CN112255203A - 一种数字式多要素透明度测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种数字式多要素透明度测量仪，包括黑白塞氏盘，所述黑白塞氏盘中心穿有承重电缆，所述承重电缆的测量端连接有水压传感器，所述承重电缆的另一端接有数据下载和充电二合一电缆，所述数据下载和充电二合一电缆的数据下载端接有手持操作器，所述数据下载和充电二合一电缆的充电端与电源连接，所述电源为水压传感器供电，所述手持操作器设有主控模块、气压检测模块、温度检测模块和显示模块，所述水压传感器测量水下压力值和大气压值。本发明将传统的赛氏盘数字化，使用数字测深传感器通过不同配重纠正绳子偏移，使测量数据数字化，易保存，易传输，可定位。

Description

一种数字式多要素透明度测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及透明度测量技术领域，尤其是一种数字式多要素透明度测量仪及其测量方法。

背景技术

赛氏透明度盘指用油漆漆成黑白两色相间的圆铁盘，从圆盘中心孔穿一根细绳，并在绳上划上间隔为20cm黑白相间的长度标记，将赛氏盘浸入水体中，至刚好看不见赛氏盘上的黑白分界限为止，这时绳子在水面以下的长度标记数值就是该水体的透明度，目前环保水质透明度测量设备领域缺乏自动测量水质透明度的仪器设备，当前的水质透明度测量仪器主要是赛氏盘，一条绳子系上一个黑白相间直径为20厘米的盘子，盘子反面中心点加一锥形配重，通过人工放绳子的长短来测量水质透明度多少米，不免给人以一种“结绳记事”的原始落后感觉，这种因为水体的流动和作业船的移动会造成绳与盘面不是垂直距离，客观上存在测量不准确；同时，测量值不能直接量化和数字化，需要用文字进行记录备档；测量地点还需收到标记。传统水体透明度盘调查现场，为人工卷尺测量深度，在流大的区域缆绳偏离，测量不准，不能直接数字化，保存和批量处理，不能直接定位到在哪里测量。

发明内容

本发明解决了传统水体透明度盘在流大的区域缆绳偏离，测量不准，不能直接数字化的问题，提出一种数字式多要素透明度测量仪及其测量方法，将传统的赛氏盘数字化，使用数字测深传感器通过不同配重纠正绳子偏移，解决因水流影响人工读数带来的偏差问题；使测量数据数字化，易保存，易传输，可定位。

为实现上述目的，提出以下技术方案：

一种数字式多要素透明度测量仪，包括黑白塞氏盘，所述黑白塞氏盘中心穿有承重电缆，所述承重电缆的测量端连接有水压传感器，所述承重电缆的另一端接有数据下载和充电二合一电缆，所述数据下载和充电二合一电缆的数据下载端接有手持操作器，所述数据下载和充电二合一电缆的充电端与电源连接，所述电源为水压传感器供电，所述手持操作器设有主控模块、气压检测模块、温度检测模块和显示模块，所述水压传感器测量水下压力值和大气压值，所述主控模块负责各模块之间的交互命令和处理相应的数据，所述显示模块实时显示主控模块输出的数据。

水压传感器能够测量水下压力值和大气压值，手持操作器的气压检测模块也能够测量大气压值，利用大气压值实时修正，解决因大气压改变导致的测量误差，利用传感器进行探测，能够有效校准绳子偏移，摆脱传统测量不准确问题，温度检测模块还能记录此处测量得到气温。

作为优选，所述手持操作器设有GPS定位模块、NB通讯模块和TF数据存储卡。

GPS定位模块的作用是记录本次测量点的位置，NB通讯模块和TF数据存储卡提供两种数据保存方式，利用NB通讯模块进行NB无线通讯，数据可直接上传服务器，可通过软件查看野外各点透明度和其他测量要素，历史记录动态曲线数据分析；利用TF数据存储卡，将数据保存到TF数据存储卡上，可实时导出，随时查看和分析。

