RU179735U1 - DEVICE FOR MEASURING THE WATER LEVEL IN WATER BODIES - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к гидрометрии и может быть использована для измерения уровня воды в искусственных и естественных водоемах в целях изучения и мониторинга их водного режима. Устройство позволяет повысить оперативность и точность получения и передачи результатов измерений потребителю за счет автоматизации процесса с привязкой параметров к государственной нивелирной сети. Для решения проблемы в устройстве для измерения уровня воды в водоемах, содержащем так же, как и прототип, вертикально расположенную и закрепленную на дне водоема трубу, в нижней части которой размещены отверстия для подвода воды, при этом внутри трубы размещено свободно плавающее основание, перекрывающее сечение трубы по внутреннему контуру с зазором, в верхней части трубы размещено измерительное устройство, в отличие от прототипа измерительное устройство выполнено в виде геодезической аппаратуры GPS/ГЛОНАСС, состоящей из приемника с антенной и модема, при этом антенна приемника установлена на штанге, закрепленной на плавающем основании соосно главной оси трубы. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to hydrometry and can be used to measure the water level in artificial and natural bodies of water in order to study and monitor their water regime. The device allows to increase the efficiency and accuracy of receiving and transmitting measurement results to the consumer due to the automation of the process with binding parameters to the state leveling network. To solve the problem in the device for measuring the water level in water bodies, containing, as well as the prototype, a pipe vertically located and fixed at the bottom of the reservoir, in the lower part of which there are holes for water supply, while a freely floating base is placed inside the pipe, overlapping the section pipes along the inner contour with a gap, a measuring device is placed in the upper part of the pipe, in contrast to the prototype, the measuring device is made in the form of GPS / GLONASS geodetic equipment, consisting of a receiver with an antenna and modem, while the receiver antenna is mounted on a rod mounted on a floating base coaxially with the main axis of the pipe. 5 cp f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к гидрометрии и может быть использована для измерения уровня воды в искусственных и естественных водоемах в целях изучения и мониторинга их водного режима.The utility model relates to hydrometry and can be used to measure the water level in artificial and natural bodies of water in order to study and monitor their water regime.

Простейшее устройство для измерения уровня воды в реках, озерах и др. состоит из приспособления для отсчета уровня воды и реперов, закрепляющих положение точек, соответствующих измеренным высотам (водомерные посты). Существуют реечные водомерные посты с деревянной или металлической рейкой, прикрепленной вертикально к мосту, плотине и т.п., и свайные посты, оборудованные сваями, забитыми перпендикулярно к берегу. Для непрерывной записи колебаний уровня воды служат самопишущие приборы. Дистанционные устройства измерения уровня воды оборудованы механическими, электрическими и радиосистемами, передающими показания уровня к месту отсчета.The simplest device for measuring the water level in rivers, lakes, etc. consists of a device for counting the water level and benchmarks, fixing the position of points corresponding to the measured heights (water gauging posts). There are river gauge posts with a wooden or metal rail attached vertically to a bridge, dam, etc., and pile posts equipped with piles hammered perpendicular to the shore. Self-recording instruments are used to continuously record water level fluctuations. Remote devices for measuring the water level are equipped with mechanical, electrical and radio systems that transmit level readings to the reference point.

Недостатками таких устройств является местный характер измерений, т.к. водомерные посты не имеют геодезической привязки с государственной нивелирной сети и выполняют только локальные измерения уровня воды. Кроме того, в составе водомерного поста отсутствуют аппаратные и программные средства для автоматизации передачи данных об уровне воды конечным потребителям, или такие средства не являются полностью автоматизированными и требуют наличия оператора для обработки и отправки данных.The disadvantages of such devices is the local nature of the measurements, because water gauging posts do not have a geodetic reference from the state leveling network and perform only local measurements of water level. In addition, the water gauging station lacks hardware and software for automating the transfer of water level data to end users, or such tools are not fully automated and require an operator to process and send data.

