CC BY
17
УДК 628.8:697.94
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО КОНДУКТОМЕТРА И РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА ОСНОВАНИЯ РОГУНСКОЙ ГЭС
С.А. Гарелина
кандидат технических паук
доцент кафедры мехаики и инженерной графики Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл.. г.о. Химки, мкр. Новогорск Е-шаП: rolruOmail.ru
М.М. Сафаров
доктор технических паук, профессор
заведующий лабораторией физики
Филиал МГУ им. М.В. Ломоносова в г. Душанбе
Адрес: 734003, Республика Таджикистан, г. Душанбе.
ул. Вохтар, 35/1
Е-шаП: salomatda01ist.ru
С.К. Давлатшоев
старший научный сотрудник Институт водных проблем, гидроэнергетики и экологии АН Республики Таджикистан Адрес: 734042. Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айпи, 14А Е-шаП: salomatda01ist.ru
Аннотация. В статье приведены метрологические характеристики трансформаторного кондуктометра, реализующего метод непосредственной оценки и работающего в различных режимах. для эффективного измерения удельной электропроводимости растворов электролитов. Получеппые метрологические характеристики легли в основу разработки технического средства мониторинга диффузии солей скважишюго кондуктометра «Кальмар». В работе представлены технические характеристики «Кальмара», позволяющие сделать вывод о его пригодности для использования в системе комплексной защиты Рогупской ГЭС от размывания солевого пласта в ее основании.
Ключевые слова: мониторинг Рогупской ГЭС, трансформаторный кондуктометр, защита Рогупской ГЭС, моделирование трансформаторного кондуктометра, кондуктометр «Кальмар».
Цитирование: Гарелина С.А., Давлатшоев С.К., Сафаров М.М. Метрологические характеристики трансформаторного кондуктометра и реализация технических средств мониторинга осовапия Рогупской ГЭС // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2019. 2 (41). С. 10-14.
В первой части работы [1| получены математические модели, описывающие зависимости его выходного напряжения от УЭП (х), трансформаторного кондуктометра прямого изменения. Во второй части работы получены метрологические характеристики трансформаторного кондуктометра и разработано на этой основе техническое средство для системы мониторинга и защиты основания Ро-гунской ГЭС. Очевидно, что реальная схема трансформаторного кондуктометра отличается от схем, представленных в [1|. На рисунке 1 показана принципиальная схема трансформаторного кондуктометра, при этом для упрощения под усилителем понимается совокупность
детектора, усилителя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и пр. [3].
Рисунок 1 Трансформаторный кондуктометр: Г генератор напряжения; КЯ кондуктометричеекая ячейка; У усилитель; ВП вторичный прибор
На основе проведенного ранее исследования [1| получена математическая модель
трансформаторного кондуктометра при измерении напряжения в режиме холостого хода в соответствии с формулой (11) [1].
£/ — и
.и шЬ\2 к
X,
(1)
АЬ\
где и - напряжение питания; ш - частота напряжения питания; Ь\ - индуктивность первичной обмотки трансформатора; Ь\2 - взаимоиндуктивность первичной обмотки трансформатора и раствора; к - коэффициент усиления; А - постоянная ячейки, х _ удельная электрическая проводимость (далее УЭП).
Очевидно, что статическая характеристика такого кондуктометра линейна (рисунок 2а), а чувствительность (рисунок 26) постоянна.
Рисунок 2 Статическая характеристика кондуктометра (а) и его чувствительность (б)
Чувствительность 5 кондуктометра равна
5 —
йик
(1х
и шЬ\2 к АЬ, '
(2)
Из анализа выражения (2) следует, что для оптимизации 5 необходимо увеличивать значения и, Ь\2, ш, к и уменьшать Ь\ и А.
Абсолютная погрешность измерения
А^В XX
диш
дХ„
АХН
шЬ 2 2к . тт
12 -Аи+
и
+ -
иЬ?2к
_12
Аи
А ш + 2
и шЬ12 к
+
А2 Ь
АЬ1 12к АА +
АЬ12 +
АЬ1 и шЬ1
12
Л2к
АЬ2
АЬ1
-АЬ,.
Дк+ (3)
Из анализа выражения (3) следует, что для минимизации погрешности Аив хх необходимо уменьшать значения и, Ь\2, ш, к и увеличивать Ь\ и А, а также уменьшать отклонения (вариации) Аи, Аш, АЬ\2, Ак, АА и АЬ,.
