CN101118431A - 数字化地下流体综合观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化地下流体综合观测系统，涉及一种地下流体观测系统。本发明是测项变送器(100)和数据采集控制器(200)连接，数据采集控制器(200)分别与无线数据终端设备(300)、有线数据终端设备(400)连接；所述的测项变送器(100)包括水位变送器(110)、水温变送器(120)、气温变送器(130)、气压变送器(140)、雨量变送器(150)；本发明将水位、水温、气温、气压和雨量的模拟电信号变换为数字信号，又经单片计算机接收处理分别送至显示器进行显示和电子盘存储；再经RS－232接口，实现实时远程通信；不仅满足了三峡井网的需要，并推广到地下流体观测技术中。

Description

数字化地下流体综合观测系统

技术领域

本发明涉及一种地下流体观测系统，尤其涉及一种数字化地下流体综合观测系统。

背景技术

水文地质学是一门古老的学科。地下水微动态研究，向地质作用与地壳活动过程上探索。利用地下水微动态，可取得地球物理、地球化学、水文地质的某些参数；可研究现今的最新、最活地壳活动的形式，地层内应力分布、变化、转换的过程，以及地震孕育、发生、调整和演变等。地下水位、水温的变化，反映了地壳内部运动变化的一些重要信息。长期以来的观测发现，往往在地震发生前后，均伴随有明显水位和水温的变化。因而对地下水的动态综合观测非常必要，是地震前兆监测和研究的重要手段之一。

目前，已建立的长江三峡工程水库诱发地震观测系统，主要包括数字地震遥测台网、地壳形变监测网络与地下水动态井网等。

长江三峡工程诱发地震地下水动态观测井网(简称三峡井网)将是我国第一个以监测水库地震的地下水前兆井网，它是以捕捉到水库诱发地震前可能出现的地下水动态前兆异常信息为主要目的。

三峡井网涉及的技术要点和难点有：

①高精度数字化水位观测技术；

②高精度数字化水温观测技术；

③高精度数字化气温、气压、雨量气象参数观测技术；

④高精度数据采集、通信(有线和无线)、处理及集成技术；

⑤电源系统及防雷技术；

⑥系统处理及应用软件。

发明内容

本发明的目的就在于解决现有技术存在的上述要点和难点，提供一种数字化地下流体综合观测系统，不仅满足了三峡井网的需要，并推广到地下流体观测技术中。

本发明的目的是这样实现的：

1、技术路线

①采取精密测量集成方案和抗干扰设计，使系统性能稳定可靠、观测精度高。

②采取模块化结构，便于系统的维护和升级。

③数据采用压缩格式，使系统存储容量大，通信速度快，数据不易丢失；采用行业标准，便于推广应用。

④使操作系统用户界面更加友好，使软件操作简便、容易维护。

⑤采用无线通信方式，使系统安装灵活，网络化，通信速度快质量高，防雷性能好，故障率低。

⑥提供一种功耗低、供电时间长、防雷系统性能好的直流电源。

2、具体技术方案

1)数字化地下流体综合观测系统(简称本系统)

如图1、2，本系统包括测项变送器(100)、数据采集控制器(200)、无线数据终端设备(300)、有线数据终端设备(400)和供电装置(500)；

测项变送器(100)和数据采集控制器(200)连接，数据采集控制器(200)分别与无线数据终端设备(300)或有线数据终端设备(400)连接；

所述的测量仪器(100)包括水位变送器(110)、水温变送器(120)、气温变送器(130)、气压变送器(140)、雨量变送器(150)。

本系统的工作原理是：

测项变送器将水位、水温、气温、气压和雨量的物理量转换成模拟电压信号或数字信号，对模拟电压信号进行放大和滤波；单片计算机在日常处理程序的控制下，定时(如每分钟)选通多路开关，送至模数转换器，将模拟电压信号变换为数字信号，数字信号单片计算机可直接接收，又经单片计算机接收处理(包括软件滤波、数据压缩、格式转换等)分别送至显示器进行显示和电子盘存储；再经RS-232接口，实现实时远程通信，将数据经由无线或有线方式传送至监测中心分析和处理。

2)数字化地下流体综合观测流程(简称本流程)

