RU2812614C1

RU2812614C1 - Method for measuring average water level in open reservoirs and device for its implementation

Info

Publication number: RU2812614C1
Application number: RU2022131361A
Authority: RU
Inventors: Андрей Андреевич Николаев; Роман Анатольевич Белоусов; Александр Александрович Пинкин; Вадим Валентинович Федчишин; Евгений Михайлович Фискин; Маргарита Михайловна Фискина
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно Технический Центр "КУМИр"(ООО "НТЦ "КУМИр")
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2024-01-30

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: used to measure a variable average liquid level in an open reservoir. The method includes preliminary calibration of three atmospheric pressure sensors at the same height, then one of the sensors is installed at a ground station, the second sensor is installed in the first instrumented buoy, and the third sensor is installed in the second instrumented buoy, which are located in the reservoir, with the sensors installed inside buoys, transmit atmospheric pressure readings to the ground station, after which, from the ground station, data from the sensors is transmitted to the server to calculate the value of atmospheric pressure from the difference in the values of atmospheric pressure on the shore and in the reservoir; after determining the atmospheric pressure, the average water level in the reservoir is calculated. The device contains a housing in the form of a buoy, inside of which there is a control board connected to an atmospheric pressure sensor and a battery recharged from a solar panel mounted on the outer wall of the housing, and the control board contains a microcontroller and a transceiver connected by a radio cable to an antenna.

EFFECT: increased accuracy of measuring the water level.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения переменного уровня жидкости в открытом водоеме.The invention relates to control and measuring equipment and can be used to measure variable liquid levels in an open reservoir.

Известен способ определения уровня или плотности жидкости и устройство для его осуществления (RU № 2446383, G01F 23/14, опубликовано 27.03.2012) заключающийся в измерении разности давлений в двух точках контролируемого объема и включающий отбор и передачу давлений из двух точек контролируемого объема, расположенных на разной высоте, к датчику дифференциального давления через соединительные линии, содержащие разделительную жидкость. В качестве соединительных линий используют по меньшей мере две капиллярные линии, гидравлически сообщающиеся со входами датчика дифференциального давления, причем свободные концы соединительных линий располагают горизонтально и жестко фиксируют в заданных точках относительно контролируемой жидкости.There is a known method for determining the level or density of a liquid and a device for its implementation (RU No. 2446383, G01F 23/14, published 03/27/2012) consisting of measuring the pressure difference at two points of a controlled volume and including the selection and transmission of pressures from two points of a controlled volume located at different heights, to the differential pressure sensor through connecting lines containing the separating liquid. At least two capillary lines are used as connecting lines, hydraulically communicating with the inputs of the differential pressure sensor, and the free ends of the connecting lines are placed horizontally and rigidly fixed at specified points relative to the controlled liquid.

При этом в соединительные линии со стороны датчика дифференциального давления периодически дозируют порции разделительной жидкости. Измерение разности гидростатических давлений в контролируемом объеме производят в моменты времени в перерывах между дозированием очередной порции разделительной жидкости, а по величине выходного сигнала датчика дифференциального давления определяют уровень или плотность контролируемой жидкости.In this case, portions of the separation liquid are periodically dosed into the connecting lines on the side of the differential pressure sensor. The difference in hydrostatic pressure in the controlled volume is measured at points in time between dosing of the next portion of the separating liquid, and the level or density of the controlled liquid is determined from the value of the output signal of the differential pressure sensor.

Недостатком данного способа является необходимость использования разделительной жидкости между датчиком и жидкостью в измеряемой емкости.The disadvantage of this method is the need to use a separating liquid between the sensor and the liquid in the measured container.

Общим признаком заявляемого способа с аналогом является принцип измерения уровня, данный способ так же основан на измерении разности давлений в двух точках и включает отбор и передачу данных о давлении из двух точек контролируемого объема, расположенных на разной высоте.A common feature of the proposed method with an analogue is the principle of level measurement; this method is also based on measuring the pressure difference at two points and includes the selection and transmission of pressure data from two points of a controlled volume located at different heights.

Данный способ эффективен только при измерениях в емкости и не подходит для решения поставленной задачи, а именно работы на открытой местности.This method is effective only when measuring in a container and is not suitable for solving the task at hand, namely working in open areas.

Отличием данного способа от предложенного в данной заявке является необходимость использования для передачи давлений из двух точек контролируемого объема, расположенных на разной высоте капиллярных линий, гидравлически сообщающихся со входами датчика дифференциального давления.The difference between this method and the one proposed in this application is the need to use capillary lines that are hydraulically connected to the inputs of the differential pressure sensor to transmit pressure from two points of the controlled volume, located at different heights.

