ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЕ УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
NONVOLATILE DEVICE OF AUTOMATED CONTROL OF ENVIRONMENT PARAMETERS

Изобретение относится к области контроля параметров окружающей среды, преимущественно, в производственных помещениях. К таким параметрам относятся: метеорологические - температура, влажность воздуха, давление, (в герметизированном помещении) экологические - химический состав воздуха, в том числе, наличие и концентрация токсичных газов, производственные - уровень шума, освещенность, вибрационная нагрузка и др.
Известно устройство для контроля и управления уровнями физических факторов производственной среды. Устройство содержит блок контроля, преобразователи сигналов, датчик температуры, датчик шума и датчик освещенности, преобразователи сигналов шума и освещенности на каждый датчик, задатчики максимальных и минимальных значений температуры. Также устройство содержит задатчик предельно допустимого уровня шума, задатчик предельно допустимого уровня освещенности, компаратор на каждый задатчик предельно допустимых значений измеряемых параметров (температуры, шума, освещенности), логические элементы на каждый контролируемый фактор, постоянно запоминающие устройства, счетчики значений температуры, шума и освещенности и генератор, RU 2279704 C1 (10.07.2006).
Недостатком данного устройства является отсутствие контроля химического состава воздуха, а также контроля влажности и давления.
Известно устройство для автоматизированного дистанционного мониторинга окружающей среды, включающее в себя метеорологические датчики, первичный преобразователь измеренных сигналов, подключенный к каждому из датчиков, блок измерения и индикации, блок бесперебойного питания, приборную панель с цифровыми индикаторами, блок сопряжения с внешними устройствами; в систему дополнительно включены датчики экологического мониторинга, блок управления и связи, включающий в себя модем сотовой связи, антенну и запоминающее устройство, обрабатывающий информацию с блока измерения и индикации, передающий обработанные данные на диспетчерский пункт, оснащенный автоматизированным рабочим местом, RU 68714 U1 (27.11.2007).
Недостатком устройства является отсутствие возможности контроля параметров окружающей среды в производственных помещениях.
Этот же недостаток присущ устройству для автоматизированного дистанционного мониторинга окружающей среды, включающему метеорологические датчики, первичный преобразователь измеренных сигналов, подключенный к каждому из датчиков, блок измерения, блок сопряжения с внешними устройствами, датчики экологического мониторинга, блок управления и связи, включающий в себя модем сотовой связи, антенну и запоминающее устройство, обрабатывающий информацию с блока измерения, передающий обработанные данные на диспетчерский пункт, оснащенный автоматизированным рабочим местом, дополнительно включены блок автономного питания и блок управления режимами работы устройства, RU 78334 U1 (20.11.2008).
Известна полезная модель, представляющая собой устройство автоматического контроля окружающей среды, включающее датчики-газоанализаторы, устройства обработки сигналов, датчик и компьютерную сеть, CN 201072418 (Y) (11.06.2008).
Недостатком данного устройства является отсутствие контроля метеорологических и производственных параметров окружающей среды.
Известно устройство для контроля параметров окружающей среды в помещениях, содержащее датчики температуры и влажности воздуха, а также датчики уровня шума, подключенные к микропроцессору, связанному с коммуникационным устройством, например, модемом, от которого сигнал может поступать на мобильный телефон или громкоговорящее устройство, СА 2661261 (А1) (03.10.2010).
Недостатком данного устройства является ограниченность контролируемых параметров.
