CN110501471A - 用于远程地下水监测的系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于远程地下水监测的系统。一种用于远程地下水监测的系统包括：一个或多个传感器模块，被配置为分布在一个或多个地下水监测井中，每个传感器模块适于从每个地下水监测井获取多参数传感器数据，其中所述多参数传感器数据包括每个地下水监测井中的地下水的电化学属性数据和电属性数据，及耦合到所述一个或多个传感器模块的一个或多个集线器，用于检索所述多参数传感器数据并与在线服务器无线通信以将所述多参数传感器数据上传到所述在线服务器。

Description

用于远程地下水监测的系统

技术领域

本发明针对一种用于远程地下水监测的系统。

背景技术

含水层是含水可渗透岩石、岩石裂缝或松散物质(砾石、沙子或淤泥)的地下层，可以使用地下水井从中提取地下水。

某些人类活动(诸如采矿或农田灌溉)以及自然事件(诸如降雨)会影响含水层的属性，诸如深度或体积、盐度、酸度或者其它溶解或悬浮物质在地下水中的水平。含水层提供了重要的淡水来源，并且监测和管理含水层的健康状况是重要的，特别是在人类活动可能影响地下水质量的地方。

常常有必要严格规范采矿活动，这种活动会对环境造成重大影响，包括潜在地污染或劣化矿场(mine site)内或其周围的含水层。因此，世界上大多数政府机构都要求采矿经营者遵守批准的监测和报告制度，以便减轻或识别和纠正任何负面的环境影响。这种监测和报告制度常常适用于活动的矿场以及封闭的矿场，直到采矿活动完成后的一段时间，以确保矿场内及其周围的地下水质量不受影响并且在批准的参数之内。在许多情况下，在采矿活动可以利用新现场(new site)之前，也可能需要监测和报告制度。

原位回收(ISR)采矿涉及在地下钻探已识别出的矿体(例如，含有经济上重大的浓度的金属，诸如铜或铀)，以及将金属溶解酸溶液(“渗滤液”)经由“注入井”泵送到矿体中。从附近的井中泵出流出物，并提取含有溶液形式的溶解金属的所得溶液(“浸出母液(pregnant leach solution)”)。最终处理浸出母液以回收溶解的金属。

通常，采矿作业被设计为确保从周围含水层到采矿场域存在负压梯度，以防止采矿液体经由含水层迁移到采矿场外。为了确保流体移动得到适当的控制，通过围绕被监测区域的一系列地下水监测井，定期监测含水层水质。在理想情况下，采矿场边界处的含水层地下水特点不受采矿作业的影响。否则发生“漂移事件(excursion event)”，并且对其必须及时进行纠正。

按照惯例，通常通过收集每个地下水监测井的地下水样本以在实验室进行分析，对远程矿场含水层进行质量监测。为了收集地下水样本，必须使用安装在井中的专用装备从每个井中抽取地下水，井的深度通常为100米、200米或更深。

专业的泵送装备安装和维护成本高，并且常常容易出现机械可靠性和污染问题。常规地下水样本采集和分析所需的人工劳动也可以是非常耗时且昂贵的，特别是当矿场偏远并且地下水监测井之间的距离相当大时。

而且，从监测井人工收集地下水样本可以是危险的。矿藏常常位于偏远和艰苦的地方，对其的访问可能存在风险。此外，监测井常常分散在现场的偏远位置。因而，固有的工作现场健康和安全风险与访问每个监测井和收集所需地下水样本的人工活动有关。

此外，从监测井人工收集地下水样本也可以不可靠。特别地，人工规程本质上容易出现人为错误。此外，恶劣的天气条件也会使监测井现场无法进入，如果无法满足监测合规要求，可能会危及采矿作业。在许多远程采矿地点招聘经过培训且可靠的样本采集技术人员也可以是困难的。

在实验室进行样本处理和测试也可以是耗时的，而且延误会不利地影响矿场的运营。例如，在样本被处理之前常常需要数周时间，从而可能允许漂移事件在一段时间内不被检测到，从而由于未能促进立即响应而使问题恶化。

因此，期望提供一种用于地下水监测的系统，该系统克服或改善上述缺点或问题中的一个或多个，或者至少为消费者提供有用的选择。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于远程地下水监测的系统，所述系统包括：

一个或多个传感器模块，被配置为分布在一个或多个地下水监测井中，每个传感器模块适于从每个地下水监测井获取多参数传感器数据，其中所述多参数传感器数据包括每个地下水监测井中的地下水的电化学属性数据和电属性数据，

