CN103411701B - 电站尾水或河道水温实时自动监测系统 - Google Patents
电站尾水或河道水温实时自动监测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种电站尾水或河道水温实时自动监测系统，属于水利水电工程生态环境技术领域。该系统包括主机，温度探头，数据传输线缆，程序控制软件，数据接收终端及电源；所述主机包括微处理器、存储模块、电流信号解释模块、通信模块和显示模块。该系统通过程序控制软件，将监测数据远程传输给终端；终端在固定时间随地掌握该系统设备状态和监测数据，以避免条件恶劣地区水温监测数据丢失。本发明监测系统不仅能够自动记录、远程传输水温监测数据、且性能稳定，功能完善，功耗小，成本低；还可长期存储监测数据；尤其适用于艰苦地区、水情复杂需长期监测和记录水温的电站尾水或河道。
Description
技术领域
本发明涉及一种水体温度测量技术，特别涉及一种可自动记录的、长期监测的、能够远程传输监测数据、适用于水电站尾水、或河道水温实时测报的自动监测系统，属于水利工程生态环境技术领域。
背景技术
大规模水利水电工程的兴建，会带来一系列新的环境问题而愈来愈普遍受到人们的重视。水利水电工程的建设给其工程所在河流水温方面的主要环境影响有水库富营养化、电站春夏季下泄低温水、秋冬季下泄高温水、水温累积影响以及水温对水生生态系统等几个方面的影响。为了充分发挥水资源工程的环境效益，把水温方面不利的环境影响减小到最低程度，因此，加强水利水电工程建设前后的水温监测至关重要，它是评估水利水电工程对水温的环境影响程度、充分发挥其工程效益、减少工程的不利水温环境影响的前提。而水温基础资料的获取及水温监测技术与方法的创新，是实现这些目标的重要保证措施。
目前，我国的水文站水温监测仍主要采用传统的人工测量的方法，一般在早上8:00与晚上20:00固定监测，虽然能保证数据的可靠性，但较难获取水温一日内变化过程，且水文站的建设，需要河床基质好、不易受洪水冲刷和破坏、开阔、交通条件好等地质地势条件，并需要建立组织并配备专门观测人员固定时间观测，会花费大量的人力物力和财力。已建好的水电站尾水处一般布置有水情监测集成系统，该系统也经常受到汛期洪水的破坏，但较少有进行水温监测的项目。其次，对于水温在线监测仪器而言，国内外有一些较为成熟的产品，比如美国Diver的地下水动态监测仪及HOBO水温数据记录器等，此类仪器外壳为金属，其主机与探头为一体；存在的不足是抗冲击能力差，易造成数据丢失；它们主要适用于水库、海洋等静水水体的水温测量，并不能提供实时水温数据。其次，国内在线温度仪以杭州泽大生产的ZDR型为代表，其存储主机与探头分离，该温度仪主机与其探头之间的线缆易被破坏，其拓展的通讯功能主要在实验室内可使用，而电源成为其野外应用的限制条件。考虑到监测点位现场地形、水情、电源使用、仪器安全等因素的不确定性，因而目前传统的人工水温测量方法以及在线水温监测仪器均较难满足野外水温监测工作的现场工作条件。
为确保水温监测数据的可靠性和连续性，主机与探头分离及实时掌握设备工作状态是在线水温监测系统的重要技术难点。将主机与探头分离，可确保监测历史数据不被丢失，而如何做好水温监测系统的温度探头和水温测量数据传输线缆的保护工作是保证获取长时段水温有效监测数据的有力保障。实时地掌握设备工作状态，可通过远程实时数据传输的分析来实现；但所用电源却成为设备远程传输的瓶颈。太阳能板作为许多野外设备的主供电源，但在我国西南高山峡谷地区及冬季时节，太阳辐射较低，太阳能板的应用受到限制。虽大型蓄电池能够提供足够的蓄电量，但由于体积庞大，野外工作存在较大的不安全性。对于我国西南高山峡谷地区，水情复杂，特别是汛期洪水破坏性大，保证水温监测设备的完整性与安全性、水温监测数据的连续性及实时掌握其设备工作状态是野外在线水温监测系统的必要和重要条件。
