научная статья по теме АВТОНОМНАЯ ДОННАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ДОЛГОВРЕМЕННОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОЗЕРА БАЙКАЛ Энергетика

Текст научной статьи на тему «АВТОНОМНАЯ ДОННАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ДОЛГОВРЕМЕННОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОЗЕРА БАЙКАЛ»

[Meshkov V. V. Foundations of lighting engineering. — Moscow: Jenergija, 1979. — 386 p. (In Russian).].

8. Горбунов Н. И., Дийков Л. К., Медведев Ф. К., Анисимова Н. П. Опто-электронные датчики пламени // Компоненты и технологии. — 2007. — № 1. [Gorbunov N. I., Dijkov L. К., Medvedev F. K, Anisimova N. P. Optoelectronic flame sensors // Components and technologies. — 2007. — № 1. (In Russian).].

9. Пат. на полезную модель, приоритет 23.07.2013. Инфракрасный многоспектральный приемник излучения / Н. Э. Тропина, А. Н. Тропин, Н. П. Анисимова, А. Е. Смирнов. [Patent for useful model, priority 23.07.2013. Multiband infrared radiation detector / N. Je. Tropina, A. N. Tropin, N. P. Anisimova, A. E. Smirnov. (In Russian).].

10. Медведев Ф. К., Смирнов А. Е., Сак А. В, Кулагов В. Б. Современ-

ная номенклатура разработок и производства приборов для систем пожарной безопасности на основе оптических ИК датчиков // Электронная промышленность. — 2014. — № 2. [Medvedev F. K., Smirnov A. E., Sak A. V., Kulagov V. B. Modern nomenclature for development and production of devices for fire security systems based on optical IR sensors // Electronics industry. — 2014. — № 2. (In Russian).].

УДК 551.46.07

АВТОНОМНАЯ ДОННАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ДОЛГОВРЕМЕННОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОЗЕРА БАЙКАЛ1

THE AUTONOMOUS SUB-BOTTOM STATION IS USED FOR LONG-TERM OBSERVATION OF WATER ENVIRONMENT PARAMETERS OF THE LAKE BAIKAL

Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск

Аннотация: Представлены результаты разработки и испытания автономной донной станции для долговременного мониторинга гидрофизических и гидрохимических параметров водной среды озера Байкал. Измеряемыми параметрами являются: температура, электропроводность, давление, содержание растворенного метана и кислорода. Продолжительность работы станции на одном комплекте источников питания не менее 6 месяцев. Ключевые слова: мониторинг водной среды, автономная система, донная гидрофизическая станция.

Chensky Dmitry A.

Postgraduate, Electronics Engineer Е-mail: skb@istu.edu

Bezrukin Andrey G.

Research Engineer Е-mail: bezra2@mail.ru

Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk city

Abstract: The results of the sub-bottom profiler development and its testing for long-term monitoring of hydrophysical and hydrochem-ical parameters of water environment of lake Baikal are represented. The measured parameters are: temperature, electric conductivity, pressure, dissolved methane and oxygen contents. Operation time on a single set of power sources at least 6 months.

Keywords: monitoring sub-bottom profiler.

Ченский Дмитрий Александрович

аспирант, инженер-электроник Е-mail: skb@istu.edu

Безрукин Андрей Геннадьевич

инженер-исследователь Е-mail: bezra2@mail.ru

ВВЕДЕНИЕ

Озеро Байкал уникально, одно из наиболее древних (более 25 млн лет) и глубоких

1 Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Гос. задание № 1218 от 01.03.2014 "Разработка гидроакустического профилографа с линейной частотной модуляцией для поиска аквальных газовых гидратов").

(1637 м) водоемов, оно является хранилищем более 20 % всех поверхностных пресных вод нашей планеты. В Байкале обитает более 1500 эндемичных водных организмов [1]. При растущей рекреационной нагрузке на озеро, увеличении числа судов, неконтролируемого сброса сточных вод необходим комплекс -

of water environment, self-sufficient system,

ный мониторинг параметров его уникальной экосистемы. Измерения гидрофизических и гидрохимических характеристик водной среды позволяют осуществлять контроль и прогнозировать состояние водоема, давать оценку и прогноз глобального изменения климата и антропогенного воздействия на

озеро. Обоснованные выводы о климатических и сезонных вариациях, корреляционных связях между различными факторами возможны лишь в случае проведения долговременного и непрерывного мониторинга.

ПРОГРАММНО АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДОЛГОВРЕМЕННОГО МОНИТОРИНГА

Так как проводить измерения в фиксированной точке озера в течение нескольких недель или месяцев с научно-исследовательских судов дорого, то для долговременных измерений параметров водной среды в заданной точке активно создаются автономные автоматические донные станции с системами сбора, предварительной обработки и хранения информации. Современные станции обладают высокой мобильностью, высоким быстродействием, приемлемыми массогабаритными параметрами, небольшим энергопотреблением и относительно низкой стоимостью [2].

