CN113720880B - 污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统，其特征在于，包括直流电阻率探测装置和多路电极转换器；所述直流电阻率探测装置包括供电电源、稳压电源、电极组件、数据采集模块以及信号处理器；所述多路电极转换模器包括继电器组件以及通断控制器；所述信号处理器和通断控制器分别设置有通讯模块，并通过通讯模块外接上位机；本发明具有结构简单，操作方便，试验可重复性高，可实现自动化监测，提高监测效率，并实现监测数据的传输。

Description

污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于电阻率监测技术领域，具体涉及一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统及监测方法。

背景技术

我国地下水资源中，含水层按介质类型主要分为平原、盆地松散沉积层地下水、喀斯特地下水和裂隙岩层地下水。由于利用所造成的地下水污染越来越严峻，引发了与之相关的一系列环境方面的问题。目前，很多学者利用地球物理的方法对岩土和地下水污染进行调查，该方法具有快速、无损性、全方位显示等优点，尤其是电阻率法应用最为广泛。由于地下水与污染物的电性存在较大差异，电法作为一种地球物理技术在探测和监测岩土介质中的不混溶性污染物方面是非常有用的。岩土中水流的流动和电流的传导具有类似的特征，它们同样都受岩体的几何特征的控制。因此，从岩土的电特性或者介电特性角度来研究裂隙岩体的水流三维入渗过程已经成为地球物理领域中的一个重要研究方向。

基于钻孔的原位水力和示踪试验可以用来获得岩土的水力传导率、储水系数、孔隙度等有关岩土介质中的综合性参数，可在一定程度上间接反映出试验段岩土内的导水能力，但仍然难以从三维空间的角度识别出水流入渗过程的特征。相对而言，近几十年发展起来的三维阵列电阻率法提供了一种灵活的能够在多维度、多尺度条件下进行的非破坏性无损伤数据动态观测技术，从不同测线垂向及不同深度水平向反演出污染物电阻率剖面图。

目前，国内在利用电阻率法监测污染物迁移的过程多采用现成的电法仪，适用于野外大尺度的污染物迁移监测，然而对于室内试验小尺度的污染物监测仪器尚不是很完善，为了解决上述问题，本发明提出污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统及监测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统及监测方法，能够实现室内试验小尺度的污染物监测，且操作简单，测量准确、运行可靠。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统，包括直流电阻率探测装置和多路电极转换器；所述直流电阻率探测装置包括供电电源、稳压电源、电极组件、数据采集模块以及信号处理器；所述多路电极转换模器包括继电器组件以及通断控制器；所述信号处理器和通断控制器分别设置有通讯模块，并通过通讯模块外接上位机；

所述供电电源连接电极组件用于供电，所述稳压电源连接数据采集模块、信号处理器和通断控制器用于供电，所述电极组件、继电器组件、数据采集模块、信号处理器依次连接用于通过电极组件获取电阻率信号并上传至上位机；所述通断控制器连接至继电器组件用于根据上位机的设置控制继电器组件的通断，从而控制电极组件与数据采集模块之间的通断。

优选的，所述供电电源包括由4组50V直流电池串联的200V直流电源以及连接于200V直流电源输出端的电压调节器。

优选的，所述稳压电源包括12V直流电源以及连接于12V直流电源输出端的降压模块。

优选的，所述电极组件包括多个电极，且每个所述电极的直径为6mm，长度为12cm。

优选的，所述继电器组件包括多个继电器，且一个所述继电器对应连接于一个所述电极与所述数据采集模块之间。

优选的，所述数据采集模块包括运算放大器和模数转换器。

优选的，所述信号处理器和通断控制器均采用单片机，所述通讯模块均采用RS-485转TTL电平通讯模块。

一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统的监测方法，包括：

将电极组件以插入地表岩土介质中；

供电电源输出电压信号至电极组件；

通断控制器根据上位机设置参数驱动继电器组件通断；

数据采集模块采集到导通的电极上的电信号，并进行放大和模数转换处理；

信号处理器接收处理后的电信号并通过通讯模块上传至上位机；

上位机根据处理后的电信号生成电压值和电流值，并计算得到电阻率ρ_s，其表达式如下：

其中，ΔU为电压值，I为电流值，K为系数常数；

上位机将获得的电压值、电流值以及电阻率进行实时显示。

优选的，所述将电极组件以插入地表岩土介质中满足：多个所述电极形成呈7*4矩形网格状排列的电极测量网格；每个所述电极的插入深度为1-2cm。

优选的，所述通断控制器根据上位机设置参数驱动继电器组件通断包括在预设时间间隔时，多个继电器自动通断实现多个电极自动跑极。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统及监测方法，用于室内小尺度监测岩土介质污染物电阻率变化的监测系统，该电阻率监测系统具有体积小、轻便，结构简单的优点，具有较高的分辨率和精度，并实现监测数据的实时传输。