如图7，本流程主要完成日常处理工作，其步骤依次为：

开始(6)；

进行系统初始化(7)，即对LCD显示器、时钟、串行通讯口、扩展并行口等进行初始化；

进入按键查询(8)；若有键按下则进入按键值散转(16)，进入功能服务子程序，包括单路采样(1)、多路采样(2)、时钟设定(3)、参数设置(4)和参数显示(5)5个子程序；执行完某个子程序后，再进入到时钟查询判断分钟采样时刻到否(10)；上述过程为重新开机或硬件复位才进行；

若无键按下且延时间到(9)，也进入到时钟查询判断分钟采样时刻到否(10)；

采样时刻未到则进入循环采集、显示多路测量数据和日历时钟(17)；继续判断分钟采样时刻到否(10)；

直到采样时刻到则进入选择多路开关(11)；

再进入启动A/D转换器(12)；

再进入处理和存储(13)；

再进入23点59分到否判断程序(14)；

23点59分未到则又进入判断分钟采样时刻到否(10)下一分钟的工作循环；

当23点59分到则进入数据平移和刷新，保留存近期数据(15)，执行完后又返回到(10)，这样周而复始地工作。

系统还有些中断子程序，完成通信等任务。

在通信信息量为包流量方式时系统可实时主动地将数据传送到中心监测站，不包流量时可采用被动方式由中心监测站定时或不定时调用系统数据。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、各测项采用模块结构，系统为一体化集成方案，抗干扰设计，系统性能稳定可靠，便于维护，较分散结构有重大创新；

2、观测精度高，观测精度优于中华人民共和国地震行业《地下流体观测仪器》入网技术指标；

3、采用数据压缩技术，节省了存储空间和通信时间；

4、扩展内存观测数据存放的时间提高到半年以上；

5、系统采用CMOS电路，直流供电为大容量设计，市电停电后工作时间更长；

6、数据采集处理主机有不同的配置(有单片机和PC104工控机)，满足不同需求；

7、无线通信方式，网络化、故障率低、传输速度快质量高、防雷击性能好；

8、系统分析处理软件界面友好，操作简单、使用方便。

附图说明

图1是本发明组成方框图(简要)；

图2是本发明组成方框图(详细)；

图3是水位变送器测量电路原理图；

图4是铂电阻水温变送器测量电路原理图；

图5是石英晶体水温变送器测量电路原理图；

图6是雨量变送器测量原理图；

图7是系统主程序观测流程图。

其中：

100-测项变送器，

110-水位变送器，

111-精密电流源，112-压力传感器，

113-放大器，114-滤波器；

120-水温变送器，

121-精密电流源，122-铂电阻传感器，

123-放大器，124-滤波器；

125-测温石英晶体振荡器，126-基频石英晶体振荡器，

127-差频电路；

130-气温变送器；

140-气压变送器；

150-雨量变送器。

200-数据采集控制器；

210-多路开关；220-模数转换器；230-单片计算机；

240-控制驱动；250-数字信号；260-RS232接口；

271-日历时钟；272-看门狗；273-LCD显示器；

274-键盘；275-电子盘；276-Ethmet、Modem。

300-无线数据终端设备；310-天线。

400-有线数据终端设备；

410-光电隔离器；420-有线Modem；430-信号避雷器。

500-供电装置；

510-交流电源；520-电源避雷器；530-电感器；

540-稳压器；550-电源保护器；560-直流充电器；

570-蓄电瓶。

具体实施方式

一、总体布置

水位变送器(110)和水温变送器(120)放置井水位以下，气温变送器(130)和气压变送器(140)放在室内或室外百叶箱里，雨量变送器(150)放置在室外空旷地方(屋顶上也可)，均与数据采集控制器(200)相连接。分布多个测点的系统可与中心站组成一个数字化地下流体监测网。

二、各功能块的结构

1、测项变送器(100)

1)水位变送器(110)

如图3，水位变送器(110)由依次连接的精密电流源(111)、压力传感器(112)、放大器(113)和滤波器(114)组成。

水位变送器(110)的工作原理是：

由于水位的变化，会使安放在水中的压力传感器(112)上的压力发生变化，压力传感器(112)将压力变化量转化为电信号并经放大器(113)放大和滤波器(114)滤波后输出(可换算水位的变化)，再由数据采集控制器(200)定时数据采集、存储、处理及传输等完成对水位的监测。

