АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СТЕНД КАЛИБРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ СИГНАЛИЗАТОРОВ УРОВНЯ ЖИДКИХ И ТЕКУЧИХ СРЕД

Полезная модель относится к области метрологии и предназначена для калибровки ёмкостных датчиков, используемых при мониторинге уровня масла в маслобаках нагнетателя и двигателя газоперекачивающих агрегатов различных типов и модификаций.
Из уровня техники известен стенд калибровки измерителей-сигнализаторов уровня жидких и сыпучих сред (патент РФ на полезную модель 206300, опубл. 03.09.2021), принятый за прототип, в котором процесс калибровки ёмкостных датчиков осуществляется с использованием ручного привода (рукояти).
Недостатком использования ручного привода для поднятия и опускания датчика в измеряемую среду является то, что в процессе калибровки слесарь, выполняющий данную операцию, из-за собственного угла обзора на датчик либо по невнимательности может неправильно выставить уровень для внесения уставок (10% и 90% измеряемой среды), что приведёт к погрешности между отображаемым и фактическим уровнем измеряемой среды.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение точности процесса калибровки ёмкостных датчиков типа ИСУ100БИ путём автоматизации привода стенда калибровки.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, заключается в повышении точности калибровки ёмкостных датчиков, упрощении процесса калибровки и обеспечении возможности осуществлять калибровку и выставление уставок срабатывания одному человеку.
Технический результат достигается за счёт оснащения стенда калибровки ёмкостных датчиков автоматизированным приводом управления, который состоит из блока управления, соединённого с шаговым двигателем.
Блок управления представляет собой короб с крышкой, внутри которого статически закреплены плата управления на базе микропроцессорного контроллера Arduino UNO с установленной в ней программой управления шаговым двигателем, соединённая с макетной платой, на которой установлены элементы управления (кнопки) и, последовательно соединенные с кнопками, добавочные резисторы для увеличения чувствительности кнопок, а также соединённая с силовым драйвером посредством монтажного одножильного провода. В крышке блока управления предусмотрены отверстия для вывода элементов управления (кнопок) наружу.
Соединение силового драйвера и шагового двигателя осуществляется при помощи монтажного пятижильного кабеля. Электропитание автоматизированного привода осуществляется посредством соединения блока питания 5-12 В и силового драйвера двухжильным кабелем.
Все элементы автоматизированного привода, за исключением шагового двигателя, установлены в блок управления приводом. Кнопки блока управления для удобства использования расположены на лицевой части блока управления.
Установленная в плате управления программа управления шаговым двигателем допускает внесение корректировок в программный код для изменения количества оборотов шагового двигателя за один цикл, что позволяет менять данную программу для емкостных датчиков в зависимости от длины чувствительного элемента датчика.
Автоматизированный стенд калибровки ёмкостных датчиков представляет собой жёстко установленное на четырёх опорах неподвижное основание с вертикально установленными на нём шпилькой и направляющей подъёмного механизма, причём шпилька установлена с возможностью вращения вокруг своей оси, которая обеспечивается жёстко закреплённым в неподвижном основании подшипником, с внутренним диаметром, соответствующим диаметру шпильки, а по всей длине шпильки нанесена резьба. Подъёмная площадка, предназначенная для фиксации калибруемого датчика, установлена на направляющей посредством отверстия, а на шпильке посредством резьбового отверстия, выполненного в подъёмной площадке, с возможностью вертикального перемещения подъёмной площадки вдоль направляющей. В неподвижном основании установлена ёмкость с измеряемой средой посредством выполненного в основании отверстия, соответствующего диаметру ёмкости, а также обода, закреплённого на ёмкости с измеряемой средой, препятствующего вертикальному перемещению ёмкости. На неподвижном основании жёстко закреплен подшипник, в который установлен параллельно основанию вал шагового двигателя, также статически закреплённого на неподвижном основании. На конце вала установлена червячная спираль посредством шпоночного соединения, находящаяся в соединении с шестернёй, статически закреплённой на шпильке. Шаговый двигатель при помощи пятижильного кабеля соединён с блоком управления, а именно с размещённым в блоке управления силовым драйвером.