作为优选，所述黑白塞氏盘固定有若干配重块。考虑流速大小及携带问题，赛氏盘配置不同大小配重。

作为优选，所述承重电缆的测量端还连接有水温传感器。水温传感器传感器用于测量水温，增加测量素。

作为优选，还包括手摇圆盘，所述承重电缆缠绕在手摇圆盘上。

设置手摇圆盘有利于对放线速度进行调控，在将要测量时，减缓放线速度，有利于提高测量精度。

作为优选，还包括固定在测量船上的导向轮，所述承重电缆绕过导向轮。

设置导向轮的作用是避免放线时检测船体和承重电缆发送摩擦，从而延长承重电缆的使用寿命。

作为优选，所述手持操作器设有图像分析模块，所述图像分析模块包括摄像头和识别单元。

图像分析模块具有图像识别功能，能够判断水下黑白塞氏盘是否看不清，取代人眼判断，避免人为误差，使得测量更加准确。

作为优选，所述黑白塞氏盘的上端面设有感光元件，所述感光元件与承重电缆电连接。

感光元件用于感光，检测水下透光强度，并转化为透光强度数字信号发送到手持操作器，所述手持操作器设有感光阈值，当透光强度小于阈值时，启动图像识别功能，并提醒操作员放慢黑白塞氏盘的下放速度。

一种水体透明度数字化测量方法，采用上述的一种数字式多要素透明度测量仪，包括以下步骤：

S1，选择合适的配重块固定在黑白塞氏盘上，黑白塞氏盘持续下放；

S2，判断黑白塞氏盘是否看不清，若是，进入步骤S3检测水深，若否，黑白塞氏盘持续下放；

S3，记录此时的水压传感器测量的水下压力值P_测和大气压值P_水，记录此时手持操作器的气压检测模块检测的手部大气压值P_手，利用公式：

P＝ρgh；

P＝P_测-P_手-P_偏；

P_偏＝P_水-P_手；

其中，是物体浸在水中受的压强，ρ是密度，g是重力加速度，P_偏是偏差值，气压检测模块和水压传感器测量的大气压会存在不一致，偏差值就是其不一致差值；

通过所述公式求出液面下某点距自由液面的高度h，所述液面下某点距自由液面的高度h即为水深。

作为优选，所述步骤S2通过图像识别判断黑白塞氏盘是否看不清，具体包括以下步骤：

S201，判断透光强度是否小于感光阈值，若是，进入步骤S202，若否，黑白塞氏盘持续下放；

S202，摄像头持续对黑白塞氏盘上方水面进行拍摄，识别单元以频率n截取片段图像，并识别片段图像中黑白塞氏盘对应的区域作为比较区域，获取比较区域的像素值；

S203，判断像素值是否小于像素阈值，若是，进入步骤S3，若否，持续缓慢下放黑白塞氏盘。

本发明的有益效果是：

1、数字测深校准绳子偏移，摆脱传统测量不准确问题。

2、加入气压实时修正，解决因大气压改变导致的测量误差。

3、配置不同配重，适应不同水流环境，方便更换。

4、观测要素多，除测量透明度外，还具有水温、气温、大气压以及观察点 GPS定位数据等要素。

5、NB无线通讯，数据可直接上传服务器，软件查看野外各点透明度和其他测量要素，历史记录动态曲线数据分析。

6、数据保存到TF存储卡上，可实时导出，随时查看和分析。

附图说明

图1是本发明的结构简图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是实施例1电源的供电和充电电路示意图；

图4是实施例1主控模块电路示意图；

图5是实施例1NB通讯模块和GPS定位电路示意图；

图6是实施例1显示模块驱动电路示意图；

其中，1、黑白塞氏盘 2、承重电缆 3、水压传感器 4、数据下载和充电二合一电缆5、手持操作器 6、电源 7、配重块 8、手摇圆盘 9、导向轮。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提出一种数字式多要素透明度测量仪，参考图1和图2，包括黑白塞氏盘1，黑白塞氏盘1中心穿有承重电缆2，承重电缆2的测量端连接有水压传感器3，承重电缆2的另一端接有数据下载和充电二合一电缆4，数据下载和充电二合一电缆4的数据下载端接有手持操作器5，数据下载和充电二合一电缆 4的充电端与电源6连接，电源6为水压传感器3供电，手持操作器5设有主控模块、气压检测模块、温度检测模块和显示模块，水压传感器3测量水下压力值和大气压值，主控模块负责各模块之间的交互命令和处理相应的数据，显示模块实时显示主控模块输出的数据。手持操作器5设有GPS定位模块、NB通讯模块和TF数据存储卡。黑白塞氏盘1固定有若干配重块7。承重电缆2的测量端还连接有水温传感器。显示模块为液晶显示器，其启动电路参考图6。