Известен также способ измерения плотности и уровня жидкости (RU № 2441204, МПК G01F 23/14, опубликовано 27.01.2012) заключающийся в установке в резервуар с исследуемой жидкостью двух датчиков давления друг над другом на фиксированном расстоянии, фиксацию значений смещения нуля нижнего и верхнего датчиков, когда уровень жидкости находится ниже их уровней, фиксацию разности значений давлений нижнего и верхнего датчиков, когда уровень жидкости находится немного выше уровня верхнего датчика, вычисления плотности и уровня жидкости по полученной фиксированной разности давлений и значениям смещения нуля датчиков.There is also a known method for measuring the density and level of a liquid (RU No. 2441204, IPC G01F 23/14, published 01/27/2012) which consists of installing two pressure sensors above each other at a fixed distance in a tank with the test liquid, fixing the zero offset values of the lower and upper sensors , when the liquid level is below their levels, fixing the difference in pressure values of the lower and upper sensors, when the liquid level is slightly above the level of the upper sensor, calculating the density and level of the liquid from the resulting fixed pressure difference and the zero offset values of the sensors.

Если уровень жидкости не опускается ниже уровня нижнего датчика, то в резервуаре размещают между верхним и нижним датчиками на фиксированном расстоянии от нижнего датчика средний датчик давления.If the liquid level does not fall below the level of the lower sensor, then a middle pressure sensor is placed in the tank between the upper and lower sensors at a fixed distance from the lower sensor.

Фиксируют значение смещения нуля среднего датчика, когда уровень жидкости находится ниже его уровня, фиксируют разность значений давлений нижнего и среднего датчиков, когда уровень жидкости находится немного выше уровня среднего датчика, определяют смещение нуля нижнего датчика по фиксированной разности давлений между нижним и верхним датчиками, фиксированной разности давлений между нижним и средним датчиками и значениям смещения нуля среднего и верхнего датчиков.The zero offset value of the middle sensor is recorded when the liquid level is below its level, the difference in pressure values of the lower and middle sensors is recorded when the liquid level is slightly above the level of the middle sensor, the zero offset of the lower sensor is determined by the fixed pressure difference between the lower and upper sensors, fixed the pressure difference between the lower and middle sensors and the zero offset values of the middle and upper sensors.

Недостатками данного способа являются сложность точного определения момента перехода жидкости через уровень датчика, так как на него влияют дискретность моментов измерения давления, колебания жидкости в момент касания датчика давления, шумы в измерительном канале. Кроме того, если уровень жидкости не опускается ниже уровня нижнего датчика, то в резервуаре необходимо разместить между верхним и нижним датчиками на фиксированном расстоянии от нижнего датчика средний датчик давления, с повторной калибровкой уровней.The disadvantages of this method are the difficulty of accurately determining the moment the liquid passes through the sensor level, since it is affected by the discreteness of the moments of pressure measurement, fluctuations of the liquid at the moment it touches the pressure sensor, and noise in the measuring channel. In addition, if the liquid level does not fall below the level of the lower sensor, then a middle pressure sensor must be placed in the tank between the upper and lower sensors at a fixed distance from the lower sensor, with the levels recalibrated.

Общими признаками заявляемого способа с аналогом является использование двух или более датчиков давления, для определения уровня жидкости, а так же принцип вычисления плотности и уровня жидкости, основанный на полученной разности давлений и значениям смещения нуля датчиков.Common features of the proposed method with an analogue are the use of two or more pressure sensors to determine the liquid level, as well as the principle of calculating the density and level of the liquid, based on the obtained pressure difference and the zero offset values of the sensors.

Отличием данного способа от предложенного в заявке, является необходимость в установке в резервуар с исследуемой жидкостью минимум двух датчиков давления друг над другом на точно фиксированном расстоянии, от которого зависит точность измерений. Для повышения точности измерения уровня необходимо установка дополнительных датчиков на точно фиксированном расстоянии.The difference between this method and the one proposed in the application is the need to install at least two pressure sensors in the tank with the liquid being tested above each other at a precisely fixed distance, on which the accuracy of the measurements depends. To increase the accuracy of level measurement, it is necessary to install additional sensors at a precisely fixed distance.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения уровня воды или жидкости (варианты) и барботажный уровнемер (RU № 2124702, G01F 23/16, опубликовано 10.01.1999), заключающийся в измерении давления водяного столба с помощью барботажных трубок, нижние концы которых располагают на разных глубинах. Вычисляется удельный вес жидкости. Измерение давления барботажа производят после прекращения подачи сжатого газа одновременно с измерением температуры газа в барботажной трубке. При измерениях глубины жидкости производится полная компенсация давления столба газа в барботажной трубке. Вычисляют значение уровня жидкости над уровнем моря или относительно какой-либо реперной высоты.The closest in technical essence to the claimed method is a method for measuring the level of water or liquid (options) and a bubble level gauge (RU No. 2124702, G01F 23/16, published 01/10/1999), which consists in measuring the pressure of the water column using bubble tubes, lower ends which are located at different depths. The specific gravity of the liquid is calculated. The bubbling pressure is measured after stopping the supply of compressed gas simultaneously with measuring the gas temperature in the bubbling tube. When measuring the depth of a liquid, the pressure of the gas column in the bubble tube is fully compensated. Calculate the value of the liquid level above sea level or relative to any reference height.

Основная причина того, что уровнемер с погружным датчиком давления не находит широкого применения, заключается в сложности его эксплуатации.The main reason that submersible pressure sensors are not widely used is that they are difficult to operate.

