CC BY
0УДК 681.586.7
Д.Н. Решетов, Е.И. Ханеев
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ДАТЧИКИ ГЛУБИНЫ: БАРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ. РЕМОНТ ДАТЧИКОВ ГЛУБИНЫ
В статье представлена информация о датчиках глубины и их возможном саморемонте с дальнейшей попыткой усовершенствования качеств датчика, что позволяет сократить расходы на закупку и последующие натурные испытания, а также расширяет возможные области применения. Датчики глубины являются важными инструментами в различных областях, таких как гидрология, океанография, нефтегазовая отрасль и аквакультура. Одним из наиболее распространенных типов датчиков глубины являются барометрические датчики, которые используют принцип давления для определения глубины погружения в воду. Кроме того, данный материал в дальнейшем может быть использован в образовательном процессе для инженерных специальностей как пособие к ремонту данных датчиков.
Ключевые слова: датчики глубины, барометрические датчики, океанография, нефтегазовая отрасль, аквакультура, барометрические датчики, глубина, ремонт, усовершенствование, логгер.
D.N. Reshetov, E.I. Khaneev
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
DEPTH SENSORS: BAROMETRIC MEASUREMENT METHODS.
DEPTH SENSORS REPAIR
The information about depth sensors and their possible self-repair with a further attempt to improve the sensor qualities, thus reducing procurement costs and subsequent field testing, as well as expanding possible applications is presented. Depth sensors are important tools in various fields such as hydrology, oceanography, oil and gas, and aquaculture. One of the most common types of depth sensors are barometric sensors, which use the principle of pressure to determine the depth of immersion in water. In addition, this material can be further used in the educational process for engineering specialties as aids to the repair of these sensors.
Key words: depth sensors, barometric sensors, oceanography, oil and gas industry, aquaculture, barometric sensors, depth, repair, improvement, logger.
В этой статье рассмотрены датчики глубины, методы измерения с помощью этих датчиков, а также их ремонт без причастия сервисных центров. С каждым годом появляется все более продвинутые способы измерения глубины, требующие для использования специально обученный персонал, что зачастую приводит к проблемам на предприятиях. Данные датчики и по сей день остаются актуальными и используются во множестве отраслей промышленности и научных экспериментах. Все это приводит к необходимости знать их принцип действия и при необходимости произвести ремонт этих датчиков.
Исходя из вышесказанного, предлагается использовать в качестве примера американский регистратор HOBOU20-001-04, поскольку он обладает высокой точностью измерений и соответствует современным требованиям эксплуатации. На его примере мы сможем разобрать принцип действия логгеров, их устройство, составные части, возможные неисправности, а также способы их устранения.
Данный регистратор был выбран неслучайно, поскольку именно его зачастую используют инженеры и крупнейшие компании по всему миру, благодаря своим техническим характеристикам, надежности и отсутствию возможных аналогов [1, 2].
Барометрические датчики глубины широко применяются для мониторинга и изучения океанических глубин, а также для наблюдения за изменениями уровня моря. В гидрологических исследованиях датчики применяются для измерения уровней грунтовых вод, а также для анализа потоков рек и озер. В нефтегазовой отрасли датчики нужны для мониторинга глубины скважин и состояния резервуаров. В рыболовстве и других хозяйствах барометрические датчики помогают контролировать условия среды, что является необходимым для состояния и роста морских организмов.
Барометрические датчики глубины работают на основе закона Паскаля, в котором говорится о том, что давление в жидкости возрастает с глубиной. Основной уровень давления в море считается 1 атмосфера на уровне моря (примерно 1013 мбар). Как только мы начинаем погружение в воду, давление возрастает каждые 10 м глубины на 1 атмосферу.
Для расчета глубины датчик определяет атмосферное давление на поверхности и давление на заданной глубине, взяв во внимание изменение давления с увеличением глубины. Основная формула выглядит следующим образом:
D = (P - P_0) / (р \cdotg),
где D - глубина,
P - давление на глубине,
P_0 - атмосферное давление на поверхности,
р - плотность воды (обычно приравнивается к 1 000 кг/м3 для пресной воды),
g - ускорение свободного падения (примерно 9,81 м/с2).
Регистратор имеет довольно простую конструкцию, состоящую из цельного корпуса, интегрального преобразователя, штуцера для подключения логгера к компьютеру, системной платы, шлейфа, батарейки, диодов и разделительной мембраны.
Логгер конструктивно выполнен в виде моноблока и производит измерения автономно, записывая все данные в свою память. По окончании измерений или эксперимента датчик вытаскивают и подключают с помощью кабеля к компьютеру. Далее через программное обеспечение производителя необходимые данные структурируются и выводятся на экран.
