Система автоматизированного измерения уровня воды в пьезометрических скважинах
SYSTEM OF THE WATER LEVEL IN PIEZOMETRIC WELLS AUTOMATED MEASUREMENT

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к автоматизированным средствам контроля технического состояния протяженных объектов, таких как гидротехнические сооружения (ГТС) - грунтовые плотины, дамбы с большим количеством разнесенных измерительных точек, и может быть использовано, в частности, в системах дистанционного контроля фильтрации воды, уровня воды в напорных и ненапорных пьезометрических скважинах и уровня воды в гидронивелирах гидроэлектростанций. Автоматизация мониторинга требуется для обеспечения безопасности окружающих территорий при нарушении целостности плотины и предупреждения чрезвычайных ситуаций.
Проблема мониторинга фильтрационных потоков в грунтовых плотинах появилась с созданием таких плотин и аварий с ними. Основным способом уменьшить фильтрационные потоки в грунтовой плотине является применение противофильтрационного ядра или экрана при строительстве плотины и организация дренажа фильтрационного потока из тела грунтовой плотины в нижний бьеф.
Оба эти способа очень эффективны, однако каждый из этих элементов грунтовой плотины имеет свой ограниченный срок службы: ядро и экран разрушаются под напором воды, а дренаж заиливается и снижает свою пропускную способность со временем.
Поэтому, несмотря на наличие этих конструктивных элементов, требуется мониторинг уровня депрессионной кривой в теле плотины и сопоставление его с уровнем депрессионной кривой соответствующему безопасному фильтрационному расходу.
Для измерения депрессионной кривой в теле плотины, при строительстве обустраиваются пьезометрические скважины. Мониторинг уровня воды в пьезометрических скважинах позволяет оценить фильтрационный поток в плотине. Сравнение фильтрационного потока с безопасным уровнем и подача сигнала о превышении в кратчайшие сроки позволяет повысить безопасность эксплуатации ГТС.
Известны следующие способы измерения уровня воды в пьезометрической скважине:
• Устройство для определения динамического уровня воды в пьезометрической скважине электроуровнемером при спуске наконечника уровнемера на изолированном проводе. При этом опускается наконечник уровнемера в специально установленной для этой цели металлических пьезометрических трубках (Справочное руководство гидрогеолога, том 2, под редакцией В.М. Максимова, Л.: Недра, 1967).
• Емкостный уровнемер, позволяющий измерить уровень жидкости в одном пьезометре.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ (Г.Я Шайдуров, А.с. №2332643 от М Кл. G01F 23/26 от 18.01.2007. Бюл. изобр. №24, 2008).
• Измерения уровня воды акустическим методом, патент США 7178396.
• Измерение высоты столба воды гидростатическим методом Патент США 4142411.
Известны автоматизированные системы сбора данных с нескольких измерительных точек и передача их на управляющий компьютер:
• Система мониторинга уровня воды в скважине акустическим методом, с накапливанием информации в датчике и передачей накопленных данных на компьютер за одну сессию связи. Заявка на патент США US 20140009302 А1.
• Беспроводная система опроса нескольких датчиков находящихся на расстоянии до 150 м. Система состоит из устройства опроса, соединяющегося с помощью беспроводного канала связи с несколькими датчиками, расположенными не более чем в 150 м от устройства и нескольких датчиков, расположенных в скважинах. Каждый датчик состоит из антенны, радиочастотного приемопередатчика, процессора, электрохимической ячейки и сенсорного модуля. Заявка на патент US 20090066536 A1.
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.
В системе-прототипе имеются следующие недостатки:
a) Энергозависимость измерительного оборудования, и следующая из этого необходимость в обеспечении электропитанием каждой измерительной точки или обслуживании источников автономного питания каждого датчика.
b) Возможность измерения одним устройством, уровня воды только в одной пьезометрической скважине.
c) Отсутствие режима передачи данных об уровне воды в пьезометрах сразу после измерения.
d) Размещение дорогостоящего оборудования в оголовке скважины, в свободном доступе.
Задача изобретения
Создание более эффективной и энергонезависимой, системы измерения уровня водяного столба в пьезометрических скважинах грунтовой плотины ГЭС, в которой автоматизирован процесс получения измеряемых величин и передачи данных на пульт управления ГЭС, а также процесс сравнения полученных показаний с допустимыми значениями, минимизировано обслуживание измерительных устройств и обеспечена их вандалоустойчивость.
