Детектор воды
Предложена детекторная система, предназначенная для обнаружения явлений окружающей среды. Детекторная система согласно изобретению содержит две или более дорожки, расположенные, по существу, на фиксированном друг от друга расстоянии в структуре, по существу, из изолирующего материала, при этом дорожки являются продольными или продольными в двух направлениях, перпендикулярных друг другу, причем каждая дорожка детектирует влияние среды вблизи дорожки. Изобретение обеспечивает надежную конструкцию для мониторинга больших районов при низкой стоимости, которая может быть легко развернута, может быть встроена в структуры, например такие, как здания из цемента и бетона, и также подходят для простого производства и мониторинга. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к детекторной системе, содержащей структуры для обнаружения воздействия на окружающую среду.
Уровень техники
В соответствии с существующим уровнем техники, следует сослаться на традиционные детекторы влажности, такие как детекторы, основанные на изменении электрической проводимости материалов, впитывающих влагу, датчики или щупы для определения влагоемкости, оптическое обнаружение жидкостей и обнаружение жидкостей с помощью короткого замыкания электродов. Упомянутые выше методы имеют многочисленные недостатки. Устройства обычно являются ручными устройствами, снабженными щупами, которые вводятся в прямой контакт с исследуемым на предмет влагосодержания материалом. Решения, основанные на впитывающих влагу материалах, будут со временем подвергаться химической коррозии. Оптические методы обычно требуют содержание влажности на таких уровнях, при которых жидкости находятся в свободной форме. Устройства, основанные на электрическом контакте с водой, требуют относительно больших количеств воды, и могут также испытывать проблемы с электрической коррозией и другими формами коррозии.
Для этих вариантов характерно то, что устройства являются независимыми модулями, измеряющими влажность в четко определенных местах. Затраты часто являются большими и поэтому эти варианты не подходят для крупномасштабного использования.
Проблемы, которые должны быть решены с помощью изобретения
Основываясь на состоянии известного уровня техники, целью изобретения является обеспечение надежной конструкции для мониторинга больших районов при низкой стоимости, которая может быть легко развернута, может быть встроена в структуры, например такие, как здания из цемента и бетона, и также подходят для простого производства и мониторинга.
Сущность изобретения
Согласно изобретению, эта задача достигается с помощью детекторной системы, содержащей одну или более детекторных дорожек, расположенных, по существу, на фиксированном расстоянии в структуре, по существу, из изолирующего материала. Необязательно, в варианте осуществления система выполнена как один или более модулей, подобных рыболовной сети, которые могут быть соединены вместе с другими зонами большего размера, при этом каждый модуль содержит одну сетчатую структуру с одной или более продольной детекторной дорожкой в одном направлении, необязательно, в двух направлениях, которые, по существу, расположены под прямым углом друг к другу таким образом, что образуют, по существу, прямоугольную структуру, в которой каждый конец или каждая из четырех сторон завершается контактом для прикрепления к соседнему подобному модулю, необязательно, конец подключен к считывающей сети. В типичном варианте осуществления изобретения эта структура сформирована в виде проводов на монтажной пленке. В другом варианте осуществления изобретения эта структура выполнена как группа проводов, необязательно, пересекающихся друг с другом, причем каждое пересечение может быть дополнительно стабилизировано с помощью стабилизирующего устройства.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает типичный вариант осуществления изобретения детекторной системы, согласно изобретению, в которой каждый модуль соединен, для того чтобы покрывать большую площадь.
Фиг.2 показывает модуль с проводами, выводами и контактами.
Фиг.3 показывает сечение варианта осуществления изобретения провода, используемого в структуре, имеющей вид рыболовной сети.
Фиг.4 детально показывает то место, где два провода пересекаются друг с другом, стабилизированного в зоне пересечения.
Детальное описание вариантов осуществления изобретения
Изобретение будет раскрыто с помощью ссылок на чертежи, в которых фиг.1 показывает детекторную систему в типичном варианте осуществления изобретения. Установка 10 содержит шесть модулей 20, для того чтобы осуществлять мониторинг зоны 11. Каждый модуль 20 соединен с ближайшим расположенным рядом модулем с помощью соединительного устройства 12. Модули 20 также присоединены к шине данных 13, которая, кроме того, передает сигналы к устройству мониторинга 14.
