Способ автоматизированного беспроводного мониторинга уровня жидкости и устройство для его осуществления
AUTOMATED LIQUID LEVEL MONITORING METHOD AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, предназначенной для автоматизированного беспроводного контроля высоты уровня жидкости, и может быть использовано для дистанционного мониторинга уровня жидкости в водоемах, на улицах, в помещениях, колодцах, тоннелях, резервуарах и других местах, где необходимо контролировать уровень жидкости с дистанционным способом автоматического съема показаний.
Из уровня техники известен бесконтактный радиоволновый способ измерения уровня жидкости в емкости, заключающийся в том, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, выделяют первый сигнал разностной частоты на выходе первого смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, выделяют второй сигнал разностной частоты на выходе второго смесителя между падающими электромагнитными волнами и отраженными волнами, сдвинутыми по фазе на угол π/4, вычисляют взаимно корреляционную функцию между этими сигналами и по временному сдвигу, соответствующему ее максимуму, определяют уровень жидкости в емкости, (см. Патент 2650611, опубликовано 16.04.2018 г.).
Недостатком данного способа является использование измерителя высокой стоимости, необходимость обеспечения измерителя электропитанием в десятки вольт и мощностью в несколько ватт, что ограничивает применение измерителя в беспроводных системах.
Также из уровня техники известен способ определения высоты уровня жидкости, заключающийся в том, что направляют оптическое излучение по достаточно прозрачному протяженному телу (ленте, стержню, волокну), погруженному в жидкость, и регистрируют выходящее из тела излучение, по которому судят о высоте уровня жидкости, излучение в теле направляют под углами падения к боковой поверхности тела, обеспечивающими наибольший выход излучения в жидкость из боковой поверхности, и регистрируют всплеск выхода излучения из боковой поверхности в жидкость вблизи уровня координатным фотоприемником, расположенным вдоль тела (см. Патент RU2231028, опубликовано 20.06.2004 г. ).
Недостатком данного способа является необходимость применения фотоприемников, которые являются ключевым элементом, определяющим точность измерения. Повышение точности измерения достигается путем увеличения количества фотоприемников, что влияет на стоимость измерителя, потребляемую электроэнергию. Необходимо учитывать, что такой способ не позволяет собрать универсальный датчик уровня для нескольких типов жидкостей (так как для этого нужно применять различные материалы прозрачной ленты) и ограничивает использование измерителя вне закрытых резервуаров.
Известен гидростатический способ измерения уровня жидкости, основанный на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара. Гидростатическое давление зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором, от плотности жидкости и определяется по формуле P=Hρg, следовательно, уровень жидкости определяется по формуле H=P/(ρg),
где Н - высота столба жидкости, м;
Р - давление столба жидкости, Па;
ρ - плотность жидкости, кг/м3;
g - ускорение свободного падания.
При измерении уровня с помощью дифманометра устанавливают дополнительный уравнительный сосуд, наполненный до определенного уровня той же жидкостью, что и аппарат. Высота столба жидкости в другом колене дифманометра изменяется с изменением уровня в аппарате. Каждому значению уровня в нем отвечает некоторый перепад давления, определяемый расстоянием по высоте между аппаратом и прибором. Если аппарат работает при атмосферном давлении, уравнительный сосуд размещают на отметке нулевого уровня, если под давлением - на высоте максимального уровня (см., например, Учебное пособие «ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ УРОВНЯ», А.Ю. Агеев, Л.Н. Лохтина, МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования, «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Северский технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ (СТИ НИЯУ МИФИ), Северск 2014).
Недостатком данного способа является то, что применение указанного способа возможно только в специально подготовленном резервуаре, баке, емкости и или в случае применения в открытом водоеме требуется или размещение уравнительного сосуда с обеспечением мер по его защите от физических воздействий, которые могут в таком водоеме повредить устройство. Это является существенным ограничением для применения и делает способ измерения дорогостоящим. Так же для автоматизации съема показаний необходимо использовать какой-либо из измерителей уровня в уравнительном сосуде.
Наиболее близким к предложенному способу является способ измерения уровня воды с использованием центра сбора данных и гидрологического поста, на котором установлен автоматизированный гидрологический комплекс, в состав которого входит уровнемер гидростатического типа и контроллер. С помощью уровнемера, установленного в месте измерения уровня воды, измеряют уровень воды в точке его установки на гидрологическом посту путем измерения давления высоты столба воды над датчиком давления. С помощью контроллера, соединенного посредством кабеля с уровнемером, управляют процессом измерения, осуществляют накопление измеренных данных об уровне воды, хранение данных и автоматическую передачу данных измерений по каналам связи в центр сбора данных на сервер (см. Руководящий документ РД 52.08.869-2017 «Методика измерений уровня воды в водоемах и водотоках автоматизированными гидрологическими комплексами», МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), Санкт-Петербург 2017).
