Гибридный счетчик-расходомер «Волга Тритон» на цифровой платформе: мониторинг природных чистых и сточных вод

Представлена одна из лучших реализаций разработанной специалистами НКФ «Волга» цифровой платформы для мониторинга расходных характеристик природных чистых и сточных вод – гибридный счетчик-расходомер «Волга Тритон». Рассмотрена его структурная схема, а также используемые в конструкции измерительные вторичные и первичные преобразователи.

ООО НКФ «Волга», г. Москва

скачать pdf >>

Наиболее успешные промышленные компании отличаются возможностью создавать не отдельные измерительные приборы, а первичные цифровые системы, лежащие в основе устройств измерения, обработки, передачи и коммутации сигналов. Такие системы базируются на технологиях цифровых двойников.

Основанная инженерами-гидротехниками в 1992 го­ду научная консалтинговая фирма «Волга» (ООО НКФ «Волга») – признанный центр компетенций в области измерения расходных характеристик больших водоводов – показывает в этом отношении отличный пример. Специалистами компании разработана современная цифровая измерительная платформа для коммерческого/технологического учета во­ды, которая позволяет после поэтапного обследования любого реального водовода создать его цифровой двойник, характеристики которого заносятся в ПО используемого расходомера. Тем самым происходит адаптация измерительного устройства к объекту (в данном случае водоводу), что существенно снижает уровень ограничений по условиям и ви­ду проведения измерений. Кроме то­го, наличие цифрового двойника объекта создает условия для использования данных измерения в системах предиктивного анализа для прогнозирования событий.

Типы водоводов могут быть самыми разными: мелиоративные оросительные и ирригационные системы, хозяйственно-бытовые и промышленные канализационные системы, системы водного транспорта, ре­ки, природные и искусственные каналы, ливневые системы и т. п. Устройство может использоваться для природных чистых и сточных вод при любой степени их загрязненности, причем режим течения жидкости в водоводе может быть как безнапорным, так и комбинированным (напорно-безнапорным). Водовод может быть открытым и закрытым, проложенным над землей, в грунте, вырубленным в скале. Материал, из которого изготовлен водовод, не имеет значения, как и форма створа измерений, который может иметь круглое, прямоугольное, трапецеидальное или любое другое сечение.

Основные области применения счетчика-расходомера «Волга Тритон»:
- технологический и коммерческий учет параметров, использующихся при определении и прогнозе технико-экономических показателей деятельности субъектов хозяйствования, а также при решении задач рационального водопользования;
- экологический мониторинг;
- гидрологические изыскания водных объектов;
- калибровка других измерительных устройств;
- проведение водного аудита на предприятиях и в учреждениях.

Структурная схема измерительного устройства показана на рис. 1. В состав гибридного счетчика-расходомера «Волна Тритон» входят:
- измерительный вторичный преобразователь (ВПИ);
- промежуточный вторичный преобразователь (ВПП) – опция;
- комплект первичных преобразователей (ПП) с кабелями;
- монтажные аксессуары.

Рис. 1. Структурная схема подключения элементов гибридного счетчика-расходомера «Волга Тритон»

Вторичный преобразователь поставляется в одном из трех исполнений в зависимости от запросов заказчика и решаемых задач:

- исполнение «Ц» оснащено полноцветным сенсорным ЖК-экраном (с диагональю 4,3 дюйма) и является базовым, подходящим для большинства применений. Этот вторичный преобразователь предполагает использование только одного комплекта первичных преобразователей (но не более двух в любых сочетаниях), который устанавливается на одном водоводе (створе измерений). Для связи с устройствами удаленного сбора и передачи данных (УСПД) и верхнего уровня систем АСУ ВПИ исполнения «Ц» оборудован интерфейсами RS‑485 и Ether­net. В качестве источника питания используется электросеть переменного то­ка (напряжение 220 В, частота 50 Гц) или источник с напряжением 24 В постоянного тока;