Фиг.2 показывает единичный модуль, содержащий первый конечный контакт 21, который является выходным контактом для множества проводов 23, использующих соединение 25. Соответственно, в направлении, которое, по существу, перпендикулярно конечному контакту 21, обеспечен второй конечный контакт 22, осуществляющий вывод множества проводов 24 через соединение 26.
Такой модуль может быть выполнен в большом количестве вариантов осуществления изобретения, в одном варианте осуществления изобретения - как проводники на подложке, типично осуществленные как печатные проводники, например, на прозрачной монтажной основе, гибкой монтажной пленке, которая подходит для размещения структур, таких как внутренние перекрытия, причем монтажная пленка транспортируется на роликах и выкатывается на необходимую длину, а затем обрезается на нужную длину. Такие варианты осуществления изобретения с подходящей подложкой могут также работать с диффузионным барьером, например, обеспеченным внутри здания. Во втором варианте осуществления изобретения модуль выполнен как группа проводов в структуре, подобной трафарету, которая не полностью отличается от рыболовной сети. Этот вариант осуществления изобретения подходит для встраивания в изделия, полученные с помощью литья, а также из бетона, пластика или подобных материалов. Для того чтобы обеспечить механическую стабильность и прочность на разрыв, важно выполнить условие, чтобы не было острых углов или других структурных элементов с малым радиусом кривизны.
Фиг.3 показывает сечение провода 23, 24, в котором вышеуказанный провод 30 содержит два электрических проводника 33 и 34, расположенные в электрически изолирующем материале 32 таким образом, что они не находятся в прямом электрическом контакте друг с другом. Электрические проводники 33 и 34 расположены вдоль поверхности изолирующего материала 32, где это возможно с точки зрения окружающей среды, однако в агрессивной коррозионной среде тот факт, что изолирующий материал 32 также герметизирует проводники 33 и 34, является преимуществом. Также дополнительно, в сердцевине изолятора 32 может быть обеспечен функциональный материал 31. Влажность определяется с помощью измерения изменений в электрической емкости между проводниками 33 и 34. Такое изменение емкости, предпочтительно, измеряется с помощью переменного тока. Дополнительно, функциональный материал 31 может быть также использован для измерения других свойств, связанных с изменением сопротивления, например температуры, используя материал, который изменяет электрическое удельное сопротивление в зависимости от температуры. Используя структуру, показанную на фиг.3, удельное сопротивление может быть измерено без нарушения емкости, с помощью подведения напряжения постоянного тока к проводникам 33 и 34, и таким образом измерить утечку тока, проходящего через центральную часть 31. Там, где провод 30 расположен продольно, тока утечки из проводника 33 через изолятор 32 к функциональному материалу 31 и из него снова через изолятор 32 к проводнику 34 будет достаточно, чтобы обеспечить считываемый сигнал. Дополнительно, между проводником 33 и функциональным материалом 31 может быть обеспечен резистивный компонент, а также между проводником 34 и первым известным электрическим материалом 31. Таким образом, можно измерять множество параметров, используя ту же самую структуру из проводов. Альтернативно, влажность может быть измерена с помощью удельного сопротивления между проводниками 33 и 34, когда проводники являются частично неизолированными. Изолятор 32 альтернативно может быть скомпонован как оптическое волокно для передачи высокоскоростных сигналов на большие расстояния. Такое волокно может также функционировать как датчик, за счет измерения оптических свойств, таких как оптические потери, рефракция и рассеивание. Оптическое волокно может быть скомпоновано с комбинацией функциональных материалов в центральной части волокна и пленкой вокруг волокна для измерения оптических свойств, когда функциональные материалы изменяют свойства, например, такие как разбухание при впитывании влаги, и изменяют показатель преломления при контакте с химикатами.
