CZ37567U1

CZ37567U1 - A device for locating mechanical or thermal loading of electrical or optical lines and/or water, gas or steam pipelines

Info

Publication number: CZ37567U1
Application number: CZ2023-41479U
Authority: CZ
Inventors: Martin Ĺ etina; Martin Ing. Šetina; Mateusz Fijalkowski; Fijalkowski Mateusz Ing., Ph.D.; Stanislav PetrĂk; CSc. Petrík Stanislav doc. Ing.; Jiří Malík; Jiří Ing. Malík
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2023-11-20
Filing date: 2023-11-20
Publication date: 2023-12-13

Description

Zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubíA device for locating mechanical or thermal stress on electrical or optical lines and/or water, gas or steam pipes

Oblast technikyField of technology

Technické řešení se týká zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubí metodou TDR.The technical solution refers to a device for locating mechanical or thermal loads on electrical or optical lines and/or water, gas or steam pipelines using the TDR method.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Problém velké části dálkových energetických vedení, ať již potrubí nebo kabelů, je jejich uložení v zemi, nebo v problematicky přístupných lokalitách, takže je velmi obtížné dálkově monitorovat jejich stav a předcházet tak haváriím.The problem with a large part of long-distance power lines, whether pipes or cables, is that they are buried in the ground or in problematically accessible locations, so it is very difficult to remotely monitor their condition and thus prevent accidents.

V současné době je známa metoda TDR, což je zkratka pro Time Domain Reflectometry, sloužící k měření délky elektrického párového vedení a hledání poruch, kterými mohou být přerušení nebo zkrat. Přístroj TDR vysílá do elektrického párového vedení periodicky testovací napěťový impulz a vyhodnocuje čas vráceného odrazu, k němuž dochází na impedanční nehomogenitě, která je především na konci vedení způsobena rozpojenými nebo zkratovanými vodiči. Impedanční nehomogenitou mohou být například konektory, odbočky nebo jiné spoje, na kterých dochází k částečnému nebo úplnému odrazu. Ze známé rychlosti šíření signálu lze pak z času vypočítat vzdálenost mezi místem měření a místem odrazu. Tento způsob je využitelný zejména na sledování délky libovolného párového vedení, jako je dvojlinka nebo koaxiál, za předpokladu konstantní impedance v celé délce vedení.Currently, the TDR method is known, which is an abbreviation for Time Domain Reflectometry, used to measure the length of the electrical pair line and search for faults, which may be interruptions or short circuits. The TDR device periodically sends a test voltage pulse into the electrical pair line and evaluates the time of the return reflection, which occurs at the impedance inhomogeneity, which is mainly caused at the end of the line by disconnected or short-circuited conductors. Impedance inhomogeneity can be, for example, connectors, taps or other connections where partial or total reflection occurs. From the known propagation speed of the signal, the distance between the measurement point and the reflection point can then be calculated from the time. This method is particularly useful for monitoring the length of any pair of lines, such as a double line or coaxial, assuming a constant impedance along the entire length of the line.

Přístroje pro širší použití umožňují obvykle volbu z několika hodnot impedančního přizpůsobení, nastavení rychlosti šíření signálu, nastavení předpokládané délky vedení a další volby. Podle předpokládané délky vedení lze nastavit velikost a šířku testovacího napěťového impulzu.Devices for wider use usually allow a choice of several impedance matching values, setting the speed of signal propagation, setting the expected line length and other options. The size and width of the test voltage pulse can be set according to the expected length of the line.

Pomocí této techniky lze detekovat i poruchy vedení, například vniknutí vody, ale podmínkou je významné snížení izolačního stavu, řádově z 107 Ω pod 10³ /2, nebo přerušení alespoň jednoho vodiče. U běžného vodiče k takové změně dochází až při úplné destrukci, která představuje havarijní odstávku. Cílem technického řešení je tento stav odstranit a umožnit sledování poruch nebo poškození v libovolném místě vedení dříve, než dojde k jeho nevratnému poškození.Using this technique, it is also possible to detect line faults, for example water ingress, but the condition is a significant reduction in the insulation state, on the order of 107 Ω below 10 ³ /2, or a break in at least one conductor. With a normal conductor, such a change occurs only in case of complete destruction, which represents an emergency shutdown. The aim of the technical solution is to eliminate this condition and to enable monitoring of faults or damage at any point of the line before it is irreversibly damaged.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Podstata zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubí metodou TDR spočívá v tom, že obsahuje senzorické vedení s alespoň dvěma elektrickými vodiči, které jsou vzájemně odděleny dielektrikem, které je tvořeno nanokompozitem obsahujícím směs elektricky vodivých a elektricky nevodivých nanočástic.The essence of the device for locating the mechanical or thermal load of an electrical or optical line and/or a water, gas or steam pipe by the TDR method is that it contains a sensor line with at least two electrical conductors that are separated from each other by a dielectric that is formed by a nanocomposite containing a mixture of electrically conductive and electrically non-conductive nanoparticles.