Недостатками данного способа при использовании гидростатического уровнемера связанны, являются: необходимость обеспечения требуемой погрешности и как следствия учета температуры воды, а, следовательно, удорожание стоимости уровнемера; методика предполагает установку уровнемера в специальной защитной среде, что подразумевает необходимость предварительной подготовки поста измерения; требуется защита кабельной линии связи, соединяющий уровнемер с контроллером (защита кабеля должна осуществляется как под водой, так и в земле). Так же должен использоваться контроллер. Все это негативно влияет на стоимость и сложность применения данного способа.
Из уровня техники известен поплавковый уровнемер, содержащий герметизированную трубку из немагнитного материала, поплавок с кольцевым постоянным магнитом, установленный концентрично с трубкой с возможностью перемещения вдоль нее. Внутри трубки размещены резисторы, последовательно соединенные в цепь, оба конца которой через линию связи подключены к источнику тока, и герконы, один из выводов которых подключен к точке соединения двух резисторов, другие выводы герконов соединены между собой, индикатор уровня жидкости. Дополнительно введены последовательно соединенные RC-фильтр, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со входом микропроцессорного контроллера индикатора уровня жидкости с цифровым дисплеем и клавиатурой, причем один из входов RC-фильтра соединен через линию связи с общей точкой соединенных между собой выводов герконов, а другой вход RC-фильтра
соединен с источником тока и с тем концом цепи резисторов, который соединен с герконом. (см., Патент RU 22245, опубликовано 10.03.2002).
Недостатком данного устройства является наличие подвижных элементов, что негативно сказывается на надежности датчика, что так же может требовать периодического обслуживания и ограничивает применение в условиях, при которых жидкость может замерзать.
Также из уровня техники известно устройство для измерения уровня воды в водоемах, включающее вертикально расположенную трубу, в нижней части которой размещено отверстие для подвода воды в полость трубы. Внутри трубы размещен свободно плавающий поплавок, который выполнен в виде полого или сплошного диска, перекрывающего сечение трубы по внутреннему его контуру с зазором, а также размещенный в верхней части трубы измеритель расстояния, зондирующий луч которого направлен преимущественно на центральную часть плавающего в воде диска. Труба в верхней части содержит защитный кожух от метеоосадков и выпускное отверстие, связывающее полость трубы с внешней воздушной средой водоема, при этом труба в нижней части содержит насадку с отверстием, которое размещено соосно ее главной оси (см. Патент RU 2627569, опубликовано 08.08.2017 г.).
Недостатком данного устройства является наличие подвижных элементов, что негативно сказывается на надежности датчика, что также может требовать периодического обслуживания и ограничивает применение в условиях, при которых жидкость может замерзать. Также в указанном способе применяется лучевой измеритель расстояния, который обладает высокой стоимостью и может требовать периодического обслуживания для очистки оптических элементов.
Наиболее близким к предложенному устройству является устройство для определения уровня жидкости, содержащее трубку с одним открытым концом, внутри трубки установлена герметичная перегородка с образованием в трубке двух полостей, при этом в первой полости, образованной со стороны
открытого конца трубки, установлен первый сенсор давления воздуха, а во второй полости, образованной со стороны закрытого конца трубки, установлены второй сенсор давления воздуха, контроллер управления с программным обеспечением, соединенный с каждым сенсором давления воздуха, причем трубка имеет сквозное отверстие на участке между герметичной перегородкой и закрытым концом (см. US 9958308 В2, опубликовано 01.05.2018).
Недостатком наиболее близкого решения является отсутствие возможности удаленного автоматизированного мониторинга уровня жидкости и своевременного обнаружения изменения уровня жидкости.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является устранение всех вышеперечисленных недостатков, а также возможность автоматизированного контроля уровня жидкости беспроводными средствами в любых местах.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и надежности мониторинга уровня жидкости, а также повышение информативности и достоверности информации об изменении уровня жидкости, обеспечение возможности своевременного обнаружения изменения уровня жидкости, обеспечение возможности удаленного автоматизированного мониторинга уровня жидкости с применением бесконтактных сенсоров давления, исключение необходимости прокладки проводных коммуникаций, обеспечение возможности долгосрочной работы без необходимости технического обслуживания за счет исключения подвижных механических частей, а также акустических и оптических датчиков, которые выходят из строя при контакте с загрязненной жидкостью.
Технический результат достигается благодаря устройству для мониторинга уровня жидкости, реализующему заявленный способ мониторинга уровня жидкости, содержащему трубку с одним открытым концом, внутри трубки установлена герметичная перегородка с образованием в трубке двух полостей, при этом в первой полости, образованной со стороны
открытого конца трубки, установлен первый сенсор давления воздуха, а во второй полости, образованной со стороны закрытого конца трубки, установлены второй сенсор давления воздуха, радиопередающее устройство, контроллер управления с программным обеспечением, соединенный с радиопередающим устройством и с каждым сенсором давления воздуха, источник питания, соединенный с контроллером управления и с радиопередающим устройством, причем трубка имеет сквозное отверстие на участке между герметичной перегородкой и закрытым концом.
