CN108458976A - 水体透明度检测方法及水体透明度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水体透明度检测方法和检测装置，所述方法是在待测水域三个不同位置分别将光源穿过水体，检测三个位置的光功率，通过公式(1)确定水体透明度L；所述检测装置包括密封舱、数据采集模块、数据分析模块、控制模块和电源。与现有技术相比，本发明的优势是：将光强接收器采集到的光强差异定义为水体的透明程度L，相对于萨式盘法，自动化程度高，避免了人工测量的误差；本发明首创地提出采用差值法测水体透明度，从原理上排除了外界的干扰和累计误差的产生；适用范围广，可在人员难测的水域使用，如水塔、荒野等区域高密度和自动采集，大幅度的降低测量成本，可同时获取大量的样本数据，可实现实时检测。
Description
技术领域
本发明涉及水体透明度检测技术领域，尤其涉及水体透明度检测方法及水体透明度检测装置。
背景技术
水体透明度作为描述水体光学性质的水体能见程度的一个重要参数，是衡量水质优劣、评价湖泊富营养化与水污染防治的一个重要指标，也是水库、湖泊、地表水水质调查中不可缺少的项目。随着水体污染问题的日渐严重，水体透明度监测成为社会经济可持续发展必须解决的重大问题。湖泊水体的水质与国民生产和人们的生活息息相关，因此，快捷准确的湖泊水体透明度监测显得尤为重要。
目前，传统湖泊水体透明度的测量方法主要有铅字法、十字法和萨氏盘法(secchidisk)。铅字法、十字法采用透明度计或带刻度的玻璃筒对取样水进行目视测量，由于受透明度计或玻璃筒长度的限制，对于透明度超过筒长的水样，不能测量出具体的透明度值，因此此两种测量方法已不常用。现在水体透明度的常规监测方法是基于萨氏盘的人工测量方法。萨氏盘是直径为20cm的白铁片盘，盘的一面用十字从中心平均分为四个部分，颜色黑白相间，正中心开小孔，穿一铅丝，下面加一铅锤。将其沉入水中，以刚好看不到它时的水深(cm)表示透明度。但上述方法均为面向现场的测量方法，容易受时间、天气、光线强度、湖面反射光、水体周围环境光线的散射等测试环境影响；另外，萨式盘法工作量大、区域限制性、不能反应空间变化、误差大(测试人员的视力等在客观上对此方法下的水体透明度的测定也有较大影响)。
针对上述问题，中国发明专利CN 103398986 B公开了一种用于多种水流条件的水体透明度测量方法，在水面上方设置一参考水平面，以参考水平面为基准面，用测量绳悬挂透明度盘下放入水内至看不到透明度盘，沿测量绳方向得出透明度盘至基准面直线距离L和透明度盘至水面直线距离D，测量基准面与水面的距离H，得出实际透明度T＝H*D/(L-D)。透明度盘进入水体后会因为水流等原因产生漂移，造成目测值与测量绳的入水长度产生差异，影响测量精度，因此通过测量距离L、距离D和距离H，再根据相似多边形的特性，得出水体的实际透明度，本方法即使在水流湍急等多种水流条件下也能保持较高的测量精度，其测量过程简单方便，有较广的适用范围。中国发明专利申请CN 105004699 A公开了一种用于测量水体透明度的测量仪器，包括：圆盘，所述圆盘中心设有第一水压传感器；连接于所述第一水压传感器的导线；连接在所述电线且与所述第一水压传感器的存在距离的第二水压传感器；用于感应电线倾斜角度的重力倾斜传感器；计算器，与所述重力倾斜传感器、第一水压传感器和第二水压传感器分别可通信地相连接。如此设置，该发明提供的用于测量水体透明度的测量仪器，采用该测量仪器进行水体透明度的测量，具有较高的准确度；虽已在一定程度上避免了测量误差，但上述专利还是人工测量的方式，仍未解决人工参与测量时因人而异的主观误差问题。对此，一些学者提出一种激光测量方法，避免了上述问题[夏光辉，余义德.一种海水透明度测量新方法的研究与实现[J].计算机工程，2011，37(16)：263-266]。但其设计方案为针对面向现场的测量方式，不能达到远程监测的目的。杜承虎，李云飞等[杜承虎，李云飞等.水体透明度远程监测系统的研究与应用[J].海洋环境科学，2009，28(3)：316-320]利用光度学原理设计了由激光模组、光电池等组成的透明度传感器，提出并实现基于通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)的远程水质监测系统的设计方案，在一些学者对太湖水域的光学衰减与透明度关系研究的基础上，根据太湖水域透明度计算公式，实现对太湖水域进行远程测量。