На датчике давления, погруженном в воду водохранилища или реки, за короткий срок образуется нарост. Кроме того, датчик давления является высокоточным и поэтому должен периодически подвергаться проверке. Для чистки датчика часто приходится осуществлять подводную работу, а для проверки его необходимо снимать и снова монтировать под водой. По этой причине уровнемер с погружным датчиком редко применяется при гидрологических наблюдениях.A build-up will form on a pressure sensor immersed in the water of a reservoir or river in a short time. In addition, the pressure sensor is highly accurate and must therefore be checked periodically. To clean the sensor, it is often necessary to work underwater, and to check it, it must be removed and reinstalled underwater. For this reason, a level gauge with a submersible sensor is rarely used in hydrological observations.

В этом отношении барботажный уровнемер в эксплуатации весьма удобен, так как весь прибор находится над водой.In this regard, the bubble level gauge is very convenient to use, since the entire device is located above the water.

Недостатком барботажного уровнемера является то, что необходим источник сжатого воздуха или другого газа.The disadvantage of a bubble level gauge is that a source of compressed air or other gas is required.

Общими признаками заявляемого способа с прототипом является возможность измерения уровня воды в открытых водоемах, а не емкостях, например в водохранилищах, реках и наблюдательных скважинах грунтовых и подземных вод, а также уровня жидкости в больших резервуарах.The common features of the proposed method with the prototype is the ability to measure the water level in open reservoirs rather than containers, for example in reservoirs, rivers and observation wells of ground and underground waters, as well as the liquid level in large reservoirs.

Используется схожий принцип измерения уровня жидкости, а именно, нижние концы барботажных трубок располагаются на глубинах h1 и h2, причем h2 = h1 + Δh, с помощью измеренных давлений газа в барботажных трубках вычисляют удельный вес жидкости.A similar principle is used for measuring the liquid level, namely, the lower ends of the bubble tubes are located at depths h1 and h2, with h2 = h1 + Δh, and the specific gravity of the liquid is calculated using the measured gas pressures in the bubble tubes.

Вычисление значения уровня жидкости над уровнем моря или относительно какой-либо реперной высоты происходит на основе показаний от датчика давления и датчика температуры, входы которых соединены со входом вычислительно-управляющего блока.The calculation of the liquid level above sea level or relative to any reference height occurs on the basis of readings from the pressure sensor and temperature sensor, the inputs of which are connected to the input of the computing and control unit.

Отличием заявляемого способа от прототипа является более сложная система измерения уровня жидкости, а именно используются барботажные трубки, сжатый газ и система вентилей, которых нет у предлагаемого прототипа. У данного аналога уровень жидкости рассчитывается исходя из величины давления водяного столба, то есть вычисляют удельный вес жидкости, что дает большую погрешность измерений.The difference between the proposed method and the prototype is a more complex system for measuring the liquid level, namely, bubble tubes, compressed gas and a valve system are used, which the proposed prototype does not have. With this analogue, the liquid level is calculated based on the pressure of the water column, that is, the specific gravity of the liquid is calculated, which gives a large measurement error.

Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».The presence of distinctive features allows us to draw a conclusion about the compliance of the claimed invention with the patentability condition of “novelty”.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является:The problem to be solved by the claimed invention is:

1) Определение уровня жидкости в открытых водоемах с возможностью отслеживания и регистрация природных явлений, таких как, регистрация поперечных волн и сейши в озере, отслеживания атмосферных фронтов, регистрацию влияния землетрясений и возможность их прогноза.1) Determination of the liquid level in open reservoirs with the ability to monitor and register natural phenomena, such as recording shear waves and seiches in the lake, tracking atmospheric fronts, recording the influence of earthquakes and the possibility of their forecast.

2) Повышение точности измерения уровня воды и возможность регистрации природных явлений при увеличении количества датчиков в акватории.2) Increasing the accuracy of water level measurements and the possibility of recording natural phenomena with an increase in the number of sensors in the water area.

3) Возможность создания бюджетной сети мониторинга акваторий, включающей несколько десятков станций.3) The possibility of creating a budget network for monitoring water areas, including several dozen stations.

Данные задачи решаются за счет того, что предложенный способ не требует дополнительных сооружений и оборудования для запуска в работу. These problems are solved due to the fact that the proposed method does not require additional structures and equipment to put into operation.

При данном способе измерения каждая измерительная единица заранее может быть настроена и откалибрована в лабораторных условиях, что упрощает процесс монтажа на месте эксплуатации.With this measurement method, each measuring unit can be pre-set and calibrated in the laboratory, which simplifies the installation process on site.

Передача полученных данных с их последующей обработкой на сервере, позволит снизить трафик с точки мониторинга до сервера, тем самым увеличить скорость передачи и повысить максимальное количество точек учета.Transferring the received data with its subsequent processing on the server will reduce traffic from the monitoring point to the server, thereby increasing the transfer speed and increasing the maximum number of metering points.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1, где приведена схема измерения уровня жидкости, на которой изображено расположение опорного (наземного) датчика и измерительного датчика в водоеме.The invention is illustrated by the drawing, where in FIG. 1, which shows a diagram of liquid level measurement, which shows the location of the reference (ground) sensor and the measuring sensor in the reservoir.