Известно устройство водомерного поста по патенту RU №2010177, МПК G01F 23/04, опубл. 30.03.1994 г., содержащее подводящий канал с вертикальной стенкой, соединенный с входом колодца с боковой стенкой, первый выход которого сообщен с отводным каналом, регулятор потока и измерительное устройство, в которое введены конусное днище с отверстием и кольцевой лоток с входом и выходом. Измерительное устройство выполнено в виде шарового поплавка, установленного с возможностью перемещения по тросу и снабженного указателем, сопряженным с системой индикации в виде шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительных полос.A device for measuring the water gauge according to the patent RU No.2010177, IPC G01F 23/04, publ. 03/30/1994, containing a feed channel with a vertical wall, connected to the inlet of the well with a side wall, the first output of which is in communication with a drain channel, a flow regulator and a measuring device into which a conical bottom with an opening and an annular tray with an input and an output are inserted. The measuring device is made in the form of a ball float installed with the ability to move along the cable and equipped with a pointer paired with an indication system in the form of a scale consisting of multi-colored luminous reading and dividing strips.

Известно водомерное устройство по патенту RU №2485451, МПК G01F 23/00, опубл. 20.06.2013 г, содержащее вертикальную трубу, разделенную на две неравные части вертикальной перегородкой, причем вертикальная стенка первой части снабжена наклонными вверх с водоприемными прорезями-окнами, направленными навстречу потоку. Сверху труба снабжена камерой с самописцем и сообщает две части через поплавок и запорный орган, размещенный во второй части вертикальной трубы.Known water measuring device according to patent RU No. 2485451, IPC G01F 23/00, publ. 06/20/2013 g, containing a vertical pipe divided into two unequal parts by a vertical partition, and the vertical wall of the first part is equipped with sloping upwards with water-receiving slots-windows directed towards the flow. On top of the pipe is equipped with a camera with a recorder and communicates two parts through a float and a locking element located in the second part of the vertical pipe.

Недостатком изобретений является то, что измерительное устройство, входящее в их состав, выполнено в виде механической системы и для снятия показателей уровня воды необходимо непосредственное присутствие оператора у водомерного поста. Кроме того, измеренный уровень воды не имеет геодезической привязки к государственной нивелирной сети.The disadvantage of the invention is that the measuring device included in their composition is made in the form of a mechanical system and to take water level indicators, the direct presence of the operator at the water gauging station is necessary. In addition, the measured water level does not have a geodetic reference to the state leveling network.

Из известных решений наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства по технической сущности и назначению является устройство для измерения уровня воды в водоемах по патенту RU №2627569, МПК G01F 23/28, опубл. 08.08.2017 г. Устройство содержит вертикально расположенную трубу, в нижней части которой размещено отверстие для подвода воды в полость трубы, при этом внутри трубы размещен свободно плавающий поплавок, который выполнен в виде полого или сплошного диска, перекрывающего сечение трубы по внутреннему контуру с зазором. В верхней части трубы размещено измерительное устройство, зондирующий луч которого направлен преимущественно на центральную часть плавающего в воде диска. Для измерения уровня воды в водоеме трубу крепят к стойке, размещенной у берега, или к свае, вбитой в основание водоема.Of the known solutions, the closest analogue (prototype) of the proposed device for technical essence and purpose is a device for measuring the water level in water bodies according to patent RU No. 2627569, IPC G01F 23/28, publ. 08/08/2017. The device contains a vertically located pipe, in the lower part of which there is a hole for supplying water to the pipe cavity, while a freely floating float is placed inside the pipe, which is made in the form of a hollow or solid disk, overlapping the pipe section along the inner contour with a gap . In the upper part of the pipe there is a measuring device, the probe beam of which is directed mainly at the central part of the disk floating in the water. To measure the water level in a pond, the pipe is attached to a stand located offshore, or to a pile driven into the base of the pond.

В процессе работы устройства вода из водоема поступает в полость трубы и останавливается на уровне, соответствующем уровню воды в водоеме. Данный уровень принимается в качестве исходного базового уровня, относительно которого в дальнейшем ведется отсчет колебания уровня воды в водоеме. При этом зондирующий луч от измерительного устройства, попадая на центральную часть плавающего в воде диска, отражается от него в обратном направлении и поступает на вход устройства, где затем сигнал обрабатывается, и полученный результат, характеризующий изменение уровня воды в водоеме, выдается на дисплей устройства.During the operation of the device, water from the reservoir enters the pipe cavity and stops at a level corresponding to the level of water in the reservoir. This level is taken as the initial base level, with respect to which the fluctuation of the water level in the reservoir is subsequently counted. In this case, the probe beam from the measuring device, falling on the central part of the disk floating in the water, is reflected from it in the opposite direction and enters the device input, where the signal is then processed, and the result characterizing the change in the water level in the reservoir is displayed on the device display.

