Systém měření teplot v průzkumných vrtech odvalů po těžební činnosti

Systém měření teplot v průzkumných vrtech odvalů po těžební činnosti

Systém měření teplot v průzkumných vrtech odvalů po těžební činnosti byl navržen a vyvinut na zakázku společnosti Stavební geologie – Geotechnika, a. s. V principu se jedná o rozsáhlý distribuovaný systém autonomních hloubkových sond, jejichž hlavním úkolem je měření teploty v definovaných hloubkových hladinách. Naměřená data jsou automaticky bezdrátově předávána ke zpracování v centrálním počítači dispečinku. Zde jsou hodnoty zobrazovány, predikují se změny teplot v jednotlivých vrtech a hodnoty se archivují. Na nárůst teplot nad stanovenou mez je obsluha dispečinku upozorňována, a může zprostředkovat koordinaci činností k zamezení vzniku požáru.

1. Základní popis

Systém se skládá ze dvou základních částí: sestavy elektronické výstroje vrtu (obr. 1) a sestavy dispečinku. Sestavy vzájemně komunikují prostřednictvím sítě GSM na úrovních servisního módu a módu programového měření. Data se přenášejí krátkými textovými zprávami (SMS).

Základními požadavky zadavatele bylo dlouhodobé nákladově přijatelné měření teploty v rozsahu od 10 do 200 °C ve svislých a šikmých vrtech o hloubkách do 12 m. Vrt je rozdělen do hloubkových hladin. V těchto hladinách jsou na teleskopickém šroubovatelném ocelovém vodicím trnu fixovány snímače teploty. Vlastní vrt je vystrojen ocelovým pažením, na jehož vyústění je instalována hlavice s veškerou elektronikou. Pažení – ocelová výztuž vrtu – je do podloží vtlačováno vibračně.

Hlavice vrtu (obr. 2) je odvodněna, uložena v úrovni s okolním terénem a konstrukčně zabezpečena proti neoprávněnému přístupu.

V základní variantě jsou pro snímání teploty instalovány platinové odporové teploměry Pt 1000 s jímkami z korozivzdorné oceli a silokon-polymerovou izolací stíněného kabelu, zaručující bezporuchovou funkci snímačů až do teploty 450 °C [1]. Pro ověření dalších možností, byly laboratorně instalovány inteligentní snímače teploty firmy Smartec BV SMT 160-30 pro rozsahy teplot do 135 °C [2]. Snímače teploty jsou v jednotlivých patrech vrtu fixovány v uchyceních spojů segmentů vodicího trnu (obr. 3). V rámci jednoho vrtu je snímána hodnota teploty v několika hloubkových hladinách odstupňovaných od povrchu vždy po 3 m. Podle hloubky vrtu jsou vrty vybaveny elektronikou se třemi (6 m) čtyřmi (9 m) nebo pěti (12 m) snímači. Vlastní elektronika však umožňuje realizovat měřicí informační systém s až 253 snímači teploty.

Součástí snímače v dané hladině je také snímač výšky vodní hladiny, umožňující signalizovat zatopení vrtu spodní nebo dešťovou vodou. Zatopení pažení vrtu až do výšky spodní úrovně hlavice vrtu však nemá vliv na funkčnost systému. Vedení snímačů jsou elektricky propojena do svorkovnice umístěné v hlavici vrtu. Hlavice vrtu tvořená válcovou hermeticky uzavíratelnou nádobou s horním víkem je rozebíratelně spojena s hrdlem pažení vrtu. Elektronické moduly jsou integrovány do jednoho celku a propojeny kabelem s hlavní svorkovnicí. Vedle modulu elektroniky je zde umístěn 12V akumulátor o kapacitě 26 A·h. Modem GSM je propojen s plošnou anténou, umístěnou v laminátovém vrchlíku víka hlavice vrtu, stíněným anténním kabelem.

Servisní obsluha vrtu komunikuje s vrtem bezdrátově z centrálního dispečinku radiomodemem nebo pomocí mobilního telefonu akreditovaného v systému nebo místně po odklopení víka hlavice vrtu po metalickém vedení sběrnicí I²C. Při servisním zásahu lze všechny funkce simulovat metalickým připojením testovacího a simulačního přípravku do servisního slotu elektroniky po sejmutí víka hlavice vrtu.

Tab. 1. Základní technické parametry

^*) Perioda měření ovlivňuje hodnotu obnovitelné životnosti akumulátoru. Uvedená hodnota je platná pro dobu mezi dvěma komunikačními přenosy delší než 24 h.

Vlastní procesy měření, archivace a přenosu dat jsou řízeny mikroprocesorem Motorola HC12. Při implementaci platinových teploměrů Pt 1000 je jejich signál přes proudově napájený Whaetstoneův můstek zesilován na úroveň 0 až 5 V a zpracován A/D převodníkem mikroprocesoru. Při implementaci snímačů teploty SMT 160-30 je signál z nich veden přímo na digitální vstupy mikroprocesoru. Signály z jednotlivých snímačů v obou variantách jsou přiváděny přes přepínací pole řízené digitálními výstupy mikroprocesoru.

