CN100565172C - 遥控多层采水装置 - Google Patents

Abstract

一种遥控多层采水装置，用于从船只上深入水下采水，其包括一通过钢缆挂在船上绞车上的机架以及设于机架内的多个采水器，采水器采用电磁阀控制闭合，还包括设于船上的水上控制器，根据操作发出控制指令编码；水上信号调制解调单元，与水上控制器连接，将指令编码调制为超声载波信号输出，获取来自水下的超声载波信号并解调输出；以及设于机架内的水下信号调制解调单元，获取来自水上的超声载波信号并解调输出，将来自水下的信息编码调制为超声载波信号输出；深度传感器，测量水深；水下控制器，与采水器的电磁阀、水下信号调制解调单元、深度传感器以及可通过备用接口与流速流向仪连接，获取水下信息并传输给水上控制器，控制电磁阀关闭采水器。

Description

遥控多层采水装置

技术领域

本发明涉及一种采水装置，尤其涉及一种可一次进行多层采水的遥控多层采水装置。

背景技术

在海洋、港口水质调查和水文参数监测中，通常先用采水器从海洋、港口水域中采集一定数量的水样本，然后在船上或陆地的实验室中采用一定的仪器设备进行分析，从而对海洋、港口的水质做出评价。

水文参数的监测对于了解和研究航道淤积、河口变迁、各类海洋和港口的工程建设有重大意义。其中，主要的是要摸清水中悬浮泥沙的运动规律，也就是需要监测江河(如深水港，深水航道)每层横断面的水中泥沙含量及泥沙迁移情况。水中泥沙含量按国内标准是采用六点法测量，即从水面到水底分六个层面测量。假定水的总深度为H，则采水器要放在被测水深的1H、0.8H、0.6H、0.4H、0.2H及水面OH进行采水及分析各层的含沙量，并且在江河水流横断面上需要布置几条垂线进行同步测量，而每次每条垂线都需要测量六点。

目前国内外所使用的采水器械，多为将水平管状采水器挂装在钢丝绳上并装上为下一层采水动作需要的击锤，各层采水器挂装完并投放到要求水深后，投下击锤，关闭管状采水器两端的开口，逐层完成采水，起吊时须自表及深逐层解下各层采水器和击锤，这种击锤式关闭的采水器主要有以下缺点：

1.一层一层的装挂、采水和解下采水器的操作消耗时间长、劳动强度大、工作效率低。因而六点采水的时间间隔大，数分钟或更长(当水深很大时)，这就不能保证六点采水数据的同步性，从而导致最终分析结果有较大的误差；

2.采水器的深度通常用钢丝绳的长度确定，水流引起的钢丝绳倾斜是无法控制的，造成大的深度误差；

3.在水深和水流较大的情况下，由于击锤下落过程中受到的阻力增大，往往没有足够的力量关闭水下采水器器口，从而采集不到水样。

为解决这一问题，出现了电控组合采水器，一种是有线电控组合采水器，即不采用击锤而是使用电磁释放机构来关闭采水器的开口，因此在采水时除了挂采水器的钢缆外，还同时投放控制电磁释放结构的电缆。这种方法解决了上述的问题3，但是每个采水器都需配备一条电缆线，使用不方便，还常易发生钢缆和电缆绞在一起的事故。因此在水文操作中，电缆和钢缆共用的方式不受水利工作者的欢迎。

另一种方法是采用铠装电缆，即将电缆在钢缆壳体内，将钢缆和电缆合在一起，这就要解决铠装电缆中导线的连接点问题，应有特制的绞车，不仅成本高，而接点处长期可靠的电接触也较难保证。

还有一种以挂采水器的钢缆及水作为介质进行通讯的无线遥控的电控组合采水器，但是无线电波在水中特别是含有盐份的水中衰减很大，因此控制距离很近，即使在含盐量较少的水中也不超过水深15米，无法满足水质测量的深度要求。