Известно энергонезависимое устройство автоматизированного контроля параметров окружающей среды, включающее энергонезависимое устройство, содержащее Х метеорологических датчиков, Y датчиков экологического мониторинга, Z датчиков измерения показателей производственной среды (уровня шума, уровня освещенности и др.), блок измерения, блок сопряжения с внешними устройствами, блок управления и связи, включающий в себя модем сотовой связи, антенну и запоминающее устройство, обрабатывающее информацию с блока измерения, пересылающего обработанные данные на диспетчерский пункт, оснащенный автоматизированным рабочим местом, блоком автономного питания и блоком управления режимами работы устройства; в энергонезависимое устройство введены блок энергонезависимой памяти, дополнительный источник питания, монитор питания, буфер питания, блок ввода-вывода, интегратор показаний датчиков X, Y, Z, преобразователь сигнала на каждый интегратор, задатчик предельно допустимых показателей на каждый датчик, блок сравнения на каждый датчик и задатчик; блок энергонезависимой памяти соединен с буфером питания, присоединен к блоку управления и связи, блок управления и связи соединен обратными связями с блоком сопряжения, дополнительный источник питания соединен с монитором питания и буфером питания, основной блок питания также соединен с монитором питания, а монитор питания, в свою очередь, соединен с блоком управления и связи, блок ввода-вывода соединен обратными связями с блоком управления режимами и блоком управления и связи, блок управления режимами соединен с блоком сопряжения, который соединен с блоком питания и блоком измерения, каждый из датчиков измерения показателей X, Y, Z среды соединен с собственным интегратором, позволяющим оценить дозу воздействия каждого из показателей, интегратор, в свою очередь, соединен с блоком измерений и с преобразователем, преобразователь соединен с блоком измерений и блоком сравнения, блок сравнения также соединен с блоком измерения, предельно допустимое значение для каждого из блоков сравнения для показателей с датчиков X, Y, Z вырабатывает каждый задатчик, соединенный с каждым отдельным блоком сравнения, RU 2392645 C1 (20.06.2010).
Данное изобретение является прототипом заявленного технического решения.
В отличие от описанных выше аналогов устройство-прототип позволяет контролировать широкий спектр параметров - метеорологические, экологические, а также производственные.
Однако устройству-прототипу присущи серьезные недостатки, в частности, сбои в работе устройства, а также выход из строя линий подключения датчиков вследствие влияния электромагнитных помех значительной амплитуды.
Существуют три основные категории электромагнитных помех, вызываемых электромагнитными явлениями и процессами: низкочастотные электромагнитные помехи; высокочастотные электромагнитные помехи; электростатические разряды.
Наиболее распространенными и оказывающими наиболее сильное негативное воздействие являются кондуктивные высокочастотные электромагнитные помехи:
- наведенные напряжения или токи непрерывных колебаний;
- апериодические переходные процессы;
- колебательные переходные процессы.
Источником кондуктивных высокочастотных электромагнитных помех, например, могут являться расположенные рядом функционирующие технические средства, использующие электромагнитную энергию, помехи «искрения» при переключении нагрузок в электрических сетях, импульсы, вызываемые молниевыми разрядами и распространяющиеся в подземных кабелях и т.д.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение влияния электромагнитных помех, в том числе кондуктивных высокочастотных, на работу устройства и повышение тем самым надежности его работы.
Согласно изобретению энергонезависимое устройство автоматизированного контроля параметров окружающей среды, содержащее Х метеорологических датчиков, Y датчиков экологического мониторинга, Z датчиков измерения показателей производственной среды, интеграторы показаний датчиков на каждый датчик, преобразователи сигнала на каждый интегратор, блок измерения, задатчики предельно допустимых показателей на каждый датчик, блоки сравнения на каждый датчик и задатчик, блок сопряжения, блок питания, блок управления режимами, блок управления и связи, монитор питания, дополнительный источник питания, буфер питания, блок энергонезависимой памяти и блок ввода-вывода, выходы блоков сравнения подключены, соответственно, к четвертому, пятому и шестому входам блока измерения, а первые входы блоков сравнения подключены к выходам соответствующих задатчиков, блок сопряжения соединен первым входом-выходом с седьмым входом-выходом блока 6 измерения, вторым выходом подключен к первому входу блока управления режимами, четвертым входом - к первому выходу блока питания, третьим входом-выходом к первому входу-выходу блока управления и связи, второй вход-выход которого соединен с первым входом блока ввода-вывода, второй вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом блока управления, второй выход блока питания соединен с первым входом монитора питания, четвертый выход которого соединен с четвертым входом блока управления, третий вход которого соединен с выходом блока энергонезависимой памяти, вход которого соединен с первым выходом буфера питания, второй выход которого подключен к третьему входу монитора питания, а вход - ко второму выходу дополнительного источника питания, первый выход которого соединен со вторым входом монитора питания, между преобразователями сигнала и блоком измерения включены последовательно соединенные газоразрядники и супрессоры, при этом входы газоразрядников соединены с выходами преобразователей сигнала, а выходы супрессоров соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока измерения и вторыми входами блоков сравнения, между датчиками и интеграторами включены последовательно соединенные дополнительные газоразрядники и дополнительные супрессоры, причем входы газоразрядников соединены, соответственно, с датчиками, а выходы супрессоров соединены со входами интеграторов; может быть дополнительно снабжено блоком сигнализации, вход которого соединен с пятым выходом блока сопряжения.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна».
