Medidor de flujo por tomografía ultrasónica submarina para ATV

1. Antecedentes del plan

1.1 Sección Nacional de Examen Hidrológico

Hidrología: se refiere a diversos fenómenos como los cambios y movimientos del agua en la naturaleza. Es una disciplina que estudia las diferentes distribuciones y cambios temporales y espaciales en la naturaleza. Según un informe del Diario del Pueblo del 23 de enero de 2020, las estaciones chinas de monitoreo hidrológico han crecido de 353 en la Nueva China a 121.000, y la densidad general de la red de estaciones ha alcanzado el nivel de un país moderadamente desarrollado. Desempeñan un papel clave en la prevención de inundaciones, la resistencia a la sequía, la reducción de desastres, la gestión de recursos hídricos y la protección ecológica.

Con el avance de la tecnología, la tecnología del Internet de las Cosas ha ingresado silenciosamente en nuestras vidas y se ha aplicado en diversos campos. Aspectos como la hidrología y la conservación del agua, la supervisión industrial, las ciudades inteligentes, la gestión inteligente del agua, entre otros, están conectados a servidores en la nube a través del Internet de las Cosas, lo que mejora la eficiencia, la flexibilidad y la capacidad de respuesta de la producción mediante el análisis y procesamiento de macrodatos.

El 16 de marzo de 2016, el Ministerio de Ecología y Medio Ambiente anunció el "13º Plan Quinquenal" para el establecimiento de una red nacional de monitoreo de la calidad ambiental de las aguas superficiales. El plan incluye 2767 secciones (puntos) nacionales de control, de las cuales 717 son secciones de investigación de tendencias que no están sujetas a evaluación, y las 2050 secciones restantes son secciones nacionales de evaluación de aguas superficiales (en adelante denominadas "secciones nacionales de evaluación").

La sección de examen nacional pertenece a las secciones de evaluación, monitoreo y clasificación (puntos) de la red nacional de monitoreo del medio ambiente de aguas superficiales, con el objetivo central de mejorar la calidad del medio ambiente acuático, satisfaciendo las actuales necesidades de gestión ambiental, como la evaluación de los objetivos de prevención y control de la contaminación del agua en cuencas y la clasificación de la calidad del medio ambiente acuático urbano. Características de la sección de examen nacional: sección amplia, operando bajo condiciones de bajo caudal durante todo el año.

Con el telón de fondo de la etapa de operación sustantiva del sistema de jefes de ríos en todos los niveles de la cuenca, las oficinas de gestión de cada cuenca han comenzado a desempeñar activamente un papel de coordinación y articulación de la cuenca, mediante actividades como reuniones conjuntas del sistema de jefes de ríos, monitoreo de objetos flotantes, gestión transfronteriza de ríos y lagos, programación del caudal ecológico y otros mecanismos de control hídrico. Cada unidad debe otorgar gran importancia al logro de los objetivos de caudal ecológico y garantía de flujo establecidos por el Ministerio de Recursos Hídricos, especialmente en la programación durante la temporada seca. Las oficinas de jefes de ríos de cada cuenca desempeñarán plenamente su papel de coordinación de la cuenca, mejorando continuamente las capacidades de supervisión y coordinación de ríos y lagos en la cuenca, profundizando y perfeccionando aún más el mecanismo colaborativo de gestión del agua "cuenca + región", coordinando la promoción del manejo colaborativo entre aguas arriba y aguas abajo, orillas izquierda y derecha, y ríos principales y afluentes; colaborando con diversas ciudades de la cuenca para resolver los problemas difíciles y obstaculizantes en la gestión y protección de ríos y lagos, y promoviendo conjuntamente una agua fluida y limpia en la cuenca.

1.2 Métodos comunes de medición para el caudal transversal

1: Medición de flujo mediante teleférico

2: Velocidad acústica Doppler ADV

3: Perfil Acústico Doppler Analizador ADCP, HADCP

4: Método tradicional de diferencia de tiempo por ultrasonidos

5: Cálculo del caudal para estructuras hidráulicas (alcantarillas y compuertas)

6: Cálculo del caudal utilizando el método del gradiente del nivel de agua

7: Medición de la velocidad de onda de superficie por radar para calcular el caudal

8: Nuevo reconocimiento visual Medidor de flujo

9: Nuevo Sección de tomografía acústica al MEDIDOR DE FLUJO ATV

Para secciones de gran sección transversal y baja velocidad de flujo, siempre han existido importantes problemas con la medición del flujo. Para cumplir con los requisitos de medición mencionados anteriormente, también se debe prestar atención a una instalación sencilla, la medición en tiempo real y el hecho de no interferir con el uso normal del cauce del río. El caudal transversal de la tomografía acústica ATV es un producto especializado diseñado según la definición anterior.

