Багатоканальний пристрій для вимірювання рівня води та її температури

Реферат: Багатоканальний пристрій для вимірювання рівня води і її температури складається з персонального комп'ютера, каналу вимірювання атмосферного тиску, n каналів вимірювання рівня води і її температури, адаптера, вихід якого під'єднаний до послідовного СОМ порта комп'ютера, а вхід - до виходів каналу вимірювання рівня води і її температури. UA 82072 U (54) БАГАТОКАНАЛЬНИЙ ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ РІВНЯ ВОДИ ТА ЇЇ ТЕМПЕРАТУРИ UA 82072 U UA 82072 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв контролю рівня води та її температури в свердловинах малого діаметра. Відомий пристрій для вимірювання рівня рідини, який складається з мембранного індикатора, трубопровода і п'єзометричної трубки зі дзвоном, що з'єднана з мембранним індикатором через розподільну посудину з нестискаючою рідиною, яка відділена від п'єзометричної трубки в'ялою мембраною. Мембрана і індикатор розміщені на одному рівні. Для підкачування повітря в дзвін в п'єзометричну трубку вмонтовано клапан, що забезпечує наявність повітряного стовпа в об'ємі дзвона при розчиненні повітря в воді. Недоліком пристрою є низька точність вимірювання рівня води за рахунок наявності повітряного стовпа в п'єзометричній трубці, параметри якого є температурно-залежними. [Авт. св. СССР №1627845, МПК G01F23/14, опубл. 15.02.91]. Найбільш близьким до корисної моделі за сукупністю суттєвих ознак є "Інформаційновимірювальна система рівня води і температури", яка складається з послідовно-з'єднаних датчик тиску, підсилювача і першої схеми захисту, а також послідовно-з'єднаних датчика температури, підсилювача і другої схеми захисту, аналого-цифрового перетворювача (АЦП), процесора і персонального комп'ютера (ПК), причому виходи схем захисту під'єднані до входів АЦП, виходи якого під'єднані до процесора. Вихід процесора через послідовний порт під'єднаний до ПК, при цьому перший порт диференціального датчика тиску з'єднаний з виходом п'єзометричної трубки свердловини, а другий порт є відкритим. [Івасівка С.В., Кондратюк Є.І., Проць Р.І., Щупляк Η.Μ. Інформаційно-вимірювальна система рівня і температури води у свердловинах мінеральних вод // Міжнародний конгрес "Проблеми інформатизації рекреаційної та туристичної діяльності в Україні: Перспектива культурного та економічного розвитку." м. Трускавець. 23-28 травня 2000 р., с. 137-138.]. Недоліком цієї системи є низька точність вимірювання рівня води в свердловині за рахунок наявності температурно-залежного повітряного стовпа в п'єзометричній трубці між рівнем води і першим портом датчика тиску, а також відсутність можливості розширення архітектури системи без заміни пристроїв спряження з ПК. В основу корисної моделі поставлено задачу збільшення точності вимірювання рівня води і її температури, а також розширення функціональних можливостей пристрою. Поставлена задача вирішується багатоканальним пристроєм для вимірювання рівня води і її температури, що складається з персонального комп'ютера, згідно з корисною моделлю додатково містить канал вимірювання атмосферного тиску, n каналів вимірювання рівня води і її температури, адаптер, вихід якого під'єднаний до послідовного СОМ порта комп'ютера, а вхід до виходів каналу вимірювання рівня води і її температури. Канал вимірювання атмосферного тиску складається з послідовно-з'єднаних датчика атмосферного тиску, підсилювача і АЦП, причому останній є пристроєм мережі 1-Wire з індивідуальною мережевою адресою, і вихід якого є виходом каналу вимірювання атмосферного тиску. Канал вимірювання рівня води і її температури складається з послідовно з'єднаних датчика тиску води, підсилювача і АЦП, датчика температури, причому АЦП і датчик температури є пристроями 1-Wire лінії з індивідуальними мережевими адресами, виходи яких з'єднані між собою і є виходом каналу вимірювання рівня води і її температури. Канал вимірювання рівня води і її температури вмонтовані в герметичний корпус, який являє собою занурювальний зонд з відкритим портом датчика тиску і вихідним сигнальним кабелем, причому зонд опущений в п'єзометричну трубку свердловини до рівня її нижнього кінця. На кресленні фіг.1. зображена функціональна схема пристрою для вимірювання рівня води і її температури. Пристрій складається з каналу вимірювання атмосферного тиску 1, n каналів вимірювання рівня води і її температури 2, адаптера 3, персонального комп'ютера 4, причому виходи каналів об'єднані між собою і підключені до входу адаптера 3, вихід якого під'єднаний до послідовного СОМ порта комп'ютера 4. Канал вимірювання атмосферного тиску 1 складається з послідовно з'єднаних датчика атмосферного тиску 5, підсилювача 6 і аналогово-цифрового перетворювача 7, вихід якого є виходом каналу вимірювання атмосферного тиску з послідовною видачею інформації, при цьому вхідний порт датчика тиску 5 є відкритим і зв'язаний з атмосферним тиском. Канал вимірювання рівня води і її температури 2 включає: послідовно з'єднані датчик тиску води 8, підсилювач 9 і аналогово-цифровий перетворювач 10, датчик температури води 11, виходом під'єднаний до виходу АЦП 10. Об'єднані виходи АЦП 10 і датчика температури є виходом каналу вимірювання рівня води і її температури з послідовною видачею вимірної інформації. Конструктивно канал вимірювання