CN217212670U

CN217212670U - 一种多监测井水位水质在线监测装置

Info

Publication number: CN217212670U
Application number: CN202220914363.6U
Authority: CN
Inventors: 陶小虎; 朱春芳; 檀梦皎; 许乃政; 龚建师; 王赫生; 周锴锷; 李亮; 叶永红
Original assignee: Nanjing Geological Survey Center Of China Geological Survey East China Geological Science And Technology Innovation Center
Current assignee: Nanjing Geological Survey Center Of China Geological Survey East China Geological Science And Technology Innovation Center
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2032-04-20

Abstract

本实用新型公开了一种多监测井水位水质在线监测装置，适用于单一监测井、丛式监测井、巢式监测井的水位水质监测。本实用新型可配有一套水质传感器组、多套水温水位传感器，能够根据特定需求，对地下水进行水温、水位监测。本实用新型能够对监测井分别进行洗井工作，促进相应层位地下水的流通，并分别从监测井中抽水进行水质监测，从而保证了水质监测数据的准确性，提高水质监测仪器的使用效率。水质传感器安置于地面保护箱中，不需要长期浸泡于水中，并配有检测后清洗装置，增长了水质监测仪器使用寿命和使用效率。从而降低了多监测井区域的地下水水位水质监测投入成本，现场采用更加简易方便，在节约人力成本的同时提高采样效率。

Description

一种多监测井水位水质在线监测装置

技术领域

本实用新型公开了一种多监测井水位水质在线监测装置，涉及水文地质环境监测技术领域。

背景技术

野外水文地质环境监测井位置往往比较偏僻，附近缺少供电或者网络设施，为地下水环境的监测增加了难度，特别是对于丛式或者巢式监测井，监测目标比较单一，如只单独进行水位或者水温的监测，或者由于投入较大，只选择部分监测井中安装昂贵的投入式水质监测设备，且监测井长时间无清洗，滞水时间较长，往往造成地下水环境监测数据失真，例如DO偏高，EC偏低等。因此亟需设计一套能够解决野外丛式或者巢式监测井地下水水位水质监测资金投入和监测数据准确性问题，针对多个地下水监测井进行水文地质环境监测的装置。

实用新型内容

本实用新型针对上述背景技术中的缺陷，提供一种多监测井水位水质在线监测装置，结构简易，方便现场采用，提高传感器使用效率和监测数据准确性，降低设备投入成本。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：一种多监测井水位水质在线监测装置，包括：供电单元，以及与供电单元连接的数据采集及控制单元、滞水清洗单元、监测单元、清洗单元和数据通讯单元；

所述供电单元用于装置供电；

所述数据采集及控制单元包括：处理器、模数转换器、继电器组；用于采集监测数据和控制装置动作；

所述滞水清洗单元包括：储水水箱和潜水泵，储水水箱设置于监测井外，潜水泵设置于监测井内，储水水箱和监测井之间通过潜水泵连接，所述处理器通过继电器组连接潜水泵；

所述监测单元包括：测试水箱、安装在测试水箱内的水质传感器组、测试水箱外的红外液位传感器、安装在若干个监测井内的水温水位传感器，测试水箱与储水水箱之间设置测试蠕动泵；所述水质传感器组用于检测抽至测试水箱的监测井的水质数据，所述的水温水位传感器用于测量监测井内水温水位数据；所述红外液位传感器用于监测测试水箱中的液位；测试水箱与储水水箱均设置在保护箱中；

所述清洗单元包括：纯净水水箱、清洗蠕动泵，纯净水水箱内清洗水通过清洗蠕动泵输入至测试水箱，用于测试水箱水质检测后的清洗；

所述数据通讯单元包括物联网网关，所述物联网网关的网络端口连接处理器。

进一步的，所述供电单元包括太阳能电池板、蓄电池、与太阳能电池板连接的太阳能控制器，所述太阳能电池板和太阳能控制器与蓄电池之间设有充电回路；所述太阳能电池板与蓄电池的输出端连接电源转换器，电源转换器输出装置工作所需电源，装置工作所需电源包括5V直流电源、24V直流电源、220V交流电源；所述太阳能电池板通过与蓄电池的输出电压为24V，所述电源转换器包括：24V直流转220V交流电逆变器、24V降5V直流转换器；所述24V降5V直流转换器向处理器供电，24V直流转220V交流电逆变器向交流继电器模组供电。

进一步的，所述继电器组包括：直流继电器模组和交流继电器模组，所述处理器通过交流继电器控制潜水泵，通过直流继电器模组控制模数转换器、散热风扇、搅动模块、清洗蠕动泵、测试蠕动泵和电磁阀，电磁阀用于控制储水水箱内部的蓄水。搅动模块设置于测试水箱内，用于搅动清洗测试水箱；

