Спосіб контролю працездатності композитного балона високого тиску

Реферат: Спосіб контролю працездатності композитного балона високого тиску полягає у тому, що намотування композиційного шару проводиться за розрахунковою траєкторією стрічкою з ниток армуючого матеріалу, у яку введено щонайменше одне оптоволокно. При цьому намотування проводиться таким чином, щоб на кожному витку або напіввитку намотування оптоволокно виводилося зі стрічки в зонах із кутом армування, близьким до 90 , і збиралося в джгути з сусідніми відводами оптоволокна в межах певного сектора та підключалося одним кінцем до джерела випромінювання, а іншим - до приймача. Як джерело можуть використовуватись як оптичні, так і лазерні діоди, а як приймач використовується КМОП-матриця розміром nn, підключена до електронної системи аналізу та оповіщення, у якій по зміні картини світла, яке проходить по світловодах, визначається ймовірність втрати працездатності. UA 88273 U (12) UA 88273 U UA 88273 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до газової апаратури, а саме до способів і пристроїв контролю працездатності композитних балонів високого тиску (БВТ), і може бути використана у процесі експлуатації композитних балонів різної місткості, призначених для використання в різних пристроях, починаючи від дихальних апаратів і закінчуючи баками космічних кораблів. Переважно пропонована корисна модель належить до металопластикових балонів і балонів з полімерним лейнером, у яких зовнішня композитна оболонка є основним несучим елементом корпусу балона, а лейнер служить герметичною оболонкою і має товщину стінок, при якій матеріал лейнера може знаходитися в області пружнопластичного деформування або близької до нього при робочому тиску. Ємності, що працюють під тиском, являють собою об'єкти підвищеної небезпеки, руйнування яких у процесі експлуатації може призвести до тяжких наслідків, викликати великий матеріальний збиток. Відомий спосіб дослідження утворення тріщин у композитних виробах, який полягає в тому, що при їх виготовленні використовують волоконно-оптичні світловоди, які намотують або укладають у матеріал матриці при формуванні виробу, і кінці відповідних світловодів з'єднують з джерелами і приймачами світла (див. патент SU № 1670505 А1, МПК G01N 3/32, 1991 p.). Основні недоліки способу - необхідність додаткових технологічних операцій по введенню волоконно-оптичних світловодів і організація подачі й прийому світлового сигналу на кожен волоконно-оптичний світловод. Відомий спосіб моніторингу деформацій БВТ для зберігання метану в транспортних засобах, що полягає в тому, що при виготовленні композитних БВТ в армуючий матеріал включено щонайменше один спіральний виток оптичного волокна, у якому розміщені на рівних відстанях один від одного решітки Брегга. Оптичне волокно підключене до оптичного джерела для подачі світлового випромінювання для передачі світлового потоку в оптичне волокно та електрооптичний детектор випромінювання відбитого від решітки Брегга світла (див. патент ЕР 0892244 А2, МПК G01М 11/08, 1999 p.). Основні недоліки способу - необхідність додаткових технологічних операцій з розміщення волоконно-оптичних світловодів, забезпечених решітками Брегга, складність та висока вартість апаратури реєстрації параметрів відбитого світлового потоку. Відомий спосіб виявлення ушкоджень композитних БВТ з використанням волоконнооптичної системи, який є найближчим технічним рішенням, прийнятим як прототип (див. патент US7212696 В2, МПК G01М 11/08, G02В 3/00, 2007 p.). Цей спосіб полягає в тому, що на намотаний балон, переважно після намотування просоченого армуючого матеріалу, але до затвердіння, наноситься рівномірна сітка з оптичного волокна таким чином, щоб конкретні точки вздовж волокна розміщувалися в конкретних точках поверхні балона. Після затвердіння вхід і вихід оптичного волокна (за допомогою оптичних з'єднувачів) з'єднуються з джерелами випромінювання (світлодіодами або твердотільними лазерами), а інший кінець або той же для відбитого світла, - з приймачем випромінювання (наприклад лавинним світлодіодом). Цей спосіб передбачає підключення оптичних приладів до оптоволокна у разі потреби. При цьому, навантажуючи БВТ, аналізують початкову картину, яку вважають еталонною. Потім при подальших навантаженнях аналізують світловий потік, який проходить або є відбитий, і визначають час і місце руйнування структури армуючого шару. Цей спосіб не припускає використання дорогих волокон, забезпечених решітками Брегга, і забезпечує контроль поверхневих шарів композиту, що важливо для діагностики ушкоджень при транспортуванні. Однак він не забезпечує постійного контролю цілісності композиту по товщині шару. Враховуючи, що руйнуванню композитів притаманний лавинний характер, вищеназвані недоліки цього способу можуть призводити до руйнування балонів у процесі експлуатації. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу контролю працездатності БВТ, що дозволяє визначати стан композитного шару по всьому об'єму і в будь-які моменти часу, забезпечуючи при цьому незначне збільшення маси конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі намотування композиційного шару проводиться за розрахунковою траєкторією укладання стрічкою з ниток армуючого матеріалу, у яку введено оптоволокно (переважно одномодове, малої товщини). При цьому намотування проводиться таким чином, щоб на кожному витку або напіввитку намотування оптоволокно виводилося зі стрічки в зонах із кутом армування, близьким до 90°, і збиралося в джгут з сусідніми виводами оптоволокна в межах певного сектора і підключалося одним кінцем до джерела випромінювання, а іншим - до приймача. При цьому як джерело можуть використовуватись як оптичні світлодіоди, так і лазерні, а як приймач використовується КМОПматриця розміром nn, яка підключається до електронної системи аналізу та оповіщення про припинення експлуатації. 1 UA 88273 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Спосіб реалізується наступним чином. На поверхню металевого або полімерного лейнера 1, забезпеченого полюсними фланцями 4, за розрахунковою траєкторією на верстаті з числовим програмним управлінням (ЧПУ), укладається стрічка 3 армуючого матеріалу шириною Н і висотою S, будуючи композитні шари 2, яка складається з ниток армуючого матеріалу 7 (склонитки, органонитки, вуглецева нитка, базальтове волокно) або джгута волоконно-оптичних світловодів, скляних або полімерних монониток 8 (фіг. 1-3). У процесі намотування в місці кута армування, близького до 90, що збігається з зоною, близькою до полюсних фланців, на кожному витку (випадок 1) або напіввитку (випадок 2) забезпечується вивід волоконно-оптичних світловодів. Після цього входи і виходи світловодів у межах сектора, обмеженого кутом ψ, об'єднуються в джгути входу 5 і виходу 6 (випадок 1) або джгути входу 5 і виходу у протилежного фланця, в межах сектора, обмеженого кутом ψ (випадок 2) (фіг. 2, 4-6). Після затвердіння композитної оболонки і джгутів входу та виходу світловодів торці останніх шліфуються і поліруються та з'єднуються з джерелами і приймачами випромінювання. Як джерела можуть використовуватися оптичні і лазерні світлодіоди. Як приймач використовується КМОП-матриця 9 розмірністю nn (фіг. 7). Кожна КМОП-матриця підключається до цифрового сигнального процесора (ЦСП) 10, який зв'язаний з електронною системою управління (ЕСУ) 11. Ця ЕСУ 11 аналізує сигнали, отримані від ЦСП 10 і у випадку небезпеки руйнування генерує керуючий сигнал і відправляє його на блок драйверів керуючих пристроїв 12 для включення електромагнітного клапана по зменшенню робочого тиску, якщо це можливо, та генерації сигналу тривоги для оператора або бортової системи, сигналу для М2М системи. Розмір КМОП-матриці вибирається залежно від кількості волоконно-оптичних світловодів, підключених до неї, і залежить від параметрів Н і S стрічки армуючого матеріалу, кількості світловодів у стрічці та кількості стрічок у секторі з кутом ψ. Принцип роботи системи полягає в тому, що при первинному навантаженні внутрішнім тиском оболонки, отримана картина у вигляді nn пікселів, кожен з яких має 256 градацій сірого, запам'ятовується ЦСП і потім порівнюється з отриманим в процесі експлуатації зображенням, за результатами якого приймається рішення про генерацію сигналу про припинення експлуатації або зменшення рівня робочого тиску. Запропонований спосіб дозволяє використовувати для детектування руйнування композитних БВТ недорогі, близькі за властивостями до основних армуючих компонентів матеріали. Це стало можливим унаслідок запропонованої схеми, за якої оптичне волокно укладається з мінімальними вигинами на ділянці від джерела випромінювання до приймача, а у випадку використання джерел і приймачів випромінювання напіввитку армуючого матеріалу як датчиків руйнування можливе використання як скляних, так і полімерних моноволокон, що дозволяє контролювати процеси руйнування по всій товщині композитного шару. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб контролю працездатності композитного балона високого тиску, який відрізняється тим, що намотування композиційного шару проводиться за розрахунковою траєкторією стрічкою з ниток армуючого матеріалу, у яку введено щонайменше одне оптоволокно, при цьому намотування проводиться таким чином, щоб на кожному витку або напіввитку намотування оптоволокно виводилося зі стрічки в зонах із кутом армування, близьким до 90 , і збиралося в джгути з сусідніми відводами оптоволокна в межах певного сектора та підключалося одним кінцем до джерела випромінювання, а іншим - до приймача, при цьому як джерело можуть використовуватись як оптичні, так і лазерні діоди, а як приймач використовується КМОПматриця розміром nn, підключена до електронної системи аналізу та оповіщення, у якій по зміні картини світла, яке проходить по світловодах, визначається ймовірність втрати працездатності. 2 UA 88273 U 3 UA 88273 U 4 UA 88273 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5