Недостатком изобретения, как и всех указанных выше аналогов, является невозможность получения и передачи данных об уровне воды в автоматизированном режиме и отсутствие геодезической привязки к государственной нивелирной сети, что снижает оперативность и точность получения потребителем результатов измерений.The disadvantage of the invention, like all of the above analogues, is the inability to receive and transmit data about the water level in an automated mode and the lack of a geodetic reference to the state leveling network, which reduces the efficiency and accuracy of the consumer receiving measurement results.

Предлагаемое устройство для измерения уровня воды в водоемах позволяет повысить оперативность и точность получения и передачи результатов измерений потребителю за счет автоматизации процесса с привязкой параметров к государственной нивелирной сети. Это в свою очередь позволяет осуществлять непрерывный дистанционный мониторинг за водным режимом водоемов.The proposed device for measuring the water level in water bodies allows to increase the efficiency and accuracy of receiving and transmitting measurement results to the consumer due to the automation of the process with binding parameters to the state leveling network. This in turn allows continuous remote monitoring of the water regime of water bodies.

Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: устройство для измерения уровня воды в водоемах, (содержащее так же, как и прототип, вертикально расположенную и закрепленную на дне водоема трубу, в нижней части которой размещены отверстия для подвода воды в полость трубы, при этом внутри трубы размещено свободно плавающее основание, перекрывающее сечение трубы по внутреннему контуру с зазором, в верхней части трубы размещено измерительное устройство) в отличие от прототипа измерительное устройство выполнено в виде геодезической аппаратуры GPS/ГЛОНАСС, состоящей из приемника с антенной и модема, при этом антенна приемника установлена на штанге, закрепленной на плавающем основании соосно главной оси трубы. В качестве модема для беспроводной связи с потребителем используется радиомодем. Для создания широкополосной мобильной связи в качестве модема может быть использован GSM/GPRS/3G/4G модем. Для поддержания автономности устройства в течение длительного времени электропитание GPS/ГЛОНАСС аппаратуры осуществляется блоком сменных аккумуляторов. Для обеспечения непрерывной работы устройства для питания GPS/ГЛОНАСС аппаратуры может быть использовано сетевое питание или солнечные батареи.To solve the problem, the following set of essential features is used: a device for measuring the water level in ponds, (containing, like the prototype, a pipe vertically located and fixed at the bottom of the pond, in the lower part of which there are holes for supplying water to the pipe cavity, while a freely floating base is placed inside the pipe, overlapping the pipe section along the inner contour with a gap, a measuring device is placed in the upper part of the pipe), unlike the prototype, the measuring device is made in the form of GPS / GLONASS geodetic equipment, consisting of a receiver with an antenna and a modem, while the receiver antenna is mounted on a rod mounted on a floating base coaxially with the main axis of the pipe. A radio modem is used as a modem for wireless communication with a consumer. To create mobile broadband, a GSM / GPRS / 3G / 4G modem can be used as a modem. To maintain the autonomy of the device for a long time, power supply of GPS / GLONASS equipment is carried out by a replaceable battery pack. To ensure the continuous operation of the device to power GPS / GLONASS equipment can be used mains power or solar panels.

Сущность полезной модели заключается в том, что мониторинг и наблюдения за уровнем воды осуществляется с помощью автоматизированной системы передачи данных с привязкой к Балтийской системе высот 1977 г., связанной с опорными геодезическими пунктами государственной нивелирной сети.The essence of the utility model is that the monitoring and observation of the water level is carried out using an automated data transmission system with reference to the 1977 Baltic altitude system, associated with the reference geodetic points of the state leveling network.

Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - повышение оперативности и точности получения и передачи результатов измерений, решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».A comparison of the proposed device and the prototype showed that the task is to increase the efficiency and accuracy of obtaining and transmitting measurement results, is solved as a result of a new set of features, which proves the conformity of the proposed utility model with the patentability criterion of "novelty".

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1).The essence of the claimed utility model is illustrated in the drawing (Fig. 1).