Кроме того, первый сенсор давления воздуха выполнен, преимущественно, влагозащищенным.
Радиопередающее устройство может включать сетевой модуль и антенну.
Также технический результат достигается благодаря осуществлению способа мониторинга уровня жидкости, заключающемуся в том, что в месте мониторинга уровня жидкости устанавливают вышеуказанное устройство открытым концом трубки вниз выше или ниже уровня жидкости, с помощью первого сенсора давления измеряют давление воздуха в первой полости трубки, а с помощью второго сенсора давления измеряют давление воздуха снаружи трубки, сопоставляют с помощью контроллера управления разницу давлений, измеренных первым и вторым сенсорами давлений, и периодически отправляют сообщения с помощью радиопередающего устройства с использованием LPWAN или NBIoT технологии на по меньшей мере одну базовую станцию, установленную в зоне распространения радиосигнала устройства, причем каждое сообщение от устройства содержит идентификационные данные устройства и значение разницы давлений (и при необходимости показания контрольного датчика давления), с помощью по меньшей мере одной базовой станции принимают от устройства каждое сообщение, обрабатывают его и отправляют на сетевой сервер, с помощью сетевого сервера принимают от по меньшей мере одной базовой станции каждое сообщение, по разнице давлений определяют уровень жидкости и
отправляют на электронное устройство пользователя обработанные сообщения, каждое из которых содержит идентификационные данные устройства и значение высоты уровня жидкости, причем отправку сообщений устройством осуществляют периодически с постоянными интервалами времени при разнице показателей давления между первым и вторым сенсором давления в пределах заданного максимального значения, а при изменении разницы давлений более заданного максимального значения осуществляют немедленную передачу сообщений с меньшими интервалами времени, по которым пользователь судит об изменении уровня жидкости более заданного максимального значения.
Кроме того, при принятии по меньшей мере одной базовой станцией сообщений от устройства, на ней могут осуществлять фильтрацию принятых сообщений путем отбрасывания искаженных и/или ложных сообщений.
Кроме того, при принятии сетевым сервером от по меньшей мере одной базовой станции сообщений, на нем могут осуществлять фильтрацию принятых сообщений путем отбрасывания искаженных и/или ложных сообщений, и осуществляют агрегацию принятых сообщений путем объединения в одно сообщение одного и того же сообщения, принятого разными базовыми станциями.
Кроме того, до начала отправки сообщений на по меньшей мере одну базовую станцию могут осуществлять настройку периодичности отправки сообщений.
Кроме того, электронное устройство пользователя может иметь программное обеспечение, при этом могут осуществлять настройку сетевого сервера для этого программного обеспечения путем внесения идентификационных данных устройства в базу данных сетевого сервера и ассоциации с программным обеспечением электронного устройства пользователя, а сетевой сервер может осуществлять хранение полученных от по меньшей мере одной базовой станции сообщений, а также значений уровня жидкости, и может осуществлять определение программного
обеспечения электронного устройства пользователя, с которым ассоциировано устройство.
Кроме того, уровень жидкости могут определять путем расчета значения высоты уровня жидкости с использованием следующей зависимости:
где
Н - высота уровня жидкости относительно нижнего открытого конца трубки, Па;
ΔР - значение разницы давлений между сенсорами давления, м;
3
ρ - значение плотности жидкости, уровень которой измеряется, кг/м;
L - высота расположения первого сенсора давления воздуха относительно открытого конца трубки, м.
0
Р - значение давления второго (контрольного) сенсора давления, Па.
Кроме того, могут использовать вышеуказанное устройство, длина трубки которого не менее ожидаемого изменения уровня жидкости, при этом перед установкой устройства могут осуществлять внесение в базу данных сервера значение длины трубки и ассоциацию с идентификационными данными устройства.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 показано предложенное устройство для мониторинга уровня жидкости; на фиг. 2 показан пример установки устройства в тоннеле; на фиг. 3 показа пример установки устройства в резервуаре (емкости); на фиг. 4 показан пример установки датчик на опоре моста или иного капитального сооружения, например, на реке или ином водоеме; на фиг. 5 схематично показана связь элементов, с помощью которых осуществляется предложенный способ.
Предложенный способ автоматизированного беспроводного мониторинга уровня жидкости с устройством 1 для осуществления способа предназначены для своевременного обнаружения подтоплений и контроля
уровня жидкости, например, в подвалах, тоннелях, цехах, коллекторных колодцах, в отдельных районах улиц, иных мест, где это необходимо. Также предложенный способ с устройством 1 предназначены для мониторинга уровня воды при паводках, мониторинга уровня воды бассейнов, баков с жидкостью, резервуаров водокачек, водоочистных сооружений и др., а также для мониторинга уровня воды таких водоемов, как: озера, реки, водохранилища и прочие водоемы.
