Стационарное мультисенсорное устройство Российский патент 2025 года по МПК F17D5/06 H05K5/06 

Изобретение относится к области непрерывного мониторинга и обеспечения безопасности промышленных объектов, а именно к устройствам акустической визуализации утечек газов в системах под давлением, нарушений герметичности вакуумных систем, диагностики механических дефектов, обнаружения электрических разрядов в высоковольтном оборудовании на основе анализа в реальном времени акустического поля в звуковом и ультразвуковом диапазоне частот, и может найти применение на объектах атомной, газовой, горной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и металлургической промышленности.

Из уровня техники известны устройства для дефектоскопии различных объектов и технологических процессов промышленных объектов, визуализирующие измеряемое акустическое поле в реальном времени. Такие устройства могут быть стационарными или мобильными, в том числе устанавливаемыми на беспилотные летательные аппараты, и в общем виде включают блок питания, блок приема видеосигналов и акустических сигналов, блок обработки и визуализации. Блок размещен в корпусе. Требования по безопасности использования таких устройств во взрывоопасных средах регламентируют требования по их взрывозащитному исполнению.

Известен акустический сканер (патент на полезную модель CN 220085052 U, опубл. 24.11.2023), включающий корпус, экран дисплея, микрофонную решетку, камеру, процессор, модуль измерения расстояния и прицельное устройство, причем микрофонная решетка, камера, модуль измерения расстояния и прицельное устройство закреплены на задней поверхности корпуса, а экран дисплея прикреплен к передней стороне корпуса. Дальномерный модуль и прицельное устройство расположены на одной стороне микрофонной решетки, процессор расположен в корпусе, а микрофонная решетка, камера, дальномерный модуль и прицельное устройство находятся в коммуникационной связи с процессором. По сканеру общая ориентация точки повреждения может быть предварительно оценена с помощью микрофонной решетки и камеры, кроме того, на задней поверхности корпуса также расположены модуль измерения расстояния и прицельное приспособление, чтобы можно было более точно получить информацию о расстоянии до точки повреждения и реализовать позиционирование источника звука. Микрофонная решетка включает в себя несколько микрофонов, и количество микрофонов определяется в соответствии с алгоритмом акустического формирователя изображения. Микрофоны ориентированы в виде множества радиально расходящихся дуг.

Наиболее близким по технической сущности является носимое мультисенсорное устройство (патент на полезную модель №227087, опубл. 05.07.2024), включающее металлический корпус, блок питания, блок приема видеосигналов, блок акустических сигналов, а также блок управления, обработки и визуализации, в который входят сенсорный дисплей и микрокомпьютер. Также устройство содержит блок искрозащиты, установленный внутри корпуса, при этом блок питания, блок управления, обработки и визуализации и блок искрозащиты залиты компаундом.

К недостаткам аналогов можно отнести невозможность работы во взрывоопасной среде в случае CN 220085052 U и ограниченное время работы во взрывоопасной среде, обусловленное конструкцией устройства, не предусматривающей возможность зарядки аккумулятора в процессе эксплуатации во взрывоопасной среде.

Кроме того, в ближайших аналогах отсутствуют схемы реализации защиты от импульсных помех и схема резервирования цепей питания и связи для обеспечения непрерывной работы изделия в режиме «24/7», что также делает время его эксплуатации во взрывоопасной среде ограниченным.

Техническая проблема состоит в необходимости разработки эффективного и безопасного стационарного мультисенсорного устройства, лишенного вышеприведенных недостатков и выполненного с возможностью работы во взрывоопасных зонах в непрерывном режиме.

Технический результат состоит в возможности обеспечения непрерывной системы электропитания и связи устройства в процессе его эксплуатации во взрывоопасной среде для бесперебойного получения информации от устройства.

