APARATURĂ INTELIGENTĂ ŞI INFORMAŢIONALĂ …apei în râuri şi lacuri de acumulare; suplimentar...

POSCCE – Axa prioritară 2 – 2009 – 2, Operaţiunea 2.1.2 1

Ctr. 131 / 04.06.2010 - Proiect: SEDCONTROL – Etapa 9

Etapa 9 : 2.4.1. Prezentarea şi demonstarea funcţionalităţii şi utilităţii prototipului de aparatură în cadrul unui lac de acumulare și în cadrul unui fluviu.

SINTEZĂ LUCRARE

Caracterizarea echipamentului pentru măsurarea și monitorizarea

hidrodinamicii sedimentelor și domeniul de măsurare. 1. DESTINAŢIE

Datorită procesului de colmatare, volumul util al rezervoarelor scade continuu, cu implicaţii economice grave care decurg din aceasta. Cunoşterea dinamicii acestui proces prezintă interes în primul rând la cei care exploatează lac, dar de asemenea, mai general, prin implicaţiile asupra mediului. Realizarea hărţilor batimetrice a lacurilor de baraj este la fel de veche ca şi barajele înseşi şi a fost făcută în special prin măsurarea adâncimii apei în coordonate x-y, comparând apoi aceste valori măsurate la anumite intervale de timp. Acurateţea acestor determinări, cu toate acestea, este legată de precizia de determinare a coordonatelor x-y pentru punctele de măsurare. Pentru o evaluare mai precisă a procesului de depunere, se pot face măsurători cu un instrument ataşat la unul sau câteva puncte reprezentative care transmite în timp real valorile măsurate cu o rată de eşantionare programabilă într-un anumit interval. Importanţa lacurilor de acumulare ca instrumente de gestionare a apei este bine cunoscută. Pe langa generarea de energie electrică, au următoarele funcţii: controlul inundaţiilor, alimentare cu apă, regularizarea deversărilor şi a nivelului, de navigare, de pescuit şi de agrement. Fiecare dintre aceste funcţii necesită parametri specifici legaţi de calitatea apei, nivelul şi adâncimea ei. Din motive de producere de energie, adâncimea apei este cel mai important parametru. Pornind de la harta batimetrică iniţială a lacului de acumulare, este urmarită evoluţia adâncimii apei, în scopul de a estima perioada de exploatare a acelui lac. Datorită particulelor de dimensiuni diferite de nisip, mâl şi alte materiale transportate în apă, depunerea sedimentelor porneşte de la coada lacului şi se extinde progresiv spre aval. În plus, acest model simplificat devine mai complex ca urmare a intrărilor laterale de apă. Rezultatul unei simulări este prezentat în Fig. 1. Se poate observa că distribuţia sedimentului nu este uniformă cum era de aşteptat de-a lungul frontierei lacului.



Fig. 1: Sedimentarea cumulativă considerând deversările laterale

2. DOMENIU DE UTILIZARE Aparatul pentru măsurarea şi monitorizarea hidrodinamicii sedimentelor, denumit în continuare SEDCONTROL 347.0X (X putand lua valorile 1 sau 2) este un instrument puternic pentru a măsura adâncimea apei în lacuri de acumulare cu precizie mare, de ± 1 cm. Instrumentul se plasează într-unul sau mai multe puncte fixe, eliminându-se astfel erorile de coordonate x-y. Adâncimea apei, împreună cu alţi parametri (presiune, temperatură) sunt digitalizaţi şi transmişi periodic la un punct de control situat în apropiere de baraj, unde aceste date sunt prelucrate şi prezentate într-o formă inteligibilă. Autonomia proiectată a sistemului este de un an, cu una sau două măsurători în timp real pe zi. În caz de evenimente speciale, cum ar fi inundaţiile sau alunecările de pământ, este posibil să se modifice software-ul instalat pe computerul din punctul de supraveghere, astfel că rata de eşantionare (de achiziţie) să fie mărită în conformitate cu cerinţele. 3. DESCRIERE GENERALĂ

Sistemul SEDCONTROL este disponibil în două variante, SEDCONTROL 347.01 la care senzorii sunt fixaţi pe un modul subacvatic plasat pe fundul lacului şi SEDCONTROL 347.02 la care senzorii sunt fixaţi pe un modul plutitor.

