CN114705250A - 一种水库水位和水温分布式监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种水库水位和水温分布式监测装置及方法，包括光纤、保护筒、滤网、顶部螺帽、底部螺帽和连接件，光纤的外侧设置保护筒，保护筒设有通水孔。所述温度增敏型分布式松套光纤与保护筒之间通过顶部螺帽和底部螺帽连接。监测装置与采集系统通过光缆进行连接。本发明能够解决现有的水库水位测量装置自动化智能化程度低、易受雷电以及电磁干扰、不能存储水位数据等问题；可以实现水库水位实时测量以及水温随深度的分布式实时测量和数据存储，可在无人值守的恶劣环境下实现全天候、长期连续在线监测目的，且可以避免雷电以及电磁干扰，有较好的安全性和稳定性，结构相对简单。此外可以与基于光纤的面板坝位移、渗流等监测装置共用一台光纤解调仪，节省造价。
Description
技术领域
本发明属于水库水位监测技术领域，涉及一种水库水位和水温分布式监测装置及方法。
背景技术
水库水位是水库大坝安全、水利调度、泄洪排涝、蓄水的重要参数之一。在水库蓄水后，水库下层水温较低，水库电站的低温尾水不可避免的会给下游地区人民生产生活、水生物的生存及生态环境造成一定的负面影响。因为实时监测水库水位和水温变化对保障大坝安全运行以及实现水利信息化具有重要意义。
传统的浮标式监测设备具有结构简单，造价低的优点，但是存在无法同时监测水位和水温，需要人力去观察水位刻度并记录，自动化智能化程度低；而一些新型水位监测装置如渗压计，具有安装方便，自动化程度高等优点，但是由于水的密度分布不一，导致其精度不高，并且在恶劣环境下易受雷电以及电磁干扰，导致精度降低；且以上监测装置不具有分布式水温监测功能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种水库水位和水温分布式监测装置及方法，解决了传统设备自动化智能化程度低，需要人工观察，以及新型电类传感器易受雷电以及电磁干扰的问题。并且本发明兼具分布式温度测量功能，具有较高的精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水库水位和水温分布式监测装置，包括监测装置1和采集系统3，监测装置1和采集装置3通过连接光缆2进行连接。
所述采集系统3包括光纤解调仪31、导线32和计算机33，光纤解调仪31通过导线32与计算机33连接。
所述的监测装置1包括光纤11、顶部螺帽12、保护筒13、滤网14、底部螺帽15和连接件16。
所述的光纤11为经过特殊封装的温度增敏型分布式松套光纤，对温度具有较高的敏感性且具有较高的抗拉强度。
所述的顶部螺帽12是不锈钢材质，为设有顶面的圆环结构，圆环结构内侧壁设有内螺纹121，顶部螺帽12顶面中间设有用于穿过光纤11的进纤孔122，顶部除进纤孔122外为封闭状，以防杂物从顶部落入保护筒内。所述顶部螺帽12设于整个分布式监测装置的顶部。
所述的底部螺帽15是不锈钢材质，为设有底面的圆环结构，圆环结构内侧壁设有内螺纹151，所述底部螺帽15底面中心设有出纤孔153，且底部螺帽15底面设有四个扇形镂空区152，作为通水孔，方便监测装置从水中取出。所述底部螺帽15设于整个分布式监测装置的底部。
所述保护筒13为不锈钢材质，为上下开口的圆筒结构，根据实际需要，可以设置一个或多个保护筒结构，延长监测的长度，两个保护筒之间通过连接件16连接。所述单个保护筒的顶部和底部均有外螺纹131，用于与顶部螺帽12的内螺纹121、底部螺帽15的内螺纹151或连接件内螺纹161配合。所述每个保护筒13沿长度方向设置有多个通水孔132，通水孔132沿圆周方向均匀分布，相邻两列沿长度方向交错分布。所述的保护筒13外侧还安装有滤网14。
进一步的，所述连接件16呈圆筒状，其内侧壁设有连接件内螺纹161。所述连接件16可以通过螺纹孔161连接两个保护筒13，从而延长监测长度。
进一步的，所述顶部螺帽12、保护筒13、滤网14、底部螺帽15和连接件16均经过防腐蚀处理。
