CN109270032B - 一种水体藻类在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水体水质监测设备技术领域，具体涉及一种水体藻类在线监测装置，包括外壳、藻类计数装置、卷扬机、蓄电池、光伏发电板、电池管理模块、通信模块和控制器，外壳漂浮在水面，藻类计数装置由卷扬机吊装在外壳内下部且位于外壳底部开口处，光伏发电板安装在外壳顶部，光伏发电板通过电池管理模块给蓄电池充电，蓄电池通过电池管理模块给控制器、卷扬机、通信模块以及藻类计数装置供电，卷扬机、藻类计数装置以及通信模块均与控制器连接。本发明的实质性效果是：通过直接升降检测装置，避免了抽取目标深度水样过程中，目标水样与其他深度水样混合的问题，提高了藻类监测的准确性，实现了水体藻类的在线监测。

Description

一种水体藻类在线监测装置

技术领域

本发明涉及水体水质监测设备技术领域，具体涉及一种水体藻类在线监测装置。

背景技术

随着社会和经济的发展，人类活动做造成的污染大大加速了淡水水体富营养化的进程。水体富营养化引起水体各项功能的下降。水华现象作为水体富营养化的重要表征，能导致水生态系统结构的崩溃、供水以及养殖等功能的彻底丧失。水体富营养化过程中最重要的环节为藻类组成结构和数量变化，即藻类优势种类演变为适合在富营养水体中生长和竞争的种类，藻类丰度和生物量明显增加。近几年，随着水华现场及其危害频繁发生，淡水藻类监测受到了更为广泛的重视。国家水利部于1998年发布的《水环境监测规范》中，将生物监测部分作为单独章节列出。2008年初，水利部发布了在全国开展水生物监测试点工作的讨论稿，并提出现在修订《水环境监测规范》中增补水生物监测的相关内容，尽快将水生物监测纳入常规监测。目前国内有关淡水藻类监测方法的文献资料较少，且多数文献对藻类监测与分析过程的叙述较为简单。另外，已有的有关藻类监测文献中未区分河流、湖泊和水库的藻类监测方法。水库作为一种半人工半自然水体，兼有河流和湖泊的特点，但其形态结构、水吞吐流特征、物理、化学以及生物学过程明显异于湖泊。水库藻类监测方法与规范也因上述差异而有别于湖泊类监测。因此，能够适用河流湖泊，也能适用水库以及海洋的藻类监测装置是当前急需研发的方向。

中国专利CN 202175170 U，公开日2012年3月28日，用于饮用水水源地藻类监测预警的浮标，包括：采样管，采集水样；升降马达，控制采样管的升降；蠕动泵，控制采样管采集水样；藻类监测仪，监测水样中的总藻类和微囊藻群细胞数，并计算出细胞密度；数据采集器，采集监测到和/或计算到的数据；无线通讯模块，将数据发送到监测中心；太阳能电池板，采集太阳能转换为电能；蓄电池组，存储电能备用；光伏控制器，稳定电压并使蓄电池组充电；电源板，向各用电模块提供电力供应。其通过测量藻类细胞数进行监测，不受 CDOM荧光的干扰，且能在103-1010个细胞/L的大浓度范围中适用，适合于各种不同藻细胞浓度和不同季节的水体中，大大提高了饮用水水源地藻类监测的准确性和适用性。其藻类监测仪包括激光产生器，产生激光并以 90 度角照射所述水样；散射光检测器，接收所述水样中的颗粒散射过来的光，判断所述颗粒的大小，并对其进行计数；荧光检测器，接收所述水样中的颗粒散射过来的光和藻细胞色素发出的荧光，区分所述藻细胞的类群，并对所述类群的藻细胞进行计数。其通过采样管采集不同水深的水样时，目标水样在采样管中流动时会与其他水深的水样混合，造成检测结果不可靠。

中国专利CN 205786237 U，公开日2016年12月7日，基于流式细胞术的藻华在线监测系统，包括水样采集装置，该水样采集装置包括多个用于采样开启和关闭的第一控制阀，以及用于控制水样流量的第二控制阀；水样监测装置；数据处理装置，用于对所述原位数据进行处理获得分析数据；控制装置，用于与所述第一控制阀、所述第二控制阀和所述水样监测装置通信连接。本实用新型不仅能够随时随地对水源中藻类动态进行监测，达到对有害藻华实现早期预警，同时还能保证水样的在线采集，提高监测的机动性。其通过多个长度的采样管，到达不同水深，通过阀门依次接通不同深度的采样管进行采样，但采样管长期浸泡在水中，藻类会在管内壁附着生长，不仅会堵塞采样管，还会造成目标水样被污染，存在监测结果不准确的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前缺乏水体藻类在线监测装置或监测结果不准确的技术问题。提出了一种升降检测装置的监测结果更准确的水体藻类在线监测装置。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种水体藻类在线监测装置，包括外壳、藻类计数装置、卷扬机、蓄电池、光伏发电板、电池管理模块、通信模块和控制器，所述外壳为中空箱体结构并能够漂浮在水面，所述外壳底面有开口，所述藻类计数装置由卷扬机吊装在外壳内下部且位于外壳底部开口处，卷扬机吊动所述藻类计数装置从所述壳体底面缺口伸出监测水质或从所述壳体底面缺口收回，所述卷扬机与外壳固定连接，所述蓄电池固定在外壳底部，所述光伏发电板安装在所述外壳顶部，所述光伏发电板通过电池管理模块给所述蓄电池充电，所述蓄电池通过电池管理模块给控制器、卷扬机、通信模块以及藻类计数装置供电，所述卷扬机、藻类计数装置以及通信模块均与控制器连接。