其中：

精密电流源(111)是基准源加在测量电桥上，选用MC1403和精密电阻；

压力传感器(112)是一种高性能扩散硅半导体压力器件，组成测量电桥，将压力(水位)转换为电压信号，选用著名的美国NovaSensor公司压力传感器；

放大器(113)将测量到的微小信号进行放大，选用ICL7650低漂移运算放大器；

滤波器(114)将高频干扰滤掉，选用二阶有源滤波器。

本水位变送器(110)采用方便的投入工作方式安装，无机械随动误差，无机械运动部件，不存在金属疲劳问题，故寿命长，可长期使用。压力传感器(112)为差压式，电缆中有一根通气管从压力传感器(112)内部引出，经防水过滤层与大气连通，起气压自动补偿作用。压力传感器(112)用不锈钢全封焊，双重防水密封结构，具有良好的防潮性能和优异的介质兼容性，适用于较弱的腐蚀性介质中。本水位变送器(110)为全封闭电路，具有防潮、防结露、防渗透的性能，使得产品技术指标和质量得到有力的保证。

水位变送器(110)的主要技术指标如下：

基本量程：10米水柱(也可在0至350米选型)；

精度：±0.1％FS；

分辨力：优于0.01％FS(三峡井网为0.1毫米)；

重复性：±0.05％F.S；

动态响应：＞1m/S；

长期稳定性：≤±0.2％F.S/年。

2)水温变送器(120)

水温变送器(120)可分别使用两种类型的传感器。

①如图4，水温变送器(120)由依次连接的精密电流源(121)、铂电阻传感器(122)、放大器(123)和滤波器(124)组成。

水温变送器(120)的工作原理是：

当水的温度发生变化时，铂电阻传感器(122)将水温的变化转换为电阻值的变化，经电路的变换又将电阻值的变化转换为电压信号的变化，送入数据采集控制器(200)纪录。铂电阻传感器(122)是国际上公认温标元件，性能稳定可靠，选用Pt1000铂电阻。

②如图5，水温变送器(120)是测温石英晶体振荡器(125)和基频石英晶体振荡器(126)分别与差频电路(127)连接而成。

测温石英晶体振荡器(125)，当温度发生变化时，其输出频率随之变化，选用0℃时10MHz测温石英晶体；

基频石英晶体振荡器(126)，输出频率不随温度变化，选用稳频石英晶体振荡器与74HC00构成基准频率振荡发生器；

差频电路(127)，将两种频率相减，变为低频信号便于计数测量，选用74HC74型D触发器。

水温变送器(120)主要指标如下：

测温范围：0℃～+70℃(特制+100℃)；

分辨力：0.001℃或0.0001℃；

精度：±0.01℃；

时间常数：＜10秒；

稳定性：≤0.01℃/a。

3)气温变送器(130)

气温变送器(130)与铂电阻的水温变送器(120)原理相同，但要求精度低、范围宽。也是采用Pt1000铂电阻。

气温变送器(130)主要指标如下：

测温范围：-20℃～+85℃；

分辨力：0.01℃；

精度：±0.1℃；

时间常数：＜10秒；

稳定性：≤0.1℃/a；

输出范围：2000～8500mV(正好与气温范围值相对应)。

4)气压变送器(140)

气压变送器(140)与水位变送器(110)原理基本相同。

采用国际知名品牌SMI压力传感器，该传感器具有温度补偿，出厂前经过了精密激光修调，其失调电压低、线性好、精度达±0.05％F.S、有良好的稳定性。选用了电流型电路设计，使温度影响降至更低。本气压计输出为模拟信号。

气压变送器(140)主要技术指标如下：

测量范围：500～1090hpa；

分辨力：≤0.1hpa；

精度：优于±0.2％F.S；

输出范围：500～1090mV(正好与气压值相对应)。

5)雨量变送器(150)

雨量变送器(150)采用上海气象仪器厂SL3-1型雨量遥测传感器，如图6，由依次连接的承水器(151)、上翻斗(152)、计量翻斗(153)、计数翻斗(154)、光隔离器(155)和计数器(156)组成。

雨量变送器(150)工作原理是：

雨水由承水器(151)汇集，进入上翻斗(152)，上翻斗(152)的作用是使降水强度近似大降水强度，然后进入计量翻斗(153)计量，计量翻斗(153)翻动一次为0.1mm降水量。随之雨水由计量翻斗(153)倒入计数翻斗(154)。在计数翻斗(154)的中部装有一块小磁钢，磁钢的上面装有干簧开关，计数翻斗(154)翻转一次，则开关闭合一次，有开关的闭合送出一个信号。本系统将该信号转换成数字脉冲信号，进行计数，由计算机直接读取该数字信号。这种方法避免了其它转换会带来误差。当计数满了它会自动复位。

