УДК 556,535.2.078
Электронный поплавковый уровнемер
М. В. Александров*, Ю. Д. Малашин**, Г. В. Рымша*, В. К. Шкурко*
Дано описание принципа действия и технических характеристик разработанного отделом гидрологических приборов ГГИ современного поплавкового цифрового уровнемера УПЦ. Прибор предназначен для автоматизированного измерения уровня воды в реках, озерах и водохранилищах с последующим вводом накопленной режимной информации в компьютер центра сбора и обработки результатов измерений. Предусмотрена также возможность оперативной передачи данных измерений по проводным и радиоканалам связи. Тем самым осуществлен переход от поколения механических самописцев на новую ступень развития гидрологического приборостроения.
Как известно, одной из основных составляющих технического оснащения гидрологической сети являются измерители уровня воды — уровнемеры [2]. Находящиеся до настоящего времени в эксплуатации электромеханические уровнемеры-самописцы находятся в состоянии крайнего износа, а их количество недостаточно: еще в 1990 г. ими было оснащено менее 30% гидрологических постов. За истекшее время положение резко ухудшилось как вследствие резкого сокращения бюджетного финансирования гидрологического приборостроения, так и по причине того, что большая часть отраслевых заводов после распада СССР осталась за пределами РФ.
Возобновление производства уровнемеров-самописцев в настоящее время нецелесообразно и бесперспективно. Это обусловлено не столько трудоемкостью изготовления механических узлов, сколько необходимостью перехода на современную технологию сбора результатов измерений уровня воды (так же, как и других гидрологических величин). Дело в том, что в последнее десятилетие на сети получили значительное развитие системы компьютерной обработки данных. В этих условиях ручная обработка диаграммных лент с последующим переносом информации на специальные носители для ее ввода в компьютер центра сбора данных исключительно трудоемка и неизбежно связана с внесением дополнительных неучитываемых погрешностей.
Поэтому единственно приемлемым в создавшихся условиях представляется переход от поколения электромеханических самописцев к электронным приборам, обладающим существенно расширенными возможностями выбора режима измерений и увеличения объема накапливаемой информа-
* Государственный гидрологический институт.
** Ленинградский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
ции об уровне воды. Целесообразность такого решения подтверждается тем, что ведущие западные фирмы, работающие в области гидрологического приборостроения, на основе последних достижений современной электроники разработали и освоили выпуск принципиально новых приборов, не содержащих громоздких механизмов, В качестве примера можно привести фирмы "OTT" и "SEBA" (ФРГ), Электронные приборы этого класса предназначены как для автоматического измерений уровня воды и длительного хранения режимной информации, так и для передачи оперативной информации в центры сбора по техническим каналам связи.
Был проведен сравнительный анализ измерительных комплексов "Гидролог-1" и АДГП, разработанных соответственно ГГИ и ЦКБ ГМП (г. Обнинск). Оба устройства были рассчитаны на подключение нескольких датчиков. Так, "Гидропост-1" осуществлял обработку данных измерений от уровнемера-самописца ГР-116, термометра ТДЦ и датчика осадков ДЖО. Анализ показал, что такое решение приводит к значительной аппаратурной избыточности, поскольку не во всех случаях используются все-имеющиеся входы группового устройства. Кроме того, возникают существенные трудности при проведении периодических метрологических проверок, методика которых специфична для каждого типа измерителя.
Поэтому авторы при разработке ориентировались на создание прибора, рассчитанного на подключение только одного датчика определенного типа, в данном случае поплавкового измерительного преобразователя. Этот электронный поплавковый уровнемер открывает принципиально новый этап в процессе создания отечественных гидрологических уровнемеров после серии электромеханических самописцев, последней моделью которых в 1980-х годах был уровнемер ГР-116.
Одной из основных задач при разработке такого прибора представляется определение способа съема накопленной режимной информации с уровнемера на гидрологическом посту и ее последующей доставки в центр сбора. Разработчиками электронного поплавкового уровнемера "THALES" (фирма "OTT") накопление информации предусмотрено непосредственно в уровнемере, а ее съем осуществляется наблюдателем на посту с помощью переносного пульта-контроллера "HYDRAM II", который затем доставляется в центр сбора, где и происходит ввод информационного массива в компьютер.
Такое техническое решение в условиях работы подобных приборов на отечественной гидрологической сети представляется неприемлемым из-за ее существенных отличий от европейских систем гидрологических наблюдений в отношении климата, размеров и степени освоенности территории, количества и качества коммуникаций, квалификации сетевого персонала и т. п. Поэтому отечественный электронный уровнемер в отличие от "THALES" разрабатывался не как единый прибор, а в составе двух устройств — собственно поплавкового цифрового уровнемера УПЦ и сменного регистратора-накопителя РС-1. Внешний вид данных устройств представлен на рис. 1.
