CN115633273A - 一种基于水体流动的水力多要素监测设备 - Google Patents

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赵轶琳
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白涛
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Abstract

一种基于水体流动的水力多要素监测设备，从外至内分别是外壳及内设的缓冲泡沫圈；缓冲泡沫圈内设有集成电路板；集成电路板与下方的电池电连接；集成电路板上侧设有O型橡胶密封圈；流速传感器、波浪传感器、水温传感器分别与集成电路板上设有的RS‑422接口、RS‑232接口、SPI接口连接；LoRa无线通信模块连接在集成电路板上的IPEX接口上；外壳底部设有锚；本设备利用浮力和水流所施加的推动力作为设备驱动力，无需内置动力装置，实现超长时间、超远巡航、非定点、多要素作业。

Description

一种基于水体流动的水力多要素监测设备
技术领域
本发明属于检测设备技术领域，具体涉及一种基于水体流动的水力多要素监测设备。
背景技术
自新中国成立以来，全国已建堤防29万公里，水库从之前的1200多座增加到8.72万座，总库容从约200亿立方米增加到7064亿立方米，调蓄能力不断提高。截至目前，全国已建成各类水库9.8万多座、总库容8983亿立方米，各类河流堤防43万公里，开辟国家蓄滞洪区98处、容积达1067亿立方米，基本建成了江河防洪、城乡供水、农田灌溉等水利基础设施体系。但是，我国水利设施仍较为薄弱，其中水库病险率较高的问题尤为突出。我国大型病险水库约80座，中型病险水库约470座，小型病险水库约1.88万座。因此开展工程检测诊断及除险加固工作刻不容缓。
目前，为开展工程检测诊断及除险加固工作已建立40多家“工程医院”，但面对工程数量多、问题复杂、诊断需迅速等难题，工程医院体系的检测、治疗设备捉襟见肘，特别是对于特定的复杂工程缺乏全生命周期、多要素、实时监测数据，导致病险情缺乏前期的数据积累，难以确诊。
尤其针对水工隧洞高埋深、超长距离、洞径变化多等复杂的全生命周期、多要素、实时监测等关键问题，以及在无通讯与定位信号、流速大且水位变幅剧烈、无法人为巡检的区域，亟需开发一套满足复杂水工隧洞全程体检与监测的自动化、一体式设备，代替人工全洞室巡检，及时发现水工隧洞在运行过程中的病情、险情，为专家团队提供全方位、多要素的监测数据，通过专家团队的综合诊断和科学治疗恢复水工隧洞的安全运行，从而提高工程的运行效率，延长工程的使用寿命。
根据调查，市面上存在的水文要素勘测设备大都运用于大江大河，应用范围单一，仅在有信号区域适用，对于无信号区域仍较为空白；其次，测量设备功能单一，仅可测量水温、波浪和水质等单一水力要素，对于多种要素的实时监测尚不完备；另外，针对具体的实施方式，已拥有的测量设备多为定点静态测量，便携性差，需人工手动监测，成本及使用代价过大。以水下机器人和传统定位浮标为例，水下机器人可以深入地下管道以超0.5米/秒的速度在-30摄氏度到50摄氏度的环境中工作，判断管道泄漏点，检测管道内部是否存在破裂、变形等问题，但其价格昂贵且体积庞大，难以大规模量产，且在一些复杂工程如超长距离的引水隧洞中仍存在着续航问题，难以完成水工隧洞全程巡检的任务；而传统定位浮标搭载了流速传感器及温度传感器，通过卫星传输其采集的定点数据，应用于海洋洋流研究、海洋观测及搜救示踪等领域，但其仅适用于开敞的水域环境，适用范围受限，在高埋深的输水隧洞、地下涵管等弱信号区域无法传输实时数据。因此，无法对弱信号水域进行监测以及无法高效率传输实时数据的通信技术一直是制约水下装备技术发展的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于水体流动的水力多要素监测设备，主要攻克了无通讯定位信号、流速大且水位变幅剧烈、无法人为巡检的工程隧洞及有压管道等环境的监测难题，同时也完善了对其他水域各种水力要素数据监测的技术体系。