发明内容

本发明为解决上述技术问题而提供一种控制灵活、测量精确并提高采水效率、降低工作强度的遥控多层采水装置。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种遥控多层采水装置，其包括一通过钢缆挂在船上绞车上可深入水体内的机架以及设于该机架内的多个采水器，所述多个采水器分别采用电磁阀控制开合，其特点是还包括：

水上控制器，设于船上合适位置，根据操作发出控制指令编码，处理并显示水下受控的信息及测量的信息；

水上信号调制解调单元，与所述水上控制器连接，将所述指令编码调制为超声载波信号输出，同时/或者获取来自水下的超声载波信号并解调输出；

水下信号调制解调单元，获取来自水上的超声载波信号并解调输出，同时/或者将来自水下的信息编码调制为超声载波信号输出；

深度传感器，设于所述机架内，测量水深；

水下控制器，设于所述机架内，与所述采水器的电磁阀、水下信号调制解调单元以及所述深度传感器连接；所述水下控制器获取水深信息并传输给水上控制器，控制所述电磁阀关闭对应的采水器；

其中所述的遥控多层采水装置水上和水下间可以采用无线超声通讯，因此还包括用于收发超声信号的至少一个水上水声换能器和至少一个水下水声换能器。所述至少一个水上水声换能器设于水面附近，与所述水上信号调制解调单元连接，发射携带所述指令编码的超声载波信号，并接收返回的超声载波信号送至所述水上信号调制解调单元。所述至少一个水下水声换能器设于所述机架内，与所述水下信号调制解调单元连接，接收携带所述指令编码的超声载波信号，并返回包含水深信息的超声载波信号。

所述的遥控多层采水装置较佳地包括布置成广角水声换能器阵的多个水上水声换能器，以及多个布置成广角水声换能器阵的多个水下水声换能器，以保证通讯的可靠性。

所述的遥控多层采水装置可采取自动采水和人工控制采水的方式：在自动方式下，所述水下控制器根据获取的水深信息，自动在多个预设深度分别控制所述多个电磁阀关闭采水器；在人工控制方式下，工作人员在所需的深度输入操作指令，所述水上控制器根据人工操作发出指令编码，所述水下控制器根据所述水上控制器的指令编码，控制某一电磁阀关闭对应的采水器。

各采水器设有编号，以便在人工操作时能够直接输入编号进行关闭采水器操作。同时该遥控多层采水装置较佳地能够显示哪些采水器已经关闭，因此该遥控多层采水装置还包括设于各采水器口部的霍尔器件，与水下控制器连接，在某一采水器口部关闭时，与其对应的霍尔器件输出一电压信号，所述水下控制器将所述霍尔器件编号发射给所述水上控制器。

所述水上信号调制解调单元和所述水下信号调制解调单元采用频移键控调制或相移键控调制，并且水上信号调制解调单元和水下信号调制解调单元采用不同的载波频率进行信号调制。其中所述水上信号调制解调单元对第一频率的载波信号进行调制，所述水下信号调制解调单元对第二频率的载波信号进行调制，以防止回波干扰。