Энергонезависимая система автоматизированного контроля (фиг.1) содержит Х метеорологических датчиков 1, в данном примере - температуры (KTY81-210), влажности, воздуха (HIН-4000-001), давления (24PCDFA6A), производство Китай, Y экологических датчиков 2, определяющих химический состав воздуха (CDW) - Россия, Z датчиков 3 измерения показателей производственной среды: уровня шума - датчик типа ЕСМ8000 (Германия), уровня освещенности - датчик типа HSDL-9001 (США), уровень вибрации измеряется датчиком типа MVSO 608.02 (Китай). Интеграторы 4 на каждый из датчиков 1, 2, 3 и преобразователи 5 сигнала на каждый интегратор выполнены на микропроцессорах ATTINY13A (США).
Блок 6 измерения, а также задатчики 7 предельно допустимых значений, блоки 8 сравнения, блоки 9 сопряжения выполнены на базе микропроцессоров ATXMEGA128A1 (США).
Блок 10 питания представляет собой источник стабилизированного напряжения LM2575T ADJ (Китай).
Блок 11 управления режимами выполнен на микропроцессорах ATXMEGA128A1 (США).
Блок 12 управления и связи выполнен на базе микросхемы интерфейса ST1480ACDR (Китай).
Монитор 13 питания так же, как и в устройстве-прототипе представляет собой компаратор, в частности, типа LM339 (Китай).
Дополнительным источником 14 питания служит аккумуляторная батарея.
Буфер 15 питания представляет собой электролитический конденсатор большой емкости (2000 мкф).
Блок 16 энергонезависимой памяти выполнен на базе микросхемы АТ24С08 (США).
Блок 17 ввода-вывода выполнен на микросхеме ST1480ACDR.
Газоразрядники 18 типа 4DS090H последовательно соединены с супрессорами 19 типа P4SMA18A. Входы газоразрядников 18 соединены с выходами преобразователей 5 сигнала. Выходы супрессоров 19 соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока 6 измерения и вторыми входами блоков 8 сравнения. Между датчиками 1, 2, 3 и интеграторами 4 включены последовательно соединенные дополнительные газоразрядники 20 и дополнительные супрессоры 21 аналогичные газоразрядникам 18 и супрессорам 19. Входы газоразрядников 20 соединены, соответственно, с датчиками 1,2,3, а выходы супрессоров 21 соединены со входами интеграторов 4. Устройство снабжено блоком 22 сигнализации, представляющим собой драйвер UDN2987LW-6. Вход блока 22 соединен с пятым выходом блока 9 сопряжения, выходы блоков 8 сравнения подключены, соответственно, к четвертому, пятому и шестому входам блока 6 измерения, а первые входы блоков 8 подключены к выходам соответствующих задатчиков 7, блок 9 сопряжения соединен первым входом-выходом с седьмым входом-выходом блока 6 измерения, вторым выходом - к первому входу блока 11 управления режимами, четвертым входом - к выходу блока 10 питания, третьим входом-выходом - к первому входу-выходу блока 12 управления и связи, второй вход-выход которого соединен с первым входом блока 17 ввода-вывода, второй вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом блока 11 управления; выход блока 10 питания соединен с первым входом монитора 13 питания; связи блока 10 питания с другими блоками на чертеже для упрощения не показаны; выход монитора 13 соединен с четвертым входом блока 12 управления, третий вход которого соединен с выходом блока 16 энергонезависимой памяти; вход блока 16 соединен с выходом буфера 15 питания, выход которого подключен к третьему входу монитора 13 питания, а вход - ко второму выходу дополнительного источника 14 питания, первый выход которого соединен со вторым входом монитора 13 питания.
Устройство работает следующим образом.
