CN111474003A - 一种水质通量监测浮标系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水质通量监测浮标系统，包括有浮台锚系装置、五参数测量单元、驱鸟单元、取水单元、供电单元、辅助监测系统单元、气象设备单元以及主控单元，浮台锚系装置设置在固定水域上，所述浮台锚系装置作为五参数测量单元、主控单元、取水单元、驱鸟单元、供电单元、辅助监测系统单元、气象设备单元的承载台，所述五参数测量单元、取水单元、驱鸟单元、供电单元、辅助监测系统单元、气象设备单元均与主控单元连接。该系统通过电机驱动油气缸进行取水操作，实现取水过程精确可控，保证在线水质监测仪器的正常运转，同时设置有驱鸟单元，可以对栖息在浮台上的飞禽进行驱赶，减少了人力维护成本。

Description

一种水质通量监测浮标系统

技术领域

本发明涉及的是水质监测技术领域，具体的，涉及一种水质通量监测浮标系统。

背景技术

生态环境中，水是人们生产生活中不可或缺的物质，水质的好坏直接影响到人们的生活。随着社会的高速发展，对生活环境产生了严重的破坏，水质环境也日趋恶化。保护自然，保护水质是一个迫在眉睫的急需解决的问题。

现有水体检测分为实验室检测和在线实时检测，由于实验室检测的实时性较差，相对于实验室检测，原位实时在线监测更加最有代表性，因为水样若经过转移及处理，其测量出来的数据已失去部分真实性，早期，监测水质还只是通过人工取样检测的方式来进行，这种方式不仅成本高，耗 时长，而且检测的数据较为有限、不够全面，无法连续取样监测，不利于分析；之后出现了机 器自动做样的方式，节省人工成本，效率也提高了，但是仍然需要人工定期的、无任何依据 地维护设备；现阶段，已出现了通过互联网远程控制水质监测设备，获取测量数据，查询设 备状态的方式，自动化程度有了极大的提高，现有的在线水质采样设备通过浮台为载体，通过水泵自动抽取水样进行测量，由于水泵的取水不易控制，导致取得的取水的难度较高，易损坏测量设备；同时浮台漂浮在固定水域，会成为飞禽的栖息点，如果不加以管制，则浮台上的设备易被破坏，增大维护成本。

发明内容

本发明的目的是传统在线水质测量设备取水方式不易控制的问题，设计了一种水质通量监测浮标系统，该系统通过电机驱动油气缸进行取水操作，实现取水过程精确可控，保证在线水质监测仪器的正常运转，同时设置有驱鸟单元，可以对栖息在浮台上的飞禽进行驱赶，减少了人力维护成本。

为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种水质通量监测浮标系统，包括有浮台锚系装置、五参数测量单元、驱鸟单元、取水单元、供电单元、辅助监测系统单元、气象设备单元以及主控单元，浮台锚系装置设置在固定水域上，所述浮台锚系装置作为五参数测量单元、主控单元、取水单元、驱鸟单元、供电单元、辅助监测系统单元、气象设备单元的承载台，所述五参数测量单元、取水单元、驱鸟单元、供电单元、辅助监测系统单元、气象设备单元均与主控单元连接。

本方案中，主控单元根据水质采集要求，给取水单元定时发送取水命令，五参数测量单元将采集到的水质分析数据、辅助监测系统单元测量的数据以及气象设备单元测量的数据通过主控单元同步传送至中心站，中心站通过专业软件对数据进行分析，将数据以及分析结果进行展示，给水质治理策略的制定提供指导意见。

