CN107643076A - 一种便携式湖库表层流场实时监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式湖库表层流场实时监测装置及其监测方法，包括一个漂浮桶，漂浮桶设置有通信定位模块、电池和固定式配重体，漂浮桶还设置有自动配重装置，自动配重装置包括一个开口向上的U形管、压力传感器、活动式配重体和带有自动启闭功能的连接件。在进行湖库表层流场实时监测时，由于受到湖库不同区域水深及流速的影响，漂浮桶由于浮力的变化可能会面临着下沉的风险，造成不能有效的进行湖库表层流场的监测工作。本发明通过一种自动配重装置来自动调节漂浮桶的自身重力，使其保持在合理的漂浮水深。本发明的监测装置便于野外监测操作，成本相对较低，能够实时、准确的进行湖库表层流场的监测。
Description
技术领域
本发明涉及水利监测技术领域，具体涉及一种便携式湖库表层流场的实时监测装置及其监测方法。
背景技术
湖库表层流场是湖库水流的重要运动形式之一，表层流场的运动对湖库的水质变化有很大的扰动作用，通过影响水在湖库的滞留情况和水交换情况，进而间接影响悬浮物的沉淀及氮、磷等营养物的滞留，湖库表层流场活动越明显，湖库水滞留时间越短，不利于藻类的繁殖，较难以维持种群数量，不易形成水华；相反，若表层流场活动越不明显，发生富营养化的可能性越大。同时，湖库表层流场运动也是最能直观反映湖库表层水动力条件的指标之一。表层流场的变化不仅仅受入流和出流的制约，还受库区表面的风压，湖库的温度分层，环流以及湖库波动的影响。从目前的常规监测手段来看，很难有效且实时对湖库表层流场进行监测。湖库的表层流场监测已经是水利相关部门一项常规的重要工作，但大多数的监测方法多采用定点、定时监测，虽然这种方法费用廉价、人工花费时间较少，但湖库的表层流场时刻受到风场变化以及上下游流量的影响，单纯的定点、定时监测很难有效的表征湖库表层流场的整体空间变化特征和流场变化的实时性，这对于验证湖库水动力模型的表层流场结果的合理性造成了极大的困难，同时，目前的这种定点、定时的湖库表层流场监测方法很难宏观掌握湖库表层的流场变化特征，所以对后续的水质监测站点布设难以提供相应的理论依据。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种便于野外监测操作，成本相对较低，且能实时随湖库表层流场移动的监测装置及其监测方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种便携式湖库表层流场实时监测装置，包括一个漂浮桶，所述漂浮桶设置有通信定位模块、电池和固定式配重体， 所述漂浮桶还设置有自动配重装置，所述自动配重装置包括一个开口向上的U形管、压力传感器、活动式配重体和带有自动启闭功能的连接件；漂浮桶内部设置有内胆和外胆，所述通信定位模块、电池和一个数据存储器设置在内胆中，所述U形管设置在外胆中，U形管一端封闭、一端开放，U形管的封闭端设置有所述压力传感器；漂浮桶的桶壁上设置有与U形管开放端相连通的进水口和出水口，所述出水口设置在U形管开口上方的正常水位刻度处，所述进水口设置于出水口上方的最高警戒水位刻度处，进水口处设置有向内打开的活动式开关，出水口处设置有向外打开的活动式开关；所述漂浮桶的底部外侧设置有活动式配重体，所述活动式配重体通过带有自动启闭功能的连接件与漂浮桶底部活动连接；所述压力传感器与所述带有自动启闭功能的连接件之间有传输电路，压力传感器通过一个控制器控制所述带有自动启闭功能的连接件对活动式配重体的释放；所述电池为通信定位模块、数据存储器及自动配重装置供电。
进一步的，所述漂浮桶的顶部设置有可以打开的防水性保护盖，保护盖的向阳面设置有太阳能电池板和漂浮指示灯；所述电池为直流蓄电池，所述太阳能电池板与直流蓄电池电源连接，在光照条件下可以为直流蓄电池充电。
进一步的，所述漂浮指示灯与直流蓄电池电源连接，且设置有光度敏感控制器，可根据光度情况控制漂浮指示灯的开关；所述直流蓄电池为小体积高容量锂电池，可独立持续供电24小时。