Автоматизированный привод (шаговый двигатель с блоком управления) стенда калибровки емкостных датчиков типа ИСУ 100БИ позволяет исключить воздействие человеческого фактора в процессе калибровки, а также осуществлять процесс в короткие сроки и с повышенной точностью.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых элементы устройства обозначены следующими позициями:
1. Неподвижное основание;
2. Шпилька;
3. Направляющая подъёмного механизма;
4. Подъёмная площадка с установленным датчиком ИСУ100БИ;
4а - резьбовое отверстие;
4б - отверстие для направляющей подъёмного механизма;
5. Ёмкость с измеряемой средой;
6. Обод ёмкости, фиксирующий её положение;
7. Подшипник для вала привода;
8. Вал привода;
9. Червячная спираль;
10. Шестерня;
11. Шаговый двигатель;
12. Блок управления;
13. Плата управления на базе микропроцессорного контроллера Arduino UNO, в котором устанавливается программа управления шаговым двигателем;
14. Силовой драйвер управления шаговым двигателем на два канала, осуществляющий электропитание шагового двигателя;
15. Макетная плата;
16. Кнопка погружения датчика ИСУ10БИ на 10% в измеряемую среду;
17. Кнопка погружения датчика ИСУ10БИ на 90% в измеряемую среду;
18. Кнопка возврата датчика ИСУ10БИ в исходное положение (красная);
19. Резисторы 2 Ом, для увеличения чувствительности отклика при нажатии кнопок управления шаговым двигателем;
20. Блок питания 5-12 В.
На фиг. 1 показан общий вид автоматизированного стенда для калибровки емкостных датчиков.
На фиг. 2 показана структурная схема автоматизированного привода стенда, где разноцветными линиями показаны монтажные провода.
На фиг. 3 - стенд калибровочный, вид сверху.
На фиг. 4 изображен датчик ИСУ10БИ.
На фиг. 5 изображена ёмкость (с измеряемой средой), на корпус которой нанесена шкала уровня измеряемой среды.
На фиг. 6 изображена подъемная площадка.
Автоматизированный стенд калибровки ёмкостных датчиков представляет собой неподвижное основание 1 с вертикально установленными на нём шпилькой 2 и направляющей 3, причём шпилька 2 установлена с возможностью вращения вокруг своей оси, которая обеспечивается жёстко закреплённым в неподвижном основании 1 подшипником, с внутренним диаметром, соответствующим диаметру шпильки 2, а по всей длине шпильки 2 нанесена резьба. Подъёмная площадка 4, предназначенная для фиксации калибруемого датчика, установлена на направляющей 3 посредством отверстия 4б, а на шпильке 2 посредством резьбового отверстия 4а, выполненного в подъёмной площадке 4, с возможностью вертикального перемещения подъёмной площадки 4 вдоль направляющей 3. В неподвижном основании 1 установлена ёмкость 5 с измеряемой средой посредством выполненного в основании отверстия, соответствующего диаметру ёмкости 4, а также обода 6, закреплённого на ёмкости 5 с измеряемой средой, препятствующего вертикальному перемещению ёмкости 5. На неподвижном основании жёстко закреплен подшипник 7, в который установлен параллельно неподвижному основанию 1 вал 8 шагового двигателя 11, на конце вала 8 посредством шпоночного соединения установлена червячная спираль 9, находящаяся в соединении с шестернёй 10, статически закреплённой на шпильке 2. Шаговый двигатель 11 соединён с блоком 12 управления, а именно с размещённым в блоке 12 управления силовым драйвером 14, при помощи пятижильного монтажного кабеля.
Закреплённый на неподвижном основании 1 блок 12 управления представляет собой короб с крышкой, в которой выполнены отверстия для вывода элементов управления (кнопок 16, 17, 18), внутри короба статически закреплена плата 13 управления на базе микропроцессорного контроллера Arduino UNO с установленной в ней программой управления шаговым двигателем 11, соединённая с макетной платой 15, с установленными на ней кнопками 16, 17, 18, добавочными резисторами 19, а также соединённая с силовым драйвером 14 управления шаговым двигателем 11 посредством монтажного одножильного провода.
Соединение силового драйвера 14 и шагового двигателя 11 осуществляется при помощи монтажного пятижильного кабеля. Электропитание автоматизированного привода осуществляется посредством соединения блока 20 питания 5-12 В и силового драйвера 14 двухжильным кабелем.
Работает устройство следующим образом.
Датчик для калибровки закрепляют на подъёмной площадке 4.
Нажатием на одну из кнопок (16, 17, 18) на блоке 12 управления:
Кнопки 16 (погружение датчика на 10% в измеряемую среду),
Кнопки 17 (погружение датчика на 90% в измеряемую среду),
Кнопки 18 (возврат датчика в исходное положение)
происходит вращение вала 8 шагового двигателя 11, горизонтальный вращающий момент преобразуется посредством вала 8, червячной спирали 9 и шестерни 10, статически закреплённой на шпильке 2, в вертикальный. Вращение шпильки 2 вокруг своей оси, за счёт контакта резьбы шпильки 2 и резьбового отверстия 4а подъёмной площадки 4, приводит в движение подъёмную площадку 4 в вертикальной плоскости (вверх и вниз), что позволяет регулировать высоту нахождения подъёмной площадки 4 с закреплённым на ней калибруемым датчиком относительно ёмкости 5 с измеряемой средой.
