СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КЛЕММНОГО СОЕДИНЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G01K7/22 G05D23/24 

Изобретение относится к способу защиты электросети от короткого замыкания посредством регулирования температуры клеммных соединений и может быть использовано в промышленной и в бытовой аппаратуре для предотвращения пожароопасных ситуаций.

Широко известны плавкие предохранители, работа которых основана на последовательном включении предохранителя с потребителем электрического тока и разрыве электрической цепи с перегоранием плавкой вставки при превышении током номинального значения.

Такие предохранители повсеместно используются для защиты любого электрооборудования, например, для исключения перегрева проводов бытовой электрической сети в случае коротких замыканий. Однако в случае срабатывания плавкого предохранителя, дальнейшая работа цепи возможна только в случае замены сгоревшей вставки. К тому же, неграмотное увеличение номинального тока может повлечь за собой повреждение электропроводки от высокой температуры и вплоть до возникновения пожара.

Помимо плавких предохранителей часто используют автоматические выключатели, работа которых также основана на разрыве электрической цепи при превышении током номинального значения. При этом возможно повторное использование такого автомата защиты после перещелкивания его выключателей или снижения температуры ниже критической. Однако и в данном случае при нарушении условий использования чрезмерный ток может повредить розетки и другие элементы электроустановки, а также привести к возникновению пожароопасной ситуации. 

Известен способ работы устройства для контроля температуры (патент РФ №2023286, опубликовано 15.11.1994 г.), выбранный за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, заключающийся в том, что при включении питания 200 В управляющий ток, протекающий через управляющий электрод, выпрямляется на диодном мосте и через ограничитель напряжения запитывает делитель напряжения и компаратор, при этом напряжение на  неинвертирующем  входе компаратора больше, чем на инвертирующем входе, что вызывает срабатывание компаратора, который в свою очередь вызывает включение второго транзисторного ключа. Когда управляющий ток симистора достигает тока включения, симистор включается, а его выключение происходит, когда напряжение в сети уменьшается до нуля. В дальнейшем процесс повторяется. С увеличением температуры сопротивление терморезистора уменьшается, и когда напряжение на  неинвертирующем входе становится меньше, чем на инвертирующем входе, первый транзисторный ключ запирается и включение симистора становится невозможным. При этом терморезистор начинает остывать, его сопротивление увеличивается, а следовательно увеличивается и напряжение на  неинвертирующем входе компаратора. Когда напряжение на неинвертирующем входе станет больше, чем на инвертирующем входе, срабатывает компаратор, второй транзисторный ключ, и включается симистор.

Указанное решение позволяет не допустить нагрева электропроводки до критических показателей, продолжить питать потребителя, если температура снова снизится до нормы, а при повторном повышении температуры снова отключить потребителя, тем самым исключив оплавление изоляции электропроводки и её возгорание. Однако в данном случае клеммное соединение, в котором происходит перегрев, и терморезисторы, которые выступают в роли термодатчиков, удалены друг от друга и связаны между собой электрической связью. В итоге информация о перегреве наиболее уязвимойчасти - клеммного соединения - поступает на терморезисторы с задержкой, за время которой температура в клеммном соединении может возрасти до критического уровня, что увеличивает риск возникновения пожароопасной ситуации. Техническим результатом изобретения является получение оперативной и достоверной информации о тепловом состоянииклеммных соединений электрической цепи за счет исключения электрической связи между термодатчиками и клеммным соединением. Технический результат достигается при использовании способа контроля температуры клеммного соединения, заключающегося в том, что устанавливают металлическое устройство в клеммное соединение или в непосредственной близости от него, используют металлическое устройство в качестве основы для термодатчика, для измерения температуры используют свойство изменения электрического сопротивления тел при изменении температуры, с помощью исполнительной схемы производят измерение или сравнение, или контроль напряжения, значение которого зависит от изменения температуры, с заданным напряжением, и в случае повышения температуры до заданного значения или выше размыкают или разрывают электрическую цепь, а после понижения температуры ниже заданного значения замыкают или восстанавливают электрическую цепь.