2. Introducción al esquema

2.1 Tecnología de tomografía acústica

La tecnología acústica solía desempeñar un papel importante en la observación ambiental marina, y con la expansión de sus aplicaciones, también se ha convertido en uno de los medios clave para la medición de otros cuerpos de agua. La tecnología de tomografía acústica, especialmente la aplicación de tomografía acústica de frecuencia 15-88K, también ha pasado desde las desembocaduras de ríos y costas hacia la medición de aguas superficiales, aguas subterráneas y otros cuerpos de agua.

El medidor de flujo de la sección de tomografía acústica ATV automatizada Autai utiliza una transmisión acústica recíproca bajo el agua (también conocida como transmisión acústica bidireccional) para el cálculo de inversión de tomografía acústica (flujo de temperatura), y emplea modelos de Fourier para reconstruir la velocidad del sonido, el campo de temperatura y el campo de flujo en dos dimensiones.

Las ondas sonoras tienen características de propagación superiores en el agua y constituyen una forma eficaz de radiación para la transmisión a larga distancia de energía e información en aguas superficiales. Debido a la estratificación, las olas superficiales máximas, las olas internas, la reflexión, la dispersión, la absorción y la frontera entre la superficie del agua y el fondo, las ondas sonoras transportan una gran cantidad de información sobre la trayectoria de propagación durante su avance en el agua. Al analizar la frecuencia, la fase, el tiempo y la estructura multipath de las señales acústicas, se puede inferir mucha información sobre el agua.

La tecnología de tomografía es un método de observación por inversión que puede utilizar radiación acústica para penetrar el medio medido desde diferentes ángulos, e invertir las propiedades del medio medido al medir las diferencias en sus características de absorción y tiempo de propagación. La tomografía acústica es una técnica que utiliza los cambios medidos en el tiempo de propagación para invertir parámetros del campo de temperatura y flujo. La inversión tendrá en cuenta los cambios de parámetro de temperatura, salinidad y profundidad.

La medición del flujo en sección transversal solo requiere datos de velocidad crítica, por lo que no es necesario obtener una distribución precisa del campo de flujo de cada perfil, y por lo tanto no hay necesidad de invertir mediante el monitoreo multidimensional de datos acústicos. Al basarse en la variación temporal de las ondas acústicas directas y la reverberación de ondas multipath en dos puntos, se puede invertir la velocidad promedio del flujo en sección transversal bidimensional. Utilizando el principio de tomografía acústica de reciprocidad de transmisión de alta frecuencia (reciprocidad cruzada de 1 segundo), se logra una medición rápida con una inversión limitada, y el sistema tiene un pequeño ciclo de medición de 5 segundos.

Después de que la señal ultrasónica es emitida desde el host, dentro de un rango angular de 65 grados, la onda acústica directa y la reverberación de ondas multipath son obtenidas por el slave para obtener una señal completa; tras un intercambio mutuo, las ondas sonoras del slave son recibidas por el host a través de las mismas ondas sonoras del canal; la señal acústica puede reflejar básicamente las propiedades del campo de velocidades de toda la sección transversal del agua, representando las características acústicas promedio de dicha sección. La información acústica bidireccional se invierte mediante tomografía para obtener datos de variación temporal, convirtiendo así el valor promedio de la velocidad de flujo de la sección transversal. (Como se muestra en la figura siguiente:)

2.2 Otros algoritmos especiales

Gestión del Pool de Datos: Basándonos en la experiencia de aplicación de casos reales de instalación, hemos descubierto muchos algoritmos prácticos

Algoritmo de neumático de repuesto: El host cuenta con una potente capacidad integrada de autoaprendizaje. Cuando la calidad de la medición (onda de sonido: coincidencia de características) alcanza el umbral establecido, el dispositivo aprenderá continuamente la relación entre el caudal, el flujo y el nivel del agua, registrando la adaptación durante un largo período. Cuando la calidad de la medición sea inferior al valor establecido y la duración alcance el tiempo establecido, el dispositivo entrará en modo de corrección automática basado en los datos de autoaprendizaje.