Технический результат заключается в повышении точности измерения уровня жидкости.The technical result is to increase the accuracy of liquid level measurement.

Указанный технический результат достигается тем, что способ измерения уровня жидкости, включает клибровку не менее двух датчиков на одной высоте, затем производят установку одного из датчиков на наземной станции, а второй датчик устанавливается в измерительный буй, который размещен в водоеме, датчик, установленный внутри буя, передает показания давления на наземную станцию, после этого с наземной станции данные от датчиков передаются на сервер для вычисления величины атмосферного давления по разности значений величин атмосферного давления на берегу и в водоеме, согласно изобретению, после определения атмосферного давления осуществляют передачу данных на сервер для расчета среднего уровня жидкости в водоеме.This technical result is achieved by the fact that the method for measuring liquid level includes calibration of at least two sensors at the same height, then one of the sensors is installed at a ground station, and the second sensor is installed in a measuring buoy, which is placed in a reservoir, the sensor is installed inside the buoy , transmits pressure readings to the ground station, after which, from the ground station, data from the sensors is transmitted to the server to calculate the value of atmospheric pressure from the difference in the values of atmospheric pressure on the shore and in the reservoir, according to the invention, after determining the atmospheric pressure, the data is transmitted to the server for calculation average liquid level in a reservoir.

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

Вначале датчики калибруются на одной высоте, для минимизации погрешности измерения. Затем в наземной станции устанавливается один из датчиков (опорный датчик) атмосферного давления, который в расчетах принимается за ноль. В водоеме устанавливается измерительный буй со вторым регистрирующим датчиком, измеряющим текущее значение атмосферного давления на воде. При изменении уровня воды в водоеме регистрирующий датчик фиксирует изменение высоты, посредством изменения атмосферного давления и передает данные на сервер. First, the sensors are calibrated at the same height to minimize measurement error. Then one of the sensors (reference sensor) of atmospheric pressure is installed in the ground station, which is taken as zero in calculations. A measuring buoy with a second recording sensor is installed in the reservoir, measuring the current value of atmospheric pressure on the water. When the water level in a reservoir changes, the recording sensor records the change in altitude by changing atmospheric pressure and transmits the data to the server.

Затем полученные данные используют для определения уровня жидкости в водоеме по следующим математическим зависимостям:Then the data obtained is used to determine the liquid level in the reservoir using the following mathematical relationships:

1) При определении среднего уровня жидкости в водоеме компенсируется общее атмосферное давление, а в расчет принимается только разность между датчиками на суше и на воде по следующей формуле:1) When determining the average liquid level in a reservoir, the total atmospheric pressure is compensated, and only the difference between sensors on land and water is taken into account according to the following formula:

P=Pн-Pв, (1)P=Pn-Pv, (1)

где Pн - значение атмосферного давления на берегу, а Pв - значение атмосферного давления с датчика в водоеме.where Pн is the value of atmospheric pressure on the shore, and Pв is the value of atmospheric pressure from the sensor in the reservoir.

Повышение точности измерений достигается за счет:Increasing measurement accuracy is achieved through:

1) Калибровки датчиков на одной высоте, для минимизации погрешности и расчета калибровочного коэффициента.1) Calibration of sensors at the same height, to minimize errors and calculate the calibration coefficient.

2) Установка нескольких измерительных групп по всей акватории озера, с последующим расчетом среднего арифметического, по формуле 2:2) Installation of several measuring groups throughout the entire water area of the lake, followed by calculation of the arithmetic average, according to formula 2:

L=, (2)L= , (2)

где L - средний уровень воды акватории, 0,087 - коэффициент перевода с Па в атмосферные метры, P_б1 - Значение атмосферного давления на береговой станции №1, P_оз1 - Значение атмосферного давления в озере на буе №1, n - количество пар береговая станция-станция в озере.where L is the average water level of the water area, 0.087 is the conversion factor from Pa to atmospheric meters, P _b1 is the value of atmospheric pressure at coastal station No. 1, P _oz1 is the value of atmospheric pressure in the lake at buoy No. 1, n is the number of pairs coastal station - station in the lake.

3) Программное обеспечение позволяет настроить частоту снятия показаний, тем самым увеличив количество выборок и получить более точное среднее значение уровня воды акватории.3) The software allows you to adjust the frequency of readings, thereby increasing the number of samples and obtaining a more accurate average value of the water level of the water area.

Способ измерения уровня жидкости основан на измерении разности атмосферного давления в двух точках открытой акватории, включает следующие процедуры, вначале 2 датчика калибруются на одной высоте, затем один из них устанавливается на наземной станции, являясь опорным при расчетах, второй датчик устанавливается в корпус 2 и размещается внутри буя.The method for measuring liquid level is based on measuring the difference in atmospheric pressure at two points in an open water area, includes the following procedures, first 2 sensors are calibrated at the same height, then one of them is installed at a ground station, being a reference for calculations, the second sensor is installed in housing 2 and placed inside the buoy.