Технический результат достигается тем, что в стационарном мультисенсорном устройстве, включающем корпус, а также установленные в нем блок питания, блок управления и обработки и блок искрозащиты, залитые компаундом, согласно изобретению блок питания содержит механизм резервирования цепей питания, а блок управления включает механизм резервирования канала связи.

Также в одном из вариантов реализации изобретения толщина слоя компаунда составляет не менее 5 мм.

Также в предпочтительном варианте реализации изобретения в качестве компаунда используют термоактивный, термопластический полимерный материал с широким диапазоном рабочих температур, высокой адгезией к металлам, а именно с прочностью связи компаунда с металлом с применением подслоя при отслаивании не менее 0,5 кН/м, прочностью не менее 0,8 мПа и твердостью 40-50 ед. Шор А.

Предпочтительно резервирование системы питания реализовано с помощью одновременного подключения двух источников питания PoE IEEE 802.3at, с использованием диодной развязки, обеспечивающей совместно с протоколом классификации PoE быстрое переключение на резервный источник питания в случае отказа основного. Разделение на роли основного и резервного источника определяется случайно при включении системы и является условным. Система защиты от импульсных помех реализована на синфазных дросселях и защитных диодах c допустимой импульсной мощностью рассеяния не менее 600 Вт. Резервирование цепей связи достигается за счёт наличия двух физических интерфейсов сети Ethernet и создания конфигурации отказоустойчивого соединения в операционной системе, используемой в вычислительном модуле, например Linux bonding.

Заявленные конструктивные особенности устройства позволяют исключить возникновение искры, а, следовательно, и искровое воспламенение взрывоопасной среды, а также исключают контакт взрывоопасной среды с нагретыми частями устройства. Так, снабжение устройства блоком искрозащиты позволяет ограничить выход неконтролируемых импульсов из контура взрывоопасных цепей, в который входят цепи блока питания и блока управления и обработки, к остальным функциональным блокам устройства. При этом заливка взрывоопасного контура вместе с платой искрозащиты исключает взаимодействие опасных газов с разогретой электроникой и электрическими цепями (платами этих блоков), которые потенциально могут вызвать термическое воспламенение, что обеспечивает возможность эффективной и безопасной дистанционной диагностики во взрывоопасных зонах в ультразвуковом и звуковом диапазонах частот.

Заливка взрывоопасного контура компаундом с толщиной обволакивающего слоя не менее 1 мм обеспечивает оптимальную герметизацию блоков в зависимости от их (блоков) конструктивного исполнения (взаимной конфигурации относительно друг друга, габаритных размеров, мощности).

Выполнение части элементов корпуса из металла усиливает достижение технического результата в частных вариантах эксплуатации устройства, а именно обеспечивает стекание накопленного на корпусе статического заряда в землю через цепи заземления.

Заявляемое изобретение поясняется фигурами, где на фиг. 1 изображено заявляемое устройство, вид спереди, на фиг. 2 - вид сбоку, на фиг. 3 - вид сзади, на фиг. 4 - разрез, на фиг. 5 изображен вычислительный модуль в разрезе.

При этом на фигурах позициями обозначены следующие составные части:

1 - крышка передняя;

2 - модуль видеокамеры;

3 - тепловизионный модуль;

4 - платы микрофонные;

5 - задняя крышка;

6 - крепление стандарта VESA;

7 - радиатор;

8 - плата питания и искрозащиты с резервированием;

9 - процессорный модуль;

10 - материнская плата;

11 - вводы питания и сети Ethernet;

12 - светодиоды индикации и соединения;

13 - крышка разъема отладки;

14 - плата соединительная.

В передней крышке (1) установлены модуль видеокамеры (2) и тепловизионный модуль (3), также к ней крепятся микрофонные платы (4) с установленными на них цифровыми MEMS-микрофонами, расположенными в следующих возможных конфигурациях - обеспечивающей формирование оптимальной диаграммы на частоте от 8 до 40 кГц направленности для получения наиболее контрастной акустической картины, отображающей электрические разряды и/или утечку газов либо обеспечивающей формирование оптимальной диаграммы на частоте 50 Гц до 20 кГц для получения наиболее контрастной акустической картины.

