CN104677519A - 一种河口区域平均水温测量装置 - Google Patents

Abstract

一种河口区域平均水温测量装置，涉及水温测量。设有GPS模块、计算机、数据采集卡、功率放大器、发射换能器、接收换能器、前置放大器、滤波器、散热器、蓄电池；GPS模块用于对观测站点进行定位和时间同步，生成1pps脉冲并触发数据采集卡的工作状态；计算机用基于LabVIEW编写的用户程序生成数字信号，发送至数据采集卡；数据采集卡将模拟信号输送至功率放大器；将滤波器输送来的模拟信号转换成数字信号，并输送到计算机；功率放大器的输出端接发射换能器；发射换能器用于将功率放大器放大后的模拟信号转换成声信号，并发射出去；接收换能器的输出端接前置放大器；前置放大器的输出端接滤波器；滤波器的输出端接数据采集卡。

Description

一种河口区域平均水温测量装置

技术领域

本发明涉及水温测量，尤其是涉及一种河口区域平均水温测量装置。

背景技术

中国是世界上河流最多的国家之一，地表高低起伏，河流、湖泊众多，水资源丰富，在此优势上发展起来的养殖、航运产业等较为发达，而且水质与人们的生活息息相关，因此对河流的监测越显得重要。河口、近岸浅海作为淡水与海水交界处，水文环境复杂，生产力丰富，对其温度的监测极为重要。目前在对河口区域及近岸的水文监测中主要采用单点入侵式的观测，采用温度计、超声测温仪、温盐深仪(CTD)等手段。此类移动式单点测量方法虽然简单易用，但因其只能监测探头可探测范围，不能准确反映出长距离河道的平均温度，从而易产生误差。且这些方法在测量时需要河道中放置固定传感器，或者将传感器固定在船只上，采用间歇性的走航式观测，不能离开人为操作，所耗费的人力物力成本较高。况且在某些环境复杂的河道，观测过程受渔业及航运的影响，上述实施起来极为困难。

声学测量方法是利用声波穿透整个河口区域的水体以获得该区域的平均温度数据，所以可以克服单点测量缺点。早在上个世纪，已有相关学者采用该技术利用低频声波对大洋进行监测，但只局限于在大尺度条件下应用，而在河口测量时分辨率不足。如中国专利CN90101944公开了一种声学测温方法和装置，利用超声脉冲使之在小范围水体内传播，经过多次的反射，测出反射次数所经历的时间并由传播路径计算出声速，得到平均温度。该专利授权的装置主要适用于小尺度范围测量，在对河口、沿海区域等断面进行测量时有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供利用声学层析原理，结构简单、安装方便、适用范围广，可在近海、河口、湖泊等水域进行长时间的水温测量的一种河口区域平均水温测量装置。

本发明设有：

GPS模块，GPS模块用于对观测站点进行定位和时间同步，生成1pps脉冲并触发数据采集卡的工作状态；

计算机，计算机用基于LabVIEW编写的用户程序生成数字信号，发送至数据采集卡，并处理数据采集卡的数字信号，激活GPS；

数据采集卡，数据采集卡用于在发射信号时将计算机的数字信号转换成模拟信号，在GPS生成的1pps信号到达时触发工作状态，将模拟信号输送至功率放大器；在接收信号时，将滤波器输送来的模拟信号转换成数字信号，并输送到计算机；

功率放大器，功率放大器用于将数据采集卡的模拟信号进行功率放大，并输送至发射换能器；

发射换能器，发射换能器用于将功率放大器放大后的模拟信号转换成声信号，并发射出去；

接收换能器，接收换能器用于将接收到的声信号转换成模拟电信号，并输送到前置放大器；

前置放大器，前置放大器用于放大接收换能器输出的模拟信号，并输送至滤波器；

滤波器，滤波器用于对前置放大器放大后的电信号进行滤波，并输送至数据采集卡；

散热器，散热器用于对功率放大器进行散热；

蓄电池，蓄电池为功率放大器和前置放大器提供直流电源。

所述数据采集卡、功率放大器、前置放大器、滤波器、散热器可集成在一个机箱中，机箱可设有箱盖、箱底和前面板；发射换能器和接收换能器的探头可由不锈钢支架固定并放置于水中进行探测。