为实现以上目的，本申请采用如下技术方案：
一种基于水体流动的水力多要素监测设备，包括有外壳，外壳内设有缓冲泡沫圈；缓冲泡沫圈内设有集成电路板；集成电路板与下方的电池电连接；集成电路板上侧设有O型橡胶密封圈；流速传感器、波浪传感器、水温传感器分别与集成电路板上设有的RS-422接口、RS-232接口、SPI接口连接；外壳底部设有锚。
所述的电池采用D-Cell电池组，其电池座由黑色聚丙烯制成。
所述的外壳形状为圆形飞碟状，其尺寸为790毫米×790毫米×790毫米-810毫米×810毫米×810毫米；外壳采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。
所述的流速传感器通过介质流动的流量大小进行判断，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量流速的大小。
所述的波浪传感器通过数字式姿态补偿算法代替传统的三轴稳定仪或机械式长平架，采用周期图法计算波浪功率谱。
所述的水温传感器由负温度系数热敏电阻构成；冷却液温度的变化引起电阻值的变化，当水温越低电阻值越大，水温越高电阻值越小，系统根据接收到的电压值来计算当前的水温。
所述的LoRa无线通信模块内置2.4G射频收发模块，在经过外界无线电终端设备所覆盖的无线范围时，会自启动设备内部与外界无线电终端设备之间的通讯协议，实现高效率传输实时数据。
本发明的有益效果是：
1)本发明由于配有可充电式D-Cell电池组，能实现超长时间、超远距离代人工巡检，所以该设备通过对工程设施(隧洞、库区、涵管、港口等)水力要素的测量，使工程问题“早发现，早应对”，延长工程使用寿命，可协助完成全部现有病险水库除险加固任务。
2)本发明由于配有流速、波浪及水温等多个传感器，所以可监测多方面水域水力要素具体数值，监测结果经分析后对洪水、台风等极端水灾害起预警作用，为汛时人员转移争取时间，有效降低人员财产损失。
3)本发明由于设有远距离无线电及高精度定位装置，所以该设备可在无/弱信号水域进行监测，并具有能够高效率传输实时数据的通信技术，为现代水下监测设备在无通信区域作业提供较好的信号传输方式。
4)本发明由于采用实时传输数据的通讯协议，可随时查看并分析实测数据，将由监测获得的数据建立工程数模或物模，能为各大科学院所及高校教育单位提供设备基础。功能强大的设备也是学生将理论与实际相结合的基石，通过利用实测数据与模拟数据相互对照、验证，加强产学研深度触合，促进科技成果转化。
5)本发明提供了一种驱动无能耗的水利工程、河道、海洋、湖泊等多水域的监测设备；具有无能耗驱动的运行特点，由于壳体外形为飞碟状的设计特点，所以可根据设备外观为飞碟状的设计特点，将浮力和水流所施加的推动力作为设备驱动力，致使设备在移动式巡航时无需再内置动力装置，从而实现超长时间、超远巡航、非定点、多要素作业。
6)本发明提供了一种应用于无通信区域的信息传递与精准定位技术；首先在无信号的隧洞内部上方间隔2千米布置一个由LoRa(远距离无线电)终端设备和UWB(超宽带)技术组成的磁标，当投入使用的设备经过磁标的范围内时，磁标内部的LoRa(远距离无线电)终端设备会自动启动内部的通讯协议，接收设备内部所监测的数据，然后利用磁标与磁标之间相互的LoRa(远距离无线电)通讯协议进行数据传输，进而将所监测数据通过信号传输装置发送给中控系统，最后储存在数据储存终端，供后续进行数据模拟与分析，以此来实现无通信区域的信息传递。
所述磁标沿隧洞延伸方向根据隧洞断面情况可不等间距布设在隧洞内壁上方。
所述中控系统可根据相邻磁标之间传输实时数据的时间差及其已知距离，并利用UWB(超宽带)技术实现对设备的高精度定位，最后凭借设备随水流运动的位置变化，实现对其速度的测定，以此来解决高埋深、无信号区域难以定位、信号难以传输的“卡脖子”技术难题。