耦合到所述一个或多个传感器模块的一个或多个集线器，用于检索所述多参数传感器数据并与在线服务器无线通信以将所述多参数传感器数据上传到所述在线服务器。

所述一个或多个地下水监测井可以位于矿场内或其周围，并且所述一个或多个传感器模块被配置为被浸没在水下以从地下水监测井的含水层获取多参数传感器数据。在一个实施例中，矿场是原位回收矿场(in-situ recovery mine site)。

有利地，传感器模块能够在任何合适的监测周期内根据需要自动检索任何合适的多参数传感器数据，而无需在安装系统之后进行人工采样。在所有不同地下水监测井中收集实况(live)传感器数据，同时提供地下水属性的高保真度测量，以便在现场正确监测地下水的健康状况，并允许及时检测任何问题，以便可以及时制定适当的响应。

通常，每个传感器模块包括固态传感器，该固态传感器包括参考电极、辅助电极(counter electrode)和一个或多个工作电极。特别地，每个传感器模块可以包括多个固态传感器，其包括pH电极，以及参考电极，用于获取与每个地下水监测井中的地下水的电化学属性有关的数据。此外，每个传感器模块还可以包括氧化还原电位电极。而且，每个传感器模块还可以包括电导率传感器，用于获取与每个地下水监测井中的地下水的电属性有关的数据。每个传感器模块还可以包括温度传感器。

每个传感器模块可以允许耦合水压传感器。特别地，每个传感器模块可以被配置为允许与一个或多个自包含传感器单元连接。一个或多个传感器单元可以包括水压传感器单元。

该系统还可以包括位于所述一个或多个地下水监测井20km内的气压计，用于测量大气压，所述气压计被配置为与所述在线服务器进行通信，所述系统被配置为基于来自所述气压计和所述一个或多个水压传感器的测量来确定所述一个或多个地下水监测井中的水位。

可替代地，该系统还可以包括参考水压传感器，用于分布在所述一个或多个地下水监测井中，使得所述参考水压传感器被悬挂在地下水上方，所述参考水压传感器被耦合到所述集线器以与所述在线服务器进行无线通信，所述系统被配置为基于来自所述参考水压传感器和所述一个或多个水压传感器的测量来确定所述一个或多个地下水监测井中的水位。

在原位回收矿场，已经确定地下水pH和电导率的改变常常可以提供潜在的渗滤问题或“漂移事件”的可靠指示。温度传感器可以用于提供温度测量以指示pH测量的可靠性。而且，压力、pH和电导率测量可以被单独分析或彼此组合地分析，以检测任何可以提供“漂移事件”指示的异常情况。

在一个实施例中，每个传感器模块包括用于测量地下水的电化学属性数据的pH传感器，以及用于测量每个地下水监测井中的地下水的电属性数据的电导率传感器。在一个实施例中，每个传感器模块可以包括用于测量地下水的电化学属性数据的氧化还原电位传感器，以及用于测量每个地下水监测井中的地下水的电属性数据的电导率传感器。

所述一个或多个集线器可以适于周期性地对来自每个传感器模块的传感器数据进行采样，以实时地或接近实时地无线传送到所述在线服务器。提供实时或接近实时的传感器数据还允许快速检测跨不同地下水监测井的地下水属性的改变，以便允许立即识别“漂移事件”以进行整改。

每个传感器模块可以被配置为以不同的且非重叠的时间间隔测量每个相应的地下水监测井中的地下水的电导率和地下水的电化学属性。以这种方式布置电化学属性和电导率属性的测量有效地允许传感器模块避免用于电导率测量的电流干扰地下水中的电化学测量。

每个传感器模块可以与间隔件相关联，所述间隔件用于将所述传感器模块的传感器面与相应的地下水井的壁隔开预定距离。间隔件可以将传感器面与相应的地下水井的壁分隔任何合适的距离以减少干扰。在一个实施例中，所述间隔件将所述传感器模块与相应的地下水监测井的侧壁分隔大约14mm或更远的距离。在其它实施例中，该距离可以是大约12mm或更大、或10mm或更大、或8mm或更大、或6mm或更大、或4mm或更大，或2mm或更大。

所述系统可以被配置为基于预定的干扰值来校准由传感器模块获取的电导率的测量。所述校准可以包括从测得的电导率值中减去预定的干扰值。

一个或多个集线器可以被配置为向一个或多个传感器模块提供电力、调度一个或多个传感器模块的采样、缓存来自一个或多个传感器模块的传感器数据，以及将传感器数据上传到在线服务器。