В процессе работы датчик, установленный внутри буя, передает показания давления на наземную станцию, после этого с наземной станции данные от датчика 1 и 2 передаются на сервер, где происходят последующие математические вычисления по следующей формуле:During operation, the sensor installed inside the buoy transmits pressure readings to the ground station, after which, from the ground station, data from sensors 1 and 2 is transmitted to the server, where subsequent mathematical calculations take place according to the following formula:

P=Pн-Pв,P=Pn-Pv,

Данный способ отличается тем, что при такой реализации датчики не требует дополнительных капиллярных трубок, емкостей с газом или жидкостью, они напрямую не контактируют с жидкостью водоема, тем самым не покрываясь тиной и другими загрязнителями, влияющими на точность.This method differs in that with this implementation, the sensors do not require additional capillary tubes, containers with gas or liquid, they do not directly contact the liquid of the reservoir, thereby not becoming covered with mud and other contaminants that affect the accuracy.

В предложенном способе датчики компенсируют атмосферное давление и измеряют только разность между опорным уровнем на земле и текущим уровнем воды в озере, а наличие программной составляющей позволяет управлять количеством выборок в единицу времени, тем самым дополнительно повышая точность измерения. Регистрация уровня жидкости в водоеме происходит посредством измерения разности атмосферного давления в двух точках. В расчетах используется разность между датчиками на суше и на воде, таким образом, компенсируется общее атмосферное давление. Для организации мониторинга в местах где отсутствует сотовая связь обеспечена возможность радиоканальной передачи данных.In the proposed method, the sensors compensate for atmospheric pressure and measure only the difference between the reference level on the ground and the current water level in the lake, and the presence of a software component allows you to control the number of samples per unit of time, thereby further increasing the measurement accuracy. The liquid level in a reservoir is recorded by measuring the difference in atmospheric pressure at two points. The calculations use the difference between sensors on land and water, thus compensating for the total atmospheric pressure. To organize monitoring in places where there is no cellular communication, the possibility of radio channel data transmission is provided.

Простота внедрения регистрирующих датчиков позволяет расположить их на большой площади акватории, а радиоканальная передача данных позволит организовать передачу данных даже с отдаленных районов озера.The ease of implementation of recording sensors allows them to be located over a large area of the water area, and radio channel data transmission will allow organizing data transmission even from remote areas of the lake.

При достаточном количестве датчиков существует возможность регистрации поперечных волн и сейши в озере, отслеживания атмосферных фронтов, регистрации влияния землетрясений и возможность их прогноза и других природных явлений, за счет высокого быстродействия и малой инерционности при снятии показаний с датчиков таким способом.With a sufficient number of sensors, it is possible to record shear waves and seiches in a lake, track atmospheric fronts, record the influence of earthquakes and the possibility of predicting them and other natural phenomena, due to the high speed and low inertia when taking readings from sensors in this way.

Из уровня техники также известен способ определения уровня или плотности жидкости и устройство для его осуществления (RU № 2446383, G01F 23/14, опубликовано 27.03.2012). По данному патенту устройство для измерения уровня или плотности жидкости, содержит датчик дифференциального давления, резервуар с контролируемой жидкостью и размещенные между ними соединительные линии с разделительной жидкостью, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок регистрации и управления и два управляемых дозатора разделительной жидкости, при этом электрически выход датчика дифференциального давления соединен с входом блока регистрации и управления, информационный выход блока служит выходом устройства в целом, а управляющие выходы блока подключены к управляющим входам дозаторов, выходы которых гидравлически объединены с входами датчика дифференциального давления и входами соединительных линий, а соединительные линии выполнены в виде по меньшей мере двух капиллярных трубок, свободные концы которых установлены в резервуаре с контролируемой жидкостью и жестко закреплены в заданных точках относительно контролируемой жидкости с образованием разности высот.The prior art also knows a method for determining the level or density of a liquid and a device for its implementation (RU No. 2446383, G01F 23/14, published 03/27/2012). According to this patent, a device for measuring the level or density of a liquid contains a differential pressure sensor, a tank with a controlled liquid and connecting lines with a separating liquid placed between them, characterized in that it additionally contains a registration and control unit and two controlled dispensers of the separating liquid, with In this case, the output of the differential pressure sensor is electrically connected to the input of the registration and control unit, the information output of the unit serves as the output of the device as a whole, and the control outputs of the unit are connected to the control inputs of the dispensers, the outputs of which are hydraulically combined with the inputs of the differential pressure sensor and the inputs of the connecting lines, and the connecting lines made in the form of at least two capillary tubes, the free ends of which are installed in a reservoir with a controlled liquid and rigidly fixed at specified points relative to the controlled liquid to form a height difference.