进一步的，所述带有自动启闭功能的连接件为电磁铁抓手。
进一步的，所述内胆中设置有隔水层，所述通信定位模块、数据存储器、电池设置在隔水层内，所述固定式配重体设置在隔水层外部的内胆底部。
进一步的，所述通信定位模块为GSM/GPRS+GPS模块，所述GSM/GPRS+GPS模块由GPS全球定位系统模块与GSM/GPRS通信模块集成的，通过GPS全球定位系统模块实时定位漂浮桶的位置来判断湖库表层流场的流向，并将定位信息通过GSM/GPRS通信模块传输给岸边基站进行记录；GSM/GPRS+GPS模块在漂浮桶外层延伸有传输天线。
进一步的，漂浮桶外壁设置有防冲撞缓冲装置。
进一步的，所述活动式配重体设置有多个。
一种使用所述的便携式湖库表层流场实时监测装置监测湖库表层流场的方法，包括以下步骤：
1） 开始进行湖库表层流场监测工作时，通过在漂浮桶底部设置活动式配重体使漂浮桶淹没水位达到正常水位，根据需要监测的湖库水面面积大小以及监测时间长短，确定活动式配重体的个数和单个质量，向U形管内注水使U形管内左右两侧的水位相等且与正常水位刻度持平；
2） 在监测过程中，若漂浮桶出现下沉的情况，淹没水位超过最高警戒水位，水流冲开进水口向内的活动式开关，使U形管开放端水位高于封闭端水位，此时，压力传感器收到相应的水压力信号，向控制器释放电信号，控制器控制带有自动启闭功能的连接件打开，释放活动式配重体，使漂浮桶整体重力减轻；
3）配重体释放后，此时漂浮桶的浮力大于自身重力，漂浮桶上浮，U形管内高出正常水位的水柱通过自身重力从出水口向外的活动式开关流出，U形管左、右侧水位持平，压力传感器不承受压力，漂浮桶恢复正常工作。
进一步的，所述活动式配重体可视具体监测情况自行设置有多个，且活动式配重体质量可选；步骤2）中在监测过程中，可根据压力传感器承受到的水压力，使活动配重体逐个依次释放，自动调节漂浮桶的淹没水深。
本发明的有益效果：
1）在进行湖库表层流场监测时，随着不同区域水深及流速变化的影响，漂浮桶可能会面临着下沉的风险，造成不能有效的进行表层流场的监测。本发明通过一种自动配重装置来调节漂浮桶的自身重力，使其保持在合理的淹没水深。本发明的自动配重装置，将U形管、压力传感器、活动式配重体与带有自动启闭功能的连接件结合，利用U形管的等压面原理，能够在淹没水深超过警戒水位时，自动控制漂浮桶卸载活动式配重体，及时减轻漂浮桶自身重量，确保正常工作状态不受影响，达到随时精确监测湖库表层流场的目的。
2）本发明通过太阳能电池板为直流蓄电池充电，由直流蓄电池向GSM/GPRS+GPS模块、漂浮指示灯、数据存储器供电，这种设计可以使太阳能电池板在光线较好的条件下随时为直流蓄电池充电，提高该表层流场监测装置的工作时间。
3）本发明将定位信息通过GSM/GPRS通信模块实时传送给基站，另外，该监测装置内部有数据存储器，实时将定位信息数据进行存储，为监测数据的安全性和完整性上了双保险。
4）本发明采用的GSM/GPRS+GPS模块的高度集成；直流蓄电池采用小体积高容量的锂电池，且可以通过太阳能电池板进行充电；活动式配重体可视具体监测环境与时长，选择悬挂个数和质量，以上装置可使本发明具有实时定位、重量轻、成本低、便于携带且能长时间持续监测工作的优点。
下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。
附图说明
图1为湖库表层流场实时监测装置结构示意图。
附图标记：
1.太阳能电池板；2.漂浮指示灯；3.通信定位模块；4.防冲撞缓冲装置；5.固定式配重体；6.直流蓄电池；7.隔水层；8.U形管；9.压力传感器；10.带有自动启闭功能的连接件；11.活动式配重体；12.传输天线；13.进水口；14.出水口；15.数据存储器；16.过滤网。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种便携式湖库表层流场实时监测装置，包括一个漂浮桶，漂浮桶侧面标有最高警戒水位、正常水位以及最低水位三种刻度.