在线服务器可以被配置为从集线器接收传感器数据、将接收的传感器数据存储在数据库中，以及向远程用户提供传感器数据的在线访问。

该系统可以包括任何合适数量的集线器。在一个实施例中，例如，如果两个或更多个监测井彼此非常接近地定位，那么在紧密定位的监测井中的每一个中部署的一个或多个传感器模块可以耦合到共享集线器。取决于现场要求和监测井位置，该系统可以包括任何数量的共享集线器。在一些实施例中，例如，如果一些监测井位于彼此远离的位置，那么在每个监测井中部署的一个或多个传感器模块可以耦合到用于监测井的相应集线器。取决于现场要求和监测井位置，该系统可以包括任何数量的个体集线器和/或共享集线器的组合。

该系统还可以包括用于以图形方式呈现多参数传感器数据的接口。例如，接口可以呈现热图、曲线图等，或其任何组合，以提供传感器数据的有用解释。如果检测到多参数传感器数据测量中的任何一个或多个的快速改变，那么接口还可以提供警报。

根据本发明的另一方面，提供了一种地下水监测系统，包括：

一个或多个传感器模块，被配置为分布在一个或多个地下水监测井中，所述地下水监测井位于原位回收矿场内或其周围，

一个或多个传感器模块，被配置为被浸没在水下以测量来自所述地下水监测井的含水层的多参数传感器数据，其中所述多参数传感器数据包括每个地下水监测井中的地下水的电化学属性数据和电属性数据，

耦合到所述一个或多个传感器模块的一个或多个集线器，所述集线器被配置为周期性地对由所述一个或多个传感器模块测得的多参数传感器数据进行采样，以及

在线服务器，用于接收和存储从所述集线器上传的传感器数据，并提供对所述传感器数据的在线访问。

每个传感器模块可以被配置为以非重叠的时间间隔测量每个相应的地下水监测井中的地下水的电导率和地下水的电化学属性。电化学属性可以包括pH值。

每个传感器模块包括用于测量每个地下水监测井中的地下水的电化学属性的一个或多个传感器，以及用于测量每个地下水监测井中的地下水的电导率的电导率传感器，其中用于测量电化学属性的传感器和所述电导率传感器被嵌入在所述传感器模块中。用于测量电化学属性的所述传感器可以包括氧化还原电位电极、pH电极，以及参考电极，用于获取与每个地下水监测井中的地下水的电化学属性有关的数据。每个传感器模块还可以包括温度传感器。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于如前面段落中所述的系统的传感器模块。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于地下水监测的传感器模块，所述传感器模块被配置为被浸没在水下以测量来自原位回收矿场内或其周围的地下水监测井的含水层的多参数传感器数据，其中所述传感器模块包括用于测量每个地下水监测井中的地下水的电化学属性的一个或多个传感器，以及用于测量每个地下水监测井中的地下水的电导率的电导率传感器，其中用于测量电化学属性的所述传感器和所述电导率传感器被嵌入在所述传感器模块中。

所述传感器模块被配置为以非重叠的时间间隔测量每个相应的地下水监测井中的地下水的电导率和地下水的电化学属性。

用于测量电化学属性的所述传感器包括氧化还原电位电极，pH电极，以及参考电极，用于获取与每个地下水监测井中的地下水的电化学属性有关的数据。所述传感器模块还可以包括嵌入式温度传感器。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特点被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一个实施例。此外，可以以一种或多种组合以任何合适的方式组合本文描述的特定特征、结构或特点。

为了更容易理解和实践本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图描述其一个或多个优选实施例。

附图说明

图1是根据本说明书的一个实施例的地下水监测系统的示意图。

图2是图1的地下水监测系统的网络体系架构的示意图。

图3示出了图1中所示的地下水监测系统的传感器模块。

图4是如图3所示的传感器模块的电路布局的示意性框图。

图5是部署在地下水监测井中的根据本发明实施例的传感器模块的端视图。

图6是示出电干扰与在传感器模块的面与导电材料之间的距离之间的关系的线图。

图7图示了传感器模块组件，其包括图3中所示的传感器模块和围绕传感器模块的主体安装的套筒或锥体形式的间隔件。

具体实施方式

图1图示了包括传感器模块102a、102b的地下水监测系统100。每个传感器模块102a、102b位于相应的地下水监测井104a、104b中。在一个实施例中，地下水监测井位于原位回收矿场中或其周围。仅用于说明目的，图1中示出了两个传感器模块102a、102b。取决于应用，监测系统100可以具有基于特定现场的地下水监测井总数的任何合适数量的传感器模块102。通常，将在每个相应的地下水监测井中部署一个传感器模块102。