一种基于上述水库水位和水温分布式监测装置实现的水库水位和水温分布式监测方法，包括以下步骤：
第一步，将光纤11依次穿过顶部螺帽12的进纤孔122、保护筒13、底部螺帽15的出纤孔153，若监测长度较大，可通过连接件16将多个保护筒13连接延长监测长度。
第二步，首先采用环氧树脂胶将底部螺帽15与光纤11粘接牢固，对光纤11进行预拉伸，底部螺帽15设计有四个扇形镂空区域152，作为通水孔，方便装置从水中取出时及时将保护筒13中的水排除，减小阻力，方便维修。然后采用环氧树脂胶将顶部螺帽12与光纤11粘接牢固。最后在保护筒13的外侧安装滤网14，防止杂物进入保护筒13内影响监测精度。
第三步，监测装置制作完成后，将其通过连接光缆2与光纤解调仪31连接，随后再通过导线32将光纤解调仪31与计算机33连接。光纤解调仪31和计算机33共同构成的采集系统3，可通过延长光缆长度将其放置在合适的位置，实现远程监测和数据存储。
第四步，在安装使用之前，首先对上述第一步到第三步组装的系统进行调试，确保能够正常运行。
对于面板坝5：通过固定架4将监测装置1平行于面板51布置，固定于面板51之上，保证监测装置1的底部螺帽15高程在水库的死水位高程以下，保证监测装置1的顶部螺帽12高程与面板坝顶部高程相同。
对于混凝土坝6：将监测装置1通过固定架4竖直固定在混凝土坝6上游，保证监测装置1的底部螺帽15高程在水库的死水位高程以下，保证监测装置1的顶部螺帽12高程与面板坝顶部高程相同。
第五步，安装完成后，在蓄水过程中，库水位逐渐升高，由于库水和空气存在温度差，温度曲线会呈阶梯状变化；利用光在光纤11中传输时，光的振幅、相位、频率、偏振态等随光纤11温度变化而变化的原理，通过光纤解调仪31即可实时将光的参数变化量转化为温度变化量，可实现沿光纤11长度方向分布式温度测量功能；通过算法可计算识别温度阶梯变化的位置即实时的水位，以此可在无人值守的恶劣环境下实现全天候、长期连续监测水位和水温变化的目的，并且不受雷电以及电磁干扰，具有较好的稳定性。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过光纤的温度敏感特性利用光来传递温度信息，不受雷电以及电磁干扰，稳定性好，可在恶劣环境下实现全天候、长期连续在线监测目的。
(2)本发明在监测水位的同时可以分布式监测库水随深度而产生的温度变化。
(3)本发明可以根据实际需要通过连接件将两个保护筒进行固定，延长监测的长度，具有方便拆卸的特点；该装置可以适应多种坝型的库水位监测要求。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中结构剖面示意图；
图3为本发明中顶部螺帽的结构示意图；
图4为本发明中底部螺帽的结构示意图；
图5为本发明中保护筒的结构示意图；
图6为本发明中连接件示意图。
图7为本发明的实施例一的装置布置示意图。
图8为本发明的实施例二的装置布置示意图。
图9为光纤实测温度拟合图。
图中：1测量装置；11光纤；12顶部螺帽；121顶部螺帽内螺纹；122进纤孔；13保护筒；131保护筒外螺纹；132通水孔；14滤网；15底部螺帽；151底部螺母内螺纹；152扇形镂空区；153出纤孔；16连接件；161连接件内螺纹；2连接光缆；3采集系统；31光纤解调仪；32导线；33计算机；4固定架；5面板坝；51面板；6混凝土坝。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