2.3 Declaración de patente

Las tecnologías patentadas aplicadas a este producto incluyen (a julio de 2021, excluyendo las patentes en etapa de solicitud durante este período):

1: Estructura de instalación del medidor de velocidad de la sección de tomografía acústica; ZL20201960851.8

2: Sistema de estimación de retardo temporal de alta precisión para ondas ultrasónicas submarinas; ZL202022032230.X

3: Un caudalímetro de tomografía acústica ultrasónica submarina en sección transversal; ZL202022094871.8

4: Ultrasónico Medidor de nivel Shell (Integrado); ZL202130086557.2

5: Carcasa de sonda del medidor de flujo; ZL202030043609.3

6: Una línea doble Medidor de nivel ultrasónico ; ZL202020142207.3

7: Instrumento IoT de ultra bajo consumo alimentado por batería basado en NB IoT; ZL201921790068.9

8: Un medidor segmentado de diferencia de nivel de líquido adaptativo a la energía; ZL201921790067.4

9: Una unidad de pantalla multifuncional; ZL201920347290.5

10: Un instrumento de medición ultrasónico de nivel con control de energía inteligente; ZL201920350123.6

11: Un tipo de fuente de alimentación con interruptor para instrumentos; ZL200920138383.3

2.4 Declaración de Derechos de Autor del Software

Los derechos de autor del software aplicados a este producto incluyen (hasta abril de 2021, excluyendo patentes en etapa de solicitud durante este período):

1: Plataforma de Datos en la Nube de Automatización Aotai [denominada Plataforma IoT] V1.02019SR0363471

2: Software del medidor de flujo de tomografía acústica ultrasónica ATV V1.02020SR1107703

2.5 Tomografía acústica y método de diferencia de tiempo

Cuando el ancho del río es pequeño (dentro de los 20 metros): el tiempo de la onda sonora es corto, la onda directa es fuerte, y se vuelve posible la medición convencional de la diferencia de tiempo (la conexión por cable de doble máquina es más fácil de lograr);

Cuando el ancho del río es mediano (20-200 metros) y grande (más de 200 metros): la compleja y variable estructura de múltiples trayectorias de las señales acústicas submarinas, junto con los fuertes problemas de desvanecimiento aleatorio, tienen un impacto fatal en los métodos convencionales de diferencia de tiempo (canal único, canal múltiple), sumado al problema de la comunicación inalámbrica entre dos máquinas.

2.6 Tomografía acústica y otros métodos de medición

En la medición del caudal de ríos y vías fluviales, es necesario lograr una medición a largo plazo y en tiempo real.

Otras mediciones desde tierra: buen rendimiento en tiempo real, representatividad transversal insuficiente, difícil establecer relaciones;

Sobrevuelo aéreo: Pobre rendimiento en tiempo real, buena representatividad transversal, ciclo de medición único. Cuando hay un cambio significativo en la velocidad del flujo durante el ciclo de medición, es difícil cerrar y el costo es alto;

3. Composición del producto

3.1 Componentes básicos

1: Sistema de suministro de energía, capaz de utilizar electricidad de red y energía solar (una estación maestra y una estación esclava)

Nota: Panel solar: 200 W, batería: 150 Ah

2: Sistema de estación maestra, sistema de estación esclava

3: Adjunto: Ultrasónico medidor de nivel de agua , sensor de conductividad de temperatura del agua y soporte de instalación (lado de la estación principal)

4: Caja de instrumentos para exteriores (una estación maestra y una estación esclava)

5: Base, puede ser de cemento o estructura de acero (una para la estación principal y otra para la estación esclava)

3.2 Componentes principales

1: Host de ATV, esclavo de ATV

La aplicación de una pantalla LCD a color de 7 pulgadas proporciona una mejor experiencia de interacción hombre-máquina para diagramas de ondas y menús;

2: Antena de banda ancha para la banda de frecuencia 5G (dedicada a enlace inalámbrico de datos)

Enlace inalámbrico de alta velocidad para datos de larga distancia: la aplicación de un nuevo tipo de puente amplía la distancia de comunicación hasta 5 kilómetros, con una frecuencia de funcionamiento de 5,8 GHz y una capacidad de comunicación sin errores de 38 KB para datos maestro y esclavo cada 5 segundos (con un ciclo de actualización del valor de medición). Esta tecnología no depende de estaciones públicas de comunicación 4G/5G, lo que permite a los dispositivos operar de manera independiente sin costos de comunicación.

3: Soporte de instalación (incluyendo transductor de sonar)

Transductor

40 kHz: Apto para 20-500 metros

25 kHz: Apto para distancias mayores a 500 metros

4: Posicionamiento dual-modo GPS Beidou y antena de tiempo de alta precisión

Servicio de tiempo y posicionamiento de alta precisión: mediante Beidou/GPRS/Glonass, el tercer examen simulado ofrece un servicio de tiempo de alta precisión; la precisión de sincronización entre las computadoras maestra y esclava se controla por debajo de 20 nanosegundos, cumpliendo así con los requisitos de sincronización para la medición de diferencias de tiempo.