Относительная погрешность измерения 5ив хх равна
яп — А у —
ОиВхх — ^ „ А^н —
ив хх (4)
— би + 6ш + 2ЬЬХ2 + ¿к + 5А + 5Ь\.
Среднеквадратичеекая погрешность (далее - СКП) измерения аив хх равна
аи^х — ^ *Ь + + М12 + а2 + а\ + а2ь 1. (5)
Аналогично могут быть определены метрологи чеекие характеристики трансформаторного кондуктометра в режиме измерения напряжения (короткое замыкание) и в режиме измерения тока (режимы холостого хода и короткого замыкания) (таблица 1).
Таблица 1 - Метрологические характеристики трансформаторного кондуктометра
Измеряемый параметр Режим измерения Математическая модель статической характеристики, чувствительности, абсолютной, относительной и среднеквадратической погрешности
Измерение выходного напряжения ив холостого хода ив XX ТТ _ гЪаЬ12кх с _ ¿,ивхх _ £/Ш£22К ° _ йх _ АЬ1 ' А^хх _ АЬ"Аи + ЪЬтАА + 2ЦАТГКДЬ12+ + ^2 АК + АА + Ъ АЬ?" АЬЪ Швхх _ 5и + ¿А + 26Ь12 + 5к + 5А + 6Ьг, _ ^а2 + а1 + 2 + а2 + ^А + .
короткого замыкания ив кз ТТ _ рЪАЬ22Кх ^в кз _ ^ АЬ х' С _ йивкк _ ЪаЬ22к ° _ йх _ АЬ ' А^в кз _ ААЬ^Аи + ^АА + 2^^АЬ12+ | ЪаЬ22 АК | ЪаЬ22к Ал 1 ^аЬ22к Аг + АЬ1 АК 1 А2Ь2 АЛ 1 АЬ2 АЬ1' 5ивхх _ 5и + ¿А + 26Ь12 + ¿К + ¿А + 5Ь1' _ Уст2 + ст2 + ^2 + а2 + стА + а2Ь1.
Измерение выходного тока 1в холостого хода 1в XX -
короткого замыкания 1в кз Г _ ^вкз _ АЬЬ4 х' С иЬ212К ° _ АЬгЬ4 ' АГ _ ь22кх АР 1 2иЬ12Кх АР- 1 ъь22х АК 1 А^вкз _ АЬ1Ь4Аи 1 2 АЬЬ А^12 1 АЬЬ4 ак+ | ЪЬ22кХ АЛ , Ъь22кХ А т ,иь22КХ АГ + А2ЬЬ4АЛ 1 АЬ2Ь4 АЬ1' 1 АЬЬ АЬ4 61вкз _ би + 2^2 + ¿к + ¿А + 5Ь1 + ' _у! оЪ + М 12 + + + 1 + .
Таблица 2 - Технические характеристики кондуктометра «Кальмар»
Диапазон измеряемых концентраций 0 '2-300 г/л (±0 ' 1 г/л)
Диапазон измерения УЭП 0 ' 2-600 мСм/см (±0 ' 1 мСм/см)
Диапазон измерений температуры 4 - 45 °С (±0 ' 05 °С)
Потребляемая мощность, Вт 0 Д6
Длина соединительного кабеля, м до 200
Масса погружного зонда, г 850
Габариты погружного зонда, мм 230 х 33
Габариты регистратора, мм 270 х 170 х 30
Полученные математические модели трансформаторного кондуктометра и их анализ легли в основу разработки технических средств мониторинга основания плотины Ро-гунской ГЭС.
Трансформаторный кондуктометр «Кальмар» (рисунок 3) предназначен для измерения УЭП растворов электролитов (каменной соли) в скважинах глубиной до 100 м.
Рисунок 3 Элементы кондуктометра «Кальмар»
Кондуктометр «Кальмар» [2| состоит из погружного зонда, регистратора и соединительного кабеля (рисунок 3). Малые габариты зонда и большая длина соединительного кабеля позволяют использовать «Кальмар» для исследований в узких и глубоких скважинах. Прибор имеет технические характеристики, пред ставленные в таблице 2.
Отли читальными особенностями кондуктометра являются:
погружной зонд кондуктометра работает с удаленными регистраторами или в составе сети;
для расчета концентрации электролитов использована трехмерная аналитическая 32-битная модель, позволяющая в отличие от табличного метода ЕЕР1ЮМ увеличить точность в широком диапазоне измерений;
возможность автоматизированной калибровки без применения сложного оборудования;
возможность использования в полевых условиях с альтернативным питанием благодаря минимальному энергопотреблению.