Возникающие электромагнитные помехи, вызываемые описанными выше причинами, наводятся, главным образом, на имеющих наибольшую длину линиях связи датчиков 1, 2, 3 с интеграторами 4 и преобразователей 5 с блоком 6 измерений и блоками 8 сравнения. Однако, поскольку в эти линии последовательно включены газоразрядники 20 и супрессоры 21 и, соответственно, газоразрядники 18 и супрессоры 19, энергия помех гасится в два этапа. Высокочастотные кондуктивные помехи с амплитудой выше 3 кВ гасятся газоразрядниками. Оставшаяся энергия помех, вызываемых апериодическими и колебательными процессами, нейтрализуется супрессорами. Напряжение срабатывания супрессоров выбрано таким, что при достижении помехой уровня, превышающего напряжение питания на 20 процентов, происходит срабатывание супрессоров (уменьшение собственного сопротивления за очень короткое время порядка 1 ns), и подавление энергии импульсной помехи. После подавления энергии помехи супрессор восстанавливается (возвращается в исходное состояние), и передача сигнала от датчиков 1, 2, 3 к блоку 4 и далее осуществляется в рабочем режиме. Таким образом, блоков 6, 8, 9, 11, 12, наиболее чувствительных к воздействию электромагнитных помех, электромагнитные помехи достигают с безопасным уровнем, практически не превышающим напряжение питания устройства.
Интеграторы 4 содержат аналого-цифровые преобразователи, которые с заданной периодичностью осуществляют измерение поступающего с датчиков сигнала и преобразование его в дискретный код (цифровой сигнал), после чего производится усреднение показаний за заданный интервал времени, благодаря чему достигается повышение точности измерений. Далее цифровой сигнал кодируется преобразователем 5 в формат, позволяющий передавать сигнал по стандарту асинхронного интерфейса. При этом к цифровому сигналу от каждого датчика добавляется индивидуальный идентификационный номер.
Преобразователи 5 передают преобразованные значения на блок 6 измерения и блоки 8 сравнения. Задатчики 7 содержат предельно допустимые значения каждого из измеряемых параметров. Каждый поступающий на блок 8 сравнения сигнал сравнивается со значением, содержащимся в соответствующем задатчике 7. В задатчике 7 содержится сигнал, характеризующий предельно допустимый уровень измеряемого показателя, что позволяет зафиксировать все моменты превышения показателя каждого из датчиков 1, 2, 3. Блок 8 сравнения так же, как и преобразователь 5, подает сигнал на блок 6 измерения. С блока 6 измерения все значения параметров с датчиков 1, 2, 3 передаются на блок 9 сопряжения, который передает значения измерений в блок 12 управления и связи - для хранения в памяти и передачи посредством линий связи на блок 17 ввода-вывода. Блок управления режимами 11 посредством блока 17 ввода-вывода задает режимы проведения замеров и их частоту. Дополнительный источник 14 питания создает запас энергии в буфере 15 питания и обеспечивает энергонезависимую память 16 необходимой энергией для аварийного сохранения замеренных значений. Монитор 13 питания отслеживает состояние батареи основного блока 10 питания, батареи дополнительного источника 14 питания и буфера 15 питания и передает эту информацию через блок 12 управления и связи на блок 17 ввода-ввода. После поступления сигнала о недостаточности питания на блоке 10 питания, монитор 13 питания вырабатывает управляющий сигнал для блока 11 управления режимами. Как только управляющий сигнал поступает на вход блока 11 управления режимами, буфер 15 питания поддерживает работоспособность блока 12 управления и связи, блока 16 энергонезависимой памяти, блока 17 ввода-вывода, блока 11 управления режимами в течение времени разряда конденсатора. Информация о недостаточности питания выводится на блок 17 ввода-вывода. По запросу пользователя, поданному на блок 17 ввода-вывода, данные извлекаются из памяти и переправляются через блок 12 управления и связи по месту поданного запроса.
Реализация отличительных признаков изобретения обеспечивает важный технический результат: уменьшение до безопасного уровня влияния электромагнитных помех, в том числе, оказывающих наиболее сильное воздействие на работу устройства. В результате значительно повышается надежность работы устройства: фактически исключаются сбои в работе, предотвращается выход из строя линий подключения датчиков.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат.
Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Для реализации устройства использованы известные элементы, устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения условию патентоспособности «Промышленная применимость».