Передача информации по гидроакустическому каналу в водопроводных сетях

Современное состояние систем водоснабжения – результат сотен лет развития и больших материальных затрат. Размер, стоимость и сложность современных систем водоснабжения накладывают определенные ограничения на быструю замену водопроводных сетей. Многофазные процессы, вызванные статическими факторами (например, транспортируемой водой по водопроводу, видом прокладки водопровода) и динамическими факторами (например, климатические условия, зоны повышенного давления) приводят к ухудшению структуры водопроводных магистралей и возрастающим количеством отказов. Очень часто механизмы, приводящие к отказам водопроводных магистралей, имеют комплексный характер.

В соответствии с Водной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 27.08.2009 Number 1235-р, развитие жилищно-коммунального комплекса, ориентированное на обеспечение гарантированного доступа населения России к качественной питьевой воде, рассматривается как задача общегосударственного масштаба, решение которой должно быть осуществлено за счет реализации мероприятий федеральной целевой программы «Чистая вода» на 2011–2017 годы. Объекты водоснабжения и водоотведения, строительство и реконструкция которых осуществляется в рамках данной Программы, подлежат обязательному оснащению приборами учета используемых энергетических ресурсов в соответствии с требованиями статьи 13 Федерального закона от 23.11.2009 Number 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

При этом возникающие экологические проблемы и требования потребителей водных ресурсов, стали существенно влиять на развитие системы водоснабжения и соответственно улучшение услуг жилищно-коммунального хозяйства. Требования потребителей основаны на стремительном развитии передовых технологий систем водоснабжения.

Современный уровень развития инфо-коммуникационных технологий позволяет перевести большинство объектов жилищнокоммунального хозяйства на автоматический режим работы с предоставлением возможности дистанционного мониторинга и управления сетью объектов с единых диспетчерских пунктов [1-5]. Такой подход приводит к снижению затрат на эксплуатацию объектов, позволяет сократить численность их персонала при одновременном существенном улучшении качества обслуживания, решении задачи автоматизированного учета и оптимизации управления технологическими процессами. Получение объективной информации позволяет реально оценивать истинное состояние объектов и их оборудования, что обеспечивает принятие обоснованных решений для планирования организационно-технических мероприятий.

Метрологические характеристики автоматизированных систем учета гидроресурсов достаточно высоки, однако имеются и недостатки: применение ненадежных радио и проводных систем связи, наличие достаточно мощного источника питания, работающего от общей сети энергоснабжения, отсутствие унификации протоколов связи, работа программы верхнего уровня с несколькими драйверами и т.п.

В тоже время применение ультразвуковой технологии передачи данных для учета гидроресурсов, позволит проводить измерение и передачу данных, используя гидроакустический канал связи в водопроводных сетях.

Поэтому несомненный теоретический интерес представляет оценка гидроакустического канала связи в водопроводных сетях. Гидроакустическая система связи основана на обмене акустическими сигналами между стационарными узлами в сети через воду, текущую в водопроводе. Во время распространения по водопроводной трубе акустическая волна подвергается искажениям, которые изменяют ее форму, амплитуду, частотные и фазовые характеристики [6].

Таким образом, актуальны разработки и обоснования технологии исследования водопроводных сетей, ультразвуковыми методами с целью повышения эффективности диагностики водопроводов, а также предупреждения чрезвычайных ситуаций и мониторинга экологической обстановки.

Результаты расчетов

Область исследований акустического канала связи в водопроводных трубах, в настоящее время слабо изучена. Ограниченное пространство водопроводной трубы создает серьезное многолучевое распространение волн [7]. Основанием для данного утверждения, яв- ляется эмпирическое правило [8], которое определяет верхний предел частоты сигнала относительно расстояния передачи (при расстоянии 500м, максимальная частота, которая может использоваться для передатчика, составляет приблизительно 80 кГц), при этом изменения экологических переменных, являющихся важными в открытой водной среде, имеют минимальные значения в водопроводной сети.