Калибровка датчика осуществляется с применением методики, указанной в руководстве по эксплуатации датчика ИСУ100БИ.
На ёмкости 2 стационарно, перед первым применением стенда, нанесены отметки (фиг. 5), соответствующие 0%, 10%, 20%…100% уровня жидкости. За 0% берётся верхний уровень измеряемой среды.
Разметка шкалы зависит от глубины резервуара, используемого в эксплуатации, т.е. если глубина рабочей зоны резервуара 700 мм, то шкала на емкости 2 для калибровки будет составлять 700 мм, если же глубина меньше или больше, то и отметки шкалы будут, соответственно, другими. Шкала наносится стационарно перед первым использованием.
Для нахождения процентного отношения погружения датчика в измеряемую среду необходимо произвести расчеты по формуле:
Lр.з./100=Х (мм),
где Lр.з. - длина рабочей зоны датчика в миллиметрах (фиг. 4),
X=1% погружения в измеряемую среду.
После этого проводят процедуру калибровки: Нажатием копки Кнопки 16 подъемная площадка 4 с закрепленным на ней датчиком погружается в измеряемую среду на 10% от рабочей зоны датчика и сверяется с физически нанесённой на ёмкость 5 отметкой «10%», в электронном преобразователе выставляется Уставка 1 (Уст.1), затем нажатием Кнопки 17 происходит процесс погружения датчика в среду на 90% и сверяется с физически нанесённой на ёмкость 5 отметкой «90%», в электронном преобразователе выставляется Уставка 2 (Уст. 2). Затем нажатием Кнопки 18 подъёмная площадка 4 с датчиком возвращается в исходное положение и датчик может быть демонтирован со стенда. После процедуры калибровки задают предупредительный и аварийный сигналы по понижению и повышению уровня масла в ёмкости 5. Уровень срабатывания данных сигнализаций в процентном соотношении от всей ёмкости зависит от специфики производства, где применяется датчик.
Пример реализации устройства.
Автоматизированный стенд калибровки ёмкостных датчиков уровня жидких и сыпучих сред был выполнен из неподвижного основания 1, жёстко установленного на четырёх опорах, с помощью посадочных пазов, приваренных к неподвижному основанию 1. Шпилька 2 и направляющая 3 подъёмного механизма закреплены на неподвижном основании 1 при помощи резьбового соединения с обратной стороны основания 1 гайками М14х1.5 и М30х2 соответственно. Подъемная площадка 4 закреплена на шпильке 2 через резьбовое соединение 4а гайки М16х1.5, приваренной к площадке 4. На направляющей 3 площадка 4 установлена в отверстие 4б. Вращение шпильки 2 вокруг своей оси обеспечивает подшипник с внутренним диаметром, соответствующим диаметру шпильки 2, приваренный в неподвижном основании 1. Вал 8 шагового двигателя 11 вставляется в подшипник 7, приваренный к неподвижному основанию 1, что обеспечивает возможность его вращения. Червячная спираль 9 установлена на вал 8 шагового двигателя 11 через шпоночное соединение, червячная спираль 9 находится в соединении с шестерней 10. Шаговый двигатель 11 (с вращающимся моментом >7 Н/м), статически закреплён на неподвижном основании 1 двумя металлическими скобами и электрически соединён с блоком управления 12.
Блок управления 12 представляет собой короб с крышкой, в которой выполнены отверстия для вывода элементов управления (кнопок 16, 17, 18). Внутри короба статически закреплены плата управления 13 на базе микропроцессорного контроллера Arduino UNO с установленной в ней программой управления шаговым двигателем 11, соединённая с макетной платой 15 и силовым драйвером 14, посредством монтажного одножильного провода 22-го калибра (диаметр 0.64 мм), при этом на макетной плате 15 установлены элементы управления (кнопки 16, 17, 18) и добавочные резисторы 19 для увеличения чувствительности отклика кнопок. Соединение силового драйвера 14 и шагового двигателя 11 осуществляется монтажным пятижильным кабелем с диаметром сечения провода 1 мм. Электропитание автоматизированного привода осуществляется посредством соединения блока 20 питания 5-12 В и силового драйвера 14 двухжильным кабелем 20 с диаметром сечения провода 1 мм.
Ёмкость 5 с измеряемой средой закреплена на неподвижном основании 1 посредством выполненного в неподвижном основании 1 отверстия, соответствующего диаметру ёмкости 5, и закрепленного на ёмкости 5 с помощью заклепок обода 6, который не дает ёмкости 5 передвигаться в вертикальной плоскости.