УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В ВОДОЕМАХ

Полезная модель относится к гидрометрии и может быть использована для измерения уровня воды в искусственных и естественных водоемах в целях изучения и мониторинга их водного режима.
Простейшее устройство для измерения уровня воды в реках, озерах и др. состоит из приспособления для отсчета уровня воды и реперов, закрепляющих положение точек, соответствующих измеренным высотам (водомерные посты). Существуют реечные водомерные посты с деревянной или металлической рейкой, прикрепленной вертикально к мосту, плотине и т.п., и свайные посты, оборудованные сваями, забитыми перпендикулярно к берегу. Для непрерывной записи колебаний уровня воды служат самопишущие приборы. Дистанционные устройства измерения уровня воды оборудованы механическими, электрическими и радиосистемами, передающими показания уровня к месту отсчета.
Недостатками таких устройств является местный характер измерений, т.к. водомерные посты не имеют геодезической привязки с государственной нивелирной сети и выполняют только локальные измерения уровня воды. Кроме того, в составе водомерного поста отсутствуют аппаратные и программные средства для автоматизации передачи данных об уровне воды конечным потребителям, или такие средства не являются полностью автоматизированными и требуют наличия оператора для обработки и отправки данных.
Известно устройство водомерного поста по патенту RU №2010177, МПК G01F 23/04, опубл. 30.03.1994 г., содержащее подводящий канал с вертикальной стенкой, соединенный с входом колодца с боковой стенкой, первый выход которого сообщен с отводным каналом, регулятор потока и измерительное устройство, в которое введены конусное днище с отверстием и кольцевой лоток с входом и выходом. Измерительное устройство выполнено в виде шарового поплавка, установленного с возможностью перемещения по тросу и снабженного указателем, сопряженным с системой индикации в виде шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос.
Известно водомерное устройство по патенту RU №2485451, МПК G01F 23/00, опубл. 20.06.2013 г, содержащее вертикальную трубу, разделенную на две неравные части вертикальной перегородкой, причем вертикальная стенка первой части снабжена наклонными вверх с водоприемными прорезями-окнами, направленными навстречу потоку. Сверху труба снабжена камерой с самописцем и сообщает две части через поплавок и запорный орган, размещенный во второй части вертикальной трубы.
Недостатком изобретений является то, что измерительное устройство, входящее в их состав, выполнено в виде механической системы и для снятия показателей уровня воды необходимо непосредственное присутствие оператора у водомерного поста. Кроме того, измеренный уровень воды не имеет геодезической привязки к государственной нивелирной сети.
Из известных решений наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства по технической сущности и назначению является устройство для измерения уровня воды в водоемах по патенту RU №2627569, МПК G01F 23/28, опубл. 08.08.2017 г. Устройство содержит вертикально расположенную трубу, в нижней части которой размещено отверстие для подвода воды в полость трубы, при этом внутри трубы размещен свободно плавающий поплавок, который выполнен в виде полого или сплошного диска, перекрывающего сечение трубы по внутреннему контуру с зазором. В верхней части трубы размещено измерительное устройство, зондирующий луч которого направлен преимущественно на центральную часть плавающего в воде диска. Для измерения уровня воды в водоеме трубу крепят к стойке, размещенной у берега, или к свае, вбитой в основание водоема.
В процессе работы устройства вода из водоема поступает в полость трубы и останавливается на уровне, соответствующем уровню воды в водоеме. Данный уровень принимается в качестве исходного базового уровня, относительно которого в дальнейшем ведется отсчет колебания уровня воды в водоеме. При этом зондирующий луч от измерительного устройства, попадая на центральную часть плавающего в воде диска, отражается от него в обратном направлении и поступает на вход устройства, где затем сигнал обрабатывается, и полученный результат, характеризующий изменение уровня воды в водоеме, выдается на дисплей устройства.
Недостатком изобретения, как и всех указанных выше аналогов, является невозможность получения и передачи данных об уровне воды в автоматизированном режиме и отсутствие геодезической привязки к государственной нивелирной сети, что снижает оперативность и точность получения потребителем результатов измерений.
Предлагаемое устройство для измерения уровня воды в водоемах позволяет повысить оперативность и точность получения и передачи результатов измерений потребителю за счет автоматизации процесса с привязкой параметров к государственной нивелирной сети. Это в свою очередь позволяет осуществлять непрерывный дистанционный мониторинг за водным режимом водоемов.