3.1 Descriere SEDCONTROL 347.01 Sistemul SEDCONTROL 347.01 este prezentat în fig. 2:



Fig. 2: SEDCONTROL 347.01

Componenţă: - modul subacvatic - poz. 1 - cablu ancorare - poz. 2 - modul plutitor - poz. 3 - modul de recepţie date - poz. 4

3.1.1 Modulul subacvatic

Fig. 3: Modulul subacvatic



Pe modulul subacvatic (fig. 3) se fixează toţi senzorii de măsurare ai parametrilor hidrodinamici, precum şi un modul electronic destinat alimentării şi achiziţiei de date de la o parte dintre aceştia, după cum se va descrie în continuare; este compus din:

- cadru - poz. 1 - element ancorare - poz. 2 - senzor ultrasonic de distanţă - poz. 3 - senzor complex de turbiditate, presiune şi temperatură - poz. 4 - emitor ultrasonic - 3 bucăţi - poz. 5 - array de receptori ultrasonici - 3 bucăţi - poz. 6 - modul electronic subacvatic - poz. 7 Cadrul 1 este realizat din profile de aluminiu tip Bosch, asigură susţinerea senzorilor

în poziţiile şi orientările dorite şi este montat solidar pe elementul de ancorare 2, care este destinat fixării ferme într-o anumită poziţie pe fundul lacului. Pentru evaluarea procesului de depunere în timp a sedimentelor se utilizează un senzor ultrasonic de distanţă 3 orientat vertical în jos şi care este montat pe un braţ orizontal la o anumită distanţă faţă de punctul de ancorare pentru a diminua perturbaţiile în înălţimea patului de sedimente introduse de sistemul de măsurare; senzorul ultrasonic se bazează pe un cristal piezoelectric care excitat electric într-un anumit fel, emite o undă acustică în domeniul ultrasonic; această undă este reflectată de patul de sedimente şi întâlneşte după un anumit timp cristalul piezoelectric, producând un semnal electric; cunoscând viteza de propagare a undei în apă, se determină distanţa dintre elementul ultrasonic fix şi patul de sedimente, rezultând evoluţia acestuia în timp; în acest caz, elementul ultrasonic este de tip emitor-receptor; rezoluţia de măsurare a acestui subsistem este limitată de lungimea de undă emisă, deci depinde de frecvenţa de lucru; el funcţionează optim în cazul unui pat de sedimente ferm, de tip nisip - pietriş, cu o bună reflectivitate. Senzorul ultrasonic utilizat este de tipul TC2024 produs de firma RESON din Danemarca (fig.4), are directivitatea frontului de undă ca în fig. 5 şi prezintă sensibilitatea la recepţie ca în diagrama din fig. 6:

Fig. 4: Senzorul ultrasonic de

distanţă TC2024

Fig. 5: Directivitatea frontului de undă

Fig. 6: Sensibilitatea la recepţie



Principalele caracteristici tehnice ale cestuia sunt:

Nr. crt

Caracteristica Valoarea

1 Frecvenţa de rezonanţă: 200 kHz ± 10 kHz

2 Sensibilitate la transmitere: 173 dB re 1µPa/V la 1 m

3 Sensibilitate la recepţie: -187 dB re 1µPa/V la 1 m

4 Impedanţă: 140 ohm ± 30 ohm

5 Unghi fascicol US ±10°

6 Adâncimea de lucru în apă: max. 30 m

7 Temperatură operare: -2 ... +30 °C

8 Masa: 2,3 kg

9 Lungime cablu de conexiune cu modulul electronic de condiţionare a semnalului:

20 m

Senzorul complex de turbiditate, presiune şi temperatură 4 (fig. 7) este de tipul AQUAlogger 210TYPT10 produs de firma AQUATEC din Marea Britanie şi conţine trei senzori: de turbiditate, temperatură şi presiune; este destinat în principal măsurării turbidităţii apei în râuri şi lacuri de acumulare; suplimentar este dotat cu un senzor de măsurare a temperaturii în apă şi cu unul pentru măsurarea presiunii hidrostatice. În carcasa comună se află şi partea de alimentare şi de condiţionare semnal, conversie analog digitală şi un dispozitiv de memorare a datelor; este însoţit de un software de prelucrare, interpretatre şi prezentare a datelor.