Благодаря расположению металлического устройства в клеммном соединении или в непосредственной близости от него, а также использованию металлического устройства в качестве основы для термодатчика достигается максимальное приближение термодатчика к контролируемой части защищаемого объекта. Это позволяет обеспечить получение оперативной и достоверной информации о тепловом состоянии самой уязвимой, подверженной возгораниям части объекта защиты – клеммного соединения. Отсутствие электрической связи термодатчика с металлическим устройством исключает ложное срабатывание, что повышает достоверность информации. Только в такой совокупности взаимосвязей достигается технический результат - оперативность срабатывания.

Металлическое устройство может быть выполнено в виде штыревого металлического устройства для зажима в клеммном соединении, также в виде клеммы под гаечное соединение. В качестве металлического устройства можно также использовать штыревые контакты сетевой вилки. Кроме того, может быть использована любая конструкция металлического устройства, выполняющего роль термощупа, предназначенного для исключения электрической связи между термодатчиками и клеммным соединением.

Под непосредственностью близостью расположения металлического устройства, служащего основой для термодатчика, в рамках настоящего изобретения подразумевают, что металлическое устройство может быть расположено на расстоянии до одного метра от клеммного соединения.

В зависимости от конструктивных особенностей исполнительной схемы напряжение, зависящее от изменения температуры, могут измерять или сравнивать, или контролировать. Измерение и контроль напряжения возможны, например, в случае использования исполнительной схемы с управляемым стабилитроном (см. фиг. 5). Сравнение напряжения возможно, например, при использовании исполнительной схемы с инвертирующим компаратором, позволяющей получить низкий уровень сигнала на выходе компаратора (см. фиг. 1), также исполнительной схемы с неинвертирующим компаратором (см. фиг. 4).

Термины «размыкают» или «разрывают» электрическую цепь означают, что в электрической цепи прерывают подачу тока к потребителю. Термины «замыкают» или «восстанавливают» электрическую цепь означают, что в электрической цепи возобновляют подачу тока к потребителю. Выбор из термина «размыкают» или «разрывают» электрическую цепь, а также «замыкают» или «восстанавливают» электрическую цепь зависит от конструктивной реализации исполнительной схемы.

На фиг. 1 показана инвертирующая схема включения компаратора, реализующая заявляемый способ.

На фиг. 2а показан вид сверху используемого металлического устройства, на фиг. 2б - вид сбоку используемого металлического устройства.

На фиг. 3а показан металлическое штыревоеустрйоство для зажима в клеммном соединении, на фиг. 3б – металлическое устройство в виде клеммы под гаечное соединение.

На фиг. 4 показана неинвертирующая схема включения компаратора, реализующая заявляемый способ.

На фиг. 5 показана схема с управляемым стабилитроном, реализующая заявляемый способ.

На фиг. 1 изображена инвертирующая схема включения компаратора, реализующая заявляемый способ контроля температуры клеммного соединения, которая содержит компаратор 1, оба входа которого подключены к делителям напряжения. Первый делитель напряжения, подключенный к инвертирующему входу («-») компаратора 1, состоит из постоянного резистора 2 и терморезисторов 3 и 4, которые являются термодатчиками и могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Второй делитель напряжения, подключенный к неинвертирующему входу(«+») компаратора 1, состоит из постоянных резисторов 5 и 6. Выход компаратора 1 соединён с транзистором 7 и реле 8. Резистор 10 является ограничителем тока для светодиода 9, который служит индикатором перегрева клеммного соединения. Звуковая сигнализация 11 может быть дополнительно использована для оповещения пользователей о перегреве клеммного соединения.

Как известно, сопротивление терморезистора при комнатной температуре очень большое и уменьшается при нагревании. Согласно логике работы делителя напряжения, напряжение на инвертирующем входе компаратора 1 будет ниже при комнатной температуре и будет повышаться при нагреве терморезисторов 3 и 4.

Чтобы включать реле 8 в зависимости от температуры, необходимо установить порог переключения (температуру порога переключения). Для этого служит неинвертирующий вход компаратора 1, на который подаётся опорное (неизменяемое) напряжение. Это опорное напряжение задаётся постоянными резисторами5 и 6, которые выполняют роль делителя напряжения.