通过卷扬机直接升降藻类计数装置到目标水深，避免了水样的抽取过程，保证了水样的准确性，进而保证了监测结果的准确性，外壳为中空的封闭腔体且底部有用于升降藻类计数装置的开口，外壳底部开口始终没入水中，外壳内的空气会驻留在外壳内，当藻类计数装置收回到外壳内时，会脱离与水的接触，避免藻类附着生长，导致后续监测结果不准确，光伏发电板可以为装置提供电能，蓄电池可以在阴雨天时提供电能，晴天时蓄电池由光伏发电板充电，蓄电池的充放电由电池管理模块控制，电池管理模块管理蓄电池的充电和放电，市场上有成熟的产品，适当选用即可，控制器可以通过通信模块将监测结果发送到接收服务器，也可以接收服务器发来的指令。

作为优选，所述卷扬机包括电动机、卷筒和吊绳，所述电动机固定在外壳上，所述卷筒同心固定在电动机输出轴上，吊绳一端与卷筒固定连接，吊绳另一端绕卷筒若干圈后与所述藻类计数装置固定连接；所述藻类计数装置包括壳体、两个透光窗、荧光灯、感光板、水压计、浮力室和吊架，所述壳体呈长方体形，壳体中部有贯穿壳体顶面以及底面的长方形空腔，所述吊架固定在所述壳体底面，所述吊绳穿过所述长方形空腔并与所述吊架固定连接，所述两个透光窗分别固定在所述长方形空腔下部两侧面上，荧光灯安装在壳体内且位于一个透光窗处，感光板安装在壳体内且位于另一个透光窗处，水压计安装在壳体下部，水压计检测水深，荧光灯、感光板以及均与控制器连接，所述荧光灯的光线透过藻类，使藻类呈现形状及颜色不同的光斑，感光板收集图像后由控制器识别藻类种类并计数。荧光灯经过水体后使感光板感光，有藻类细胞的地方光线会变暗，出现暗光斑，而不同藻类细胞对光线的透射率和吸收率不同，导致暗光斑呈现不同亮度和不同颜色，通过人工识别标记，而后训练神经网络模型进行自动识别即可实现对藻类进行计数，其中感光板是高分辨的。

作为优选，还包括清洁刷，所述清洁刷包括刷柄和刷头，所述清洁刷由刷柄与外壳固定连接，所述刷头外缘形状与藻类计数装置的壳体中部长方形空腔侧壁匹配，藻类计数装置被卷扬机吊起后所述清洁刷的刷头位于藻类计数装置底部或者下方。每次被卷扬机吊起后，清洁刷都能够对藻类计数装置中部空腔内壁进行一次清洗，避免藻类附着生长。

作为优选，所述光伏发电板通过一个铰接支架铰接安装在外壳顶部，所述光伏发电板与水平面呈锐角倾斜，所述铰接支架穿过外壳并在末端安装有一个永磁铁，所述永磁铁南极位于光伏发电板倾斜的较低侧。永磁铁的南极通常指向南方，使得光伏发电板保持北高南低的倾角，接收更多的光照，不受外壳在水面漂浮打转的影响。

作为优选，还包括进气机和进气管，所述进气机固定在外壳上且贯穿外壳，进气管固定在进气机进气口且位于外壳外部，进气机位于外壳内的部分安装有出气口。进气机能够为外壳内补充空气，使空气充满整个外壳内充满空气，避免藻类在外壳内附着生长。

作为优选，还包括风速计，所述风速计安装在外壳外部，检测风力并与控制器连接。当风速超过一定阈值时，下放的藻类计数装置容易发生碰撞，不适宜进行藻类监测，应避免在检测到风力大于一定阈值时进行藻类监测工作。