Фиг.4 показывает пересечение 40 между проводом 23 и проводом 24, где они пересекаются друг с другом. За счет обеспечения поддерживающей структуры 41 между проводами, гарантируется стабильность в этой подобной трафарету структуре. Поддерживающая структура 41 может также обеспечиваться первым функциональным материалом, в котором дополнительные влияния окружающей среды, такие как (но не ограниченные химическими явлениями) дым, механические изменения и вибрации могут быть измерены с помощью измерения сопротивления между проводником 34 в проводе 23 и вторым электрическим проводником 35 во втором проводе 24. При дополнительном обеспечении еще одного элемента 42, соединяющего проводник 33 в проводе 23 и второй электрический проводник 36 во втором проводе 24 со вторым функциональным материалом, могут быть обнаружены дополнительные типы явлений окружающей среды. Также относительно функциональных материалов, таких как материалы, используемые в поддерживающей структуре 41 и элементе 42, можно сказать, что могут быть получены преимущества или при удалении изоляции между проводниками 33, 34, 35 и 36, или при обеспечении резистивного компонента между проводниками и поддерживающей структурой 41 и элементом 42. При этом нет ограничений, чтобы поддерживающая структура 41 и элемент 42 были обязательно датчиками, но они могут быть также, но без ограничений, источником тока для других функций, таких как индикаторы, тревожные сигнализации, усилители сигналов, функция определения места повреждения и т.д. Провода могут быть обеспечены проводниками, скрученными в виде спирали и, таким образом, передавать высокочастотные сигналы на большие расстояния без ухудшения качества сигналов, например, при использовании в сетях связи и других акустических компонентах. Если проводники являются скрученными с помощью скручивания всего провода, они могут быть стабилизированы с помощью поддерживающей структуры 41.
Устройство мониторинга 14 осуществляет мониторинг с помощью работы, по меньшей мере, на одном модуле 20, обычно последовательно с множеством режимов. В первом режиме подводится переменное напряжение и устройство мониторинга замеряет изменения полного сопротивления, которое возникает, когда влажность увеличивает диэлектрическую проницаемость, влияющую на емкость между двумя проводниками 33 и 34. Во втором режиме к устройству подается постоянный ток, и между функциональным материалом 31 измеряется сопротивление. В третьем режиме напряжение подается на первый проводник 34 на первом проводе 23 и первый проводник 35 на втором проводе 24, для того чтобы измерить электрическое свойство, например сопротивление функционального материала 41 между проводниками 34 и 35. В четвертом режиме напряжение подается на второй проводник 33 первого провода 23 и на второй проводник 36 на втором проводе 24, для того чтобы измерить электрическое свойство, например сопротивление функционального материала 42, который расположен между проводниками 33 и 36. Расстояние через функциональный материал 42 обычно большее, чем через функциональный материал 41, поэтому может быть предпочтительным использование этого режима для подачи питания, используемого для других функций или для сигнализации, например, с помощью светодиодов. Определенные режимы могут быть комбинированными, например, первый режим и второй режим могут быть скомбинированы путем подключения к переменному напряжению со сдвигом по уровню постоянного напряжения. Мониторинг проводов может производиться раздельно или по нескольку проводов одновременно, последовательно или постоянно. Провода можно также исключить из процесса мониторинга, чтобы сохранять резервы до тех пор, пока не появится необходимость в их использовании, например, в тех случаях, когда соседние провода изнашиваются. Это имеет особое преимущество в том случае, когда провода подвергаются износу, например, за счет электрической коррозии.
За счет использования оптического волокна устройство мониторинга 14 может осуществлять мониторинг, применяя отдельные режимы. В первом оптическом режиме излучаются импульсы и измеряется интенсивность полученных отраженных импульсов, для того чтобы измерить изменение оптического коэффициента преломления. Во втором режиме свет входит в один из концов оптического волокна и переданный по волокну свет измеряется на втором конце оптического волокна. Из уровня техники хорошо известны способы измерения с использованием волоконно-оптических датчиков таких параметров, как электрические и магнитные поля, давление, температура, акустические явления, вибрация, линейное и угловое положение, натяжение и влажность.
Во время установки устройство мониторинга будет давать информацию о расположении места повреждения, а также будет выполнять калибровку системы. Устройство мониторинга передает результаты измерений во внешние устройства, например, через сеть.
Функциональные материалы могут представлять собой, например, материалы, которые изменяют сопротивление в зависимости от температуры или от химического воздействия, датчики деформации, измеряющие механические параметры, или разрываемые электрические соединения, которые разрываются, когда достигается порог по механическому, термическому или электрическому параметру. Прерываемые электрические соединения будут обеспечивать информацию, касающуюся событий, происходящих даже в периоды между двумя измерениями. Это дает возможность производить медленные и поэтому точные измерения, и, таким образом, обнаруживать даже маленькие изменения электрических характеристик.