7)本发明提供了一种数字加密方式。通过搭建用户专有平台，对检测水域进行水力、水温等多要素数据监测，可使用户利用已授权的密钥登录查看设备对所测区域的实时检测数据，供用户进行后续水文模型、生态水文模型及水动力模型的建立、校验及参数率定。同时，利用数据加密技术，对所监测的数据进行加密函数转换变为无意义的密文，并利用动态口令技术，使得已绑定身份信息的用户可进入专属下载通道，下载所需要的数据，以此实现数据-用户的双重加密，从而保证本发明数据及客户资料的安全。
本发明用于实时监测水库库区、港口码头、河流湖泊等多种水体的波浪、流速与水温等水力数据变化，后并入时间序列，可绘制其相应的四维流场及温度场，提高测量维度与精度。本发明基于水动力场工作，驱动耗能低，无巡检里程限制，突破了传统数据传输的限制。
附图说明
图1为本发明的爆炸结构示意图。
图2为本发明在无/弱信号水域的运行原理框图。
图3为本发明尖端技术中多设备协作监测示意图。
图中：1-外壳，2-缓冲泡沫圈，3-集成电路板，4-电池，5-O型橡胶密封圈，6-锚，7-流速传感器，8-波浪传感器，9-水温传感器，10-LoRa无线通信模块。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。
一种基于水体流动的水力多要素监测设备，从外至内分别是外壳1及内设的缓冲泡沫圈2；缓冲泡沫圈2内设有集成电路板3；集成电路板3与下方的电池4电连接；集成电路板3上侧设有O型橡胶密封圈5；其中流速传感器7、波浪传感器8、水温传感器9分别与集成电路板上设有的RS-422接口、RS-232接口、SPI接口连接；LoRa无线通信模块10连接在集成电路板上的IPEX接口上；外壳底部设有锚6。
所述的电池采用D-Cell电池组，其电池座由黑色聚丙烯制成。
所述的流速传感器通过介质流动的流量大小进行判断，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量流速的大小。
所述的波浪传感器通过数字式姿态补偿算法代替传统的三轴稳定仪或机械式长平架，采用周期图法计算波浪功率谱。
所述的水温传感器由负温度系数热敏电阻构成；冷却液温度的变化引起电阻值的变化，当水温越低电阻值越大，水温越高电阻值越小，系统根据接收到的电压值来计算当前的水温。
所述的LoRa无线通信模块内置2.4G射频收发模块，在经过外界无线电终端设备所覆盖的无线范围时，会自启动设备内部与外界无线电终端设备之间的通讯协议，实现高效率传输实时数据。应用于无/弱信号区域，将安装由LoRa(远距离无线电)终端设备和UWB(超宽带)技术组成的磁标来对设备进行数据传输及高精度定位。
本发明的工作原理是：
1)应用于河流湖泊、水库、海洋等开放式水域
打开开关后，将已设置监测时间间隔的设备投入到上述开放式水域，在随水流运动的过程中，缓冲泡沫圈用于防止设备发生碰撞导致内部精密仪器的损坏，O型橡胶密封圈防止设备发生渗漏水导致内部电路损坏，电池给设备进行持续供电，外壳底部设立的锚是防止水域因波浪过大发生侧翻，集成电路板则控制波浪传感器、流速传感器及温度传感器按照规定的时间间隔进行监测，每一次监测完毕后，依靠固定的卫星通讯网定位并将观测到的各种参数数据传回地面接收站，数据经计算机处理后提供给用户。
2)应用于工程隧洞、有压管道等无/弱信号水域
由于该监测环境处于无/弱信号水域，则需提前在隧洞顶部安装带有LoRa(远距离无线电)终端设备和UWB(超宽带)技术组成的磁标，设备内部仪器运作方式与开放式水域相同。与其不同的是，投入使用的设备经过磁标的范围内时，磁标内部的LoRa(远距离无线电)终端设备会自动启动内部的通讯协议，接收设备内部所监测的数据，然后利用磁标与磁标之间相互的LoRa(远距离无线电)通讯协议进行数据传输，进而将所监测数据通过信号传输装置发送给中控系统，最后储存在数据储存终端，供用户后续下载进行数据模拟与分析，在无/弱信号水域的运行原理框图详见附图2。
