CN111924043A - 一种水质监测浮标系统及其应用 - Google Patents

Abstract

一种水质监测浮标系统及其应用，包括浮标体、蓄电池、太阳能板、剖面监测单元和控制器；浮标体中部具有一密封仓，蓄电池和控制器设于密封仓内；太阳能板与蓄电池相连接；剖面监测单元包括驱动电机、线缆转盘、导向轮、数据传输缆、剖面监测仪、绝对水深传感器和相对水深传感器；驱动电机位于浮标体上方，该驱动电机驱动线缆转盘转动设置，导向轮位于线缆转盘的前方；数据传输缆收卷于线缆转盘上，并绕设于导向轮，且该数据传输缆与剖面监测仪连接；所述相对水深传感器设于剖面监测仪上；所述控制器与蓄电池、驱动电机、剖面监测仪、绝对水深传感器和相对水深传感器分别连接；本发明不仅具备原位浅表水质监测能力，同时具备原位水质剖面监测能力。

Description

一种水质监测浮标系统及其应用

技术领域

本发明涉及水质监测设备领域，特别涉及一种水质监测浮标系统及其应用。

背景技术

申请号为201811489870.4的发明专利公布了一种依靠液压系统对内部油囊体积控制来实现浮标及仪器上浮下潜的剖面浮标，由于浮标、仪器、控制系统及数据无线传输系统一起在水里上浮下潜，监测数据不能够实时发送至远程平台，也无法保证长时间续航，测量深度也难以人为调整。

申请号为201711219671.7的发明专利公布了一种圆柱式分层取样水质监测浮标，该发明通过在浮标体的下方设置向下伸出若干根长度不同的取样管，在同一时刻完成分层取水，水样抽取至浮标体内的仪器仓，由仪器完成检测。该发明设置的取样管长度有限，不适合水域较深处监测；取样管数量有限，对水域的分层数有限且难以调整；每次检测前需把取样管中的旧水样排空以便取到最新的水样，耗能耗时。

申请号为201621129944.X的新型专利公布了一种可升降式水质监测浮标，该发明通过安装在浮标体内的升降电机，在需要工作时带动水质监测仪器入水测量，不需工作时把仪器提升至浮标体内的舱室保存。该实用新型旨在解决仪器入水和出水两个点对点的动作，无法实现对特定水域在竖直方向上的多目标点位的测量。

综上可知，传统水质剖面监测浮标无法对监测剖面(即深度)进行无级别监测调控，监测参数在空间上不够连续且难以调整，不利于全面获取监测地的环境参数。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种水质监测浮标系统。

本发明的第二个目的在于提出一种所述的水质监测浮标系统的应用。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种水质监测浮标系统，包括浮标体、蓄电池、太阳能板、剖面监测单元和控制器；所述浮标体上设有一通孔，该浮标体的中部具有一密封仓，所述蓄电池和控制器设于密封仓内；所述太阳能板位于浮标体上方，并与蓄电池相连接；

所述剖面监测单元包括驱动电机、线缆转盘、导向轮、数据传输缆、剖面监测仪、绝对水深传感器和相对水深传感器；所述驱动电机位于浮标体上方，该驱动电机驱动线缆转盘正转或反转设置，所述导向轮位于线缆转盘的前方；所述数据传输缆收卷于线缆转盘上，并绕设于导向轮，且该数据传输缆的自由端与剖面监测仪连接；所述剖面监测仪可穿过所述通孔，所述绝对水深传感器设于浮标体底端，所述相对水深传感器设于剖面监测仪上；

所述控制器与蓄电池、驱动电机、剖面监测仪、绝对水深传感器和相对水深传感器分别连接，用于接收绝对水深传感器和相对水深传感器的水深度信号，以及控制剖面监测仪和驱动电机的开启或关闭。