每个传感器模块102a、102b包括多个固态传感器，并且被配置为浸没在水下以测量来自地下水监测井104a、104b的含水层的多参数传感器数据。通常，每个传感器模块102a、102b包括多个传感器，用于测量每个地下水监测井104a、104b中的地下水的属性。如下面参考图4更详细讨论的，每个传感器模块102包括参考电极406、氧化还原电位(ORP)电极404、pH电极402、电导率传感器410和温度传感器408。在一些实施例中，传感器模块102还可以包括金属离子传感器(未示出)，用于检测地下水中的某些金属离子。

系统100还包括经由电缆110a、110b连接到传感器模块102a、102b的集线器108。集线器108被配置为通常经由互联网连接121与在线服务器122进行无线通信。

每个传感器模块102a、102b还被配置为允许扩展以便与和用于相应传感器模块102a、102b的电缆对准的其它类似的传感器模块或自包含的传感器单元106a、106b接口。传感器模块102a、102b和相应的传感器单元106a、106b的直列布置有利地提供流线型传感器组件剖面，其最小化传感器组件的任何部分在地下水监测井中部署或取回期间被卡住的可能性。

在这个实施例中，自包含的传感器单元106是连接到相应传感器模块102的下端的水压传感器。水压传感器106a、106b可以是现成的水压传感器，其可经由相应的RS-485/MODBUS连接124a、124b连接到相应的传感器模块102a、102b。

可以基于大气压的测量来校准来自水压传感器106a、106b的测量，以提供每个井104a、104b内的水位的测量。

为了提供参考大气压数据，系统100提供被配置为与在线服务器122进行无线通信的气压计112。气压计112优选地位于井104a、104b的20km半径内，以提供相对于井位置104a、104b的准确大气压。可替代地，系统100可以提供水压传感器114，用于在任何一个地下水监测井104b中定位地下水，以提供大气压的读数。

集线器108被配置为对传感器模块102a、102b、传感器单元106a、106b和参考水压传感器114进行预定的周期性采样，缓存传感器数据，并将传感器数据上传到在线服务器122。在线服务器122接收并存储从集线器108上传的传感器数据，并提供对传感器数据的在线访问。

集线器108还被配置为经由电源120向传感器模块102a、102b、传感器单元106a、106b和参考水压传感器114提供电力。在所示的实施例中，因为用于原位回收矿场的地下水监测井一般是偏远的并且不能接入电网，电源120通常包括太阳能电源单元和电池(未示出)。但是，将认识到的是，可以使用任何合适的可再生和/或化石燃料电源，例如电源可以包括干线电源、一个或多个发电机、电池、太阳能单元、风能、水能、波浪能、地热能等，或其任意组合。

图2是图示根据本发明实施例的用于地下水监测的系统100的网络体系架构的示意图。系统100包括用于测量每个地下水监测井104的地下水属性的多个传感器模块102a、102b、102c-102(n)。下面将参考图3至4描述传感器模块102的进一步细节。虽然图2中仅示出了三个传感器模块102a、102b、102c，但是应该理解的是，系统100可以扩展为包括任何合适数量的传感器模块102，以与特定现场处的监测井104的数量一致。

每个传感器模块102a、102b、102c-102(n)可以是可扩展的，以便取决于应用的性质(例如，涉及的采矿活动的类型和要求监测的地下水属性)而与自包含的传感器单元106a、106b、106c-106(n)(诸如图1所示的自包含的水压传感器或者任何其它类型的传感器单元)接口。在一些实施例中，每个传感器模块102a、102b、102c-102(n)可以被扩展为与任何数量的类似传感器模块102a、102b、102c-102(n)接口，以便提供任何合适长度的传感器串。

优选地，传感器模块102a、102b、102c-102(n)中的每一个包括用于其唯一元数据的非易失性存储装置。在部署之前，操作者可以针对参考参数来校准传感器模块102a、102b、102c-102(n)并且将元数据(包括换能器驱动参数、ADC增益、校准系数和位置坐标)编程到传感器102a、102b、102c-102(n)中。

可以存储在传感器模块102a、102b、102c-102(n)内的电子模块上的元数据可以包括：传感器模块型号/变体ID、唯一的序列号、换能器驱动参数(例如，激励电压或电流)、ADC增益、过采样因子)、用于将原始ADC值或电位转换成经校准的物理单位的系数、校准日期/时间(UTC)、位置坐标，以及循环冗余校验(CRC)或前述元数据的散列以用于验证目的。

