Использование измерительной системы ALMEMO в системах сбора геофизической информации при модернизации сети станций мониторинга почвенных газов Камчатского филиала Геофизической службы РАН
В век бурного развития, как регистрирующей аппаратуры, так и телекоммуникационных связей, происходит непрерывная модернизация и совершенствование систем сбора геофизической информации. В современных программно-аппаратных комплексах для регистрации много параметрических систем в условиях автономности необходима комплектация аппаратурных блоков с возможностью их работы, как в автономном режиме, так и с передачей данных по радиотелеметрическим каналам. В настоящее время сети мониторинга почвенных газов комплектуются универсальной унифицированной аппаратурой ALMEMO фирмы Ahlborn с возможностью удаленного управления, синхронизацией системного времени и получением оперативной информации о содержании почвенных газов в реальном времени по каналам сети GSM. Модернизация сети дает возможность обрабатывать информацию в режиме реального времени, что повышает оперативность выделения предвестниковых аномалий и эффективность прогнозирования сильных сейсмических событий района Южной Камчатки с М > 5.5.
Описание аппаратурного комплекса для регистрации почвенных газов
Основными устройствами для накопления информации о концентрации почвенных газов в пунктах мониторинга являются регистрирующие устройства ALMEMO 2690-8А. Они оборудованы системой интеллектуальных коннекторов, позволяющих подключать датчики, регистрирующие более 65 различных параметров.
Регистрирующие устройства ALMEMO имеют от 4 до 8 изолированных измерительных входов, часы реального времени и емкость встроенной памяти 512 кБ. Память может быть расширена с помощью внешнего модуля с использованием карт памяти формата microSD.
Два выходных разъема позволяют подключить любой выходной модуль ALMEMO, например, аналоговый выход, цифровой интерфейс, триггерный вход или контакты сигнализации. Несколько регистрирующих устройств могут быть объединены в сеть с использованием специального сетевого кабеля. Для синхронизации ALMEMO с ПК прилагается специальная программа под названием AMR control, которая дает возможность управлять регистрирующим устройством, импортировать измеренные данные в различных форматах, а так же осуществлять настройку прибора и запись данных прямо на ПК. Потребляемый ток в режиме измерений с подключенным датчиком углекислого газа составляет в среднем 260 mA. Напряжение питания 7-13 В постоянного тока.
Все данные, получаемые и накапливаемые регистраторами ALMEMO, являются хорошо детализированными. Это связано с возможностью регистратора задавать время дискретизации от одной секунды до десятков часов и сравнительно большим объемом долговременной энергонезависимой памяти для хранения данных.
Датчик углекислого газа
Используемый датчик углекислого газа фирмы Ahlborn (FYA600CO2Н) представляет собой компактное устройство для мобильного и стационарного применения. Работа датчика основана на принципе двухканального инфракрасного поглощения. Диапазон измерений составляет от 0 до 10 000 ppm. При нормальных условиях точность измерения концентрации СО2 от 0 до 5000 ppm ±(50 ppm + 2% от измеренной величины), а от 5000 до 10 000 ppm ±(100 ppm + 3% от измеренной величины). Нормальными условиями работы датчика являются температура 22 ±2 °C и влажность не более 50%. Разрешающая способность датчика один ppm. Измерять величину углекислого газа можно при температуре окружающего воздуха от 0 до +50 °C и влажности от 0 до 90%. Для своей работы датчик требует источника напряжения от 6,5 до 12 вольт постоянного тока и может быть запитан от регистратора ALMEMO. Энергопотребление датчика ~ 40 мA. Датчик подключается к регистрирующему устройству с помощью кабеля длиной 1,5 м, но может быть применен удлинитель до 5 м.
Водородный геофизический сигнализатор
Водородный геофизический сигнализатор ВСГ-02 предназначен для непрерывных наблюдений за вариациями концентрации водорода в почвенном воздухе. Он состоит из чувствительного элемента (ЧЭ), первичного электронного преобразователя (ПП) и электронного блока включения сеансного режима работы. Для проведения измерений блок ПП вместе с ЧЭ помещаются в скважину или шурф. Отбор анализируемой воздушной пробы на ЧЭ происходит диффузионно. Блок ПП преобразует изменения электроемкости ЧЭ под действием вариаций концентрации Н2 в напряжение.
Диапазон измеряемых концентраций водорода в воздухе лежит в пределах 0.5-50 ppm. Разрешающая способность 0.5 ppm. Относительная погрешность измерений не превышает 20%. Потребляемый ток в режиме измерений составляет 120 мА. Напряжение питания 12 В постоянного тока. Водородный геофизический сигнализатор подключается к прибору ALMEMO с помощью коннектора марки ZA 9600-FS3V12.