承重电缆2的测量端还连接有水温传感器。承重电缆2的测量端还连接有水温传感器。还包括固定在测量船上的导向轮9，承重电缆2绕过导向轮9。

水压传感器能够测量水下压力值和大气压值，手持操作器的气压检测模块也能够测量大气压值，利用大气压值实时修正，解决因大气压改变导致的测量误差，利用传感器进行探测，能够有效校准绳子偏移，摆脱传统测量不准确问题，温度检测模块还能记录此处测量得到气温。

参考图5，GPS定位模块的作用是记录本次测量点的位置，NB通讯模块和 TF数据存储卡提供两种数据保存方式，利用NB通讯模块进行NB无线通讯，数据可直接上传服务器，可通过软件查看野外各点透明度和其他测量要素，历史记录动态曲线数据分析；利用TF数据存储卡，将数据保存到TF数据存储卡上，可实时导出，随时查看和分析。

考虑流速大小及携带问题，赛氏盘配置不同大小配重。水温传感器传感器用于测量水温，增加测量素。设置手摇圆盘8有利于对放线速度进行调控，在将要测量时，减缓放线速度，有利于提高测量精度。设置导向轮的作用是避免放线时检测船体和承重电缆发送摩擦，从而延长承重电缆的使用寿命。

一种水体透明度数字化测量方法，采用上述的一种数字式多要素透明度测量仪，包括以下步骤：

S1，选择合适的配重块固定在黑白塞氏盘上，黑白塞氏盘持续下放；

S2，判断黑白塞氏盘是否看不清，若是，进入步骤S3检测水深，若否，黑白塞氏盘持续下放；

S3，记录此时的水压传感器测量的水下压力值P_测和大气压值P_水，记录此时手持操作器的气压检测模块检测的手部大气压值P_手，利用公式：

P＝ρgh；

P＝P_测-P_手-P_偏；

P_偏＝P_水-P_手；

其中，是物体浸在水中受的压强，ρ是密度，g是重力加速度，P_偏是偏差值，气压检测模块和水压传感器测量的大气压会存在不一致，偏差值就是其不一致差值；

通过公式求出液面下某点距自由液面的高度h，液面下某点距自由液面的高度h即为水深。

以下以具体特例进行补充说明：

STM32L151为主控模块，通过与压力探头和气压传感器的通信，来计算仪器当前的水位的压力，从而转化为对应的水深。NB通讯模块在定位完成和网络连接完成后能够实时的上报和显示相应的地理位置信息。

本发明测量仪具体包括硬件部分和控制部分，硬件部分由以下三个部分组成：压力探头、放线装置、手持显示设备。压力探头即为水压传感器3和水温传感器与手持显示设备通讯，实时返回相应的水位压力温度等数据。放线装置：通过手摇圆盘8控制压力探头的上升和下降。手持显示设备即为手持操作器5，实时的显示水深压力以及水温情况。

参考图3，控制部分由STM32控制器、NB通讯模块、气压模块三部分组成， STM32控制器负责各模块之间的交互命令，处理相应的数据和实时显示，NB通讯模块搜索GPS信号回传相应的测量数据，气压模块：由于在不同的气压条件下可能会对测量的结果造成测量的偏差，该数据用来校准数据，提高测量的精度。气压模块包括：气压检测模块、温度检测模块。STM32控制器主要完成数据采集、处理、存储、传输和过程控制，具备模块化、低功耗、快速度、高可靠的性能。STM32控制器根据一定的时序控制主机及各类传感器的加断电，采集及处理各类传感器的信号，采集的实时数据及时存储于存储器中，将处理后的数据通过通信传输系统发送到用户的接收站，将原始数据保存到存储器中，并实时的显示详细的数据详情。