К недостаткам указанного устройства относится низкая точность измерений, связанная с тем, что в момент отрыва пузырька избыточного воздуха происходит скачок давления в пьезометрической трубке. Последнее приводит к соответствующему разбросу в результатах измерения давления воздуха и, следовательно, к увеличению погрешности определения уровня жидкости. При резких изменениях давления газовой фазы над жидкостью погрешность определения уровня может увеличиться значительно.The disadvantages of this device include low measurement accuracy due to the fact that at the moment of separation of the excess air bubble, a pressure surge occurs in the piezometric tube. The latter leads to a corresponding scatter in the results of measuring air pressure and, consequently, to an increase in the error in determining the liquid level. With sudden changes in the pressure of the gas phase above the liquid, the error in determining the level can increase significantly.

Общим признаком заявляемого устройства с прототипом является использование в качестве чувствительных элементов датчиков давления и электронный блок управления.A common feature of the proposed device with the prototype is the use of pressure sensors and an electronic control unit as sensitive elements.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является способ измерения уровня воды или жидкости (варианты) и барботажный уровнемер (RU № 2124702, G01F 23/16, опубликовано 10.01.1999), заключающийся в измерении давления водяного столба с помощью барботажных трубок, нижние концы которых располагают на разных глубинах.The closest in technical essence to the claimed device is a method for measuring the level of water or liquid (options) and a bubble level gauge (RU No. 2124702, G01F 23/16, published 01/10/1999), which consists in measuring the pressure of the water column using bubble tubes, lower ends which are located at different depths.

Барботажный уровнемер содержит три барботажные трубки, источник сжатого газа, три вентиля. В буферной емкости установлены датчик давления и датчик температуры, входы которых соединены со входом вычислительно-управляющего блока.The bubble level gauge contains three bubble tubes, a source of compressed gas, and three valves. A pressure sensor and a temperature sensor are installed in the buffer tank, the inputs of which are connected to the input of the computing and control unit.

Основным недостатком барботажного уровнемера является большая погрешность измерения глубины h и, следовательно, уровня воды.The main disadvantage of a bubble level gauge is the large error in measuring the depth h and, consequently, the water level.

Общим признаком заявляемого устройства с прототипом является использование в качестве чувствительных элементов датчиков давления и температуры, наличие блока управления.A common feature of the proposed device with the prototype is the use of pressure and temperature sensors as sensitive elements, and the presence of a control unit.

Отличием заявляемого устройства от прототипа является конструктивное исполнение устройства, а именно отсутствие барботажных трубок, источника сжатого газа и вентилей.The difference between the claimed device and the prototype is the design of the device, namely the absence of bubble tubes, a source of compressed gas and valves.

Известна система радарного уровнемера с однопроводным зондом и резервуарная конструкция (RU № 2676395, МПК G01F 23/284, опубликовано 28.12.2018).A radar level meter system with a single-wire probe and a tank design is known (RU No. 2676395, IPC G01F 23/284, published 12/28/2018).

Изобретение относится к системе радарного уровнемера, использующей однопроводной зонд, а также к резервуарной конструкции (резервуарной системе), содержащей резервуар с трубчатой монтажной конструкцией, причем данная система прикреплена к трубчатой монтажной конструкции так, что однопроводной зонд проходит через нее.The invention relates to a radar level transmitter system using a single-wire probe, as well as to a reservoir structure (reservoir system) comprising a reservoir with a tubular mounting structure, the system being attached to the tubular mounting structure such that the single-wire probe passes through it.

Недостатком данных устройств иногда именуемых зондами Губо, заключается в том, что трубчатая монтажная конструкция влияет на распространение электромагнитного сигнала, направляемого зондом, причем в особенности в том случае, если данная конструкция является относительно узкой и длинной. Внутри трубчатой монтажной конструкции однопроводной зонд фактически проявляет скорее не свойства волновода поверхностной волны, а выполняет функцию коаксиальной передающей линии, параметры которой, связанные с распространением сигнала, зависят от размеров данной конструкции. В частности, импеданс передающей линии, проходящей внутри трубчатой монтажной конструкции, может составлять порядка 150 Ом, причем он может различаться для разных установок. Соответственно, будут возникать первый скачок импеданса у границы раздела между проходным вводом и внутренней стороной данной конструкции, а также второй скачок импеданса у нижнего конца данной конструкции.The disadvantage of these devices, sometimes referred to as Goubau probes, is that the tubular mounting structure affects the propagation of the electromagnetic signal sent by the probe, especially if the structure is relatively narrow and long. Inside a tubular mounting structure, a single-wire probe actually exhibits not the properties of a surface wave waveguide, but rather performs the function of a coaxial transmission line, the parameters of which related to signal propagation depend on the dimensions of the structure. In particular, the impedance of the transmission line running inside the tubular mounting structure may be on the order of 150 ohms, and this may vary between installations. Accordingly, a first impedance jump will occur at the interface between the feedthrough and the inside of this structure, as well as a second impedance jump at the lower end of this structure.