本发明还可包括流速流向仪，通过匹配的接口与水下控制器连接，以将流速流向数据传输给水下控制器处理和显示。

本发明通过采用以上技术，具有以下优点：

1、多频无线遥控，采用自动和手动两种控制模式，可灵活控制六个采水器采集不同深度的水样，缩短了采样时间，降低了采水工作强度；

2、超声发射和接收采用不同频率，防止回波干扰；

3、广角超声换能器，声束指向性达半空间接收/发射，扩大遥控信号发射和接收的范围，确保采水器在水深和水流很大的情况下可靠地工作；

4、采用深度传感器确定采水器的深度，避免了钢缆受水流影响发生倾斜而引入仅通过测量电缆放下水的长度来确定水深的测量误差；

5、也可以采用一条有线电缆或铠装电缆实现自动和手动两种控制模式、采水器深度自动测量。

附图说明

以下结合附图说明本发明具体实施方式，其中：

图1是本发明遥控多层采水装置一个实施例的原理框图；

图2是图1所示实施例的采水器示意图；

图3是图1所示实施例的水上控制器原理框图；

图4是图1所示实施例的水下控制器原理框图；

图5是图1所示实施例的水声换能器布阵示意图；

图6是本发明遥控多层采水装置另一个实施例的原理框图；

图7是图6所示实施例的水上控制器原理框图；

图8是图6所示实施例的水下控制器原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明遥控多层采水装置的一个实施例包括一通过钢缆11挂在绞车10上的机架20，以及设于该机架内的六个采水器30。请参阅图2，在现有技术中，该六个采水器30是管状容器，其两端开口，并带有可开闭的盖子32，采水器30可采用电磁阀控制盖子的闭合。在本实施例中采用六个采水器30以便在六个水深点采水，每个采水器30都有自己的编号。在本实施例中，各采水器30口部还设有霍尔器件31以识别各采水器30的编号及电磁阀33控制盖子32的关闭情况，例如霍尔器件31可检测到与其对应的采水器30的盖子32的口部关闭，并发送一电压信号给水下控制器23。

该遥控多层采水装置设有电子控制部分，其主要包括设于船上的水上控制器12、至少一个水上水声换能器13、键盘14、显示装置15、信号调制解调单元16，以及设于水下机架内的至少一个水下水声换能器21、深度传感器22、、水下控制器23、信号调制解调单元24。

请参阅图3，水上控制器12可由MCU等处理器件构成，它与上述的至少一个水上水声换能器13以及键盘14、显示装置15、信号调制解调单元16连接。水上控制器12根据键盘14的操作信号发出控制指令编码，并通过信号调制解调单元16对频率为f₁的超声波信号进行相移键控调制(PSK)或频移键控调制(FSK)，经过与信号调制解调单元16连接的功率放大器18将调制的超声波载波信号放大，以驱动水上水声换能器13向水下发射超声载波信号。水上水声换能器13也接受水下水声换能器21发射的超声波载波信号，通过相位调制解调单元16，在水上控制器12上显示出水下控制器23传输的信息。

请参阅图4，水下控制器23可由MCU等处理器件构成，它与各采水器30的电磁阀、霍尔器件31、深度传感器22、水下水声换能器21、信号调制解调单元24连接。水下控制器23还可通过专用的接口连接一流速流向仪26以同时检测水的流速和流向。水下水声换能器21接收到水上水声换能器13发射的带指令编码的超声波信号f₁后，经信号调制解调单元24解调出某个编号的采水器30需要进行采水的指令编码，经水下控制器23解码处理后驱动对应的采水器的电磁阀，关闭该采水器的器口。并且当接收到与该采水器对应的霍尔器件31的电压信号时可确认该采水器已关闭，然后将已关闭的采水器编号信息通过水下水声换能器21发给水上水声换能器13接收并由水上控制器12处理。

水下控制器23并可获取水深信息、流速和流向信息，经信号调制单元24进行相移键控调制(PSK)或频移键控调制(FSK)，然后经由与信号调制解调单元24的功率放大器27将调制的超声波载波信号放大，以驱动水下水声换能器21向水上发射频率为f₂超声载波信号。由于超声波的发射和接收采用不同频率，避免了回波干扰。

水上水声换能器13将接收到的信号f₂送往信号调制解调单元24解调出携带了经相位调制或频率调制的被关闭采水器编号和深度传感器22测得的数据，经水上控制器12处理后显示和保存采水器的编号、采水点的深度数据和流速、流向数据。

以上的水上水声换能器13和水下水声换能器21发射的超声波是有一定角度的，例如水上水声换能器13在θ₁角度的范围内发出频率为f₁的超声波，在θ₂角度的范围水下水声换能器21接收。水下水声换能器21在θ₂角度的范围内发出频率为f₂的超声波，被水上水声换能器13接收。由此，水上水声换能器13和水下水声换能器21实现了水中声控应答。但是一般单一的超声换能器的收发角度不超过90°，而在深至100m的水下收发换能器随水流的影响难以确定在固定的的位置，与水上的超声换能器难以对准，因此水上和水下都需要采用广角的收发换能器。在一个实施例中，水上水声换能器13和水下水声换能器21均可采用多个超声换能器按不同角度位置排列成半球形面，并且多个收、发换能器都集成在一个布阵内，以实现广角的超声收发效果，布阵示意图请参阅图5。