Fig. 7: Senzorul complex de turbiditate, presiune şi temperatură AQUAlogger 210TYPT10



Caracteristicile tehnice principale sunt următoarele:

Nr. crt.


SENZOR TURBIDITATE

1 Interval turbiditate: 0,01 ... 2500 FTU

2 Liniaritate: Deviaţie < 2 % pentru 0 - 750 FTU

3 Lungimea de undă a sursei de lumină 880 nm

4 Unghi fascicol 15 - 150 grade

SENZOR PRESIUNE

5 Tip senzor Piezo rezistiv, absolut

6 Domeniu măsurare 10 bar

7 Rezoluţie Mai bună decât 0,005% întreaga scară

8 Precizie Mai bună decât 0,2% întreaga scară

SENZOR TEMPERATURĂ

9 Tip senzor Termistor

10 Domeniu măsurare -2 - 30°C

11 Precizie ±0,05°C

12 Constantă de timp Mai bună de 5 s

CARACTERISTICI GENERALE

13 Adâncime de măsurare: Maximum 1000 m

14 Canale de intrare externe 2 canale 0-5 V

15 Comenzi Trigger extern

16 Porturi comunicaţie RS232 şi USB 1.1

17 Rată eşantionare La fiecare 1 - 255 s sau 1 - 255 min

18 Durata utilizare 1 an

19 Acumulatoare 3 x 3,6 V Lithiu tip AA

20 Software software de prelucrare, interpretatre şi prezentare a datelor

21 Dimensiuni Lungime max. 300 mm, diametru 60 mm

22 Masă 1,1 kg

În cazul în care sedimentele sunt mai puţin de tip nisip sau pietriş şi predomină cele de tip mâl, materiale organice, etc., stratul depus are o mai slabă reflectivitate în raport cu fascicolul ultrasonic emis de senzorul 3, motiv pentru care s-a optat pentru dotarea sistemului SEDCONTROL cu un sistem complementar de evaluare a depunerilor de sedimente. Acesta constă într-un emitor ultrasonic 5 (fig.8), plasat faţă în faţă cu un - array (grup) de 24 receptori ultrasonici 6, (fig. 9) dispuşi liniar pe verticală la o distanţă de 16,5 mm şi la o distanţă de cca. 850 mm faţă de emitor.



Fig. 8: Emitor ultrasonic

Fig. 9 : Array de receptori ultrasonici

Atât emitorul, cât şi receptorul au în componenţă cristale piezoelectrice cu o frecvenţă proprie de cca. 217 kHz. Cele aflate în emitor sunt excitate cu impulsuri de tensiune de 1000 V cu ajutorul unui controler aflat în modulul electronic subacvatic 7 şi emit un fascicol de unde ultrasonice care ajunge la suprafaţa receptorilor şi determină producerea unui semnal electric la bornele cristalului piezoelectric, care este preamplificat într-un circuit aflat în carcasa fiecărui receptor. Tot în acest modul 7 se află şi controlerul care primeşte şi amplifică semnalele generate de cei 24 de receptori ultrasonici, convertorul analog/digital, precum şi acumulatorul de alimentare la 12 Vcc. Principiul de măsurare se bazează pe variaţia vitezei de propagare a undelor ultrasonice în diferite medii. Pe măsură ce stratul de sedimente creşte în înălţime, receptorii ultrasonici sunt obturaţi rând pe rând, rezultând timpi de propagare diferiţi în stratul de sediment faţă de propagarea în apă. Analizând semnalele de la toţi receptorii se poate afla nivelul de sedimentare cu o rezoluţie egală cu distanţa dintre doi receptori alăturaţi, adică 16,5 mm. Pentru a extinde domeniul de măsurare, sistemul este prevăzut cu 3 emitori şi 3 array-uri montate în prelungire pe verticală, după cum se observă în fig.4.