所述的外壳形状类似飞碟状，其尺寸为790毫米×790毫米×790毫米-810毫米×810毫米×810毫米；外壳采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。
由于外壳采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(Acrylonitrile Butadiene Styrene，即ABS树脂材料)，具有良好的抗冲击性，在高速流动的水流中能保证内部精密仪器及电路发生碰撞时不受损坏，同样也具有耐热、耐低温的优良性能，在-20摄氏度到70摄氏度中都可放心使用。
所述D-Cell电池座由黑色聚丙烯制成，具有良好的刚度，是一种耐热型均聚物，采用标准碱性电池时，电池座可容纳六节输出为9V的串联D-cell电池。
所述的流速传感器通过介质流动的流量大小进行判断，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量流速的大小。
所述的波浪传感器通过数字式姿态补偿算法代替传统的三轴稳定仪或机械式长平架，采用周期图法计算波浪功率谱。
所述的水温传感器由负温度系数热敏电阻构成，冷却液温度的变化引起电阻值的变化，当水温越低电阻值越大，水温越高电阻值越小，系统根据接收到的电压值来计算当前的水温。
本发明提供一种自动化、一体式，既可应用于水利工程、海洋与近海工程全程体检与监测，亦可用于河道湖泊、水库库区与工程隧洞的水力、水温等多要素监测的新型设备。如图一所示，该产品外型为800×800×800±10毫米的飞碟状，重量约为4±0.5千克。外壳主要采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(Acrylonitrile Butadiene Styrene，即ABS树脂材料)，具有良好的抗冲击能力，同样也具有耐热、耐低温的优良性能，在-20摄氏度到70摄氏度中都可放心使用。
本实施例内部搭载了信号接收器、电池组以及各种传感器。如图二所示，设备内部由集成电路板、流速传感器、波浪传感器、水温传感器、D-Cell电池组组成，具有强大的监测能力。
本实施例具有多设备协作测量的尖端技术，因单个设备内置一种具有高分辨率、高坚固性和成本效益的条带测深系统(即300多波束回声测深仪)，其通过一系列非常窄的声束可精确绘制海底、内陆河道和水库的地图，同时与具有宽带声学扩频技术的复杂水声调制解调器系统、USBL跟踪系统以及实时记录多普勒速度日志等功能集成使用。该集成系统可与引水隧洞中的监测定位系统相互协调，从而构建水声通信网络一体化。且由于体积小、成本低，可以多个设备同时协调工作，以达到从单点水力要素到流线连续水力要素和水体表面整体水力要素的测量，形成“点-线-面-体”的联动，其多设备协作监测示意图详见附图3。
本实施例具有可在无通信区域进行短波传输数据的尖端技术，在使用该设备进行隧洞检测时，电磁感应识别装置与磁标产生的电磁感应强度相互作用，进而将所监测数据通过信号传输装置发送给中控系统，最后储存在数据储存终端，供后续进行数据模拟与分析，以此来实现无通信区域的信息传递。根据中控系统接收相邻磁标电磁感应信号的发送时间差和相邻磁标之间的已知距离，计算监测设备的行进速度，并根据行进速度实时校准监测设备的位置。
本发明既可应用于水利工程、海洋与近海工程全程体检与监测，亦可用于河流湖泊的水力、水温等多要素监测。在水利工程应用方面，即水库库区、工程隧洞及有压管道方面。
所述水库库区方面，可测得库区水的蒸发情况，利于实时监测水位的变化，同时可以测水库的二维流场及泥沙淤积量，便于及时清理淤泥，改善水质，为随时满足用水部门的要求做好准备。
所述工程隧洞及有压管道方面，可监测隧洞内部流量、湿周、水力半径、流场等水力要素，并精确判断隧洞内部渗漏、涌水等位置，既确保埋距深的情况下信号依旧可以准确传输，检测隧洞中存在的问题；又可在有压管道中，利用材料抗压防撞能力强，得出基本的水文数据，发现问题及时处理，确保工程良好运行。
