Традиционные системы водной сигнализации
Наличие систем сигнализации о наступлении критических ситуаций, связанных с водой и огнем — обязательное требование для функционирования практически всех технически сложных объектов. Без этого никуда.
Центральным элементом таких систем являются гидросенсоры — устройства, изменяющие свои электрические характеристики в результате попадания на них воды. Казалось бы, все просто.
Простейший и наиболее распространенный в России гидросенсор — это точечный датчик воды. Поступающая вода заливает контакты и замыкает электрическую цепь датчика, сигнализируя тем самым о факте поступления воды в контролируемую точку.
Но недостатки есть, и они существенные. Контакты необходимо изготавливать из материалов с хорошими антикоррозионными свойствами, в том числе из благородных металлов. А это дорого.
К каждому датчику в системе требуется подвести свою протяженную и дорогостоящую коммуникационную линию. Представьте масштаб затрат на большом объекте!
Гидросенсорные кабели: принцип работы
Этих недостатков лишены получившие распространение за рубежом гидросенсорные кабели. Они также работают на принципе залива водой сенсорных элементов. Но эти элементы представляют собой не точки, а пару параллельных проводов с оболочкой из специальной высокоэлектропроводящей пластмассы.
Провода обвиваются вокруг несущей конструкции кабеля. Поступающая вода постепенно увеличивает уровень и, достигнув сенсорных поверхностей, замыкает в месте протечки контролируемую электрическую цепь.
Принципиальное преимущество таких кабелей — возможность снятия сигнала буквально в каждой точке по всей длине кабеля. При этом сами сенсорные провода используются в качестве линии коммуникации.
Современные измерительные технологии позволяют точно локализовать и вычислить координаты места залива. Это серьезно.
Недостатки существующих решений
При всех своих преимуществах, гидросенсорные кабели имеют также ряд серьезных ограничений:
- ✖ очень чувствительны к малейшим уклонам полов, так как работают на принципе заливки, и поэтому зачастую выдаются неточные координаты затопления;
- ✖ принципиально не могут работать на потолках и стенах, а это на практике самые вероятные места первых проявлений затопления в помещении;
- ✖ порог их чувствительности в ряде ответственных применений недостаточен, чтобы зафиксировать момент начала несанкционированных появлений воды — предвестников больших аварий (микропротечки, малые течи).
Понимаете проблему? Существующие технологии не идеальны.
Сорбционный кабель нового поколения
Всех этих недостатков лишено новое решение для детектирования утечек воды — сорбционный гидросенсорный кабель (СГК).
Принцип работы этого кабеля основан на явлениях сорбции. Сорбция (от лат. Sorbeo — поглощаю) — это поглощение твердым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды.
Поглощаемое вещество, находящееся в среде, называют сорбатом, поглощающее твердое тело или жидкость — сорбентом.
В свою очередь, различают два типа адсорбции:
- Физическую адсорбцию, при которой повышение концентрации сорбата на поверхности раздела фаз обусловлено неспецифическими силами Ван-дер-Ваальса.
- Химическую адсорбцию (хемосорбцию), обусловленную протеканием химических реакций сорбата с веществом поверхности сорбента.
Конструкция и механизм действия
Конструкция сорбционного гидросенсорного кабеля включает несколько ключевых элементов. Кабель состоит из двух параллельных гибких сенсорных элементов — находящихся под напряжением металлических жил с оболочкой из высокоэлектропроводящей пластмассы.
От взаимозамыкания жилы предохраняются за счет диэлектрического пластикового прутка, обвитого вокруг них в виде восьмерок. Вся конструкция помещена в «сорбционный» чехол, изготовленный из капиллярно-пористого волокнообразного материала.
Этот материал обладает в сухом состоянии диэлектрическими свойствами. А что происходит при попадании воды?
Вода, соприкасаясь с чехлом за счет совокупности сорбционных и капиллярно-пористых эффектов, начинает впитываться — распространяться по толщине чехла. При этом образуется совокупность электропроводящих взаимопроникающих микроканалов.
В конечном итоге эти микроканалы замыкают электропроводящие поверхности двух сенсорных элементов. При замыкании генерируется сигнал, передаваемый далее по металлической сердцевине сенсорных элементов.
После соответствующей процедуры обработки сигнала на пульте управления появляется сообщение о факте затопления и его координатах. Все просто и гениально одновременно.
Детектирование водяного пара
Механизм работы и фактический уровень чувствительности СГК таковы, что он срабатывает на появление вблизи его поверхности воды в любом фазовом состоянии. Не только в виде жидкости, но и в виде пара.