目前，我国流域环境监测工作逐步提上日程，各流域、河道的水温监测力度将进一步加强，如能提供一种低成本的，可获得监测数据的连续性、完整性、准确性的电站尾水水温实时自动监测系统，并将获得的水温测量数据用于我国流域水生生态环境的保护措施及决策工作提供有力的基础资料，这正是本发明的任务所在。
发明内容
本发明的目的正是针对所述现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种可自动记录的、长期监测的、并能远程传输监测数据、适用于电站尾水或河道水温实时自动监测系统。该监测系统操作方便，耐久性强，尤其适合于条件艰苦地区的电站尾水或河道的水温实时自动监测，从而为水利水电工程对水生生态环境影响的保护提供原始数据。
为实现本发明的目的，本发明是采用由以下措施构成的技术方案来实现的。
本发明电站尾水或河道水温实时自动监测系统包括主机，数据传输线缆，温度探头，程序控制软件，数据接收终端和电源；所述温度探头一端置于电站尾水或河道水流流速缓慢的地方，另一端通过数据传输线缆与主机连接，由主机向温度探头发送电流信号；主机还与数据接收终端和电源连接，电源提供给主机、数据传输线缆和温度探头工作所需的电压；主机由程序控制软件进行启动、设定参数以及读取存储数据。
上述技术方案中，所述主机包括微处理器，存储模块，电流信号解释模块，通信模块和显示模块；所述微处理器分别与存储模块，电流信号解释模块，通信模块和显示模块相互连接，由微处理器控制所连接的各模块并与其交互通信。
上述技术方案中，所述程序控制软件采用自编的基于WINDOWS平台的工具语言C语言编写，通过该程序控制软件对主机进行工作参数设定。
上述技术方案中，所述通过程序控制软件对主机进行设定的工作参数有：记录间隔时间、启动方式、数据存储方式、手机号码输入、远程传输方式、远程传输间隔时间等。
上述技术方案中，所述设定的记录间隔时间在0.5～24小时之间任意调节。
上述技术方案中，所述温度探头采用热敏电阻传感器。
上述技术方案中，所述温度探头的温度测量范围从-40℃～100℃。
上述技术方案中，所述温度探头其温度反应时间<10秒。
上述技术方案中，所述数据传输线缆与温度探头的连接处采用高强度的密封胶进行封装。
本发明的电站尾水或河道水温实时自动监测系统中，采用主机与温度探头分离，即使在水情复杂的电站尾水或河道，也可确保监测数据的有效性和可靠性。通过数据传输线缆连接主机与温度探头，将由温度探头探测到的电站尾水或河道水温温度的改变引起的不同电信号返回至主机上，再通过主机上电流信号解释模块将电信号转化为温度信号，并利用主机上存储模块将温度信号储存到主机上；主机上通信模块将温度信号通过GSM网络远程传输至数据接收终端，则可得到监测水体温度数据；所获得电站尾水或河道水温测量数据可通过与主机连接的程序控制软件进行处理。
本发明的监测系统中，所述温度探头采用热敏电阻传感器，由于该热敏电阻传感器根据电阻阻值、电势随温度不同而发生有规律的变化原理，从而通过由电流信号转换得到所需要测量的电站尾水或河道的水温温度值。
本发明所述的水温实时自动监测系统中，所述数据传输线缆采用2芯屏蔽线缆，芯线的材料是铝芯，外包皮材料是防老化橡胶，其直径为2毫米；该数据传输线缆是利用直径为12毫米热缩管将其与直径为5毫米的钢绳热缩在一起；具有保护装置的作用，结实耐用，且可防止刮伤，擦破，拉断等事件的发生。
本发明采用的自编程序控制软件的部分源代码如下：
本发明电站尾水水温实时自动监测系统具有以下优点及有益的技术效果：
1、本发明自动监测系统中温度探头的测量范围可从-40℃～100℃，其测量范围广；测量精度高达±0.1℃；其灵敏度高，其温度反应时间<10秒。
2、本发明自动监测系统中数据传输线缆具有专门的保护装置，结实耐用，可防止刮伤，擦破，拉断等事件的发生。