电子模块(参见图4)控制到传感器的功率输出、信号调节和数字化、校正和单位转换，以及将数据传送到集线器108a-108(n)。优选地，基本数据处理将在传感器中执行，例如：过采样求平均和计算信号在采样时间内的标准偏差、电导率传感器的电流和电压数据被处理成电阻值、温度传感器的电阻值、电位传感器的毫伏读数、根据存储的校准系数同时进行的校正和到实际单位的转换。

传感器102a、102b、102c-102(n)；106a、106b、106c-106(n)经由使用数据电缆110a、110b、110c-110(n)连线在一起，从而允许集线器108a-108(n)和传感器102a、102b、102c-102(n)；106a、106b、106c-106(n)之间的电力传送和数字数据传送。在所示的实施例中，每个传感器模块102a、102b、102c-102(n)和相应的传感器单元106a、106b、106c-106(n)经由电缆110a、110b、110c-110(n)连接到集线器108。集线器108经由有线或无线网络接口与服务器122通信，服务器122包括数据库123，数据库123用于存储沿着数据电缆110a-110(n)从传感器102a-102(n)、106a-106(n)接收的数据。

在一些实施例中，特别是如果现场的位置和地下水监测井104之间的距离实际上不允许传感器模块102a、102b、102c-102(n)之间的有线连接，那么每个传感器模块102a、102b、102c-102(n)和相应的传感器单元106a、106b、106c-106(n)可以连接到相应的集线器108a-108(n)。每个集线器108a-108(n)经由有线或无线网络接口与服务器122通信。

最终用户可以经由PC和/或移动设备200的用户接口与存储在数据库123中的传感器数据交互。通常，PC和/或移动设备200经由任何合适的网络访问在线服务器122。设备200可以采用任何合适的形式，诸如计算机、移动通信设备、平板电脑等。在一些实施例中，集线器108或集线器108a-108(n)可以是网关或数据记录器。

在这个实施例中，集线器108与在线服务器122、在线服务器122与(一个或多个)设备200之间的无线网络通信是互联网121。在一些实施例中，网络可以包括局域网。设备200可以使用任何合适的协议和数据格式以任何合适的方式(诸如经由Wi-Fi、3G、4G或卫星等)访问网络。每个集线器108a-108(n)可以发起到服务器122的连接并“推送”数据，或者服务器122可以发起到每个集线器108a-108(n)的连接并“拉”数据。优选地，每个集线器108a-108(n)适于周期性地从相应传感器模块102a、102b、102c-102(n)和相应的传感器单元106a、106b、106c-106(n)中的每一个采样传感器数据以便实时地或接近实时地传送到在线服务器。

服务器122从集线器108a-108(n)接收数据，并将数据存储在数据库123中以供检索。可以在服务器122上或在地理上冗余的位置处的数据库123a至123(n)中进一步处理数据。此外，可以提供服务器的地理冗余性，这允许网关故障转移到辅助或第三服务器，如果一个不可达的话。如果被授权，并且取决于其角色，那么与设备200相关联的用户可以访问服务器122和数据库123上的数据，并且可以以用户友好的格式获取数据的可视化和分析。通常，传感器数据可以以图形方式呈现给用户。例如，以曲线图、热图等形式呈现。在一个实施例中，系统100还被配置为检测由传感器模块102a-102(n)收集的传感器数据的快速改变，并经由用户接口200警告用户。

在一些实施例中，集线器108a-108(n)包括当由被授权管理员用户经由设备200等通过用户接口指示这样做时重新编写元数据并重新编程附加传感器上嵌入式固件的能力。

现在参考图3，图3图示了传感器模块102的外观。传感器模块102被配置为扩展成与其它类似的传感器模块102或自包含的传感器单元(诸如图1中所示的水压传感器106)接口。特别地，连接接口302、204允许附加的传感器模块102或其它传感器单元106以流线型布置耦合到传感器模块102的任一端或两端，以促进在井中部署。在一些实施例中，传感器模块102可以可扩展成与金属离子传感器接口。

传感器模块102包括坚固的保护和防水壳体306，以在操作期间保护传感器电子器件，特别是在高水压环境下。壳体306优选地由合适的耐酸塑料(诸如PMMA或合适的环氧树脂)制成，并且固态传感器优选地安装到使用耐酸聚合物的壳体中。

