RU155829U1 - Многоканальное устройство для измерения температуры льда - Google Patents

Abstract

Многоканальное устройство для измерения температуры льда, включающее измерительный блок и соединенный с ним посредством кабеля связи регистрирующий блок, расположенный в приборном контейнере и содержащий блок питания, микроконтроллер, энергонезависимую память для хранения данных, устройство синхронизации, драйвер цифровой линии, отличающееся тем, что измерительный блок выполнен в виде термощупов, на торце которых установлены цифровые термодатчики интегрального исполнения, подключенные параллельно по схеме 1-wire к сигнальному проводу кабеля связи, соединенному с микроконтроллером регистрирующего блока, содержащего также радиомодуль, при этом диаметр термощупа сопоставим с диаметром термодатчика, защитная оболочка кабеля и герметизация термодатчиков выполнены из морозостойких и однородных по физическим свойствам материалов, имеющих светоотражающее покрытие, а в качестве устройства синхронизации установлены часы реального времени.

Description

Полезная модель относится к термометрии, а именно, к устройствам для измерения температуры льда как непосредственно на акватории бухт и заливов, так и в подготовленном ледовом керне. Информация о распределении температуры во всей толще ледового покрова (или вырезанного из него керна) позволяет получить представление о теплофизических свойствах льда в районе проведения измерений, о процессах его развития и разрушения, что необходимо для гидрологов, океанологов, проектировщиков, инженеров и эксплуатационщиков морских инженерных сооружений.

Известно устройство для измерения профиля температуры в водоемах, скважинах и морской среде (п. РФ №139660 U1). Устройство представляет собой 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 оснащено драйвером цифровой линии и радиомодулем. Недостатком данного устройства является сложность, а зачастую и невозможность, измерения вертикального профиля температуры ледового покрытия непосредственно на акватории и в ледовом керне ввиду особенностей конструкции термогирлянды, которая допускает ввод термодатчиков в керн или глухую скважину только укладкой кабеля петлями, что при радиусе изгиба кабеля, составляющем величину не менее 20-30 мм, потребовало бы выполнения в керне льда отверстий диаметром не менее 40-60 мм. Такой размер отверстия при неизбежном заполнении его воздухом наружной температуры привел бы к недопустимо высокой погрешности измерений, а также к снижению разрешающей способности измерения профиля температуры из-за сокращения возможного количества точек контроля по длине керна.

Известны приборы для полевых измерений температуры мерзлых грунтов ЭТ-1 и ЭТ-2, сконструированные Ленгипротрансом (http://www.lgt.ru/index.php). Приборы позволяют проводить температурный каротаж с любым шагом в зависимости от требуемой детальности, но только в специально оборудованных для температурных замеров скважинах.

Для геотермических исследований в инженерно-геологических скважинах глубиной до 30 м, а также поверхностных и подземных вод в условиях вечной мерзлоты сконструировано и внедрено электронное устройство ЭТ-3 (http://www.complexdoc.ru/ntdpdf/549246/metodicheskie_rekomendatsii_po_opredeleniyu_fiziko-mekhanicheskikh_svoistv.pdf). Устройство отличается от существующих термометров и низкотемпературных приборов тем, что оба диапазона (±20, ±10°C) рассчитаны на измерение температуры от минусовых до плюсовых значений с нулем посредине шкалы стрелочного индикатора. Устройство имеет линейную шкалу, которая дает возможность делать отсчет температур непосредственно в градусах по Цельсию без дополнительного пересчета электрических параметров. Диапазон ±10°C используется для более точных измерений около нулевых температур. Измерения температуры могут быть выполнены с точностью 0.1°C.

Недостатком данных устройств является невозможность измерения температуры в ледовом керне.

Наиболее близким к заявленному решению является автономный измеритель температуры в толще льда, выполненный в виде зонда, соединенного посредством кабеля с регистрирующим блоком, расположенном в приборном контейнере и содержащим блок питания, коммутатор, АЦП, микроконтроллер, память, таймер для синхронизации работы функциональных модулей и задания интервалов измерений. Температурный зонд представляет собой заполненную трансформаторным маслом пластиковую трубку, в которой равномерно расположены 8 датчиков температуры (терморезисторы), многожильным кабелем подключенные к регистратору (Физическая мезомеханика, №1, т. 10, 2007, с. 88) (http://cyberleninka.ru/article/n/temperaturnyy-rezhim-lda-oz-baykal-i-svyazannye-s-nim-vnytrennie-napryazheniya-i-smescheniya-v-ledyanoy-plite#ixzz3VfTpwwEO).

Сигналы от температурных датчиков через коммутатор поступают на аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер (однокристальная микроЭВМ), управляющий как работой амплитудно-цифрового преобразователя, так и операциями по переключению датчиков, записью результатов в память и обменом информацией с внешней ЭВМ. К недостаткам устройства можно отнести низкую частоту измерений, необходимость регулярной калибровки температурных датчиков, в силу конструктивных особенностей невозможность работы с ледовыми кернами и высокие массогабаритные параметры, а также отсутствие привязки события к реальному времени.

Задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в разработке устройства для проведения не только оперативных и долговременных измерений температуры льда, но и определения профиля температуры как во льду, так и извлеченном из него керне.

Технический результат состоит в снижении массогабаритных параметров устройства.

Поставленная задача решается заявляемым устройством, которое включает измерительный блок и соединенный с ним посредством кабеля связи регистрирующий блок, расположенный в приборном контейнере, при этом измерительный блок выполнен в виде термощупов, на торце которых установлены цифровые термодатчики интегрального исполнения, подключенные

2

параллельно по схеме 1-wire к сигнальному проводу кабеля связи, соединенному с микроконтроллером регистрирующего блока, содержащего также энергонезависимую память для хранения данных, часы реального времени, блок питания, а также драйвер цифровой линии и радиомодуль, при этом диаметр термощупа сопоставим с диаметром термодатчика, а защитная оболочка кабеля и герметизация термодатчиков выполнены из морозостойких и однородных по физическим свойствам материалов, имеющих светоотражающее покрытие.

В качестве датчиков интегрального исполнения возможно использование любых приемлемых для конкретных условий цифровых датчиков температуры в зависимости от требуемой точности, быстродействия, рабочего диапазона и типа корпуса, например, датчики фирм Analog Device (серия ADT), Dallas Semiconductor (серия DS), Texas Instruments (серия TMP). Использование цифровых датчиков позволило сократить массогабаритные параметры, упростить конструкцию измерительного блока.

В качестве морозостойких материалов для кабеля и одновременно в качестве герметика для термодатчиков возможно использование таких материалов, как например, резины, полиуретана и полиуретановых герметиков или компаундов, сохраняющих эластичность и гибкость в широком температурном диапазоне, что обеспечивает механическую прочность и герметичность измерительного блока, в том числе в условиях отрицательных температур воздуха и морской воды, что совместно со светоотражающим покрытием обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик устройства.

Светоотражающее покрытие может быть в форме светоотражающей пленки, скотча, фольги, или нанесено способом окраски светоотражающим составом, который может быть изготовлен, например, на основе прозрачных лакокрасочных смесей с добавкой светоотражающего пигмента. Например, возможно использование флуоресцентной краски-спрея "New Ton" (ООО «Константа Лимитед», Киев) - эмаль на синтетической основе, обеспечивающая окрашенной поверхности светоотражающие свойства. Для обеспечения дополнительной защиты и усиления светоотражающего блеска флуоресцентная эмаль покрыта бесцветным лаком.

На Фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства, где 1 - измерительный блок, 2 - регистрирующий блок, 3 - термощупы, 4 - микроконтроллер, 5 - память, 6 - часы реального времени, 7, 10 - драйвер цифровой линии; 8, 11 - радиомодуль, - 9 - блок питания.

На Фиг. 2 - общий вид устройства.

На Фиг. 3 - график вертикального распределения температуры в керне.

Заявляемое устройство включает измерительный (1) и регистрирующий (2) блоки. Измерительный блок (1) состоит из датчиков интегрального исполнения, находящихся на торцах щупов, количество которых определяется поставленной

3

задачей исследования, и кабеля связи. Датчики параллельно подключены по схеме 1-wire к общему сигнальному проводу кабеля связи (Фиг. 1). В отличие от прототипа, используемый кабель связи содержит только три проводника - сигнальный, питания и общий. Датчики термощупов (3) позволяют использовать один провод и для питания, и в качестве информационного, но для повышения надежности и помехозащищенности целесообразно разделение питания и информации по разным проводникам. Предлагаемая конструкция измерительного блока позволяет варьировать количеством используемых датчиков, снижает массогабаритные параметры термощупов и устройства в целом.

Регистрирующий (2) блок устройства состоит из микроконтроллера (4), памяти DataFlash (5), часов реального времени (6), драйвера цифровой линии (7, 10), радиомодуля (8, 11), собранных на электрической плате, блока питания (9), установленных в приборном корпусе. Считывание информации и передача данных по беспроводному каналу обеспечивается через последовательный порт компьютера (10) и приемопередатчик радиоканала через радиомодуль (8, 11), обеспечивающий беспроводной канал связи с внешним компьютером.

В отличие от прототипа, где таймер выполняет функции синхронизации работы функциональных модулей и дискретизации измерений, часы реального времени (6), установленные в заявляемом устройстве, помимо функций указанных в прототипе, также производят привязку серии измерений к локальному (местному) времени с фиксацией в памяти времени каждого кадра и обеспечивают дополнительные сервисные функции, например, включение/выключение устройства по заданному локальному времени (отложенное включение).