赛氏盘采用传感器赛氏盘，考虑流速大小及携带问题，赛氏盘配置不同大小配重；采用电缆连接水面终端和赛氏盘，电缆具有承重功能，表层标注尺寸，间隔20cm，零浮力电缆，电缆外层为粗糙表面，便于提拉；手部具备GPS定位， NB通讯功能，空气温度和大气压测量，便于数据后期整理，透明度数值和具体地理信息关联起来；手部具备TF卡存储功能，测量数据不易丢失；传感器在测深度的同时，还测量水温、气温、气压以及经纬度参数，成为测量多要素的重要关联数据。手部终端具有数据直观显示和操作功能，内配有2600mAh锂电，可随时充电；传感器防水等级当在IP67或以上；系统测量透明度距离，在20 米范围以内。(参考:中国透明度最大的湖泊是西藏的玛法木错，透明度14米)

参考图4，电源6由1节2600mAh锂电池和充电模块单元组成，整个设备通过1块电池为系统提供12.6V电源供电，通过稳压模块转为3.3V为整个核心部件供电。在给电池进行充电的时候，通过ME4059ASPG芯片能够实时管理充电电流的大小，防止形成过冲等情况。电池充满后电源指示灯的状态会翻转。

手持操作器5设有监测软件，该软件是采集数据最终的显示界面，也是用户直接使用最频繁的部分，其运用的语言：Java,HTML；其主要功能：1，数据接收和解析入库；2，以曲线形式显示数据走势变化和走势图的导出；3，数据的导出；4，参数的配置和修改。监测软件有以下特点：网页的形式显示更加的方便，数据查看和显示也能更加详细和直观，可以配置站点参数，进行指令交互，走势图的加入可以更加直观的看出数据的变化，数据异常时实时推送的报警短信可以让负责人随时知道仪器是否故障，多种导出格式可供选择，用户可以选择自己需要的格式导出。PC通过串口的数据导出，自定义通讯协议，主要包括：

1、请求导出命令，PC到手持终端。##T003\r\n；

2、收到请求导出命令，手持终端发送总数据信息，包括总条数，站点编号等。##R001,总条数，站点编号\r\n；

3、PC端收到总信息后，发送数据请求。##T004\r\n；

4、收到数据请求后、终端开始一帧一帧发送文本数据。每帧内容以回车换行结束。

每帧内容中数据与数据之间，以制表符\t隔开。帧与帧间隔时间100ms。 ##R002,帧号，内容\r\n。

调查船上部分为手持操作器，具有数据显示，按键操作等功能。当赛氏盘到水下某一位置，人眼几乎不能看清赛氏盘黑白颜色时，此时手持操作器显示的水深即为当前水质透明度。通过按键操作，可以把测量数据保存到手持操作器的TF数据存储卡，同时也可以通过手持操作器的NB通讯模块，把测量数据上传到指定服务器。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上进行改进，手持操作器5设有图像分析模块，图像分析模块包括摄像头和识别单元。黑白塞氏盘1的上端面设有感光元件，感光元件与承重电缆2电连接。

图像分析模块具有图像识别功能，能够判断水下黑白塞氏盘是否看不清，取代人眼判断，避免人为误差，使得测量更加准确。

感光元件用于感光，检测水下透光强度，并转化为透光强度数字信号发送到手持操作器5，手持操作器5设有感光阈值，当透光强度小于阈值时，启动图像识别功能，并提醒操作员放慢黑白塞氏盘1的下放速度。

步骤S2通过图像识别判断黑白塞氏盘是否看不清，具体包括以下步骤：

S201，判断透光强度是否小于感光阈值，若是，进入步骤S202，若否，黑白塞氏盘持续下放；

S202，摄像头持续对黑白塞氏盘上方水面进行拍摄，识别单元以频率n截取片段图像，并识别片段图像中黑白塞氏盘对应的区域作为比较区域，获取比较区域的像素值；

S203，判断像素值是否小于像素阈值，若是，进入步骤S3，若否，持续缓慢下放黑白塞氏盘。

综上实施例1和实施例2，本发明的有益效果是：

1、数字测深校准绳子偏移，摆脱传统测量不准确问题。

2、加入气压实时修正，解决因大气压改变导致的测量误差。

3、配置不同配重，适应不同水流环境，方便更换。

4、观测要素多，除测量透明度外，还具有水温、气温、大气压以及观察点 GPS定位数据等要素。

5、NB无线通讯，数据可直接上传服务器，软件查看野外各点透明度和其他测量要素，历史记录动态曲线数据分析。

6、数据保存到TF存储卡上，可实时导出，随时查看和分析。

Claims (10)