Относительно большой скачок импеданса (от примерно 150 до 370 Ом), образующийся у нижнего конца трубчатой конструкции, может исказить измерения уровней заполнения в смежных зонах. Фактически, эхо-сигнал, образующийся в результате упомянутого скачка импеданса, может оказаться сильнее эхо-сигнала, отраженного от поверхности нефти. В добавление к этому, многократные отражения между границей скачка импеданса у проходного ввода и границей скачка импеданса у нижнего конца трубчатой монтажной конструкции могут привести к образованию дополнительных эхо-сигналов, которые, в свою очередь, могут исказить измерение уровня заполнения в зоне, расположенной ниже данного конца и относительно далеко от него.A relatively large impedance jump (approximately 150 to 370 ohms) generated at the lower end of a tubular structure can distort measurements of fill levels in adjacent areas. In fact, the echo generated by this impedance jump may be stronger than the echo reflected from the surface of the oil. In addition, multiple reflections between the impedance discontinuity at the bushing and the impedance discontinuity at the lower end of the tubular mounting structure can result in additional echoes, which in turn can distort the fill level measurement in the area below it. end and relatively far from it.

Общими признаками заявляемого устройства с прототипом является наличие трансивера, для передачи данных, процессорного блока управления, соединенные между собой медными проводниками.The common features of the proposed device with the prototype are the presence of a transceiver for data transmission, a processor control unit, connected to each other by copper conductors.

Отличием заявляемого устройства от прототипа является использование однопроводного зонда, вместо датчика давления, наличие электропроводного экранирующего компонента.The difference between the claimed device and the prototype is the use of a single-wire probe, instead of a pressure sensor, and the presence of an electrically conductive shielding component.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является отслеживания и регистрация текущего уровня воды природных водоемов, как в летний, так и в зимний период, регистрация поперечных волн и сейши в озере, отслеживания атмосферных фронтов, регистрацию влияния землетрясений и возможность их прогноза, регистрация прочих природных явлений на воде.The task to which the claimed invention is aimed is to track and register the current water level of natural reservoirs, both in summer and winter, register transverse waves and seiches in the lake, track atmospheric fronts, register the influence of earthquakes and the possibility of their forecast, registration other natural phenomena on the water.

Данная задача решается за счет того, что с целью повышения надежности устройства датчик не контактирует с жидкостью и не погружается в нее, а для повышения точности измерений, полученные данные с датчика передаются посредством радиоканала на наземную измерительную станцию.This problem is solved due to the fact that in order to increase the reliability of the device, the sensor does not come into contact with the liquid and is not immersed in it, and to increase the accuracy of measurements, the data received from the sensor is transmitted via a radio channel to a ground-based measuring station.

Технический результат заключается в повышении надежности устройства и повышении точности измерений.The technical result is to increase the reliability of the device and increase the accuracy of measurements.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения уровня жидкости, содержит внешний корпус, выполненный в виде буя внутри которого жестко закреплен герметичный корпус, внутри которого размещена плата управления, соединенная проводами с измерительной платой и аккумулятором подзаряжаемым от солнечной панели, жестко закрепленной на внешней стенке корпуса, причем на плате управления размещен микроконтроллер и трансивер, соединенный радиокабелем с антенной, размещенной на внешней стенке корпуса.The specified technical result is achieved by the fact that the device for measuring the liquid level contains an outer casing, made in the form of a buoy, inside which a sealed casing is rigidly fixed, inside which there is a control board connected by wires to the measuring board and a battery recharged from a solar panel rigidly fixed to the external wall of the housing, with a microcontroller and a transceiver located on the control board, connected by a radio cable to an antenna located on the outer wall of the housing.

В устройстве реализована радиоканальная передача данных, для возможности передачи данных в районах, где отсутствует сотовая связь.The device implements radio channel data transmission to enable data transmission in areas where there is no cellular communication.

Конструктивная реализация позволяет защитить чувствительный элемент от контакта с водой и влияния внешних факторов.The constructive implementation makes it possible to protect the sensitive element from contact with water and the influence of external factors.

Конструктивное решение обеспечения автономности и использование особого типа аккумуляторов, позволяют обеспечить автономность работы устройства даже в зимний период до температур -30°C.A design solution to ensure autonomy and the use of a special type of battery allow the device to operate autonomously even in winter down to temperatures of -30°C.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 2 показан общий вид устройства, а на фиг. 3 приведена блок-схема герметичного корпуса.The inventive device is illustrated by drawings, where in Fig. 2 shows a general view of the device, and FIG. Figure 3 shows a block diagram of the sealed housing.

Устройство для измерения уровня жидкости содержит внешний корпус 1, в качестве которого может быть использован буй речной, маркировки РБ любого типоразмера в соответствии с ГОСТ 26600-98. (https://ohranatruda.ru/upload/iblock/90a/4294827835.pdf). Внутри внешнего корпуса 1 в батарейный отсек или другую полость на DIN рейку (на фиг. не показана) устанавливается герметичный корпус 2 типоразмера D2MG (https://www.promelec.ru/fs/sources/31/25/de/71/9de3efc02eb3edc2918d8f26.pdf) внутри которого размещены плата управления 3, соединенная проводами с измерительной платой 4 и аккумулятором 5.The device for measuring the liquid level contains an outer housing 1, which can be used as a river buoy, marked RB, of any standard size in accordance with GOST 26600-98. (https://ohranatruda.ru/upload/iblock/90a/4294827835.pdf). Inside the outer housing 1, a sealed housing 2 of standard size D2MG is installed in the battery compartment or other cavity on a DIN rail (not shown in the figure) (https://www.promelec.ru/fs/sources/31/25/de/71/9de3efc02eb3edc2918d8f26 .pdf) inside which there is a control board 3 connected by wires to the measuring board 4 and battery 5.