基于上述设计，本发明具备原位浅表水质监测能力、数据实时传输能力及远程控制能力的基础上，同时具备原位水质剖面监测能力。

另外，根据本发明上述实施例提出的一种水质监测浮标系统，还可以具有如下附加的技术特征：

所述数据传输缆通过水密接头与剖面监测仪连接，从而可完成在水环境中的数据传输。

所述数据传输缆与剖面监测仪之间连接有不锈钢连接环，用于承受剖面监测仪的重量及其运动阻力，以防止水密接头连接失效。

所述剖面监测单元还包括一安全传感器，所述安全传感器设于浮标体底端，并与控制器连接,可以监测剖面监测仪是否处于正常状态。

还包括一上支架和一下支架，所述上支架和下支架分别位于浮标体的上部和下部；所述太阳能板设于上支架的侧面；所述下支架相对的两侧分别设有一挂锚耳，每所述挂锚耳上均连接有一锚链，所述锚链的尾端均连接有一锚石；可将浮标体固定于水面，防止大范围移动。

两所述挂锚耳之间的距离大于2米；两所述锚链在水中呈八字形排布，可以防止浮标体在水面漂移或旋转，并使锚链不会与剖面监测仪产生干扰。

还包括航标灯和无线通讯单元，所述航标灯和无线通讯单元均设于上支架顶端，并分别与控制器连接。无线通讯单元用于将剖面监测仪获取的数据经由控制器分析、备份存储后发送至远程平台供监测分析记录；航标灯用于给过往船只提醒警示作用。

所述浮标体的四周边沿处分别设有一仪器井，用于放置各类水质水文类监测仪器，实现剖面浮标系统的传统原位浅表水质监测功能。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种所述的水质监测浮标系统的应用，具体包括以下内容：

(1)绝对水深传感器将水域的绝对水深数据实时传送至控制器，当绝对水深数据小于预设的安全阈值时，驱动电机不动作，剖面监测仪不运行，绝对水深数据处于安全阈值内时，控制器计算出水域中所需监测的剖面数量及位置；所述绝对水深数据是指所述水域从浮标体底部到水底地面的距离；

(2)控制器控制驱动电机正转，使剖面监测仪及相对水深传感器同时向下移动，相对水深传感器实时将相对水深数据上传至控制器，当剖面监测仪到达设定的水深位置时，控制器控制驱动电机停止，且剖面监测仪启动进行水质参数测量，水质参数数据实时传送至控制器；若水质参数数据无异常，则控制器控制驱动电机继续正转，直至所有设定的水深位置都测量完毕；所述相对水深数据是指剖面监测仪在水中所处的实时深度位置；

(3)控制器控制驱动电机反转，使剖面监测仪及相对水深传感器返回至水中指定位置。

基于上述设计，本发明的监测方法具备原位水质剖面监测能力，在进行原位水质监测时，其所得参数既能体现时间信息，又能体现空间信息，扩展测量参数的空间维度。

另外，根据本发明上述实施例提出的水质监测浮标系统的应用，还可以具有如下附加的技术特征：

还包括步骤(4)：

当剖面监测仪和数据传输缆触碰到安全传感器时，安全传感器向控制器发送信号，控制器控制驱动电机停机，并报警。

附图说明

图1为本发明水质监测浮标系统的结构示意图。

图2为本发明中剖面监测单元的结构示意图。

图3为本发明中剖面监测仪与数据传输缆的配合图。

图4为本发明中水质监测浮标系统的控制原理框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，一种水质监测浮标系统100，包括浮标体1、蓄电池2、太阳能板3、剖面监测单元4、控制器5、一上支架6、一下支架7、航标灯8和无线通讯单元9；所述浮标体1上设有一通孔11，该浮标体1的中部具有一密封仓12，所述蓄电池2和控制器5设于密封仓12内；所述浮标体1的四周边沿处分别设有一仪器井13，用于放置各类水质水文类监测仪器，实现剖面浮标系统的传统原位浅表水质监测功能。所述浮标体1为高分子材料，为整个浮标系统提供浮力，浮标体1为圆柱台或锥台形。