5: Antena de comunicación 4G NB IoT

Con módulo IoT integrado, admite comunicación 4G/GPRS, cuenta con una ranura de red completa incorporada, y la aplicación del módulo 4G LET UserCAT. 1 hace que sea extremadamente práctico cargar datos en la plataforma Aotai Cloud o en plataformas de nube de terceros;

6: Medidor ultrasónico de nivel de agua

El medidor integrado de nivel de agua por ultrasonidos funciona con 12 VCC y se comunica con el host a través de RS485. La altura de instalación se establece según la elevación del punto de instalación, y la señal de elevación del nivel de agua se obtiene directamente. La adquisición de los datos de elevación del nivel de agua se combinará con los datos de elevación de la base para calcular el área de descarga, convirtiendo así el valor de la velocidad de flujo en un valor de caudal;

7: Medidor de temperatura/conductividad del agua

Los sensores externos de temperatura y conductividad del agua pueden convertir con precisión la velocidad del sonido bajo el agua.

4. Descripción de la función del producto

4.1 Elevación de la base

El ATV puede generar datos de descripción del perfil longitudinal para 50 puntos, ingresando los datos de distancia mar adentro (generalmente desde la orilla izquierda hasta la orilla derecha) y los correspondientes datos de elevación del terreno submarino para cada punto. La elevación base de una sección de río es un parámetro necesario para medir el caudal de diversos canales fluviales. El área del agua solo puede calcularse midiendo la elevación, el nivel del agua y el relieve de la sección. Luego, los datos del caudal pueden calcularse multiplicándolos por los datos de velocidad del flujo medidos con instrumentos y equipos.

4.2 Terminal de Comunicación

El terminal de pantalla multifuncional del IoT (en adelante denominado el terminal) debe utilizarse junto con un instrumento principal o un sensor digital. El terminal proporciona una fuente de alimentación de 24 V/12 V, que puede suministrar energía a los sensores. Al comunicarse con los sensores digitales a través de la interfaz 485 de los sensores del terminal, se puede lograr un sistema de medición con un solo terminal y múltiples sensores digitales.

La fuente de alimentación del terminal puede seleccionarse entre 220AC, 24VDC y 12VDC, y puede alimentarse mediante red eléctrica o energía industrial, o bien por diversos tipos de baterías o sistemas de energía solar. El terminal puede conectarse fácilmente a diversas plataformas inalámbricas, como GPRS y WIFI, y cargar los datos de señal transmitidos por sensores digitales al servidor en la nube.

Principio de funcionamiento

Las señales de entrada se recopilan a través de interfaces de comunicación o AD, y los valores de medición se obtienen mediante análisis de señal. Los valores de medición se muestran en la pantalla LCD, y las señales se cargan a la nube a través de GPRS.

Principales parámetros técnicos

Condiciones de uso: Temperatura ambiental: 0~50 °C; Humedad relativa: £ 90% HR;

Voltaje de la fuente de alimentación: 90-265 VAC o 24 ± 10 % VCC o 12 ± 10 % VCC;

Precisión: ± 0,5% F.S. + 1 palabra;

Características de entrada: Tipo de corriente: Impedancia de entrada <300Ω;

Características de salida:

Capacidad del relé: 0,5 A / 240 V CA, resistiva;

Impedancia de carga de salida del transmisor de tipo actual: <600Ω;

Potencia de salida: 12 ± 10% V CC/30mA;

Consumo de energía: <5 W;

5. Ventajas del plan

1: Los enlaces de datos de la máquina dual maestro y esclavo pueden conectarse y interactuar de manera autónoma, sin depender de la red pública o de la estación;

2: Los datos se cargan a través de la red pública, y en caso de falla de la red pública, también se puede seleccionar la Comunicación por Mensajes Cortos Beidou (RDSS);

3: Puede mostrarse en tiempo real en plataformas de visualización de gran escala de terceros;

4: Puede equiparse con múltiples terminales de pantalla IoT de parámetros múltiples para mostrar datos en tiempo real;

5: Puede estar equipado con funciones de advertencia por voz telefónica, advertencia por SMS y advertencia por correo electrónico;

6: Apto para uso en condiciones de bajo flujo, flujo cero y flujo negativo;

7: Fuerte capacidad de medición en tiempo real, ciclo de medición rápido: 5 segundos;

8: Según las normas de diseño de instrumentos industriales, tiene una fuerte capacidad de protección contra interferencias y rayos.

6. Configuración del esquema

6.1 Alcance del suministro de automatización de Aotai