УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ РАЗГРУЗОК ХЛОРИДНОГО ТРАССЕРА В ВОДОТОКИ Российский патент 2024 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к классу оборудования, использующего анализ материалов в непрерывном потоке методом определения электрохимических параметров и может быть использовано для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки и массового расхода водотока.

Наиболее близким из известных аналогов является: хлоридный трассерный метод требующий для расчета разгрузки глубинного теплоносителя Q_d данных о концентрации хлор-иона и расходе водотока, получаемых с помощью синхронизированного отбора водных проб и гидрометрических измерений погрешность оценивания которых составляет около 30%. Fournier, R. Geochemistry and dynamics of the Yellowstone National Park Hydrothermal System. // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. - 1989. - Vol. 17. - P. 13-53., https://doi.org/10.1146/annurev.ea.17.050189.000305

Недостатком аналога устройства являются: (1) Необходимость промеров для определения геометрической формы сечения водотока, (2) Необходимость непрерывных точечных измерений скорости потока по сечению для определения суммарного расхода потока, (3) Необходимость непрерывного химического анализа проб воды с частотой отбора, сопоставимой с динамикой изменения концентрации хлора в водотоке (может быть 1 проба в минуту и чаще при катастрофических или нерегламентированных сбросах хлоридных вод).

Сущность технического решения состоит в измерении массового расхода хлор-иона и массового расхода водотока по непрерывным записям удельной электропроводности и температуры в водотоке, и непрерывным записям уровня воды в водотоке, которое в режиме реального времени через спутниковый терминал Iridium осуществляет облачный сервис, с обеспечением исходными данными от цифрового датчика измерения электропроводности воды, цифрового датчика измерения температуры воды, цифрового гидростатического датчика давления воды и от цифрового датчика измерения атмосферного давления. Передача данных от датчиков до спутникового терминала Iridium осуществляется посредством кабелей с герметичным разъемом IP68 через последовательный порт RS485.

Пересчет удельной электропроводности раствора в концентрацию хлор-иона выполняется с помощью эмпирической формулы для типовых водотоков с близким химическим составом:

где C(t) - массовая концентрация хлор-иона (ppm),

T(t) - температура (°C),

SC(t) - удельная электропроводность (μS/cm),

t - время,

A и B - эмпирические коэффициенты.

Пример определения эмпирических коэффциентов А и В приводится в Приложении 2 (Appendix 2) в статье: Kiryukhin A.V., Polyakov A.Y., Zhuravlev N.B., et al. Dynamics of natural discharge of the hydrothermal system and geyser eruption regime in the Valley of Geysers, Kamchatka // Applied Geochemistry. - 2022. - Vol. 136. - P. 105166. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2021.105166.

Оценка массового расхода водотока Qr(t) осуществляется по формуле линейной зависимости расхода водотока от уровня воды в нем, где уровень воды определяется по разнице давлений двух датчиков давления (один из которых записывает атмосферное давление Patm(t), а второй давление на дне русла водотока Pr(t)).

- где C и D эмпирические коэффициенты.

Для оценки эмпирических коэффициентов C и D осуществляется два дискретных запуска известного количества М хлор-иона (раствор NaCl) выше по течению. При каждом запуске массовый расход водотока оценивается по площади прохождения трассера (хлор-иона) на графике временного прослеживания (Moore, R.D. (2005) Slug injection using salt in solution. Streamline Watershed Management Bulletin 8(2), 1-6.):

где:

t₁ - время начала регистрации трассера, а

t₂ - время окончания регистрации трассера.

В результате оценка массового расхода хлор-иона (Q_Cl(t)) в водотоке в режиме реального времени осуществляется по формуле:

На фиг. 1 изображена структурная схема изобретения. В состав устройства для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки входят: 1 - водонепроницаемый ударопрочный кейс класса защиты IP 67, в котором смонтированы: 2 - спутниковый терминал Iridium с интерфейсом RS 485 и модулем 3G/4G; 3 -- контроллер заряда аккумулятора от солнечной батареи; 4 - аккумуляторная батарея 12В - 12Ah; 5 - спутниковая антенна подключена к спутниковому терминалу Iridium (2) кабелем с герметичным разъемом IP68; 6 - облачный сервис; 7 - персональный компьютер (РС); 8 - 3G/4G антенна подключена к спутниковому терминалу Iridium (2) кабелем с герметичным разъемом IP68; 9 - солнечная батарея 12В - 250 Вт, подключена к контроллеру заряда (3) кабелем с герметичным разъемом IP68; 10 - цифровой датчик измерения атмосферного давления, точность измерения ±0,25%, установлен на нижней стороне солнечной батареи (9), подключен к контроллеру RS485 терминала Iridium кабелем с герметичным разъемом IP68; 11 - цифровой датчик измерения температуры воды, диапазон измерения 0-100°С, точность измерения ±0,5%, устанавливается в водоток, подключен к контроллеру RS485 терминала Iridium кабелем с герметичным разъемом IP68; 12 - цифровой датчик измерения электропроводности воды, диапазон измерения 0 - 2000 мкСм/см, точность измерения ±1%, устанавливается в водоток, подключен к контроллеру RS485 терминала Iridium кабелем с герметичным разъемом IP68; 13 - цифровой гидростатический датчик давления уровня жидкости, диапазон измерения 0-3 м., точность измерения ±0,25%, устанавливается на дне водотока, подключен к контроллеру RS485 терминала Iridium кабелем с герметичным разъемом IP68.

