АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ВОДЫ

Заявляемая полезная модель относится к устройствам автоматического управления и индикации процесса наполнения системы водоснабжения железнодорожных вагонов локомотивной тяги. Автоматическое устройство контроля уровня воды представляет собой комплект оборудования со световой индикацией, предназначенный для контроля уровня воды в баке холодного водоснабжения вагона, исключения перелива воды на железнодорожные пути и деформации бака в процессе заправки.
Автоматическое устройство контроля уровня воды обеспечивает выполнение следующих функций:
- автоматическая коммутация исполнительных цепей при проведении заправки вагона водой, со световой индикацией экипировщику (мигающая зеленым цветом лампа - в бак поступает вода, постоянное свечение зеленым цветом - бак заполнен, свечения лампы красным цветом - повышенное давление в баке);
- перекрытие заправочных труб при достижении предельного уровня воды в баке;
- перекрытие заправочных труб при достижении в баке предельного давления;
- индикация (на пульте управления вагона) о наличии воды в баке;
- беспрепятственное заполнение бака до сброса воды через воздухоотводящую (вестовую) трубу в случае отсутствия электропитания.
Известны устройства контроля уровня воды SU 637293, 1299876, 1468803, 149183, 1581630, состоящие из запорных устройств с механическими поплавковыми системами.
Недостатком известных устройств является неуклонное снижение их функциональности в процессе эксплуатации за счет обрастания деталей запорных устройств солями жесткости, что в конечном итоге приводит к полной потере функциональности устройства.
Установка запорных элементов внутри бака обуславливает их низкую ремонтопригодность.
Известные устройства не обеспечивают возможность дистанционного определения и автоматического контроля уровня заполнения системы водой.
Известны устройства контроля уровня воды SU 314078, 380961, 932253, 1076763, 1679204, 2002213, 2005999, 2029920, содержащие емкостный датчик, преобразователь частоты, схему сравнения импульсов, выходной ключ и исполнительный механизм.
Эти устройства не исключают перелива воды на железнодорожные пути, возможности деформации бака холодного водоснабжения при нештатной заправке вагонов водой.
Наиболее близким техническим решением является устройство RU 2208537 опубл. 20.07.2003 (прототип), содержащее: датчик уровня, электрически связанный с индикаторами; преобразователь сигналов; систему отключения подачи воды подключенную электрической цепью к запорному элементу, выполненному в виде нормально открытого электроуправляемого вентиля; бортовой сигнализатор; элементы включения и выключения электрической цепи.
Датчик уровня, соединенный посредством двух уравнительных трубок с полостью бака, имеет трубчатый корпус и внутренний стержень в изоляционной оболочке. Емкость датчика уровня меняется при заполнении бака. Аналоговый сигнал с емкостного датчика подается навход источника опорного напряжения, выходной сигнал с которого передается через повторитель на шкальный световой индикатор и две схемы сравнения выходного сигнала с датчика уровня.
Недостатки: необходимость дополнительного аналогового преобразования выходного сигнала датчика уровня, датчик уровня подвержен засорению и требует частого технического обслуживания, точность его показаний зависит от качества подаваемой воды и продолжительности работы после прохождения технического обслуживания.
Преобразователь сигналов, включает в себя: стабилизатор, источник опорного напряжения, усилитель, схемы сравнения, повторитель, генератор.
Недостатки: сложность, нестабильность работы, дороговизна комплектующих и сборки.
Система отключения подачи воды содержит параллельно включенные: датчик уровня, диафрагменный выключатель и ограничитель налива, которые через преобразователь сигналов связаны электрической цепью с запорным элементом, выполненным в виде нормально открытого электроуправляемого вентиля. Диафрагменный выключатель служит для предохранения бака от воздействия избыточного внутреннего давления при наливе. Ограничитель налива представляет собой электрод, введенный сверху внутрь полости датчика уровня, и выполнен в виде горизонтального кольца, установленного в зазоре между трубчатым корпусом и внутренним стержнем. Управляющий электрический сигнал с преобразователя сигналов на перекрытие потока воды электроуправляемым вентилем подается в случаях: превышения уровня воды в баке и соответственно уровня сигнала с датчика уровня выше предельно установленного; при повышения уровня воды в баке до замыкания на корпус ограничителя налива электрически связанного спреобразователем; срабатывания диафрагменного выключателя при повышении давления в баке выше установленного.
