УСТРОЙСТВО ИНДИКАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ПОПЛАВКА

Полезная модель относится к управлению или регулированию уровня, в частности может быть использована в нефтяной и газовой промышленности, энергомашиностроении, геотермальной энергетике для автоматического поддержания уровня жидкости в сепараторах.
Индикатор положения поплавка (далее - полезная модель) предназначен для формирования и выдачи аналогового сигнала токовой петли, величина которого пропорционально величине изменения угла наклона Полезной модели, относительно нормали гравитационного поля земли, в заданном диапазоне перемещений, между двумя точками.
Общие технические характеристики Полезной модели:
диапазон измеряемых угловых перемещений от 0 до 360°
максимальный угол между начальной и конечной точками 179°;
точность определения положения 0,6°
напряжение питания 24 В;
ток потребления, не более, 0,02 Α;
электрическая прочность изоляции цепей 1000 В;
габаритные размеры 179×122×76 мм;
масса 1 кг;
диапазон температур окружающей среды от -40 до+60°С.
Унифицированная токовая петля интерфейса связи RS485 протокола Modbus RTU - 4-20 мА.
Анализ уровня техники
Прототип не выявлен, однако в уровне техники выявлен ближайший аналог.
Из авторского свидетельства СССР SU 73648 известен индукционный поплавковый датчик для указателей тяги или расхода газов или жидкостей, отличающийся тем, что, с целью исключения влияния колебаний напряжения источника переменного тока, питающего датчик, применена компенсационная катушка, подвижной сердечник которой жестко связан с поплавком и которая включена в цепь приемника, питаемого от источника тока, автоматически регулируемого напряжением основной катушки датчика.
Из авторского свидетельства СССР № SU 21154 известен поплавковый указатель уровня воды в котлах с осью у несущего поплавок, рычага, пропущенной сквозь стенку котла и снабженной вне этой стенки поворотным указателем, отличающийся тем, что указатель сделан полым: и снабжен контактами, а также подвижным ртутным или вообще металлическим замыкателей, перемещающихся в полости указателя при изменении его наклона и служащим для замыкания в крайнем его, положении тока при помощи контактов, включенных в цепь сигнальных устройств.
Из опубликованной заявки на изобретение известен индикатор положения поплавка предназначен в качестве косвенного указателя уровня заполнения жидкостью сепарационной емкости или других систем автоматического и автоматизированного контроля, регулирования и управления в других областях техники, отличающийся тем, что при изменении положения механического поплавка в сепарационной емкости, индикатор положения поплавка формирует унифицированный аналоговый сигнал в диапазоне 4-20 мА, для измерения уровня жидкости используется величина проекции вектора силы тяжести на одну из трех чувствительных плоскостей акселерометра, используемого в составе индикатора положения поплавка.
Технический результат заключается в формировании и выдаче аналогового сигнала токовой петли, величина которого пропорциональна величине изменения угла наклона ИПП, относительно нормали гравитационного поля земли, в заданном диапазоне перемещений, между двумя точками. Указанный технический результат достигается тем, что ИПП содержит одноосевой цифровой инклинометр, установленный на тяге рычага поплавка сепаратора и передающий сигнал о положении поплавка на микроконтроллер, информация с которого поступает на цифро-аналоговый преобразователь, преобразующий сигнал в аналоговый сигнал токовой петли 4-20 мА.
Осуществление полезной модели
Полезная модель поясняется следующими чертежами, на которых:
фиг. 1 - общий вид индикатора положения поплавка;
фиг. 2 - схема монтажа индикатора положения поплавка;
фиг. 3 - блок-схема индикатора положения поплавка;
фиг. 4 - схема подключений к внешним цепям индикатора положения поплавка;
фиг. 5 - схема подключения токовой петли индикатора положения поплавка;
фиг. 6 - схема расположения кнопок управления и светодиодов индикатора положения поплавка.
Общий вид представлен на фиг. 1.
Полезная модель может использоваться на измерительных установках в качестве косвенного указателя уровня жидкости в сепараторах. Полезная модель устанавливается на тяге рычага поплавка сепаратора, как показано на фиг. 2.
Блок схема работы полезной модели представлена на фиг. 3.
Напряжение питания и выходные интерфейсы подключаются согласно схеме на Рисунке 4. Схема подключения аналогового выхода 4-20 мА представлена на Рисунке 5.