传感器模块102包括传感器面308，传感器通过传感器面308从周围的地下水进行测量。

现在参考图4，图4是图示传感器模块102的电路布局的示意性框图。传感器模块102包括pH电极402、氧化还原电位(ORP)电极404和参考电极406以及恒电位仪。三个电极402、404、406进行地下水的电化学属性的测量。来自pH电极402的测量相对于参考电极406的电位进行，并经由放大模块412被放大。类似地，来自ORP电极的测量相对于参考电极406的电位进行，并经由放大模块414被放大。因此，电极402、404、406测量地下水的pH和ORP。pH电极402测量水的酸度和碱度。ORP电极通过测量溶解的氧来测量水中污染物的量。较低的ORP水平指示水中的污染物较多，因为有机物消耗氧气导致溶解的氧较少，反之亦然。

传感器模块102还包括温度传感器408，例如，其以电阻温度检测器(RTD)和电导率传感器410的形式。AC电流源418提供AC信号以激励电导率传感器410的探针来测量地下水的电导率。因此，来自电导率传感器410的电导率(EC)输出信号是调制信号的形式。同步检测器或锁定放大器模块416用于从调制信号中提取EC测量信息。

使用模数转换器(ADC)420将来自传感器设备402、404、406、408、410的经处理的传感器数据数字化。数字传感器数据由微控制器424经由串行外围接口总线(SPI)422接收。微控制器424经由与收发器428的串行连接输出数字传感器数据，收发器428用于经由电缆接口432将传感器数据发送到相应的集线器108(参见图1和2)。

传感器模块102还包括电源电路430，其用于经由电缆接口与电源120(见图1)接口。电源电路430调节来自电源120的输入电力信号，以便施加到传感器模块102的电子器件。

在优选实施例中，电缆接口432向RS485/MODBUS接口提供外部传感器单元(诸如水压传感器106)。因此，一个或多个附加的类似传感器模块102和/或外部自包含传感器单元可以经由线缆接口432连接到集线器108。

已经识别出，同时测量电导率(EC)和电化学属性(诸如pH和ORP)会是有问题的。特别地，当电流通过溶液以进行EC测量时，电流会干扰使用pH 402、ORP 404和参考406电极的电化学测量。

因此，微控制器424调度电极402、404、406和电导率传感器410的操作，使得经由电极402、404、406的传感器测量在与来自电导率传感器410的传感器测量不同的时间进行。通过调度传感器操作使得以时间共享的布置在不同时间点进行传感器测量，可以有效地减轻传感器测量之间的干扰。

已经进一步识别出，EC测量会经受进一步的干扰，例如，如果存在导电或绝缘材料并且其位于传感器面308附近。因而，当传感器模块102部署在地下水监测井104中时，井104的侧壁可能干扰EC传感器410的测量。如图5中所示，部署在井104中的传感器模块102的传感器面308之间的距离由“d”表示。已经确定，传感器面与地下水监测井104的侧壁之间大约14mm或更大的距离将足以使得由于井104的侧壁在EC传感器410读数中引起的任何干扰可忽略。

图6以线图600图示了在导电材料存在的情况下流体中的EC测量的影响。曲线图600的y轴提供以欧姆为单位的阻抗(Z)的测量，并且曲线图600的x轴提供以秒为单位的时间(T)的测量。

在实验室环境中，在导电材料(例如一片导电金属)存在的情况下使用传感器模块102取得水的EC测量。随着时间的推移(大约3600秒)进行EC测量，同时将导电材料移动得更靠近传感器模块102的传感器面308。特别地：

■EC测量的部分606表示不存在导电材料的情况下水的电导率。测得的阻抗大约为285欧姆。

■在距传感器面308 29mm的距离处在存在导电材料的情况下进行EC测量的部分604。阻抗大致保持不变，大约为285欧姆。

■在距传感器面308 14mm的距离处在存在导电材料的情况下进行EC测量的部分604。阻抗大致保持不变，大约为285欧姆。

■在距传感器面308 6mm的距离处在存在导电材料的情况下进行EC测量的部分604。阻抗降低至大约281欧姆，导致电导率增加。

■在距传感器面308 3mm的距离处在存在导电材料的情况下进行EC测量的部分604。阻抗进一步降低至大约272欧姆，导致电导率进一步增加。

■在距传感器面308 1.5mm的距离处在存在导电材料的情况下进行EC测量的部分604。阻抗进一步降低至大约235欧姆，导致电导率进一步增加。

因此，曲线图600图示了当导电材料位于距传感器面308 14mm或更远时，在传感器模块102的EC测量期间记录了来自导电材料的可忽略的干扰。

因此，每个传感器模块104可以配备有间隔件(未示出)，用于在使用期间将传感器面308与井104的侧壁隔开。可以使用任何合适的间隔机制。在如图7所示的一个实施例中，套管或锥体700可以围绕传感器模块102的主体固定，以在传感器面308和井104的侧壁之间提供14mm的最小间隔(d')。