Наличие различных препятствий, изменений в геометрии трубопровода (изгибы, ответвления и т.п.), также являются источниками искажений передаваемого сигнала. Отражения акустической волны от препятствий трубопровода рассеиваются в окружающей водной среде, при этом значительно уменьшая энергию волны и увеличивая многолучевое распространение. Дисперсионный характер распространения акустической волны в водопроводе наблюдается с помощью одиночных импульсов и волнами определенного спектра частот. Эти волны, распространяясь по водопроводу, регистрируются на определенных расстояниях вдоль его длины несколькими приемниками, расположенными в различных точках через поперечный разрез водопровода. Полученные таким образом данные позволят изучить искажения импульсов по амплитуде, фазе и частоте, в зависимости от множественных препятствий, материалов и конфигураций водопровода.

Рассмотрим источник с координатами ( r 0 , 0 0 ,x 0 ) расположенный внутри упругой цилиндрической трубы, заполненной водой (рисунок 1).

Рисунок 1 – Вид расположения источника сигнала внутри трубы

Для определения уравнения акустического давления внутри водопроводной трубы применяем уравнение Гельмгольца в цилиндрических координатах [9-11]:

1 d_ r dr

dm) ( 1 ) d 2ф d 2ф r l+H-l +    + к ^ф = dr) I r2) d02   dxx

5 ( r - / 0 ) 5 ( 0-0 0 ) 5 ( x - x 0 ) 2 n r

,   2nf где: k = —— - волновое число; c - скорость звука в воде; (r,60, x0) - координаты источника акустического сигнала. Применяем метод разделения                     переменных:

ф ( r , 6 , x ) = R ( r ) 0 ( 6 ) X ( x ) .

Решение для радиуса R является урав-

N

p(r , 6 , x ) = £ A n B . d - ¹ x ^— x • ' ,    (2)

n =• где p(r, 6, x) - акустическое давление внутри трубы; An = Jn(nr)0n(6^;

Bn = Jn (nr)0n (9). Используем ортогональ ность J n и 0 n :

нением Бесселя:

1 d ( dR ) --1 r — 1 +

R dr V dr J где n и k_r - константы.

k r V

—

n 4 = • . r J

N p (r, o, x)=£ (Jn (n -•)e(Oo)) Jn (nr )0 n (6) eY1 x—-'

•

n = •

В работе рассматриваем только решения, которые удовлетворяют граничным усло-

Вводим граничные условия, исключаем из рассмотрения поперечные волны к оси OX , и применяем только функции Бесселя первого

виям

на

стенках

трубы:

рода, порядка n . Принимаем во внимание что

R ( r ) = J n ( n r ) , 0 n ( 6 ) =

sin 6 ,

cos 6 ,

и акустическая

волна распространяется только в направлении

оси OX ( X ( x ) = d i ^{1 x} ):

^J' _n ⁽ n ^r ) = d-J_n ⁽ n ^r )

dr

= • , и моды радиально-

r = R

го волнового числа n„m , удовлетворяющие ус

ловию: y„„, =\/ k ² — nL . nm nm

Таким образом, если источник расположен внутри упругой цилиндрической трубы, то акустическое давление на акустическом ре-

гистраторе:

0.5

-0.5

n        ” ”

P ⁽ r , ⁶ , x , to ) =    f H^^

^cR        n = • m = 1

^Jn ⁽ n nm^r 0 ) ^cos( n ⁶ 0 ) ^Jn ⁽ n nm^r ) ^COs( n ^{6 )}

Вид исходного сигнала

а)

n1

(1 —      J n ( n nm )) 2

ⁿ nm

d Y nm x

Спектр исходного сигнала

8.                      -

-10     50    100   150   200   250   300   350   400   450500

Время(мс)

0      0.2      0.4      0.6      0.8       1       1.2      1.4      1.6      1.82

Частота (Гц)

Рисунок 2 – Сигнал от источника излучения (а) и спектр (б)

где: R - радиус трубы; (r, 6, x) - координаты приёмника акустического давления; уля! - осевое волновое число; f(to) - функция сигнала, выраженная в частотной области; р - плот- ность воды.

Фазовая скорость моды:

to vto= — Y nm

c a! 1—(n„ / k)2 ,

и соответственно групповая скорость:

v g = c 7^{1 —} ( Л nm I ^{k )2} = c 7^{1 — ( to} nm / ^{to )2} .

