода и регистрации накапливаемых электростатических зарядов с наэлектризованного материала (пыль, жидкость, твердые материалы), с элементов оборудования, а также с человека.

Широко известно искробезопасное разрядное устройство, содержащее конденсатор, между обкладками которого расположена токопроводящая частица сферической формы. В указанном устройстве токопроводящая частица подвешена на изоляционной нити между вертикально расположенными обкладками конденсатора. При приложении напряжения к обкладкам конденсатора токопроводящая частица приходит в колебательное движение между обкладками конденсатора и обеспечивает искробезопасный порционный перенос заряда между обкладками конденсатора (Миткевич В.Ф. Физические основы электротехники. М.: КУВУЧ, 1932, с. 180).

Недостатком устройства является низкая надежность, связанная с тем, что устройство наиболее эффективно работает в определенном положении (частица подвешена на нити в виде маятника). Кроме того, расположение частицы в газовой среде не обеспечивает требуемую электрическую прочность между обкладками конденсатора без дополнительных мер (создание высокого вакуума), которые усложняют конструкцию. Существенным недостатком данного устройства является отсутствие информации о процессе разряда.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является искробезопасное разрядное устройство (см. а.с. N 1471321, кл. Н 05 F 3/00, 1989). Данное устройство принимается за прототип.

Устройство содержит обкладки конденсатора, расположенные в диэлектрическом корпусе, заполненном неполярной жидкостью, в которую помещена сферическая токопроводящая частица, при этом одна из обкладок конденсатора снабжена клеммой заземления, а другая соединена с токопроводящей рабочей частью, кроме этого в устройство дополнительно введены источник излучения, фотоприемник и оптически связывающий их друг с другом волоконный световод, расположенный в полости корпуса перпендикулярно обкладкам конденсатора и имеющий разрыв, длина которого меньше размера токопроводящей частицы, которая выполнена с осевым сквозным отверстием, покрытым отражающим материалом, и установлена на световоде коаксиально с возможностью перемещения вдоль него между обкладками конденсатора в процессе разряда.

Под воздействием электростатического поля в межэлектродном пространстве токопроводящая частица совершает колебательное движение, периодически касаясь обкладок конденсатора. В момент прохождения частицы через зазор часть рассеянного потока отражается от внутренней зеркальной поверхности частицы и вновь попадает в световод, таким образом происходит модуляция светового потока, проходящего через световод.

Недостатком устройства является низкая информативность, возможное искажение информации, недостаточная надежность, обусловленные сложной конструкцией, требующей специальной обработки световодов и токопроводящей частицы.

Целью изобретения является повышение информативности о процессе разряда при одновременном упрощении конструкции.

Цель достигается тем, что в известном искробезопасном устройстве, содержащем герметичный корпус с цилиндрической полостью, заполненной неполярной жидкостью, электроды, расположенные по торцам корпуса, один из которых соединен с клеммой заземления, а другой соединен с токопроводящей рабочей частью, электропроводную сферическую частицу, помещенную в зазор между электродами, а также источник излучения, фотоприемник и оптически связанные с ним световоды, торцы волоконно-оптических световодов закреплены заподлицо на внутренней поверхности корпуса таким образом, что оси волокон направлены в сторону траектории движения частицы, покрытой отражающим материалом, при этом внутренний диаметр D полости корпуса, диаметр частицы d и ширина светового пучка h удовлетворяют соотношению 1,5d<D

На фиг. 1 показана конструктивная схема искробезопасного разрядного устройства; на фиг. 2 - возможный вариант исполнения устройства применительно к конкретным технологическим установкам.