请再参阅图1，所述太阳能板3位于浮标体1上方，并与蓄电池2相连接，为整个监测系统提供电能。所述上支架6和下支架7分别位于浮标体1的上部和下部，下支架7可为四面锥台形或正六面体形；所述太阳能板3设于上支架6的侧面；

请再参阅图2，所述剖面监测单元4包括驱动电机41、线缆转盘42、导向轮43、数据传输缆44、剖面监测仪45、绝对水深传感器46、相对水深传感器47和安全传感器49；所述驱动电机41位于浮标体1上方，该驱动电机41驱动线缆转盘42正转或反转设置，驱动电机41可正转或反转来驱动线缆转盘42正转或反转。所述导向轮43位于线缆转盘42的前方；所述数据传输缆44收卷于线缆转盘42上，并绕设于导向轮43，且该数据传输缆44的自由端与剖面监测仪45连接；线缆转盘42正转或反转时，数据传输缆44可收卷在线缆转盘42上或从线缆转盘42上放出，以实现剖面监测仪45的上下运动，所述剖面监测仪45可穿过所述通孔11。导向轮43可与线缆转盘42同步转动，由此可将数据传输缆44规则整齐地收卷在线缆转盘42上而不致于数据传输缆44相互压轧，减小数据传输缆44磨损和避免打结缠绕。所述绝对水深传感器46设于浮标体1底端，所述相对水深传感器47设于剖面监测仪45上。绝对水深传感器46优选为超声波水深仪或声呐水深仪；相对水深传感器47优选为压力式液位计。

请再参阅图2-4，所述控制器5与蓄电池2、驱动电机41、剖面监测仪45、绝对水深传感器46和相对水深传感器47分别连接，用于接收绝对水深传感器46和相对水深传感器47的水深度信号，以及控制剖面监测仪45和驱动电机41的开启或关闭。绝对水深传感器46一般为超声波式，用于获取水深的上下限安全阈值，保证剖面监测仪45在安全的水深区域内运行；所述绝对水深数据是指水域中从浮标体底部到水底地面的距离，因为水域的水位有高有低，必须先测量绝对水深，绝对水深过小，剖面监测仪45不运行因为容易触底不安全，绝对水深达到测量要求后，剖面监测仪45才能运行。相对水深传感器47为压力式传感器，用于获取剖面监测仪45的实时水深及位置，设在剖面监测仪45上，可随同剖面监测仪45一同在水中上下，相对水深传感器47的数据和剖面监测仪45的数据一同由数据传输缆传送至控制器，如此控制器便能计算出剖面监测仪45在水中所处的深度位置，即所述相对水深数据是指剖面监测仪45在水中所处的实时深度位置；

绝对水深数据和相对水深数据经由控制器5(见图1)处理，生成控制信号控制驱动电机41动作，使剖面监测仪45能够准确地到达指定的深度，然后剖面监测仪45运行，完成该深度下的水质参数测量。绝对水深数据和相对水深数据用以控制驱动电机41运动，保证剖面监测仪45到达指定深度；所述数据传输缆44通过水密接头48与剖面监测仪45连接，从而可完成在水环境中的数据传输。所述数据传输缆44与剖面监测仪45之间连接有不锈钢连接环49，用于承受剖面监测仪45的重量及其运动阻力，以防止水密接头48连接失效。

