CC BY
15Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
Интеллектуальный оптоэлектронный прибор для учета и контроля расходом воды в
открытых каналах
Эргашев Отабек Мирзапулатович,
доцент кафедры информационных технологий, Ферганского филиала Ташкентского университета информационных технологий, E-mail: [email protected]
Аннотация. Статья посвящена приборам и устройствам для контроля и расхода воды в открытых каналах. "Интеллектуальный оптоэлектронный прибор для учета и контроля расхода воды в открытых каналах представляет собой значимое технологическое достижение в области водоуправления. Разработанный прибор основан на методе "площадь - скорость" и обеспечивает точный и эффективный контроль за расходом воды.
Ключевые слова: Интеллектуальный оптоэлектронный прибор, учет воды, контроль расхода воды, открытые каналы, поплавковый расходомер, метод "площадь - скорость", технологическое достижение, водоуправление, точные измерения, удаленный мониторинг, управление водными ресурсами.
Введение. Как изменение климата и устойчивое управление водными ресурсами становятся все более важными вопросами, контроль и эффективное использование воды становятся неотъемлемой частью обеспечения устойчивого развития. В современном мире появляются новые технологии и методы учета и контроля расхода воды, превращая традиционное управление водоснабжением и водоотведением в современные, цифровые системы управления. В данной статье мы рассмотрим последние тенденции в этой области, включая применение интеллектуальных оптоэлектронных приборов, метод "площадь - скорость" для контроля открытых каналов и другие инновационные подходы, которые помогают обеспечить более эффективное управление водными ресурсами.
Учет и контроль расхода воды представляет собой ключевой аспект современного водоуправления. С развитием технологий становится возможным проведение более точных измерений и более эффективное управление водными ресурсами. Одним из инновационных подходов к этой проблеме является использование интеллектуальных оптоэлектронных приборов, таких как поплавковые расходомеры, а также метод "площадь - скорость" для контроля открытых каналов. В данном введении мы рассмотрим значимость этого технологического
достижения и его потенциальные преимущества для удаленного мониторинга и управления водными ресурсами.
Литературный обзор. Существующие приборы и устройства для контроля расхода воды в открытых каналах: водосливы [1,2], лотки [3,4], сужающие устройства [5,6,7] и другие в настоящее время не удовлетворяют современным требованиям по точности, надежности, диапазону измерений, экономической эффективности, а также из-за отсутствия микропроцессорных средств обработки и архивирования данных.
В настоящее время одним из эффективных методов контроля расхода в открытых каналах является метод «площадь - скорость», который также рекомендуется для градуировки и поверки расходомеров для гидромелиоративных систем. Использование этого метода позволило разработать поплавковые расходомеры на основе электромагнитных и тепловых преобразователей [8,9,10,11]. Однако, данные приборы недостаточно удовлетворяют современным требованиям по точности, линейности статической характеристики и по динамической погрешности (особенно у тепловых преобразователей скорости).
Результаты. Авторами разработан интеллектуальный оптоэлектронный прибор для измерения, контроля, регистрации и управления
60
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
расходом воды в открытых каналах, имеющих различную конфигурацию по сечению.
Рис. 1. Элементы конструкции оптоэлектронного прибора для измерения расхода воды: 1 - гидрометрический пост; 2 - поплавок; 3 -лопасти; 4 - штанга; 5 - электронный блок обработки сигналов; 6, 7 - полукольцевые фоторезисторы; 8 - полудисковый оптический экран.
Конструктивно разработанный прибор, устанавливается на гидрометрическом посту 1 (рис. 1) и состоит из поплавка 2, вращающихся лопастей 3, штанги 4, связывающего гидропоста с поплавком и электронного блока обработки, регистрации и передачи данных о расходе воды 5.
Принцип измерения расхода воды основан
на:
- измерении скорости течения воды V;
- определении профиля гидротехнического сооружения Бв и уровня воды в канале Нв.При прямоугольном профиле гидротехнического сооружения, расход воды определяется как произведение
Q= Vt * SB.
(1)
В качестве преобразователя скорости V течения воды использованы вращающиеся лопасти, закрепленные на валу, проходящего в полости поплавка, вал которого установлен на графитовых подшипниках.