作为优选，所述外壳内由隔板分隔有若干个密闭的隔离仓，所述蓄电池安装在隔离仓内，在外壳内还安装有配重块，配重块用于调整装置重心位置减少装置倾斜度。蓄电池放入密闭的隔离仓能够延长蓄电池的使用时长，避免短路，配重块能够使装置保持平衡。

作为优选，外壳内安装有将外壳内部空间分隔成上、下两部分的中隔板，所述卷扬机固定在中隔板上方，中隔板上开有用于穿过吊绳的吊孔，所述吊孔位于所述外壳底部开口上方，所述电池管理模块、控制器均位于中隔板上方。

本发明的实质性效果是：通过直接升降检测装置，避免了抽取目标深度水样过程中，目标水样与其他深度水样混合的问题，提高了藻类监测的准确性，实现了水体藻类的在线监测。本发明装置优选应用于水库、湖泊以及河流等淡水水体的藻类在线监测，通过调整藻类计数装置的自动识别神经网络也可以应用在海洋水体的藻类在线监测。

附图说明

图1为藻类在线监测装置结构图。

图2为藻类在线监测装置内部结构图。

图3为藻类在线监测装置内部结构斜仰视图。

图4为藻类计数装置图。

其中：1、进气管，2、外壳，3、吊绳，4、藻类计数装置，5、光伏发电板，6、风速计，7、通信天线，8、进气机，9、电池管理模块，10、控制器，11、中隔板，12、蓄电池，13、卷筒，14、电动机，15、清洁刷，16、配重块，17、永磁铁，18、荧光灯，19、水压计，20、吊架，21、浮力室，22、感光板，23、透光窗。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

如图1所示，为藻类在线监测装置结构图，外壳2顶部安装有光伏发电板5，外壳2上部一侧案子有进气管1，进气管1与进气机8连接，进气机8为外壳2内部补充空气，外壳2上部另一侧安装有支架，支架上安装有通信天线7和风速计6，分别用于通信和检测风速。外壳2底部开有用于升降藻类计数装置4的缺口，藻类计数装置4通过吊绳3有卷扬机升降。藻类计数装置4上安装有水压计19，用于检测水深，控制器10控制卷扬机下放藻类计数装置4，当通过水压计19判断出水深到达目标深度时，卷扬机刹车，而后开启藻类计数装置4用于监测藻类，而后通过卷扬机升降藻类计数装置4到下一个目标深度，进行藻类监测，不断重复即可完成对水体藻类的监测。将监测结果通过通信模块发送给服务器，服务器也可以通过通信模块控制藻类监测装置检测设定水深的藻类情况。

如图2所示，为藻类在线监测装置内部结构图，如图3所示，为藻类在线监测装置内部结构斜仰视图，壳体内由中隔板11和若干个垂直隔板分成若干个舱室，其中用于放置蓄电池12以及用于安装配重块16的舱室为密封仓且均位于中隔板11下方，在蓄电池12和配重块16之间的舱室为藻类计数装置4升降仓，该位置的外壳2底部开有缺口，该位置的中隔板11开有用于穿过吊绳3的小孔，卷扬机包括电动机14、卷筒13和吊绳，电动机14固定在外壳2上，卷筒13同心固定在电动机14输出轴上，吊绳3一端与卷筒13固定连接，吊绳3另一端绕卷筒13若干圈后与藻类计数装置4固定连接，藻类计数装置4通过吊绳3被卷扬机驱动升降，当不工作时藻类计数装置4停留在外壳2内，由进气机8补充足够的空气，使藻类计数装置4脱离与水的接触，避免藻类贴附生长。藻类计数装置4中部有贯穿的空腔，该空腔为藻类计数装置4的工作空腔，目标水体位于该空腔内，被藻类计数装置4检测，该空腔为垂直空腔，使得藻类计数装置4在升降过程中，空腔内的水体流动较少，对检测结果的影响较小。清洁刷15固定在中隔板11底面，清洁刷15能够清洁藻类计数装置4的工作空腔的内壁，避免其被污染而影响检测结果。每次藻类计数装置4被吊起时，或从停留位置下方时，清洁刷15都会清洁一次藻类计数装置4的工作空腔的内壁。

中隔板11上方安装有电池管理模块9和控制器10，市场上有成熟的电池管理模块9，而控制器10可以由本领域技术人员根据控制器10功能编制执行代码，将代码烧录进市场上的可编程PLC或者MCU中即可作为控制器10。光伏发电板5是铰接安装在外壳2上的，铰接轴一端与光伏发电板5固定连接，另一端穿过外壳2且与一个永磁铁17连接。永磁铁17的南极与光伏发电板5倾斜较低侧同方向，用于使光伏发电板5保持向南的倾斜，接受更多的光照。进气机8穿入外壳2的部分有进气栅孔，进气机8内可以设置过滤层以及除雾层，防止杂物或者较大的水滴通过进气机8进入外壳2内。

