КОНТРОЛЬ УРОВНЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В СКВАЖИНЕ С ПОМОЩЬЮ РАДИОВОЛН
КОНТРОЛЬ УРОВНЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В СКВАЖИНЕ С ПОМОЩЬЮ РАДИОВОЛН
Убайдуллаева Шахноза Рахимджановна
канд.техн.наук, доц., Ташкентский институт инженеров ирригации и мелиорации сельского хозяйства,
Узбекистан, г.Ташкент
Нигматов Азиз Махкамович
ассистент, Ташкентский институт инженеров ирригации и мелиорации сельского хозяйства,
Узбекистан, г.Ташкент
CONTROL OF GROUNDWATER LEVEL IN A WELL USING RADIO WAVES
Shakhnoza Ubaydullayeva
Candidate of technical sciences, associate Professor, Tashkent institute of irrigation and agricultural mechanization engineers,
Uzbekistan, Tashkent
Aziz Makhkamov
Assistant, Tashkent institute of irrigation and agricultural mechanization engineers,
Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрены вопросы контроля, учета рационального использования подземных вод и методы измерения уровня воды в скважине. Предлагается измерение уровня воды с помощью радиоволн. Данный метод можно использовать в сложных условиях, в частности, при высоком давлении, при высоких температурах без непосредственного контакта с измеряемым объектом. По сравнению с ультразвуковыми уровнемерами радиоволны способны обеспечить большую точность измерения, обладают меньшей зоной нечувствительности, способны работать при больших давлениях в резервуаре.
Ключевые слова: мониторинг подземных вод, радарный уровнемер, передачи данных через GSM, преобразователь, радиоволна.
Введение. Для мониторинга уровня подземных вод в наблюдательных скважинах применяют автоматизированную систему управления. Это система предназначена для проведения измерений уровня и температуры подземных вод, сохранения информации в автономном режиме в течении длительных периодов наблюдений. Полученная информация используется для пополнения банка данных многолетних наблюдений геоинформационной системы. Анализ данных годовых циклов наблюдений позволяет прогнозировать состояние грунтовых вод в различных режимах и условиях эксплуатации и оценивать эффективность мероприятий по их охране.
Постановка задачи. Измерение уровня воды с помощью радиоволн возможно в сложных технологических условиях, в частности, при высоком давлении, высоких температурах без непосредственного контакта с измеряемым объектом. По сравнению с ультразвуковыми уровнемерами, радиоволны способны обеспечить большую точность измерения, обладают меньшей зоной нечувствительности, способны работать при больших давлениях в резервуаре. Радиоволновой датчик является «интеллектуальным» устройством, который имеет измерительную часть и обрабатывает полученный сигнал. Имеется интерфейс для обмена данными с компьютером. Функционирует как радиолокатор. Это позволяет минимизировать влияние различных помех, в том числе и помех, которые вызваны неровностями (волнениями) поверхности измеряемого объекта.
RF-модуль радиочастотного передатчика работает в диапазоне ультракоротких волн. Используются стандартные частоты 433МГц, 868МГц или 2,4ГГц. RF-модули работают с протоколами данных UART (RS-232) или SPI. Скорость передачи данных зависит от несущей частоты. Предлагаемый нами передатчик (модель FS1000A) состоит из двух транзисторов, модуляция сигнала амплитудная, несущая частота равна 433 МГц, стабилизирована резонатором поверхностных акустических волн (рис.1а). Плата передатчика имеет три вывода: VCC, GND для питания (3,5-12 В), вывод DATA является входом для модуляции данных, высокий логический уровень на этом выводе включает передатчик. Происходит генерация сигнала несущей частоты [19].
а) б)
Рисунок 1. Радиомодули MX-RM-5V на 433 МНz а) передатчик. б) приёмник
Приемник (модель XY-MK-5V) представляет собой сверхгенератор, на выходе которого стоит компаратор. Приемники такого типа состоят из малого количества деталей, поэтому являются очень простыми. Имеют высокую чувствительность и автоматическую регулировку усиления. Плата приемника имеет четыре вывода: VCC, GND – питание 5В, и выход в виде двух совмещенных выводов (DATA).
