CN108680338B

CN108680338B - 多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统及方法

Info

Publication number: CN108680338B
Application number: CN201810253336.7A
Authority: CN
Inventors: 许振浩; 赵晓成; 李术才; 王欣桐; 高斌; 施雪松; 黄鑫; 潘东东
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: AU2018415044A1; CN108680338A; AU2018415044B2; AU2018415044C1; WO2019184082A1

Abstract

本发明公开了多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统及方法，包括：多参数测试探头，用以采集至少包括水体水位和水体中荧光素浓度的数据并将采集的数据传输至控制单元；智能水力直流充电单元，包括相连接的旋转叶轮及发电机，利用水流带动旋转叶轮旋转，发电机可将水流产生的机械能转化为电能；所述控制单元包括数据记录模块、蜂窝数据通信模块和远程指令控制模块，所述远程终端利用水体水位、水流流速拟合校正计算动态水体流量。本发明可长时间对水体流速、水位、浊度、电导率及水体中荧光素浓度进行测量，并能实现定时或实时使用终端设备远程查看测试数据。并能校正实时流量参数，进而获取河道测量断面在设定时间内的总回收质量。

Description

多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统及方法

技术领域

本发明涉及水文地质学、水文与水资源工程、地下水与科学工程、环境科学与工程、水资源与环境工程、工程地质等技术领域，特别是涉及多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统及方法。

背景技术

目前，定量荧光示踪实验法广泛应用于水文地质、岩溶地质、水文与水资源工程、地下水科学与工程、环境科学与工程、水资源与环境工程、工程地质等领域。是研究地下水运移、污染源、水库泄露、岩溶管道形态的重要工具之一。

尤其是在岩溶学研究方向，我国岩溶区总面积约344万平方公里，加之气候、构造作用共同叠加，极易形成暗河、管道、落水洞、溶沟溶槽等喀斯特地貌，位于地表以下的暗河、管道不易被发觉，在隧道开挖、灰岩开采等地下施工时存在着巨大的安全隐患，可能造成严重财产损失和重大人员伤亡事故。

定量荧光示踪实验为研究岩溶管道流和管道结构特征提供了有效手段，现有的野外用荧光示踪系统存在续航时间短，参数采集类型单一，现场读取数据不便，结果计算有失客观性等诸多不足与缺陷。此外，传统的荧光示踪系统无法获取水体流量。

综上所述，现有野外的荧光示踪系统对于如何实现多参数的采集及自身持续供电问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统，该系统可安装布置于任一流水区域，实现对水体流速、水位及荧光示踪剂浓度等多参数无人值守实时监控及数据远程无线传输。

多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统，包括：

多参数测试探头，用以采集至少包括水体水位和水体中荧光素浓度的数据并将采集的数据传输至控制单元；

智能水力直流充电单元，包括相连接的旋转叶轮及发电机，利用水流带动旋转叶轮旋转，发电机可将水流产生的机械能转化为电能；

所述控制单元包括数据记录模块、蜂窝数据通信模块和远程指令控制模块，所述数据记录模块通过监测智能水力直流充电单元中旋转叶轮的转速计算水流流速；

所述控制单元通过通信模块及远程指令控制模块将荧光素浓度、水体水位和水流流速数据传输至远程终端；

所述远程终端利用水体水位、水流流速拟合校正计算动态水体流量。

进一步的，所述控制单元内设置有主板、显示屏、蓄电池、蜂窝数据发射天线、充电防水接口及多参数测试探头防水接口；主板设置有远程指令控制模块、蜂窝数据通信模块及数据记录模块。

进一步的，所述智能水力直流充电装置还包括电压稳定模块，发电机将水流产生的机械能转化为电能，并通过电压稳定模块输出稳定电压。

进一步的，所述智能水力直流充电装置及控制单元的对外接口均为防水接口。

进一步的，所述智能水力直流充电单元包括流速测量模块，所述流速测量模块内置有光电转速传感器，所述光电转速传感器与控制器相连，所述光电转速传感器测量旋转叶轮转速，流速测量模块内部控制器预存有叶轮转速-水体流速校正公式，直接输出水体瞬时流速数据。

进一步的，所述智能水力直流充电单元输出的电能为控制单元供电或为供电电源充电。

多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统的测量方法，包括：

利用多参数测试探头采集至少包括水体水位和水体中荧光素浓度的数据；

通过监测智能水力直流充电装置中的旋转叶轮转速获取水流流速；

结合水流流速、水体水位，拟合校正计算水体动态流量；

根据荧光示踪剂浓度、地下水出口某一时刻某一点的水位高度及流速计算测量断面在设定时间内的示踪剂总回收质量。

进一步的，荧光示踪剂t时刻总回收质量M_t：

式(1)，C为荧光示踪剂浓度，t为样品采集时间，Q为被测水体流量。

进一步的，Q(t)＝f(h,v) (2)

h、v为地下水出口某一时刻某一点的水位高度及流速，t为样品采集时间，以上参数均可通过远程在线获得。

在对荧光示踪剂含量进行测量前，先对目标水体进行流量控制，即设定多组已知流量Q₁,Q₂……Qn，进一步的通过获取不同流量下的流速v₁,v₂……v_n，及水位h₁,h₂……h_n信息，使用计算机三维区面拟合方法得到流量拟合校正函数Q(t)＝f(h,v)(式2)，从而在正式测量过程中，已知流速v及水位h，便可计算得到流量Q。