Модули соединяются с помощью соединительных устройств 12. Такое соединение может быть пассивным и производиться таким способом, что соединенные модули оказываются электрически подобными большому модулю. Во время установки может быть предпочтительно использование активного соединения первого типа, чтобы подтвердить, что модуль свободен от ошибок, и сигналы проходят через все соединенные модули. Для систем большего размера может быть полезным активное соединение второго типа, в котором сигналы усиливаются, для того, чтобы передавать сигналы на большие расстояния. В таком случае эти системы могут обеспечиваться током, когда устройство мониторинга работает первой частью модуля в четвертом модуле и второй частью модуля во втором модуле. Активное соединение третьего типа может быть расположено вдоль соединенных модулей, для того чтобы преобразовывать типичные параллельные сигналы модулей в последовательные данные для дальнейшей передачи вдоль шины 13 данных, таким образом уменьшая количество необходимых проводов. Соединение четвертого типа может обеспечить переключение сигналов на новое направление, чтобы направить их вокруг дефектов в одной дорожке модуля таким образом, что дефекты влияют только на тот модуль, в котором имеет место дефект, и не затрагивают прикрепленные модули. Соединение пятого типа обеспечивает также оптическое соединение, необязательно, также оптическое/электрическое преобразование. Как альтернатива, сигналы к базе 13 данных от краев модулей могут быть переданы беспроводным способом.
Промышленная применимость
Согласно приведенному описанию, это изобретение подходит для мониторинга влажности внутри зданий, мониторинга сооружений, таких как туннели, мосты, дамбы и пристани на предмет водной интрузии и химических явлений, таких как утечки и коррозия, а также механических явлений, таких как лавины, для мониторинга температуры, например, при подсоединении к системе пожарной тревоги для направления людей в оптимальном направлении во время эвакуации при пожаре, так же как и для мониторинга повреждений в более крупных сооружениях.
В варианте осуществления изобретения в виде проволочной структуры с проводами, вытянутыми в одном направлении, изобретение может быть использовано для мониторинга, например, туннелей, когда опасность, обнаруженная с помощью любого одного провода, может стать причиной для закрытия туннеля.
В варианте осуществления изобретения, в котором используется структура в виде рыболовной сети, с проводами, вытянутыми в двух направлениях, явление окружающей среды может быть локализовано с помощью перекрестного пеленгования и локализовано с разрешением, зависящим от размера трафарета в трафаретной структуре.
1. Детекторная система, содержащая две или более дорожки, расположенные, по существу, на фиксированном друг от друга расстоянии в структуре, по существу, из изолирующего материала, при этом дорожки являются продольными или продольными в двух направлениях, перпендикулярных друг другу, причем каждая дорожка детектирует влияние среды вблизи дорожки.
2. Система по п.1, характеризующаяся тем, что дорожки отпечатаны как электрические проводники на изолирующей подложке.
3. Система по п.2, характеризующаяся тем, что подложка является гибкой.
4. Система по п.2 или 3, характеризующаяся тем, что подложка является диффузионным барьером.
5. Система по п.1, характеризующаяся тем, что указанная структура является открытой, и дорожки расположены как провода в структуре, подобной рыболовной сети, при этом каждый провод содержит первый электрический проводник (34) и второй электрический проводник (33), причем указанные электрические проводники отделены друг от друга электрическим изолятором (32).
6. Система по п.2 или 3, характеризующаяся тем, что изолятор выполнен с функциональным материалом (31) в центральной части, расположенной, по существу, между электрическими проводниками таким образом, что явления окружающей среды, воздействующие на функциональный материал, изменяют электрические свойства, считываемые с электрических проводников.
7. Система по п.6, характеризующаяся тем, что функциональный материал расположен между, по меньшей мере, двумя проводниками, принадлежащими к двум дорожкам (23, 24), при этом указанные дорожки пересекаются друг с другом таким образом, что воздействие явлений окружающей среды на функциональный материал изменяет электрические свойства, считываемые с помощью электрических проводников.
8. Система по любому из пп.1-3, характеризующаяся тем, что структура является, по меньшей мере, модулем (20), содержащим конечные выходные контакты (21, 22) вдоль периферии для соединения с дополнительными модулями.
9. Система по любому из пп.1-3, характеризующаяся тем, что структура скомпонована для работы во множестве режимов, включающих: режим переменного тока, режим постоянного тока, третий режим - для подачи напряжения на первый проводник (34) на первом проводе (23) и на первый проводник (35) на втором проводе (24), а также четвертый режим - подача напряжения на второй проводник (33) на первом проводе (23) и на второй проводник (36) на втором проводе (24); для измерения таких величин, как импеданс и сопротивление, а также для подачи тока.