3、本发明自动监测系统中主机存储量大，可记录33000组数据，包括采样时间、温度值等，采样间隔时间在0.5～24小时范围内任一可调。
4、本发明自动监测系统中主机内置通信模块，可实时将监测数据传输给数据接收终端，以避免数据丢失，并可让工作人员掌握设备状态。
5、本发明自动监测系统中主机功耗小，内置锂电池在没有外接电源的条件下仍可以持续工作半年以上，可以保证艰苦条件下长期测量水温的需要。
6、本发明自动监测系统中主机与温度探头分离，即使在水情复杂的电站尾水或河道，也可确保监测数据的有效性和可靠性。
7、本发明的自动监测系统其安装和测量都极为方便；所需材料及设备投资小、携带方便、成本低、且操作简单。
附图说明
图1为本发明电站尾水水温实时自动监测系统整体结构方框示意图；
图2为图1中主机内所用模块关联结构示意图；
图3为本发明实时自动监测系统于2012年8月12日～10月26日对四川省大渡河流域泸定电站库尾天然河道进行水温监测的日均过程曲线图；
图4为本发明实时自动监测系统于2012年8月12日～10月26日对四川省大渡河流域龙头石电站尾水进行水温监测的日均过程曲线图；
图5为本发明实时自动监测系统于2012年8月12日～10月26日对四川省大渡河流域瀑布沟电站尾水进行水温监测的日均过程曲线图。
图中，1主机，2数据传输线缆，3温度探头，4程序控制软件，5数据接收终端，6电源；7微处理器，8存储模块，9电流信号解释模块，10通信模块，11显示模块。
具体实施方式
下面结合附图、并通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，有必要在此指出的是本发明实施例只用于对本发明进行进一步说明，而不应理解为是对本发明保护范围的任何限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
本发明电站尾水或河道水温实时自动监测系统，其整体结构框图如图1所示。该监测系统包括主机1，数据传输线缆2，温度探头3，程序控制软件4，数据接收终端5和电源6；所述温度探头3一端置于电站尾水或河道水流流速缓慢的地方，温度探头3另一端通过数据传输线缆2与主机1连接，由主机1向温度探头3发送电流信号；主机1还与数据接收终端5和电源6连接，所述电源6提供给主机1、数据传输线缆2和温度探头3工作所需电压；所述主机1由程序控制软件4进行启动、设定运行工作参数、以及读取存储数据。主机1又包括微处理器7，存储模块8，电流信号解释模块9，通信模块10以及显示模块11；所述微处理器7分别与存储模块8，电流信号解释模块9，通信模块10和显示模块11相互连接，由微处理器7控制所连接的各模块并与其交互通信；主机1将接收的电流信号通过电流信号解释模块9转化为温度信号，并利用存储模块8将数据存储在主机1中；主机1在设定的时间内将记录时间与温度信息通过通信模块10向数据接收终端5发送。
本发明所述程序控制软件4采用自编程序控制软件，它是基于WINDOWS平台的工具语言C语言编写，它对监测系统中主机1进行启动、并对系统监测中监测数据进行记录、存储、远程发送等工作参数进行设定。
本发明主机1内的电源6采用容量大于1000mAH的锂电池，可供整个监测系统持续工作半年以上；数据接收终端5采用接收短信的设备系统，例如短信猫或手机；主机1的通信模块10可通过程序控制软件4对远程传输模式进行设定，远程传输模式具有日内4时刻定点定时发送、多点及时发送等特点，能适合不同环境条件下及监测的需要。
实施例1
本实施例中所述电站尾水或河道水温自动监测系统所用仪器元件：
1、所述主机1中微处理器7采用TI公司型号为MSP430F247的处理器；
2、所述主机1中存储模块8采用AT24C512，美国Atmel公司的存储容量为64K的非易失性存储器；
3、所述主机1中电流信号解释模块9采用TI公司型号MSP430F247的存储模块，并内置AD模块；
