Устройство автоматического измерения и контроля естественной освещенности
С целью повышения точности измерения освещенности, расширения диапазона измерений, сохранения и обработки значений полученных измерений и расширения функциональных возможностей разработано устройство автоматического измерения и контроля естественной освещенности, состоящее из датчика освещенности с фотоэлементом, блока питания, индикатора, контроллера с аналоговыми и цифровыми входами/выходами. В качестве индикатора в нем использована электронно-вычислительная машина со специальным программным обеспечением. Такое устройство обеспечивает достижение поставленной цели и возможность применения не только для измерения освещенности, но и для применения при прогнозировании электропотребления, при метеорологических исследованиях и др. Технический результат - повышение точности измерений освещенности и расширение диапазона измерений; автоматизация процесса измерений; сохранение и обработка результатов измерений; расширение функциональных возможностей устройства за счет подключения к нему сторонних информационно-измерительных и информационно-управляющих систем.
Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано при метеорологических исследованиях и наблюдениях за уровнем естественной освещенности.
Известно устройство для измерения освещенности - люксметр, выпускаемый промышленностью (Пульсметр-Люксметр «ТКА-Пульс». Руководство по эксплуатации ЮСУК 2.859.007.РЭ. С.-Петербург: Изд-во Научно-технического предприятия «ТКА», 2003). Это устройство состоит из двух функциональных блоков: электронно-оптического (фотоприемника) и блока обработки сигналов (индикатора), электрически связанных между собой. На внешней поверхности фотоприемника находится фотоэлемент. При измерении на дисплее высвечиваются показания освещенности (в люксах или килолюксах).
Недостатком данного устройство является низкая точность измерений, большая зависимость показаний от пространственной ориентации фотоприемника, а также необходимость ручной настройки прибора перед каждым циклом измерений.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения естественной освещенности Липовко-Половинец П.О (SU 2349884 С1, 20.03.2009). Это устройство состоит из фотоприемника с фотоэлементом и индикатора, соединенных между собой кабелем, блока питания, а также ограничителя светового потока. Питание устройства осуществляется от батареи.
Однако, это устройство не позволяет фиксировать и сохранять значения естественной освещенности в автоматическом режиме. Максимальная измеряемая устройством величина освещенности не превышает 100 кЛк. В зависимости от освещенности требуется ручная настройка. Так как индикатор прибора состоит из механических элементов, то необходима его периодическая подстройка. Отсутствует возможность подключения к промышленному оборудованию.
Перед авторами стояла задача повышения точности измерений освещенности и расширения диапазона измерений; автоматизации процесса измерений; сохранения и обработки значений измеренной освещенности; расширения функциональных возможностей устройства, в том числе, подключения к нему сторонних информационно-измерительных и информационно-управляющих систем.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое устройство, состоящее из датчика освещенности с фотоэлементом, блока питания и индикатора, дополнительно содержит контроллер с аналоговыми и цифровыми входами-выходами, например, типа AtMega 128, в качестве индикатора использована электронно-вычислительная машина (далее «ЭВМ») со специализированным программным обеспечением (далее «СПО»), соединенная с контроллером, а в качестве датчика освещенности применен прибор, например, типа Transmitter Brightness компании Fischer.
Сущность изобретения состоит в том, что введение в устройство контроллера с аналоговыми и цифровыми входами/выходами позволяет осуществить преобразование аналоговых сигналов, поступающих от датчика освещенности, в сигналы цифрового вида, контроллер также позволяет задавать частоту измерения значений естественной освещенности. Так как контроллер имеет аналоговые и цифровые входы/выходы, то к нему могут быть подключены различные датчики, например, температуры, скорости и направления ветра, влажности, давления и т.д. с возможностью обработки и сохранения показаний этих датчиков. Помимо этого, имеется возможность подключения к контроллеру сторонних информационно-измерительных и информационно-управляющих систем, которые функционируют в зависимости от других настраиваемых параметров либо других сигналов (например, система прогнозирования электропотребления, метеорологические станции, система уличного освещения и др.). В случае необходимости, устройство может работать без ЭВМ, при этом значения освещенности сохраняются в памяти контроллера. Время работы в таком режиме зависит от настроек оборудования и требуемого периода измерений. ЭВМ со встроенным СПО позволяет хранить в памяти полученные значения освещенности и обрабатывать их, позволяет считывать информацию с входного порта с настраиваемой частотой, а также настраивать контроллер на различные режимы работы.