Предложенный способ реализуется с помощью совокупности технических средств, связанных между собой беспроводными каналами связи и включающих в себя (но, не ограничиваясь): устройство 1 для мониторинга уровня жидкости; базовую станцию 2 (сетевой шлюз); сетевой сервер 3 обработки информации (данных); электронное устройство 4 конечного пользователя со специальным программным обеспечением (приложение пользователя), при этом в качестве электронного устройства 4 могут использовать телефон, смартфон, планшет, ноутбук, персональный компьютер или иное устройство (программное обеспечение или сервис), с помощью которого пользователь осуществляет мониторинг уровня жидкости.
Устройство 1 для мониторинга уровня жидкости представляет собой LPWAN или NBIoT датчик уровня жидкости и содержит корпус, выполненный в виде полой трубки 5, преимущественно, цилиндрической формы (или любой иной формы), имеющей необходимую длину, которая должна быть не менее ожидаемого изменения уровня жидкости в месте мониторинга. Трубка 5 имеет один открытый конец 6 и один закрытый конец 7, например, с помощью съемной крышки 8, обеспечивающей доступ внутрь трубки 5 к компонентам, установленным в трубке 5. Внутри трубки 5 установлена герметичная перегородка 9 с образованием двух полостей 10 и 11. Перегородка 9 разделяет внутреннее пространство трубки 5 на две изолированные полости 10 и 11. В полости 10, образованной со стороны открытого конца 6 трубки 5, размещен и жестко установлен первый
влагозащищенный сенсор 12 давления воздуха, причем сенсор 12 установлен, преимущественно, ближе к перегородке 9 и дальше от открытого конца 6 трубки 5. Нижний конец трубки 5 может быть защищен от обмерзания (обледенения) путем организации расширения таким образом, что нижняя часть трубки 5 будет иметь больший диаметр, нежели диаметр остальной части, а также, но не только, применением материалов или покрытий корпуса минимизирующих накопление капель жидкости на поверхности или иным пригодным способом.
В полости 11, образованной со стороны закрытого конца 7 трубки 5, размещены и жестко установлены второй контрольный сенсор 13 давления воздуха (показания сенсора 13 необходимы для учета изменения атмосферного давления), элемент 14 питания, контроллер 15 управления со встроенным программным обеспечением и радиопередающее устройство 16. Радиопередающее устройство 16 включают в себя сетевой модуль (причем контроллер 15 может быть совмещен с сетевым модулем) и антенну. Контроллер 15 управления соединен с обоими сенсорами 12 и 13 давления воздуха посредством проводов или путем выполнения на одной единой плате. При этом провода или часть платы, соединяющие первый сенсор 12 давления с контроллером 15, проведены через герметичную перегородку 9. Контроллер 15 осуществляет управление сенсорами 12 и 13 давления воздуха, анализ и обработку данных, полученных от сенсоров 12 и 13, передачу сообщений в сетевой модуль, хранение настроек периодичности отправки сообщений (сигналов). Сетевой модуль обеспечивает передачу сообщений (сигналов) в сети передачи данных, а также хранение необходимых параметров для работы в соответствующей сети передачи данных. Причем в случае передачи сообщений с использованием LPWAN технологии, то сетевой модуль представляет собой радиомодуль, который передает данные по LPWAN каналу; а в случае передачи сообщений с использованием NBIoT технологии, то сетевой модуль представляет собой NBIoT модуль, т.е. модем сотовой связи и для передачи данных используется
протокол сотовой сети передачи данных. Элемент 14 питания предназначен для обеспечения автономности работы устройства 1 и соединен с радиопередающим устройством 16 и с контроллером 15. Антенна предназначена для обеспечения передачи сообщений (сигналов) в радиоканал (сотовую сеть).
Трубка 5 имеет в своей стенке сквозное отверстие 17. Отверстие 17 образовано на участке между перегородкой 9 и закрытым концом 7, т.е. в зоне образования второй полости 11. Отверстие 17 предназначено для сообщения полости 11 с внешней средой и может быть защищено от попадания внутрь осадков, пыли и грязи любым пригодным способом.
Устройство 1 соединено посредством беспроводных каналов связи с базовой станцией 2 (или с несколькими базовыми станциями 2) и обеспечивает передачу на базовую станцию 2 сообщений, содержащих данные о значениях давлений сенсоров 12 и 13 (разницу давлений между сенсорами 12 и 13).
Способ автоматизированного беспроводного мониторинга уровня жидкости с использованием устройства 1, базовой станции 2, сетевого сервера 3 и электронного устройства 4 пользователя со специальным программным обеспечением заключается в следующем.
