Система для гідрологічних спостережень та пристрій для контролю параметрів води

1. Система для гідрологічних спостережень, що вміщує гідрологічний зонд з датчиками контролю рівня води, її температури та електропровідності, контейнер з лебідкою, блоком електроживлення та центральним керуючим пристроєм з аналогоцифровим перетворювачем на вході, відрізняється тим, що система обладнана блоком прецизійних вимірів аналогових сигналів, включеним між виходами вимірювальних датчиків та центральним керуючим пристроєм, блоком узгодження, включеним між виходом центрального керуючого пристрій та передавачем. 2. Система за п. 1 відрізняє ться тим, що блок прецизійних вимірювань обладнаний мультиплексором, входи якого з'єднані з вимірювальними датчиками, інструментальним підсилювачем, вхід якого з'єднаний з одним із виходів мультиплексора, а вихід з одним із входів аналого-цифрового перетворювача, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом мультиплексора, причому аналого A (54) СИСТЕМА ДЛЯ ГІДРОЛОГІЧНИХ СПОСТЕРЕЖЕНЬ ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ ВОДИ 35984 цях спостережень, як-от, гірські річки та озера, зони підтоплення грунтовими водами. Спостереження коливання рівня грунтових вод проводяться епізодично шляхом об'їзду контрольних свердловин та вимірів рівня за допомогою ручної рулетки. Таким чином, діюча система спостережень не забезпечує своєчасного контролю з'явлення повеней та підтоплення за відсутністю повідомлення про критичний стан з коливаннями рівня води, що обертається катастрофами для країни і людей насамперед. Відомі деякі розробки направлені на створення автоматизованих систем контролю забруднення навколишнього середовища та пристроїв для збору та передачі інформації (CPCP a. с № 867200, G08C 19/28, G07C 11/00, a. c. № 894774G08C 19/28, а. с. № 1005145G080 19/28, а також "Контроль якості природних вод автоматичною станцією "Наяда" // Хімія та те хнологія води. - Т. 5. - № 2. С. 178-181; Автоматизована система контролю якості поверхневих вод // Прилади та системи управління/ - 1984 p. - № 1/ - C. 7-8; отчет о НИР "Разработка метода повышения надежности автоматизированных систем контроля окружающей среды (АСК ОС). - Казан. СПКБ "Нефте химпромавтоматика", Инв. № 02860096530 // Сб. реф. НИР и ОКР. - № 6. - 1987). Відомості про їх промислове використання, особливо з контролю рівня води, відсутні. Найбільш близьким за змістом є гідропост MDS "Surfloat" (прес-реліз фірми SEBA "HYDROMETRIE", Німеччина). Конструктивне виконання цього поста - колодязь, який з'єднано з водосховищем, що спостерігається, над котрим розташована будівля поста, а у середині колодязя розташовані вимірювальні датчики. Основою системи вимірювань є вимірювач рівня води на базі лебідкового механізму, на тросі котрого закріплено зонд з вимірювальними датчиками. Зонд виконано поплавковим, завдяки чому він коливається разом з коливанням рівня води. Сигнали від датчиків поступають на автоматичні реєстратори, де вони фіксуються на паперовому носії або у цифровому вигляді. Далі ця інформація потрапляє до центру на обробку через того ж спостерігача за допомогою пошти, телеграфу або телефону. Як бачимо з опису розглянутої техніки, гідрологічні пости для спостережень на річках і водосхови щах є автоматизованими, а не автоматичними. Вимірювання рівня грунтових вод взагалі є ручним та епізодичним, що не забезпечує постійного моніторингу особливо у небезпечних зонах. В обох випадках технологія їх функціонування обумовлює участь в ній людини. Застосування гідрологічного зонду-поплавка має кілька негативних рис, які обумовлюють додаткову помилку у вимірі рівня води, особливо його мінімального рівня, при котрому рівень становить значення зрівняне з розмірами поплавка. Додаткова помилка у вимірюванні з'являється ще й від тросового приводу - натяжіння тросу за допомогою противаги. Вага тросу, особливо при наближенні до максимального або мінімального значення рівнів, збільшує те чи інше плече, а, отже, обумовлює ступень занурювання поплавка у воду. Крім того, лебідковий механізм, що знаходиться над поверхнею води, обов'язково зазнає дії водяної пари над цією поверхнею, а тому дії іржі та загустіння мастила. Це надає додаткових помилок до вимірювання та зменшує надійність роботи механізму. В основу винаходу поставлено задачу створення автоматичного гідрологічного поста (станції), що дозволяє