参照图1-7，本发明提供一种技术方案：一种水库水位和水温分布式监测装置，包括监测装置1和采集系统3，所述监测装置1包括光纤11、保护筒13、滤网14、顶部螺帽12、底部螺帽15、连接件16。光纤1的外侧有圆筒状的保护筒13，保护筒13上有均匀分布有通水孔132，保护筒13外侧包裹有滤网14，用以过滤水中的杂质，保护筒13的顶部有顶部螺帽12，两者通过螺纹孔固定，顶部螺帽12的进纤孔122内有光纤1，通过环氧树脂胶进行固定；保护筒13的底部有底部螺帽15，底部螺帽15和保护筒通过螺纹孔进行固定，底部螺帽15中心有出纤孔152，出纤孔153内有光纤1，通过环氧树脂胶进行固定，底部螺帽15底面有四个扇形镂空区152。相邻两个保护筒13用连接件16通过螺纹孔进行固定，以达到延长监测长度的目的。监测装置1通过光缆2与采集系统3连接，具体为，监测装置1通过光缆2与光纤解调仪31进行连接，光纤解调仪31通过导线32与计算机33连接。监测装置1通过固定架4，平行于面板51进行固定。
蓄水后对装置进行标定：首先测得两列数据即沿光纤长度方向的整体温度变化值分布数据，分别记为X和Y，X为光纤长度值，Y为温度变化值，监测装置顶部起始位置记为X0，对应高程为H0，光纤长度值越大，说明此处位置越靠近底部，数据Y有两个较为明显的转折点，对数据分三段进行拟合，第一段S1为水面以上部分，采用直线拟合；第二段S2为过渡部分，位于水面上局部区域，采用多项式拟合；第三段S3为水面下部分，采用多项式拟合，S3即为库水温度变化值分布数据。整体温度变化值数据加上装置顶部温度的基准值可得到沿光纤长度方向分布的实测温度值。拟合之后得到S2和S3的交点对应的X1值为库水水位在光纤上的位置。通过公式计算得到对应的水位高程H1＝H0-(X1-X0)/arcsinα。
实施例2：
参照图1-6和图8，本发明提供一种技术方案：一种水库水位和水温分布式监测装置，包括监测装置1和采集系统3，所述监测装置1包括光纤11、保护筒13、滤网14、顶部螺帽12、底部螺帽15、连接件16。光纤1的外侧有圆筒状的保护筒13，保护筒13上有均匀分布有通水孔132，保护筒13外侧包裹有滤网14，用以过滤水中的杂质，保护筒13的顶部有顶部螺帽12，两者通过螺纹孔固定，顶部螺帽12的进纤孔122内有光纤1，通过环氧树脂胶进行固定；保护筒13的底部有底部螺帽15，底部螺帽15和保护筒通过螺纹孔进行固定，底部螺帽15中心有出纤孔152，出纤孔153内有光纤1，通过环氧树脂胶进行固定，底部螺帽15底面有四个扇形镂空区152。相邻两个保护筒13用连接件16通过螺纹孔进行固定，以达到延长监测长度的目的。监测装置1通过光缆2与采集系统3连接，具体为，监测装置1通过光缆2与光纤解调仪31进行连接，光纤解调仪31通过导线32与计算机33连接。监测装置1通过固定架4，竖直固定于混凝土坝6上。
蓄水后对装置进行标定：首先测得两列数据即沿光纤长度方向的整体温度变化值分布数据，分别记为X和Y，X为光纤长度值，Y为温度变化值，监测装置顶部起始位置记为X0，对应高程为H0，光纤长度值越大，说明此处位置越靠近底部，数据Y有两个较为明显的转折点，对数据分三段进行拟合，第一段S1为水面以上部分，采用直线拟合；第二段S2为过渡部分，位于水面上局部区域，采用多项式拟合；第三段S3为水面下部分，采用多项式拟合，S3即为库水温度变化值分布数据。整体温度变化值数据加上装置顶部温度的基准值可得到沿光纤长度方向分布的实测温度值。拟合之后得到S2和S3的交点对应的X1值为库水水位在光纤上的位置。通过公式计算得到对应的水位高程H1＝H0-(X1-X0)。
本发明的工作原理及使用流程：装置系统安装完成后，水库即可进行蓄水，利用光纤对温度敏感的特性，即光在光纤中传输时，光的振幅、相位、频率、偏振态等随光纤温度变化而变化的原理，利用光来传递库水的温度信息，通过光纤解调仪可以得到沿光纤长度方向的库水温度，然后利用库水和空气之间存在温度差通过算法来识别得到库水位，所采用的分布式光纤具有较高的空间距离分辨率和温度敏感性，可以实现水库水位的高精度实时监测。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种水库水位和水温分布式监测装置，其特征在于，所述的分布式监测装置包括监测装置(1)和采集系统(3)，监测装置(1)和采集装置(3)通过连接光缆(2)进行连接；
所述采集系统(3)包括光纤解调仪(31)、导线(32)和计算机(33)，光纤解调仪(31)通过导线(32)与计算机(33)连接；