Описание клемм Полезной модели приведено в таблице:
Включение Полезной модели осуществляется путем подачи напряжения питания на клеммы 1 и 2, в течение двух секунд светодиоды индикации VD1 и VD4, показанные на фиг.6, обеспечивают мигание с частотой 5 раз в секунду. В основном режиме работы Полезной модели светодиод индикации VD4, показанный на фиг.6, оранжевого цвета обеспечивает мигание с частотой 1 раз в секунду. Светодиод индикации VD1 зеленого цвета обеспечивает мигание только при передаче данных по интерфейсу RS485.
В Полезной модели для передачи данных положения поплавка используется аналоговый сигнал токовой петли 4-20 мА, который является пассивным и требует подключения дополнительного источника питания для создания токовой петли.
Установка начального и конечного положения Полезной модели программируется с помощью тактовых кнопок по месту использования. После включения основного режима работы для входа в режим программирования необходимо зажать кнопку SB2, показанную на фиг.6 на печатной плате Полезной модели и удерживать ее в течении 5 сек. Во время нажатия на кнопку SB2 светодиод индикации VD4 обеспечивает мигание с частотой 10 раз в секунду. После входа в режим программирования светодиод индикации VD4 оранжевого цвета обеспечивает подсветку непрерывно. Выход из режима программирования происходит автоматически через 30 сек. после последнего действия. Так же выход из режима программирования осуществляется отключением напряжения питания Полезной модели.
Для установки начального и конечного положения рычага поплавка сепаратора осуществляется вход в режим программирования, как было описано выше. После входа в режим программирования в течение следующих 30 секунд запись значения начального положения «Сепаратор пустой» в регистр микроконтроллера осуществляется нажатием кнопки SB 1. Светодиод индикации VD4 оранжевого цвета обеспечивает мигание с частотой 2 раз в секунду, показывая, что установка начального угла закончена. После нажатия кнопки SB1 в течение следующих 30 секунд полезная модель фиксирует конечное положение «Сепаратор полный» и осуществляет запись в регистр контроллера значения конечного положения нажатием кнопки SB2. Светодиод индикации VD4 оранжевого цвета обеспечивает мигание с частотой 5 раз в секунду, показывая, что установка конечного угла закончена.
Переход из режима программирования в основной режим осуществляется нажатием кнопки SB2. При переходе из режима программирования в основной режим значения начального и конечного положения угла наклона рычага поплавка сепаратора будут изменены и записаны в память микроконтроллера. Светодиод индикации VD4 оранжевого цвета осуществляет мигание с частотой 1 раз в секунду, показывая, что полезная модель готова к работе.
Передача информации об угле наклона рычага поплавка сепаратора, как одновременно с аналоговым сигналом токовой петли 4-20 мА, так и раздельно, осуществляется через интерфейс RS485 протокол Modbus RTU.
В процессе использования Полезной модели происходят циклы «налива - слива» рабочей жидкости из сепаратора. Изменение уровня рабочей жидкости в сепараторе приводит к изменению положения поплавка, что в свою очередь ведет к изменению угла наклона рычага поплавка сепаратора и самой полезной модели, относительно плоскости земли. Полезная модель обрабатывает это изменение, формируя информационный сигнал о динамике изменения положения поплавка в сепараторе, относительно заданных положений «Сепаратор - пустой», начальный угол и «Сепаратор - полный», конечный угол.
Полезная модель выполнена на базе одноосевого цифрового MEMS инклинометра. Главным управляющим элементом Полезной модели является микроконтроллер. В качестве гальванической развязки используется высокоскоростной цифровой изолятор (далее - ВЦИ) и изолированный преобразователь постоянного напряжения (DC/DC). На плате установлен цифро-аналоговый преобразователь, преобразующий сигнал угла наклона рычага поплавка сепаратора в аналоговый сигнал токовой петли 4-20 мА. Также в Полезной модели установлен преобразователь интерфейса RS485, который может использоваться по протоколу Modbus RTU для настройки Полезной модели и для получения информации о положении угла наклона рычага поплавка сепаратора. Для настройки начального и конечного угла наклона в устройстве предусмотрено две кнопки SB1, SB2 с дублирующими нажатие светодиодами и два светодиод настройки и индикации VD1, VD4.