如图4所示，为藻类计数装置结构图，壳体呈长方体形，壳体中部有贯穿壳体顶面以及底面的长方形空腔，吊架20固定在壳体底面，吊绳3穿过长方形空腔并与吊架20固定连接，两个透光窗23分别固定在长方形空腔下部两侧面上，荧光灯18安装在壳体内且位于一个透光窗23处，感光板22安装在壳体内且位于另一个透光窗23处，水压计19安装在壳体下部，水压计19检测水深，壳体上部设置有浮力室21，浮力室21能够使藻类计数装置4保持竖直，荧光灯18、感光板22以及均与控制器10连接，荧光灯18的光线透过藻类，使藻类呈现形状及颜色不同的光斑，感光板22收集图像后由控制器10识别藻类种类并计数。荧光灯18经过水体后使感光板22感光，有藻类细胞的地方光线会变暗，出现暗光斑，而不同藻类细胞对光线的透射率和吸收率不同，导致暗光斑呈现不同亮度和不同颜色，通过人工识别标记，而后训练神经网络模型进行自动识别即可实现对藻类进行计数，其中感光板22是高分辨的。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (5)

1.一种水体藻类在线监测装置，其特征在于，

包括外壳、藻类计数装置、卷扬机、蓄电池、光伏发电板、电池管理模块、通信模块和控制器，所述外壳为中空箱体结构并能够漂浮在水面，所述外壳底面有开口，所述藻类计数装置由卷扬机吊装在外壳内下部且位于外壳底部开口处，卷扬机吊动所述藻类计数装置从所述壳体底面缺口伸出监测水质或从所述壳体底面缺口收回，所述卷扬机与外壳固定连接，所述蓄电池固定在外壳底部，所述光伏发电板安装在所述外壳顶部，所述光伏发电板通过电池管理模块给所述蓄电池充电，所述蓄电池通过电池管理模块给控制器、卷扬机、通信模块以及藻类计数装置供电，所述卷扬机、藻类计数装置以及通信模块均与控制器连接；

所述卷扬机包括电动机、卷筒和吊绳，所述电动机固定在外壳上，所述卷筒同心固定在电动机输出轴上，吊绳一端与卷筒固定连接，吊绳另一端绕卷筒若干圈后与所述藻类计数装置固定连接；

所述藻类计数装置包括壳体、两个透光窗、荧光灯、感光板、水压计、浮力室和吊架，所述壳体呈长方体形，壳体中部有贯穿壳体顶面以及底面的长方形空腔，所述吊架固定在所述壳体底面，所述吊绳穿过所述长方形空腔并与所述吊架固定连接，所述两个透光窗分别固定在所述长方形空腔下部两侧面上，荧光灯安装在壳体内且位于一个透光窗处，感光板安装在壳体内且位于另一个透光窗处，水压计安装在壳体下部，水压计检测水深，荧光灯、感光板以及均与控制器连接，所述荧光灯的光线透过藻类，使藻类呈现形状及颜色不同的光斑，感光板收集图像后由控制器识别藻类种类并计数；

还包括清洁刷，所述清洁刷包括刷柄和刷头，所述清洁刷由刷柄与外壳固定连接，所述刷头外缘形状与藻类计数装置的壳体中部长方形空腔侧壁匹配，藻类计数装置被卷扬机吊起后所述清洁刷的刷头位于藻类计数装置底部或者下方；

所述光伏发电板通过一个铰接支架铰接安装在外壳顶部，所述光伏发电板与水平面呈锐角倾斜，所述铰接支架穿过外壳并在末端安装有一个永磁铁，所述永磁铁南极位于光伏发电板倾斜的较低侧。

2.根据权利要求1所述的一种水体藻类在线监测装置，其特征在于，

还包括进气机和进气管，所述进气机固定在外壳上且贯穿外壳，进气管固定在进气机进气口且位于外壳外部，进气机位于外壳内的部分安装有出气口。

3.根据权利要求1所述的一种水体藻类在线监测装置，其特征在于，

还包括风速计，所述风速计安装在外壳外部，检测风力并与控制器连接。

4.根据权利要求1所述的一种水体藻类在线监测装置，其特征在于，

所述外壳内由隔板分隔有若干个密闭的隔离仓，所述蓄电池安装在隔离仓内，在外壳内还安装有配重块，配重块用于调整装置重心位置减少装置倾斜度。

5.根据权利要求1所述的一种水体藻类在线监测装置，其特征在于，

外壳内安装有将外壳内部空间分隔成上、下两部分的中隔板，所述卷扬机固定在中隔板上方，中隔板上开有用于穿过吊绳的吊孔，所述吊孔位于所述外壳底部开口上方，所述电池管理模块、控制器均位于中隔板上方。

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