Сигнальный провод кабеля связи подключен к порту ввода-вывода микроконтроллера (4). Каждый датчик на термощупах (3) имеет свой уникальный лазерный идентификационный номер, хранящийся в его внутренней памяти. Микроконтроллер (4) дает общую команду на срабатывание всех датчиков и последовательно считывает значения температуры из внутреннего SCRATCHPAD-регистра каждого датчика. Обращение к каждому датчику авторизовано и откликается только тот датчик, который имеет в запросе свой идентификатор. Разрядность значения температуры может по выбору варьироваться от 9 до 12. Время преобразования датчика зависит от выбранного значения разрядности температуры и при 12-разрядном преобразовании равно 0.75 сек. Динамический диапазон измерения температуры определяется типом используемого датчика. Например, для датчика DS18B20 он находится в пределах от -55°C до +125°C. Наилучшее значение точности измерения температуры, которое достигается при 12-разрядном преобразовании, составляет ±0.0625°C и находится в диапазоне температур от -10°C до +25°C. Микроконтроллер считывает ASCII-код температуры с датчиков, преобразует в двоичное

4

представление, сохраняет результаты в память DataFlash и передает в компьютер по проводной линии и/или по радиоканалу.

Устройство работает следующим образом. При измерении профиля температуры льда щупы измерительной части устройства располагают с заданным интервалом и глубиной в пробуренном во льду глухом отверстии-скважине, используя для этого штангу или отвес. Отверстие закрывают сверху теплоизолирующей пробкой для устранения в его полости эффекта конвекции воздуха. Щупы по кабельной линии подключают к регистрирующей части, где результаты измерений температуры сохраняют в память и передают в компьютер по проводной линии и/или по радиоканалу. Для долговременных измерений термощупы могут быть вморожены в образующийся ледовый покров. В качестве штанги могут использоваться стержни или трубки их материалов низкой теплопроводности (например, пенопласт высокой плотности), отвес может быть из полиамидной лески с теплоизолированным грузом.

Для измерения температуры в ледовом керне на его боковой поверхности с необходимым интервалом по измерительному шаблону (кондуктору) сверлят глухие отверстия глубиной 70-90 мм, в которые на всю глубину вводят щупы устройства. Щупы через кабельную линию связи подключают к регистрирующему блоку и, выдержав необходимый интервал времени (1-2 мин) для достижения температурного равновесия между средой и датчиками, включают электропитание устройства. Результаты измерений температуры сохраняются в память DataFlash и передаются в компьютер по проводной линии и/или по радиоканалу.

Экспериментальный образец устройства, собранный с использованием 10 измерительных щупов, сигнальным кабелем длиной 12 метров и регистрирующим блоком с автономным аккумуляторным питанием был проверен в ледовых условиях в зимний период 2014-2015 гг. Регулярные измерения температуры в кернах льда производились с середины января по март в б. Новик (о. Русский) на трех станциях (более 20 кернов) и в северной части Амурского залива на 6 станциях (более 30 кернов).

Керны имели диаметр 16 см и отбирались кольцевым ледобуром на «чистых» (не заторошенных) участках ледового покрова. Керн после извлечения укладывался горизонтально на подставку, под установку термощупов на его боковой поверхности дрелью высверливались по кондуктору глухие отверстия диаметром 8 мм, глубиной 70-90 мм и шагом 30-60 мм вдоль оси керна. Термощупы устанавливались в отверстия на полную глубину. Измерения температурного профиля в свежеотобранном керне льда длились 15-25 минут. Для определения текущей температуры воздуха использовались один-два термощупа, также один щуп использовался при необходимости контроля температуры воды в лунке. На Фиг. 3 представлен пример вертикального распределения температуры в кернах льда, отобранных в бухте Новик (о.

5

Русский) в январе-марте 2015 г, где а - 12.01, б - 27.01, в - 2.02, г - 10.02, д - 24.02, е - 02.03.

Таким образом, предлагаемая конструкция многоканального устройства для измерения температуры льда с использованием в измерительном блоке цифровых температурных датчиков интегрального исполнения, системы их подключения, беспроводной передачи данных и привязки измерений к локальному времени с фиксацией в памяти времени каждого измерения позволяет решить поставленную задачу с достижением заявленного технического результата, обеспечивая проведение как оперативных и долговременных измерений непосредственно ледовой толщи, так и измерения температуры в извлеченном изо льда керне.

6

Claims (1)

1. Многоканальное устройство для измерения температуры льда, включающее измерительный блок и соединенный с ним посредством кабеля связи регистрирующий блок, расположенный в приборном контейнере и содержащий блок питания, микроконтроллер, энергонезависимую память для хранения данных, устройство синхронизации, драйвер цифровой линии, отличающееся тем, что измерительный блок выполнен в виде термощупов, на торце которых установлены цифровые термодатчики интегрального исполнения, подключенные параллельно по схеме 1-wire к сигнальному проводу кабеля связи, соединенному с микроконтроллером регистрирующего блока, содержащего также радиомодуль, при этом диаметр термощупа сопоставим с диаметром термодатчика, защитная оболочка кабеля и герметизация термодатчиков выполнены из морозостойких и однородных по физическим свойствам материалов, имеющих светоотражающее покрытие, а в качестве устройства синхронизации установлены часы реального времени.

   

Images