Рисунок 2. Принципиальная схема радиомодуля
После сборки комплекта приемник + передатчик 433MHZ может потребоваться настройка приемника (рис.2). Для этого предусмотрена подстроечная катушка L0. Для настройки необходимо включить передатчик в режим отправки сигналов с частотой модуляции несущей 2-5 Гц и проверить наличие сигнала на выходе приемника.
Принцип действия прибора заключается в следующем. Микроволновый генератор датчика уровня формирует радиосигнал, частота которого изменяется во времени по линейному закону. Этот сигнал излучается в направлении измеряемого объекта, отражается от него. Часть сигнала, через определенное время, зависящее от скорости света, возвращается обратно в антенну.
Излученный и отраженный сигнал смешиваются в датчике уровня. В результате образуется сигнал, частота которого равна разности частот принятого и излученного сигнала. Этот сигнал пропорционален времени распространения, и соответственно расстоянию от антенны до измеряемого объекта (рис3.).
Дальнейшая обработка сигнала осуществляется микропроцессорной системой датчика уровня. Точно определяется частота результирующего сигнала и выполняется пересчет ее значения в значение уровня наполнения резервуара.
Обработка сигнала в датчиках уровня, как правило, построена с применением процессоров цифровой обработки сигналов. Благодаря этому, она производится в реальном масштабе времени без длительного накопления информации.
Рисунок 3. Функционально-структурная схема автоматизированной системы мониторинга состояния подземных вод
Результаты исследований. На платформе Arduino была составлена программа управления уровнем воды в скважине. Программа загружается в микроконтроллер датчика. С помощью осциллографа получаем изменение выходного сигнала датчика во времени. На рисунке 4 показан выходной сигнал датчика на экране осциллографа в установившемся режиме (a) и в динамическом режиме (b).
Рисунок 4. Выходной сигнал датчика на экране осциллографа в установившемся режиме (a), в динамическом режиме (b)
Отраженный, а значит и результирующий сигнал, несущий в себе информацию об уровне измеряемого объекта, содержат также и различные шумовые и паразитные составляющие. Это связано с тем, что измерение производится в реальных условиях возможных волнений объекта, неполных отражений радиосигнала и его частичного поглощения поверхностью измеряемого продукта.
Поэтому результирующий сигнал подвергают спектральному анализу. Для этого полученный сигнал внутри датчика уровня оцифровывается, и преобразуется в "спектр". Далее при помощи специальных алгоритмов спектрального анализа в реальном масштабе времени фильтруются паразитные составляющие сигнала. С высокой точностью определяется частота результирующего сигнала, соответствующая уровню измеряемого объекта.
Выводы. В работе предлагается измерение уровня воды с помощью радиоволн. Для улучшения работы радарного датчика был выбран передатчик- радиомодуль типа MX-RM-5V на 433МНz, который передает информацию в режиме реального времени. Также был выбран приемник (модель XY-MK-5V), представляющий собой сверхгенератор, на выходе которого стоит компаратор. Приемники такого типа являются очень простыми. Имеют высокую чувствительность и автоматическую регулировку усиления. На основе системного анализа, связанного с разработкой автоматизированного мониторинга контроля уровня подземных вод, были решены вопросы передачи информации и устойчивости работы технологического процесса. Результирующий сигнал датчика, несущий в себе информацию об уровне измеряемого объекта, содержит различные шумовые и паразитные составляющие. Для их фильтрования выходной сигнал исследуется с помощью спектрального анализа на основе специальных алгоритмов в режиме реального времени. С высокой точностью определяется частота сигнала, соответствующая уровню измеряемого объекта.
Список литературы:
- S. R. Ubaydulayeva and A. M. Nigmatov, "Development of a Graph Model and Algorithm to Analyze the Dynamics of a Linear System with Delay," 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russia, 2020, pp. 1-6, doi: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111939.
- S. R. Ubaydullayeva, D. R. Kadirova and D. R. Ubaydullayeva, "Graph Modeling and Automated Control of Complex Irrigation Systems," 2020 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russia, 2020, pp. 464-469, doi: 10.1109/RusAutoCon49822.2020.9208076.