Датчик подтопления

Полезная модель относится к технической области измерений физических величин, в частности, к измерительным приборам уровня подтопления и может быть использована в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Известен комбинированный датчик уровня и температуры воды, реализующий датчик подтопления, который содержит поплавковый магниточувствительный сигнализатор уровня жидкости, выполненный на базе печатной платы датчика Холла, и соединенный с упомянутым сигнализатором блок управления (патент CN №213455759 U, опубл. 15.06.2021).
Упомянутый аналог в достаточной степени функционален и надежен. К его недостаткам следует отнести невозможность его интегрирования в распределенные цифровые системы экологического мониторинга на базе объектов освещения (дорожного, городского, сельского и т.п.) с использованием профильного для них протокола DALI ввиду отсутствия у него соответствующего интерфейса.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является датчик уровня воды/подтопления, который содержит поплавковый магниточувствительный сигнализатор уровня жидкости, выполненный на базе геркона, соединенный с упомянутым сигнализатором блок управления с интерфейсными входом и выходом и источник постоянного тока, обеспечивающий питание элементов датчика (патент RU №115930 U1, опубл. 10.05.2012).
Упомянутый прототип вполне функционален и прост в изготовлении и обслуживании, обладает двусторонним интерфейсом для встраивания в сетевые решения, однако обладает существенным недостатком - он не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы экологического мониторинга на базе объектов наружного освещения (дорожного, городского, сельского и т.п.) с использованием профильного для них протокола DALI ввиду несовместимости интерфейсов. Информационно: такая распределенная цифровая система мониторинга реализована в рамках программы КУЛОН ООО «Сандракс» (www.kulon.su [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.kulon.su/catalog/products-QULON/, свободный - (10.03.2022). К преимуществам использования системы управления освещением в целях экологического мониторинга следует отнести собственно ее наличие практически повсеместно (нет необходимости создавать сеть заново), весьма широкую и плотную разветвленность, удобство размещения соответствующих датчиков на опорах, кронштейнах, панелях и т.п.освещения, ее надежность и помехозащищенность.
Технической проблемой является устранение отмеченных недостатков известных технических решений.
Технический результат заключается в обеспечении возможности использования датчика подтопления в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Проблема решается, а технический результат достигается тем, что датчик подтопления, содержащий поплавковый магниточувствительный сигнализатор уровня жидкости, соединенный с упомянутым сигнализатором блок управления с интерфейсными входом и выходом и источник постоянного тока, снабжен интерфейсной шиной, включающей положительный провод DALI+ и отрицательный провод DALI-, совместно с отрицательным проводом источника постоянного тока объединенный с схемной землей, блок управления выполнен в виде микроконтроллера, снабженного входным компаратором напряжения и выходным транзисторным ключом, компаратор напряжения снабжен формирователем опорного напряжения, выполненным в виде последовательно соединенных резистора и стабилитрона, свободным концом резистора и свободным анодом стабилитрона соединенных соответственно с положительным проводом блока питания и схемной землей, а соединением между собой - с прямым входом компаратора напряжения, инверсный вход компаратора напряжения соединен с проводом DALI+ интерфейсной шины, выход компаратора напряжения соединен с интерфейсным входом микроконтроллера, а выходной транзисторный ключ выполнен в виде полевого транзистора n-типа, сток которого соединен с проводом DALI+ интерфейсной шины, исток соединен с проводом DALI- интерфейсной шины, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера.
Цифровые позиции на чертеже означают следующее:
1 - интерфейсный провод DALI+;
2 - интерфейсный провод DALI-, объединенный со схемной землей GND;
3 - схемная земля (GND);
4 - шина интерфейса;
5 - микроконтроллер;
6 - интерфейсный вход микроконтроллера;
7 - интерфейсный выход микроконтроллера;
8 - поплавковый магниточувствительный сигнализатор уровня жидкости;
9 - источник постоянного тока;
10 - положительный провод источника постоянного тока;
11 - отрицательный провод источника постоянного тока;
12 - входной компаратор напряжения;
13 - прямой вход компаратора напряжения;
14 - инверсный вход компаратора напряжения;
15 - выход компаратора напряжения;
16 - полевой транзистор n-типа;
17 - резистор;
18 - стабилитрон;
19 - соединение между резистором и стабилитроном формирователя опорного напряжения.