所述GPS模块的单点定位精度可为1.8m，授时精度可为20ns。

所述数据采集卡可设有16个采样通道，采样精度可为16bit，采样率可为400kS/s。

所述发射换能器的中心频率可为60kHz，带宽可为40～100kHz；所述接收换能器的中心频率可为60kHz，带宽可为40～100kHz；所述滤波器的中心频率可为60kHz，带宽为40～100kHz。

所述滤波器可采用有源带通滤波器。

本发明由计算机控制信号收发，GPS进行时间同步，配合数据采集卡，再通过换能器进行收发信号；本发明采用高频声波的频带为40～80kHz，换能器的探头无指向性，在河口等水域的两侧布放观测站点，发射换能器和接收换能器无需对准，安装简易，可获得整个断面温度的平均数据；可以实现在河口区域及近岸浅海进行长时间连续的非入侵式观测，分辨率高。在极端天气情况下，也能实时监测河口水域的温度变化。

附图说明

图1是本发明实施例的电路组成框图。

图2是本发明实施例的机箱外部结构示意图。

图3是本发明实施例的机箱内部结构示意图。

图4是本发明实施例的发射换能器和接收换能器安装示意图。

图5是本发明实施例的蓄电池示意图。

图6是本发明实施例的温度测量结果示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明做进一步的说明。

参照图1，本发明实施例设有GPS模块11、计算机12、数据采集卡13、功率放大器14、发射换能器15、滤波器16、前置放大器17、接收换能器18。

参照图2和3，本发明的数据采集卡、功率放大器、滤波器、前置放大器集成在一个机箱内，机箱设有箱盖211、前面板212和箱底213，前面板212上设有接收换能器接口221、发射换能器接口222、GPS接口23、前置放大器的多档选择开关24、前置放大器开关251、功率放大器开关252、滤波器开关26、前置放大器供电接口271、功率放大器供电接口272、数据采集卡接口28、散热器29。

数据采集卡13、功率放大器14、滤波器16、前置放大器17固定于机箱的前面板212上，和各个接口相连接；接收换能器18的接头连接至前面板212上的接收换能器接口221，接收换能器接收到的模拟信号由此传送到前置放大器，前置放大器17的多档选择开关可以调节模拟信号的放大倍数；发射换能器的接头连接至前面板212上的接收换能器接口，功率放大器的信号由此输送到发射换能器；数据采集卡通过前面板212的数据采集卡接口和电脑连接，处理所要发射的信号和所接收到的信号；GPS所产生的1PPS脉冲信号通过GPS接口23输送至数据采集卡；发射换能器和接收换能器的供电接口和蓄电池连接。

所述机箱的长、宽、高分别为42cm、34cm、16cm。

所述前置放大电路可使用多级运放组合电路，增益倍数多档可调，分别有0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB。

参照图4，不锈钢支架41用两块上下钢板来保护发射换能器15和接收换能器18，上钢板42可以防止垂直掉落的重物击坏换能器，上钢板中间打孔，以便接收换能器18和发射换能器15从其中穿过；下钢板43可以防止水底泥沙覆盖住换能器。

参照图5，为本发明供电的蓄电池设有+48V接线端口51、-48V接线端口52、+12V接线端口53、-12V接线端口54、GND接线端口55；其中+48V、-48V、GND为功率放大器供电，+12V、-12V、GND为前置放大器供电。

