Автоматическая система контроля уровня воды Российский патент 2018 года по МПК G01F23/30 G01W1/00 

Изобретение относится к метеорологическим системам мониторинга окружающей среды и предназначено, в частности, для контроля и своевременной передачи информации о достижении максимального уровня весеннего половодья, паводковых и ливневых вод на участках железнодорожного полотна.

Известна система мониторинга окружающей среды (RU 2276393 С1, МПК G01W 1/00, опубл. 10.05.2006), содержащая метеооборудование с датчиками и ЭВМ метеоцентра, соединенные линией проводной связи. Метеооборудование установлено на опорах ЛЭП, а в качестве проводной линии связи использована линия электропередачи, подвешенная на опорах ЛЭП. Для контроля за подъемом уровня воды может быть использована видеокамера, подключенная к ПЭВМ.

К недостаткам данной системы мониторинга относятся ее сложность и высокая стоимость за счет использования большого количества высокотехнологического цифрового оборудования, а также невысокая электробезопасность, поскольку на проводах ЛЭП присутствует достаточно высокое напряжение.

Известен датчик оповещатель уровня воды в водоемах (RU 113354 U1, МПК G01F 23/00, опубл. 10.02, 2012), состоящий из рейки с нивелирной разметкой и закрепленным на ней электронным метроштоком, содержащим вертикально размещенный корпус индикатора, в котором смонтированы световое, звуковое и радиосигнальное устройства. Индикационные электроды установлены с возможностью их защиты от механических повреждений, дождя, льда и снега при помощи металлического зонтика, при этом упомянутые электроды выполнены с возможностью автоматического включения электронной схемы и оповещения при достижении водой контрольных или критических отметок уровня в водоемах.

Однако надежность такого оповещателя невысока, т.к. в качестве источника питания используется автономный источник питания в виде аккумуляторной батареи (3…12В) с ограниченным сроком службы. При разрядке батареи система перестает работать. Следовательно, требуется регулярная замена источника питания, что приводит к усложнению обслуживания и повышению эксплуатационных расходов. Из-за использования автономных источников питания, радиопередающее устройство является маломощным и не может обеспечить большой радиус действия. Радиус действия световой и звуковой индикации ограничен расстоянием прямой видимости. Существует возможность ложных срабатываний при загрязнении электродов датчика.

Известна система мониторинга наводнений и датчик уровня воды (RU 115930 U1, МПК G01W 1/00, G01F 23/62, опубл. 10.05.2012), содержащая блок управления, к сигнальным входам которого подключены датчики уровня воды, датчики несанкционированного доступа, датчики температуры воды и пульты централизованного наблюдения, снабженные блоком коммуникаций. Блок управления снабжен устройствами приема-передачи, которые выполнены с возможностью обеспечения двусторонней беспроводной связи между пультами централизованного наблюдения и блоком управления, и возможностью отправки информационных сообщений пользователям системы. К мультимедиа-входам блока управления подключены микрофоны, а к сигнальным входам блока управления подключены устройства оповещения. Датчик уровня воды содержит снабженный отверстиями корпус с размещенным в нем трубкой из немагнитного материала. В нижней части трубки размещен геркон, а в верхней части трубки с возможностью свободного движения размещен магнит, жестко закрепленный на поплавке, охватывающим трубку. Поплавок установлен с возможностью свободного движения относительно трубки.

Известная система сложна конструктивно и содержит элементы, избыточные для практического применения во время чрезвычайных ситуаций и приводящие к существенному удорожанию ее комплектации и использования. Использование беспроводной системы передачи информации в условиях электромагнитных помех и отсутствия прямой видимости (лес, горы) не обеспечивает надежной передачи сигналов о наводнении. Для измерения уровня паводковых и ливневых вод, недостаточно надежно использование датчика уровня, состоящего из поплавка с магнитом и геркона, помещенных в трубку из немагнитного материала. Из-за возможного заклинивания поплавка при попадании в трубу мусора и грязи, или при замерзании воды и поплавка в трубе возможно несрабатывание либо ложное срабатывание датчика.