所述的监测装置(1)包括光纤(11)、顶部螺帽(12)、保护筒(13)、滤网(14)、底部螺帽(15)和连接件(16)；
所述的光纤(11)为温度增敏型分布式松套光纤；
所述的顶部螺帽(12)是不锈钢材质，为设有顶面的圆环结构，圆环结构内侧壁设有内螺纹(121)，顶部螺帽(12)顶面中间设有用于穿过光纤(11)的进纤孔(122)，顶部除进纤孔(122)外为封闭状，以防杂物从顶部落入保护筒内；所述顶部螺帽(12)设于整个分布式监测装置的顶部；
所述的底部螺帽(15)是不锈钢材质，为设有底面的圆环结构，圆环结构内侧壁设有内螺纹(151)，所述底部螺帽(15)底面中心设有出纤孔(153)，且底部螺帽(15)底面设有四个扇形镂空区(152)，作为通水孔，方便监测装置从水中取出；所述底部螺帽(15)设于整个分布式监测装置的底部；
所述保护筒(13)为不锈钢材质，为上下开口的圆筒结构，根据实际需要，可以设置一个或多个保护筒结构，延长监测的长度，两个保护筒之间通过连接件(16)连接；所述单个保护筒的顶部和底部均有外螺纹(131)，用于与顶部螺帽(12)的内螺纹(121)、底部螺帽(15)的内螺纹(151)或连接件内螺纹(161)配合；所述每个保护筒(13)沿长度方向设置有多个通水孔(132)。
2.根据权利要求1所述的一种水库水位和水温分布式监测装置，其特征在于，所述的保护筒(13)外侧还安装有滤网(14)。
3.根据权利要求1所述的一种水库水位和水温分布式监测装置，其特征在于，所述连接件(16)呈圆筒状，其内侧壁设有连接件内螺纹(161)。
4.根据权利要求1所述的一种水库水位和水温分布式监测装置，其特征在于，所述顶部螺帽(12)、保护筒(13)、滤网(14)、底部螺帽(15)和连接件(16)均经过防腐蚀处理。
5.一种基于权利要求1-4任一所述的水库水位和水温分布式监测装置实现的水库水位和水温分布式监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将光纤(11)依次穿过顶部螺帽(12)的进纤孔(122)、保护筒(13)、底部螺帽(15)的出纤孔(153)，若监测长度较大，可通过连接件(16)将多个保护筒(13)连接延长监测长度；
第二步，首先采用环氧树脂胶将底部螺帽(15)与光纤(11)粘接牢固，并对光纤(11)进行预拉伸；再采用环氧树脂胶将顶部螺帽(12)与光纤(11)粘接牢固；最后在保护筒(13)的外侧安装滤网(14)，防止杂物进入保护筒(13)内影响监测精度；
第三步，监测装置制作完成后，将其通过连接光缆(2)与光纤解调仪(31)连接，随后再通过导线(32)将光纤解调仪(31)与计算机(33)连接；光纤解调仪(31)和计算机(33)共同构成的采集系统(3)，可通过延长光缆长度将其放置在合适的位置，实现远程监测和数据存储；
第四步，在安装使用之前，首先对上述第一步到第三步组装的系统进行调试，确保能够正常运行；对于面板坝(5)：通过固定架(4)将监测装置(1)平行于面板(51)布置，固定于面板(51)之上，保证监测装置(1)的底部螺帽(15)高程在水库的死水位高程以下，保证监测装置(1)的顶部螺帽(12)高程与面板坝顶部高程相同；对于混凝土坝(6)：将监测装置(1)通过固定架(4)竖直固定在混凝土坝(6)上游，保证监测装置(1)的底部螺帽(15)高程在水库的死水位高程以下，保证监测装置(1)的顶部螺帽(12)高程与面板坝顶部高程相同；
第五步，安装完成后，在蓄水过程中，库水位逐渐升高，由于库水和空气存在温度差，温度曲线会呈阶梯状变化；通过光纤解调仪(31)将光的参数变化量转化为温度变化量，进而实现沿光纤(11)长度方向分布式温度测量功能，通过算法计算识别温度阶梯变化的位置即得到实时水位，以此可在无人值守的恶劣环境下实现全天候、长期连续监测水位和水温变化的目的，并且不受雷电以及电磁干扰。
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