雨量变送器(150)主要技术指标如下：

承水口径：Φ200mm；

测量降水强度：4mm/min以内；

测量分辩力：0.1mm降水量；

最大允许误差：±0.4mm(≤10mm)。

2、数据采集控制器(200)

如图2，数据采集控制器(200)的结构是：

多路开关(210)、模数转换器(220)和单片计算机(230)依次连接；

单片计算机(230)分别与控制驱动(240)、数字信号(250)、RS232接口(260)、日历时钟(271)、看门狗(272)、LCD显示器(273)、键盘(274)、电子盘(275)、Ethmet(以太网接口)、Modem(276)连接。

其工作原理是：

在日历时钟(271)定时控制下，单片计算机(230)顺序选通多路开关(210)中的某一路，将其变送器的传感器信号送至模数转换器(220)，变换为数字信号，经单片计算机(230)接收处理(包括软件滤波、数据压缩、格式转换等)分别送至LCD显示器(273)和电子盘(275)，进行显示和存储；并可通过有线或无线通信设备与中心监测站的上位PC机进行远程数字通讯，将数据送中心。每天对数据进行刷新，始终保存近期数据。并能随时接受远程发出的控制命令，进入中断服务程序予以响应。

其中：

多路开关(210)是一种8路模拟开关CMOS集成电路，选用CD4051；

模数转换器(220)，将各测项的模拟信号转换成数字信号，选用ICL7135；

单片计算机(230)为CPU，它将各测项数据进行采集、处理、存储和传输，选用AT89C52等，增强型配有PC104工控机；

控制驱动(240)，对外部设备进行控制，包括并行接口81C55、驱动三极管9013、继电器等；

数字信号接口(250)，输入数字或频率信号，由光隔离施密特电路1L11、计数器74HC393等组成；

RS232接口(260)，接入无线、有线、或以太网等接口，电平电路为MAX202；

日历时钟(271)，为系统提供基准时钟，选用防掉电的DS12C887；

看门狗(272)，Watching dog为防止系统死机监控电路，选用振荡器、计数器和施密特电路CD4098，当发现系统停止工作时，立即将其复位，使其马上进入正常工作状态，始终保持系统稳定可靠工作；

LCD显示器(273)，显示时钟和数据等信息，选用2×16字符液晶显示器；

键盘(274)，为4×4键盘，功能操作、写初始化参数、修改时钟；

电子盘(275)，为存储数据的防掉电的RAM；

Ethmet、Modem(276)，可接入以太网或调制解调器，把数据送入Internet网络或其它数据终端。

3、无线数据终端设备(300)

如图2，无线数据终端设备(300)是标准设备，有上市产品，由GSM(数字蜂窝移动通信系统)、GPRS(是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接)、CDMA(是“码分多址”数字无线通信技术)等DTU(数据终端设备)组成。

无线数据终端设备(300)的功能是将数字信号经过无线传输方式进行通信。GSM可以实现无线对无线或无线对有线的调制解调通信。GPRS和CDMA均可与无线IP连接，实现Internet网络接入。

4、有线数据终端设备(400)

如图2，有线数据终端设备(400)包括依次连接的光电隔离器(410)、有线Modem(420)、信号避雷器(430)，其三个功能块均是标准件，有上市产品。

光电隔离器(410)选用RS-232C型无源隔离器；

有线Modem(420)选用TM-EC5658V型调制解调器，采用快速反应式半导体防雷，增强抗雷击能力；

信号避雷器(430)选用ASP SR-E170V/2S作为通讯线路电涌过电压保护，标称放电电流5KA，最大放电电流10KA，限制电压240V。

有线数据终端设备(400)的功能是将数字信号经过调制为频率信号，经由有线(如电话网络)传送到接收端，再经过解调还原成数字信号，实现数字通信。

5、防雷供电装置(500)

如图2，防雷供电装置(500)包括依次连接的交流电源(510)、电源避雷器(520)、电感器(530)、稳压器(540)、电源保护器(550)、直流充电器(560)、蓄电瓶(570)。

防雷供电装置(500)的各功能块均是标准件，有上市产品。

电源避雷器(520)第一级防雷保护，选用ASP Asafe-25一级模块化电压开关型电涌保护器，标称放电电流25KA(100/350us)，最大放电电流140kA，限制电压＜2000V，可防护直击雷浪涌电压。