Устройство содержит заполненный диэлектрической жидкостью корпус 1, выполненный из диэлектрика, металлическую рабочую часть 2, верхнюю и нижнюю 4 обкладки конденсатора, токопроводящую сферическую частицу 5, клемму 6 заземления. Для герметизации между обкладками 3, 4 конденсатора и корпусом 1 установлены прокладки 7. Верхняя обкладка 3 конденсатора поджимается эбонитовой гайкой 8, а нижняя обкладка 4 поджимается клеммой 6 заземления. Рабочая часть 2 крепится к верхней обкладке 3 резьбовым соединением. Кроме того, в устройство введен световод 9, концы 10 и 11 которого через стенки корпуса 1 или обкладки 3 и 4 конденсатора выведены наружу и оптически соединены с источником 12 света и фотоприемником 13. Оси световодов 14 и 15 обращены в сторону траектории движения токопроводящей частицы 5, на поверхность которой нанесен отражающий материал. В качестве отражающего материала используется покрытие частицы из хромоникелевого сплава, который наносится электрохимическим способом после меднения частицы в соответствии с методикой (см. Технологическая инструкция. Разрядник-индикатор электростатический РЭС-1. Изготовление электропроводных сферических частиц. г. Бийск, НПО "Алтай", 1988, с. 16). Оптические свойства у никеля значительно выше, чем у меди. Например, показатель преломления n при длине волн =0,5 мкм для меди составляет n=1,06, а для никеля n=1,54 (см. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1980, с. 409). Регистрация прохождения частицы через световой поток обеспечивается при выполнении определенного соотношения между внутренним диаметром полости корпуса, диаметром сферической частицы и шириной светового пучка. С точки зрения конструктивного исполнения данное соотношение между внутренним диаметром D полости корпуса и диаметром d частицы с учетом ширины светового пучка h имеет вид

d<D<2d+h (1)

Для обеспечения гарантированной регистрации частицы соотношение должно быть более строгим: 1,5d<D<d+h, где нижняя граница 1,5d выбирается из условия отсутствия трения между частицей и корпусом, а верхняя граница d+h - из условия надежного перекрытия частицей светового пучка. Данное соотношение при h<d является необходимым и достаточным условием надежной регистрации частицы. В качестве источника 12 излучения используется инфракрасный светодиод АЛ-107 или миниатюрная лампа накаливания, а в качестве приемника излучения - фотодиод ФД-К-155.

Устройство работает следующим образом. При приближении или касании рабочей части 2 разрядника к наэлектризованной области рабочая часть 2, соединенная с верхней обкладкой 3 конденсатора, заряжается до потенциала наэлектризованной области. Под воздействием электростатического поля в межэлектродном пространстве частица 5 совершает колебательное движение, периодически касаясь обкладок конденсатора. При этом частица переносит на заземленную нижнюю обкладку 4 определенное количество заряда. В момент прохождения частицы через траекторию распространения светового пучка часть света будет отражаться от зеркальной поверхности частицы. При этом происходит кратковременное изменение светового потока, поступающего во второй световод. Таким образом, излучение, идущее от источника света 12 по световоду к фотоприемнику 13, будет периодически изменяться при движении частицы, что несет информацию о ее колебательном движении.

Повышение информативности устройства по сравнению с прототипом (а.с. N 1471321) можно показать при рассмотрении принципов передачи светового потока и их эпюр, которые приведены на фиг. 3-7. При перекрытии частицей расстояния между торцами электродов Z (мм) в прототипе (фиг. 3) световой поток Ф_о из передающего световода 1 в приемный световод 2 будет передаваться практически без потерь (пренебрегая поглощением света за счет внутренних стенок частицы). При перемещении частицы, например, вверх (фиг. 4) световой поток на выходе из приемного световода Ф_t уменьшается на величину Ф_п за счет рассеяния вне торца световода 2 и будет соответствовать:

Ф_t= Ф_о-Ф_п, (2) где Ф_п - потери света в окружающее пространство при отсутствии частицы. Изменение величины светового потока на потери Ф_п относительно потока Ф_ои будет той величиной, которую необходимо в дальнейшем преобразовать через фотодиод в информационный сигнал, подлежащий дальнейшей обработке, т. е. Ф_п=Ф_t-Ф_о. Чем выше эта величина, тем выше и чувствительность устройства и соответственно информативность. В прототипе эта величина Ф_псоставляет 5-10% от светового потока Ф_о и ограничивается геометрическими соотношениями межсветоводного расстояния Z и диаметром световодов 2а. Световой поток на выходе приемного световода Ф_t (фиг. 4) пропорционален величине 2а/F, т.е.