Сущность изобретения поясняется чертежом. На фигуре 1 представлена блок-схема устройства автоматического измерения и контроля естественной освещенности. Оно состоит из датчика освещенности 1 с фотоэлементом, соединенного с контроллером 2 проводником 3, подключенных к блоку питания 4 через проводники 5. ЭВМ 6 со встроенным СПО подключена к контроллеру 2 через проводники 7 (аналоговый сигнал) или 8 (цифровой сигнал). Контроллер 2 имеет аналоговые 9 и цифровые 10 входы/выходы, позволяющие подключать дополнительное оборудование, датчики или сторонние системы, которыми можно управлять в зависимости от уровня освещенности.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед первым использованием оборудования осуществляется его настройка на максимальный диапазон измерений и вид выходного сигнала (аналоговый и/или цифровой в зависимости от вида ЭВМ).
ЭВМ 6 позволяет изменять режим измерений (дискретный или непрерывный). Период режима измерений может быть установлен от 1 микросекунды до нескольких месяцев.
Световой поток, достигающий фокусирующего корпуса датчика освещенности 1, попадает на фотоэлемент, расположенный в его центре. В фотоэлементе световой поток преобразуется в электрический сигнал, который может быть в виде постоянного тока величиной 0-20 (4-20) мА или напряжения величиной 0-10 В, в зависимости от настроек датчика. Электрический сигнал от датчика освещенности 1 по проводнику 3 поступает на контроллер 2. Входной электрический сигнал контроллера 2 проходит первичную обработку и преобразуется в цифровой сигнал, подлежащий передаче через проводник 8 в ЭВМ 6 для запоминания и обработки. СПО считывает информацию с порта ЭВМ 6, на который поступает информация с контроллера 2 через проводники 7 или 8 и выполняет ее обработку и сохранение в соответствии с алгоритмом. При необходимости, информация об уровне освещенности с контроллера 2 может быть выведена в аналоговом или цифровом виде на входы/выходы 9 и/или 10 для возможности дальнейшего использования сторонним оборудованием. Блок питания может работать как от сети переменного тока, так и от аккумуляторной батареи. Датчик освещенности может работать в диапазоне температур от минус 30°С до +70°С, а также позволяет измерять освещенность величиной до 150 кЛк.
Для исключения попадания на датчик освещенности отраженных световых потоков, отраженных от зданий или сооружений, его располагают на самом высоком объекте исследуемой территории, таким образом, чтобы вертикальная ось симметрии датчика была перпендикулярна поверхности земли. Наличие цифрового канала связи позволяет передавать показания освещенности любым интерфейсом и протоколом в зависимости от комплектации и настроек оборудования, в том числе, по каналам Internet в режиме реального времени.
Таким образом, цель, поставленная в изобретении, полностью достигается, так как фактическое значение естественной освещенности на открытом пространстве получают непосредственным измерением с помощью предлагаемого устройства освещенности в автоматическом режиме, с дальнейшим формированием архива. Регулируется шаг измерений, точность получаемых значений, расширен диапазон измеряемых значений освещенности.
Испытания предлагаемого устройства для автоматического измерения и контроля естественной освещенности проведены на опытном производстве ООО НПП «ВНИКО» г.Новочеркасска, а также в городах Ростове-на-Дону, Цимлянске, Таганроге, Элисте, Сочи, Краснодаре, Новороссийске и ст.Вешенской. Результаты показали простоту монтажа устройства автоматического измерения и контроля естественной освещенности, а также достоверность получаемых значений.
На основании вышеизложенного и с учетом произведенного патентно-информационного поиска считаем, что разработанное нами устройство обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применяемостью и может быть защищено Патентом Российской Федерации.
Устройство автоматического контроля и измерения естественной освещенности, состоящее из датчика освещенности с фотоэлементом, блока питания и индикатора, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит контроллер с аналоговыми и цифровыми входами/выходами, подключенный к электронно-вычислительной машине, выполняющей роль индикатора.