Пар конденсируется в виде микрокапель на поверхности сорбционного чехла, которые затем впитываются и замыкают сенсорные жилы — генерируют соответствующий электрический сигнал.
Это позволило создать прототип первого в мире паросенсорного кабеля, способного детектировать воздействие на него практически любых количеств водяного пара на любом участке своей длины.
Иглообразная поверхность кабеля облегчает процесс конденсации пара на СГК, повышая его быстродействие.
Один СГК такой конструкции способен заменить десятки дорогостоящих, крупногабаритных точечных датчиков пара, работающих на принципе предварительного накопления конденсата.
Чувствуете разницу? Один кабель вместо десятков датчиков!
Сверхвысокая чувствительность системы
В силу механизма работы СГК у него практически отсутствует нижний порог срабатывания по количеству детектируемой воды. Экспериментально подтверждено «срабатывание» СГК при попадании на него микрокапель воды массой от 0,02 г.
0,02 грамма! Это невероятно.
Такой уровень чувствительности по воде делает возможным создание не имеющих в мире аналогов систем мониторинга появления микротрещин в ответственных, работающих под давлением системах паро- и водотрубопроводов:
- ★ ТЭЦ;
- ★ АЭС;
- ★ жилищно-городское хозяйство;
- ★ химические производства;
- ★ морской, речной, подводный флот.
Зафиксировать момент начала образования микротрещин в ответственных паро- и водотрубопроводах — это означает по существу вовремя предотвратить их развитие и катастрофические последствия неминуемого в дальнейшем прорыва труб.
Начало образования микротрещины связывается с появлением сопровождающих ее первых микрокапель воды либо малых количеств пара.
Эти микрокапли стекают по поверхности трубы вниз, где и фиксируются прикрепленным снизу сорбционным гидросенсорным кабелем.
Развернутые на основе СГК системы раннего обнаружения микротрещин позволяют, конечно, параллельно выполнять и стандартную для традиционных гидросенсоров функцию — регистрировать протечки фланцев, уплотнений, переходников и т. д.
Мониторинг микротрещин трубопроводов
Возможности системы действительно впечатляют. Представьте: вы можете обнаружить проблему до того, как она станет катастрофой.
| Объект мониторинга | Тип угрозы | Преимущества СГК |
|---|---|---|
| Тепловые электростанции | Микротрещины паропроводов | Раннее обнаружение, предотвращение аварий |
| Атомные станции | Утечки в системах охлаждения | Сверхвысокая чувствительность |
| Подводный флот | Нарушение герметичности корпуса | Работа в любых условиях |
| Химические производства | Коррозия трубопроводов | Устойчивость к агрессивным средам |
| ЖКХ | Износ водопроводных сетей | Долговечность, надежность |
Универсальность применения
Благодаря капиллярно-пористой морфологии структуры внешней оболочки СГК — сорбционного чехла, его работа полностью независима от фактора ориентации в пространстве.
Способность работать при любой ориентации в совокупности с высочайшей (по существу молекулярной) чувствительностью к воде позволяют СГК фиксировать появление таких широко распространенных и нежелательных событий, как:
- ✔ появление сырости;
- ✔ образование плесени (в ряде случаев);
- ✔ образование конденсата абсолютно на любых поверхностях — полах, стенах, потолках.
Такие возможности будут востребованы в многочисленных комплексах хранения продовольствия и специального оборудования:
- Системы Госрезерва МО и МЧС.
- Системы кондиционирования гражданского и промышленного назначения.
Они позволят свести к минимуму применяемый в настоящее время для этих целей визуальный контроль.
Перечисленные области применения не исчерпывают, а лишь иллюстрируют возможности применения в промышленности сорбционных гидросенсорных кабелей.
Технологии не стоят на месте. И это хорошо.
Владимир Степанович Кондратенко
д. т.н., профессор vsk1950@mail.ru
Юрий Иванович Сакуненко
к. т.н. teplostok.plastic@gmail.com
Литература
- Кондратенко В. С., Сакуненко Ю. И. «Энерготранспортирующие полимерные композиты и примеры их применения в объектах новой техники», Сборник трудов III научно-практической конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении», Институт машиноведения РАН, Москва, 2014 г.
- Кондратенко В. С., Сакуненко Ю. И. Мультисенсорный датчик критических ситуаций. Патент РФ № 2536766 по заявке № 2013155732 от 17.12.2013.
- Журнал "РИТМ", 2014, № 8.
