CZ29175U1 - Odolná hladinoměrná stanice - Google Patents

Description

Oblast techniky

Řešení se týká záznamových a telemetrických jednotek používaných ve vodárenství a při monitorování životního prostředí, kdy jsou tyto jednotky vystaveny působení vlhkého prostředí a čidla i senzory mají připojené přes kabelové vývodky, skrze které může k elektronickým obvodům těchto jednotek pronikat vzdušná vlhkost, kondenzovat tam a následně poškodit jejich elektronické obvody.

Dosavadní stav techniky

Jednoduché záznamové jednotky a telemetrické jednotky mají obvykle čidla a senzory připojené přes konektorové propojení, které nenarušuje těsnost ochranné schránky těchto jednotek. Jiná situace nastává u vícekanálových monitorovacích a záznamových jednotek, které se obvykle dodávají v provedení s přípojnými šroubovými svorkami a před instalací do terénu je potřeba umístit tyto přístroje do vhodného ochranného boxu s vysokým krytím IP66 a vyšším. Měřící čidla a snímače pak, před připojením ke svorkám jednotky, procházejí skrze standardní kabelové vývodky umístěné ve stěně ochranného boxu, které při dobré instalaci zajišťují dostatečnou ochranu vestavěné jednotky před pronikáním vzdušné vlhkosti. Dojde-li však vlivem nekvalitně provedené instalace, technické závady nebo stárnutím materiálu k porušení těsnosti některé kabelové vývodky, bude do vnitřního prostoru ochranného boxu a následně přes připojovací svorky i k elektronickým obvodům záznamové nebo telemetrické jednotky pronikat vzdušná vlhkost z okolního prostředí, která bude na chladnějších částech kondenzovat. Kondenzovaná vlhkost ve spojení s napětím na elektronických deskách vede k elektrolýze a k rychlému nevratnému poškození elektronických obvodů záznamových a telemetrických jednotek. Provozovatel takovéto měřící sestavy se o jejím poškození, které je obvykle provázeno její celkovou nefunkčností nebo chybným měřením jedné či více ze sledovaných veličin, dozví až při pokusu o načtení změřených a archivovaných dat nebo při pravidelné kontrole jednotky. Kromě materiální škody tak vzniká i často nenahraditelná škoda způsobená výpadkem nebo zkreslením měřených dat.

Podstata technického řešení

Zařízení podle předkládaného technického řešení eliminuje výše uvedené nevýhody (tj. netěsnost skříně s následnými - pro funkci stanic - fatálními následky) a navíc poskytuje uživateli možnost kontinuálního sledování vlhkosti vzduchu uvnitř skříně záznamové jednotky. Podstatou funkce technického řešení odolné hladinoměmé stanice je průběžné monitorování hodnoty relativní vlhkosti vzduchu samostatným čidlem umístěným na desce plošného spoje uvnitř přístroje.

Odolná hladinoměrná stanice obsahuje následující komponenty: skříň záznamové jednotky, v níž jsou umístěny napájecí obvody, řídící mikroprocesorová jednotka, komunikační modul v provedení GSM nebo Wi-Fi, svorky vstupních obvodů a čidlo relativní vlhkosti vzduchu. Na těle skříně je osazen displej. Dále je na těle skříně umístěn přívod externího napájení a připojení měřících sond a snímačů. Řídící mikroprocesorová jednotka je propojena s napájecími obvody, s komunikačním modulem, se svorkami vstupních obvodů, s čidlem relativní vlhkosti vzduchu a s displejem.