Устройство содержит закрепленную на дне водного объекта вертикальную трубу 1, в нижней части которой выполнены отверстия 2 для поступления воды в полость трубы. Внутри трубы 1 размещено свободно плавающее основание 3, перекрывающее сечение трубы по внутреннему контуру с зазором. На плавающем основании 3 соосно главной оси трубы закреплена штанга 4, на которой на высоте ДН от уровня воды установлена антенна приемника 5 геодезической аппаратуры GPS/ГЛОНАСС, включающей кроме приемника 5 модем 6. Отклонению от вертикальной оси штанги 4 препятствуют направляющие 7, установленные на внутренней поверхности трубы 1, при этом они не мешают свободному вертикальному перемещению основания 3 при повышении или понижении уровня воды. Питание приемника 5 GPS/ГЛОНАСС и модема 6 осуществляется посредством блока сменных аккумуляторов 8, которые поддерживают автономность устройства в течение длительного времени. Для бесперебойного питания аппаратуры могут быть использованы солнечные батареи. Питание на аппаратуру может также поступать от сети через электропроводные кабели, проложенные по дну водоема (на чертеже не показаны).The device comprises a vertical pipe 1 fixed at the bottom of the water body, in the lower part of which holes 2 are made for water to enter the pipe cavity. Inside the pipe 1, a freely floating base 3 is placed, overlapping the pipe section along the inner contour with a gap. A rod 4 is mounted on a floating base 3 coaxially with the main axis of the pipe, on which an antenna of the receiver 5 of the GPS / GLONASS geodetic equipment is installed at a height above the water level, including the modem 6 in addition to the receiver 5. The guides 7 mounted on the inside prevent the deviation from the vertical axis of the rod 4 the surface of the pipe 1, while they do not interfere with the free vertical movement of the base 3 with increasing or decreasing water levels. The power of the receiver 5 GPS / GLONASS and modem 6 is carried out by means of a block of removable batteries 8, which maintain the autonomy of the device for a long time. For uninterrupted power supply of the equipment, solar panels can be used. Power to the equipment can also come from the network through electrically conductive cables laid along the bottom of the reservoir (not shown in the drawing).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Перед подготовкой устройства к работе производится калибровка геодезической аппаратуры GPS/ГЛОНАСС к нулевому уровню воды по ближайшему опорному геодезическому пункту или по спутниковой геодезической сети в местной, региональной или глобальной системе высот и проекций. Далее антенна приемника 5 аппаратуры устанавливается на штангу 4, высота которой вводится в приемник 5 аппаратуры в качестве поправки ДН. Модем передает потребителю данные о высоте уровня расположения антенны, соответствующей уровню воды в водоеме с заданной периодичностью или по запросу потребителя -таким образом реализуется двухсторонняя связь.Before preparing the device for operation, the GPS / GLONASS geodetic equipment is calibrated to a zero water level at the nearest reference geodetic point or via a satellite geodetic network in a local, regional or global system of heights and projections. Next, the antenna of the receiver 5 of the equipment is installed on the rod 4, the height of which is introduced into the receiver 5 of the equipment as a correction of the beam. The modem transmits to the consumer data on the height of the antenna location level corresponding to the water level in the reservoir at a predetermined frequency or at the request of the consumer - this way two-way communication is realized.

При изменении уровня воды в водоеме через отверстия 2 происходит наполнение или опорожнение трубы 1, внутри которой в вертикальной плоскости при повышении или понижении уровня воды перемещается плавающее основание 3, на котором жестко закреплена штанга 4. Вместе со штангой изменяет свое положение и антенна приемника 5 аппаратуры GPS/ГЛОНАСС. Модем 6 аппаратуры передает сведения о высоте уровня расположения антенны, соответствующей с учетом поправки ДН текущему уровню воды в водоеме. Сведения могут храниться на внешнем сервере, в базе данных, веб-сайте или удаленном автоматизированном рабочем месте эксплуатирующей организации.When the water level in the reservoir changes through the openings 2, the pipe 1 is filled or emptied, inside which, in the vertical plane, when the water level rises or falls, the floating base 3 moves, on which the rod 4 is rigidly fixed. Together with the rod, the receiver antenna 5 also changes its position GPS / GLONASS. The modem 6 of the equipment transmits information about the height of the antenna location level, corresponding, taking into account the DN correction, to the current water level in the reservoir. Information can be stored on an external server, in a database, website or in a remote workstation of the operating organization.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить по сравнению с прототипом оперативность и точность получения данных об уровне воды в водоеме, так как в предлагаемом устройстве реализуется возможность автоматизированной передачи и обработки данных с привязкой измеряемого параметра к опорным пунктам государственной геодезической сети 2, 3 и 4-го класса.The proposed technical solution allows to increase the efficiency and accuracy of obtaining data on the water level in the reservoir compared to the prototype, since the proposed device implements the ability to automatically transmit and process data with reference of the measured parameter to the reference points of the state geodetic network of 2, 3 and 4 class .