电感器(530)采用自制，用两根5～10米长线的粗铜线在其中间绕个10～20圈作为电感，这样可滤掉部分高频脉冲。

稳压器(540)选用CWY-1系列净化交流稳压电源。

电源保护器(550)选用ASP A6-420-PRO插座式电源浪涌保护器，标称放电电流20KA，标称通流容量(8/20us)最大放电电流30KA，可将感应雷击过电压限制到＜1000V。

直流充电器(560)选用BC-1230型全自动充电机。

蓄电瓶(570)选用冠军牌蓄电池，额定电压：12V，额定容量：200AH。

供电装置(500)的工作原理及其功能是：将线路进行防雷保护，对市电作净化处理，再稳压成为220V，一路给系统进行交流供电，另一路给充电机对直流电瓶进行充电，当市电停电时装置会自动不间断给系统供电，保证系统不间断电源。

Claims (6)

1.一种数字化地下流体综合观测系统，其特征在于：

包括测项变送器(100)、数据采集控制器(200)、无线数据终端设备(300)、有线数据终端设备(400)和防雷供电装置(500)；

测项变送器(100)和数据采集控制器(200)连接，数据采集控制器(200)分别与无线数据终端设备(300)、有线数据终端设备(400)连接；

所述的测项变送器(100)包括水位变送器(110)、水温变送器(120)、气温变送器(130)、气压变送器(140)、雨量变送器(150)；

测项变送器将水位、水温、气温、气压和雨量的物理量转换成模拟电压信号或数字信号，对模拟电压信号进行放大和滤波；单片计算机在日常处理程序的控制下，定时选通多路开关，送至模数转换器，将模拟电压信号变换为数字信号，又经单片计算机接收处理分别送至显示器进行显示和电子盘存储；再经RS-232接口，实现实时远程通信，将数据经由无线或有线方式传送至监测中心分析和处理。

2.按权利要求1所述的一种数字化地下流体综合观测系统，其特征在于：

水位变送器(110)由依次连接的精密电流源(111)、压力传感器(112)、放大器(113)和滤波器(114)组成。

3.按权利要求1所述的一种数字化地下流体综合观测系统，其特征在于水温变送器(120)：

或由依次连接的精密电流源(121)、铂电阻传感器(122)、放大器(123)和滤波器(124)组成；

或是测温石英晶体振荡器(126)和基频石英晶体振荡器(127)分别与差频电路(128)连接而成。

4.按权利要求1所述的一种数字化地下流体综合观测系统，其特征在于数据采集控制器(200)的结构是：

多路开关(210)、模数转换器(220)和单片计算机(230)依次连接；

单片计算机(230)分别与控制驱动(240)、数字信号(250)、RS232接口(260)、日历时钟(271)、看门狗(272)、LCD显示器(273)、键盘(274)、电子盘(275)、Ethmet(以太网接口)、Modem(276)连接。

5.按权利要求1所述的一种数字化地下流体综合观测系统，其特征在于：

防雷供电装置(500)包括依次连接的交流电源(510)、电源避雷器(520)、电感器(530)、稳压器(540)、电源保护器(550)、直流充电器(560)、蓄电瓶(570)。

6.基于权利要求1所述的一种数字化地下流体综合观测系统的观测流程，其特征在于其步骤依次为：

开始(6)；

进行系统初始化(7)；

进入按键查询(8)；若有键按下则进入按键值散转(16)，进入功能服务子程序，包括单路采样(1)、多路采样(2)、时钟设定(3)、参数设置(4)和参数显示(5)5个子程序；执行完某个子程序后，再进入到时钟查询判断分钟采样时刻到否(10)；上述过程为重新开机或硬件复位才进行；

若无键按下且延时间到(9)，也进入到时钟查询判断分钟采样时刻到否(10)；

采样时刻未到则进入循环采集、显示多路测量数据和日历时钟(17)；继续判断分钟采样时刻到否(10)；

直到采样时刻到则进入选择多路开关(11)；

再进入启动A/D转换器(12)；

再进入处理和存储(13)；

再进入23点59分到否判断程序(14)；

23点59分未到则又进入判断分钟采样时刻到否(10)下一分钟的工作循环；

当23点59分到则进入数据平移和刷新，保留存近期数据(15)，执行完后又返回到(10)，这样周而复始地工作；

系统还有些中断子程序，完成通信等任务；

在通信信息量为包流量方式时系统可实时主动地将数据传送到中心监测站，不包流量时可采用被动方式由中心监测站定时或不定时调用系统数据。

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