在可替代实施例中，由在特定现场处具有特定直径的地下水监测井的侧壁造成的典型干扰可以在模拟或实验室环境中预先确定。每个传感器模块102可以在部署之前基于每个监测井的预定干扰值进行预校准，以考虑可能的干扰值。例如，通过从测得的EC值中减去预定的干扰值来进行。

因此，本发明的系统100和传感器模块102提供了优于传统的地下水监测人工采样方法的显著优点。系统100和相关联传感器模块102的瞬时、自动和实时性质能够同时检测多于一个井位置处的一个或多个参数的任何显著改变。当捕获的传感器数据相关时，系统100能够及时提供漂移事件的强烈指示。受影响参数的相对值和改变率可以提供对漂移事件的特点(诸如方向、范围或速率)的进一步见解。经由监测稀疏的数据并且在跨不同监测井的样本不同时取得的情况下常常难获得这些见解。

此外，传感器模块102能够在无干扰的情况下与温度和电导率的测量同时瞬时地进行水的电化学属性的测量。传感器模块102包括多个嵌入式传感器电子器件以简化安装规程，并且允许提供流线型和紧凑的传感器模块组件，以用于在通常为100至300m或更大的深度的地下水监测井中进行部署。在板上提供不同的传感器电子器件还允许微控制器424提供传感器电子器件的适当调度和控制，以提供高保真度和可靠的传感器测量。

系统100的网络体系架构(参见图1和2)还有利地使捕获的传感器数据能够经由接口200实时或接近实时地发送给技术人员，以便可以立即捕获和识别被监测的水属性的任何快速改变，而没有延迟。

前述实施例仅仅说明了本发明的原理，并且本领域技术人员将容易想到各种修改和改变。本发明能够以各种方式和在其它实施例中实践和执行。还应理解的是，本文采用的术语是出于描述的目的，不应当被视为限制。

在说明书中，包括权利要求，术语“包括”以及该术语的变体(诸如“含有”或“包含”)用来指“包括但不限于”，除非另有明确说明，或者除非在上下文或使用中需要对该术语进行排他性解释。

在本说明书中对任何背景技术或现有技术的引用不是承认这些背景技术或现有技术构成相关领域中的公知常识，或者以其它方式是与权利要求的有效性相关的可接受的现有技术。

Claims (33)

1.一种用于远程地下水监测的系统，所述系统包括：

一个或多个传感器模块，被配置为分布在一个或多个地下水监测井中，每个传感器模块适于从每个地下水监测井获取多参数传感器数据，其中所述多参数传感器数据包括每个地下水监测井中的地下水的电化学属性数据和电属性数据，

耦合到所述一个或多个传感器模块的一个或多个集线器，用于检索所述多参数传感器数据并与在线服务器无线通信以将所述多参数传感器数据上传到所述在线服务器。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个地下水监测井位于矿场内或其周围，并且所述一个或多个传感器模块被配置为被浸没在水下以从地下水监测井的含水层获取多参数传感器数据。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述矿场是原位回收矿场。

4.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个传感器模块包括多个固态传感器，所述固态传感器包括：

pH电极，以及

参考电极，

以用于获取与每个地下水监测井中的地下水的电化学属性有关的数据。

5.如权利要求4所述的系统，其中每个传感器模块还包括氧化还原电位电极，以用于获取与每个地下水监测井中的地下水的电化学属性有关的进一步数据。

6.如权利要求4或5所述的系统，其中每个传感器模块还包括电导率传感器，所述电导率传感器用于获取与每个地下水监测井中的地下水的电属性有关的数据。

7.如权利要求4至6中任一项所述的系统，其中每个传感器模块还包括温度传感器。

8.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个传感器模块被配置为允许连接水压传感器。

9.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个传感器模块被配置为与一个或多个自包含传感器单元连接。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述一个或多个传感器单元包括水压传感器单元。

11.如权利要求8或10所述的系统，还包括位于所述一个或多个地下水监测井20km内的气压计，所述气压计用于测量大气压，所述气压计被配置为与所述在线服务器进行通信，所述系统被配置为基于来自所述气压计和所述一个或多个水压传感器的测量来确定所述一个或多个地下水监测井中的水位。