本设备可应用于海洋与近海工程方面，即码头、港口以及海岸建设方面，可监测泥沙淤积状态，观测水位变化，测得周边洋流场，提供安全建设数据。
本设备可应用于在河流湖泊方面，通过不等历时连续投放多个设备，形成“点-线-面-体”的全要素数据监测，测得流速、流场、水温、温度场等要素，全方位的了解所测河流的基本概况以及生态环境。
本设备既可应用于多水体的定点监测，亦可用于具有梯度的河流湖泊、水库等多要素的不定点监测。
所述应用于多水体的定点监测方面，可以将设备固定在水利工程、海洋与近海工程及河流湖泊等多水体的单一位置，以此来测量具体单点的水力、水温等多要素数据。
所述应用于具有梯度的河流湖泊、水库等多要素不定点监测方面，即通过利用水体的高程差，使设备跟随水体自上而下流动并监测，以此实现不定点、多要素、全周期数据的实时监测。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性，并不能限制本申请。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
当理解,本申请的部分步骤中可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。
此外，在本申请各个实施方面中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
尽管上面已经展示和描述了本申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于水体流动的水力多要素监测设备，其组成包括：外壳(1)，外壳内设有缓冲泡沫圈(2)；缓冲泡沫圈(2)内设有集成电路板(3)；集成电路板(3)与下方的电池(4)电连接；集成电路板(3)上侧设有O型橡胶密封圈(5)；流速传感器(7)、波浪传感器(8)、水温传感器(9)分别与集成电路板上的RS-422接口、RS-232接口、SPI接口连接；LoRa无线通信模块(10)连接在集成电路板上的IPEX接口上；外壳底部设有锚(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于水体流动的水力多要素监测设备，其特征在于，所述的外壳形状为圆形飞碟状，其尺寸为790毫米×790毫米×790毫米-810毫米×810毫米×810毫米；外壳采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。
3.根据权利要求1所述的一种基于水体流动的水力多要素监测设备，其特征在于，所述的电池采用D-Cell电池组，其电池座由黑色聚丙烯制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于水体流动的水力多要素监测设备，其特征在于，所述的流速传感器通过介质流动的流量大小进行判断，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量流速的大小。
5.根据权利要求1所述的一种基于水体流动的水力多要素监测设备，其特征在于，所述的波浪传感器通过数字式姿态补偿算法代替传统的三轴稳定仪或机械式长平架，采用周期图法计算波浪功率谱。
6.根据权利要求1所述的一种基于水体流动的水力多要素监测设备，其特征在于，所述的水温传感器由负温度系数热敏电阻构成。
7.根据权利要求1所述的一种基于水体流动的水力多要素监测设备，其特征在于，所述的LoRa无线通信模块内置2.4G射频收发模块，在经过外界无线电终端设备所覆盖的无线范围时，自启动设备内部与外界无线电终端设备之间的通讯协议，实现高效率传输实时数据。
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