供电电极通过与电压电流采集控制模块相连并连接供电电源，可以通过改变供电电源电压的大小，在恒压源输入下，进行视电阻率数据的测量，对比不同的电压下岩土介质污染物浓度的变化；

电阻率法监测污染物迁移过程，可以不用取样，减少人为因素的影响，能够在多维度、多尺度条件下进行的非破坏性无损伤数据动态观测，从不同测线垂向及不同深度水平向反演出污染物电阻率剖面图，后续经过数据处理将电阻率值转化成对应的浓度，实时监测岩土介质污染物浓度的变化，该测量过程操作简单，方法可重复性高，显示结果直观清晰。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的电阻率监测系统的系统框图；

图2是本发明实施例提供的数据采集模块的运算放大器电路图；

图3是本发明实施例提供的电阻率监测系统的监测方法流程图；

图4是本发明实施例提供的电极组件连接示意图；

图5是本发明实施例提供的电阻率监测系统实际工作示意图；

图6是本发明实施例提供的电极组件工作示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

如图1所示，一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统，包括直流电阻率探测装置和多路电极转换器。

直流电阻率探测装置包括供电电源、稳压电源、电极组件、数据采集模块以及信号处理器，具体的：

供电电源连接电极组件用于供电，包括由4组50V直流电池串联的200V直流电源以及连接于200V直流电源输出端的电压调节器；可根据需求设置多个挡位的供电电压进行高精度测量。

稳压电源连接数据采集模块、信号处理器和通断控制器用于供电，稳压电源包括12V直流电源以及连接于12V直流电源输出端的降压模块；压降模块可以选用SPS1117，以选择1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的输出电压满足设计要求。

电极组件包括多个电极，且每个电极的直径为6mm，长度为12cm。

数据采集模块包括运算放大器和模数转换器；运算放大器可以选用TLV2372ID，模数转换器可以选用ADS1256。如图2所示，为TLV2372ID的连接示意图。

信号处理器设置有通讯模块，并通过通讯模块外接上位机。信号处理器采用单片机，如MSP430单机片，通讯模块均采用RS-485转TTL电平通讯模块。

上位机采用MCGS组态，型号为TPC7062TX(KX),是一套以先进的Cortex-A8CPU为核心(主频600MHz)的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏(分辨率800×480)，四线电阻式触摸屏(分辨率4096×4096)。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件，具备强大的图像显示和数据处理功能。

多路电极转换模器包括继电器组件以及通断控制器；具体的：

继电器组件包括多个继电器，且一个继电器对应连接于一个电极与数据采集模块之间。

通断控制器设置有通讯模块，并通过通讯模块外接上位机。通断控制器采用单片机，如MSP430单机片，通讯模块均采用RS-485转TTL电平通讯模块。通断控制器连接至继电器组件用于根据上位机的设置控制继电器组件的通断，从而控制电极组件与数据采集模块之间的通断。

如图3所示，一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤1、将电极组件以插入地表岩土介质中，如图4所示，其满足：多个电极形成呈7*4矩形网格状排列的电极测量网格；每个电极的插入深度为1-2cm。

步骤2、供电电源输出电压信号至电极组件。

步骤3、通断控制器根据上位机设置参数驱动继电器组件通断，在预设时间间隔时，多个继电器自动通断实现多个电极自动跑极。

步骤4、数据采集模块采集到导通的电极上的电信号，并进行放大和模数转换处理。

步骤5、信号处理器接收处理后的电信号并通过通讯模块上传至上位机。

步骤6、上位机根据处理后的电信号生成电压值和电流值，并计算得到电阻率ρ_s，其表达式如下：

其中，ΔU为电压值，I为电流值，K为系数常数。

步骤7、上位机将获得的电压值、电流值以及电阻率进行实时显示。

实际工作时，如图5所示，垃圾渗滤液及石油类物质的渗漏，深埋地下的管道老化而导致各种工业原料及污水下渗，选择地下水保护目标监测点，地下水流的方向可通过常规勘测得到，由于轻非水相流体，简称LNAPLs，比重比水小，LNAPLs透镜体位于地下水位之上的非饱和带内，会有少量LNAPLs溶解进入饱和带中。

