Устройство для измерения профиля температуры

Полезная модель относится к устройствам для измерения температурного поля в различных средах: воздухе, воде, скважинах, грунте и сыпучих материалах, и может быть использована для оперативного и долговременного измерения, например, профиля температуры воды в условиях морского шельфа. Устройство включает термогирлянду, выполненную на базе цифровых термодатчиков интегрального исполнения, соединенную с герметичным контейнером, содержащим блок регистрации. Датчики расположены на кратном интервале по длине грузонесущего кабеля, что позволяет избежать избыточности датчиков при большой длине гирлянды и, в то же время, укладывая параллельно ее участки, увеличить плотность расположения датчиков, сохранив кратность интервала между ними. Защитная оболочка кабеля и герметизация термодатчиков выполнены из однородных по физическим свойствам материалов, сохраняющим гибкость в широком диапазоне температур. Блок регистрации содержит микроконтроллер, энергонезависимую память для хранения данных, устройство синхронизации, драйвер цифровой линии и радиомодуль. Устройство позволяет наращивать длину термогирлянды и, помимо основных температурных датчиков, подключать к термогирлянде вспомогательные, обеспечивающие, например, измерение давления, солености, мутности и т.п. Устройство работает не только в режиме записи-хранения данных в блоке регистрации, но и в режиме передачи данных по кабелю и/или радиоканалу. Устройство является малогабаритным, недорогим, удобным в эксплуатации в любых метеоусловиях и сезонах года и допускает его размещение и переустановку в процессе работ в исследуемой среде без специальных приспособлений и механизмов.

Полезная модель относится к устройствам для измерения профиля температуры в водоемах, скважинах и морской среде, и может быть использована для оперативного и долговременного измерения вертикального профиля температуры воды в условиях морского шельфа.

Распределение температуры морской воды по глубине (вертикальный профиль) является характеристикой, имеющей важное прикладное значение и предметом наблюдения, в частности, в океанологических исследованиях, особенно на шельфе. Акватории морского шельфа отличаются высокой динамикой температуры среды, что связано с процессами энергообмена в приповерхностном слое, перемещениями масс воды, воздействием поверхностных и внутренних волн, процессами образования и таяния льда и т.п. Эти же акватории являются объектом технической, рыбохозяйственной деятельности и зоной марикультуры, они в наибольшей степени подвержены экологическому стрессу. Именно здесь возникает объективная необходимость развития сети наблюдений с возможностью регулярного измерения температуры среды, которая дает важную информацию для океанологов, экологов, биологов, технических специалистов морских инженерных сооружений.

Вертикальное профилирование выполняется, в основном, с использованием температурных зондов, опускаемых с борта плавсредства, одноразовых обрывных зондов, автономных устройств, совершающих периодическое погружение и всплытие, а также с использованием распределенных по вертикали в водном слое температурных датчиков и промышленно выпускаемых СТД-зондов (измерители солености, температуры и давления). Но СТД-зонды требуют интенсивного использования плавсредств, причем выполнение измерений зачастую оказывается невозможным по метеоусловиям или малопроизводительным, особенно при изучении пространственно-временной динамики среды на шельфе.

Ценную информацию дают методы длительного наблюдения температуры в ключевых точках акватории, которые осуществляются устройствами в виде распределенных кабелей-датчиков (или термогирлянд с точечными датчиками), способными давать информацию в реальном времени, или с заданным интервалом в режиме записи-хранения данных, при этом особое значение имеет возможность оперативной передачи данных в пункт наблюдения.

Несмотря на то, что термогирлянды в сравнении с СТД-зондами позволяют получать более полную информацию о динамике температуры, в том числе в сложных метеоусловиях, их ограниченное применение связано с недостаточными эксплуатационными характеристиками устройств, дороговизной и отсутствием надежной метрологической базы. Развитие средств радиоэлектроники, цифровых технологий, появление надежных и качественных датчиков интегрального исполнения, способствуют преодолению недостатков, присущих такого рода устройствам.