该测量方法和远程监测系统虽然不受时间、天气、测试人员等客观因素影响，具有实时性好、稳定可靠的特点，在远程水体透明度测量方面具有较大的应用价值，但由于光源与可见光波长不同的原因，受光衰减影响，测得的水体透明度存在一定误差，且无法排除干扰因素，特别是在实测条件下，采集会形成误差累计，无法正常测量。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种水体透明度检测方法，可避免测量结果受光衰减影响，通用性强，适用于各种水域。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
水体透明度检测方法，是在待测水域三个不同位置分别将光源穿过水体，检测三个位置的光功率，通过公式(1)确定水体透明度L；
l1为当光源和接收器位于位置a时的距离与光源和接收器位于位置b时的距离之差，l2为当光源和接收器位于位置a时的距离与光源和接收器位于位置c时的距离之差，P1为当光源和接收器位于位置a时接收的光功率，P2为当光源和接收器位于位置b时接收的光功率，P3为当光源和接收器位于位置c时接收的光功率。
优选地，作为一种优选方案，所述水体透明度检测方法包括如下步骤：
步骤a)在待测水域中位置a、位置b和位置c处分别接收光源穿过水体后的光功率P；
步骤b)将接收的光功率转换为数字信号；
步骤c)通过公式(1)计算待测水域水体透明度L。
本发明的另一目的是提供一种水体透明度检测装置，包括：密封舱、数据采集模块、数据分析模块、控制模块以及电源；其中，
密封舱设有至少一对通光窗口，所述数据采集模块、数据分析模块、控制模块以及电源设于密封舱内；
数据采集模块包括光源、光强接收器和A/D转换器，光强接收器透过通光窗口接收光源发出的光信号，并将接收的光信号发送至A/D转换器，A/D转换器将接收的光信号转换为数字信号后发送至数据分析模块；
数据分析模块包括安装在密封舱内的接收器和处理器，用于将接收的数字信号采集后计算；
控制模块，用于控制数据采集模块、数据分析模块和电源。
优选地，控制模块选用单片机或现有技术中任一微型计算机系统，在此不做赘述。
优选地，作为一种优选方案，密封舱顶部有一呈四周高中间低的内凹部，所述内凹部的一侧与顶部之间设有台阶，内凹部的另一侧与顶部之间设有垂直于台阶台面的平面，平面与台阶相对布置，通光窗口设于密封舱台阶及其平面对应位置。
更优选地，每个台阶都设有通光窗口。
更优选地，当通光窗口为两对及以上时，密封舱内两端还分别设有升降组件，光源和光强接收器分别在不同升降组件上同时做升降运动。
更优选地，每对通光窗口的窗口间间距不同。
更优选地，每对通光窗口的窗口间间距成比例设置。
进一步，升降组件的顶部设有卷扬机构，光源或光强接收器通过卷扬机构在密封舱内升降。
进一步，升降组件包括滑杆、升降固定件和步进电机，滑杆一端固定于密封舱底部，光源或光强接收器连接于升降固定件上，步进电机控制升降固定件沿滑杆上下滑动。
优选地，如需进行远程数据监控，数据分析模块还包括一发送器，用于将计算的水环境数据发送至远程服务器，达到实时监控的目的。
优选地，为了避免窗口污渍对传感器所采集数据的影响，水体透明度检测装置还可包括清洗系统。
更优选地，清洗系统包括依次连接的清洗电机、转轴和转刷，单片机控制清洗电机运转，带动转轴转动，从而使转刷对通光窗口进行清洁。
优选地，水体透明度检测装置还包括GPS模块，用于远程定位水体透明度检测装置。
优选地，水体透明度检测装置包括套设于密封舱外的护套。
与现有技术相比，本发明的优势是：
1.将光强接收器采集到的光强差异定义为水体的透明程度L，相对于萨式盘法，自动化程度高，避免了人工测量的误差；
2.在密封舱设置多组通光窗口并使每对通光窗口的距离成比例，通过控制光源和光强接收器的移动，检测舱外不同水体厚度的光强度变化，形成了对照试验，排除了光强在水中衰减对传感器检测水体透明度的影响，准确性高；
3.本发明首创地提出采用差值法测水体透明度，从原理上排除了外界的干扰和累计误差的产生；
4.适用范围广，可在人员难测的水域使用，如水塔、荒野等区域高密度和自动采集，大幅度的降低测量成本，可同时获取大量的样本数据，可实现实时检测；