Проведем расчет акустического давления внутри трубы, применяя интерактивную систему MATLAB, и учитывая, что ^r 0 0,^{5 R} , 6₀= 5 0

• • - расположение источника акустиче

ской волны, ^r = ’ , ⁶ = - расположение приёмника акустической волны. Вид последовательности импульсов и спектр приведены на рисунке 2.

На рисунках (3 – 10) приведены временные области распространения акустического давления в трубе радиусом 210мм на расстояниях х =300 м и х =800 м для разных мод.

На рисунке 3 приведена последовательность импульсов, мода (0,0) которой на расстояниях х=300м и х=800м не претерпевает существенных изменений. На рисунках 4 и 5 приведены временные области распространения акустического давления моды (0,1) и (0,2), где видно, что они значительно медленнее, чем мода (0,0), причём с увеличением расстояния форма импульсов искажается. Для случаев (рисунок 6 – 8), можно сказать, что передаваемый последовательность импульсов значительно искажена из-за результата перекрытия волн, у которых есть более длинные пути распространения. Это признак многолучевого распространения акустической волны в трубе, и многих ревербераций передаваемого акустического

Область распространения давления

Рисунок 3 – Временные области распространения акустического давления х= 300 м (а), х= 800 м (б), мода (0,0)

б)

сигнала. Необходимо отметить, что эти реверберации соответствуют более высоким модам, которые быстрее ослабляются с увеличением расстояния.

Область распространения давления

Область распространения давления

Область распространения давления

Рисунок 4 – Временные области распространения акустического давления х= 300 м (а), х= 800 м (б), мода (0,1)

Область распространения давления

x 104

Рисунок 5 – Временные области распространения акустического давления х= 300 м (а), х= 800 м (б), мода (0,2)

Область распространения давления

Область распространения давления

Рисунок 6 – Временные области распространения акустического давления х= 300 м (а), х= 800 м (б), мода (1,1)

Область распространения давления

Область распространения давления

Область распространения давления

2 >

4 x 10⁴

x 104

2 >

-1

-2

-2

1.4

Время(мс)

Время(мс)

а)                                                      б)

Рисунок 7 – Временные области распространения акустического давления х= 300 м (а), х= 800 м (б), мода (2,2)

Рисунок 8 – Временная область распространения акустического давления, частота импульсной последовательности 55 кГц , мода (1,109), х =800 м

На рисунке 9 приведены временные области распространения акустического давления в зависимости от радиуса трубы. Плоская волна распространяется в трубах с разными диаметрами без существенных изменений. Од- нако стоит отметить, что акустический сигнал, распространяющийся в трубе с большим радиусом, возбуждает больше мод, чем при распространении его в трубе с меньшим радиусом.

Из-за возрастающего числа мод, возбуждаемых в трубе с большим радиусом, принимаемый сигнал будет искажен наложением отраженных сигналов на основной сигнал. В трубах с большим радиусом существуют и большее количество путей распространения высших мод. Этот факт наиболее очевиден для высокочастотных сигналов, которые имеют меньшую продолжительность во времени, и соответственно большее количество высших мод, распространяющихся по многолучевым траекториям. Причём такое же поведение можно наблюдать и при передаче сигналов с более низкой частотой, при условии увеличения радиуса трубы, увеличивается и количество путей распространения высших мод (рис. 9 и 10).

Область распространения давления

4 x 10⁴

Область распространения давления

а)                                               б)

Рисунок 9 – Временные области распространения акустического давления R = 100 мм (а), R = 150 мм (б), х =800 м , мода (0,0)

Область распространения давления

Рисунок 10 – Временная область распространения акустического давления частота импульсной последовательности 115 кГц , мода (1,109), х =800 м

Выводы

• 1.    В цилиндрической водопроводной трубе желательно передавать информацию с помощью оговоренной выше волны с модой (0,0).

• 2.    Необходимо применение согласованного фильтра для выделения режима распространения волны с модой (0,0) из принятых импульсов.

• 3.    Большая часть энергии передаваемого импульса приходится на распространение высших мод, при этом значительно ослабляя моду (0,0).