Skříň záznamové jednotky je robustní kovový odlitek s vysokým krytím IP67, ve kterém je stanice včetně komunikačního modulu, ať už GSM nebo WIFI, umístěna. Toto mechanické provedení zabraňuje proniknutí vlhkosti k veškerým elektronickým obvodům stanice a dovoluje dokonce i krátkodobé několikadenní zatopení stanice. Z tohoto důvodu stanice výhodně obsahuje i vnitřní dobíječi Li-lon článek, který napájí stanici po dobu případného vyřazení z provozu vnějšího zdroje napájecího napětí. Tím obvykle bývá u lokálních výstražných systémů (LVS) vyměnitelný, nebo z fotovoltaického panelu napájený bezúdržbový gelový akumulátor. Vlastní řídící mikroprocesorová jednotka je sestavena za použití moderní součástkové základny, díky čemuž, je její proudová spotřeba v klidovém režimu, vzhledem ke kapacitě použitých napájecích článků,

-1 CZ 29175 U1 téměř neměřitelná. Celková doba provozu stanice bez výměny napájecího akumulátoru může být až 1 rok včetně pravidelného předávání změřených dat na server. Komunikační moduly v případě odolné hladinoměmé stanice jsou provedeny jako násuvné a to ve dvou variantách. Vedle GSM/GPRS modulu určeného pro přenosy dat na server a k rozesílání varovných SMS, je to WiFi modul pro záložní připojení stanice k internetové síti. Pomocí vnější komunikační jednotky lze potom odolnou hladinoměmou stanici připojit k satelitní síti a sbírat tak data i v místech bez pokrytí GSM signálem. Čidlo relativní vlhkosti vzduchu (např. senzor SHTI5 od společnosti SENSIRION, může být použit i jiný obdobný typ snímače) je připojeno k řídící mikroprocesorové jednotce a ta po vyhodnocení překročení povolené hodnoty vlhkosti uvnitř jednotky následně prostřednictvím komunikačního modulu u telemetrických stanic, nebo přes informaci zobrazenou na displeji jednotky či v prostředí obslužného programu u záznamových jednotek, upozorní v předstihu provozovatele na potřebu servisního zásahu a utěsnění nedostatečně dotažené vývodky nebo uzavření nedovřené ochranné skříně měřící jednotky. U telemetrických stanic osazených komunikačním modulem (GSM nebo Wi-Fi) je vhodné uživatele upozornit na netěsnost jednotky například formou varovné SMS či emailové zprávy. Záznamové jednotky a dataloggery bez komunikačního modulu mohou varovnou zprávu, týkající se naměřené zvýšené vlhkosti v přístroji, zobrazovat na displeji přístroje nebo přímo v prostředí obslužného programu, který se obvykle u těchto přístrojů používá pro jejich konfiguraci a pro načítání změřených a archivovaných dat. Včasné varování uživatele je důležité pro vyvolání servisního zásahu, který na místě zjistí příčinu netěsnosti a zajistí její následné odstranění. Grafický barevný dotykový displej slouží pro snadnou intuitivní obsluhu stanice a dovoluje vedle mnoha dalších funkcí přehledně graficky zobrazit archivovaná data, porovnávat signály z několika čidel, rychle a přehledně provádět instalaci a rekalibraci snímačů apod. Externí napájení, které slouží pro dobíjení vnitřního Li-lon článku, tvoří v případě LVS vyměnitelný, nebo z fotovoltaického panelu napájený bezúdržbový gelový akumulátor. Pro připojení měřících sond a snímačů je odolná hladinoměmá stanice vybavena vysoce přesnými a teplotně stabilními analogovými vstupy, dále pulsními vstupy a sériovou komunikační sběrnicí RS-485 a SDI-12 pro možné připojení dalších sond a přístrojů vybavených například rozšířeným komunikačním protokolem Modbus RTU.

Základní výhodou předloženého technického řešení odolné hladinoměmé stanice je vysoká vodotěsnost její skříně vyjádřená vysokým krytím IP67 a zejména detekce jejího poškození, které v případě vysoce exponovaných míst (zaplavované břehy toků, pilíře mostních konstrukcí, mostovky, apod.), se kterými se pro osazení stanic počítá, nelze vyloučit. Tím se zabrání materiálním škodám na vlastní stanici, hlavně však nenahraditelným škodám způsobeným výpadkem nebo zkreslením měřených dat, což může způsobit nefunkčnost systémů, pro jejichž účely je stanice osazována (vodárenství, monitoring životního prostředí, hlavně však lokální výstražné systémy LVS).