Датчик температуры
В качестве датчика температуры используется термопара ALMEMO (NiCr-Ni) тип К с коннектором ZA-9020-FS. Диапазон измерений температуры лежит в пределах от -200 °C до 1370 °C. Разрешающая способность 0.1 C.
Регистраторы — излучения – ВМ-4, ВМ-2
Эти регистраторы, разработанные и изготовленные в лаборатории акустического и радонового мониторинга Камчатского филиала Геофизической службы РАН, предназначены для регистрации — излучения при распаде 222Rn и его короткоживущих продуктов с помощью газоразрядных счетчиков СБМ-19 или СТС-5. Отдельные кванты ионизирующего излучения в виде преобразованных регистратором ВМ-2 (ВМ-4) импульсов подаются на регистрирующее устройство ALMEMO, через коннектор ZA 9909-AK2U, позволяющий регистрировать до 65000 импульсов в секунду.
Регистрация количества импульсов, отсчет времени и запись данных в модуль памяти происходит на приборе ALMEMO. Потребляемый ток в режиме измерений составляет 10 мА. Питание радиометра осуществляется от аккумуляторной батареи или любого источника питания постоянного тока напряжением +12 В.
Модернизация пунктов мониторинга почвенных газов
В настоящее время удаленные пункты мониторинга почвенных газов оснащаются оборудованием, позволяющим получать данные в режиме реального времени. С помощью модема ALMEMO ZA1709-GSM регистрирующие устройства ALMEMO могут передавать информацию по сети GSM. Этот модем представляет собой компактное устройство для мобильного и стационарного применения. Для управления модемом используется набор AT-Hayes команд для GSM (ETSI стандарт для GSM 07.07/07.05). Скорость передачи данных 9600 бод. Интерфейс подключения RS232 c использованием девятиконтактного SUB-D разъема ALMEMO. Для своей работы модем требует источника напряжения от 11 до 31 В постоянного тока. Энергопотребление модема в режиме передачи данных 325 мA, в режиме ожидания 47 мA. Диапазон рабочих температур от –20 до +70 °С. Для работы модема требуется sim-карта GSM-стандарта любого сотового оператора, представленного в регионе и наличие покрытия беспроводной сетью оператора в районе расположения пункта регистрации почвенных газов. В центре обработки данных с помощью аналогичного модема, подключенного к персональному компьютеру, можно принимать и сохранять информацию, управлять устройством ALMEMO, синхронизировать его внутренние часы.
Стационарные пункты, на которых есть наземное телефонное соединение, и имеется возможность подключения DSL, могут быть оборудованы Ethernet соединением ALMEMO с помощью кабеля ZA 1945-DK. Данный кабель предназначен для подключения устройства ALMEMO непосредственно к компьютерной сети Ethernet. Связь с устройством может быть осуществлена с помощью технологии aDSL (A – Asymmetric – ассиметричная цифровая пользовательская линия), используемой в традиционных телефонных сетях общего пользования (PSTN – Public Switched Telephone Network). С помощью такого соединения возможно удаленное управление устройством, синхронизация времени на всех устройствах и получение данных в режиме реального времени. Преимущество такого способа связи заключается в более надежном и помехоустойчивом соединении, но оно не может быть использовано при отсутствии наземных телефонных линий.
Заключение
На Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне, в пунктах мониторинга почвенных газов, в 2012 году выполнялась модернизация приборной базы. Устаревшие радиометры «РЕВАР» заменены на комплексы для регистрации концентрации почвенных газов на базе аппаратуры фирмы ALMEMO. Комплекс позволяет вести регистрацию концентрации почвенного 222Rn по – излучению, а также регистрировать концентрацию молекулярного водорода с помощью водородного сигнализатора геофизического (ВСГ) и метеорологические величины. За несколько лет эксплуатации комплексы показали высокую надежность при работе в среде с высокой влажностью.
Регистрирующие приборы ALMEMO позволяют регистрировать одновременно различные параметры (количество импульсов, концентрацию СО2 и Н2, атмосферное давление и температуру) и имеют возможность передачи информации в обрабатывающий центр в режиме реального времени (на пункты КРМ и ПРТ). Разнообразие датчиков и полученные с их помощью комплексные данные дают возможность более глубоко понять динамику процесса массопереноса геогаза в рыхлых пористых отложениях и выявить механизмы перестройки свойств пористой среды, состояние которой влияет на массоперенос. Результатами исследований, проводимых с помощью автоматизированных комплексов, стали более глубокое понимание процессов, происходящих в земной коре, выявление аномалий, способных выступать в качестве надежных краткосрочных предвестников, что должно существенно повысить эффективность прогноза сильных землетрясений Южной Камчатки.
Источник: УДК 550.8.08+550.343.6. Камчатский филиал Геофизической службы РАН, г. Петропавловск-Камчатский, ice@emsd.ru. Макаров Е.О., Фирстов П.П. Развитие и модернизация сети станций мониторинга почвенных газов.