Полученные технические характеристики кондуктометра «Кальмар» позволяют создать на его основе систему мониторинга солевого пласта Рогунской ГЭС, расположив его на разных горизонтах в скважинах глубиной до 100 м.
Выводы. На основе приведенных математических моделей метрологических характеристик трансформаторного кондуктометра, использующих) в качестве информативного параметра выходное напряжение или ток, для двух режимов работы (холостого хода и короткого замыкания) получены математические модели статической характеристики Аив — /(х) и /в — /(х), чувствительности абсолютной (Аив и А/в) и относительной погрешности 5иъ и й/в, СКП аив и а1в;
Показано, что статическая характеристика кондуктометра в разных режимах линейна, если использовать мнимую часть комплексного напряжения в режиме холостого хода и действительную при измерении тока в режиме короткого замыкания.
Определены пути оптимизации метрологических характеристик кондуктометра.
На основе результатов математического моделирования создано техническое средство - кондуктометр «Кальмар» как основа
системы мониторинга солевого пласта Рогун-ской ГЭС.
Литература
1. Гарелина С.А., Давлатшоев С.К. Метрологические характеристики трансформаторного кондуктометра и реализация технических средств мониторинга осования Рогунской ГЭС // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2019. № 2 (41). С. 3-9
2. Давлатшоев С.К., Сафаров М.М. Кондуктометрический способ и аппаратура измерения уровня минерализации в пьезометрических сетях / С.К. Давлатшоев, М.М. Сафаров // Вестник Казанского технологического университета, 2017. №18. Т. 20. - С. 45-52.
3. Латышенко, К.П. Метрология и измерительная техника. Микропроцессорные анализаторы жидкости / К.П. Латышенко, B.C. Первухин. - М.: Юрайт, 2018. - 203 с.
METROLOGICAL CHARACTERISTICS OF TRANSFORMER CONDUCTOMETER AND IMPLEMENTATION OF TECHNICAL MEANS OF MONITORING REFERENCE ROGUNSKAYA HPP
Svetlana GARELINA
Candidate of Technical Sciences
Associate professor of the department of mechanics
and engineering graphics
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow Region, Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: rolruQmail.ru
Salomat DAVLATSHOEV
Senior researcher
Institute of Water Problems, Hydropower and Ecology of the Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan Address: 734042, Republic of Tajikistan, Dushanbe, Aini st., 14A, E-mail: salomatdaQlist.ru
Mahmadali SAFAROV
Doctor of technical sciences, professor
Head of the laboratory of physics
Branch of Moscow State University M.V. Lomonosov
in Dushanbe
Address: 734003, Republic of Tajikistan, Dushanbe, Bokhtar st., 35/1 E-mail: salomatdaQlist.ru
Abstract. As part of comprehensive measures to reduce the risk of destruction caused by the dissolution of a salt reservoir at the base of the Rogun hydroelectric station (Tajikistan), it is proposed to use transformer conductometers as a technical tool, which allows to monitor the diffusion of salts. The article carried out mathematical modeling of a direct measurement transformer conductometer. These mathematical models are the basis for obtaining metrological characteristics and the implementation of technical means of monitoring and protecting the base of the Rogun hydropower plant.
Keywords: Rogun hydropower station monitoring, transformer conductometer, Rogun hydropower station monitoring and protection, transformer conductometer modeling.
Citation:Garelina S.A., Davlatshoev S.K., Safarov M.M. Rationale for placing civilian dual-use objects in densely populated residential areas with high infrastructure // Scientific and educational problems of civil protection. 2019. № 2 (41). pp. 10-14.
References
1. Garelina S.A., Davlatshoev S.K. Metrological characteristics of the transformer conductometer and the implementation of the technical means of monitoring the Rogun HPP // Scientific and educational problems of civil protection. 2019. № 2 (41). p. 3-9
2. Davlatshoev S.K., Safarov M.M. Conductometric method and apparatus for measuring the level of mineralization in piezometric networks / SK Davlatshoev, M.M. Safarov // Bulletin of Kazan Technological University, 2017. №18. T. 20. - p. 45-52.
3. Latyshenko, K.P. Metrology and measuring equipment. Microprocessor fluid analyzers / KP. Latyshenko, B.S. Pervukhin. - M .: Yurayt, 2018. - 203 p.