Недостатки: общие недостатки датчика уровня; диафрагменный выключатель не обеспечивает достаточной точности срабатывания и требует тарировки после каждого технического обслуживания, ограничитель налива подвержен коррозии и солевым отложениям, что приводит к его нестабильной работе: отказам в срабатывании, при повышении уровня воды до непосредственного контакта с ограничителем и отсутствием размыкания при снижении уровня воды в баке ниже ограничителя налива.
Бортовой сигнализатор, установленный на боковой стенке вагона у заправочной головки, включает: шкальный световой индикатор уровня воды в баке с кнопкой контрольного включения, регулятор налива. Бортовым сигнализатором осуществляется контроль наполнения бака, регулятором налива устанавливается уровень наполнения бака после заправки.
Недостатки: Частый выход из строя шкального светового индикатора, сильная коррозия электрических элементов бортового сигнализатора в неблагоприятных условиях эксплуатации, приводящая к отказам в работе бортового сигнализатора.
Элементы включения и выключения электрической цепи выполнены в виде электрического и мембранного выключателей. Электрический включатель служит для приведения устройства в состояние готовности к работе. Мембранный выключатель, имеющий конструкцию аналогичную диафрагменному, включает электрическую схему устройства в работу.
Недостатки: мембранный выключатель не обеспечивает достаточной точности срабатывания и требует тарировки после каждого технического обслуживания.
Общими недостатками прототипа является высокая стоимость и низкая надежность устройства.
Основными задачами заявляемого устройства являются: снижение стоимости и повышение надежности автоматического устройства контроля уровня воды.
Поставленная задача решается применением заявленного устройства содержащего: бесконтактные емкостные датчики уровня, последовательно выдающих электрический сигнал на индикаторы пульта управления вагона при достижении расчетных уровней в баке; систему отключения подачи воды содержащую параллельно включенные один или два бесконтактных датчика предельного уровня воды в баке и мембранный датчик давления, через преобразователь сигналов подключенные электрической цепью к запорному элементу, выполненному в виде нормально открытого заборного электромагнитного клапана прямого действия; позволяющего по электрическому сигналу с преобразователя перекрывать подаваемую воду независимо от давления питающей сети; бортовых сигнализаторов в виде полупроводниковой сигнальных ламп; элементы включения и выключения электрической цепи, выполняющие функцию автоматического выключателя устройства во время заправки вагона водой, в виде: мембранных датчиков давления, исполненных как мембранное реле давления, или заявляемых датчиков уровня, выполненных в виде бесконтактных емкостных датчиков уровня.
При этом преобразователь сигналов выполнен без аналогового преобразования уровня входных сигналов и предназначен для выдачи исполнительных команд на заборный электромагнитный клапан прямого действия и полупроводниковую сигнальную лампу при достижении предельного уровня воды (100%) или давления в баке, а так же для коммутации датчиков уровня с устройством индикации вагона, при этом дискретные сигналы с датчиков уровня, через блок преобразователя, непосредственно передаются на индикаторное устройство пульта управления вагона, а по выходному сигналу параллельно включенных одного или двух датчиков предельного уровня воды в баке (с возможностью дублирования) и мембранного датчика давления в преобразователе сигналов происходит формирование исполнительного сигнала на срабатывание запорного элемента, в виде нормально открытого электроуправляемого клапана прямого действия.
Технический результат - снижение стоимости за счет упрощения конструкции, повышение надежности автоматического устройства контроля уровня воды.
Для предотвращения непроизвольного отключения заявляемого устройства в процессе заполнения бака в условиях нестабилизированного давления в питающем водопроводе, в автоматическом выключателе устройства возможна замена мембранных датчиков давления на бесконтактные датчики уровня.