4、所述主机1中通信模块10采用深圳华为公司的GSM模块；
5、所述主机1中显示模块11采用ROHM公司型号为BU9795AKV的显示模块；
6、所述主机1中电源6采用型号为702248的3.7V锂离子聚合物充电电池，电池容量为1600mAH；
7、所述数据传输线缆2采用直径为2毫米的两芯屏蔽线缆，并利用直径为12毫米热缩管将其与直径为5毫米的钢绳热缩在一起，具有较好的抗拉能力；
8、所述温度探头3采用南京时恒公司生产的NTC热敏电阻，为保证温度探头3的防水性和精度，数据传输线缆2与温度探头3的连接处采用高强度的密封胶进行封装；
9、所述主机1与数据接收终端5之间的通信网络采用中国移动通信公司的手机信号通信网络；
10、所述数据接收终端5采用短信猫连接于台式电脑上；
11、所述程序控制软件4采用笔记本电脑操作控制。
本实施例所用电站尾水或河道水温自动监测系统在四川省大渡河泸定电站库尾天然河道、龙头石及瀑布沟电站尾水应用的实验条件和操作过程如下：
1、首先于2012年8月11日至大渡河泸定电站库尾天然河道附近的地形、水情、通讯网络信号等条件进行查勘，拟选择能安全布置、容易工作、水流相对平缓、不明显受水位变动影响、通讯信号畅通的地方进行数据传输线缆2及温度探头3布设及仪器主机1安放；
2、至现场进行布线，将温度探头3通过数据传输线缆2连接至主机1；
3、将中国移动SIM卡插入主机1中的SIM卡槽；
4、打开笔记本电脑的自编程序控制软件4，启动程序控制软件4与主机1之间的通讯，设定主机1的记录间隔时间为2小时，数据记录启动方式为立即启动，数据存储方式为存储器满停止，输入中国移动SIM卡的号码，设定主机1中监测数据的远程传输方式为每日固定晚20:00，将日内时刻2:00、8:00、14:00、20:00的水温数据发送至数据接收终端5；
5、断开笔记本电脑与主机1的连接，并对主机1做好防水防盗措施，离开现场；整个现场安装及调试过程约40分钟；
6、之后，每日晚20:00，数据接收终端5接收到当日主机1远程传输的温度数据，供工作人员随地掌握水温监测点的实时水温数据及设备的工作状态；
7、根据监测需要或设备状态，至现场提取更为详细的监测数据并停止设备工作，回收设备。
通过实施例1所监测到的水温数据进行日均化后的水温过程如图3所示曲线，时段为2012年8月12日～2012年10月26日。从图3可知，监测期间平均水温为14.3℃，温差为8.5℃，日均水温最大值出现在8月14日为19.1℃，日均水温最小值出现在10月18日为10.6℃，监测数据较好地反映了泸定电站库尾天然河道水体自高温期向降温期过渡的温度变化过程。
实施例2
本实施例中所述电站尾水或河道水温自动监测系统所用仪器元件与实施例1相同；
本实施例所用电站尾水或河道水温自动监测系统在四川省大渡河龙头石电站尾水应用的实验条件和操作过程与实施例1相同，其中设定主机1的记录间隔时间为1小时。
通过实施例2所监测到的水温监测数据进行日均化后的水温过程如图4所示曲线，时段为2012年8月12日～2012年10月26日。从图4可知，监测期间平均水温为15.5℃，温差为7.8℃，日均水温最大值出现在8月16日为19.8℃，日均水温最小值出现在10月25日为12.0℃，监测数据较好地反映了龙头石电站尾水自高温期向降温期过渡的温度变化过程。
实施例3
本实施例中所述电站尾水或河道水温自动监测系统所用仪器元件与实施例1相同；
本实施例所用电站尾水或河道水温自动监测系统在四川省大渡河瀑布沟电站尾水应用的实验条件和操作过程与实施例1相同，其中设定主机1的记录间隔时间为0.5小时。
通过实施例3所监测到的水温监测数据进行日均化后的水温过程如图5所示曲线，时段为2012年8月12日～2012年10月26日。从图5可知，监测期间平均水温为16.9℃，温差为3.9℃，日均水温最大值出现在8月23日为18.2℃，日均水温最小值出现在10月26日为14.3℃，监测数据较好地反映了瀑布沟电站尾水自高温期向降温期过渡的温度变化过程。