На валу внутри поплавка 2 закреплен диск (модулятор) с чередующимися отверстиями между источником и приемником излучения. Источник и приемник излучения установлены внутри поплавка. Поплавок имеет герметизированную конструкцию овальной протяженной формы, изготовленной из нержавеющего тонкослойного стального листа.
Уровень воды Н измеряется с помощью штанги, один конец которой на подшипниках закреплен на поверхности поплавка и механически
связен с оптическим полу дисковым экраном 8. Оптоэлектронного фоторезисторного
преобразователя угловых перемещений [12,13], а второй конец на подшипнике с гидрометрическим постом I. Через полость штанги пропущены экранированные провода обеспечивающие электрическую связь между поплавком 2 и блоком регистрации 5.
Однако в большинстве случаев профиль гидротехнического сооружения имеет
трапецеидальную форму, что требует учитывать не только скорость течения Ут воды, уровень Нв, но и угол наклона, нижнюю В и верхнюю А ширину канала, т.е. как показано на рис.2 В, А и т, при этом аналитическое выражение учитывающее расход воды имеет вид:
0=К(Б+2тН)НУ, (2)
где К - коэффициент пропорциональности, постоянная для гидропоста, определяется контрольном с использованием гидрометрической вертушки ГВ-замере; В - ширина канала по дну; т - коэффициент откоса берегов; Н - уровень воды; V - скорость течения.
H
Рис. 2. Схема определения уровня воды в
канале
Как видно из Рис. 2: Sm=[(A+B)/2]H,
(3)
где А и В - основания трапеции, Н - высота
канала.
Так как A=B+2m, где m=Htg(a), то Sm=HB+H2tg(H) (4)
или
Sm=H(B+H)tg(H).
(5)
61
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
Обсуждение. В реальных условиях поплавок совершает периодические колебания относительно горизонтального уровня воды. Эти колебания воздействуют на преобразователь уровня, функцию которого в нашем устройстве выполняет фоторезисторный оптоэлектронный преобразователь.
Для исключения «скачков» поплавка и цифровых показаний применяется функция сглаживания значений высоты воды:
Kogn=Kogn+(KogT-Kogn)Ks, (6)
где Kogn - предыдущее значение, KogT -текущее значение, Ks - коэффициент сглаживания.
В результате этой обработки, значения высоты отслеживают, как бы постоянную составляющую этих значений.
Прибор циклически с периодом 20 мс опрашивает АЦП значения sin(a) и сглаживает их. Фактически это значение является синусом угла наклона штанги. Обозначим расстояние от дна канала до некоторой точки Хмах, которая расположена выше максимального уровня воды, высотой канала Нк.
Чтобы определить уровень воды в канале необходимо от высоты канала Нк вычесть расстояние от Хмах до уровня воды, которое равно
Lшт =Lsin(a),
где Lшm - длина штанги.
Уровень воды в канале:
Рис. 3. Схема для определения уровня воды в канале.
Площадь поперечного сечения в канале:
Sm= Нк - L»msin(a)*(B+ ^^msm^^g^)).
Вычисление скорости течения воды вычисляется следующим образом. Частота импульсов, поступающих от преобразователя скорости зависит от скорости течения воды, количество чередующихся отверстий на модулирующем диске, диаметра и площади лопастей и от просадки самого поплавка. Для коррекции последних величин введем коэффициент скорости Kv. В течении 6 сек счетчик МК, суммирующий поступающие от преобразователя скорости импульсы, после чего вычисляется скорость течения воды:
V=N*Kv. (7)
На рис. 4 приведена функциональная схема микропроцессорной оптоэлектронной системы измерения, контроля и регистрации расхода воды в открытых каналах.
Исходя из необходимости обработки одновременно ряда сигналов преобразователей (уровня, расхода и других) и с учетом современных типов микропроцессоров, нами был выбран микропроцессор АТ89 С51 - наиболее полно удовлетворяющий современным требованиям. Микропроцессорная система состоит из 4-х блоков: поплавка, прибора, источника питания и модема.
В состав прибора, как было указано выше, входят: оптоэлектронный преобразователь импульсов; оптоэлектронный преобразователь угла наклона штанги; преобразователь f(sin(a)).