请再参阅图1，所述安全传感器49设于浮标体1底端，并与控制器5连接。所述下支架7相对的两侧分别设有一挂锚耳71，每所述挂锚耳71上均连接有一锚链72，所述锚链72的尾端均连接有一锚石73。锚石73提供抓地力，使得浮标体1只能够在规定位置小范围内移动。两所述挂锚耳71之间的距离大于2米，该距离大于剖面监测仪45最大尺寸的2倍，能有效防止剖面监测仪45或数据传输缆44与锚链72干涉，保证仪器运行不受干扰；两所述锚链72在水中呈八字形排布，可以防止浮标体1在水面漂移或旋转，并使锚链72不会与剖面监测仪45产生干涉。所述航标灯8和无线通讯单元9均设于上支架6顶端，并分别与控制器5连接。无线通讯单元9用于将剖面监测仪45获取的数据经由控制器5分析、备份存储后发送至远程平台供监测分析记录；航标灯8用于给过往船只提醒警示作用。

请再参阅图1或图3，所述水质监测浮标系统100的应用，具体包括以下内容：

(1)绝对水深传感器46将水域的绝对水深数据实时传送至控制器5，当绝对水深数据小于预设的安全阈值时，驱动电机41不动作，剖面监测仪45不运行，绝对水深数据处于安全阈值内时，控制器5计算出水域中所需监测的剖面数量及位置；

(2)控制器5控制驱动电机41正转，使剖面监测仪45及相对水深传感器47同时向下移动，相对水深传感器47实时将相对水深数据上传至控制器5，当剖面监测仪45到达设定的水深位置时，控制器5控制驱动电机41停止，且剖面监测仪45启动进行水质参数测量，水质参数数据实时传送至控制器5；若水质参数数据无异常，则控制器5控制驱动电机41继续正转，直至所有设定的水深位置都测量完毕；

(3)控制器5控制驱动电机41反转，使剖面监测仪45及相对水深传感器47返回至水中指定位置，完成一个测量周期；

(4)当剖面监测仪45和数据传输缆44触碰到安全传感器49时，则此时剖面监测仪45偏离正常状态，安全传感器49向控制器5发送信号，控制器5控制驱动电机41停机，并报警。

本发明解决了目前水质监测浮标参数单维化，参数仅随时间变化，不能体现空间信息的缺点，本发明解决了传统水质监测剖面浮标数据传输不连续，续航时间短及难以远程控制等问题。本发明通过将剖面监测仪45在水中上下牵引，剖面监测仪45所处的水深位置完全由监测人员在远程控制，能够实现剖面监测仪45在空间上的无级分层连续监测，具备原位水质剖面监测能力，在进行原位水质监测时，其所得参数既能体现时间信息，又能体现空间信息，扩展测量参数的空间维度，有助于环境研究人员及决策者更全面地掌握水质情况，为养殖及环境保护提供全面的数据支撑，且监测数据可实时传送至远程平台，浮标体1设置有太阳能供电储能系统，剖面监测仪45监测续航时间长、操作及数据无间断。

本发明的水质监测浮标系统能够按照任务要求，使剖面监测仪自动在监测水域竖直方向实现上下运动，依靠剖面监测仪内设置的传感器对水域剖面(即深度)的参数进行测量，并将测得数据传输到科考船或岸基接收站，为环境预警、科学研究以及将来对目标水域的开发提供数据支撑。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种水质监测浮标系统(100)，其特征在于：包括浮标体(1)、蓄电池(2)、太阳能板(3)、剖面监测单元(4)和控制器(5)；所述浮标体(1)上设有一通孔(11)，该浮标体(1)的中部具有一密封仓(12)，所述蓄电池(2)和控制器(5)设于密封仓(12)内；所述太阳能板(3)位于浮标体(1)上方，并与蓄电池(2)相连接；

所述剖面监测单元(4)包括驱动电机(41)、线缆转盘(42)、导向轮(43)、数据传输缆(44)、剖面监测仪(45)、绝对水深传感器(46)和相对水深传感器(47)；所述驱动电机(41)位于浮标体(1)上方，该驱动电机(41)驱动线缆转盘(42)正转或反转设置，所述导向轮(43)位于线缆转盘(42)的前方；所述数据传输缆(44)收卷于线缆转盘(42)上，并绕设于导向轮(43)，且该数据传输缆(44)的自由端与剖面监测仪(45)连接；所述剖面监测仪(45)可穿过所述通孔(11),所述绝对水深传感器(46)设于浮标体(1)底端，所述相对水深传感器(47)设于剖面监测仪(45)上；