以下表1给出了实施例1、实施例2和实施例3在2012年8月～10月的月均值水温与历史多年平均水温的对比，历史多年平均水温由该河段上、下游水文站实测数据内插得到。
表1各监测点水温监测数据与历史水温数据的比较（℃）
以下表2统计了2012年9月15日实施例1、实施例2、实施例3的水温日内记录过程及室内短信猫采集到的四时刻，即2:00、8:00、14:00、20:00时刻的水温数据。表22012年9月15日各监测点位水温数据（℃）
| 时刻 | 泸定库尾 | 龙头石电站尾水 | 瀑布沟电站尾水 |
| 0:30 | 17.7 | ||
| 1:00 | 15.6 | 17.7 | |
| 1:30 | 17.7 | ||
| 2:00 | 13.9 | 15.5 | 17.7 |
| 2:30 | 17.7 | ||
| 3:00 | 15.4 | 17.7 | |
| 3:30 | 17.7 | ||
| 4:00 | 13.9 | 15.4 | 17.7 |
| 4:30 | 17.7 | ||
| 5:00 | 15.4 | 17.7 | |
| 5:30 | 17.7 | ||
| 6:00 | 13.8 | 15.3 | 17.7 |
| 6:30 | 17.7 | ||
| 7:00 | 15.3 | 17.8 | |
| 7:30 | 17.8 | ||
| 8:00 | 13.7 | 15.2 | 17.8 |
| 8:30 | 17.7 | ||
| 9:00 | 15.2 | 17.7 | |
| 9:30 | 17.7 | ||
| 10:00 | 13.6 | 15.2 | 17.7 |
| 10:30 | 17.7 | ||
| 11:00 | 15.1 | 17.7 | |
| 11:30 | 17.7 | ||
| 12:00 | 13.5 | 15.1 | 17.7 |
| 12:30 | 17.7 | ||
| 13:00 | 15.1 | 17.7 | |
| 13:30 | 17.7 | ||
| 14:00 | 13.4 | 15.1 | 17.7 |
| 14:30 | 17.7 | ||
| 15:00 | 15.1 | 17.7 | |
| 15:30 | 17.7 | ||
| 16:00 | 13.3 | 15.1 | 17.7 |
| 16:30 | 17.7 | ||
| 17:00 | 15.1 | 17.7 | |
| 17:30 | 17.7 | ||
| 18:00 | 13.3 | 15.2 | 17.7 |
| 18:30 | 17.78 --> | ||
| 19:00 | 15.2 | 17.7 | |
| 19:30 | 17.7 | ||
| 20:00 | 13.1 | 15.2 | 17.7 |
| 20:30 | 17.7 |
| 21:00 | 15.2 | 17.7 | |
| 21:30 | 17.7 | ||
| 22:00 | 13.0 | 15.3 | 17.7 |
| 22:30 | 17.7 | ||
| 23:00 | 15.3 | 17.7 | |
| 23:30 | 17.7 | ||
| 24:00 | 13.0 | 15.3 | 17.7 |
| 24小时平均值 | 13.5 | 15.2 | 17.7 |
| 无线发射4个数据点平均值 | 13.5 | 15.3 | 17.7 |
| 日内变化幅度 | 0.9 | 0.5 | 0.1 |