Для реализации предложенного способа важным является размещение устройства (устройств) 1 и обеспечение конфигурирования сетевого сервера 3 таким образом, чтобы обеспечивалась доставка сообщений от устройства 1 до приложения электронного устройства 4 пользователя. Для этого осуществляют настройку сетевого сервера 3 для приложения устройства 4 пользователя. На данном этапе уникальные идентификаторы (идентификационные данные) устройства 1 (или нескольких устройств, в зависимости от их используемого количества в месте мониторинга) вносятся в базу данных сервера 3 и ассоциируются с приложением электронного устройства 4 пользователя. Уникальным идентификатором устройства 1 является, например, сетевой адрес или идентификационный номер
устройства 1 (ID) или ICCID, или иное (определяется применяемой технологией LPWAN или NBIoT). При реализации способа имеет значение длина трубки 5, которая должна быть не менее ожидаемого изменения уровня жидкости в конкретном месте мониторинга уровня жидкости. Данные о длине трубки 5 устройства 1 вносятся в базу данных сервера 3 на этапе изготовления устройства 1, и ассоциируется длина трубки 5 с уникальным идентификатором устройства 1.
LPWAN или NBIoT датчик 1 уровня жидкости устанавливают в месте, где необходимо контролировать уровень жидкости (воды). Установку устройства 1 осуществляют вертикально открытым концом 6 трубки 5 вниз выше уровня жидкости или ниже уровня жидкости в зависимости от того, ожидается ли уменьшение высоты уровня жидкости или повышение уровня в месте контроля. В зависимости от места, в котором необходимо осуществлять мониторинг уровня жидкости (помещение, водоем, улица и т.п.), трубка 5 устанавливается открытым концом 6 вниз таким образом, что конец 6 расположен над уровнем жидкости (над уровнем водоема) или над полом, или над землей, или над перекрытием, или над дном резервуара на расстоянии около 1 см. Расстояние между уровнем и открытым концом 6 трубки 5 может быть и иным, в зависимости от ожидаемого изменения уровня жидкости, например, 0,5 см. или 1,5 см. или более см., но не более значения высоты начального критичного уровня жидкости в конкретном месте мониторинга. Расстояние между уровнем и открытым концом 6 трубки 5 определяется частными задачами контроля уровня жидкости, при этом ограничений на высоту от пола/дна нет.
Также при осуществлении способа возможен вариант, когда установку устройства 1 осуществляют вертикально открытым концом 6 трубки 5 вниз ниже уровня жидкости. Данный случай установки необходим при мониторинге уменьшения уровня жидкости, например, в баках, резервуарах, колодцах и т.п. В данном случае трубку 5 погружают в жидкость открытым концом 6 на необходимое расстояние, при этом открытый конец 6
располагается в жидкости на том уровне, который соответствует минимальному критичному уровню в соответствующем месте мониторинга.
Так, на фиг. 2 показан вариант размещения устройства 1 в тоннеле, где 18 - это стенки тоннеля, 20 - жидкость; на фиг. 3 показан вариант размещения устройства 1 в резервуаре, где 19 - это стенки резервуара; на фиг. 4 показан вариант размещения устройства 1 на водоемах, где 21 - это опоры моста или иного капитального сооружения. Указанные варианты размещения устройства 1 не являются ограниченными, и устройство 1 может быть закреплено любым возможным способом открытым концом 6 выше уровня жидкости (или ниже уровня жидкости) на заранее подготовленных опорах (столбы, перекрытия, стены и т.п.).
Перед установкой устройства 1 в месте, где необходимо контролировать (осуществлять мониторинг) уровень жидкости, проводят следующее: а) подготовка устройства 1 к работе в соответствии с рекомендациями производителя, в том числе настройка периодичности отправки сообщений; б) определение оптимального места для размещения устройства 1 в соответствии с рекомендациями производителя; в) установка устройства 1 на контролируемых объектах, причем для установки датчика 1 может потребоваться подготовка крепежа и/или подготовка самого объекта. При этом отсутствуют существенные ограничения на место установки (крепежа) устройства 1. Методы крепежа устройства 1 не ограничены и могут быть любыми.
После того, как устройство 1 установлено в месте контроля и настроено, осуществляют непосредственный мониторинг уровня жидкости.
Размещенное на определенном расстоянии над уровнем жидкости 20 устройство 1 (в том числе ниже уровня жидкости 20, когда открытый конец 6 трубки 5 погружен в жидкость 20) осуществляет непрерывный автоматизированный мониторинг показателей давления воздуха в нижней части трубки 5 и показателей давления воздуха снаружи трубки 5. Изменение давления воздуха внутри трубки 5 происходит при подъеме (или снижении)
уровня жидкости 20 выше нижнего края трубки 5 (или при опускании уровня жидкости в полости 10 трубки 5 в сторону нижнего края, в том числе до самого нижнего края). В процессе мониторинга измеряют давление воздуха в первой полости 10 трубки 5 с помощью первого сенсора 12 давления, а также измеряют давление воздуха снаружи трубки 5 с помощью контрольного сенсора 13 давления (в полости 11 через отверстие 17). После измерения давления воздуха сенсорами 12 и 13, сопоставляют с помощью контроллера
15 разницу давлений, измеренных сенсорами 12 и 13, анализируют данную разницу и по результатам анализа посредством радиопередающего устройства 16 периодически отправляют в радиоканал значения разницы давлений в сообщениях (радиосигналы). Периодическая отправка сообщений осуществляется с помощью радиопередающего устройства 16 с использованием LPWAN технологии или с использованием NBIoT технологии (в зависимости от наличия зоны покрытия в месте установки устройства 1, дальности передачи сигнала от радиопередающего устройства 16 и пр.). Сообщения отправляют на базовую станцию 2 (или на несколько базовых станций 2), установленную в зоне распространения радиосигнала радиопередающего устройства 16. Причем до начала отправки сообщений на базовую станцию 2, на устройстве 1 (на контроллере 15) осуществляют настройку периодичности отправки сообщений. Настройка периодичности отправки осуществляется, преимущественно, для сообщений о неизменности уровня жидкости 20.