12.如权利要求8或10所述的系统，还包括参考水压传感器，用于分布在所述一个或多个地下水监测井中，使得所述参考水压传感器被悬挂在地下水上方，所述参考水压传感器被耦合到所述集线器以与所述在线服务器进行无线通信，所述系统被配置为基于来自所述参考水压传感器和所述一个或多个水压传感器的测量来确定所述一个或多个地下水监测井中的水位。

13.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述一个或多个集线器适于周期性地对来自每个传感器模块的传感器数据进行采样，以实时地或接近实时地无线传送到所述在线服务器。

14.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个传感器模块被配置为以非重叠的时间间隔测量每个相应的地下水监测井中的地下水的电导率和地下水的电化学属性。

15.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中每个传感器模块与间隔件相关联，所述间隔件用于将所述传感器模块的传感器面与相应的地下水井的壁隔开预定距离。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述间隔件将所述传感器面与相应的地下水井的壁分隔大约14mm或更远。

17.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统被配置为基于预定的干扰值来校准由传感器模块获取的电导率的测量。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述校准包括从测得的电导率值中减去预定的干扰值。

19.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述集线器被配置为

向所述一个或多个传感器模块提供电力，

调度所述一个或多个传感器模块的采样，

缓存来自所述一个或多个传感器模块的传感器数据，以及

将所述传感器数据上传到所述在线服务器。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述在线服务器被配置为

从所述集线器接收传感器数据，

将接收到的传感器数据存储在数据库中，以及

向远程用户提供对所述传感器数据的在线访问。

21.如前述权利要求中任一项所述的系统，还包括用于以图形方式呈现所述多参数传感器数据的接口。

22.一种地下水监测系统，包括：

一个或多个传感器模块，被配置为分布在一个或多个地下水监测井中，所述地下水监测井位于原位回收矿场内或其周围，

一个或多个传感器模块，被配置为被浸没在水下以测量来自所述地下水监测井的含水层的多参数传感器数据，其中所述多参数传感器数据包括每个地下水监测井中的地下水的电化学属性数据和电属性数据，

耦合到所述一个或多个传感器模块的一个或多个集线器，所述集线器被配置为周期性地对由所述一个或多个传感器模块测得的多参数传感器数据进行采样，以及

在线服务器，用于接收和存储从所述集线器上传的传感器数据，并提供对所述传感器数据的在线访问。

23.如权利要求22所述的系统，其中每个传感器模块被配置为以非重叠的时间间隔测量每个相应的地下水监测井中的地下水的电导率和地下水的电化学属性。

24.如权利要求22或23所述的系统，其中每个传感器模块包括用于测量每个地下水监测井中的地下水的电化学属性的一个或多个传感器，以及用于测量每个地下水监测井中的地下水的电导率的电导率传感器，其中用于测量电化学属性的传感器和所述电导率传感器被嵌入在所述传感器模块中。

25.如权利要求24所述的系统，其中用于测量电化学属性的所述一个或多个传感器包括

pH电极，以及

参考电极，

以用于获取与每个地下水监测井中的地下水的电化学属性有关的数据。

26.如权利要求25所述的系统，其中每个传感器模块还包括氧化还原电位电极。

27.如权利要求22至26中任一项所述的系统，其中每个传感器模块还包括温度传感器。

28.一种传感器模块，用于如前述权利要求中任一项所述的系统。

29.一种用于地下水监测的传感器模块，所述传感器模块被配置为被浸没在水下以测量来自原位回收矿场内或其周围的地下水监测井的含水层的多参数传感器数据，其中所述传感器模块包括用于测量每个地下水监测井中的地下水的电化学属性的一个或多个传感器，以及用于测量每个地下水监测井中的地下水的电导率的电导率传感器，其中用于测量电化学属性的所述传感器和所述电导率传感器被嵌入在所述传感器模块中。

30.如权利要求29所述的传感器模块，其中所述电化学属性包括地下水的pH值。

31.如权利要求29或30所述的传感器模块，其中所述传感器模块被配置为以非重叠的时间间隔测量每个相应的地下水监测井中的地下水的电导率和地下水的电化学属性。

32.如权利要求29至31中任一项所述的传感器模块，其中用于测量电化学属性的所述一个或多个传感器包括

氧化还原电位电极，

pH电极，以及

参考电极，

以用于获取与每个地下水监测井中的地下水的电化学属性有关的数据。

33.如权利要求32所述的传感器模块，其中所述传感器模块还包括嵌入式温度传感器。