Ввиду компактности корпуса 2 более подробная блок-схема устройства поясняется на фиг. 3.Due to the compactness of the housing 2, a more detailed block diagram of the device is illustrated in FIG. 3.

Питание платы управления 3 и измерительной платы 4 обеспечивает встроенный литий-железо-фосфатный аккумулятор, либо литий-титанатный аккумулятор 5, подзаряжаемый от солнечной панели 6 мощностью 1Вт (https://www.chipdip.ru/product0/8009514620).The control board 3 and the measuring board 4 are powered by a built-in lithium iron phosphate battery or a lithium titanate battery 5, recharged from a 1W solar panel 6 (https://www.chipdip.ru/product0/8009514620).

Передача данных организуется следующим образом, данные с измерительной платы 4 по проводам передаются на плату управления 3, на которой находиться микроконтроллер (на фиг не показан), принимающий данные с измерительной платы и передающий их на трансивер (на фиг не показан), соединенный радиокабелем РК-50 с антенной 7 типа ПА-868 - 10 RHCP (https://antenna31.ru/rfid-panelnaya-antenna-pa868-10-rhcp-70), для последующей передачи данных уже по радиоканалу, либо со штыревой антенной, выполненной в двух конфигурациях, а именно: на плате управления 3, методом трассировки, либо выносной вариант - позиция 8 на фиг. 2, типа ANT 868 CW-HWR SMA (https://www.chipdip.ru/product0/8001928445).Data transfer is organized as follows: data from the measuring board 4 is transmitted via wires to the control board 3, on which there is a microcontroller (not shown in Fig.) that receives data from the measuring board and transmits it to a transceiver (not shown in Fig.), connected by a radio cable RK -50 with antenna 7 type PA-868 - 10 RHCP (https://antenna31.ru/rfid-panelnaya-antenna-pa868-10-rhcp-70), for subsequent data transmission via radio channel, or with a whip antenna made in two configurations, namely: on control board 3, by tracing method, or a remote version - position 8 in Fig. 2, type ANT 868 CW-HWR SMA (https://www.chipdip.ru/product0/8001928445).

Конкретный выбор варианта антенны зависит от необходимого радиуса передачи данных, фоновых шумов в месте установки и других факторов, определяемых индивидуально при настройке каждой точки мониторинга.The specific choice of antenna option depends on the required data transmission radius, background noise at the installation site and other factors determined individually when setting up each monitoring point.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Текущее атмосферное давление измеряется с помощью измерительной платы 4, после чего данные отправляются на плату управления 3, для передачи по радиоканалу на наземную приемную станцию.The current atmospheric pressure is measured using measuring board 4, after which the data is sent to control board 3 for transmission via radio to a ground receiving station.

С наземной станции принятые данные посредством сотовой связи либо по сети Ethernet передаются на сервер информационно измерительной системы, для проведения математических расчетов.From the ground station, the received data via cellular communications or via an Ethernet network is transmitted to the server of the information and measurement system to carry out mathematical calculations.

Таким образом, достигается технический результат заявляемого устройства.Thus, the technical result of the claimed device is achieved.

Claims

1. A method for measuring the average water level in open reservoirs, including preliminary calibration of at least three atmospheric pressure sensors at the same height, then installing one of the atmospheric pressure sensors at a ground station, the second atmospheric pressure sensor is installed in the first measuring buoy, and the third atmospheric pressure sensor pressure is installed in the second measuring buoy, which are located in the reservoir, while the atmospheric pressure sensors installed inside the buoys transmit atmospheric pressure readings to the ground station, after which from the ground station the data from the atmospheric pressure sensors is transmitted to the server to calculate the atmospheric pressure value by the difference values of atmospheric pressure on the shore and in the reservoir, after determining the atmospheric pressure, the average water level in the reservoir is calculated using the appropriate formula:

L= ,

where L is the average water level of the water area, 0.087 is the conversion factor from Pa to atmospheric meters, P _b1 is the value of atmospheric pressure at ground station No. 1, P _oz1 is the value of atmospheric pressure in the reservoir at buoy No. 1, n is the number of pairs coastal station - station in a pond.

2. A device for measuring atmospheric pressure in open reservoirs, used in the method according to claim 1, containing an outer housing made in the form of a buoy, inside of which a sealed housing is rigidly fixed, inside of which there is a control board connected by wires to an atmospheric pressure sensor and a battery, rechargeable from a solar panel rigidly mounted on the outer wall of the case, and a microcontroller and a transceiver are located on the control board, connected by a radio cable to an antenna located on the outer wall of the case.