1.一种数字式多要素透明度测量仪，包括黑白塞氏盘(1)，其特征是，所述黑白塞氏盘(1)中心穿有承重电缆(2)，所述承重电缆(2)的测量端连接有水压传感器(3)，所述承重电缆(2)的另一端接有数据下载和充电二合一电缆(4)，所述数据下载和充电二合一电缆(4)的数据下载端接有手持操作器(5)，所述数据下载和充电二合一电缆(4)的充电端与电源(6)连接，所述电源(6)为水压传感器(3)供电，所述手持操作器(5)设有主控模块、气压检测模块、温度检测模块和显示模块，所述水压传感器(3)测量水下压力值和大气压值，所述主控模块负责各模块之间的交互命令和处理相应的数据，所述显示模块实时显示主控模块输出的数据。

2.根据权利要求1所述的一种数字式多要素透明度测量仪，其特征是，所述手持操作器(5)设有GPS定位模块、NB通讯模块和TF数据存储卡。

3.根据权利要求1所述的一种数字式多要素透明度测量仪，其特征是，所述黑白塞氏盘(1)固定有若干配重块。

4.根据权利要求1所述的一种数字式多要素透明度测量仪，其特征是，所述承重电缆(2)的测量端还连接有水温传感器。

5.根据权利要求1所述的一种数字式多要素透明度测量仪，其特征是，还包括手摇圆盘(8)，所述承重电缆(2)缠绕在手摇圆盘(8)上。

6.根据权利要求1所述的一种数字式多要素透明度测量仪，其特征是，还包括固定在测量船上的导向轮(9)，所述承重电缆(2)绕过导向轮(9)。

7.根据权利要求1所述的一种数字式多要素透明度测量仪，其特征是，所述手持操作器(5)设有图像分析模块，所述图像分析模块包括摄像头和识别单元。

8.根据权利要求7所述的一种数字式多要素透明度测量仪，其特征是，所述黑白塞氏盘(1)的上端面设有感光元件，所述感光元件与承重电缆(2)电连接。

9.一种水体透明度数字化测量方法，采用权利要求1-7任一项所述的一种数字式多要素透明度测量仪，其特征是，包括以下步骤：

S1，选择合适的配重块固定在黑白塞氏盘上，黑白塞氏盘持续下放；

S2，判断黑白塞氏盘是否看不清，若是，进入步骤S3检测水深，若否，黑白塞氏盘持续下放；

S3，记录此时的水压传感器测量的水下压力值P_测和大气压值P_水，记录此时手持操作器的气压检测模块检测的手部大气压值P_手，利用公式：

P＝ρgh；

P＝P_测-P_手-P_偏；

P_偏＝P_水-P_手；

其中，是物体浸在水中受的压强，ρ是密度，g是重力加速度，P_偏是偏差值，气压检测模块和水压传感器测量的大气压会存在不一致，偏差值就是其不一致差值；

通过所述公式求出液面下某点距自由液面的高度h，所述液面下某点距自由液面的高度h即为水深。

10.根据权利要求9所述的一种水体透明度数字化测量方法，其特征是，所述步骤S2通过图像识别判断黑白塞氏盘是否看不清，具体包括以下步骤：

S201，判断透光强度是否小于感光阈值，若是，进入步骤S202，若否，黑白塞氏盘持续下放；

S202，摄像头持续对黑白塞氏盘上方水面进行拍摄，识别单元以频率n截取片段图像，并识别片段图像中黑白塞氏盘对应的区域作为比较区域，获取比较区域的像素值；

S203，判断像素值是否小于像素阈值，若是，进入步骤S3，若否，持续缓慢下放黑白塞氏盘。

Images