Новые достижения в гидросенсорике

НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ГИДРОСЕНСОРИКЕ

1, 1,  2

1 – Физико-технологический институт  Московского технологического университета

2 – , участник Фонда  «Сколково»

Аннотация.  Работа посвящена новому классу гидросенсорных датчиков на основе сорбционных гидросенсорных кабелей (СГК), позволяющих реализовать 3D пространственный контроль за протечками воды и прорывами пара. Приведены конструкция СГК и экспериментальные данные, демонстрирующие его способность реагировать не только на традиционные заливы водой, но и появление вблизи его поверхности капель воды, конденсата, сырости – первых предвестников чрезвычайных ситуаций. Показана возможность построения на базе СГК высокочувствительных систем раннего обнаружения протечек воды и прорывов пара и других токопроводящих жидкостей.

A NEW ACHIEVEMENTS IN HYDROGENSOURCE

1Kondratenko V. S., 1Burley D. A., 2 Sakunenko Yu. I.

1 – Physic-technological Institute of Moscow University of technology.
2 – LLC "Enzymatic", participant of "Skolkovo" Fund

Abstract. The work is devoted to a new class hydro sensor sensors based on sorbitol hydro sensor cables (SGK), which allows to implement 3D spatial-time monitoring of water leaks and breakthroughs pair. The design of stable gas condensate and experimental data, demonstrating its ability to respond not only to traditional water bays, and the appearance near the surface of droplets, the condensate, moisture – the first harbingers of emergencies. The possibility of building on the basis of SGC is highly sensitive systems for the early detection of water leaks and blowouts and a couple other conductive liquids.

Вода это не только источник жизни и самая распространённая на Земле жидкость, но и причина многих техногенных катастроф (заливов, протечек и т. д.). По данным страховых компаний объёмы убытков в промышленности и строительстве от заливов и протечек водой занимают второе место в перечне причин простоев, лишь незначительно уступая убыткам от перебоев в подаче электроэнергии. Эти убытки в два раза превышают убытки от пожаров.

В сфере ЖКХ - более 90% аварий, например, в Москве, так или иначе связаны c протечками воды и водяного пара. Поэтому наличие систем сигнализации протечек воды являются таким же обязательным требованием для страхования и эксплуатации технически сложных объектов как и наличие систем  пожарной сигнализации.

Центральными элементами систем сигнализации (детектирования) появления воды являются гидросенсоры – устройства, изменяющие свои электрические характеристики в результате попадания на них воды.

Простейший и наиболее распространённый гидросенсор – это т. н. точечный датчик воды, работающий на принципе залива (рис. 1а) двух рядом расположенных металлических контактов 2 с хорошими антикоррозионными свойствами (в т. ч. и из благородных металлов). Поступающая вода 1 заливает контакты, замыкает скоммутированную с датчиком индивидуальную электрическую цепь 3 –сигнализирующую тем самым о факте поступление воды в контролируемую точку.

  а)  б)

Рис. 1. Принцип работы гидросенсорных датчиков: а) точечный; б) кабельный.

Недостатком точечных гидросенсоров  является ограничение количества контролируемых точек связанное с чисто экономическими причинами, т. к. к каждому датчику требуется подвести свою протяжённую и дорогостоящую  коммуникационную линию. Этого недостатка лишены, получившие распространение за рубежом так называемые гидросенсорные кабели [1, 2]. Они также работают на принципе залива поступающей водой сенсорных элементов. Но эти элементы представляют собой не точки, а пару параллельных проводов с оболочкой из специальной высокоэлектропроводящей пластмассы (на рис. 1б - обозначены чёрным цветом), которые обвиваются вокруг несущей конструкции  кабеля.

Преимуществом гидросенсорных кабелей является возможность сигнализировать о попадании воды на любой его  участок по всей его длине, т. к. современные измерительные системы, например,  рефлектометры, позволяют точно вычислить расстояние до места залива. Это существенно расширяет контролируемую лишь с помощью одного кабеля площадь, позволяет контролировать сразу несколько помещений. Эти кабели имеют также в 2-3 раза более низкий по сравнению с точечными датчиками порог срабатывания, т. е. минимальное количество заливаемой воды, необходимое для срабатывания сенсора в пересчёте на 1м2 охраняемой поверхности.  Они легко изгибаются, удобны для монтажа, их сенсорная поверхность изготовленная из электропроводящей пластмассы, которая абсолютно не подвержена - коррозии, долговечны и требуют минимальных затрат на своё обслуживание.

Однако, несмотря на расширенные возможности гидросенсорных кабелей, они также, как и точечные сенсоры имеют ряд существенных недостатков и ограничений, связанных с общим для них способом контактирования с водой, а именно, непосредственным заливом. В быту это называют принципом  «лужи», т. к. датчики срабатывают лишь тогда, когда их контакты заливаются слоем воды толщиной не менее 3-5 мм.

Существующие гидросенсорные кабели имеют следующие недостатки:

- зависимость от места установки, т. е. это должны быть самые «низкие» точки контролируемых помещений, так как при малейших уклонах полов наблюдается запаздывание в обнаружении залива водой;

- низкая чувствительность по воде (порог срабатывания), не позволяющая зафиксировать начало появления воды – микропротечек, которые являются непосредственными предвестниками больших аварий;

-  принципиально не могут «работать», на потолках и стенах.

Последнее ограничение является основным недостатком существующих гидросенсоров. На практике, в большинстве случаев протечки сверху в многоэтажных домах являются первыми признаками  затоплений, т. к. первые следы воды появляются на потолках и стенах.

Отсутствие возможности вовремя отреагировать на начало затопления приводит к существенным задержкам в обнаружении протечек, пока вода сверху не образует на полу слой воды и смогут сработать традиционные датчики. Результатом такой задержки является резкое увеличение объёмов убытков от затоплений.