Каждое сообщение от устройства 1 содержит идентификационные данные беспроводного устройства 1 и значения давлений обоих сенсоров 12, 13 (или значение разницы давлений между сенсорами 12 и 13, или вычисленное на датчике значение уровня жидкости 20). При небольшом изменении уровня жидкости 20, т.е. в пределах заданного максимального значения, которое составляет до 10%, в радиоканал передаются сообщения первого типа («периодические показания давления»).
Величину изменения уровня жидкости 20 можно оценивать, например, но не только, по следующим условиям:
- Изменение за единицу времени разницы показаний между значениями основного сенсора 12 (барометра) и контрольного сенсора 13 (барометра) не превышает заданное значение.
- Изменение за единицу времени разницы между текущей разницей давлений и предыдущей разницей за прошлый период времени.
Таким образом, сообщения первого типа отправляют при постоянном уровне жидкости 20 или при незначительном (не критичном) изменении уровня жидкости 20. Сообщения первого типа отправляют периодически с постоянными интервалами времени, которые задаются пользователем. При этом пользователь в зависимости от задачи контроля, от условий эксплуатации, от своих потребностей и от места установки устройства 1, где осуществляется мониторинг, может настроить любые интервалы времени для отправки сообщений (через несколько секунд или через несколько минут, или через каждый час, или один раз в день в определенное время, или один раз месяц в определенное время соответствующего дня и так далее).
В случае обнаружения по сравнению с предыдущими показаниями резкого изменения разницы давления более, чем на величину заданного максимального значения (свыше 10%), либо при постоянно изменяющемся значении разницы давлений в короткие промежутки времени, автоматически осуществляется немедленная (моментальная) внеочередная передача второго типа сообщений («тревога»). Сообщения второго типа отправляют вне установленного пользователем расписания для первого типа сообщений и с меньшими интервалами времени (например, через секунду или через минуту или через час, но не более интервала времени, установленного для сообщений первого типа). Таким образом, сообщение «тревога» передается при резком изменении высоты уровня жидкости 20, либо при постоянно изменяющейся высоте уровня жидкости 20 в короткие промежутки времени (при превышении заданных граничных значений разницы давления). По
сообщениям второго типа пользователь судит об изменении высоты уровня жидкости 20 более заданного максимального значения (или менее заданного минимального значения в случае, когда трубку 5 при установке погружают в жидкость 5 и контролируют уменьшение уровня жидкости 20).
Таким образом, устройство 1 передает два типа сообщений: а) «периодические показания давления»; б) «тревога».
Сообщение типа «периодические показания давления» предназначено для передачи приложению пользователя информации о факте работоспособности самого устройства 1 и радиоканала до базовой станции 2, а также для отражения текущих значений давлений сенсоров 12, 13 и, соответственно, текущей высоте уровня жидкости 20. Сообщение типа «тревога» отправляется при обнаружении изменения разницы давлений и, соответственно, высоты уровня жидкости 20 более (или менее) нормальной высоты уровня жидкости 20, причем для минимизации вероятности недоставки сообщений типа «тревога» они отправляются многократно (например, 2-5 раз, или большее количество раз в зависимости от потребности пользователя).
Для отправки устройством 1 сообщений (радиосигналов) используется LPWAN технология или NBIoT технология, причем протокол передачи данных (сотовой сети) определяется применяемой в конкретном случае LPWAN технологией или NBIoT технологией. Частотный диапазон зависит от применяемой в конкретном случае LPWAN технологии или NBIoT технологии и действующих в конкретном регионе правил и разрешений.
Для приема сообщений от устройства (устройств) 1 в зоне распространения радиосигнала радиопередающего устройства 16 должна присутствовать по меньшей мере одна базовая станция 2 (сетевой шлюз). Однако может быть и большее количество базовых станций 2, причем для приема сообщения от устройства 1 могут использоваться уже заранее установленные базовые станции 2, либо при их отсутствии в зоне
распространения сигнала от датчика 1 устанавливают базовую станцию 2 (или несколько базовых станций 2).
После отправки устройством 1 сообщений, с помощью базовой станции 2 (или нескольких базовых станций 2) принимают от устройства 1 каждое сообщение, обрабатывают его и отправляют его на сетевой сервер 3.