рівня води зібраний на платі, яку встановлюють в 1 UA 82072 U 5 10 15 20 герметичний корпус, що являє собою занурювальний зонд, при цьому вхідний порт датчика тиску 8 є відкритим і зв'язаний з тиском водяного стовпа в свердловині, а вихідна інформація значення рівня води і її температури передається по сигнальному кабелю, встроєному в зонд. Датчики атмосферного тиску і тиску водяного стовпа являють собою п'єзорезистивні датчики тиску, в яких чутливим елементом є чотири практично ідентичні дифузійні резистори, розташовані на поверхні кремнієвої діафрагми і ввімкнені по мостовій схемі Уітсона. Живлення моста здійснюється постійним струмом. В даному випадку використовується датчики абсолютного тиску. На кресленні фіг.2 приведено еквівалентну електричну схему датчика, де Vs - напруга живлення моста, a Vout - вихідний сигнал датчика. Багатоканальний пристрій для вимірювання рівня води і її температури працює наступним чином. Занурювальний зонд опускають в свердловину через п'єзометричну трубку на заздалегідь визначену глибину hi. На кресленні фіг.3 представлено схему розміщення занурювального зонда в свердловині, де 12 - п'єзометрична трубка, 13 - зонд, 14 - відкритий порт зонда, 15 - сигнальний кабель зонда, 16 - рідина, Рaі - значення атмосферного тиску, Phi - значення тиску водяного стовпа. Відомо, що абсолютний тиск у водяному середовищі визначається з рівняння: Phi=Pai + ρgHi (1), де Phi - абсолютний тиск на глибині Hi; Рai - атмосферний тиск; ρ - густина води; 2 g - гравітаційне прискорення (9,81 м/с ); Hi - глибина, на якій визначається тиск. З рівняння (1) легко визначити текуче значення рівня води в свердловині: i  25 30 35 40 45 50 55 hi  ai g (2) Як давача тиску вибрано давач серії 40РС фірми "Honeywell", при цьому при зануренні датчика 5 в свердловину на глибину Hi на його виході з′являється вихідний сигнал Uдат = Vaym, який надходить на вхід підсилювача 9. На виході підсилювача отримуємо підсилений сигнал Uвих, який подається на вхід АЦП, причому Uвих = K1Hі (3), де К1 - коефіцієнт перетворення Ні в Uвих. Вихідний сигнал підсилювача 9 оцифровується АЦП 10, на виході якого отримуємо цифровий код N вихідної напруги Uвих: N=K2 Uвих (4), де К2 - коефіцієнт перетворення Uвих в код N. Відомо, що рівень води в свердловині залежить від величини атмосферного тиску. Рівняння (4) можна записати і в такому вигляді: Ν = Νа + ΝΗ (5), де Na - код пропорційний величині атмосферного тиску; NН - код пропорційний значенню рівня води в свердловині. Для визначення Na і компенсації зміни атмосферного тиску Ра, що впливає на результат вимірювання рівня води, в пристрій введено блок вимірювання атмосферного тиску 1. Як давач атмосферного тиску 5 вибрано давач абсолютного тиску серії МРХ фірми Motorola, при цьому вихідний сигнал датчика через підсилювач 6 надходить на вхід АЦП 7, на виході якого отримуємо код Na. Комп'ютер 4, отримуючи значення Na і NH відслідковує зміну атмосферного тиску Ра таким чином, що це не впливає на результати визначення рівня води в свердловині. Вимірювання температури води в свердловині здійснюється в кожному зонді датчиком температури 11 за який вибрано цифровий термометр 18В20 фірми MAXIM, що підтримує мережу 1-Wire. Багатоканальний пристрій вимірювання рівня води і її температури складається з електронних пристроїв, кожному з яких присвоєно свій ідентифікаційний код для роботи в мережі 1-Wire, при цьому кожний з пристроїв є пасивним а ПК 4 є ведучим. Під дією програмного забезпечення, встановленого на ПК здійснюється автоматизоване гідрогеологічне спостереження за рівнем води та її температури в свердловинах, збір, обробка, та відображення поточної інформації, створення бази даних результатів вимірювання. 2 UA 82072 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 1. Багатоканальний пристрій для вимірювання рівня води і її температури, що складається з персонального комп'ютера, який відрізняється тим, що додатково містить канал вимірювання атмосферного тиску, n каналів вимірювання рівня води і її температури, адаптер, вихід якого під'єднаний до послідовного СОМ порта комп'ютера, а вхід - до виходів каналу вимірювання рівня води і її температури. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що канал вимірювання атмосферного тиску складається з послідовно-з'єднаних датчика атмосферного тиску, підсилювача і аналогоцифрового перетворювача, причому останній є пристроєм мережі 1-Wire з індивідуальною мережевою адресою, і вихід якого є виходом каналу вимірювання атмосферного тиску. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що канал вимірювання рівня води складається з послідовно-з'єднаних датчиків тиску води, підсилювача і аналого-цифрового перетворювача, датчика температури, причому аналого-цифровий перетворювач і датчик температури є пристроями мережі 1-Wire з індивідуальними мережевими адресами, виходи яких з'єднані між собою і є виходом каналу вимірювання рівня води і її температури. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що канал вимірювання рівня води та її температури вмонтований в герметичний корпус, який являє собою занурювальний зонд з відкритим портом датчика тиску і вихідним сигнальним кабелем, причому зонд опущений в п'єзометричну трубку свердловини до рівня її нижнього кінця. 3 UA 82072 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4