所述漂浮桶设置有通信定位模块3、直流蓄电池6和固定式配重体5，所述漂浮桶还设置有自动配重装置，所述自动配重装置包括一个开口向上的U形管8、压力传感器9、活动式配重体11和带有自动启闭功能的连接件10（本实施例中为电磁铁抓手）。
漂浮桶内部设置有内胆和外胆，所述内胆中设置有隔水层7，所述通信定位模块3、数据存储器15、直流蓄电池6设置在隔水层7内，所述固定式配重体5设置在隔水层7外部的内胆底部。
U形管8设置在外胆中，U形管8一端封闭、一端开放，U形管8的封闭端设置有所述压力传感器9；漂浮桶的桶壁上设置有与U形管开放端相连通的进水口13和出水口14，所述出水口14设置在U形管8开口上方的正常水位处，所述进水口13设置于出水口14上方的最高警戒水位处，进水口处设置有向内打开的活动式开关，出水口处设置有向外打开的活动式开关。进水口和出水口出均设置有过滤网16，防止有杂物进入，堵塞U形管。
漂浮桶的底部外侧设置有活动式配重体11，所述活动式配重体11通过带有自动启闭功能的连接件10与漂浮桶底部活动连接；所述压力传感器9与所述带有自动启闭功能的连接件10之间有传输电路，压力传感器9通过一个控制器控制所述带有自动启闭功能的连接件10对活动式配重体11的释放。活动式配重体一般采用铅块，质量可分为0.5kg、1kg、1.5kg三种规格。活动式配重体与电磁铁抓手间有均质牵引线连接。
直流蓄电池6为通信定位模块3、自动配重装置及数据存储器15供电。
本实施例中，漂浮桶采用圆柱形状，材质为抗腐、防冻、抗氧化、抗紫化线的强化材质的聚乙烯材料。颜色采用鲜亮的橘红色，便于装置在工作期间识别。漂浮桶一般设置为高70cm，半径30cm。漂浮桶正常淹没水深为30cm，最高警戒水位为50cm，最低淹没水深为15cm。漂浮桶的顶部设置有可以打开的防水性保护盖，保护盖的向阳面设置有太阳能电池板1和漂浮指示灯2；所述直流蓄电池6为小体积高容量的锂电池，所述太阳能电池板与直流蓄电池电源连接，在光照较好条件下可以为直流蓄电池充电，保证该监测装置具有更长的待机时间。漂浮指示灯2与直流蓄电池电源连接，且设置有光度敏感器，可根据光度条件控制漂浮指示灯2的开关。当进入夜晚，光线条件不利时，漂浮指示灯开启，当进入白天，可视范围较好时，漂浮指示灯关闭。设置漂浮指示灯的作用是便于监测人员在光线条件不利的情况下，能快速寻找到该监测装置。
本实施例中，直流蓄电池电源采用小体积高容量锂电池。该直流蓄电池电源与太阳能电池板连接，在有光条件下，由太阳能电池板进行充电，使直流蓄电池电源处于饱和状态。当光线条件不利时，由直流蓄电池电源提供电源。此外，该直流蓄电池还与通信定位模块、漂浮指示灯以及自动配重装置相连接，是整个监测装置的电源提供核心部分。
本实施例中，通信定位模块3为GSM/GPRS+GPS模块，所述GSM/GPRS+GPS模块由GPS全球定位系统模块与GSM/GPRS通信模块集成的，具有定位精度高、低耗等优点。通过GPS实时定位来判断湖库表层流场的流向，并将定位信息通过GSM/GPRS通信模块传输给岸边基站进行记录；GSM/GPRS+GPS模块在漂浮桶外层延伸有传输天线12，可保证定位信息及传输信号的有效性和及时性。
本实施例中，漂浮桶外壁设置有防冲撞缓冲装置4。防冲撞缓冲装置可以设置多个。防冲撞缓冲装置类似于船舶和快艇的四周边缘来进行防止碰撞的防撞条。在漂浮桶外侧沿柱体方向等间隔布置，主要作用是用来保护漂浮桶及内部装置，在遇到漂浮物及靠近岸边时，减少或消除对漂浮桶的伤害。