本发明在观测过程中将发射换能器和接收换能器置于水下，分别进行信号发射和信号接收；GPS、计算机、机箱和蓄电池放置于岸基或水上平台；所发射的信号由计算机生成，输送至机箱的数据采集卡，经过功率放大器进行功率放大，再由发射换能器的探头发射出去；接收换能器的探头所接收到的信号输送至机箱，经过前置放大器进行放大，滤波器进行滤波，然后通过数据采集卡输送至计算机，由计算机对信号进行处理并存储；观测时需要两套仪器在一定的距离上同时进行信号的接收和发射。

通过GPS测出两套仪器在观测时的距离L，以及在同一时刻测得的声传播时间分别为T⁺和T^-则声速为：

$C_{\mathrm{STP}}=\frac{2L}{T^{+}+T^{-}}---\left(1\right)$

其中，C_STP为声速，由式(1)求得的C_STP代入Del Grosso声速公式

C_STP＝C₀₀₀+ΔC_T+ΔC_S+ΔC_P+ΔC_STP

＝1448.6+4.6187-0.052t²+1.25(s-35)-0.11(s-35)t

+0.0027×10^-5(s-35)t⁴-2×10^-7(s-34)⁴(1+0.577t-0.0072t²)   (2)

+0.18P(m/s)

其中，s盐度，t为温度，P压力，m/s表示米/秒；C₀₀₀为参考声速，ΔC_T、ΔC_S、ΔC_P项分别代表声速受温度、盐度、压力的影响，ΔC_STP为温度、盐度、压力对声速的联合作用；由于湖泊、河口区域的盐度可以忽略不计，在同一水平面上测量时压力差小，所以根据ΔC_T即可算出温度。图6为本发明实施例所反演出的温度，横坐标为时间(h)，纵坐标为温度(℃)。

Claims (5)

1.一种河口区域平均水温测量装置，其特征在于设有：

GPS模块，GPS模块用于对观测站点进行定位和时间同步，生成1pps脉冲并触发数据采集卡的工作状态；

计算机，计算机用基于LabVIEW编写的用户程序生成数字信号，发送至数据采集卡，并处理数据采集卡的数字信号，激活GPS；

数据采集卡，数据采集卡用于在发射信号时将计算机的数字信号转换成模拟信号，在GPS生成的1pps信号到达时触发工作状态，将模拟信号输送至功率放大器；在接收信号时，将滤波器输送来的模拟信号转换成数字信号，并输送到计算机；

功率放大器，功率放大器用于将数据采集卡的模拟信号进行功率放大，并输送至发射换能器；

发射换能器，发射换能器用于将功率放大器放大后的模拟信号转换成声信号，并发射出去；

接收换能器，接收换能器用于将接收到的声信号转换成模拟电信号，并输送到前置放大器；

前置放大器，前置放大器用于放大接收换能器输出的模拟信号，并输送至滤波器；

滤波器，滤波器用于对前置放大器放大后的电信号进行滤波，并输送至数据采集卡；

散热器，散热器用于对功率放大器进行散热；

蓄电池，蓄电池为功率放大器和前置放大器提供直流电源。

2.如权利要求1所述一种河口区域平均水温测量装置，其特征在于所述数据采集卡、功率放大器、前置放大器、滤波器、散热器集成在一个机箱中，机箱设有箱盖、箱底和前面板；发射换能器和接收换能器的探头由不锈钢支架固定并放置于水中进行探测。

3.如权利要求1所述一种河口区域平均水温测量装置，其特征在于所述GPS模块的单点定位精度为1.8m，授时精度为20ns。

4.如权利要求1所述一种河口区域平均水温测量装置，其特征在于所述数据采集卡设有16个采样通道，采样精度为16bit，采样率为400kS/s；所述发射换能器的中心频率为60kHz，带宽为40～100kHz；所述接收换能器的中心频率为60kHz，带宽为40～100kHz；所述滤波器的中心频率为60kHz，带宽为40～100kHz。

5.如权利要求1或4所述一种河口区域平均水温测量装置，其特征在于所述滤波器采用有源带通滤波器。