3.1.2 Modulul plutitor

Deoarece undele radio se atenuează rapid în apă, echipamentele de emisie - recepţie wireless subacvatic se bazează pe unde din domeniul ultrasunetelor, iar la distanţe mari din domeniul infrasunetelor. În plus, atât emitorul, cât şi receptorul sunt imersate în apă, ceea ce complică lucrurile privind recepţia datelor la sol. Din acest motiv s-a ales soluţia construirii unui modul intermediar plutitor (a unei balize) 1, plasat la suprafaţa apei, deasupra modulului subacvatic - fig. 10. Transmiterea semnalelor sau a datelor de la senzori se face prin cablu până la modulul plutitor. Acesta constă într-o carcasă etanşă realizată din tablă din oţel inoxidabil sudată pe două flotoare cilindrice din acelaşi material. Această construcţie asigură stabilitate contra valurilor. Deasupra balizei se află un panou fotovoltaic 2 destinat reîncărcării acumulatoarelor situate în interiorul balizei.

Fig. 10 : Modulul plutitor

În fig. 11 s-au îndepărtat capacul balizei și panoul fotovoltaic pentru a putea vedea

componentele din interior; baliza 1 este prevazută cu un perete despărțitor median (o diafragmă), de care sunt fixate cu șuruburi o parte dintre aceste componente. Într-unul dintre compartimentele balizei se află acumulatorul 2 de 12 Vcc, modulul de încărcare al acumulatorului 3, iar în celălalt modulul de condiționare semnal și achiziție date NAVISOUND 110 – poz. 4 – corespunzător senzorului ultrasonic TC 2024, controlerul senzorului TC 2024, poz. 5 și controlerul senzorului de turbiditate TYPT10, poz. 6; în primul compartiment se mai află modulul electronic 7 care conține placa de bază și unul dintre modemurile radio pentru comunicarea cu stația fixă.



Fig. 11 : Modulul plutitor – vedere în interior

Modulul de condiționare semnal și achiziție date NAVISOUND 110 – poz. 4 arătat în fig. 12 este conectat cu traductorul ultrasonic de distanță cu un cablu cu o lungime de 20 m. Acesta poate fi pornit atât manual, de la un buton prevăzut pe panoul său frontal, cât și comandat de la distanță pentru a fi activ numai în timpul efectuării măsurătorii, în vederea limitării consumului de energie.

Fig. 12 : Modulul de condiționare semnal și achiziție date NAVISOUND 110



Caracteristicile sale sunt redate în tabelul de mai jos:

Nr. crt.


1 Număr canale: 1

2 Frecvenţa de operare: Standard 28-35 şi 190-225 kHz

3 Puterea: 300 W

4 Impedanţa: 100 ohm

5 Domeniul de măsurare al distanţei: 0,5 - 400 m

6 Rezoluţia de măsurare: 1 cm

7 Traductor compatibil: Traductor comercial în domeniul de frecvenţă indicat

8 Comandă: De la distanţă prin RS232

9 Temperatura de operare: 0 ... 45 °C

10 Alimentare: 11-28 Vcc

11 Curent max. absorbit la pornire: 7-8 A la 12 VCC

12 Dimensiuni: 216 x 306 x 82 mm

13 Masă: 4 kg

14 Cabluri de conexiune (alimentare şi comunicare cu PC-ul)

Asigurate de furnizor

15 Software de instalare (drivere) Asigurate de furnizor

3.1.3 Cablul de ancorare Modulul subacvatic și modulul plutitor sunt legate între ele prin intermediul unui cablu de

tracţiune numit cablu de ancorare în lungime de 18 m. 3.1.4 Modulul de recepţie date

Modulul de recepţie date - fig. 13 - cuprinde modemul radio 1 pereche al celui amplasat pe modulul plutitor, modem care comunică prin cablu tip RS232 cu laptopul de teren 2, la care este conectat modemul GPRS poz. 3. Pe acesta se află instalate programele de achiziţie, prelucrare şi prezentare date. Programul aplicativ permite modificarea ratei de eşantionare a măsurătorilor (frecvenţei acestora).