作为优选，所述浮台锚系装置包括有浮台以及三个浮体，三个浮体通过缆绳与浮台的底端连接，三个浮体以120度角均匀布放在浮台周围，所述浮体的下端均设置有锚系。

本方案中，浮台采用不锈钢加泡沫浮体制作而成，其中使用不锈钢件加工制作龙骨，高强度泡沫作为浮力装置，该结构具有稳固、负载浮力大的优点，采用3*3m的方型浮台，中部为直径50cm剖面升降井，升降井上方为塔架和传动单元，该区域采用多孔板进行保护，在电机部分进行防水保护；两侧为仪器井、电池舱和控制舱；仪器井为各测量设备提供了安装位置，并根据测量设备的外形特点、测量要求配套不同的安装支架，能够保证设备在稳定、可靠的环境下进行测量工作；电池舱是蓄电池的存储位置，根据系统负载大小配备的蓄电池统一放置在电池舱中；控制舱是主控系统的安装位置，作为整个系统的中枢系统。将三锚浮体的三套锚系与浮体分开，即浮体本身不直接与其三套锚系相连，三套主锚系分别系于三个类似水鼓的水面浮体上，这三只浮体以水面浮台的预期布放位置为中心，120度均匀布放在水面浮台周围，并且与浮台保持一定距离，一般不小于30m，水面浮台与浮体之间在采用锚链（副锚系）连接；采用这样的锚系方式能够增强对抗恶劣环境的能力，减少了浮体的旋转和摇摆角度，从而保证系统具备良好的通信姿态，同时三锚系留限制了水面浮台的多圈转动，可避免水下的信号线缆与锚链的缠绕。

作为优选，所述取水单元设置在浮台上，所述取水单元包括有取水管、第一单向阀、第二单相阀、储水室、出水管以及驱动装置，所述储水室设置有取水口、出水口以及驱动接口，所述取水口与第一单向阀密封连接，所述出水口与第二单向阀密封连接，所述驱动接口与驱动装置连接，所述浮台上设置有安装取水管道的通孔，所述取水管一端与第一单相阀密封连接，所述取水管的第二端贯穿通孔延伸至水下，所述出水管的一端与第二单向阀固定连接，所述出水管的另一端与五参数测量单元连接。

本方案中，驱动装置接收主控单元的控制命令，开始动作，第一单向阀只能进水进气，第二单向阀只能出水出气，当取水管将水输入到储水室后，驱动装置逆向动作，将储水室内的水排出到五参数测量单元的蓄水槽内进行测量，该结构可以很好的控制水体的抽取速率，保证整个过程缓慢平稳的进行。

作为优选，所述驱动装置包括轨道筒、油活塞、电机、支架以及丝杆，所述支架固定安装在浮台上，所述电机固定安装在支架的上臂上，所述轨道筒与驱动接口密封连接，所述油活塞安装在所述轨道筒内，所述轨道筒内壁设置有轨道、所述油活塞的上部设置有滑动块，所述滑动块与油活塞固定连接，所述活动块的中心设置有匹配丝杆的螺孔，所述丝杆的一端与滑动块螺接，所述丝杆的另一端与电机的输出轴传动连接，所述轨道筒的中部与虎口连杆固定。

本方案中，主控单元控制电机正转，油活塞上行，水体经过第一单向阀被抽取到储水室内，抽取一定的水体后，主控单元控制电机反转，油活塞下行，水体经过第二单向阀被抽取到蓄水槽内，水质测试仪对水质进行测量。

作为优选，所述五参数测量单元包括水质测试仪、蓄水槽、排水管以及电动水阀门，所述水质测试仪水平设置在浮台上，所述蓄水槽设置在水质测试仪的上端，所述蓄水槽的上侧壁设置有进水接口，所述出水管与进水接口密封连接，所述蓄水槽的下侧壁设置有导水接口，所述导水管的一端与导水接口密封连接，所述浮台的侧壁上设置有排水口，所述导水管的另一端贯穿浮台延伸至排水口，所述电动水阀门设置在导水管上，所述电动水阀门的控制端与主控单元电连接。