5.传感器连续工作时间可达3年以上，且不受外界光照条件的影响，能在水下无光的环境下使用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的水体透明度检测装置示意图；
图2为本发明实施例提供的水体透明度检测装置工作原理图；
图3为本发明实施例提供的水体透明度检测装置控制模块系统时钟电路原理图；
图4为本发明实施例提供的水体透明度检测装置光源继电器驱动电路原理图；
图5为本发明实施例提供的水体透明度检测装置数据分析模块看门狗电路原理图；
图6为本发明实施例提供的水体透明度检测装置电源电路原理图；
图7为本发明实施例提供的水体透明度检测装置清洗模块电路原理图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
实施例1
如图1和图2所示，本发明提供的水体透明度检测装置包括：用于包裹并保护水体透明度检测装置各模块的密封舱1，用于将检测的光信号转换成数字信号的数据采集模块2，用于将数字信号计算为水体透明度的数据分析模块(图中未示出)，用于控制水体透明度检测装置的内部供电、和数据的采集分析的控制模块(图中未示出)以及为水体透明度检测装置供电的电源(图中未示出)。本实施例中，数据采集模块2包括光源21、电连接的光强接收器22和A/D转换器(图中未示出)，光源和光强接收器分别位于密封舱的两端，光强接收器透过通光窗口接收光源发出的光信号，并将接收的光信号发送至A/D转换器，A/D转换器将接收的光信号转换为数字信号后发送至数据分析模块；数据分析模块包括安装在密封舱内的接收器(图中未示出)和处理器(图中未示出)，接收器将接收的数字信号采集后传输至处理器计算水体透明度L；控制模块选用单片机系统，用于控制水体透明度检测装置的内部供电和数据的采集分析；密封舱顶部呈四周高中间低的台阶状，通光窗口11设于密封舱台阶及其平行对应位置，为了排除光衰减对检测水体透明度的影响，密封舱竖直方向并排设有三对通光窗口，每对通光窗口水平设置在位置a、b、c；为测得光源分别在位置a、b、c发出的光信号，密封舱两端分别设有升降组件3，升降组件包括滑杆31、升降固定件(图中未示出)和步进电机32，滑杆一端固定于密封舱底部，光源和光强接收器分别连接于密封舱两端的升降组件的升降固定件上，步进电机控制升降固定件沿滑杆上下滑至位置a、b、c。此外，为了避免窗口污渍对传感器所采集数据的影响，水体透明度检测装置还包括清洗模块(图中未示出)，该清洗系统包括依次连接的清洗电机、转轴和转刷，单片机控制清洗电机运转，带动转轴转动，从而使转刷对通光窗口进行清洁。
下面对本发明提供的水体透明度检测装置的电路进行说明：
1.控制模块电路设计
控制模块采用STC12C5A60S2单片机，它对整个系统起总体控制作用。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合。
2.数据采集模块A/D转换器电路设计
为保证数据采集模块的精度，A/D转换器采用低功耗的16位ADS1112，它是由德州仪器公司(TI)推出的一款业界最小封装(SOT23-6)的16位Δ∑型模数转换器(ADC)，并采用继电器切换采集数据。
3.数据分析模块电路设计
几乎所有的单片机都需要复位电路，因为在单片机上电时必须能可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致ROM中的数据被修改。另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致程序“跑飞”导致单片机系统无法正常工作，为了解决这类问题，保证系统的可靠性。在系统设计时加入看门狗电路是非常有必要的。单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是很随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。
如图5所示，在本系统中，选用芯片X5045作为看门狗电路的主芯片。X5045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。系统重要的数据和信息可存放在EEPROM中，防止掉电导致关键信息丢失。
4.电源电路设计