Objasnění výkresu

Na Obr. 1 je znázorněno blokové schéma celého zařízení podle technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Bylo vyrobeno zařízení podle technického řešení, ochranný obal zařízení tvoří skříň i záznamové jednotky, která má vysoké krytí IP67 a dostatečně zabraňuje pronikání vzdušné vlhkosti do vnitřních prostor stanice. Skříň záznamové jednotky je tvořena robustním hliníkovým odlitkem s tloušťkou stěny 3 mm o rozměrech 160 x 130 x 75 mm (šířka x výška x hloubka). Uvnitř skříně 1 záznamové jednotky jsou umístěny napájecí obvody 2, k nimž je přes přívod 8 externího napájení přivedeno externí napájení ze solárního panelu. K napájecím obvodům 2 je připojena mikroprocesorová jednotka 3, která je dále připojena ke svorkám 5 vstupních obvodů, které jsou propojené s připojením 9 měřících sond a snímačů. Použité elektronické obvody odolné hladinoměmé stanice obsahují vedle řídící mikroprocesorové jednotky 3 (v základním provedení se čtyřmi mikroprocesory) rovněž čidlo 6 vlhkosti (senzor SHT15 od společnosti SENSIRION),

-2CZ 29175 Ul které číslicově nebo analogově předává signál o skutečné relativní vlhkosti uvnitř jednotky do řídící mikroprocesorové jednotky 3. Řídící mikroprocesorová jednotka 3 porovnává dosažený stupeň relativní vlhkosti měřené čidlem 6 relativní vlhkosti vzduchu s přednastavenou mezní hodnotou a po překročení relativní vlhkosti nad nastavenou mezní hodnotu předává tuto varovnou informaci přes komunikační modul 4 telemetrické stanice (v provedení GSM) a prostřednictvím displeje 7 provozovateli jednotky. Na použité čidlo 6 relativní vlhkosti vzduchu nejsou kladeny vysoké požadavky na přesnost měření, a proto bylo použito čidlo s chybou měření relativní vlhkosti 5 %, u kterého jsou jeho pořizovací náklady ve srovnání s cenou chráněné elektronické desky řídící mikroprocesorové jednotky zanedbatelné.

Zařízení podle technického řešení bylo původci v rámci vývoje odolné hladinoměmé stanice s úspěchem odzkoušeno. Odolná hladinoměmá stanice podle předloženého technického řešení byla osazena v náročných klimatických podmínkách na tocích v horské oblasti Krkonoš, kde prokázala dobrou funkčnost ve více než ročním zkušebním provozu a následném poloprovozním nasazení.

Průmyslová využitelnost

Předložené technické řešení se týká nové odolné hladinoměmé stanice (záznamové a telemetrické jednotky), která automaticky upozorní provozovatele na chybně provedenou instalaci čidel a senzorů či na jinak vyvolanou netěsnost ochranného boxu jednotky. Nízká pořizovací cena čidel relativní vlhkosti vzduchu umožňuje osazení těchto čidel i do těch nejjednodušších přístrojů prakticky bez dopadu na zvýšení jejich výrobních nákladů. Uplatnění naleznou tyto nové jednotky provozované zejména v trvale vlhkém prostředí vodárenských objektů, v chemickém a potravinářském průmyslu, při monitorování životního prostředí a zejména v protipovodňové ochraně při realizaci a provozování systémů včasného varování.

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Odolná hladinoměmá stanice, vyznačující se tím, že obsahuje skříň (1) záznamové jednotky, uvnitř které jsou umístěny napájecí obvody (2), řídící mikroprocesorová jednotka (3), komunikační modul (4), svorky (5) vstupních obvodů a čidlo (6) relativní vlhkosti vzduchu, na skříni (1) záznamové jednotky je umístěn displej (7), přičemž je řídící mikroprocesorová jednotka (3) propojena s napájecími obvody (2), s komunikačním modulem (4), s čidlem (6) relativní vlhkosti vzduchu, s displejem (7) a se svorkami (5) vstupních obvodů, které jsou propojené s připojením (9) měřících sond a snímačů pro měření výšky hladiny vody, napájecí obvody (2) jsou propojené s přívodem (8) externího napájení.