Поставленная задача достигается тем, что система состоит из устройства опроса оптоволоконных датчиков давления (интеррогатора), мультиплексора-переключателя измерительных каналов, пассивных волоконных деполяризаторов в каждом измерительном канале, оптоволоконных кабелей и оптоволоконных датчиков давления на основе брэгговских решеток.
Отличительной особенностью данной системы является использование пассивных волоконных деполяризаторов в каждом измерительном канале и мультиплексирование датчиков, находящихся в разных пьезометрических скважинах в один измерительный канал.
В качестве источников данных для системы используются волоконно-оптические датчики давления на основе волоконных брэгговских решеток, расположенные на фиксированной глубине в пьезометрических скважинах. Датчики закреплены на оголовке скважины с помощью металлического троса.
Описание системы поясняется рис. 1, 2 и 3.
Рис 1 иллюстрирует положение датчика в пьезометрической скважине.
На рисунке:
1 - волоконно-оптический датчик давления на основе волоконной брэгговской решетки,
2 - трос крепления,
3 - тело плотины,
4 - оптоволоконный кабель,
5 - место крепления троса,
6 - пьезометрическая скважина,
7 - водяной столб.
Основными преимуществами волоконно-оптических датчиков давления перед традиционными тензометрическими, кондуктометрическими и емкостными является их энергонезависимость, возможность мультиплексирования, нечувствительность к электромагнитным помехам и изменению электропроводности измеряемой среды, отсутствие необходимости периодических поверок, длительный срок эксплуатации.
На рисунке 2 приведена структура одного измерительного канала, где:
1 - волоконно-оптические датчики давления,
4 - оптоволоконный кабель,
6 - пьезометрические скважины,
8 - здание ГЭС.
При изменении уровня воды, изменяется давление водяного столба на датчик и вследствие этого, изменяется резонансная длина волны встроенной в датчик волоконной брэгговской решетки.
На Рис 3 приведена схема подключений измерительных каналов, где:
1 - волоконно-оптические датчики давления,
4 - оптоволоконные кабели,
8 - здание ГЭС,
9 - пассивные волоконные деполяризаторы,
10 - мультиплексор
11 - устройство опроса.
В измерительных каналах датчики давления последовательно соединены оптоволоконными кабелями друг с другом и с пассивным волоконным деполяризатором, который введен в каждый измерительный канал. Через пассивный волоконный деполяризатор канал подключен к мультиплексору, который по определенной программе подключает поочередно каналы к устройству опроса.
Введение пассивного волоконного деполяризатора в измерительный канал обеспечивает устойчивость системы к внешним воздействиям на оптоволоконный кабель, за счет устранения поляризационных эффектов.
Введение мультиплексора позволяет использовать устройство опроса с одним оптическим входом.
Работа системы
При изменении уровня воды, изменяется давление водяного столба на датчик и вследствие этого, изменяется резонансная длина волны встроенной в датчик волоконной брэгговской решетки. Мультиплексор подключает измерительный канал к устройству опроса.
Далее программное обеспечение устройства опроса регистрирует изменение резонансной длины волны, из которого с помощью калибровочных данных датчика вычисляет давление водяного столба на каждый датчик измерительного канала и высоту данного столба воды в каждой пьезометрической скважине, передает вычисленные значения на пульт управления ГЭС для визуализации, а затем автоматически сравнивает вычисленные значения высоты водяного столба с допустимыми и выдает сигнал тревоги на пульт управления ГЭС при превышении допустимых значений.
Использование устройства опроса с одним измерительным каналом, к которому поочередно, по команде программного обеспечения, подключается с помощью мультиплексора определенный измерительный канал, позволяет уменьшить стоимости всей системы.
Использование в системе всех измерительных устройств и линий за пределами мультиплексора, выполненных пассивными - работающими без подключения электроэнергии, обеспечивает ее энергонезависимость и вандалоустойчивость. Кроме того, данные устройства и линии связи не требуют обслуживания и замены, что позволяет снизить текущие расходы на обслуживание ГТС.
Для обеспечения достаточной устойчивости измерительной системы к внешним воздействиям и обеспечении требуемой точности в 0,5% от максимального диапазона измерений, в каждый канал включен пассивный волоконный деполяризатор. Он нивелирует влияние воздействий на подводящее волокно и позволяет обеспечить требуемый уровень точности измерений при использовании стандартного телекоммуникационного волокна.
Таким образом, предлагаемая система измерения уровня воды в пьезометрических скважинах протяженных объектов эффективна экономически и технически, позволяет минимизировать обслуживание измерительных устройств и обеспечить их вандалоустойчивость и энергонезависимость, автоматизировать процесс сравнения полученных показаний с допустимыми значениями.