本方案中，当水质检测完成后，主控单元控制电动水阀门发开，蓄水槽中的水通过排水管道排出。

作为优选，所述供电单元包括有太阳能控制器、蓄电池组以及发电装置，所述发电装置通过太阳能控制器与蓄电池组电连接，所述蓄电池组与主控单元电连接。

本方案中，作为系统的能源依靠，供电单元由太阳能电池、蓄电池和太阳能控制器组成，其中蓄电池采用高能免维护蓄电池，太阳能控制器配套太阳能转换功率统计和负载输出功率统计，即配置一个太阳能电表，可以实时了解系统电源情况；整个系统采用低功耗电机和遥测设备，整体功耗有限，太阳能自供电可以满足系统自运行，其中蓄电池单元为可更换，在极特殊恶劣气象条件下，可以人为更换蓄电池。

作为优选，所述支架的上端设置有顶板，所述发电装置设置在顶板的上端，所述发电装置为太阳能发电薄膜或者太阳能发电板的一种。

本方案中，太阳能发电薄膜或者太阳能发电板的使用寿命长，维护成本低，技术成熟，可以为无人值守的用电设备提供工作电能。

作为优选，所述辅助监测系统单元包括有航标灯、雷达反射器以及独立4G移位报警器，所述雷达反射器以及独立4G移位报警器分别与主控单元电连接，所述航标灯自带有小型太阳能发电系统。

本方案中，浮台顶端配置符合国际航道标志协会要求的警示灯标，在晚上或浓雾时向周边船只发出警示，有效警示距离可达5.5 公里，该航标灯自带独立太阳能电源系统，采用高功率放电全封闭免维护电池盒单晶硅太阳能电池组成电源系统，并和LED航标灯组成一个整体；一旦安装使用即可自行工作，无须任何外加的电源，防护等级高达IP68，适应于海洋、湖泊环境；雷达反射器是无源雷达信标，是一种自身不能发射信号、通过增大目标截面积(也称回波或反向散射面积)的方法来增强船用导航雷达反射波，进而提高船用导航雷达对目标识别能力的无源设备；是一种具有较强反射能力并向原发射方向反射雷达波的助航设备。雷达反射器主要有如下助航作用： 1.在较远距离改进对目标的识别能力； 2.在有海浪和雨雪干扰下，提高目标的识别能力；3.加强对航标的保护，防止碰撞造成损害；一般的浮台通常都安装了GPS模块或是北斗模块用于定位，其也有数据通信功能，将这些位置信息发送到控制中心，都能正确的获取到浮体位置信息，但这些都在浮体正常工作条件下才具有的功能。如果浮体出现故障不能正常工作，或者是遭受人为破坏时，浮体就失去了踪迹，增加一台独立的浮标跟踪设备可以克服上述弊端。

作为优选，所述气象设备单元为WXT530气象站仪器。

本方案中，WXT530气象站仪器可以实时采集风速、风向、雨量、大气压、空气温湿度等参数，作为分析水质的辅助信息。

作为优选，所述驱鸟单元包括有超声波发生器放大器或者激光发生器的一种或多种组合，所述驱鸟单元与主控单元电连接。

本方案中，采用多种方式驱鸟，可以提高驱鸟效率。

本发明的有益效果：本发明设计了一种水质通量监测浮标系统，该系统通过电机驱动油气缸进行取水操作，可以很好的控制水体的抽取速率，保证整个过程缓慢、平稳的进行，保证在线水质监测仪器的正常运转，同时设置有驱鸟单元，可以对栖息在浮台上的飞禽进行驱赶，减少了人力维护成本。