В соответствии с заявленной полезной моделью, датчик подтопления содержит поплавковый магниточувствительный сигнализатор 8 уровня жидкости (например, серийно выпускаемые фирмой ТЕКО одноуровневые сигнализаторы DUG1 или DUG2; принцип работы поплавкового магниточувствительного сигнализатора уровня жидкости прост: поплавок с магнитом внутри, свободно движется по неподвижно установленной в водопроницаемом корпусе вертикальной направляющей в соответствии с уровнем поступающей в корпус жидкости, как только жидкость поднимается до намеченной точки, происходит взаимодействие магнита с закрепленным выше герконом или датчиком Холла, который выдает электрический сигнал о достижении уровнем жидкости контролируемого значения), соединенный с упомянутым сигнализатором 8 блок управления с интерфейсными входом 6 и выходом 7 и источник постоянного тока 9. В этой части заявленный датчик подтопления совпадает с прототипом. В отличие от прототипа заявленный датчик подтопления снабжен интерфейсной шиной 4, включающей положительный провод 1 DALI+ и отрицательный провод 2 DALI-, совместно с отрицательным проводом 11 источника постоянного тока 9 объединенный с схемной землей GND 3. Блок управления выполнен в виде микроконтроллера 5, снабженного входным компаратором напряжения 12 и выходным транзисторным ключом в виде полевого транзистора n-типа 16. Компаратор напряжения 12 снабжен формирователем опорного напряжения, выполненным в виде последовательно соединенных резистора 17 и стабилитрона 18. Свободным концом резистор 17 соединен с положительным проводом 10 источника постоянного тока 9, анод стабилитрона 18 соединен с схемной землей 3, а соединение 19 между резистором 17 и катодом стабилитрона 18 формирователя опорного напряжения соединено с прямым входом 13 компаратора напряжения 12. Инверсный вход 14 компаратора напряжения 12 соединен с проводом 1 DALI+ интерфейсной шины 4, выход 15 компаратора напряжения 12 соединен с интерфейсным входом 6 микроконтроллера 5. а выходной транзисторный ключ выполнен в виде полевого транзистора n-типа 16, Сток полевого транзистора n-типа 16 соединен с проводом 1 DALI+ интерфейсной шины 4, исток соединен с проводом 2 DALI- интерфейсной шины 4, а затвор соединен с интерфейсным выходом 7 микроконтроллера 5. В дополнение отметим, что поскольку такие элементы, как микропроцессор, магниточувствительный сигнализатор и компаратор напряжения могут иметь различные параметры питания (например, 3 В, 5 В, 12 В и т.д.), то и источник тока следует подбирать с соответствующими выходными параметрами на, возможно, более, чем одном выходе. На чертеже в качестве примера обозначен источник постоянного тока с двумя выходами: на 12 В - для компаратора напряжения и на 3,3 В - для микропроцессора и магниточувствительного сигнализатора.
Заявленный датчик подтопления работает следующим образом.
Датчик подтопления (множество датчиков подтопления) устанавливается на/в элементах осветительной инфраструктуры, преимущественно на/в опорах дорожного освещения на необходимой высоте (высота подтопления). Опрос и сбор данных датчика подтопления (множества датчиков подтопления) осуществляется через интерфейс DALI с вышестоящего контроллера (не показан), осуществляющего одновременно и функцию управления освещением. Напомним, что интерфейс DALI представляет собой двунаправленный двухпроводный цифровой интерфейс, ориентированный для преимущественного использования в осветительной технике. DALI провода (DALI+ и DALI-) запитываются извне специальным источником питания 12-22 В с функцией ограничения тока, нормированного по величине в пределах, оговоренных в стандарте (0,25 А). По DALI проводам 1 и 2 между вышестоящим контроллером и микроконтроллером 5 датчика подтопления двунаправлено передаются битовые потоки данных. В свою очередь сигнализатор 8 соответственно фиксирует уровень подтопления. Как отмечалось выше, микроконтроллер 5 связан с сигнализатором 8 и считывает показания сигнализатора 8 (наличие или отсутствие сигнала подтопления), а сам при этом работает под управлением вышестоящего контроллера (не показан), общаясь с ним по шине 4 DALI посредством входного компаратора напряжения 12 и передавая ему данные о наличии или отсутствии факта подтопления посредством выходного транзисторного ключа. Как указывалось выше, выходной транзисторный ключ выполнен в виде полевого транзистора 16 n-типа. При поступлении на затвор транзистора 16 с интерфейсного выхода 7 микроконтроллера 5 высокого уровня, ключ (транзистор 16) открывается и замыкает провод 1 DALI+ на 3 GND, формируя низкий уровень на шине 4. Поскольку источник питания шины 4, как указывалось выше, имеет нормированное ограничение по току, то ток, протекающий через транзистор 16, также нормирован по величине. При поступлении на затвор транзистора 16 с интерфейсного выхода 7 микроконтроллера 5 низкого уровня, транзистор 16 закрывается и размыкает провода 1 DALI+ и 3 GND, на шине 4 формируется высокий уровень. Соответственно, последовательность высоких и низких уровней (битов) образует последовательный двоичный код. Сам битовый поток формируется микроконтроллером 5. Входной компаратор напряжения 12 принимает сигналы с вышестоящего контроллера по шине 4. При этом на прямом входе 13 компаратора напряжения 12, как указывалось выше, формируется опорное напряжение. При уровне на проводе 1 DALI+ напряжения ниже опорного, компаратор напряжения 12 формирует на выходе 15 и передает на интерфейсный вход 6 микроконтроллера 5 высокий уровень, при уровне на проводе 1 DALI+ напряжения выше опорного, компаратор напряжения 12 формирует на выходе 15 и передает на интерфейсный вход 6 микроконтроллера 5 низкий уровень. Обработка принимаемого битового потока так же осуществляется микроконтроллером 5.
Проведенные натурные эксперименты и результаты компьютерного моделирования показали, что сформированный заявленным образом в датчике подтопления двунаправленный цифровой интерфейс позволяет использовать заявленный датчик (множество датчиков) в распределенных цифровых системах мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI, обеспечивая требуемое качество измерений.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - обеспечение возможности использования датчика подтопления в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI - достигнут.