Fig. 13 : Modulul de recepţie date

Laptopul de teren este un produs robust, rezistent la şocuri, protejat la praf şi umiditate cu

ajutorul unei carcase speciale și este de tip Panasonic CF-31. Caracteristicile tehnice ale acestuia sunt redate în tabelul de mai jos:

Nr. crt. Caracteristica Valoarea

Memorie RAM

1 Capacitate memorie: 4096 MB

2 Tip memorie: DDR2 667MHz/PC2-5300

3 Capacitate HDD: 160 GB

Video

4 Diagonala: 13.3"

5 Rezoluţie: 1024x768

6 Tip display: LCD

7 TouchScreen: Ecran sensibil la atingere

Comunicatii

8 Retea cu Fir: Gigabit Ethernet(10/100/1000Mbs)

9 Modem inclus: Da

10 Retea Wireless: 802.11a/b/g/n

11 Bluetooth: Da

Conectivitate

12 USB (total porturi): 3 x USB

13 PC Card: 1 x Type II PC Card

14 ExpressCard: 1 x ExpressCard 34/54 slot

15 Serial: 1 x Port Serial

16 Autonomie: Minimum 8 ore

Caracteristici Fizice

17 Masa: Maximum 5 kg

18 Rezistenta la socuri: Minimum 6 g

19 Clasa de protecţie la patrunderea particulelor solide si lichide

IP65

http://www.evomag.ro/vizualizare_cuvant.php?idcuvant=139







3.2 Descriere SEDCONTROL 347.02 Pentru cazurile în care nu se pretează utilizarea modulului subacvatic descris la pag. 5, se poate utiliza modelul SEDCONTROL 347.02, fig. 14:

Componenţă: - modul plutitor - poz. 1 - cablu ancorare - poz. 2 - element ancorare - poz. 3 - modul de recepţie date - poz. 4

Fig. 14 : SEDCONTROL 347.02

3.2.1 Modulul plutitor Modulul plutitor pentru modelul SEDCONTROL 347.02 (fig. 15) constă în modulul

plutitor de la modelul SEDCONTROL 347.01 poz. 1, descris la pag. 9 pe care se fixează un suport din profile de aluminiu 2, pe care la rândul lor sunt montați senzorul ultrasonic de distanță TC 2024, poz. 3 și senzorul de turbiditate, presiune și temperatură TYPT10, poz. 4.



Fig. 15 : Modulul plutitor pentru modelul SEDCONTROL 347.02

Pentru a menține modulul plutitor într-o zonă prestabilită, aceasta se ancorează cu un

cablu de ancorare (poz. 2 din fig. 14), legat la un element de ancorare plasat pe fundul lacului (poz. 3 din fig. 14). Elementul de ancorare este realizat din beton, are masa de cca. 20 kg, iar lungimea cablului se alege cunoscând în prealabil adâncimea apei în acel punct.

3.2.1 Modul de recepţie date Este identic cu cel descris în paragraful 3.1.4, pag. 10.



3.3 Arhitectura sistemului SEDCONTROL 347.01 Arhitectura sistemului SEDCONTROL 347.01 este redată în fig. 16:

Fig. 16 : Arhitectura sistemului SEDCONTROL 347.01

Funcţiuni:

monitorizează nivelul de sediment din interiorul unui lac de acumulare

monitorizeaza concentraţia de impurităţi din apă

transmite către un server GPRS înregistrările obţinute



Compunere:

Echipamentul care măsoară adâncimea

Controlerul echipamentului de măsurare a adâncimii

Echipamentul care măsoara concentraţia de sediment din apa (turbulenţa)

Controlerul echipamentului de masurare a turbulenţei

Placa de bază a sistemului

Modulul GPRS

Descriere componente

A) Echipamentul de măsurare a adâncimii

Acest echipament măsoară distanţa de la suprafaţa apei până la nivelul de sediment. Cunoscând adâncimea lacului de acumulare, prin diferenţa, se determină nivelul de sediment depus pe fundul lacului.

B) Controlerul echipamentului de măsurare a adâncimii

Controlerul echipamentului de măasurare a adâancimii este conectat la echipamentul de măsurare a adâncimii printr-o comunicaţie serială (standardul RS232) fiind capabil sa transmită o serie de comenzi ţi interogări pentru aflarea parametrilor de stare şi pentru extragerea informaţiilor cu privire la adâncimea apei. Totodată controlerul echipamentului de măsurare a adâncimii este conectat la placa de bază printr-o comunicaţie serială (standardul RS232) furnizând mai departe informaţiile primite.