Преимуществами данного датчика являются:
- высокая точность измерений глубины, особенно в стабильных условиях;
- возможность применения датчика без постоянного контакта с водой, что делает его идеальным для различных применений;
- не требует вентиляционных трубок или осушителей для произведения измерений;
- простота использования и надежность конструкции, позволяющая использовать его в лабораторных и в полевых исследованиях;
- поддержка разных видов измерений, таких как уровень воды, барометрическое и атмосферное давление, а также температура;
- компактность, долговечность и относительно невысокая стоимость.
Недостатками данного датчика являются:
- температурные колебания: изменения температуры воды может повлиять на плотность, что, в свою очередь, может привести к погрешностям в измерениях. Обычно датчики калибруют с учетом температуры на разных уровнях;
- атмосферные условия: давление воздуха на поверхности может различаться из-за погодных условий, что должно учитываться при получении данных. Существуют специальные модели, которые помогают контролировать измерения для таких ситуаций;
- наличие пузырьков воздуха: в некоторых случаях, особенно при бурении или в водоемах с высокой активностью, могут появляться пузырьки воздуха, что также может повлиять на полученные данные.
Существуют две версии исполнения корпуса этого датчика: стальная и титановая. Стальная версия предназначена для погружения только в пресную воду, а титановая рассчитана на погружение в соленую воду. Также для приобретения доступны два комплекта поставки: Starter kit и Deluxe kit. Разница комплектов заключается в том, что в Deluxe издании в комплект поставки входит кейс для переноски, два регистратора уровня воды и водонепроницаемый шаттл для возможности подключения датчика под водой.
В табл. 1 приведены технические характеристики регистратора НОВОи20-001-04 [3].
Таблица 1
Технические характеристики регистратора HOBOU20-001-04
Рабочий диапазон От 0 до 145 кПА; приблизительно от 0 до 4 м глубины воды на уровне моря или от 0 до 7 м воды на высоте 3 000 м
Диапазон заводской калибровки От 69 до 145 кПА; от 0 до 40°С
Разрывное давление 310 кПа или 18 м глубины
Точность измерения уровня воды Среднее значение: ±0,075% от полной шкалы или 0,3 см высоты водяного столба Максимальное значение: ±0,15% от полной шкалы или 0,6 см высоты водяного столба
Точность исходного давления ±0,3% от полной шкалы или 0,43 кПа
Разрешение <0,014 кПа
Время отклика на давление <1 с (точность измерения зависит от температуры)
Измерения температуры
Рабочий диапазон от -20 до 50°С
Погрешность ±0,44°С от 0 до 50°С
Разрешение 0,10°С при 25°С
Время отклика 5 мин находясь в воде
Отклонение 0,1°С в год
Логгер
Отклонение часов прибора ± 1 минута в месяц при температуре от 0 до 50° С
Батарея 2/3 АА, 3,6 V, литиевая, заменяемая на заводе
Срок службы батареи 5 лет
Количество памяти 64 КБ
Вес Стальная версия: около 210 г Титановая версия: около 140 г
Размеры Диаметр 2,46 см; Длина 15 см; Монтажное отверстие 6,3 мм диаметром
Материалы, подверженные намоканию Стальная версия: нержавеющая сталь 316, уплотнительные кольца из витона, колпачок, керамический датчик Титановая версия: титан, уплотнительные кольца из витона, колпачок, керамический сенсор
Интервал сканирования Фиксированная скорость до 8 пользователей одновременно, в интервалах от 1 с до 18 ч
Режимы запуска Немедленный старт или отложенный старт
Режимы разгрузки Разгрузка во время логирования, остановка и разгрузка
Индикация батареи Можно посмотреть на экране или в дата-файле
Степень защиты 1Р68
Стоимость Стальная версия: 600$ Титановая версия: 740$
Технической документацией предусмотрен ремонт регистратора только в специальных сервисных центрах. Рассмотрим этот случай: замена аккумулятора будет стоить 179$, а настройка и выгрузка данных из памяти 235$. Общая сумма при ремонте такого рода будет равняться 414$, что довольно дорого, исходя из общей стоимости регистратора. В нашем случае более целесообразно будет произвести самостоятельный ремонт.
Перейдем к самостоятельному ремонту датчика глубины. Рассмотрим этапы ремонта, исходя из повреждений датчика (рис. 1).
Этапы самостоятельного ремонта регистратора:
1. Зажать в тиски регистратор.