将电极组件以插入地表岩土介质中，通过多芯电缆的航插连接到多路电极转换器，多路电极转换器通过通讯接口与电阻率监测系统进行交换和传递信息，电阻率监测系统内部以信号处理器为核心，同时采用数据采集模块将采集到的电信号，通过模数转换器输入到信号处理器实现电压及电流的数据采集和处理，然后信号处理器经过通讯模块将处理完的数据通过上位机实现电压及电流数据的显示。另外可以根据用户要求对采集频率进行设置，通过上位机软件对数据采集模块与信号处理器进行激活，开始监测数据的实时采集，采集的电信号通过模数转换器转换为数值信号，通过通讯模块传送至客户端服务器及控制软件，实时传输数据，该信号处理器可由matlab编程实现并嵌入上位机。直流电阻率探测装置在工作时采用二极法探测原理，二极法测量装置及电极布设方式见图4，电极通常布设成网格状，x轴和y轴具有相同的电极间距，图4中，只需相对供电电极顺序增加测量电极序号即可完成所有电极的测量。

如图6所示，可采用全数据采集过程，即每个电极依次作为供电电极，其余电极作为电位测量电极，直至最后一个电极，由此完成1轮数据的采集，然后回至第2个电极重新监测，可实现垂直及水平空间上不同界面处电阻率的变化。对于4×7测网，一共28个电极，不包括两个远电极，一个完整的测量将有378个数据点，可实现全方位的对LNAPLs泄漏圈的三维监测，并通过电阻率监测系统将探测数据上传至上位机内，操作人员通过对上位机收集的数据做进一步处理，其中将测量的电压和电流数据计算得到视电阻率值，便可以观察记录和分析污染物迁移过程电阻率的变化情况，后续数据处理中将污染物电阻率值与污染物浓度相互转换，来实时记录污染物迁移过程中浓度的变化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统，其特征在于，包括直流电阻率探测装置和多路电极转换器；所述直流电阻率探测装置包括供电电源、稳压电源、电极组件、数据采集模块以及信号处理器；所述多路电极转换模器包括继电器组件以及通断控制器；所述信号处理器和通断控制器分别设置有通讯模块，并通过通讯模块外接上位机；

所述供电电源连接电极组件用于供电，所述稳压电源连接数据采集模块、信号处理器和通断控制器用于供电，所述电极组件、继电器组件、数据采集模块、信号处理器依次连接用于通过电极组件获取电阻率信号并上传至上位机；所述通断控制器连接至继电器组件用于根据上位机的设置控制继电器组件的通断，从而控制电极组件与数据采集模块之间的通断；

其中，所述继电器组件包括多个继电器，且一个所述继电器对应连接于一个所述电极与所述数据采集模块之间；所述通断控制器根据上位机设置参数驱动继电器组件通断包括在预设时间间隔时，多个继电器自动通断实现多个电极自动跑极。

2.根据权利要求1所述的一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统，其特征在于，所述供电电源包括由4组50V直流电池串联的200V直流电源以及连接于200V直流电源输出端的电压调节器。

3.根据权利要求1所述的一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统，其特征在于，所述稳压电源包括12V直流电源以及连接于12V直流电源输出端的降压模块。

4.根据权利要求1所述的一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统，其特征在于，所述电极组件包括多个电极，且每个所述电极的直径为6mm，长度为12cm。

5.根据权利要求1所述的一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括运算放大器和模数转换器。

6.根据权利要求1所述的一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统，其特征在于，所述信号处理器和通断控制器均采用单片机，所述通讯模块均采用RS-485转TTL电平通讯模块。

7.一种适应于权利要求1-6任一项所述的一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统的监测方法，其特征在于，包括：

将电极组件以插入地表岩土介质中；

供电电源输出电压信号至电极组件；

通断控制器根据上位机设置参数驱动继电器组件通断；

数据采集模块采集到导通的电极上的电信号，并进行放大和模数转换处理；

信号处理器接收处理后的电信号并通过通讯模块上传至上位机；

上位机根据处理后的电信号生成电压值和电流值，并计算得到电阻率ρ_s，其表达式如下：

其中，ΔU为电压值，I为电流值，K为系数常数；

上位机将获得的电压值、电流值以及电阻率进行实时显示。

8.根据权利要求7所述的一种污染物地下三维迁移过程的电阻率监测系统的监测方法，其特征在于，所述将电极组件以插入地表岩土介质中满足：多个所述电极形成呈7*4矩形网格状排列的电极测量网格；每个所述电极的插入深度为1-2cm。

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