Ф_t2а/F, (3) где F - диаметр светового потока на уровне торца световода 2 при постоянном значении апертурного угла . При F->2a (cлучай идеального сближения торцов световодов 1 и 2) Ф_t ->Ф_о, а при F ->(случай максимального удаления торцов световодов) Ф_t ->0. В этом случае устройство работало бы в дискретном режиме с перекрытием светового потока от 0 до Ф_о, что соответствовало идеальному случаю и максимальной информативности устройства. Однако увеличение расстояния Z ограничивается диаметром частицы, увеличение которого приводит к инерционности устройства, повышению габаритов и потере чувствительности (эпюра изменения светового потока прототипа представлена на фиг. 6). Поэтому в реальных устройствах на принципе автоколебания частиц диаметр их составляет порядка 2-3 мм. Уменьшение диаметра 2а световодов (выражение (3)) ограничивается механической прочностью от воздействия частицы и составляет не менее 0,3-0,5 мм. При Z2-3 мм и 2а 0,5 мм отношение Z/а составляет порядка 10, что соответствует из приведенной зависимости К_ср= fZ/a (см. А.Н. Казангапов, А.Л. Патлах и др. Волоконная оптика в измерительной и вычислительной технике. Алма-Ата: Наука, 1989, с. 33, рис. 22 в) изменению коэффициента передачи К_ср световода потока при нерегулярности стык-разрыв не более 5-10% от К_ср=1. Усилить и преобразовать такое значение изменения светового потока довольно сложно, требуется громоздкая аппаратура. При механизме перекрытия светового потока частицей (фиг. 5) эпюра изменения светового потока резко отличается от прототипа и приобретает вид, представленный на фиг. 7. В этом случае световой поток изменяется от Ф_о= Ф_t+Ф_п до 0, что соответствует изменению коэффициента передачи потока К_ср от 0,9 до 0. Поэтому предлагаемая конструкция намного чувствительнее и проще по конструкции прототипа.

Предлагаемое устройство позволяет более эффективно иллюстрировать процесс разряда. Повышена информативность, поскольку при снятии с себя или с наэлектризованного предмета статического электричества можно контролировать этот процесс по сигналу с фотоприемника. При этом необязательно выполнять корпус разрядного устройства из прозрачного материала, поскольку полное доверие со стороны оператора к информации о процессе разряда связано в тем, что токопроводящая частица модулирует проходящий световой поток. Электрический сигнал с фотоприемника может быть усилен и преобразован в световой, звуковой или любой другой, удобный для восприятия. Большим достоинством данного изобретения является также то, что концы световодов могут достигать десятков метров, что позволяет вывести источник света и фотоприемник из пожароопасного помещения. Кроме того, это позволяет для группы разрядных устройств использовать один источник света и один матричный фотоприемник (например, в виде ПЗС линейки или фотодиодной структуры) с общим блоком обработки сигналов. Возможность использования световодов в разрядном устройстве позволит применять их в АСУТП как для предотвращения аварийных ситуаций, так и для повышения качества технологического процесса. Таким образом, применение оптического метода контроля с использованием волоконно-оптических световодов в предлагаемых конструкциях устройства позволяет использовать устройство в пожаровзрывоопасных производствах. Перечисленные достоинства разрядного устройства суммарно обеспечивают большую информативность о процессе разряда, что улучшает психологический климат и в итоге повышает производительность труда. Преимущество заявленного технического решения по сравнению с существующими аналогами, используемыми для научных исследований, заключается в том, что в устройстве по а.с. N 1422408 частица закреплена в петле световода и поэтому имеет большую инерционность и малую чувствительность соответственно. Поэтому для улучшения частотных характеристик необходимо использовать очень тонкие световоды (порядка 5-10 мкм), которых в промышленности еще нет. Кроме того, сложность изготовления устройства (сверление отверстия в частице, закрепление ее в петле световода) позволяет использовать его только в научных исследованиях.