Известна цифровая термогирлянда АДТ-01И, предназначенная для недолговременного периодического мониторинга состояния мерзлого грунта при проведении изыскательских и строительных работ.Защитная оболочка несущего кабеля диаметром 5 мм выполнена из поливинилхлорида (http://www.geolink.ru/products/geotech/adt-01i.html).

Однако данная термогирлянда не может работать в морских условиях, не имеет беспроводного канала связи для передачи данных, поступающих от датчиков устройства. Кроме того, несущий кабель термогирлянды имеет защитную оболочку из поливинилхлорида, т.е. из материала, теряющего гибкость на холоде, что снижает эксплуатационные характеристики термогирлянды при отрицательных температурах и в ледовых условиях.

Известно техническое решение по патенту RU 2448335 C2 «Термокоса», где в целях снижения времени термической реакции, повышения точности измерения и надежности, а также возможности расширенного диапазона использования, датчики температуры, или цифровые датчики совместно с электронными компонентами размещены на печатной плате в отдельном защитном металлическом корпусе или защитной полимерной оболочке, которая может быть кремнеорганической, поливинилхлоридной, политетрафторэтиленовой, резиновой, или полиэтиленовой. В качестве объекта для использования термокосы могут быть трубопроводы, протяженные объекты, например, любые скважины в различных грунтах, как в мерзлых, так и в промерзающих и протаивающих, при этом защитные корпуса датчиков используются для обеспечения герметичности термоподвески в условиях повышенной пыли и влаги.

Таким образом, снижение времени термической реакции, обеспечиваемое заявленным техническим решением, имеет отношение только к условиям отсутствия конвекции в контролируемой среде, а само устройство не работает в морской среде или пресноводных водоемах, где предъявляются более высокие требования к скорости реакции датчиков на изменения температуры ввиду высокой динамики среды и к более надежной герметизации элементов термогирлянды.

Известно устройство модульной цифровой гирлянды T-Chain (Temperature String) типа 420T8 (http://www.pme.com/HTML%20Docs/TChainSlide.html). Цепочка датчиков температуры размещается на грузонесущем кабеле из полиуретана. Длина зависит от числа последовательно стыкуемых модулей (секций термогирлянды) по 8 датчиков в модуле, а подключаемый к термогирлянде логгер (устройство управления и передачи данных) позволяет подключить последовательно 3 модуля и сформировать термогирлянду длиной 24 м с интервалом между датчиками 1 м.

Недостатком, снижающим его эксплуатационные характеристики, является недостаточная для глубин шельфа длина термогирлянды, и то, что датчики располагают на кабеле совместно с электронными элементами преобразования и оцифровки сигнала, герметизируя их общим блоком, что существенно увеличивает диаметр и массу участка подключения датчика к несущему кабелю. Следствием является увеличение теплоемкости участка гирлянды, примыкающей к датчику, неизбежно приводящее к увеличению постоянной времени элементов термогирлянды (времени реакции термогирлянды на изменение температуры).

Недостатком также является отсутствие беспроводного канала связи, который обеспечивал бы наблюдения в реальном времени, а установка дополнительных коммуникационных модулей и других комплектующих для этой цели, с учетом необходимого увеличения длины термогирлянды, в итоге усложняет и удорожает конструкцию, снижает ее эксплуатационные характеристики.

Наиболее близким к заявляемому устройству по техническим решениям и характеристикам является устройство вертикального профилирования «Автономный цифровой комплекс измерения распределенной температуры», предназначенное для мониторинга поля температуры в море. В состав комплекса входит термогирлянда, измерительная часть которой выполнена на базе цифровых интегральных термодатчиков (Dallas Semiconductor DS18B20), расположенных с равным интервалом на грузонесущем кабеле, соединенным с блоком регистрации, расположенном в герметичном контейнере. Блок регистрации включает микроконтроллер, энергонезависимую память для хранения данных, устройство синхронизации по времени и блок питания. Синхронизацию внутренних часов и запись координат осуществляют по данным GPS-приемника. (Приборы и техника эксперимента, 2011, 3, с. 162-163).

Недостатком комплекса являются недостаточные эксплуатационные характеристики, в том числе отсутствие возможности оперативного получения информации от устройства в процессе работы.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение заключается в повышении эксплуатационных характеристик термогирлянды.