Senzorické vedení je přitom tvořeno dvojlinkou, nebo čtyřmi elektrickými vodiči uloženými v dielektriku, nebo koaxiálním vedením s centrálním vodičem uloženým ve válcovém dielektriku, které je obklopeno válcovým elektrickým vodičem chráněným z vnější strany izolací.At the same time, the sensor line is made up of a double line, or four electric conductors placed in a dielectric, or a coaxial line with a central conductor placed in a cylindrical dielectric, which is surrounded by a cylindrical electric conductor protected from the outside by insulation.

Při použití senzorického vedení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení, je senzorické vedení s výhodou uloženo uvnitř elektrického silového kabelu nebo optického kabelu.When using the sensor line to locate the mechanical or thermal load on the electrical or optical line, the sensor line is preferably placed inside the electrical power cable or the optical cable.

- 1 CZ 37567 U1- 1 CZ 37567 U1

Při použití senzorického vedení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení vodního, plynového nebo parního potrubí je senzorické vedení uloženo na povrchu vodního, plynového nebo parního potrubí. Odborníkovi je zřejmé, že obdobná aplikace může být provedena i u silového elektrického nebo optického vedení. Výsledky však budou méně přesné než při uložení senzorického vedení uvnitř.When using the sensor line to locate the mechanical or thermal load of the water, gas or steam pipe, the sensor line is placed on the surface of the water, gas or steam pipe. It is clear to the expert that a similar application can also be made for power electrical or optical lines. However, the results will be less accurate than when storing the sensor lead inside.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Technické řešení bude dále popsáno podle přiložených výkresů, kde značí obr. 1 princip sledování pomocí dvojlinky, obr. 2 časový průběh napětí v závislosti na čase, obr. 3a, b, c řezy příkladnými provedeními senzorického vedení, obr. 4 až 6 grafy měření při laboratorním testování senzorického vedení.The technical solution will be further described according to the attached drawings, where Fig. 1 shows the principle of monitoring using a double line, Fig. 2 the time course of the voltage as a function of time, Fig. 3a, b, c sections of exemplary embodiments of the sensor line, Fig. 4 to 6 graphs of measurements in laboratory testing of sensory conduction.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of implementing a technical solution

Zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení nebo poškození kabelového vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubí, která jsou uložena v zemi, je tvořeno senzorickým vedením, které je v základním provedení tvořeno dvěma elektrickými vodiči (dvojlinkou), uspořádanými v unikátním, specificky vytvořeném dielektriku, například silikonovém elastomeru Polydimethylsiloxanu (PDMS), který byl dopován uhlíkovými jednostěnnými nanotrubičkami. Elektrické vodiče slouží jako elektrody a dielektrikum představuje senzorický materiál mezi elektrodami, takže při výrobě je třeba zajistit povrchovou čistotu vodičů a vzájemnou adhezi vodičů k dielektriku, tvořícímu senzorický materiál.The device for locating mechanical or thermal loads or damage to cable lines and/or water, gas or steam pipelines that are buried in the ground is made up of a sensor line, which in its basic design consists of two electrical conductors (double line) arranged in a unique, specifically created dielectric, for example the silicone elastomer Polydimethylsiloxane (PDMS), which was doped with carbon single-walled nanotubes. Electrical conductors serve as electrodes and the dielectric represents the sensory material between the electrodes, so during production it is necessary to ensure the surface cleanliness of the conductors and the mutual adhesion of the conductors to the dielectric, which forms the sensory material.

Toto senzorické vedení je uloženo do vnitřního prostoru elektrického nebo optického kabelu mezi vodiči při jeho výrobě, takže je jeho součástí. Nebo je senzorické vedení uloženo v obvodové části vedení nebo potrubí.This sensory line is placed in the interior of the electrical or optical cable between the conductors during its manufacture, so it is part of it. Or the sensor line is placed in the peripheral part of the line or pipe.