Изобретение направлено на решение задачи обеспечения безопасности и бесперебойного движения поездов, исключение отвлечения работников путевого хозяйства на наблюдательные посты, сокращение непроизводственных финансовых потерь, обеспечение сохранности локомотивного и вагонного парков, повышение уровня безопасности как работников железнодорожного транспорта, так и граждан, пользующихся его услугами.

Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении надежности автоматической системы контроля уровня воды, а также обеспечении возможности длительной работы без дополнительного технического обслуживания.

Указанный результат достигается тем, что автоматическая система контроля уровня воды содержит источник питания, блок управления, электрически соединенный с датчиками уровня, блок коммутации, пульт централизованного наблюдения и устройства оповещения, подключенные к сигнальным выходам блока управления. Источник питания и блок коммутации размещены в блоке управления, при этом выход источника питания подключен к входу блока коммутации, блок управления дополнительно содержит первый и второй дешифраторы, входы каждого из которых соединены с выходами источника питания и блока коммутации, а выходы соответственно соединены с первым и вторым устройством оповещения и панелью индикации.

В автоматической системе контроля уровня воды реализована полная диагностика состояния соединительных линий, т.е. производится обнаружение обрыва, короткого замыкания линий и отсутствия питания датчиков, что уменьшает вероятность ложной индикации. Использование в устройствах оповещения светосигнальных колонн, показания которых дублируются светодиодными лампами, размещенными на панели индикации блока управления, повышает надежность системы контроля.

Технический результат достигается также тем, что датчики уровня выполнены поплавковыми и закреплены раздельно в двух отсеках шкафа, в днище которого выполнены отверстия для пропуска воды, позволяющие предотвратить попадание крупных посторонних предметов в шкаф с датчиками.

Использование в качестве датчиков уровня тяжелых поплавков с большой подъемной силой, делает их работу независящей от наличия загрязнителей в шкафу и неблагоприятных погодных условий. Благодаря таким своим свойствам, поплавковые датчики уровня практически не требуют обслуживания, т.е. расходы на их содержание минимальны Дублирование компонентов системы, т.е. использование двух датчиков, двух соединительных линий и двух устройств оповещения, двукратно повышает надежность устройства, что вполне оправдано экономически, учитывая возможный ущерб от аварийных ситуаций.

Кроме того, источник питания выполнен регулируемым и содержит комбинацию из трех блоков питания.

Благодаря применению источника питания с широким диапазоном регулирования, достигается возможность увеличения расстояния от датчиков уровня до устройств оповещения до 25 км. При этом в качестве соединительных линий используются свободные провода магистрального кабеля связи, расположенного вдоль путей. Таким образом, экономятся средства, необходимые на прокладку и обслуживания линий. Кроме того, использование проводных соединительных линий, защищенных от внешних воздействий, увеличивает надежность информирования пользователей, т.к. отсутствует зависимость от помех, погодных условий, рельефа местности и т.д.

Применение недорогих комплектующих изделий, простота и оригинальность схемотехнических решений позволило реализовать систему с минимальными затратами. Автоматическая система контроля уровня воды проста в эксплуатации и не требует привлечения высококвалифицированных сотрудников.

На фиг. 1 изображена структурная схема автоматической системы контроля уровня воды; на фиг. 2 - шкаф с размещенными в нем датчиками уровня; на фиг. 3 - вид сверху фиг. 2.

Автоматическая система контроля уровня воды содержит электрически соединенные блок управления 1 (фиг. 1), шкаф 2 для размещения первого датчика уровня 3 и второго датчиков уровня 4, а также пульт централизованного наблюдения 5, включающий первое устройство оповещения 6 и второе устройство оповещения 7.

Блок управления 1 содержит регулируемый источник питания 8 и подключенные к его выходам блок коммутации 9, первый дешифратор 10, второй дешифратор 11.

Выходы первого дешифратора 10 и второго дешифратора 11 электрически соединены с панелью индикации 12, а также со входами первого устройства оповещения 6 и второго устройства оповещения 7.