Разработанная и изготовленная в Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете автономная донная станция включает в себя модуль датчиков, модуль сбора, предварительной обработки и хранения данных, модуль питания, гидроакустические размыкатели, раму и поплавки [3]. Конструкция автономной донной станции схематично представлена на рис. 1. Станция состоит из груза 1, акустического размыкателя 2, рамы с закрепленными в ней датчиками и герметичным прочным корпусом для электроники и источников питания 3, поплавков 4. Для постановки

станции на дно используется дополнительный акустический размыкатель 5 и трос лебедки научно-исследовательского судна. Возможна постановка станции с ледового покрытия озера, при этом лебедка закрепляется на автомобиле. Акустический размыкатель 5 отсоединяет станцию от троса при достижении

ной станции

дна акватории по команде с пульта гидроакустического канала связи. Контроль расстояния до станции в процессе погружения осуществляется также по акустическому каналу. Подъем станции на поверхность происходит по гидроакустической команде размыкателю 2 с научно-исследовательского судна или ледового покрытия озера. При этом отсоединяется балласт и за счет положительной плавучести поплавков станция всплывает. Поиск станции происходит по радио и световым маякам.

Станция обеспечивает долговременные измерения, первичную обработку и хранение данных о температуре, давлении, электропроводности, содержании в воде растворенного метана и кислорода. Измерения осуществляются при помощи комплексного датчика 8ВЕ 37-8МР-ГОО [4] и датчика метана компании Franatech [5]. Корпус прибора выполнен из титана, что позволяет проводить измерения на глубинах до 8000 м. Датчики оснащены интерфейсом связи К5-232, по которому осуществляется считывание измеренных значений, изменение настроек датчиков и их калибровка. Технические характеристики датчиков приведены в таблице.

Микроконтроллерная система (рис. 2) служит для управления режимами автономной станции. Она отдает команды включения станции, сбора данных с датчиков и модуля 8ВЕ 37-8МР-ГОО, перехода в режим ожидания ("спящий" режим), отключения донной станции. Включение станции осуществляется по таймеру микроконтроллера. В режиме сбора дан-

Рис. 2. Структурная схема микроконтроллерной системы сбора, обработки и хранения данных

ных микропроцессор опрашивает датчики и записывает данные на Аа8^накопитель для дальнейшего хранения. После выполнения этих операций до следующего включения с целью экономии заряда источника питания производится переход в "спящий" режим с минимальным энергопотреблением (ток 5 мА). По истечении периода ожидания микроконтроллер снова переходит в режим сбора и записи данных. Периодичность сбора данных с датчиков программируется во время подготовки станции к постановке и может составлять от 10 с до 10 мин в зависимости от решаемой задачи по мониторингу водной среды.

Настройка режимов работы микроконтроллерной системы осуществляется перед погружением станции. После подключения диагностического разъема к последовательному порту компьютера производится диагностика датчиков и насосов станции, настройка расписания работы, синхронизация с мировым временем. В процессе работы станции установленные параметры не изменяются.

Используемое программное обеспечение включает: программу управления информационно-измерительной системой, программу настройки информационно-измерительной сис-

темы, программу предварительной обработки данных и графического отображения результатов. Программа управления сбором данных обеспечивает следующие функции: синхронизацию и настройку часов станции, режим отложенного запуска, настройку скважности работы, диагностику комплексного датчика, диагностику датчика метана, управление картой памяти, управление продолжи -тельностью работы насоса.

Основным элементом информационно-измерительной системы является микроконтроллер PIC24FJ256GA106 (рис. 3) [6]. В отличие от большинства моделей младших семейств (Р1С18)

он имеет четыре аппаратных ШАЯТ линии, 256 Кб программной и 16 Кб оперативной памяти, что позволяет создавать программы высокой сложности. Множество портов ввода/вывода дают возможность подключить к нему большое количество датчиков или иных устройств. Наличие интерфейсов и

12С позволяет подключать дополнительные цифровые модули, расширяя возможности системы [7]. Интерфейс Я8-232 используется для связи с цифровыми датчиками и для подключения к компьютеру, с помощью которого настраиваются режимы работы, синхронизиру-

Основные технические характеристики датчиков

Измеряемая величина Диапазон измерений Начальная точность Стабильность измерений Разрешающая способность

Проводимость Температура Кислород Давление Метан От 0 до 7 См/м От -5 до +35 °С 16 мг/дм 20/100/350/600/1000/2000 /3500/7000 м От 50 нМ/л до 10 мкМ/л 0,0003 См/м 0,002 °С 2 % от насыщения 0,1 % от полного диапазона шкалы От 1 до 500 нМ/л 0,0003 См/м 0,0002 °С 0,5 % за 1000 ч 0,05 % от полного диапазона шкалы в год От 20 нМ/л до 1 мкМ/л 0,00001 См/м 0,0001 °С 0,035 % от полного диапазона 0,002 % от полного диапазона шкалы От 1 до 40 мкМ/л

ется системное время и выполняется диагностика.

Взаимодействие микроконтроллера с картой памяти типа SD осуществляется по интерфейсу 8Р1. Программное обеспечение микроконтроллера поддерживает файловую систему FAT16 и объем накопителя до 2 Гб, что более чем достаточно для выполнения поставленных задач в течение нескольких месяцев. Данные сохраняются в текстовые файлы, в

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»