Vodiče senzorického vedení mají v nezatíženém stavu minimální reálný odpor a dielektrikum má v nezatíženém stavu nulovou svodovou vodivost, zatímco v zatíženém stavu je v místě zatížení dielektrikum vodivé, přičemž po odstranění zatížení se svodová vodivost dielektrika v příslušném místě vrátí na nulu. Změna svodové vodivosti dielektrika je tedy vratná.The conductors of the sensor line have minimal real resistance in the unloaded state and the dielectric has zero leakage conductivity in the unloaded state, while in the loaded state the dielectric is conductive at the point of load, and when the load is removed the leakage conductivity of the dielectric at that point returns to zero. The change in leakage conductivity of the dielectric is therefore reversible.

Obecně jsou vhodnými dielektriky pro taková senzorická vedení směsi elektricky vodivých a nevodivých submikronových částic vázaných v polymerní matrici. Taková dielektrika se používají například v tlakových senzorech Force Sensing Resistors® (FSR®), vyráběných např. Interlink Electronics, Tangio Printed Electronics.In general, suitable dielectrics for such sensor lines are mixtures of electrically conductive and non-conductive submicron particles bound in a polymer matrix. Such dielectrics are used, for example, in Force Sensing Resistors® (FSR®) pressure sensors, manufactured by e.g. Interlink Electronics, Tangio Printed Electronics.

Při mechanickém a/nebo tepelném zatížení dochází v místě zatížení ke zvýšené elektrické vodivosti dielektrika a k vratné lokální impedanční nehomogenitě. Testovací signál v podobě napěťového impulzu se vedením s konstantní impedancí šíří rovnoměrně definovanou rychlostí. V místě zatížení dochází k impedančnímu nepřizpůsobení, které způsobí částečný odraz signálu. Metodou TDR lze takto detekovat i několik míst impedanční nehomogenity současně až do vzdálenosti, ze které se ještě vrací měřitelný signál. Maximální detekční vzdálenost je tedy dána kvalitou vedení, velikostí testovacího impulzu a útlumem od částečných odrazů.In case of mechanical and/or thermal load, the electrical conductivity of the dielectric increases at the point of load and local impedance inhomogeneity is reversible. The test signal in the form of a voltage pulse propagates through a line with constant impedance at a uniformly defined speed. Impedance mismatch occurs at the point of load, which causes partial signal reflection. With the TDR method, even several places of impedance inhomogeneity can be detected simultaneously up to a distance from which a measurable signal is still returned. The maximum detection distance is therefore determined by the quality of the line, the size of the test pulse and the attenuation from partial reflections.

Princip detekce metodou TDR pomocí dvojlinky je znázorněn na obr. 1. Testovací napěťový impulz se z neznázorněného zdroje přivádí na začátek 1 dvojlinky a je veden na její konec 3, kde se v případě, že na dvojlinku senzorického vedení nepůsobí žádné zatížení/poruchy, odráží od rozpojeného konce vodičů dvojlinky, takže po sejmutí odrazu na začátku dvojlinky je informace o bezporuchovém stavu senzorického vedení. Pokud na senzorické vedení začne působit zatížení 2, dojde v místě působení zatížení k částečnému odrazu a pokud nejde o úplný zkrat, prochází část signálu dál po vodičích senzorického vedení až k odrazu od rozpojeného konce. Podle vzdálenostiThe principle of TDR detection using a double line is shown in Fig. 1. A test voltage pulse is fed from a source (not shown) to the beginning 1 of the double line and is led to its end 3, where it is reflected if there is no load/fault on the double line of the sensing line from the disconnected end of the two-line conductors, so that after removing the reflection at the beginning of the two-line, there is information about the fault-free state of the sensory line. If load 2 begins to act on the sensor line, a partial reflection will occur at the point of application of the load, and if it is not a complete short circuit, part of the signal will continue along the conductors of the sensor line until it is reflected from the disconnected end. By distance

- 2 CZ 37567 U1 částečného odrazu od začátku 1 se určuje poloha a velikost mechanického zatížení působícího na senzorické vedení. Časový průběh napětí U je znázorněn na obr. 2. Testovací impulz vyslaný neznázorněným zdrojem impulzů končí v čase A. Zdroj impulzů přechází do stavu vysoké impedance a sledují se změny v čase, které jím byly vyvolány v důsledku návratů odražených signálů. Čas na ose t lze převádět na vzdálenost vedení, neboť se signál šíří konstantní rychlostí. Velikost a tvar změny pak odpovídá povaze zátěže. Po odrazu v místě působení zatížení 2 pak dochází k poklesu napětí v čase B v důsledku částečného odrazu. Časový průběh odrazů je ukončen v čase C, který představuje návrat odrazu od rozpojeného konce. Poté může následovat vyslání dalšího testovacího impulzu.- 2 CZ 37567 U1 of the partial reflection from the beginning 1, the position and magnitude of the mechanical load acting on the sensory line is determined. The time course of the voltage U is shown in Fig. 2. The test pulse sent by the pulse source (not shown) ends at time A. The pulse source goes into a state of high impedance and the changes in time caused by it due to the return of the reflected signals are monitored. Time on the t-axis can be converted to line distance since the signal propagates at a constant speed. The size and shape of the change then corresponds to the nature of the load. After the reflection at the point of application of load 2, there is a voltage drop at time B as a result of partial reflection. The time course of the reflections is terminated at time C, which represents the return of the reflection from the disconnected end. This can be followed by sending another test pulse.