后期科研人员可利用本系统所获参数进行相关科学计算，如估算未知管道流平均滞留时间、管道过水体积、管道过水断面面积等管道结构参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明克服了传统设备续航短，数据采集类型单一，数据读取不便的困难。实现了只需一台设备，便可完成荧光示踪实验所有参数采集工作。

本发明可安装布置于任一流水区域，实现对水体流速、水位及荧光示踪剂浓度多参数无人值守实时监控及数据远程无线传输。

本发明可通过智能水力直流充电装置保持所有设备无间断供电，蜂窝数据通信模块将数据记录模块获得的水体流速、水位、浊度、电导率及水体中荧光素含上传至远程监控系统，具体为远程监控系统的网络数据库或发送到指定终端(PC或移动设备)，控制单元设置有远程控制模块，可实现对其他各模块的操作与控制。

本发明可长时间对水体流速、水位、浊度、电导率及水体中荧光素浓度进行测量，并能实现定时或实时使用终端设备远程查看测试数据。并能利用流速、水位拟合计算校正实时流量参数，进而获取河道测量断面在设定时间内的总回收质量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的数据传输流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统，包括控制单元、小型智能水力直流充电装置及多参数测试探头，控制单元内设置有主板，小型智能水力直流充电装置及多参数测试探头均通过线缆与主板连接，主板内设置有数据记录模块和蜂窝数据通信模块，蜂窝通信模块，可利用运营商移动数据业务实现远程数据传输，主板还设置有远程指令控制模块。实验区流水可带动小型智能水力直流充电装置为控制单元内蓄电池进行充电，多参数测试探头通过电缆将测试数据传输至位于主板上的数据记录模块，并通过位于主板的蜂窝数据通信模块将测试数据及仪器工作状态等信息传输至用户终端。用户可通过远程指令控制模块对多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统工作状态，工作模式进行远程控制。用户可利用流速及水位对实时流量进行拟合校正计算水体流量，进而获取河道测量断面在设定时间内的总回收质量。

具体的，如图1所示，多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统包括控制单元1、小型智能水力直流充电装置3，多参数测试探头2。控制单元内设置有主板11、显示屏12、蓄电池13(可为12V铅蓄电池)、蜂窝数据发射天线14、充电防水接口15及多参数测试探头防水接口16。主板设置有远程指令控制模块111、蜂窝数据通信模块112、数据记录模块113，SIM卡插槽114、存储卡插槽115。

其中，控制单元1使用抗震、防潮、防水、轻便的工程塑料材料，可分为后壳和上盖两个部分，上盖采用透明设计，可方便观察控制单元内部显示屏12所显示的各模块及探头工作状态。

小型智能水力直流充电装置3，包括小型发电机31、电压稳定模块32、流速测量模块33、三防外壳34、旋转叶轮35、防水接口36，小型发电机31、电压稳定模块32、流速测量模块33，置于三防外壳34内部，防水接口36置于三防外壳顶部，小型发电机31转轴前端设置有旋转叶轮35，小型发电机31输出端与电压稳定模块32连接，电压稳定模块32、流速测量模块33与防水接口36连接。小型智能水力直流充电装置内部的小型发电机31与旋转叶轮35连接，水流带动旋转叶轮35旋转，小型发电机31可将水流产生的机械能转化为电能，并通过电压稳定模块32输出稳定电压。流速测量模块33，内置有光电转速传感器，光电转速传感器与控制器相连，光电转速传感器可测量旋转叶轮35转速，流速测量模块33内部控制器预存有叶轮转速-水体流速校正公式，可直接输出水体瞬时流速数据。使用线缆连接防水接口15与防水接口36，可将瞬时流速参数传输至控制单元，并为蓄电池13充电。

多参数测试探头2通过线缆与多参数测试探头防水接口16相连接，将水体内水位高度、荧光素浓度、水体浊度及电导率测试信号传输至控制单元1。

如图2所示，数据记录模块113可将获得的小型智能水力直流充电装置2的电流、电压信息和多参数测试探头2获得水位高度、荧光素浓度、水体浊度及电导率信号数据进行分析并记录于存储卡插槽115内的存储卡中，蜂窝数据通信模块112与SIM卡槽114及控制单元1中天线14相连接，在插入SIM卡后，可通过2G、2.5G、3G、4G等移动网络通信标准接入互联网，实现数据传输，将数传输至用户终端。用户还可使用手持终端(PC或手机)与蜂窝数据通信模块112建立数据连接，并通过远程指令控制模块111设置各工作参数。