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: устройство для измерения уровня воды в водоемах, (содержащее так же, как и прототип, вертикально расположенную и закрепленную на дне водоема трубу, в нижней части которой размещены отверстия для подвода воды в полость трубы, при этом внутри трубы размещено свободно плавающее основание, перекрывающее сечение трубы по внутреннему контуру с зазором, в верхней части трубы размещено измерительное устройство) в отличие от прототипа измерительное устройство выполнено в виде геодезической аппаратуры GPS/ГЛОНАСС, состоящей из приемника с антенной и модема, при этом антенна приемника установлена на штанге, закрепленной на плавающем основании соосно главной оси трубы. В качестве модема для беспроводной связи с потребителем используется радиомодем. Для создания широкополосной мобильной связи в качестве модема может быть использован GSM/GPRS/3G/4G модем. Для поддержания автономности устройства в течение длительного времени электропитание GPS/ГЛОНАСС аппаратуры осуществляется блоком сменных аккумуляторов. Для обеспечения непрерывной работы устройства для питания GPS/ГЛОНАСС аппаратуры может быть использовано сетевое питание или солнечные батареи.
Сущность полезной модели заключается в том, что мониторинг и наблюдения за уровнем воды осуществляется с помощью автоматизированной системы передачи данных с привязкой к Балтийской системе высот 1977 г., связанной с опорными геодезическими пунктами государственной нивелирной сети.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - повышение оперативности и точности получения и передачи результатов измерений, решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1).
Устройство содержит закрепленную на дне водного объекта вертикальную трубу 1, в нижней части которой выполнены отверстия 2 для поступления воды в полость трубы. Внутри трубы 1 размещено свободно плавающее основание 3, перекрывающее сечение трубы по внутреннему контуру с зазором. На плавающем основании 3 соосно главной оси трубы закреплена штанга 4, на которой на высоте ДН от уровня воды установлена антенна приемника 5 геодезической аппаратуры GPS/ГЛОНАСС, включающей кроме приемника 5 модем 6. Отклонению от вертикальной оси штанги 4 препятствуют направляющие 7, установленные на внутренней поверхности трубы 1, при этом они не мешают свободному вертикальному перемещению основания 3 при повышении или понижении уровня воды. Питание приемника 5 GPS/ГЛОНАСС и модема 6 осуществляется посредством блока сменных аккумуляторов 8, которые поддерживают автономность устройства в течение длительного времени. Для бесперебойного питания аппаратуры могут быть использованы солнечные батареи. Питание на аппаратуру может также поступать от сети через электропроводные кабели, проложенные по дну водоема (на чертеже не показаны).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед подготовкой устройства к работе производится калибровка геодезической аппаратуры GPS/ГЛОНАСС к нулевому уровню воды по ближайшему опорному геодезическому пункту или по спутниковой геодезической сети в местной, региональной или глобальной системе высот и проекций. Далее антенна приемника 5 аппаратуры устанавливается на штангу 4, высота которой вводится в приемник 5 аппаратуры в качестве поправки ДН. Модем передает потребителю данные о высоте уровня расположения антенны, соответствующей уровню воды в водоеме с заданной периодичностью или по запросу потребителя -таким образом реализуется двухсторонняя связь.
При изменении уровня воды в водоеме через отверстия 2 происходит наполнение или опорожнение трубы 1, внутри которой в вертикальной плоскости при повышении или понижении уровня воды перемещается плавающее основание 3, на котором жестко закреплена штанга 4. Вместе со штангой изменяет свое положение и антенна приемника 5 аппаратуры GPS/ГЛОНАСС. Модем 6 аппаратуры передает сведения о высоте уровня расположения антенны, соответствующей с учетом поправки ДН текущему уровню воды в водоеме. Сведения могут храниться на внешнем сервере, в базе данных, веб-сайте или удаленном автоматизированном рабочем месте эксплуатирующей организации.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить по сравнению с прототипом оперативность и точность получения данных об уровне воды в водоеме, так как в предлагаемом устройстве реализуется возможность автоматизированной передачи и обработки данных с привязкой измеряемого параметра к опорным пунктам государственной геодезической сети 2, 3 и 4-го класса.
Предлагаемая полезная модель была создана специалистами кафедры «Основ инженерного проектирования» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы совместно с ООО «ЗД спутниковая навигация», ООО «Фарватер» и ЗАО «НПК «ПРОМЭЛЕКТРОНИКА» и была успешно апробирована.
Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемого устройства для проведения мониторинга и наблюдений за уровнем воды с привязкой параметра к Балтийской системе высот 1977 г., с предельной погрешностью 2 см. Устройство также обеспечивает дистанционную передачу сведений об уровне воды конечным пользователям, что в дальнейшем позволяет выполнять объективный расчет повторяемости и обеспеченности стояния уровней воды, систематизацию и обработку гидрологических выборок за любой выбранный период наблюдения и интерполяцию данных.
Изложенное, позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».