забезпечити ріст об'єктивності та точності вимірювання гідрологічних параметрів, а також оперативність та здешевлення доставки цієї інформації споживачеві. Поставлена задача вирішується тим, що відома система для гідрологічних спостережень, яка містить гідрологічний зонд з датчиками контролю рівня води, її температури та електропровідності та контейнер з лебідкою, блоком електроживлення та центральним керуючим пристроєм (ЦКП) з аналого-цифровим перетворювачем на вході, обладнана блоком прецизійних вимірювань аналогових сигналів, через який датчики з аналоговими виходами з'єднані з ЦКП, блоком узгодження на виході останнього та передавачем на виході блока узгодження. Наявність блоку прецизійних вимірювань (БПВ) аналогових сигналів дозволяє збільшити точність сигналів з датчиків, а разом з блоком узгодження і передавачем дозволяє усунути людський фактор в процесі передачі інформації споживачеві, чим збільшується точність за рахунок її об'єктивності і оперативності надходження. Запропонований БИВ, крім АЦП, містить мультиплексор, входи якого з'єднані з виходами вимірювальних датчиків і інструментальним підсилювачем аналогових сигналів, вхід якого з'єднаний з одним із виходів мультиплексора, а вихід - з одним із входів АЦП. Другий ви хід мультиплексора з'єднаний з другим входом АЦП. При цьому АЦП виконаний з тестовим корегуванням. Така схема дозволяє додатково підвищити точність вимірювання аналогових сигналів з датчика за рахунок підсилення інструментальним підсилювачем та зменшити помилки при квантуванні аналогових сигналів в цифрові завдячуючи застосуванню тестового корегування АЦП. Блок узгодження (БУ) ЦКП з передавачем (П) може бути виконаний у вигляді додаткового контуру, який складається з блоків буферної пам'яті, до складу якої входить блок оперативної пам'яті (ОЗУ) та блок постійної пам'я ті (ППЗУ), а також вимикачів для підключення електроживлення до генератора кварцової частоти у разі використання радіопередавача або до модему у разі використання провідного зв'язку. При цьому вхід буферної пам'яті з'єднаний з виходом ЦКП і генератором кварцової частоти, а вихід - з входом радіопередавача або модему. Така схема дозволяє забезпечити об'єктивність та оперативність передачі інформації за рахунок того, що буферна пам'ять дозволяє незалежно від режиму роботи станції в даний момент (опитування датчиків, обробка інформації тощо) мати готову ін формацію для передачі споживачеві. Пристрій для контролю параметрів води, який містить гідрологічний зонд з датчиками контролю та лебідку для його вертикального переміщення, додатково обладнаний диском з рівномірно розташованими по колу отворами, а також лічильни 2 35984 ком кількості переміщених отворів, підключеним до центрального керуючого пристрою. Диск встановлено співвісно з барабаном лебідки та жорстко зафіксовано до нього. Гідрологічний зонд може бути виконаний у вигляді мірної рейки, вздовж якої розміщено електроди. На одному кінці зонду закріплені датчики температури та електропровідності, а на другому контейнер з комутаторами виводів електродів. Наявність диску з лічильником збільшує точність виміру довжини змотаного тросу, а наявність рейкового зонду дозволяє збільшити точність вимірювання рівня води за рахунок вимірювання коливання поверхні води під дією вітру або інших джерел коливання. Така конструкція дозволяє вимірювати як малі, так і значні рівні води у ріках та водосховища х при будь-яких коливаннях поверхні води. На фіг. 1 зображена блок-схема запропонованої системи гідрологічних спостережень; на фіг. 2 блок-схема блока прецизійних вимірювань аналогових сигналів; на фіг. 3 - блок-схема блока узгодження; на фіг. 4 - зображена принципова схема пристрою для контролю параметрів води. Система гідрологічних спостережень (фіг. 1) виконана схемно як одне ціле і містить датчики 1 (температури та електропровідності) та датчики 2 (рівень води). Виходи датчиків 1 з аналоговими сигналами з'єднані з входами блока прецизійних вимірювань аналогових сигналів 3, ви хід якого з'єднаний з центральним керуючим пристроєм 4. Його другий вхід з'єднаний з другим ви ходом БПВ 3, комутуючого вхід да тчиків 2 з цифровими виходами. Вихід ЦКП з'єднаний з входом блока узгодження (БУ) 5, а його вихід з входом передавача 6. Система містить також блок електроживлення (БЕЖ) 7, з'єднаний з входами всіх блоків. Блок прецизійних вимірювань аналогових сигналів (фіг. 2) включає в себе мультиплексор 8, комутуючий датчики контролю, інструментальний підсилювач 9 з високоомним вхідним опором, джерело опорного напруження 10, аналогоцифровий перетворювач 11 на базі 16-разрядних АЦП та вимірювач опорної напруги 12. Один з виходів мультиплексора 8 через підсилювач 9 з'єднаний з входом аналого-цифрового перетворювача 11, другий вихід мультиплексора 8 - безпосередньо з другим входом аналого-цифрового перетворювача 11, вихід якого з'єднаний з мікроконтролером 13 ЦКП. Джерело опорного напруження 10 з'єднано з входами мультиплексора 8, підсилювача 9, а також з вимірювачем напруги 12, ви хід якого з'єднаний з АЦП 11 та мікроконтролером 13. Блок узгодження ЦКП з передавачем (П) може бути виконаний у вигляді додаткового контуру, який складається з блоку буферної пам'яті, до складу якої надходить блок програмування інформації у кодах ВМТ 15 зі змінним блоком пам'яті архівної інформації 21, блока оперативної пам'яті 16 та блока постійної пам'яті 17, генератора кварцової частоти 18 та вимикачів 19, 20, через які генератор кварцової частоти та передавач з'єднані з джерелом електроживлення 7. Контур обладнаний також додатковим мікроконтролером 14, входи якого з'єднані з блоком буферної пам'яті, центра льним керуючим пристроєм та виходом генератора, а його вихід з'єднаний з передавачем. Мікроконтролер 13 оснащено знімним індикативним пультом управління 22 для ознайомлення з виміряними даними у будь-який час. Пристрій для контролю параметрів води (фіг. 4) включає в себе контейнер 23, розташований на твердому грунті, в якому розташовано лебідковий механізм 24 з електроприводом 25 і механізмом обліку обертів барабану 26 та блоки 3, 4, 5, 6, 7 схеми системи (фіг. 1). Гідрологічний зонд 27, у вигляді мірної рейки, обладнано електродами 28 вздовж її довжини. На одному кінці зонду закріплено датчики температури 29 та електропровідності 30. На другому - контейнер 31 з комутаторами виводів датчиків, котрі за допомогою кабелю 32 з'єднані з ЦКП 13. Гідрологічний зонд закріплено на тросі 33 лебідки 24 і розміщено у тр убному колодязі 34, який з'єднано з контейнером 23 додатковими патрубками для захисту троса та кабелю від зонда 27 до лебідки 24. Система працює таким чином. За сигналами таймера ЦКП 4 починається послідовне опитування датчиків 1-2 та збір сигналів. Аналогові сигнали з датчиків 1 комутуються за допомогою аналогового мультиплексора 8 та подаються: з датчиків 1 низького рівня сигналів (температура) через інструментальний підсилювач 9, а з інших датчиків 1 (електропровідність) безпосередньо на АЦП 11. При цьому застосовані 16-разрядні АЦП, які калібруються методом тестового корегування, для чого вимірюються внутрішні параметри АЦП: напруга, подана на внутрішній розподільник, напруга, яка знімається з внутрішнього розподільника, та внутрішня опорна напруга з вимірювача опорної напруги 12 з блоку опорної напруги 10. Після тестового корегування АЦП, скореговані сигнали піддають математично-логічній обробці в ЦКП 4 і в цифровому вигляді фізичних одиницях вимірювальних параметрів передаються до ОЗУ 16 буферної пам'яті блоку узгодження 5. Сигнали від датчиків 2 (рівень води) представляють собою цифрові сигнали "1", якщо електроопір між двома сусідніми електродами знаходиться у межах схеми вимірювання, що дорівняється знаходженню води між електродами, та "0" - якщо це значення знаходиться за межами вимірювання, що дорівнюється відсутності води між електродами. Електроди по черзі за допомогою мультиплексора 8 комутуються до вимірювальної схеми, тому, знаючи їх нумерацію та номер електрода з сигналом "0" та його відстань від нульової позначки, визнається рівень поверхні води, що разом з показником рівня зонду вказує на рівень води відносно дна або поверхні землі. Після цього визначені величини також подаються до ОЗУ 16 блока узгодження 5. Опитування датчиків проводиться багаторазово, десь до 60 разів за заданий термін часу усереднення кожного параметру, визначається їх усереднене значення і, за потреби, визначаються максимальне (мінімальне) їх значення або тенденція до цих змін. При наближенні значень параметрів до критичних (заданих) значень або при визначенні тенденцій до такого наближення ЦКП 4 збільшує частоту опитування датчиків та переходить у ава 3 35984 рійний режим передачі інформації у позачерговий термін часу. За командою таймера ЦКП 4 виробляється сигнал