Базовая станция 2 (базовые станции) осуществляет безусловную автоматизированную передачу принятых из радиоканала сообщений на сервер 3 обработки сообщений (с учетом необходимости фильтрации сообщений). Базовая станция 2 осуществляет отправку сообщения на сервер
3 немедленно после его получения из радиоэфира от устройства 1. Способ передачи данных базовой станцией 2 на сервер 3 определяется конкретной моделью базовой станции 2. В частности распространены следующие способы - через оптоволоконный канал, ethernet канал, через сотовую сеть и через WiFi. Используемый канал передачи данных определяется составом поддерживаемых сетевым шлюзом протоколов и передачи данных.
Сервер 3 может быть расположен как в «облаке», так и на стороне пользователя, это определяется применяемой в конкретном случае LPWAN технологией или NBIoT технологией.
После принятия сервером 3 каждого сообщения от базовой станции 2, сетевой сервер 3 осуществляет обработку каждого принятого от базовой станции 2 (станций) сообщения и передачу этих сообщений приложению конечного пользователя на его электронное устройство 4. При обработке на сетевом сервере 3 сообщений по показателям давления и с учетом длины трубки 5 определяют высоту уровня жидкости 20 в месте установки устройства 1. Уровень жидкости 20 определяют по разнице давлений путем расчета значения высоты уровня жидкости 20. Расчет значения высоты уровня жидкости 20 осуществляют с использованием следующей формулы:
где
Н - высота уровня жидкости относительно нижнего открытого конца трубки, Па;
ΔР - значение разницы давлений между сенсорами давления, м;
3
ρ - значение плотности жидкости, уровень которой измеряется, кг/м;
L - высота расположения первого сенсора давления воздуха относительно открытого конца трубки, м.
0
Р - значение давления второго (контрольного) сенсора давления, Па.
Помимо того, что сетевой сервер 3 осуществляет обработку сообщений, полученных от базовой станции 2, расчет значений высоты уровня жидкости 20 и передачу сообщений приложению конечного пользователя, сервер 3 также осуществляет хранение полученных от базовой станции 2 сообщений, хранение показателей давлений сенсоров 12 и 13, хранение рассчитанных значений высоты уровня жидкости 20 и определение приложения электронного устройства 4 пользователя, с которым ассоциированы устройства 1.
Все принятые от устройства 1 сообщения должны пройти фильтрацию и агрегацию. Это необходимо для выявления сообщений, которые были искажены в процессе передачи по радиоканалу и удаления их из дальнейшей обработки. Фильтрация может проводиться как на базовой станции 2 (сетевом шлюзе) при принятии сообщений от устройства 1, так и на сетевом сервере 3 при принятии сообщений от базовой станции 2. Агрегация проводится на сетевом сервере 3 при принятии сообщений от базовой станции 2 (базовых станций). При фильтрации сообщений осуществляется отбрасывание искаженных сообщений и/или ложных сообщений, т.е. отбрасывают как искаженные сообщения, так и ложные, или отбрасывают только искаженные, если отсутствуют ложные сообщения, или отбрасывают только ложные, если отсутствуют искаженные сообщения. Агрегация сообщений осуществляется для объединения в одно сообщение одного и того же сообщения, принятого на разных базовых станциях 2.
После того, как сетевой сервер 3 принял от базовой станции 2 каждое сообщение, обработал его, рассчитал уровень жидкости 20, с помощью сетевого сервера 3 отправляют уже обработанные сообщения посредством канала передачи данных на электронное устройство 4 пользователя (приложению пользователя), при этом каждое обработанное сообщение включает идентификационные данные устройства 1 (например, его уникальный идентификатор) и значение рассчитанного уровня жидкости 20. Метод передачи данных определяется составом поддерживаемых сетевым сервером 3 и приложением пользователя протоколов. Примером передачи данных может быть общедоступный или проприетарный API или открытый протокол MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) или иной пригодный для передачи данных протокол.
При получении электронным устройством 4 от сервера 3 каждого обработанного сообщения на устройстве 4 с помощью приложения осуществляют сопоставление идентификационных данных устройства 1 (соотнесение идентификатора датчика 1) с физическим объектом контроля, в месте которого установлено устройство 1, и осуществляют уведомление (информирование) пользователя. Информирование пользователя осуществляют путем периодической отправки ему сообщений (через определенные периоды времени, настраиваемые пользователем), включающих идентификационные данные устройства 1 и текущее значение показателей давления сенсоров 12 и 13 (первый тип сообщения - «периодические показания давления»). При получении такого типа сообщения пользователь с помощью своего устройства 4 может в любое время проверить состояние работоспособности устройства 1 и радиоканала, а также убедиться в неизменности уровня жидкости 20, или в незначительном его изменении. При этом электронное устройство 4 при периодическом получении сообщения «периодические показания давления» может автоматически оповещать (информировать) пользователя о работоспособности путем воспроизведения сигнала любым возможным
способом (воспроизведение звукового сигнала, световая индикация, вибрация и т.п.), а может находиться в пассивном состоянии (состоянии покоя) и пользователь самостоятельно с помощью приложения может проверить работоспособность устройства 1 и радиоканала, а также текущий уровень жидкости 20 (в данном случае при открытии пользователем приложения на своем устройстве 4, приложение может информировать пользователя любым указанным способом). А при резком изменении уровня жидкости 20 или постоянном изменении в короткий промежуток времени, т.е. при изменении разницы давления более заданного максимального значения, пользователя уведомляют путем отправки ему сообщения, включающего идентификационные данные устройства 1 и сигнал тревоги (второй тип сообщения - «тревога»). Таким образом, при изменении уровня жидкости 20 в месте установки устройства 1, пользователя уведомляют об этом с помощью его устройства 4 путем воспроизведения сигнала тревоги.