Внутри вычислительного модуля расположены:

• Блок питания и искрозащиты выполнен в виде платы питания и искрозащиты с резервированием (8), которая включает механизм резервирования цепей питания и содержащую элементы ограничения напряжения и тока цепи 12 В, обеспечивающие разрыв цепи питания всего устройства в случае превышения установленных значений напряжения и тока. Кроме того, на плате питания и искрозащиты реализованы искробезопасные цепи для обеспечения работы компонентов электроники, установленных за пределами компаунда, т.е. цепи, исходящие от платы питания и искрозащиты к модулю видеокамеры (2), тепловизионному модулю (3) и микрофонным платам (4).

• Блок управления и обработки выполнен в виде материнской платы (10) с установленным процессорным модулем (9). Материнская плата содержит два физических интерфейса сети Ethernet для механизма резервирования канала связи. В качестве процессорного модуля (9) может быть использован любой высокопроизводительный компьютер, обеспечивающий возможность анализа и обработки с подавлением помех многоканальных акустических сигналов в частотной и временной области с возможностью построения акустической картины, наложенной на видеоизображение в режиме реального времени.

• Выводы питания и сети Ethernet (11) для подключения устройства.

Платы, установленные на передней крышке (1), соединены с платами, установленными в вычислительном модуле с помощью соединительной платы (14).

Плата питания и искрозащиты с резервированием (8) и материнская плата (10) с установленным процессорным модулем (9) залиты компаундом, т.е. имеют обособленную взрывозащиту (помимо прочного исполнения корпуса вычислительного модуля). Плата питания и искрозащиты с резервированием (8) и материнская плата (10) с установленным процессорным модулем (9) могут быть залиты по отдельности (на фиг. не показано) или вместе, образуя единую герметизированную сборку, как показано на фиг. 5. В каждом из вариантов толщина слоя компаунда вокруг каждого залитого блока или герметизированной сборки, т.е. от блока/сборки и наружной поверхности компаунда, составляет не менее 1 мм. Толщина слоя зависит от конструктивного исполнения платы питания и искрозащиты с резервированием (8) и материнской плата (10) с установленным процессорным модулем (9) - их взаимной конфигурации относительно друг друга, габаритных размеров, мощности.

В качестве компаунда может быть использован термоактивный, термопластический полимерный материал с широким диапазоном рабочих температур, высокой адгезией к металлам (прочность связи компаунда с металлолом с применением подслоя при отслаивании не менее 0,5 кН/м), прочностью (не менее 0,8 МПа) и твердостью (40-50 ед. Шор А).

Задняя крышка (5) выполнена из металла для обеспечения стекания статического заряда (через цепи заземления) и, следовательно, исключения триггера возникновения искрового воспламенения взрывоопасной среды. Кроме того, на корпусе вычислительного модуля установлен радиатора (7) для эффективного охлаждения электронных блоков устройства (пассивная безвентиляторная система охлаждения).

Крепление стандарта VESA (6) на корпусе устройства позволяется закрепить на месте установки.