Компаратор сравнивает два уровня напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах. Если напряжение на инвертирующем входе  будет больше, чем на неинвертирующем входе, то выходное напряжение с компаратора 1 откроет транзистор 7 и вызовет срабатывание реле 8. Как только напряжение на инвертирующем входе при понижении температуры опустится ниже уровня напряжения на неинвертирующем входе, транзистор 7 закроется, реле 8 отключится.

Металлическое устройство любой конфигурации зажимается в клеммное соединение или находится на расстоянии до одного метра от него, то есть в непосредственной близости к месту возможного перегрева электропроводки, что позволяет быстро определять возникновение критической ситуации. В теле металлического устройства располагаются термодатчики – терморезисторы 3 и 4. Количество терморезисторов определяется количествомклеммных соединений, которые необходимо контролировать. Для максимально точной и быстрой передачи нагрева от металлического устройства к термодатчику последний смазан термопастой (фиг. 2а, фиг. 2б).

Наиболее распространенные виды металлических устройств - штыревое устройство для зажима в клеммном соединении (фиг. 3а) и в виде клеммы под гаечное соединение (фиг. 3б). Также в качестве металлического устройства можно использовать штыревые контакты сетевой вилки и контролировать температуру в розетке, в которую включена такая сетевая вилка с любой исполнительной схемой, реализующей заявляемый способ (не показано).

На фиг. 4 изображена неинвертирующая схема включения компаратора, реализующая заявляемый способ, которая содержит компаратор 12, оба входа которого подключены к делителям напряжения. Первый делитель напряжения, подключенный к неинвертирующему входу («+») компаратора 12, состоит из постоянного резистора 13 и терморезисторов 14 и 15, которые являются термодатчиками и могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Второй делитель напряжения, подключенный к инвертирующему входу («-») компаратора 12, состоит из постоянных резисторов 16 и 17. Выход компаратора 12 соединён с транзистором 18 и реле 19. Светодиод 20 с ограничителем тока в виде резистора 21 может служить индикатором перегрева клеммного соединения. Звуковая сигнализация 22 также может быть дополнительно использована для оповещения пользователей о перегреве клеммного соединения.

В данном случае напряжение на неинвертирующем входе компаратора 12 ниже при комнатной температуре и повышается при нагреве терморезисторов 14 и 15.Порог переключения (температура порога переключения) задается инвертирующим входом компаратора 12, на который подаётся опорное (неизменяемое) напряжение, определяемое делителем напряжения на основе постоянных резисторов 16 и 17.

Если напряжение на неинвертирующем входе  будет больше, чем на инвертирующем входе, то выходное напряжение с компаратора 12 откроет транзистор 18 и вызовет срабатывание реле 19. Как только напряжение на неинвертирующем входе при понижении температуры опустится ниже уровня напряжения на инвертирующем входе, транзистор 18 закроется, реле 19 отключится.

На фиг. 5 изображена схема с управляемым стабилитроном, реализующая заявляемый способ, которая содержит управляемый стабилитрон 23 с управляющим входом 24, подключенный к делителю напряжения, состоящему из постоянного резистора 25 и терморезистора 26 с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Катод стабилитрона подключен к катушке-реле 27, шунтирующему диоду 28, светодиоду 29 с ограничителем тока в виде резистора 30, который может служить индикатором перегрева клеммного соединения.

Ключевым элементом данного устройства контроля температуры клеммного соединения является управляемый стабилитрон 23. Как только напряжение на управляющем электроде 24 достигает уровня порогового срабатывания, управляемый стабилитрон 23 открывается, и ток проходит от плюса источника питания через катушку-реле 27, катод-анод управляемого стабилитрона 23 и далее – к минусу источника питания. Напряжение на управляющем электроде 24 задается делителем напряжения, состоящим из постоянного резистора 25 и терморезистора 26 с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. При повышении температуры клеммного соединения сопротивление резистора 25 остаётся постоянным, а сопротивление терморезистора 26 уменьшается.