Регулируемый источник питания 8 обеспечивает набор из нескольких напряжений (24В, 36В, 48В, 60В), комбинация которых позволяет подобрать оптимальное питающее напряжение первого и второго датчиков уровня 3 и 4, компенсирующее падение напряжения в соединительной линии (магистральном кабеле, длина которого может достигать 25 км). В данном примере регулируемый источник питания выполнен в виде комбинации трех блоков питания: двух БП15-Д2-24 (на 24В) и одного БП15-Д2-12 (на 12В).

Блок коммутации, выполненный на базе блока зажимов, обеспечивает соединение первого и второго датчиков уровня 3 и 4 с блоком коммутации 9, а также позволяет проводить подбор питающего напряжения для датчиков в зависимости от длины соединительной линии (магистрального кабеля).

Первый дешифратор 10 и второй дешифратор 11 в данном примере выполнены на модульных реле "Finder". Они определяют состояние датчиков уровня 3 и 4 по наличию/отсутствию соответствующих сигналов и формируют команды для панели индикации 12 блока управления 1 и устройств оповещения 6 и 7 пульта централизованного наблюдения 5.

Панель индикации 12 расположена на лицевой панели блока управления 1 и выполнена в виде трех пар светодиодных ламп красного, зеленого и желтого цвета. Комбинация из трех разноцветных ламп для каждого датчика уровня 3 и 4 обеспечивает информирование оператора о следующих состояниях датчиков:

- нормальная работа, уровень воды ниже критического;

- аварийный уровень воды на контролируемом участке (датчик сработал);

- обрыв сигнальной цепи датчика;

- замыкание сигнальной цепи датчика;

- отсутствие питания датчика.

Устройства оповещения 6 и 7 обеспечивают световую и звуковую сигнализацию о режимах работы датчиков уровня 3 и 4 и неисправностях в системе. Они выполнены на базе светосигнальных колонн (на чертеже не показаны) типа XVBC фирмы Schneider Electric, каждая из которых включает в себя светосигнальные блоки красного и зеленого цвета и звуковой сигнальный блок. Для каждого датчика индицируются следующие состояния:

- нормальная работа, уровень воды ниже критического;

- аварийный уровень воды на контролируемом участке (датчик сработал);

- обрыв сигнальной цепи датчика;

- замыкание сигнальной цепи датчика;

- отсутствие питания датчика.

Использование в устройствах оповещения одновременно световой и звуковой индикации аварийных сообщений, повышает уровень их восприятия обслуживающим персоналом.

Шкаф 2 (фиг. 2) выполнен в виде емкости с отверстиями 13 в днище, предназначенными для равномерного заполнения шкафа прибывающей водой. Эти отверстия выполняют также роль фильтра грубой очистки, препятствуя попаданию внутрь шкафа крупного мусора, содержащегося в паводковой воде.

Вертикальной перегородкой 14 шкаф 2 разделен на два отсека, в одном из которых закреплен хомутом первый датчик уровня 3, а в другом - второй датчик уровня 4. Оба этих датчика выполнены поплавковыми с внутренним балластом (в данном примере используются поплавковые датчики уровня типа AQUA XL фирмы ATMI).

На внутренней поверхности крышки шкафа 2 закреплена клеммная коробка 15, предназначенная для коммутации датчиков 3, 4 и соединительной электрической линии, идущей к блоку коммутации 9.

Шкаф 2 может быть смонтирован на вертикальной опоре (например, на раме, закрепленной на сваях, на стене и т.д.). Несанкционированный доступ к содержимому шкафа предотвращается его вандалоустойчивой конструкцией.

Работает автоматическая система контроля уровня воды следующим образом.

В отсутствии высокого уровня воды в зоне установки шкафа 2, датчики уровня 3 и 4 свободно лежат на его днище. При подъеме уровня воды, она поступает внутрь шкафа через отверстия 13. При этом датчики уровня поднимаются вместе с поверхностью воды, удерживаемые гибким кабелем. Замыкание контактов каждого из датчиков 3 и 4 происходит при подъеме их свободных торцовых частей выше горизонтального положения датчика. Предусмотрена возможность смещения уровня срабатывания датчиков внутри корпуса до 75 мм с целью подбора оптимальной изгибаемой длины кабеля. Большой вес поплавка датчика уровня (775 г) обеспечивает надежную работу в загрязненной паводковой воде с наличием мусора.