Технический результат от замены мембранных датчиков давления на бесконтактные датчики уровня в автоматическом выключателе устройства - расширение сфер применения заявляемого устройства.
Технический результат от дублирования бесконтактного датчика уровня системы отключения подачи воды при достижении предельного уровня воды (100%) - повышение надежности устройства.
Для контроля системы индикации и работы электромагнитного клапана на блоке преобразования сигналов возможна установка нефиксируемой в нажатом положении кнопкой, имитирующей срабатывание мембранного датчика при превышении давления в баке.
Технический результат от установки на блоке преобразования сигналов нефиксируемой в нажатом положении кнопкой, имитирующей срабатывание мембранного датчика при превышении давления в баке - повышение безопасности при работе с устройством.
Для отключения автоматического устройства контроля уровня воды в аварийных ситуациях, таких как: утечка тока на корпус вагона по цепям устройства; неисправность датчика(ов) уровня, срабатывающих при достижении предельного уровня воды (100%), препятствующая заправке вагона водой; неисправность блока преобразования сигналов, на нем может устанавливаться аварийный выключатель.
Технический результат от установки аварийного выключателя - повышение безопасности и удобства обслуживания заявляемого устройства.
Для индикации наличия напряжения питания на блоке преобразователя сигналов возможна установка индикаторной лампы, например полупроводниковой, и оснащение системой индикации питания и срабатывания бесконтактных емкостных датчиков уровня.
Технический результат от установки на блоке преобразователе сигналов индикаторной лампы, как и применение в заявляемом устройстве, оснащенных системой индикации питания и срабатывания, бесконтактных емкостных датчиков уровня - повышение информативности и удобства обслуживания автоматического устройства контроля уровня воды.
Предложен сигнализатор, содержащий: от 4 до 7 датчиков уровня и от 1 до 3 датчиков давления, взаимодействующих с контролируемой средой бака; преобразователь сигналов; 2 лампы полупроводниковые сигнальные и 2 электромагнитных клапанов прямого действия.
Полезная модель иллюстрируется Фиг. 1.
Фиг. 1. Схема структурная автоматического устройства контроля уровня воды, где - электроцепи.
Автоматическое устройство контроля уровня воды состоит из: бесконтактных емкостных датчиков уровня 1, 2 и 3 последовательно выдающих через преобразователь сигналов 4 электрический сигнал на устройство индикации пульта управления 5 вагона при достижении расчетных уровней в баке 6; системы отключения подачи воды содержащей параллельно включенные бесконтактный емкостной 7 и/или 8 и мембранный датчик давления 9, подключенные через преобразователь сигналов 4 электрической цепью к запорным элементам 10 и 11, выполненных в виде нормально открытых заборных электромагнитных клапанов прямого действия, составляющих систему отключения подачи воды; бортовых сигнализаторов, установленных на боковой стенке вагона у заправочной головки, в виде полупроводниковых сигнальных ламп 12 и 13; элементов включения и выключения электрической цепи устройства в виде мембранных датчиков давления или заявляемых датчиков уровня 14 и 15 устанавливаемых на входах заправочных труб 16, 17 и выполняющих функцию автоматического включателя электрического питания 18 устройства во время заправки бака 6 системы водоснабжения вагона водой.
Устройство работает следующим образом.
Автоматическое устройство контроля уровня воды постоянно находится в дежурном режиме и на устройство индикации пульта управления 5 вагона выводится информация об уровне воды в баке. При пустом баке все светодиоды «индикатор питания» на бесконтактных емкостных датчиках уровня 1-3, 7 и/или 8 светятся зеленым цветом. При последовательном перекрытии водой чувствительного элемента бесконтактных емкостных датчиков уровня 1, 2 и 3 происходит их срабатывание и светодиод «индикатор срабатывания» на бесконтактных емкостных датчиках уровня 1-3, 7 и/или 8 светится красным цветом.