Соответственно, с падением сопротивления терморезистора 26 повышается напряжение на управляющем электроде 24 управляемого стабилитрона 23. Как только это напряжение становится больше уровня порогового срабатывания, управляемый стабилитрон 23 открывается, срабатывает катушка-реле 27, отключая нагрузку (потребителя). Через некоторое время температура клеммного соединения снижается. Вместе с ним начинает падать температура терморезистора 26, что приводит к увеличению его сопротивления. Как только заданное постоянным резистором 25 соотношение сопротивления к увеличивающемуся в результате охлаждения сопротивлению терморезистора 26 обеспечит соответствующий баланс напряжений, при котором на управляющем электроде 24 управляемого стабилитрона 23 напряжение станет меньше уровня порогового срабатывания, управляемый стабилитрон 23 снова закроется и отключит катушку-реле 27. Цикл повторится.

В данном случае температура включения и отключения устройства контроля температуры клеммного соединения задаётся постоянным резистором 25. Ввиду того, что терморезистор 26 обладает определённой тепловой инерционностью из-за своей массы и защитного покрытия, его температура включения будет немного отличаться от температуры отключения. Диод 28 шунтирует возникающую в катушке-реле 27 ЭДС, вызываемую резким закрытием управляемого стабилитрона 23 и прекращением тока. Напряжение, возникающее на выводах катушки-реле 27, в этот момент может превысить напряжение питания в несколько раз и вывести из строя управляемый стабилитрон 23. Светодиод 29 с ограничительным резистором 30 предназначен для контроля состояния катушки-реле 27 (включено/выключено).

Изобретение позволяет не допустить перегрева электропроводки, предотвратить пожары от возгорания электропроводки систем электроснабжения жилых, административных и производственных объектов напряжением до 0,4 кВ, распространяемые от зажимов коммутационной аппаратуры.

Изобретение относится к способам защиты электросети от короткого замыкания посредством регулирования температуры клеммных соединений и может быть использовано в промышленной и бытовой аппаратуре для предотвращения пожароопасных ситуаций. Техническим результатом изобретения является получение оперативной и достоверной информации о тепловом состоянии клеммных соединений электрической цепи за счет исключения электрической связи между термодатчиками и клеммным соединением. Изобретение представляет собой способ контроля температуры клеммного соединения, заключающийся в том, что устанавливают металлическое устройство в клеммное соединение или в непосредственной близости от него, используют металлическое устройство в качестве основы для термодатчика, для измерения температуры используют свойство изменения электрического сопротивления тел при изменении температуры, с помощью исполнительной схемы производят измерение, или сравнение, или контроль напряжения, значение которого зависит от изменения температуры, с заданным напряжением, и в случае повышения температуры до заданного значения или выше размыкают или разрывают электрическую цепь, а после понижения температуры ниже заданного значения замыкают или восстанавливают электрическую цепь. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля температуры клеммного соединения, заключающийся в том, что устанавливают металлическое устройство в клеммное соединение или в непосредственной близости от него, используют металлическое устройство в качестве основы для термодатчика, для измерения температуры используют свойство изменения электрического сопротивления тел при изменении температуры, с помощью исполнительной схемы производят измерение, или сравнение, или контроль напряжения, значение которого зависит от изменения температуры, с заданным напряжением, и в случае повышения температуры до заданного значения или выше размыкают или разрывают электрическую цепь, а после понижения температуры ниже заданного значения замыкают или восстанавливают электрическую цепь.

2. Способ контроля по п.1, заключающийся в том, что в качестве исполнительной схемы используют инвертирующую схему включения компаратора, позволяющую получить низкий уровень сигнала на выходе компаратора, или неинвертирующую схему включения компаратора, позволяющую получить высокий уровень сигнала на выходе компаратора, или схему со стабилитроном.

3. Способ контроля по п.1, заключающийся в том, что металлическое устройство выполняют в виде штыревого металлического устройства для зажима в клеммном соединении, или в виде клеммы под гаечное соединение, или в виде штыревых контактов сетевой вилки.

4. Способ контроля по п.1, заключающийся в том, что устанавливают металлическое устройство на расстоянии до одного метра от клеммного соединения.