附图说明

图1为本发明的一种水质通量监测浮标系统的系统结构示意图。

图2为本发明的一种水质通量监测浮标系统的平面结构示意图。

图3为本发明的一种水质通量监测浮标系统的局部平面结构示意图。

图中标记说明：1-主控单元、2-五参数测量单元、3-取水单元、4-供电单元、5-辅助监测系统单元、6-驱鸟单元、7-气象设备单元、21-水质测试仪、22-蓄水槽、23-排水管、24-电动水阀门、31-油活塞、32-丝杆、33-电机、34-储水室、35-第一单向阀、36-第二单向阀、37-支架、38-轨道筒、39-顶板、81-浮台、82-浮体、83-锚系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：如图1所示，一种水质通量监测浮标系统的系统结构示意图，由五参数测量单元2、驱鸟单元6、取水单元3、供电单元4、辅助监测系统单元5、气象设备单元7以及主控单元1，浮台锚系装置设置在固定水域上，浮台锚系装置作为五参数测量单元2、主控单元1、取水单元3、驱鸟单元6、供电单元4、辅助监测系统单元5、气象设备单元7的承载台，五参数测量单元2、取水单元3、驱鸟单元6、供电单元4、辅助监测系统单元5、气象设备单元7均与主控单元1连接；浮台锚系装置包括有浮台81以及三个浮体82，三个浮体82通过缆绳与浮台81的底端连接，三个浮体82以120度角均匀布放在浮台81周围，浮体82的下端均设置有锚系83；辅助监测系统单元5包括有航标灯、雷达反射器以及独立4G移位报警器，雷达反射器以及独立4G移位报警器分别与主控单元1电连接，航标灯自带有小型太阳能发电系统；气象设备单元7为WXT530气象站仪器。驱鸟单元6包括有超声波发生器放大器或者激光发生器的一种或多种组合，驱鸟单元6与主控单元1电连接。

本实施例中，主控单元1根据水质采集要求，给取水单元3定时发送取水命令，五参数测量单元2将采集到的水质分析数据、辅助监测系统单元5测量的数据以及气象设备单元7测量的数据通过主控单元1同步传送至中心站，中心站通过专业软件对数据进行分析，将数据以及分析结果进行展示，给水质治理策略的制定提供指导意见；其中浮台81采用不锈钢加泡沫浮体82制作而成，其中使用不锈钢件加工制作龙骨，高强度泡沫作为浮力装置，该结构具有稳固、负载浮力大的优点，采用3*3m的方型浮台81，中部为直径50cm剖面升降井，升降井上方为塔架和传动单元，该区域采用多孔板进行保护，在电机33部分进行防水保护；两侧为仪器井、电池舱和控制舱；仪器井为各测量设备提供了安装位置，并根据测量设备的外形特点、测量要求配套不同的安装支架37，能够保证设备在稳定、可靠的环境下进行测量工作；电池舱是蓄电池的存储位置，根据系统负载大小配备的蓄电池统一放置在电池舱中；控制舱是主控系统的安装位置，作为整个系统的中枢系统。将三锚浮体82的三套锚系83与浮体82分开，即浮体82本身不直接与其三套锚系83相连，三套主锚系83分别系于三个类似水鼓的水面浮体82上，这三只浮体82以水面浮台81的预期布放位置为中心，120度均匀布放在水面浮台81周围，并且与浮台81保持一定距离，一般不小于30m，水面浮台81与浮体82之间在采用锚链（副锚系83）连接；采用这样的锚系83方式能够增强对抗恶劣环境的能力，减少了浮体82的旋转和摇摆角度，从而保证系统具备良好的通信姿态，同时三锚系83留限制了水面浮台81的多圈转动，可避免水下的信号线缆与锚链的缠绕；浮台81顶端配置符合国际航道标志协会要求的警示灯标，在晚上或浓雾时向周边船只发出警示，有效警示距离可达5.5 公里，该航标灯自带独立太阳能电源系统，采用高功率放电全封闭免维护电池盒单晶硅太阳能电池组成电源系统，并和LED航标灯组成一个整体；一旦安装使用即可自行工作，无须任何外加的电源，防护等级高达IP68，适应于海洋、湖泊环境；雷达反射器是无源雷达信标，是一种自身不能发射信号、通过增大目标截面积(也称回波或反向散射面积)的方法来增强船用导航雷达反射波，进而提高船用导航雷达对目标识别能力的无源设备；是一种具有较强反射能力并向原发射方向反射雷达波的助航设备。雷达反射器主要有如下助航作用： 1.在较远距离改进对目标的识别能力； 2.在有海浪和雨雪干扰下，提高目标的识别能力；3.加强对航标的保护，防止碰撞造成损害；一般的浮台81通常都安装了GPS模块或是北斗模块用于定位，其也有数据通信功能，将这些位置信息发送到控制中心，都能正确的获取到浮体82位置信息，但这些都在浮体82正常工作条件下才具有的功能。如果浮体82出现故障不能正常工作，或者是遭受人为破坏时，浮体82就失去了踪迹，增加一台独立的浮标跟踪设备可以克服上述弊端；WXT530气象站仪器可以实时采集风速、风向、雨量、大气压、空气温湿度等参数，作为分析水质的辅助信息；驱鸟单元6由超声波发生器放大器或者激光发生器的一种或多种组合，驱鸟单元6与主控单元1电连接；采用多种方式驱鸟，可以提高驱鸟效率。