Na Oobr. 3 jsou znázorněna příkladná provedení senzorických vedení v řezu. obr. 3a znázorňuje výše popsanou dvojlinku, která obsahuje dva vodiče 4 uložené v dielektriku 5. Výhodou dvojlinky je snadná výroba, kdy postačí jedna extruzní hlava se dvěma průchozími vodiči 4. Nevýhodou je omezená senzorická schopnost, neboť citlivost dvojlinky se mění v závislosti na poloze vodičů 4 vůči působícímu zatížení. Tuto nevýhodu lze částečně odstranit stočením páru vodičů 4 při výrobě, což není znázorněno, nebo přidáním dalšího páru vodičů 4 otočeného o 90°. Takové čtyřvodičové uspořádání je znázorněno na obr. 3b a lze je použít jak na zjišťování místa působení zatížení, tak i pro detekci směru zatížení. Směr zatížení se určí komparační metodou porovnávání odražených signálů obou dvojic vodičů 4.In Fig. 3 shows exemplary embodiments of sensory lines in section. Fig. 3a shows the double line described above, which contains two conductors 4 embedded in a dielectric 5. The advantage of the double line is easy production, when one extrusion head with two through wires 4 is sufficient. The disadvantage is the limited sensory ability, as the sensitivity of the double line changes depending on the position conductors 4 to the applied load. This disadvantage can be partially eliminated by twisting the pair of conductors 4 during manufacture, which is not shown, or by adding another pair of conductors 4 rotated by 90°. Such a four-wire arrangement is shown in Fig. 3b and can be used both to detect the location of the load and to detect the direction of the load. The direction of the load is determined by the comparative method of comparing the reflected signals of both pairs of conductors 4.

Třetí příkladné provedení senzorického vedení je znázorněno na obr. 3c a je jím koaxiální senzorické vedení, které je sice nejnáročnější na výrobu, ale má vyšší citlivost, je odolnější vůči elektromagnetickému rušení a lze jím určit i směr působení zatížení. Koaxiální senzorické vedení je tvořeno centrálním vodičem 4, který je uložen ve válcovém dielektriku 5, které je obklopeno válcovým vodičem 6, který je z vnější strany chráněn ochrannou izolací 7. Válcový vodič 6 je vytvořen známým způsobem opletem, nebo Al fólií, nebo jejich kombinací.The third exemplary embodiment of the sensor line is shown in Fig. 3c and is a coaxial sensor line, which, although the most demanding to manufacture, has a higher sensitivity, is more resistant to electromagnetic interference and can be used to determine the direction of the load. The coaxial sensor line consists of a central conductor 4, which is housed in a cylindrical dielectric 5, which is surrounded by a cylindrical conductor 6, which is protected from the outside by a protective insulation 7. The cylindrical conductor 6 is formed in a known way by braiding, or Al foil, or a combination thereof .

Funkce zařízení pro sledování mechanického a/nebo tepelného zatížení senzorického vedení je založena na vlastnostech funkčního dielektrika 5 mezi vodiči 4, 6.The function of the device for monitoring the mechanical and/or thermal load of the sensory line is based on the properties of the functional dielectric 5 between the conductors 4, 6.