本实施例中，固定式配重体5放置在漂浮桶内胆底部，大小形状应与内胆的大小形状相匹配，在实际监测中，可采用沙袋进行填充，沙袋重量视具体监测环境而定。在进行表层流程监测工作开始时，放置固定式配重体5使水位达到漂浮桶外侧的最低水位处。
本实施例中，活动式配重体11设置有多个，通过带有自动启闭功能的连接件10悬挂在漂浮桶底部。本实施例中带有自动启闭功能的连接件10为电磁铁抓手。活动式配重体通过电磁铁抓手均匀悬挂在漂浮桶底部。电磁铁抓手工作原理如下：当淹没水深处于警戒水位之下时，电磁铁抓手处于闭合状态，此时，电磁体抓手通过均质牵引线悬挂活动式配重体。当淹没水深高于警戒水位时，通过控制器释放电信号改变电磁铁抓手的两端的磁场，电磁体处于开闭状态，此时，活动式配重体由于缺少牵引力，自由下落。此外，在漂浮桶内部内侧设置有多个电路触点，可根据现场实际监测环境及监测时长，加装电磁铁抓手和活动式配重体。其活动式配重体释放顺序为先外后内、一左一右、间断释放。这样设计的目的是为了保持漂浮桶在监测工作时期的平衡性。
数据存储器。采用大容量便携式数据存储器，采用SD卡存储技术实现数据的采集和存储。具有结构简单、功耗低（模块功耗≤0.3W）、性能稳定、体积小以及成本低的特点。采用32位/64位高性能ARM处理器，处理速度快，性能稳定；数据存储类型为TXT文件，便于阅读；具有数据存储接口和系统控制接口；内置有电池，满电状态下可持续工作24小时以上；抗干扰能力强，适用于复杂的气象和水文条件。数据存储器主要用于实时接收并存储监测装置的定位数据。数据存储器与GSM/GPRS+GPS模块和直流蓄电池相连接，数据传输的频率为10s。数据存储器的电源由内置电源和直流蓄电池提供，先由直流蓄电池供电，在直流蓄电池电力不足时，内置电源再为数据存储器供电。
自动配重装置的主要原理是采用了U形管的等压面原理，当U形管内存在一种均质液体时，其左、右两侧的液体高度相等，产生的压力也相等。当U形管右端被封闭，左侧的液体高度与右侧封闭端的高度相等的时候，此时，右侧封闭处不存在水压力，当左侧的水位高于右侧的封闭高度时，右侧封闭处将承受左侧高出封闭高度的水压力。
本实施例中放置在右侧封闭处的压力传感器接受到压力信号后，通过传输电路来控制悬挂活动式配重体的电磁铁抓手，改变漂浮桶自身的重力，并使其上浮。活动式配重体通过电磁铁抓手均匀的悬挂在漂浮桶底部，其数量可根据监测时间、湖库水面面积大小来决定。压力传感器的压力阈值可有正负偏差，并具有一定的滞后性，当漂浮桶处于最高警戒水位一定时间后，压力传感器才释放电信号来控制电磁铁抓手释放活动式配重体，这种设计是为了防止漂浮桶在表层流程监测期间，由于风浪等因素造成的漂浮桶暂时处于最高警戒水位时，造成的压力传感器误判错误。
本实施例中的的自动配重装置由U形管、压力传感器、电磁体抓手、活动式配重体组成。U形管在漂浮桶外胆处，在右端封闭处放置有压力传感器，左端设置有向内打开的进水口开关和向外打开的出水口开关，在进行湖库表层流场监测工作前，需要将向U形管内注水，使左右两侧水位相等且与正常水位刻度持平。压力传感器与电磁铁抓手之间通过电路传输，并有控制器进行控制。压力传感器接收到相应的水压力信号时，通过电路传输电信号给控制器，由控制器控制电磁铁抓手的开闭。活动式配重体可现场组装，悬挂个数和质量可根据实际的湖库情况以及监测时间而定，这种分散组装的形式便于野外监测携带及操作。