Deoarece intregul sistem este alimentat de la un acumulator încărcat de un panou solar, consumul eficient de energie este foarte important. Prin urmare o restricţie impusă controlerului echipamentului de măsurare a adâncimii este aceea de gestiune a consumului de energie. Echipamentul de măsurare a adâncimii este cuplat doar în momentul în care se doreşte măsurarea adâncimii, urmând ca după culegerea de informaţii utile acesta să fie decuplat.

Controlerul echipamentului de măsurare a adâncimii transmite un mesaj către placa de bază atât la începerea procesului de achiziţie de date, cât şi la finalul acestuia.

Placa de bază poate interoga controlerul echipamentului de măsurare a adâncimii doar pentru a afla ultima valoare înregistrată a adâncimii fără a comanda o noua achiziţie de date.

C) Echipamentul de măsurare a turbidităţii

Echipamentul de măsurare a turbidităţii măsoară concentraţia de sediment din apă putând astfel să se faca o estimare a nivelului de sediment pentru urmatoarea perioadă. Echipamentul de măsurare a turbulenţei este conectat la controlerul echipamentului de măsurare a turbulenţei printr-o comunicaţie serială (standardul RS232) pentru a furniza informaţii cu privire la parametrii de stare şi cu privire la concentraţia de sediment din apă.



D) Controlerul echipamentului de măsurare a turbulenţei

Controlerul echipamentului de măsurare a turbulenţei este conectat la echipamentul de măsurare a turbulenţei şi la placa de bază prin comunicaţii seriale (standard RS232) fiind capabil să transmită comenzi şi raspunsuri de stare către cele două echipamente cu scopul de afla concentraţia de sediment din apă.

E) Placa de bază

Placa de bază este cel mai important modul al sistemului, fiind un nod de comunicaţii între echipamentele de masură şi modulul GPRS.

Placa de bază dispune de un microcontroler cu două comunicaţii seriale, una fiind folosită pentru a comunica cu modulul GPRS, iar cea de-a doua fiind multiplexată între cele două controlere ale echipamentelor de măsura.

Modulul radio este dotat cu un emiţător şi cu un receptor având la dispoziţie o singură antenă, rezultând astfel o comunicaţie half duplex între placa de bază şi modulul GPRS.

F) Modulul GPRS

Modulul GPRS este capabil să tansmită interogări către placa de baza şi să interpreteze mesajele primite de la aceasta cu scopul de a le expedia mai departe către un server GPRS. Funcţia de teletransmisie de date este asigurată de microcontrolerul din compunerea modululului GPRS în conjuncţie cu un modem GPRS.

4 CARACTERISTICI TEHNICE PRINCIPALE Principalele caracteristici tehnice ale diverselor subansambluri sunt:

Nr. crt.


1 Rezoluţia de măsurare a grosimii stratului de sediment cu ajutorul senzorului ultrasonic de distanţă:

1 cm

2 Domeniul de măsurare al distanţei: 0,5 - 100 m

3 Domeniu măsurare turbiditate: 0,01 ... 2500 FTU

4 Domeniu măsurare presiune: 10 bar

5 Domeniu măsurare temperatură: -2 ...+30 °C

6 Adâncimea de amplasare a modulului subacvatic (model SEDCONTROL 347.01):

Max. 20 m

7 Puterea: 300 W

8 Masă modul subacvatic (model SEDCONTROL 347.01):

176 kg

9 Masă modul plutitor (model SEDCONTROL 347.01):

71 kg



10 Masă modul plutitor (model SEDCONTROL 347.02):

76 kg

11 Masă element ancorare: 20 kg

12 Masă staţie recepţie date: 4 kg

13 Masă totală (model SEDCONTROL 347.01):

262 kg

14 Masă totală (model SEDCONTROL 347.02):

91 kg

15 Autonomie energetică: 1 an

16 Domeniu de temperatură: -10 ... +50 °C

APARATURĂ INTELIGENTĂ ŞI INFORMAŢIONALĂ …apei în râuri şi lacuri de acumulare; suplimentar...

Documents

Transcript of APARATURĂ INTELIGENTĂ ŞI INFORMAŢIONALĂ …apei în râuri şi lacuri de acumulare; suplimentar...