АВТОНОМНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ И ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ГСА-1

Полезная модель относится к области приборостроения. Настоящая полезная модель предназначена для измерения физико-химических характеристик водных объектов.
Известен уровнемер, содержащий немагнитную трубу, поплавок, поршень, расположенный в трубе, измеритель разности давлений над поршнем и под ним и две дополнительные емкости [1].
Недостаток данного уровнемера заключается в том, что он не обеспечивает передачу информации на значительное расстояние, не обеспечивает процесс измерения в автоматическом режиме, а также обладает низкой точностью и надежностью.
Известно устройство для измерения уровня жидкости, которое содержит вертикально установленную трубу и преобразовательный элемент [2].
Основным недостатком известного устройства является низкая надежность работы преобразовательного элемента и потеря информации в результате частого нарушения электрического контакта между линейным резистивным элементом и подвижным токосъемным движком.
Известно устройство на основе лазера для измерения расстояния до совместной цели и/или уровня жидкости, которое включает в себя блок лазерного диода, содержащий лазерный диод и фотодиод, который испускает свет на линзу, образующую коллимированный луч, падающий на поплавок, который покрыт отражающей лентой на его верхней поверхности, при этом луч отражается от поплавка назад к блоку лазерного диода, побуждая блок передавать сигнал, имеющий импульсы величины на линии в схему измерения уровня жидкости, соответствующий расстоянию до поплавка [3].
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и низкая точность измерения.
Известно устройство для измерения уровня воды в водоемах [4], выбранный в качестве прототипа. Устройство включает 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 пологого 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.
Недостатками известного устройства является обязательное наличие лазерного уровнемера, при использовании которого не допускается отклонение трубы от перпендикулярного положения, также размер устройства ограничивает его автономную эксплуатацию в период половодья на некоторых водных объектах. Кроме того, установка свай на водных объектах иногда довольно затруднительна, в особенности на песчаном или каменистом дне. К недостаткам также можно отнести габариты и вес устройства, а также способ передачи информации.
Задачей настоящей полезной модели является разработка автономного измерителя гидрологических и гидрохимических характеристик водных объектов, который позволит сократить время и денежные средства на получение измеряемых характеристик за счёт автономности устройства, ликвидировать погрешность, связанную с человеческим фактором, и эффективно тратить время специалиста. Помимо этого, за счёт подключаемых модулей, одно устройство может решать разные задачи на разных водных объектах.
Поставленная задача решается тем, что автономный измеритель гидрологических и гидрохимических характеристик водного объекта, подключенный к внешнему блоку электропитания содержит снабженный элементами крепления на местности и защитой от атмосферных воздействий корпус, установленный в корпусе блок измерения уровня воды на основе измерителя расстояний. В отличие от прототипа он оборудован датчиками температуры, скорости речного потока, кислотности или окислительно-восстановительного потенциала, мутности, часами текущего времени, микроконтроллером, усредняющим цифровой сигнал датчиков за период измерений, и через блок чтения/записи передающим показатели в память носителя информации, а также оборудован USB-портом для снятия информации и программирования микроконтроллера, при этом упомянутые датчики размещены в измеряемой среде и подключены к микроконтроллеру двунаправленными электрическими линиями, заключенными в гибкую водонепроницаемую оболочку. В заявляемой полезной модели измеритель расстояний выполнен на основе ультразвукового источника и приёмника сигнала, дополнительно содержит калибровочный датчик температуры воздуха. Автономный измеритель дополнительно содержит выключатель электропитания и индикатор включения устройства, газоанализатор, подключенный к микроконтроллеру.
Заявляемое устройство работает следующим образом:
Микроконтроллер находится в состоянии ожидания заданный промежуток времени, по истечении которого происходит считывание даты/времени и производятся измерения характеристик водного объекта с помощью подключенных датчиков, чей преобразованный цифровой сигнал поступает на микроконтроллер, усредняется и записывается на носитель информации.
Период считывания информации с датчиков может меняться, от чего зависит энергоэффективность устройства. В среднем этот период составляет 100 секунд, что нивелирует погрешность в измерениях. Полученные данные отображаются в виде таблицы с датой, временем, и усредненным показателями подключенных к устройству датчиков.
На фиг. 1 показана конструкция заявляемой полезной модели. Полезная модель содержит блок электропитания 1, корпус прибора 2, выключатель электропитания 3, индикатор включения 4, карту памяти (SD/microSD) 5, блок чтения/записи 6, микроконтроллер 7, модуль текущего времени (часы) 8, USB порт 9, калибровочный термометр 10, измеритель уровня воды 11, газовый анализатор 12, источник и приёмник сигнала 13, датчик температуры 14, измеритель скорости речного потока 15, датчик pH или Eh 16, датчик мутности 17.
На фиг. 2 представлена 3D модель корпуса заявляемого устройства (ГСА). В данном случае заявленная полезная модель предусматривает, помимо ультразвукового сенсора и калибровочного датчика температуры, подключение одного дополнительного модуля, под номером 14-17 в представленной формуле. С помощью крепежных отверстий устройство размещается над поверхностью воды, регистрируя колебания уровня воды. Для установки устройства можно использовать конструкции – мосты, причалы, и т.д. Также возможна установка направляющей перпендикулярной или параллельной уровню воды сваи или рейки, в зависимости от времени года, грунта и технической оснащенности. Для размещения модулей 14-17 можно использовать плавучую платформу, также можно закрепить датчик с помощью любого крепежа на необходимом уровне. В качестве блока питания можно использовать аккумуляторы, батарейки, или же подключить устройство непосредственно к сети электропитания. При достаточной емкости аккумуляторов, можно эксплуатировать устройство круглый год и непрерывно регистрировать колебания уровня, строить гидрографы стока, а также продлять ряд гидрологических наблюдений на аналогичных исследуемых объектах с недостаточным количеством данных наблюдений.
Полученный результат отображается в табличном виде и легко преобразуется в графический вид. На фиг. 3 показан вариант вывода данных.
Результат записывается на стандартную карту памяти, что минимизирует время на получение информации. Период наблюдений, время между наблюдениями можно варьировать в зависимости от требований к исследованию. Для наблюдения за реками рекомендуется регистрировать показатели 2 раза в сутки – в 8:00 и 20:00 по местному времени, для возможного сопоставления данных с результатами на сетях РОСГИДРОМЕТ.
Заявляемая полезная модель позволит сократить время и денежные средства на получение информации о гидрологических и гидрохимических характеристиках водных объектов, ликвидировать погрешность, связанную с человеческим фактором, и эффективно тратить время специалиста. Помимо этого, за счёт подключаемых модулей, одно устройство может решать разные задачи на разных водных объектах.
Источники информации:
1. патент РФ № 2006001, МПК G01F23/72, опубл. 15.01.1994 г.
2. патент РФ № 2029922, МПК G01F23/72, опубл. 27.02.1995 г.
3. патент РФ № 2101731, МПК G01S 17/32, опубл. 10.01.1998 г.
4. патент РФ № 2627569, МПК G01F23/68, G01F23/28, G01F23/292, опубл. 08.08.2017 г.