Доступ к текущим и сохраненным данным осуществляется после их передачи посредством спутниковой или 3G/4G связи через спутниковый терминал Iridium (2) на облачный сервис (6) и в конечном итоге на персональный компьютер (7).

Созданное устройство позволяет обеспечить непрерывные наблюдения за изменением разгрузки хлор-иона (массового расхода) в режиме реального времени. Автономное время работы устройства (без подзарядки аккумулятора от солнечной батареи), составляет не менее 36 часов.

Изобретение относится к устройствам, использующим анализ материалов в непрерывном потоке методом определения электрохимических параметров, и может быть использовано для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки и массового расхода водотока. Устройство для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки содержит водонепроницаемый ударопрочный кейс класса защиты IP67, в котором смонтированы: спутниковый терминал Iridium с интерфейсом RS485 и модулем 3G/4G; контроллер заряда аккумулятора от солнечной батареи; аккумуляторная батарея 12 В - 12 Ah; к контроллеру RS485 терминала Iridium посредством проводных соединений с герметическими разъемами IP68 сочленены внешние устройства: датчик измерения атмосферного давления, установленный на нижней стороне солнечной батареи, датчик измерения температуры воды, устанавливаемый в водоток; датчик измерения электропроводности воды, устанавливаемый в водоток, гидростатический датчик давления уровня воды в водотоке, устанавливаемый на дне водотока, солнечная батарея 12 В - 250 Вт, подключенная к контроллеру заряда аккумулятора кабелем с герметичным разъемом IP68, спутниковая антенна и 3G/4G антенна, подключенная к спутниковому терминалу Iridium кабелем с герметичным разъемом IP68, расчет получаемого массового расхода хлор-иона осуществляется программным способом в режиме реального времени на персональном компьютере по данным, полученным через спутниковый терминал Iridium с облачным сервисом или 3G/4G. Техническим результатом является возможность непрерывных удаленных измерений. 1 ил.

Устройство для оценки разгрузок хлоридного трассера в водотоки, осуществляющее измерения массового расхода хлор-иона и массового расхода водотока по непрерывным записям удельной электропроводности и температуры в водотоке и непрерывным записям уровня воды в водотоке, пересчет удельной электропроводности раствора в концентрацию хлор-иона выполняется с помощью эмпирической формулы для типовых водотоков с близким химическим составом

где C(t) - концентрация хлоридов (ppm),

T(t) - температура (°С),

SC(t) - удельная электропроводность (мкСм/см),

t - время,

А и В - эмпирические коэффициенты,

оценка массового расхода водотока Qr(t) осуществляется по формуле линейной зависимости расхода водотока от уровня воды в нем, где уровень воды определяется по разнице давлений двух датчиков давления (один из которых записывает атмосферное давление Patm(t), а второй - давление на дне русла водотока Pr(t)

где С и D - эмпирические коэффициенты,

для оценки эмпирических коэффициентов С и D осуществляется два дискретных запуска известного количества М хлор-иона (раствор NaCl) выше по течению, при каждом запуске массовый расход водотока Qr оценивается по площади прохождения трассера (хлор-иона) на графике временного прослеживания

где

t₁ - время начала регистрации трассера, а

t₂ - время окончания регистрации трассера,

в результате оценка массового расхода хлор-иона Q_Cl(t) в водотоке в режиме реального времени осуществляется по формуле

содержащее водонепроницаемый ударопрочный кейс класса защиты IP67, в котором смонтированы: спутниковый терминал Iridium с интерфейсом RS485 и модулем 3G/4G; контроллер заряда аккумулятора от солнечной батареи; аккумуляторная батарея 12 В - 12 Ah; к контроллеру RS485 терминала Iridium посредством проводных соединений с герметическими разъемами IP68 сочленены внешние устройства: датчик измерения атмосферного давления, установленный на нижней стороне солнечной батареи, датчик измерения температуры воды, устанавливаемый в водоток; датчик измерения электропроводности воды, устанавливаемый в водоток, гидростатический датчик давления уровня воды в водотоке, устанавливаемый на дне водотока, солнечная батарея 12 В - 250 Вт, подключенная к контроллеру заряда аккумулятора кабелем с герметичным разъемом IP68, спутниковая антенна и 3G/4G антенна, подключенная к спутниковому терминалу Iridium кабелем с герметичным разъемом IP68, расчет получаемого массового расхода хлор-иона осуществляется по указанной выше формуле (4) программным способом в режиме реального времени на персональном компьютере по данным, полученным через спутниковый терминал Iridium с облачным сервисом или 3G/4G.