如图6所示，+12V蓄电池从CON5端子输入，经过LM2596S电源模块后输出+5V为整个系统供电。D11为TVS二极管，防止系统瞬间的过压顺坏系统，它能防雷击，吸收系统尖峰脉冲。R32为压敏电阻，目的是防止过压。在系统电源侧都加了滤波电容，保证系统电源的可靠性。
5.清洗模块电路设计
如图7所示，传感器长期在水中，可能会粘有污渍，本系统中配备了清洗传感器的电机。定时启动清洗电机，保证传感器采集的准确性与可靠性。
实施例2
在本实施例中，用本发明提供的水体透明度检测装置检测湖南省某湖泊表层水两处检测点1、2的水体透明度，分别测量一次或一次以上取平均值，本实施例中测量五次取其平均值(注：当水体透明度为1m时，当光线穿透1m水体时，光线完全被吸收)。
具体地，当光源和接收器位于位置a时的距离(La)与光源和接收器位于位置b(Lb)时的距离之差l1为0.1m，当光源和接收器位于位置a时的距离(La)与光源和接收器位于位置c时的距离(Lc)之差l2为0.2m；当光源和接收器位于位置a时接收的光功率P1以光电转换的电流I1来表征，当光源和接收器位于位置b时接收的光功率P2以光电转换的电流I2来表征，当光源和接收器位于位置c时接收的光功率P3以光电转换的电流I3来表征，读取电流数据平均值如表1所示。
表1
| I1 | I2 | I3 | |
| 检测点1 | 0.3000 | 0.2940 | 0.2880 |
| 检测点2 | 0.2540 | 0.2371 | 0.2201 |
上述数据代入公式(1)，求解，得检测点1的透明度L1＝5.00，检测点2的透明度L2＝1.50。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (10)
1.水体透明度检测方法，其特征在于：在待测水域三个不同位置分别将光源穿过水体，检测三个位置的光功率，通过公式(1)确定水体透明度L；
l1为当光源和接收器位于位置a时的距离与光源和接收器位于位置b时的距离之差，l2为当光源和接收器位于位置a时的距离与光源和接收器位于位置c时的距离之差，P1为当光源和接收器位于位置a时接收的光功率，P2为当光源和接收器位于位置b时接收的光功率，P3为当光源和接收器位于位置c时接收的光功率。
2.根据权利要求1所述的水体透明度检测方法，其特征在于，所述水体透明度检测方法包括如下步骤：
步骤a)在待测水域中位置a、位置b和位置c处分别测光源穿过水体后的光功率P；
步骤b)通过公式(1)计算待测水域水体透明度L。
3.水体透明度检测装置，其特征在于，包括：密封舱、数据采集模块、数据分析模块、控制模块以及电源；其中，
密封舱设有至少一对通光窗口，所述数据采集模块、数据分析模块、控制模块以及电源设于密封舱内；
数据采集模块包括光源、光强接收器和A/D转换器，光强接收器透过通光窗口接收光源发出的光信号，并将接收的光信号发送至A/D转换器，A/D转换器将接收的光信号转换为数字信号后发送至数据分析模块；
数据分析模块包括安装在密封舱内的接收器和处理器，用于将接收的数字信号采集后计算；
控制模块，用于控制数据采集模块、数据分析模块和电源。
4.根据权利要求3所述的水体透明度检测装置，其特征在于：控制模块选用单片机或微型计算机系统。
5.根据权利要求3所述的水体透明度检测装置，其特征在于：密封舱顶部有一呈四周高中间低的内凹部，所述内凹部的一侧与顶部之间设有台阶，内凹部的另一侧与顶部之间设有垂直于台阶台面的平面，平面与台阶相对布置，通光窗口设于密封舱台阶及其平面对应位置。
6.根据权利要求5所述的水体透明度检测装置，其特征在于：当通光窗口为两对及以上时，密封舱内两端还分别设有升降组件，光源和光强接收器分别在不同升降组件上同时做升降运动。
7.根据权利要求3所述的水体透明度检测装置，其特征在于：数据分析模块还包括一发送器，用于将计算的水环境数据发送至远程服务器。
8.根据权利要求3所述的水体透明度检测装置，其特征在于：水体透明度检测装置包括清洗系统。
9.根据权利要求3所述的水体透明度检测装置，其特征在于：水体透明度检测装置包括用于远程定位的GPS模块。
10.根据权利要求3所述的水体透明度检测装置，其特征在于：水体透明度检测装置包括套设于密封舱外的护套。
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