Поставленная задача решается устройством для измерения профиля температуры, включающим термогирлянду, выполненную на базе цифровых термодатчиков интегрального исполнения, расположенных на кратном интервале по длине грузонесущего кабеля, соединенного с герметичным контейнером, содержащим блок регистрации с микроконтроллером, энергонезависимой памятью для хранения данных, устройством синхронизации, блоком питания и дополнительно оснащенный драйвером цифровой линии и радиомодулем, при этом диаметр кабеля сопоставим с диаметром термодатчика, а герметизация термодатчиков и защитная оболочка кабеля выполнены из однородных по физическим свойствам материалов.

Оборудование заявляемого устройства двумя дополнительными средствами оперативного получения информации - радиомодулем для осуществления беспроводной связи и цифровой линией связи по кабелю, применение грузонесущего кабеля, диаметр которого сопоставим с размером цифрового термодатчика, а также выполнение герметизации термодатчиков и защитной оболочки кабеля из однородных по физическим свойствам материалов, позволяет решить поставленную задачу повышения эксплуатационных характеристик за счет обеспечения всесезонной и долговременной эксплуатации, оперативности получения данных, снижения массогабаритных характеристик термогирлянды, что приводит к снижению ее теплоемкости и, следовательно, повышению скорости термической реакции термогирлянды.

Применение цифровых датчиков температуры интегрального исполнения, например, типа DS18B20, как в прототипе, обусловлено их миниатюрными габаритами и массой, что совместно с установкой датчиков на кабеле малого диаметра и предлагаемым выполнением герметизации установленных на грузонесущем кабеле термодатчиков и защитной оболочки используемого кабеля из материалов, однородных по физическим свойствам, снижает теплоемкость участков с герметизированными датчиками и обеспечивает малую тепловую инерционность термогирлянды, что является одной из важных технических характеристик заявляемого устройства. В условиях использования термогирлянды при отрицательных температурах целесообразно использование в качестве такого материала, например, резины или полиуретана и полиуретановых герметиков или компаундов, сохраняющих эластичность и гибкость в широком температурном диапазоне.

Интервал между термодатчиками на кабеле устанавливают кратным (не обязательно равным) минимально требуемому задачей измерений, что позволяет повысить эффективность использования термогирлянды при изменении задач и глубин исследования, а именно, появляется возможность сократить количество датчиков на гирлянде большой длины, а на глубинах, меньших длины гирлянды, увеличить плотность расположения датчиков, что в итоге позволяет измерить вертикальный профиль температуры более подробно не заменяя гирлянду.

Термогирлянда может быть выполнена составной и включать нескольких секций произвольной длины, причем максимальная общая длина ограничена техническими возможностями используемого в составе регистрирующего блока микроконтроллера, но, например, для большинства глубин шельфа она составляет величину до 150 м. В этом случае на конце секции термогирлянды устанавливают герморазъем, служащий для стыковки дополнительных секций, а также при необходимости дополнительные герморазъемы для подключения вспомогательных цифровых датчиков, например, датчиков давления, обеспечивающих контроль колебаний уровня моря в точке постановки гирлянды и глубину погружения ее отдельных секций. Для вертикальной постановки гирлянды один из ее концов снабжают средством для присоединения груза.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства, где 1 - измерительная часть термогирлянды, 2 - блок регистрации, 3 - пункт приема и обработки данных.

Устройство работает следующим образом.

Термогирлянда подключается к термоконтейнеру, имеющему герморазъемы для подключения радиоантенны, кабеля связи или компьютера пункта приема. Компьютер используется для установки режимов работы устройства и считывания и обработки данных. Крышка термоконтейнера может быть снабжена иллюминатором для светодиодного индикатора контроля режимов работы устройства.

При проведении измерений в море термогирлянде придают вертикальное положение в воде и, в зависимости от решаемой задачи, условий и способа постановки, термоконтейнер с блоком регистрации (2) устанавливают на поверхностном буе, на льду или на дне. В последнем случае для передачи данных по радиоканалу используется дополнительный радиомодуль, который располагают на поверхности и подключают кабелем к термоконтейнеру перед его постановкой под водой на грунте.