从以上实施例的自动水温监测结果表明，处于天然河道的泸定库尾，其水温受气象、来流等条件影响，监测期内水温波动幅度较大，并出现降低、升高交错的变化规律，最大温度变化幅度为8.5℃。位于泸定电站下游的龙头石电站尾水，与上游泸定库尾相距130km，流水与大气发生热交换，实测水温有所升高，但由于其库容较小，对水流和温度基本无调节作用，其温度变化趋势与泸定库尾基本一致，并存在一定的滞后，最大温度变化幅度7.8℃。瀑布沟电站尾水，电站下泄水温过程较为稳定，最大温度变化幅度为3.9℃，主要是由于瀑布沟电站水库调节能力强，出流对来流需要较长的反应时间，且受库存水体、气象作用等入库水温具有一定的均化作用。
与历史多年平均相比，2012年8月～2012年10月泸定库尾来流水温总体有所偏高，平均偏高0.7℃；但在沿程气象、支流等条件的影响下，龙头石电站尾水与历史过程的差异有所减小，平均偏低0.2℃；瀑布沟电站尾水处水温，受控于电站取水口高程、库容、气象、入出库流量等因素的共同作用，高温期8月水库存在低温水现象，较天然过程偏低0.8℃，而在10月水库开始表现出一定的高温水效应，偏高1.2℃。
就日内变化而言，天然河道水体由于流量大、水体蓄热能力强，其日变化过程并不显著，9月15日泸定库尾水温的最大日变化幅度为0.9℃。龙头石、瀑布沟电站尾水由于水库自身的均化作用，其下泄水温日内过程逐渐趋稳，龙头石的最大日变化幅度为0.5℃，瀑布沟的最大日变化幅度为0.1℃。根据短信猫采集的日内4时刻水温数据的平均值，与日内24时刻平均值进行比较，两种方式下的差异在0.1℃。由此可见，日内4时刻平均水温可代表日内24时刻平均值。
因此，根据水温监测数据，可分析流域电站建成后水温的日变化特性，以及由水库调节作用引起的温度变化。通过对流域内河道及电站尾水温度的监测，可为制定我国流域水生生态环境保护措施及决策提供有力的基础资料。
Claims (5)
1.一种电站尾水或河道水温实时自动监测系统，包括温度探头(3)，数据接收终端(5)和电源(6)，以及由微处理器(7)，存储模块(8)，电流信号解释模块(9)，通信模块(10)和显示模块(11)构成主机(1)；其特征在于还包括数据传输线缆(2)，程序控制软件(4)；所述程序控制软件(4)采用基于WINDOWS平台的工具语言C语言编写，并用笔记本电脑操作控制；所述温度探头(3)与主机分离，其一端置于电站尾水或河道水流流速缓慢的地方，另一端通过数据传输线缆(2)与温度探头(3)分离的主机(1)连接，由主机(1)向温度探头(3)发送电流信号；主机(1)还与数据接收终端(5)和电源(6)连接，电源(6)提供给主机(1)、数据传输线缆(2)和温度探头(3)工作所需电压；数据接收终端(5)采用接收短信的设备系统；所述数据传输线缆(2)采用两芯屏蔽线缆，并利用热缩管将其与钢绳热缩在一起；所述数据传输线缆(2)与温度探头(3)的连接处采用高强度的密封胶进行封装；
所述主机(1)将接收的电流信号通过电流信号解释模块(9)转化为温度信号，并利用存储模块(8)将数据存储在主机(1)中；主机(1)在设定的时间内将记录时间与温度信息通过通信模块(10)向数据接收终端(5)发送。
2.根据权利要求1所述的电站尾水或河道水温实时自动监测系统，其特征在于所述主机(1)内的电源(6)采用容量大于1000mAH的锂离子充电电池。
3.根据权利要求1或2所述的电站尾水或河道水温实时自动监测系统，其特征在于所述主机(1)能记录33000组数据；包括采样时间、温度值，且采样间隔时间在0.5～24小时范围内任意调节。
4.根据权利要求1所述的电站尾水或河道水温实时自动监测系统，其特征在于所述温度探头(3)的温度测量范围是-40℃～100℃。
5.根据权利要求1所述的电站尾水或河道水温实时自动监测系统，其特征在于所述数据传输线缆(2)具有保护装置；所用数据传输线缆(2)采用直径为2毫米的两芯屏蔽线缆，并利用直径为12毫米热缩管将其与直径为5毫米的钢绳热缩在一起。
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