Прибор состоит из: индикатора 1; усилителя напряжения для управляющих сеток; индикатора 2; усилителя напряжения для анодов индикатора 1; дешифратора; усилителя напряжения для анодов индикатора 2; микроконтроллера АТ89 S8252; аналого-цифрового преобразователя; кнопки управления 1; кнопки управления 2; гальванической развязки для приёма передачи информации; преобразователя питающих напряжений.
В структуру источника питания входят: трансформатор напряжения; 220\12 Вольт; выпрямитель; стабилизатор; аккумулятор.
Модем состоит из: гальванической развязки; персонального компьютера; источника питания.
62
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
Управление всеми функциональными узлами и выполнение вычислений осуществляет микроконтроллер - 10 (МК). Работу МК можно разбить на 3 основные задачи:
• реализация динамической индикации;
• реализация связи с периферией;
• реализация всех вычислений;
Реализация динамической индикации осуществляется выдачей сигналов с портов МК 0,1,3. В порты 0 и 1 выдаются соответствующие семи сегментные коды цифр для индикатора 1 и 2 соответственно, а в порт 3 выдаётся номер разряда в двоичном коде на дешифратор 8. Сигналы с контроллера (МК) усиливаются высоковольтными усилителями 7,9 и поступают на аноды индикаторов 4,6, а сигнал с дешифратора подается через высоковольтные усилители на управляющие сетки разрядов.
Таким образом каждые 2 мс. информация в портах контроллера обновляется для каждого разряда. Полный цикл регенерации информации осуществляется за 16 мс, или 62,5 Гц. Под связью с периферией подразумевается обмен информацией с персональным компьютером (ПК). Это целый интерфейс, включающий в себя совокупность программ ПК, МК и аппаратных средств. Основные данные, рассчитанные прибором, такие как скорость течения, высота, расход, а также константы, такие как угол наклона дамбы, ширина канала, коэффициент скорости т.д., передаются на ПК и далее отображаются на дисплее специальной программой. Этой же программой осуществляется передача введенных на ПК констант в прибор. Константы, принятые с ПК прибором записываются в энергонезависимую память МК и хранятся там до следующего изменения, независимо от электрического питания прибора.
Рис. 4. Функциональная схема интеллектуального прибора для контроля и регистрации расхода воды в открытых каналах
Со стороны МК, в приборе располагается преобразователь 14, который осуществляет преобразование уровней напряжения в токовые посылки, а также гальваническую развязку. Передача в линию осуществляется стандартным протоколом ИРПС, скорость передачи 1200 Бот, 8 бит.
Со стороны МК располагается аналогичный преобразователь выполняющий обратную функцию преобразования тока в напряжение и функцию гальванической развязки питающих напряжений.
Электрическое питание, датчик угла наклона штанги 1, датчик импульсов 2, преобразователя Г(8т(а)) 3, а также прибора в целом осуществляет электрический
преобразователь питающих напряжений 15. Электрический преобразователь выполнен в виде генератора импульсов (50-60 кГц) усилителя тока, трансформатора мощности и рассчитан на нагрузку 10Вт.
Датчик угла наклона штанги 2 выдает напряжение пропорциональное углу поворота штанги (0 - 90° соответственно 0-3,6 В), это напряжение преобразуется преобразователем 3 в функцию синуса, это необходимо при вычислении высоты. Напряжение с преобразователя 3
63
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
поступает на АЦП 11. При расчете площади поперечного сечения воды МК использует код, полученный с преобразователя 11.
Обмен данными по ИРПС.
Каждые 6 сек., прибор посылает в ИРПС байт синхронизации с ПК. Если в течение некоторого времени МК не получает ответа, то передача данных не осуществляется. В случае если МК получает ответ, то процесс синхронизации считается состоявшимся и МК переходит в стадию ожидания команды от ПК на прием или передачу данных. В зависимости от принятой команды происходит прием или передача данных.
Технические характеристики системы:
Максимальный средний расход;
(Максимальный объем /Максимальное время счета) м3/час - 9*105м3/час;
Максимальный отображаемый расход м3/мин по умолчанию - 9999 м3/мин;
Максимальный отображаемый расход м3/мин по запросу - 9*106м3/мин;
Скорость обмена данными - 1200 Бод;
Максимальная длинна линии передачи - 500
м;
Номинальный ток в линии передачи - 20 мА;
Потребляемая мощность - <11 Вт;
Напряжение питания модема - 220 В;
Погрешность измерения расхода воды в канале - 1,5%.