Предлагаемая полезная модель была создана специалистами кафедры «Основ инженерного проектирования» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы совместно с ООО «ЗД спутниковая навигация», ООО «Фарватер» и ЗАО «НПК «ПРОМЭЛЕКТРОНИКА» и была успешно апробирована.The proposed utility model was created by specialists of the department "Fundamentals of Engineering Design" of FSBEI HE "State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarova ”as part of research work in conjunction with LLC“ ZD satellite navigation ”, LLC“ Fairway ”and ZAO“ NPK “PROMELECTRONIKA” and was successfully tested.

Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемого устройства для проведения мониторинга и наблюдений за уровнем воды с привязкой параметра к Балтийской системе высот 1977 г., с предельной погрешностью 2 см. Устройство также обеспечивает дистанционную передачу сведений об уровне воды конечным пользователям, что в дальнейшем позволяет выполнять объективный расчет повторяемости и обеспеченности стояния уровней воды, систематизацию и обработку гидрологических выборок за любой выбранный период наблюдения и интерполяцию данных.Calculations were made that showed the possibility of using the inventive device for monitoring and observing the water level with reference to the Baltic Altitude System 1977, with a margin error of 2 cm. The device also provides remote transmission of water level information to end users, which subsequently allows to carry out an objective calculation of the repeatability and provision of standing water levels, systematization and processing of hydrological samples for any selected observation period and inter data olation.

Изложенное, позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».The above allows us to conclude that the invention meets the criterion of "industrial applicability".

Claims (6)

1. Устройство для измерения уровня воды в водоемах, содержащее вертикально расположенную и закрепленную на дне водоема трубу, в нижней части которой выполнены отверстия для подвода воды в полость трубы, при этом внутри трубы размещено свободно плавающее основание, перекрывающее сечение трубы по внутреннему контуру с зазором, а в верхней части трубы размещено измерительное устройство, отличающееся тем, что измерительное устройство выполнено в виде геодезической аппаратуры GPS/ГЛОНАСС, состоящей из приемника с антенной и модема, при этом антенна приемника установлена на штанге, закрепленной на плавающем основании соосно главной оси трубы.1. A device for measuring the level of water in reservoirs, containing a pipe vertically located and fixed at the bottom of the reservoir, in the lower part of which holes are made for supplying water to the pipe cavity, while a freely floating base is placed inside the pipe, overlapping the pipe section along the inner contour with a gap and in the upper part of the pipe there is a measuring device, characterized in that the measuring device is made in the form of GPS / GLONASS geodetic equipment, consisting of a receiver with an antenna and a modem, while the receiver’s tenn is mounted on a rod fixed on a floating base coaxially with the main axis of the pipe. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве модема используется радиомодем.2. The device according to claim 1, characterized in that a radio modem is used as a modem. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве модема используется GSM/GPRS/3G/4G модем.3. The device according to claim 1, characterized in that the modem uses a GSM / GPRS / 3G / 4G modem. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для питания GPS/ГЛОНАСС аппаратуры используется блок сменных аккумуляторов.4. The device according to claim 1, characterized in that a unit of replaceable batteries is used to power the GPS / GLONASS equipment. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для питания GPS/ГЛОНАСС аппаратуры используется сетевое питание.5. The device according to claim 1, characterized in that network power is used to power the GPS / GLONASS equipment. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для питания GPS/ГЛОНАСС аппаратуры используются солнечные батареи.6. The device according to claim 1, characterized in that solar batteries are used to power the GPS / GLONASS equipment.

Images