如图2所示，取水单元3设置在浮台81上，取水单元3由取水管、第一单向阀35、第二单相阀、储水室34、出水管以及驱动装置组成，储水室34设置有取水口、出水口以及驱动接口，取水口与第一单向阀35密封连接，出水口与第二单向阀36密封连接，驱动接口与驱动装置连接，浮台81上设置有安装取水管道的通孔，取水管一端与第一单相阀密封连接，取水管的第二端贯穿通孔延伸至水下，出水管的一端与第二单向阀36固定连接，出水管的另一端与五参数测量单元2连接。

本实施例中，驱动装置接收主控单元1的控制命令，开始动作，第一单向阀35只能进水进气，第二单向阀36只能出水出气，当取水管将水输入到储水室34后，驱动装置逆向动作，将储水室34内的水排出到五参数测量单元2的蓄水槽22内进行测量，该结构可以很好的控制水体的抽取速率，保证整个过程缓慢平稳的进行。

如图3所示，驱动装置由轨道筒38、油活塞31、电机33、支架37以及丝杆32组成，支架37固定安装在浮台81上，电机33固定安装在支架37的上臂上，轨道筒38与驱动接口密封连接，油活塞31安装在轨道筒38内，轨道筒38内壁设置有轨道、油活塞31的上部设置有滑动块，滑动块与油活塞31固定连接，活动块的中心设置有匹配丝杆32的螺孔，丝杆32的一端与滑动块螺接，丝杆32的另一端与电机33的输出轴传动连接，轨道筒38的中部与虎口连杆固定作为优选，五参数测量单元2包括水质测试仪21、蓄水槽22、排水管23以及电动水阀门24，水质测试仪21水平设置在浮台81上，蓄水槽22设置在水质测试仪21的上端，蓄水槽22的上侧壁设置有进水接口，出水管与进水接口密封连接，蓄水槽22的下侧壁设置有导水接口，导水管的一端与导水接口密封连接，浮台81的侧壁上设置有排水口，导水管的另一端贯穿浮台81延伸至排水口，电动水阀门24设置在导水管上，电动水阀门24的控制端与主控单元1电连接。

本实施例中，主控单元1控制电机33正转，油活塞31上行，水体经过第一单向阀35被抽取到储水室34内，抽取一定的水体后，主控单元1控制电机33反转，油活塞31下行，水体经过第二单向阀36被抽取到蓄水槽22内，水质测试仪21对水质进行测量；当水质检测完成后，主控单元1控制电动水阀门24发开，蓄水槽22中的水通过排水管23道排出。

供电单元4由太阳能控制器、蓄电池组以及发电装置，发电装置通过太阳能控制器与蓄电池组电连接，蓄电池组与主控单元1电连接，支架37的上端设置有顶板39，发电装置设置在顶板39的上端，发电装置为太阳能发电薄膜或者太阳能发电板的一种。

本实施例中，作为系统的能源依靠，供电单元4由太阳能电池、蓄电池和太阳能控制器组成，其中蓄电池采用高能免维护蓄电池，太阳能控制器配套太阳能转换功率统计和负载输出功率统计，即配置一个太阳能电表，可以实时了解系统电源情况；整个系统采用低功耗电机33和遥测设备，整体功耗有限，太阳能自供电可以满足系统自运行，其中蓄电池单元为可更换，在极特殊恶劣气象条件下，可以人为更换蓄电池；太阳能发电薄膜或者太阳能发电板的使用寿命长，维护成本低，技术成熟，可以为无人值守的用电设备提供工作电能。