Elektrické vlastnosti senzorického vedení byly před použitím v terénu testovány nejprve v malém laboratorním měřítku mezi dvěma vodiči bez použití TDR metody. Pro simulování opakovaného mechanického zatížení byla použita běžná 3D tiskárna, u které byla tryska nahrazena pružinou o tuhosti 1840 N/m. Cyklickým pohybem ve vertikální ose „Z“ konstantní rychlostí 6 mm/min po dráze 14 mm tak docházelo k opakovanému mechanickému stlačování vzorku silou 0 až 26 N na ploše přibližně 254 mm². Aby byla ověřena i teplotní závislost, bylo využito vyhřívané podložky. Měření bylo provedeno nejprve za běžné teploty 23 °C a následně zopakováno s předehřátou podložkou na 40 °C a 60 °C. Měření odporu bylo prováděno můstkovým měřidlem GW Instek LCR-6002 a vzorkováno do PC s periodou 0,1s. V nezatíženém stavu byla hodnota odporu mimo měřitelný rozsah, proto je oříznuta na 10⁷/2. Testovaný materiál byl silikonový elastomer Polydimethylsiloxan (PDMS), který byl dopovaný uhlíkovými jednostěnnými nano-trubičkami. Grafy z měření jsou na obrázcích 4 až 6.The electrical properties of the sensor line were first tested in a small laboratory scale between two wires without using the TDR method before being used in the field. To simulate repeated mechanical loading, a regular 3D printer was used, in which the nozzle was replaced by a spring with a stiffness of 1840 N/m. Cyclic movement in the vertical "Z" axis at a constant speed of 6 mm/min along a path of 14 mm resulted in repeated mechanical compression of the sample with a force of 0 to 26 N on an area of approximately 254 mm ² . In order to verify the temperature dependence, heated pads were used. The measurement was first carried out at a normal temperature of 23 °C and then repeated with a preheated pad at 40 °C and 60 °C. Resistance measurements were made with a GW Instek LCR-6002 bridge meter and sampled to PC with a period of 0.1s. In the unloaded state, the resistance value was outside the measurable range, so it is trimmed to 10 ⁷ /2. The tested material was the silicone elastomer Polydimethylsiloxane (PDMS), which was doped with carbon single-walled nano-tubes. The graphs from the measurements are in Figures 4 to 6.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Senzorické vedení je optimalizováno pro konkrétní aplikaci a její běžné provozní stavy. Může být výrobcem kabelu zaintegrováno do silového vedení, nebo může být samostatně uloženo v jeho těsné blízkosti. Podle uložení se bude měnit rozsah pracovních teplot i rozsah mechanického zatížení. Je žádoucí, aby impedanční nehomogenitu vyvolalo až překročení limitů, které se vymyká běžnému provoznímu stavu. To může představovat nadměrné zahřívání elektrického vedení z důvodu proudového přetížení, nebo zhoršení elektrických vlastností části vedení. Další možností je nadměrné mechanické zatížení vyvolané geologickými procesy, stavební činností, nebo jinými vnějšími faktory. Senzorické vedení upozorní na kritické místo dříve, než dojde k nevratnému poškození. V případě sledování ostatních neelektrických potrubí je možné senzorickým vedenímSensor guidance is optimized for a specific application and its normal operating conditions. It can be integrated into the power line by the cable manufacturer, or it can be separately stored in close proximity to it. Depending on the storage, the range of working temperatures and the range of mechanical loads will change. It is desirable that the impedance inhomogeneity is only caused by exceeding the limits that deviate from the normal operating condition. This may represent excessive heating of the electrical line due to current overload, or deterioration of the electrical properties of a part of the line. Another possibility is excessive mechanical loading caused by geological processes, construction activities, or other external factors. Sensory guidance will alert you to a critical location before irreversible damage occurs. In the case of monitoring other non-electric pipelines, it is possible with sensor guidance

- 3 CZ 37567 U1 na vnějším plášti hlídat nadměrné mechanické zatížení (ohyb, tlak, krut), nebo zvýšení teploty v případě úniku páry, požáru a podobně. Nežádoucí a potenciálně nebezpečné stavy mohou být obecně zapříčiněny závadami vlastního vedení či potrubí, nebo mohou být vyvolány působením okolního prostředí.- 3 CZ 37567 U1 on the outer casing to monitor excessive mechanical load (bending, pressure, torsion), or temperature increase in case of steam leakage, fire, etc. Undesirable and potentially dangerous conditions can generally be caused by defects in the own line or pipeline, or they can be caused by the influence of the surrounding environment.

Claims

1. A device for locating the mechanical or thermal load of an electrical or optical line and/or a water, gas or steam pipe by the TDR method, characterized in that it contains a sensor line with at least two electrical conductors (4, 6) that are separated from each other by a dielectric ( 5) formed by a nanocomposite containing a mixture of electrically conductive nanoparticles and electrically non-conductive nanoparticles.

2. Device according to claim 1, characterized in that the sensory line is formed by a double line.

3. The device according to claim 1, characterized in that the sensor line contains four electrical conductors (4) embedded in a dielectric (5).

4. Device according to claim 1, characterized in that the sensor line is formed by a coaxial line containing a central electric conductor (4) placed in a cylindrical dielectric (5), which is surrounded by a cylindrical electric conductor (6) protected from the outside by insulation (7) .

5. The device according to any one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the sensor line is placed inside an electrical power cable or an optical cable.

6. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor line is placed on a water, gas or steam pipe.