Сигналы от первого датчика уровня 3 и второго датчиков уровня 4 поступают соответственно на первый дешифратор 10 и второй дешифратор 11, которые в зависимости от состояния датчиков уровня (сработали или нет) и от исправности соединительной линии формируют сигналы для работы лампочек панели индикации 12, а также первого устройства оповещения 6 и второго устройства оповещения 7.

В номинальном режиме, при подключенных датчиках уровня 3 и 4 и отсутствии повреждений в кабеле связи, первый дешифратор 10 и второй дешифратор 11 зажигают на панели индикации 12 и на светосигнальных колоннах зеленые лампочки.

При аварийном затоплении контролируемого участка и срабатывании первого датчика уровня 3 или второго датчиков уровня 4, первый дешифратор 10 или второй дешифратор 11 формирует сигнал, который на панели индикации 12 зажигает красные лампочки, а также на соответствующие этим датчикам первом устройстве оповещения 6 или втором устройстве оповещения 7, размещенных на пульте централизованного наблюдения 5, загорается красный цвет и включается звуковой сигнал.

Кроме того, светосигнальные колонны устройств оповещения по сигналам дешифраторов 10 и 11 выполняет контролирующую функцию работоспособности системы:

- при обрыве цепи датчика световой индикации нет, звучит только звуковой сигнал;

- при замыкании цепи датчика горят и зеленая и красная лампа, и также звучит звуковой сигнал;

- при отсутствии питания в блоке управления (например, он выключен) нет ни световых ни звуковых сигналов.

Светодиодные лампочки на панели индикации 12 блока управления 1 дублируют сигналы светосигнальных колонн. Лампочки красного и зеленого цветов дублируют соответствующие цвета светосигнальных колонн, желтые лампочки на блоке управления загораются, когда звучит звуковой сигнал соответствующей колонны.

Автоматическая система предназначена для фиксации критического повышения уровня воды на контролируемой местности и передачи информации на пульт централизованного наблюдения. Содержит источник питания (8), блок управления (1), электрически соединенный с датчиками уровня (3, 4), блок коммутации (9), пульт централизованного наблюдения (5) и устройства оповещения (6, 7), подключенные к сигнальным выходам блока управления (1). Источник питания (8) и блок коммутации (9) размещены в блоке управления, при этом выход источника питания подключен к входу блока коммутации. Блок управления дополнительно содержит первый и второй дешифраторы (10, 11), входы каждого из которых соединены с выходами источника питания и блока коммутации, а выходы соединены с устройствами оповещения (6, 7) и панелью индикации (12). Технический результат, наблюдаемый при реализации заявленного решения, заключается в упрощении конструкции и повышении надежности автоматической системы контроля уровня воды, а также в обеспечении возможности длительной работы без дополнительного технического обслуживания. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Автоматическая система контроля уровня воды, содержащая источник питания, блок управления, электрически соединенный с датчиками уровня, блок коммутации, пульт централизованного наблюдения и устройства оповещения, подключенные к сигнальным выходам блока управления, отличающаяся тем, что источник питания и блок коммутации размещены в блоке управления, при этом выход источника питания подключен к входу блока коммутации, блок управления дополнительно содержит первый и второй дешифраторы, входы каждого из которых соединены с выходами источника питания и блока коммутации, а выходы соответственно соединены с первым и вторым устройством оповещения и панелью индикации.

2. Автоматическая система по п. 1, отличающаяся тем, что датчики уровня выполнены поплавковыми и закреплены раздельно в двух отсеках шкафа, в днище которого выполнены отверстия для пропуска воды.

3. Автоматическая система по п. 1, отличающаяся тем, что источник питания выполнен регулируемым и содержит комбинацию из трех блоков питания.

4. Автоматическая система по п. 1, отличающаяся тем, что в устройствах оповещения использованы светосигнальные колонны.

5. Автоматическая система по п. 1, отличающаяся тем, что блок управления дополнительно снабжен панелью индикации со светодиодными лампами, дублирующими показания светосигнальных колонн.