本实施例中的实时定位、通讯装置由太阳能电池板、直流蓄电池、GSM/GPRS+GPS模块、漂浮指示灯组成。太阳能电池板与直流蓄电池之间采用电路连接，在光线较好的情况下，通过太阳能电池板向直流蓄电池充电，使直流蓄电池的电量处于饱和状态。直流蓄电池采用小体积、大容量的锂电池。GSM/GPRS+GPS模块与直流蓄电池之间采用电路连接，通过GPS全球定位模块对漂浮桶进行定位，GPS定位精度需要控制在5m以下，最佳精度为3m以下，由GSM/GPRS通讯装置将定位信息实时传送给岸边的基站，定位和传输需要实时同步进行，定位的时间间隔可根据湖库水面面积进行缩短或者延长，一般设置为2秒传输一次。漂浮指示灯通过光度敏感器与直流蓄电池连接，在光线条件不利时，通过光度敏感器开启漂浮指示灯，这样不仅可以节约直流蓄电池电量，而且还能在光线不利条件下快速寻找到漂浮桶。
实施例2
本实施例为使用实施例1中的便携式湖库表层流场实时监测装置监测湖库表层流场的方法，包括以下步骤：
1）开始进行湖库表层流场监测工作时，通过在漂浮桶底部设置活动式配重体使漂浮桶淹没水位达到正常水位，根据具体监测湖库水面面积大小以及监测时间长短，确定活动式配重体的个数和单个质量，向U形管内注水使U形管内左右两侧的水位相等且与正常水位刻度持平；
2）在监测过程中，若漂浮桶出现下沉的情况，淹没水位超过最高警戒水位，水流冲开进水口向内的活动式开关，使U形管开放端水位高于封闭端水位，此时，压力传感器收到相应的水压力信号，向控制器释放电信号，控制器控制带有自动启闭功能的连接件打开，释放活动式配重体，使漂浮桶整体重力减轻；
3）配重体释放后，此时漂浮桶的浮力大于自身重力，漂浮桶上浮，U形管内高出正常水位的水柱通过自身重力从出水口向外的活动式开关流出，U形管左、右侧水位持平，压力传感器不承受压力，漂浮桶恢复正常工作。
活动式配重体可视具体监测情况自行设置有多个，且活动式配重体质量可选；步骤2）中在监测过程中，可根据压力传感器承受到的水压力，使活动配重体逐个依次释放，自动调节漂浮桶的淹没水深。
实施例3
在实施例1的基础上进行参数的替换。
漂浮桶为圆形，材质为PC材料；带有自动启闭功能的连接件设置为能够通过电流控制开闭的装置螺栓或铁环。所述便携式湖库表层流场实时监测装置还设置有水温传感器、水质监测探头，进行湖库表层的水温和水质实时监测。
Claims (10)
1.一种便携式湖库表层流场实时监测装置，包括一个漂浮桶，所述漂浮桶设置有通信定位模块、电池和固定式配重体，其特征在于：
所述漂浮桶还设置有自动配重装置，所述自动配重装置包括一个开口向上的U形管、压力传感器、活动式配重体和带有自动启闭功能的连接件；
漂浮桶内部设置有内胆和外胆，所述通信定位模块、电池和一个数据存储器设置在内胆中，所述U形管设置在外胆中，U形管一端封闭、一端开放，U形管的封闭端设置有所述压力传感器；漂浮桶的桶壁上设置有与U形管开放端相连通的进水口和出水口，所述出水口设置在U形管开口上方的正常水位刻度处，所述进水口设置于出水口上方的最高警戒水位刻度处，进水口处设置有向内打开的活动式开关，出水口处设置有向外打开的活动式开关；