图6另一个实施例中的遥控多层采水装置与图1所示实施例大部分相同，唯一的差别在于图5所示的实施例中，不采用超声收发换能器来实现无线通讯，而是利用铠装电缆17来进行有线通讯。请同时参阅图7和图8，与图1所示实施例不同的是，水上的信号调制解调单元16和水下的信号调制解调单元24通过铠装电缆17连接，水上控制器的指令编码信息、水下控制器的采水器的编号、采水点的深度数据和流速、流向数据等以相位调制或频率调制的编码电信号形式通过铠装电缆传输，实现水上信号与水下信号水下的通信。

在其他实施例中，还可采用单独的有线电缆与钢缆一起深入水下，数据和信息通过有线电缆传输，实现水上信号与水下信号水下的通信。

在本实施例中，还包括一大容量的可充电电池，设于水下机架20内，对机架内的水下控制器23、电磁阀、深度传感器22、流速流向仪26等设备供电。

Claims (8)

1.一种遥控多层采水装置，用于从船只上深入水下采水，其包括一通过钢缆挂在船上绞车上可深入水体内的机架以及设于该机架内的多个采水器，所述多个采水器分别采用电磁阀控制闭合，其特征在于，还包括：

水上控制器，设于船上合适位置，根据操作发出控制指令编码；

水上信号调制解调单元，与所述水上控制器连接，将所述指令编码调制为超声载波信号输出，同时/或者获取来自水下的超声载波信号并解调输出；

水下信号调制解调单元，获取来自水上的超声载波信号并解调输出，同时/或者将来自水下的信息编码调制为超声载波信号输出；

至少一个水上水声换能器，设于水面附近，与所述水上信号调制解调单元连接，发射携带所述指令编码的超声载波信号，并接收返回的超声载波信号送至所述水上信号调制解调单元；

至少一个水下水声换能器，设于所述机架内，与所述水下信号调制解调单元连接，接收携带所述指令编码的超声载波信号，并返回包含水深信息的超声载波信号；

深度传感器，设于所述机架内，测量水深；

水下控制器，设于所述机架内，与所述采水器的电磁阀、水下信号调制解调单元、深度传感器连接；所述水下控制器获取水深信息传输给水上控制器，并控制所述电磁阀关闭对应的采水器。

2.如权利要求1所述的遥控多层采水装置，其特征在于，所述水下控制器根据获取的水深信息，自动在多个预设深度分别控制所述多个电磁阀关闭采水器。

3.如权利要求1所述的遥控多层采水装置，其特征在于，所述水下控制器根据所述水上控制器的指令编码，控制某一电磁阀关闭对应的采水器。

4.如权利要求1所述的遥控多层采水装置，其特征在于，所述水上信号调制解调单元和所述水下信号调制解调单元采用相移键控调制或频移键控调制。

5.如权利要求1或4所述的遥控多层采水装置，其特征在于，所述水上信号调制解调单元对第一频率的超声载波信号进行调制，所述水下信号调制解调单元对第二频率的超声载波信号进行调制。

6.如权利要求1所述的遥控多层采水装置，其特征在于，包括多个水上水声换能器，所述多个水上水声换能器和多个水下水声换能器布置成广角水声换能器阵。

7.如权利要求1所述的遥控多层采水装置，其特征在于，还包括设于各采水器口部的霍尔器件，与水下控制器连接，在某一采水器口部关闭时，与其对应的霍尔器件输出一电压信号，所述水下控制器将所述霍尔器件编号发射给所述水上控制器。

8.如权利要求1所述的遥控多层采水装置，其特征在于，还包括流速流向仪，所述流速流向仪与所述水下控制器通过接口连接；所述水下控制器获取流速流向数据并发送给水上控制器。

Images