Заключение. В заключении можно отметить, что современные технологии и инновационные подходы играют ключевую роль в обеспечении устойчивого управления водными ресурсами. Интеллектуальные системы учета и контроля, включая оптоэлектронные приборы и цифровые платформы, позволяют эффективно управлять расходом воды и обеспечивать экологическую устойчивость. Кроме того, важными инструментами становятся методы анализа данных, такие как метод "площадь -скорость", которые помогают оптимизировать использование водных ресурсов. В целом, развитие новых технологий и подходов к управлению водными ресурсами открывает перспективы для создания более устойчивых и эффективных систем водоснабжения и водоотведения, способствуя
решению вызовов, связанных с изменением климата и ресурсной устойчивостью.
Список литературы
1. Шипулин, Ю. Г., Махмудов, М. И., Эргашев, О. М., & Худойбердиев, Э. Ф. (2020). ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ СТОЧНЫХ ВОД. In Эффективность применения инновационных технологий и техники в сельском и водном хозяйстве (pp. 421-423).
2. Ergashev, O. M., Turgunov, B. X., & Turgunova, N. M. (2023). Microprocessor Control System for Heat Treatment of Reinforced Concrete Products. INTERNA TIONAL JOURNAL OF INCLUSIVE AND SUSTAINABLE EDUCATION, 2(5), 1115.
3. Mirzapo'lotovich, E. O., & Mirzaolimovich, S. M. (2022). TA'LIMDA JARAYONIDA LMS TIZIMLAR TAXLILI. TA'LIM VA RIVOJLANISH TAHLILI ONLAYN ILMIY JURNALI, 118-122.
4. Кадиров, О. Х., Шипулин, Ю. Г., Махмудов, М. И., & Эргашев, О. М. (2019). СИНТЕЗ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД. Наука. Образование. Техника, (3), 5-11.
5. Эргашев, О. М. (2018). Обеспечение информационной безопасности радиотехнических систем. Теория и практика современной науки, (6 (36)), 689691.
6. Эргашев, О. М. (2018). РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ В ВОЛС НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНЦЕПЦИИ КОДОВОГО ЗАШУМЛЕНИЯ. Теория и практика современной науки, (6 (36)), 686-688.
7. Шипулин, Ю. Г., Махмудов, М. И., Мухамедова, Ш. Р., & Эргашев, О. М. (2018). Применение оптоэлектронных методов для контроля качественных и количественных параметров сточных вод. In Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания
64
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание-2018 (pp. 292-294).
8. Shipulin, Y. G., Raimzhonova, O. S., Ergashev, O. M., & Usmanov, Z. K. (2021). Method for Ensuring Continuous Functioning of Multichannel Systems for Control and Recording of Water Composition in Seismic Wells.
9. Шипулин, Ю. Г., Рустамов, Э., & Эргашев, О. М. (2019). ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК НА ОСНОВЕ ПОЛОГО СВЕТОВОДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ МАТЕРИАЛОВ. In Проблемы получения, обработки и передачи измерительной информации (pp. 253-258).
10. Ergashev, O. M., & Turgunov, B. X. (2023). INTELLIGENT OPTOELECTRONIC DEVICES FOR MONITORING AND RECORDING MOVEMENT BASED ON HOLLOW FIBERS. CENTRAL ASIAN JOURNAL OF MATHEMATICAL THEORY AND COMPUTER SCIENCES, 4(5), 34-38.
11. Эргашев, О. М., & Эргашева, Ш. М. (2022). ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА МУЛЬТИАГЕНТНОЙ СИСТЕМЫ КОРПОРАТИВНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ. Journal of new century innovations, 11(1), 144-151.
12. Эргашев, О. М., & Эргашева, Ш. М. (2022). ПРИМЕНЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ИТ-РЕШЕНИЙ В КОМПЛЕКСНЫХ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ. Journal of new century innovations, 11(1), 152-159.
13. Alimova, N. B., Khaitova, A. R., Khusanov, A. M., & Ergashev, E. O. (2022, June). Methods and means of control and diagnostics of technological units in the treatment of industrial wastewater based on optoelectronic and hollow light guides. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 1043, No. 1, p. 012007). IOP Publishing.
65