Новый разработанный сорбционный гидросенсорный кабель  (СГК) позволяет исключить перечисленные выше недостатки традиционных систем детектирования утечек воды и водяного пара [3, 4]. Как следует из названия самого гидросенсорного кабеля, принцип его работы основан на явлении сорбции, т. е.  поглощения воды. На рис. 2 представлена конструкция СГК и фотография некоторых образцов кабеля. 

  а)  б)

Рис. 2. Конструкция сорбционного гидросенсорного кабеля (а) и его фотография (б).

СГК состоит (рис. 2а) из двух параллельных сенсорных элементов, представляющих собой гибкие  металлические жилы 6 с оболочкой 5 из эластичного электропроводного полимерного композита 5.  Вся эта конструкция помещена в «сорбционный» чехол 2, изготовленный из капиллярного пористого волокнообразного материала 3, обладающего в сухом  состоянии  высокими диэлектрическими свойствами. Вода 1, соприкасаясь с чехлом 3, например, в виде оплетки, за счёт сорбционных свойств материала оплетки начинает распространяться по толщине чехла, образуя слой воды 4, замыкающий электропроводящие поверхности сенсорных элементов и формирующий тем самым сигнал ∆Ub (рис 2а), свидетельствующий о факте попадания воды. После соответствующей процедуры обработки сигнала на пульте управления системой появляется сообщение о факте затопления и его координатах.

Удельное сопротивление электропроводного полимерного композита оболочки можно изменять в широком диапазоне. В связи с этим у СГК практически отсутствует нижний порог срабатывания по количеству попадающей на сего поверхность  воды. Экспериментально подтверждено срабатывание системы при  попадании капель воды массой от 0,02 г.

Высокий уровень  чувствительности СГК позволяет срабатывать не только при попадании на его поверхность воды, но и при воздействии пара на оболочку кабеля. Пар вначале конденсируется в виде капель воды  на поверхности сорбционного чехла, которые затем впитывается и замыкают в конечном итоге измерительную электрическую цепь.

Это позволило создать прототип первого в мире паросенсорного кабеля, способного детектировать воздействие на него водяного пара на любом участке своей длины, например, при прорыве паропровода.

Благодаря пористой и капиллярной морфологии структуры  сорбционной оплетки СГК  его работа полностью независима от фактора ориентации в пространстве и от фактора гравитации. СГК возможно прокладывать на потолке, стенах, на наклонных поверхностях, в то время как существующие на рынке сенсоры работают только на горизонтальных поверхностях, на полах.  Таким образом, разработанные СГК являются первыми 3D гидросенсорными датчиками, позволявшими эффективно контролировать весь объём помещения.

СГК способен обнаружить самую раннюю стадию появления воды в любой точке контролируемого объекта. Например,  СГК позволяет регистрировать появление первых капель воды в момент образования микротрещин в ответственных, работающих под большими давлениями паро и водопроводах.

Более того, благодаря СГК впервые появилась возможность объективно, без визуального осмотра детектировать начало появления сырости, образования конденсата и даже некоторых видов плесени на любых поверхностях полов, стен и потолков. 

Как представлено на рис. 3, разработанные СГК позволяют существенно расширить возможности гидросенсоров для детектирования воды и водяного пара практически в любой точка контролируемого ими пространства.

  а)  б)

Рис. 3. Варианты построения систем раннего обнаружения протечек воды и прорывов пара на основе СГК: а) с сигнальным устройством в виде GPS датчика оповещения;

б) схема работы автономных систем с блокирующими вентилями

Таким образом, СГК может служить основой систем раннего предупреждения о несанкционированных протечках воды и водяного пара, как в отдельных технологических зонах контроля, так и в распределенных системах, например, для контроля объектов ЖКХ мегаполисов.

Следует также отметить, что разработанные сенсоры могут использоваться не только как детекторы воздействия воды, но и для обнаружения утечек практически всех электропроводящих жидкостей.

Выводы.

В ходе выполнения работы разработаны базовые технологии и рецептуры  производства электропроводного полимерного композита для сенсорной оболочки кабеля.

Разработаны и запатентованы различные  конструкции гидросенсорного кабеля для индикаций протечки воды, прорыва пара и превышения допустимой влажности контролируемых объектов.

Проведено тестирование лабораторных и промышленных образцов  гидросенсорного кабеля.

На 18-м Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» разработка «Система раннего обнаружения протечек воды и пара в жилищно-коммунальном хозяйстве г. Москвы» была удостоена специального приза в номинации «Лучшее изобретение в интересах жилищно-коммунального хозяйства города Москвы».

Проект «Первый в мире паро-гидросенсорный кабель – основа систем раннего предупреждения критических ситуаций протечек воды и прорывов пара» прошел экспертный отбор как стартап «Фонда Сколково» и в финале всероссийской стартап-конференции «Startup village» занял по сумме баллов международного жюри третье место в секции: «Датчики, сенсоры и системы промышленного контроля». Проект получил в Фонде «Сколково» положительное заключение,  как проект потенциального Участника Фонда «Сколково».

Список литературы

Trace Tek Leak Detection Product Selection Guide for Water Sensing Systems. USA.

http://www. tracetek. de/pdf/en/Selectionguide%20Water%20Sensing%20Systems%20h53874.pdf

Distance-Read Controllers for Leak Detection Systems. USA. http:///product-category/leak-detection-equipment/rle-distance-read-controllers . , Датчик утечек электропроводящих жидкостей// Патент  РФ № 000 по заявке № 000 от 01.01.2001. , Мультисенсорный датчик критических ситуаций// Патент РФ № 000 по заявке № 000 от 01.01.2001.