обміну (СО) на включення генератора кварцової частоти 18. Генератор видає тактові імпульси вибраної частоти у вигляді ИО, які поступають до буферної пам'яті для виводу з неї інформації. На кожний ИО поступає один двійковий розряд інформації. Початок та закінчення зчитування починається з ППЗУ 17, у котрому записані постійні складові передачі. При застосуванні радіопередавача преамбула, синхрослово, адресне слово та по закінченню EOT (кінцівка передачі), а потім з ОЗУ дані вимірювань. При застосуванні модемного зв'язку - адресне слово (номер телефону споживача). Для передачі інформації до мережі ВМТ або архівації цієї інформації остання з ЦКП 4 надається спочатку до блока програмування 15, де проходить її кодування за заданою програмою. Потім ця інформація у кодах ВМТ передається до ОЗУ 16 і далі на передавач 6. Блок програмування 15 обладнаний знімним блоком пам'яті 21 (ППЗУ), куди заноситься інформація всіх вимірів, наприклад, за місяць чи кілька місяців. Далі цей блок пам'яті замінюють на новий, а цей передається до архіву спостережень. Мікроконтролер 13 має роз'єм для підключення індикативного пульта управління 22 для ознайомлення з вимірами у будь який час. За командами ЦКП 4 пристрій контролю параметрів води працює таким чином: вимірювання положення гідрологічного зонду відносно поверхні води здійснюються за допомогою лебідки. При відомому діаметрі барабану в ЦКП 4 обчислюється довжина тросу до зонду. Програма управління лебідкою виконана таким чином, щоб підтримувати зонд зануреним на половину його довжини у воду. Коли середній рівень води або коливання її поверхні підіймається до заданих верхніх електродів, то зонд підіймається догори, доки не досягне заданого положення відносно рівня води. Коли рівень води зменшується, то зонд знижується за тим же критерієм. При коливаннях рівня у проміжках між граничними електродами положення зонду не змінюються, а відлік середнього рівня води та коливань водної поверхні здійснюються за аналізом замикань електродів зонду водою за заданий термін часу. Запропоновані технічні рішення покладено за основу при розробці технічного завдання на розробку гідрологічного поста у рамках Національної програми України "Метеорологія". Пристрій для контролю параметрів води виконано дворівневим на основі лебідкового механізму у ви гляді виконавчого механізму МЕК-25, на валу якого закріплено барабан заданого діаметру, який обладнано диском 26 і який встановлено співвісно з барабаном і жорстко закріплено до нього. Диск має отвори, рівномірно розподілені по колу таким чином, що при його обертанні отвори проходять між джерелом світла та фотоприймачем (на фігурах не представлено), який приєднано до лічильника кількості сигналів включення фотоприймача ЦКП 4. При відомому діаметрі барабану та кількості отворів, які пройшли крізь фотоприймач в ЦКП 4 обчислюється довжина тросу до зонду. Вказаний механізм обліку обертів барабану є одним з можливих прикладів з тих, які застосовуються в техніці лічильників (оптопара, геркони тощо). Гідрологічний зонд 27 виконано у вигляді, наприклад, трубчатої рейки зібраної з токопровідних і нетокопровідних обручок. Кожна токопровідна обручка з'єднана з комутуючим мультиплексором, за допомогою котрого по черзі підключаються електроди до вимірювальної схеми. Довжина рейки вибирається з умов вимірювання можливих коливань поверхні води в місті розташування гідрологічного поста. На одному кінці зонду закріплено датчики температури 29 та електропровідності 30, на другому контейнер 31 з комутаторами виводів електродів, котрі за допомогою кабелю 32 з'єднані з ЦКП 4. Включення зонду до роботи здійснюється за командами ЦКП 4. Як бачимо з опису роботи вимірювача рівня води, жодна з технологічних дій отримання з нього інформації не потребує участі в ній людини. Крім того, зважаючи, що рівень води різко змінюється тільки у критичних умовах, дана конструкція забезпечує більшість вимірів рівня за допомогою одного тільки гідрологічного зонду, що підвищує точність вимірів, зменшує витрати електроенергії, особливо при застосуванні батарейного електроживлення. Крім того, підтримання зонду відносно поверхні води, забезпечує постійне занурення у воду датчиків температури і електропровідності, що підвищує надійність цих вимірів. 4 35984 Фіг. 1 5 35984 Фіг. 2 6 35984 Фіг. 3 7 35984 Фіг. 4 8 35984 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 9