Блок регистрации (2) устройства работает следующим образом. Микроконтроллер дает общую команду на срабатывание всех датчиков и последовательно считывает значения температуры из внутреннего регистра каждого датчика. Каждый датчик имеет свой уникальный идентификационный номер, хранящийся в его внутренней памяти, поэтому обращение к каждому датчику авторизовано, откликается только тот датчик, который имеет в запросе свой идентификатор. Разрядность значения температуры и скорость считывания определяются конкретной моделью датчика. То же относится и к дополнительно подключаемым вспомогательным датчикам в случае их размещения в измерительной части термогирлянды.

Микроконтроллер считывает ASCII-код температуры с датчиков, преобразует в двоичное представление, сохраняет результаты в память Data Flash и выводит в COM-порт персонального компьютера по проводной линии и/или по радиоканалу. Сохраненные в памяти данные могут быть переданы на ПК многократно в режиме «Чтение памяти». Таким образом, считывание данных может осуществляться различными способами: по кабелю, радиоканалу и подключением компьютера непосредственно к блоку регистрации.

Заявляемое устройство было реализовано на базе грузонесущего кабеля КМГПЭУГ 4×0,5-5,0 в защитной оболочке из полиуретана. Длина секции составляла 50 м. На кабеле с интервалом, кратным 0,5 м, подключено по схеме 1-wire 22 цифровых датчика температуры DS18B20 (Dallas Semiconductor). Тип корпуса датчиков - ТО-92. Датчики прижаты к защитной оболочке кабеля и герметизированы полиуретановым герметиком, при этом участок герметизации имеет веретенообразную форму на длине 60 мм при максимальном диаметре 12 мм. На донном конце термогирлянды через герморазъем был подключен цифровой датчик давления, дающий информацию об изменении глубины в результате приливно-отливных явлений.

Блок регистрации, содержащий плату с электронными компонентами размером 60×100 мм и аккумуляторную батарею, размещен в герметичном корпусе диаметром 180 мм и высотой 140 мм.

Реализация радиоканала термогирлянды была проработана на микросхемах серии CC1101 (Texas Instr., USA), на радиомодулях ALPHA-RX(TX)-433 (Taiwan) и на маломощных УКВ-радиостанциях типа MR-160 (Voxtel, China), работающих в общедоступном частотном диапазоне.

Пункт приема и обработки данных размещался в лабораторном помещении.

Устройство применялась при проведении комплексных гидрофизических исследований на акваториях залива Петра Великого в летне-осенний и зимний периоды 2013 года для контроля вертикальных профилей температур. На фиг. 2 приведен пример постановки термогирлянды с кратным 0,5 м интервалом расположения 22 датчиков на глубине 18 м на кабеле (а), и представления результатов измерений (б). Фрагмент результатов измерения температурного поля, представлен изолиниями одинаковых температур и наложенными на рисунок вертикальными профилями температуры для этого же времени.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет создать высокоточную, малогабаритную, недорогую и удобную в эксплуатации цифровую термогирлянду для синхронного измерения поля температур в различных условиях, в том числе в условиях морского шельфа. Устройство допускает его размещение и переустановку в процессе работ в исследуемой среде без специальных приспособлений и механизмов и эксплуатацию в любых метеоусловиях и сезонах года.

1. Устройство для измерения профиля температуры, включающее термогирлянду, выполненную на базе цифровых термодатчиков интегрального исполнения, расположенных на кратном интервале по длине грузонесущего кабеля, соединенного с герметичным контейнером, содержащим блок регистрации, включающий микроконтроллер, энергонезависимую память для хранения данных, устройство синхронизации, блок питания и дополнительно оснащенный драйвером цифровой линии и радиомодулем, при этом диаметр кабеля сопоставим с диаметром термодатчика, а защитная оболочка кабеля и герметизация термодатчиков выполнены из однородных по физическим свойствам материалов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что защитная оболочка кабеля и герметизация термодатчиков выполнены из полиуретана и полиуретановых герметиков или компаундов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термогирлянда дополнительно оборудована герморазъемами для вспомогательных датчиков.

РИСУНКИ