Для наполнения системы водоснабжения железнодорожных вагонов локомотивной тяги подсоединяем заправочный рукав к одной из заправочных труб 16 или 17 вагона. При подаче воды в заправочный рукав в нем повышается давление и, при достижении давления на чувствительную систему мембранных датчиков давления или срабатывании заявляемых датчиков уровня 14 или 15, установленных соответственно на входах заправочных труб 16 или 17, установленного значения происходит их срабатывание с выдачей выходного электрического сигнала. Выходной сигнал с мембранных датчиков давления или заявляемых датчиков уровня 14 или 15 подается на вход преобразователя сигналов 4. Преобразователь сигналов 4 переводит автоматическое устройство контроля уровня воды в рабочий режим и генерирует сигнал на бортовой сигнализатор, установленный на боковой стенке вагона у входа заправочных труб 16 и 17, в виде полупроводниковых сигнальных ламп 12 и 13, вызывая их свечение мигающим зеленым цветом.
По мере заправки происходит последовательное перекрытие водой чувствительного элемента бесконтактных емкостных датчиков уровня 1, 2 и 3 и их срабатывание, что индицируется красным свечением светодиода «индикатор срабатывания» на бесконтактных емкостных датчиках уровня 1, 2 и 3 перекрытых водой. Через преобразователь сигналов 4, выходной электрический сигнал с перекрытых водой датчиков уровня подается на устройство индикации пульта управления 5 вагона. На устройстве индикации пульта управления 5 вагона происходит изменение показаний уровня заполнения бака водой.
При достижении предельного уровня воды в баке (100%) срабатывает бесконтактный емкостной датчик 7 и/или 8 и выдается электрический сигнал на преобразователь сигналов 4. Преобразователем сигналов 4 выдается исполнительная команда на закрытие запорных элементов 10 и 11, выполненных в виде нормально открытого электроуправляемого вентиля, также направляются электрические сигналы на полупроводниковые сигнальные лампы 12 и 13, о чем свидетельствует их свечение постоянным зеленым цветом, и на устройство индикации вагона 5 вызывая индикацию 100% заполнения бака 6. При отсоединении заправочного рукава давление в нем падает, и мембранные датчики давления или заявляемые датчики уровня 14 и 15 перестают выдавать электрический сигнал на преобразователь сигналов 4. Преобразователь сигналов 4 возвращает автоматическое устройство контроля уровня воды в дежурный режим, отключает бортовые сигнализаторы, в виде полупроводниковых сигнальных ламп 12 и 13, установленных на боковой стенке вагона у входа заправочных труб 16 и 17.
В случае налива воды в бак, когда вестовая труба 19 заглушена льдом и/или не справляется со сбросом вытесняемого из бака 6 воздуха при заправке, внутри бака 6 возникнет избыточное давление. При достижении в баке 6 предельного давления срабатывает мембранный датчик давления 9, и выходной электрический сигнал подается на вход преобразователя сигналов 4 формирующего управляющий сигнал на запорные элементы 10 и 11, автоматически перекрывающие подачу воды. Это предотвратит аварийное распирание бака 6 и его разгерметизацию.
Для осуществления контроля системы индикации 5 вагона и работы запорных элементов 10 и 11 необходимо нажать нефиксируемую в нажатом положении кнопку (не показана) на преобразователе сигналов 4, при этом полупроводниковые сигнальные лампы 12 и 13 должны светиться красным цветом, запорные элементы 10 и 11 должны сработать. Аварийный выключатель на блоке преобразователя сигналов 4 (не показан) должен быть включен, при этом светится светодиод (не показан) на блоке преобразователя сигналов 4. Светодиоды на всех датчиках уровня 1-3, 7 и/или 8 должны светиться зеленым или красным цветом (в зависимости от уровня заполнения бака 6 водой).
Заявляемое автоматическое устройство контроля уровня воды прошло на ЗАО НИ «ТИВ» комплекс испытаний, необходимых для его эксплуатации.