以上所述之具体实施方式为本发明一种水质通量监测浮标系统的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：包括有浮台锚系装置、五参数测量单元、驱鸟单元、取水单元、供电单元、辅助监测系统单元、气象设备单元以及主控单元，浮台锚系装置设置在固定水域上，所述浮台锚系装置作为五参数测量单元、主控单元、取水单元、驱鸟单元、供电单元、辅助监测系统单元、藻类分析仪单元、气象设备单元的承载台，所述五参数测量单元、取水单元、驱鸟单元、供电单元、辅助监测系统单元、藻类分析仪单元、气象设备单元均与主控单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：

所述浮台锚系装置包括有浮台以及三个浮体，三个浮体通过缆绳与浮台的底端连接，三个浮体以120度角均匀布放在浮台周围，所述浮体的下端均设置有锚系。

3.根据权利要求2所述的一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：

所述取水单元设置在浮台上，所述输取水单元包括有取水管、第一单向阀、第二单相阀、储水室、出水管以及驱动装置，所述储水室设置有取水口、出水口以及驱动接口，所述取水口与第一单向阀密封连接，所述出水口与第二单向阀密封连接，所述驱动接口与驱动装置连接，所述浮台上设置有安装取水管道的通孔，所述取水管一端与第一单相阀密封连接，所述取水管的第二端贯穿通孔延伸至水下，所述出水管的一端与第二单向阀固定连接，所述出水管的另一端与五参数测量单元连接。

4.根据权利要求3所述的一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：

所述驱动装置包括轨道筒、油活塞、电机、支架以及丝杆，所述支架固定安装在浮台上，所述电机固定安装在支架的上臂上，所述轨道筒与驱动接口密封连接，所述油活塞安装在所述轨道筒内，所述轨道筒内壁设置有轨道、所述油活塞的上部设置有滑动块，所述滑动块与油活塞固定连接，所述活动块的中心设置有匹配丝杆的螺孔，所述丝杆的一端与滑动块螺接，所述丝杆的另一端与电机的输出轴传动连接，所述轨道筒的中部与虎口连杆固定连接虎口连杆的另一端与支架的侧壁固定连接，所述电机与主控单元电连接。

5.根据权利要求4所述的一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：

所述五参数测量单元包括水质测试仪、蓄水槽、排水管以及电动水阀门，所述水质测试仪水平设置在浮台上，所述蓄水槽设置在水质测试仪的上端，所述蓄水槽的上侧壁设置有进水接口，所述出水管与进水接口密封连接，所述蓄水槽的下侧壁设置有导水接口，所述导水管的一端与导水接口密封连接，所述浮台的侧壁上设置有排水口，所述导水管的另一端贯穿浮台延伸至排水口，所述电动水阀门设置在导水管上，所述电动水阀门的控制端与主控单元电连接。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：

所述供电单元包括有太阳能控制器、蓄电池组以及发电装置，所述发电装置通过太阳能控制器与蓄电池组电连接，所述蓄电池组与主控单元电连接。

7.根据权利要求6所述的一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：

所述支架的上端设置有顶板，所述发电装置设置在顶板的上端，所述发电装置为太阳能发电薄膜或者太阳能发电板的一种。

8.根据权利要求1所述的一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：

所述辅助监测系统单元包括有航标灯、雷达反射器以及独立4G移位报警器，所述雷达反射器以及独立4G移位报警器分别与主控单元电连接，所述航标灯自带有小型太阳能发电系统。

9.根据权利要求1所述的一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：

所述气象设备单元为WXT530气象站仪器。

10.根据权利要求1或3所述的一种水质通量监测浮标系统，其特征在于：

所述驱鸟单元包括有超声波发生器放大器或者激光发生器的一种或多种组合，所述驱鸟单元与主控单元电连接。

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