- исполнение «П» (рис. 2) отличается от исполнения «Ц» размером ЖК-экрана (7 дюймов) и количеством комплектов ПП – от одного до четырех, но не более двух на один створ измерений в любых сочетаниях. Подключение в этом случае осуществляется через ВПП, установленный дополнительно. Преобразователи исполнения «П» могут иметь до трех интерфейсных модулей (аналоговые, дискретные выходы, ре­ле, 4G). Электропитание устройства организовано так же, как у исполнения «Ц». Счетчик-расходомер с ВПИ исполнения «П» позволяет осуществлять измерения на одном, двух, трех или четырех различных створах измерений (водоводах);

Рис. 2. Структурные элементы счетчика-расходомера «Волга Тритон» с вторичным измерительным преобразователем исполнения «П»

- исполнение «Н» в пластиковом кейсе используется при кратко- и среднесрочных измерениях. Этот вторичный преобразователь то­же оборудован 7‑дюймовым сенсорным ЖК-экраном и может иметь до трех интерфейсных модулей (аналоговые, дискретные выходы, ре­ле, 4G). Питание устройства – от электросети переменного то­ка (напряжение 220 В, частота 50 Гц) или аккумуляторной батареи. Внешний вид ВПИ исполнения «Н» показан на рис. 3.

Рис. 3. Портативный вторичный измерительный преобразователь ВП-ПН

Интерес представляют и другие коммуникационные возможности расходомеров «Волга Тритон», реализуемые в качестве опции: четыре аналоговых входа 4–20 мА, которые используются при подключении дополнительных ПП; четыре аналоговых выхода 4–20 мА, 0–10 В; семь частотных, импульсных или дискретных выходов; 4G-модем для удаленного подключения по беспроводным 4G-сетям, использующийся также для передачи информации по сетям промышленного интернета вещей по протоколу MQTT.

Алгоритмы обработки информации, заложенные в разработанной компанией цифровой платформе и реализованные в счетчике-расходомере «Волга Тритон», определяют универсальность прибора. Под универсальностью в данном случае понимается возможность использовать различные методики измерений, рекомендованные Государственной системой единства измерений (МИ 2220-2013, МИ 2406, МВИ 208/613‑03), и, следовательно, различные ти­пы первичных преобразователей.

В числе этих первичных преобразователей:
- бесконтактный радарный ПП для измерений глубины и скорости потока, по которым рассчитываются расходные характеристики. Радарный ПП монтируется над потоком. В первом случае для определения расстояния от излучателя до поверхности во­ды используется частотно-модулированное излучение (FMCW), то есть в процессе измерения излучаемый сигнал модулируется по частоте (или фа­зе). При измерении скорости излучатель ПП испускает электромагнитные волны высокой частоты под углом к поверхности потока. Они частично поглощаются поверхностью и частично отражаются от ее неровностей. Во втором случае, когда во­да движется относительно ПП, в частотах возникает разница (доплеровское смещение), пропорциональная скорости движения поверхности воды;
- погружной ультразвуковой ПП. Применяется для измерений глубины потока (с помощью определения времени отражения сигнала ПП, установленного на дно водовода, от границы раздела сред) и его скорости (с помощью эффекта Доплера);
- погружной гидростатический. Устанавливается на дно водовода и определяет глубину потока по разнице между измеренным гидростатическим давлением столба во­ды и атмосферным давлением.

Отдельные модели ПП выпускаются в ви­де комбинированных устройств, в корпусе которых смонтировано несколько типов ПП. Так, бесконтактные комбинированные преобразователи ПК‑01 и ПК‑02 конструктивно включают радарные ПП глубины и скорости потока, а ПК‑04 и ПК‑05 – погружные ПП этих же величин. Основные технические и метрологические характеристики ультразвуковых (погружных) и радарных (бесконтактных) ПП приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики первичных преобразователей

В заключение необходимо отметить, что проект «Волга Тритон» в 2021 го­ду стал лауреатом Международной экологической премии EcwaTech WasteTech Awards в номинации «Лучшая технология».

Опубликовано_в журнале ИСУП № 3(111)_2024

ООО НКФ «Волга», г. Москва,
тел.: +7 (499) 976‑4949,
e-mail: volga@volgaltd.ru

Иллюстрации предоставлены компанией ООО НКФ «Волга»