2. Используя газовый ключ, приложить усилие и открутить крышку прибора.
3. Убедиться в целостности внутренних соединений микросхем и целостности шлейфов.
4. В нашем примере поврежден шлейф и разряжена батарейка (рис. 2).
5. Отпаять шлейф и батарейку.
6. Припаять провода к плате взамен старого шлейфа.
7. Припаять новую батарейку.
8. Вставить микросхему в корпус и промазать водонепроницаемым герметиком место соединений крышки и основного корпуса.
9. Закрыть крышку регистратора.
Рис. 1. Состояние датчика на момент первичной разборки
Рис. 2. Датчик с выпаянной старой батарейкой и с проводами, подключенными вместо шлейфа
Замена шлейфа связана с тем, что конструкция старого шлейфа не обеспечивала достаточной прочности внутренней конструкции устройства и платы при сборке.
Рассмотрим возможные методы улучшения технических свойств датчика путем замены старых комплектующих на новые, с лучшими характеристиками:
- возможно заменить батарейку на гелиевую, что продлит срок службы датчика и позволит использовать его при отрицательных температурах;
- при сборке использовать водонепроницаемый герметик, устойчивый к кислотной среде и другим активным средам, что позволит расширить возможные области применения данного датчика.
После ремонта регистратора необходимо провести эксплуатационные тесты и произвести замеры показаний. Это позволит убедиться в том, что ремонт произведен качественно и погрешности при измерениях не превышают допустимые значения [4, 5].
Для проверки точности измерений отремонтированного прибора и-20-001-04 № 0673 его установили вместе с рабочим прибором и-20-001-03 № 9130 в скважину Г-1 на глубину 35 м при статическом уровне воды в ней 33,1 м от поверхности земли. Запись абсолютного давления и температуры воды производилась с 04.09.2024 г. 11:20 по 06.09.2024 г. 11:00 с дискретностью 1 замер в 10 мин.
На рис. 3 и 4 показаны графики изменения абсолютного давления и температуры воды.
- Сравнение абсолютного давления
-АЬ« Рте» 9130, кРп 127,723 -АЬ« Рте« 0673, кРп
\ ч У< 'V V* а 121,700
8 * N 5-. л/ —06.09.2403:20:00—
\
4
Кг. % А
\JMJT Г V ж, „
\
\
4
?
12:00:00 0409.2410:00:00 ЯИТ+12:00
12:00:00 06.09.2412:00:00 ЯИТ+12:00
Рис. 3. График сравнения абсолютного давления
Рис. 4. График сравнения данных по температуре воды
Графики абсолютного давления по обоим приборам имеют одинаковую форму, по значениям разница составляет 0,96-0,97 кРа, 0,013-0,014 м. Разница в значениях температуры воды составляет 0,1°С, что соответствует точности приборов.
Так как имеющиеся приборы разных моделей с разной типовой погрешностью по абсолютному давлению и-20-001-04 (±0,3 см), и-20-001-03 (±3,8 см), то сравнение их показаний не является корректным. Правильнее сравнивать показание приборов одинаковых моделей [6].
В данной статье были описаны датчики глубины и их возможный ремонт и доработки на основе регистратора Н0В0Ш0-001-04. В ходе описания были выявлены преимущества и недостатки данных логгеров, принцип их работы и области их применения.
Был выполнен ремонт регистратора, предложены возможные способы улучшения конструкции, и произведены тесты для выявления погрешностей. Кроме того информация, полученная в ходе исследований, показывает, что ремонт таких датчиков возможен не только в сервисных центрах, но и при самостоятельном ремонте.
Литература
1. Ковчин И.С. Автономные океанографические средства измерений. - Л.: Гидрометиоиз-дат, 1991. - С. 45-57.
2. Белов О.А. Анализ современных диагностических средств в системах электроснабжения // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2013. - № 26. - С. 5-8.
3. «HOBOU20-001-04» Датчик глубины. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. - URL: https://www.onsetcomp.com/resources/documentation/12315-u20-manual (дата обращения: 20.10.2024).
4. Белов О.А. Интегрированные системы технической диагностики электроустановок // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2013. - № 25. - С. 5-8.
5. Сабуров П.С. Учебное пособие по дисциплине «Датчики и системы автоматики» / Владимирский гос. ун-т имени А.Г. и Н.Г. Столетовых. - Владимир: ВлГУ, 2016. - С. 7-22.
6. Белов О.А., Парфенкин А.И. Обзор основных факторов снижения безопасности сложных технических систем // Вестник Камчатского государственного технического университета. -2015. - № 35. - С. 11.