На корпусе устройства также расположены светодиоды индикации и соединения (12), которые показывают состояние работы изделия и разъем для откладки под крышкой (13) для первоначальной настройки устройства.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Стационарное мультисенсорное устройство для дистанционной диагностики обеспечивает многоканальный синхронный прием акустических сигналов в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот с помощью микрофонных плат (4), а также их совместную обработку с целью формирования узкой акустической диаграммы направленности и управления положением ее максимума по видеоизображению объекта наблюдения, полученного через модуль видеокамеры (2) или тепловизионный модуль (3), соединенные с вычислительным модулем с помочью соединительной платы (14). В результате обработки на вычислительном модуле с радиатором (7), закрепленном на задней крышке (5), состоящем из платы питания и искрозащиты с резервированием (8) и материнской платы (10) с установленным процессорным модулем (9), изделия формируется в реальном времени видеоизображение объекта мониторинга и визуализация создаваемого этим объектом акустического поля в разных диапазонах частот, что позволяет в автоматическом или интерактивном режиме (оператором/пользователем) определить и локализовать в пространстве возможное возникновение электрических разрядов в высоковольтном оборудовании или утечек газов из трубопроводов и/или резервуаров под давлением. Устройство крепится на место установки с помощью крепления стандарта VESA (6) и подключается через выводы питания и сети (11) к Ethernet сети предприятия по двум подключениям, включая основной и резервный. Обслуживающий персонал может с помощью светодиодов индикации и соединения (12) оценить состояние работы изделия, а через разъем для откладки под крышкой (13) произвести первоначальную настройки устройства. За счет подключения к устройству оператор имеет возможность варьирования параметров приема, обработки и записи принимаемых аудио- и видеосигналов, а также передачи записанных данных на удаленный персональный компьютер для их дальнейшего анализа. Стационарное мультисенсорное устройство в непрерывном режиме работы позволяет исключить нештатные ситуации в ходе производственных процессов, выполняемых во взрывоопасных зонах, а также исключить аварийные простои взрывоопасного производства.

Заявляемое изобретение поясняется примером.

Для оценки возможности обеспечения непрерывной системы электропитания и связи заявляемого устройства в процессе его эксплуатации во взрывоопасной среде для бесперебойного получения информации от устройства были проведены испытания.

Для этого было собрано стационарное мультисенсорное устройства, включающее корпус, блок искрозащиты, установленные в нем и залитые компаундом блок искрозащиты, блок питания, а также блок управления. Блок питания содержал механизм резервирования цепей питания, а блок управления и обработки механизм резервирования канала связи.

Устройство было установлено во взрывоопасной зоне для наблюдения за редуктором и было в эксплуатации в течение месяца. За это время устройство было подключено к двум независимым кабельным линиям электропитания, поэтому не произошло его отключения за счет механизма резервирования цепей питания, а его связь была постоянной без помех за счет механизма резервирования канала связи. Все это обеспечило возможность эффективной и безопасной дистанционной акустической диагностики оборудования и технологических процессов во взрывоопасных зонах в непрерывном режиме работы.

Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает исключение искрового и термического воспламенения взрывоопасной среды, а также обеспечивает непрерывное обеспечение электропитания и связи изделия, что обуславливает возможность осуществления эффективной и безопасной дистанционной акустической диагностики оборудования и технологических процессов во взрывоопасных зонах в непрерывном режиме работы.

Изобретение относится к области непрерывного мониторинга и обеспечения безопасности промышленных объектов. В устройстве содержатся модуль видеокамеры, микрофонные платы, а также установленные в корпусе блок питания, блок управления и обработки и блок искрозащиты, залитые компаундом, блок питания содержит механизм резервирования цепей питания, а блок управления включает механизм резервирования канала связи. Техническим результатом является возможность обеспечения непрерывной системы электропитания и связи устройства в процессе его эксплуатации во взрывоопасной среде для бесперебойного получения информации от устройства. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Стационарное мультисенсорное устройство, включающее корпус, модуль видеокамеры, микрофонные платы, а также установленные в корпусе блок питания, блок управления и обработки и блок искрозащиты, залитые компаундом, отличающееся тем, что блок питания содержит механизм резервирования цепей питания, а блок управления включает механизм резервирования канала связи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина слоя компаунда составляет не менее 5 мм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве компаунда используют термоактивный, термопластический полимерный материал с широким диапазоном рабочих температур, высокой адгезией к металлам, а именно с прочностью связи компаунда с металлом с применением подслоя при отслаивании не менее 0,5 кН/м, прочностью не менее 0,8 мПа и твердостью 40-50 ед. Шор А.