所述漂浮桶的底部外侧设置有活动式配重体，所述活动式配重体通过带有自动启闭功能的连接件与漂浮桶底部活动连接；所述压力传感器与所述带有自动启闭功能的连接件之间有传输电路，压力传感器通过一个控制器控制所述带有自动启闭功能的连接件对活动式配重体的释放；
所述电池为通信定位模块、数据存储器及自动配重装置供电。
2.根据权利要求1所述的便携式湖库表层流场实时监测装置，其特征在于：所述漂浮桶的顶部设置有可以打开的防水性保护盖，保护盖的向阳面设置有太阳能电池板和漂浮指示灯；所述电池为直流蓄电池，所述太阳能电池板与直流蓄电池电源连接，在光照条件下可以为直流蓄电池充电。
3.根据权利要求2所述的便携式湖库表层流场实时监测装置，其特征在于：所述漂浮指示灯与直流蓄电池电源连接，且设置有光度敏感控制器，可根据光度情况控制漂浮指示灯的开关；所述直流蓄电池为小体积高容量锂电池，可独立持续供电24小时。
4.根据权利要求1所述的便携式湖库表层流场实时监测装置，其特征在于：所述带有自动启闭功能的连接件为电磁铁抓手。
5.根据权利要求1所述的便携式湖库表层流场实时监测装置，其特征在于：所述内胆中设置有隔水层，所述通信定位模块、数据存储器、电池设置在隔水层内，所述固定式配重体设置在隔水层外部的内胆底部。
6.根据权利要求1所述的便携式湖库表层流场实时监测装置，其特征在于：所述通信定位模块为GSM/GPRS+GPS模块，所述GSM/GPRS+GPS模块由GPS全球定位系统模块与GSM/GPRS通信模块集成的，通过GPS全球定位系统模块实时定位漂浮桶的位置来判断湖库表层流场的流向，并将定位信息通过GSM/GPRS通信模块传输给岸边基站进行记录；GSM/GPRS+GPS模块在漂浮桶外层延伸有传输天线。
7.根据权利要求1所述的便携式湖库表层流场实时监测装置，其特征在于：漂浮桶外壁设置有防冲撞缓冲装置。
8.根据权利要求1所述的便携式湖库表层流场实时监测装置，其特征在于：所述活动式配重体设置有多个。
9.一种使用权利要求1所述的便携式湖库表层流场实时监测装置监测湖库表层流场的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）开始进行湖库表层流场监测工作时，通过在漂浮桶底部设置活动式配重体使漂浮桶淹没水位达到正常水位，根据需要监测的湖库水面面积大小以及监测时间长短，确定活动式配重体的个数和单个质量；向U形管内注水使U形管内左右两侧的水位相等且与正常水位刻度持平；
2）在监测过程中，若漂浮桶出现下沉的情况，淹没水位超过最高警戒水位，水流冲开进水口向内的活动式开关，使U形管开放端水位高于封闭端水位，此时，压力传感器收到相应的水压力信号，向控制器释放电信号，控制器控制带有自动启闭功能的连接件打开，释放活动式配重体，使漂浮桶整体重力减轻；
3）配重体释放后，此时漂浮桶的浮力大于自身重力，漂浮桶上浮，U形管内高出正常水位的水柱通过自身重力从出水口向外的活动式开关流出，U形管左、右侧水位持平，压力传感器不承受压力，漂浮桶恢复正常工作。
10.根据权利要求9所述的监测湖库表层流场的方法，其特征在于：所述活动式配重体可视具体监测情况自行设置有多个，且活动式配重体质量可选；步骤2）中在监测过程中，可根据压力传感器承受到的水压力，使活动配重体逐个依次释放，自动调节漂浮桶的淹没水深。
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