УПЦ осуществляет автоматическое измерение уровня воды и ввод данных измерений в РС-1, обладающий электронной памятью большой емкости. По окончании очередного периода наблюдений регистратор с накоп-102
Рис. 1. Внешний вид уровнемера УПЦ и сменного регистратора РС-1.
ленной режимной информацией заменяется другим однотипным регистратором и доставляется в местный центр сбора и обработки данных. В рамках такой технологии сбора информации специальный пульт-контроллер, подобный "НУБЛАМ И", представляющий достаточно сложное и относительно дорогостоящее устройство, требующее специальных навыков работы сетевого персонала, оказывается ненужным.
Структурная электрическая схема УПЦ изображена на рис. 2. Принцип действия его измерительного преобразователя, представляющего наибольший интерес как оригинальное техническое решение, заключается в следующем. На одной оси с поплавковым колесом закреплен кодовый диск 1 с прорезями, выполненными с шагом, обеспечивающим дискретность отсчета уровня АЯ, равную 2 мм. Перемещение диска / фиксируется при помощи излучающих инфракрасных (ИК) диодов 3 и приемных фотодиодов 4, расположенных по обе стороны диска 1. Поток излучения принимается фотодиодом в момент совпадения одной из прорезей диска 1 с лучом света, исходящим из соответствующего ИК-диода.
Рис. 2. Структурная схема уровнемера УПЦ.
С целью снижения потребления энергии аккумулятора питание ИК-дио-дов осуществляется от генератора 2 импульсами скважностью £) = 20 с частотой следования F = 1 кГц. Наличие двух пар ИК-диод — фотодиод позволяет получать при вращении поплавкового колеса с кодовым диском две последовательности импульсов, огибающие которых сдвинуты друг относительно друга на фазовый угол <р, равный ±90° в зависимости от направления вращения диска. Эти импульсные последовательности обрабатываются в блоке преобразования 5, с одного из выходов которого в зависимости от знака фазового угла <р снимаются импульсы логического уровня. Эти импульсы поступают в микроконтроллер 6, который управляет цифровым индикатором 7, а также по сигналу опроса от РС-1 формирует и выдает на него кодовую комбинацию, соответствующую текущему значению уровня воды.
Микроконтроллер б кроме обеспечения обмена сигналами и ввода данных измерений в регистратор РС-1 может осуществлять аналогичный обмен по сопряжению К8-232 или 118-485 с внешними устройствами (модемами), предназначенными для передачи оперативной информации в центр сбора по различным каналам связи — от проводных до спутниковых.
Основные технические характеристики УПЦ и РС-1 следующие:
(Ввод накопленной информации в компьютер центра сбора информации осуществляется по каналу сопряжения Н.8-232.)
Технические данные каналообразующих устройств приводить здесь нецелесообразно ввиду их многообразия и достаточно частого появления на рынке все новых и новых средств связи.
В настоящее время разработка уровнемерного комплекса в составе УПЦ и РС-1 завершена. УПЦ прошел метрологические испытания на утверждение типа средств измерений и получил Сертификат Госстандарта РФ за № 7459 (действителен до 1 марта 2005 г.). На ЦМКП Росгидромета были рассмотрены материалы опытной эксплуатации указанных приборов на двух гидрологических постах в устьевой зоне р. Нева и принято решение рекомендовать их для применения на гидрологической сети наблюдений.
Кроме того, УПЦ получил практическое применение в составе автоматизированной системы проводки морских судов по акватории Санкт-Петербургского порта (наряду с другими датчиками, производимыми фирмой "¥а18а!а", Финляндия). Информация об измеряемых гидрологических параметрах передается по системе морской проводной связи непосредствен-
УПЦ
Диапазон измерения Напряжение источника постоянного тока
Средний ток потребления (не более) Рабочая температура воздуха Габариты корпуса РС-1 Объем памяти
Периодичность опроса УПЦ Габариты
-25...40°С 140 х 150 х 70 жм
32 кбайт 1-—240 мин 140 х 70 х 45 мм
0,5—8,4 м 6—165
но в компьютер диспетчерского поста. Данная система успешно эксплуатируется в течение года, и администрация порта планирует создание аналогичных систем в Кронштадте, Шепелеве и на о. Гогланд, что дает возможность оперативного контроля ситуации в целом во всему Финскому заливу.
Специалистами института ГП "Гидрометприбор" при ГГИ выполнена работа по технологической подготовке производственной базы к промышленному выпуску уровнемеров данного типа, в результате чего получен Сертификат зональной организации Госстандарта "Ростест-СПб" на право производства этих приборов предприятием "Гидрометприбор" при ГГИ.
Первая партия уровнемеров с регистраторами была изготовлена по заказам ряда сетевых подразделений Росгидромета и отправлена заказчикам. Кроме того, по договору с ГГИ "Севза
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.