Sériovým výstupem je mikroprocesor propojen s modemem GSM Siemens MC35 [4]. Přes tento modem se v servisním módu programuje perioda měření a perioda servisního „okna“, tj. intervalu, v němž je možné měnit základní nastavení parametrů měření. Při přenosu dat jsou modemem převzata data zaprotokolovaná mikroprocesorem a ta jsou vyslána jako SMS do dispečinku. Současně s programem měření teploty se měří a testuje celý systém – měří se přítomnost vlhkosti, vody, překročení povolené teplotní diference znamenající prudší nárůst teploty než předpokládaný, změna napětí akumulátorů či překročení limitů ovlivňujících funkčnost vrtu, otřesy vrtu nebo hlavice či neoprávněný přístup odejmutím víka hlavice vrtu. Tyto testovací postupy a sekundární měření mají za úkol informovat dispečink generováním mimořádného informačního bulletinu či alarmu o nutnosti zásahu v místě vrtu či vykonání plánované servisní činnosti.

2. Měřicí subsystém

Řetězec měřicího informačního systému vrtu je možné rozdělit do několika částí. Důležitou roli hraje analogová část s připojenými odporovými snímači teploty a způsob jejich napájení proudovým zdrojem, které mají velký vliv na dodržení dlouhodobé výsledné přesnosti měření lepší než 1 °C v intervalu teplot do 100 °C a lepší než 3 °C v intervalu od 100 do 200 °C.

Analogová část měřicího subsystému (obr. 4) se skládá z měniče napětí, zdroje konstantního proudu, dvou analogových multiplexorů (spínačů) a zesilovače.

Přes analogový spínač mult1 je zdroj konstantního proudu připojen k právě měřenému snímači teploty. Druhým analogovým spínačem mult2 se vybírá, z kterého snímače teploty je odebírán signál. Použitím dvou spínačů mult1 a mult2 je vyloučena chyba měření způsobená úbytkem napětí na spínači¹⁾.

Operační zesilovač upravuje výstupní napětí obvodu z rozsahu 0,9 až 2,5 V na napětí 0 až 5 V zpracovatelné D/A převodníkem mikroprocesoru. Měnič v analogové obvodové části vytváří ze vstupního napětí +5 V napětí pro multiplexory a operační zesilovač. Pro generování napětí ±10 V (popř. ±7,5 V) jsou využity funkce obvodu ICL232 v základním zapojení. Jeho logické vstupy a výstupy využity nejsou.

Snímače teploty jsou napájeny zdrojem konstantního proudu. Jako zdroj konstantního proudu je použit obvod LM334 v základním katalogovém zapojení. Pro doporučený proud o hodnotě 1 mA tekoucí snímači teploty byl podle dokumentace obvodu LM334 stanoven odpor R_SET = 68 W.

Jako přepínače měřicích míst jsou použity obvody CMOS4051, obsahující v jednom pouzdru osm analogových spínačů a řídicí logiku²⁾.

Pomocí adresovacích vstupů řízených z digitálního výstupu mikroprocesoru je spínán vždy jeden ze spínačů a tím zvolen jeden měřený kanál.

Jako výstupní zesilovač upravující amplitudu signálu pro zpracování A/D převodníkem mikroprocesoru je použit integrovaný operační zesilovač OP27. Vstupní signál je přiváděn přímo na neinvertující vstup. Na invertující vstup je přiváděn signál z výstupu a z referenčního zdroje tvořeného obvodem LM385. Zesílení a ofset jsou zajištěny pomocí odporové sítě.

Pokusně byly pro měření teploty využity snímače teploty firmy Smartec BV SMT 160-30. V této variantě se za cenu snížení mezní pracovní teploty (+135 °C) zapojení zjednoduší a zlevní. Výstupy snímačů s šířkově modulovaným signálem jsou přímo přes vstupní svorkovnici přivedeny na digitální vstupy mikroprocesoru HC12. Mikroprocesor podle naprogramovaného algoritmu převodu počítá hodnotu teploty.

3. Shrnutí

Systém měření teplot v průzkumných vrtech odvalů po těžební činnosti je v současnosti připraven v podobě funkčního prototypu vrtu.

Je zřejmé, že velmi podobným měřicím informačním systémem využívajícím služby sítí GSM (SMS nebo GPRS) je možné monitorovat z jednoho (i mobilního) pracoviště nejen teploty, ale obecně zařízení umístěné v principu kdekoliv na světě.

Je jen otázka času a trendů provozních nákladů, kdy tato technologie nabude hromadného uplatnění.

Ing. Radovan Hájovský a Ing. Bohumil Horák, Ph.D.,
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava,
Fakulta elektrotechniky a informatiky, katedra měřicí a řídicí techniky
(radovan.hajovsky@vsb.cz, bohumil.horak@vsb.cz)

¹⁾ Úbytek napětí na spínači mult1 se nepodílí na změřené hodnotě a spínač mult2 spíná do vysoké impedance.
²⁾ Pro spolehlivé spínání musí být napájecí napětí alespoň o 2 V větší (popř. menší) než největší (popř. nejmenší) vstupní hodnota. Proto je napájecí napětí tohoto obvodu +8 V, popř. –5 V.