所述控制器(5)与蓄电池(2)、驱动电机(41)、剖面监测仪(45)、绝对水深传感器(46)和相对水深传感器(47)分别连接，用于接收绝对水深传感器(46)和相对水深传感器(47)的水深度信号，以及控制剖面监测仪(45)和驱动电机(41)的开启或关闭。

2.如权利要求1所述的一种水质监测浮标系统(100)，其特征在于：所述数据传输缆(44)通过水密接头(48)与剖面监测仪(45)连接。

3.如权利要求1所述的一种水质监测浮标系统(100)，其特征在于：所述数据传输缆(44)与剖面监测仪(45)之间连接有不锈钢连接环(49)。

4.如权利要求1所述的一种水质监测浮标系统(100)，其特征在于：所述剖面监测单元(4)还包括一安全传感器(49)，所述安全传感器(49)设于浮标体(1)底端，并与控制器(5)连接。

5.如权利要求1所述的一种水质监测浮标系统(100)，其特征在于：还包括一上支架(6)和一下支架(7)，所述上支架(6)和下支架(7)分别位于浮标体(1)的上部和下部；所述太阳能板(3)设于上支架(6)的侧面；所述下支架(7)相对的两侧分别设有一挂锚耳(71)，每所述挂锚耳(71)上均连接有一锚链(72)，所述锚链(72)的尾端均连接有一锚石(73)。

6.如权利要求5所述的一种水质监测浮标系统(100)，其特征在于：两所述挂锚耳(71)之间的距离大于2米，两所述锚链(72)在水中呈八字形排布。

7.如权利要求5所述的一种水质监测浮标系统(100)，其特征在于：还包括航标灯(8)和无线通讯单元(9)，所述航标灯(8)和无线通讯单元(9)均设于上支架(6)顶端，并分别与控制器(5)连接。

8.如权利要求1所述的一种水质监测浮标系统(100)，其特征在于：所述浮标体(1)的四周边沿处分别设有一仪器井(13)。

9.一种如权利要求4所述的水质监测浮标系统(100)的应用，其特征在于：具体包括以下内容：

(1)绝对水深传感器(46)将水域的绝对水深数据实时传送至控制器(5)，当绝对水深数据小于预设的安全阈值时，驱动电机(41)不动作，剖面监测仪(45)不运行，绝对水深处于安全阈值内时，控制器(5)计算出水域中所需监测的剖面数量及位置；所述绝对水深数据是指所述水域从浮标体底部到水底地面的距离；

(2)控制器(5)控制驱动电机(41)正转，使剖面监测仪(45)及相对水深传感器(47)同时向下移动，相对水深传感器(47)实时将相对水深数据上传至控制器(5)，当剖面监测仪(45)到达设定的水深位置时，控制器(5)控制驱动电机(41)停止，且剖面监测仪(45)启动进行水质参数测量，水质参数数据实时传送至控制器(5)；若水质参数数据无异常，则控制器(5)控制驱动电机(41)继续正转，直至所有设定的水深位置都测量完毕；所述相对水深数据是指剖面监测仪(45)在水中所处的实时深度位置；

(3)控制器(5)控制驱动电机(41)反转，使剖面监测仪(45)及相对水深传感器(47)返回至水中指定位置，完成一个测量周期。

10.如权利要求9所述的水质监测浮标系统(100)的应用，其特征在于：还包括步骤(4)：

当剖面监测仪(45)和数据传输缆(44)触碰到安全传感器(49)时，则此时剖面监测仪(45)偏离正常状态，安全传感器(49)向控制器(5)发送信号，控制器(5)控制驱动电机(41)停机，并报警。

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