选择目标水体，分别将所述小型直流发电装置3与多参数测试探头2置于水体中，将所述本体1放置于安全地带，连接好各线缆，设备工作。

本发明提供一种多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统的测量方法，能够对水体流速、水位、浊度、电导率及水体中荧光素浓度数据进行实时采集记录，便于科研人员后期对未知管道流平均滞留时间、管道过水体积、管道过水断面面积等管道结构参数进行估算。为定量示踪研究提供了有效的技术解决方案。

本发明还提供了一种荧光示踪剂t时刻总回收质量M_t计算方法：

式(1)，C为被测水体中荧光示踪剂浓度，Q为被测水体流量，t为样品采集时间。

目前已有的传统方法均无法获取即时流量值，通常将水体流量视为常数。本发明提供一种即时流量Q(t)计算方法：

Q(t)＝f(h,v) (2)

h、v为地下水出口某一时刻某一点的水位高度及流速，t为样品采集时间，以上参数均可通过本发明远程在线获得。

在对荧光示踪剂含量进行测量前，先对目标水体进行流量控制，即设定多组已知流量Q₁,Q₂……Qn，进一步的通过仪器获取不同流量下的流速v₁,v₂……v_n，及水位h₁,h₂……h_n信息，使用计算机三维区面拟合方法得到流量拟合校正函数Q(t)＝f(h,v)(式2)。从而在正式测量过程中，已知流速v及水位h，便可计算得到流量Q。

所述多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统及使用方法具有自供电功能，可为整套设备提供持久电力供应，多参数测试功能，实现一台设备布置，同时获取示踪实验所需的实验参数，无线实时监控功能，实现了长期无人值守数据采集，为水文地质、工程地质等行业野外工作者、科研人员提供了便利。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统，其特征是，包括：

多参数测试探头，用以采集至少包括水位高度和水体中荧光素浓度的数据并将采集的数据传输至控制单元；

所述控制单元包括数据记录模块、蜂窝数据通信模块和远程指令控制模块；

所述控制单元通过蜂窝数据通信模块及远程指令控制模块将荧光素浓度、水位高度和水流流速数据传输至远程终端；

所述远程终端利用水位高度、水流流速拟合校正计算动态水体流量；对目标水体进行流量控制，即设定多组已知流量Q₁,Q₂……Qn，进一步的通过获取不同流量下的水流流速v₁,v₂……v_n，及水位高度h₁,h₂……h_n信息，使用计算机三维曲面拟合方法得到流量拟合校正函数Q(t)＝f(h,v)；

所述智能水力直流充电单元包括流速测量模块，所述流速测量模块内置有光电转速传感器，所述光电转速传感器与控制器相连，所述光电转速传感器测量旋转叶轮转速，流速测量模块内部控制器预存有叶轮转速-水体流速校正公式，直接输出水体瞬时流速数据，将瞬时流速参数传输至控制单元。

2.如权利要求1所述的多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统，其特征是，所述控制单元内设置有主板、显示屏、蓄电池、蜂窝数据发射天线、充电防水接口及多参数测试探头防水接口；主板设置有远程指令控制模块、蜂窝数据通信模块及数据记录模块。

3.如权利要求1所述的多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统，其特征是，所述智能水力直流充电装置还包括电压稳定模块，发电机将水流产生的机械能转化为电能，并通过电压稳定模块输出稳定电压。

4.如权利要求1所述的多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统，其特征是，所述智能水力直流充电装置及控制单元的对外接口均为防水接口。

5.如权利要求1所述的多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统，其特征是，所述智能水力直流充电单元输出的电能为控制单元供电或为供电电源充电。

6.多参数无线实时监控自供电荧光示踪系统的测量方法，其特征是，包括：

利用多参数测试探头采集至少包括水位高度和水体中荧光素浓度的数据；

结合水流流速、水位高度，拟合校正计算水体动态流量；

根据荧光示踪剂浓度、地下水出口某一时刻某一点的水位高度及水流流速计算测量断面在设定时间内的示踪剂总回收质量；

荧光示踪剂t时刻总回收质量M_t：

式(1)，C为荧光示踪剂浓度，t为样品采集时间，Q为被测水体流量；

Q(t)＝f(h,v) (2)

h、v为地下水出口某一时刻某一点的水位高度及水流流速，t为样品采集时间，水位高度、水流流速和采样时间参数均通过远程在线获得；

在对荧光示踪剂含量进行测量前，先对目标水体进行流量控制，即设定多组已知流量Q₁,Q₂……Qn，进一步的通过获取不同流量下的水流流速v₁,v₂……v_n，及水位高度h₁,h₂……h_n信息，使用计算机三维曲面拟合方法得到流量拟合校正函数Q(t)＝f(h,v)从而在正式测量过程中，已知水流流速v及水位高度h，便可计算得到流量Q。