Метод информирования (уведомления) пользователя может быть любым, например, путем подачи тревожного сигнала на устройстве 4 или путем световой индикации, или вибрация устройства, или любым иным возможным способом, в том числе комбинацией указанных методов. Причем приложение пользователя может отображать, например, карту расположения объектов мониторинга с устройствами 1 или список таких объектов, и пользователь имеет возможность в режиме реального времени, находясь на любом расстоянии от объекта мониторинга, проверить уровень жидкости 20.
Таким образом, благодаря реализации предложенного способа обеспечивается непрерывный мониторинг уровня жидкости в любых местах, где это необходимо осуществлять, например, с целью обнаружения подтоплений или с целью обнаружения критичного изменения высоты уровня жидкости 20.
Если кратко охарактеризовать предложенный способ, то он осуществляется следующим образом. Устройство 1 периодически отправляет сообщения типа «периодические показания давления» на базовую станцию 2,
которая отправляет эти сообщения на сервер 3, а далее сервер 3 рассчитывает уровень жидкости и отправляет обработанные сообщения на электронное устройство 4 пользователя. Сообщение «периодические показания давления» отправляется с необходимой для пользователя периодичностью с постоянными интервалами времени и пользователь в любое время может с помощью приложения своего устройства 4 проверить работоспособность устройства 1 и радиоканал, а также текущий уровень жидкости. Как только уровень жидкости изменится более критичного значения, устройство 1 незамедлительно отправляет сообщение типа «тревога» также на базовую станцию 2, которая отправляет это сообщение на сервер 3, а далее сервер 3 рассчитывает уровень жидкости и отправляет обработанное сообщение с рассчитанным значением уровня жидкости на устройство 4 пользователя. При получении приложением устройства 4 пользователя такого типа сообщения («тревога»), устройство 4 уведомляет пользователя о факте изменения уровня жидкости путем подачи тревожного сигнала на устройстве 4 или путем световой индикации или любым иным возможным способом. При получении сообщения типа «тревога» пользователь может незамедлительно отреагировать на изменение уровня жидкости и предпринять необходимые меры для устранения неблагоприятных последствий.
Благодаря использованию базовых станций 2 сообщения от устройства 1 могут быть переданы на любые расстояния, причем пользователь может находиться в любом месте и на любом расстоянии от устройства 1. В соответствии с общепринятой идеологией построения LPWAN сетей или NBIoT сетей размещение базовых станций 2 (сетевых шлюзов) и обеспечение зоны радиопокрытия является задачей оператора связи.
Кроме того, благодаря предложенному способу обеспечивается:
- удаленный автоматизированный контроль уровня жидкости 20 на базе устройства 1 с недорогими сенсорами 12, 13 давления воздуха,
обеспечивающими точность, сопоставимую с существенно более дорогими датчиками уровня;
- удаленный автоматизированный контроль без необходимости прокладки проводных коммуникаций;
- отсутствие необходимости обслуживания устройства 1 и долгая работа от одного элемента питания 14 (3-5 лет);
- универсальность устройства 1 и применимого способа - возможность применения способа для контроля уровня жидкости в резервуарах, водоемах и широкого круга помещений и технологических объектов;
- отсутствие существенных ограничений по типу контролируемой жидкости;
- отсутствие ограничений на диапазон минимального и максимального измеряемого уровня жидкости 20;
- низкая стоимость устройства 1 и совокупная стоимость владения системой за счет долгого срока работы устройства 1 и отсутствия необходимости обслуживания устройства 1;
- снижение стоимости на внедрение системы и малый срок внедрения, а также снижение стоимости на дальнейшую эксплуатацию.
Благодаря применению сенсоров 12 и 13 давления воздуха для измерения уровня жидкости, исключается необходимость применения подвижных механических частей, а также акустических и оптических датчиков, использование которых не целесообразно ввиду потенциального контакта с жидкостью, и может быть затруднительно из-за выхода из строя при контакте с загрязненной жидкостью, или ввиду особенностей контрольного помещения.
Архитектурное решение основано на общепринятой архитектуре IoT, в которой предусмотрено наличие сетевого шлюза, сервера обрабатывающего сообщения и передающего их приложению пользователя.