所述模数转换器为串行，所述模数转换器与监测单元、直流继电器模组串联连接；

所述模数转换器采集水温水位传感器的数据、水质传感器组的数据、红外液位传感器的数据、电压检测传感器，所述电压检测传感器监控太阳能供电单元电压。

进一步的，所述监测装置还包括：保护单元，所述保护单元包括：安装在供电单元上方的避雷针，位于地面、能够容纳各单元电路和监测单元的保护箱，以及设置在保护箱内侧的散热风扇，处理器通过继电器组连接散热风扇的控制端。

进一步的，所述水质传感器组包括温度传感器、PH传感器、浊度传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、叶绿素传感器中的任意一种或任意组合，其中温度传感器可用于其他传感器的温度补偿计算。

进一步的，所述的测试水箱高于储水水箱，所述测试水箱底部设置流通口和溢流口，进出水共用流通口，且流通口处于测试水箱底部最低位置，以便于水的排出；所述测试水箱顶板在溢流口侧略高，另一侧位置略低，以便于进水时排出水箱中的空气；所述储水水箱上部设置进水口，底部设置排水口和溢流口，且排水口处于储水水箱底部最低位置；所述储水水箱顶板在溢流口侧略高，另一侧位置略低，以便于进水时排出水箱中的空气。

进一步的，所述处理器为树莓派微型电脑。

进一步的，所述监测单元包括：温度传感器，温度传感器与处理器相连接，温度传感器设置在保护箱内，用于监测保护箱内的温度监测，处理器可通过保护箱内部温度判断是否开启散热风扇。

有益效果：1.本实用新型可根据程序设定以及特定需求对单一监测井、丛式监测井、巢式监测井地下水监测井进行水温、水位、水质智能监测、滞水清洗，多监测井共用一套水质传感器组，提高了水质传感器组的使用效率，降低了监测成本，同时，水质传感器组安置于地面以上，不需要长期浸泡于水中，增加了水质传感器组的使用寿命。

2.本实用新型能够促进监测井中地下水的流通，从而保证了水质监测数据的准确性，解决了地下水环境监测井因长时间滞水导致的采样不具代表性问题，并使得现场使用更加简易方便，节约人力成本，提高采样效率；

3. 本实用新型所述的测试水箱高于储水水箱，所述测试水箱底部设置流通口和溢流口，进出水共用流通口，且流通口位于底板最低位置，顶板采用倾斜设计；所述储水水箱上部设置进水口，底部设置排水口和溢流口，且排水口位于底板最低位置，顶板采用倾斜设计；能够有效减少目标水体与空气的接触，提高水质检测的准确性。

4.本实用新型带有测试水箱和水质传感器组的清洗功能，减小了地下水水质对水质传感器的影响。

5.本实用新型通过物联网网关，保证数据通讯的通畅性以及数据中心远程控制树莓派微型电脑的可靠性；使用电源转换器，满足野外电源需求；设置保护单元，保障系统正常运行；本实用新型提供的装置采用单元模块化设计，根据需要易于安装和维护。

附图说明

图1是本实用新型实施例一种多监测井水位水质在线监测装置的示意图；

图2是本实用新型实施例各单元电路水路信号线示意图；

图3是本实用新型实施例不锈钢保护箱内各模块分布示意图；

图4是本实用新型实施例测试水箱结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1~4所示一种实施例，提供了一种多监测井水位水质在线监测装置的示意图，为三个不同含水层层位的监测井（1#监测井、2#监测井、3#监测井）监测相应的水位水质。本实用新型的多监测井水位水质在线监测装置包括：供电单元、数据采集及控制单元、监测单元、滞水清洗单元、数据通讯单元和保护单元，

所述供电单元包括：太阳能电池板1-1、支架1-2、太阳能控制器1-3、蓄电池1-4、24V降5V直流转换器1-5、24V直流转220V交流电逆变器1-6；太阳能电池板1-1规格为36V300W，通过支架1-2安装于光线充足的区域，按照所处纬度调整最佳倾角；蓄电池1-4采用锂电池，规格为24V 100Ah，保证潜水泵4-1正常工作2小时以上。

其中，太阳能供电单元可提供5V直流电、24V直流电和220V交流电，通过电线连接太阳能控制器1-3提供24V电源，通过电线连接锂电池（24V 100Ah），并连接24V降5V直流转换器、24V直流转220V交流电逆变器，太阳能电池板1-1的电能可用于锂电池充电，也可直接用于系统运行。

数据采集及控制单元包括树莓派微型电脑2-1、直流继电器模组2-2、模数转换器2-3、交流继电器模组2-4、控制器2-5；

树莓派微型电脑2-1选择较先进的Raspberry Pi 4（64位1.5GHz四核处理器、2GDDR4、64G TF存储卡），树莓派微型电脑2-1连接太阳能供电单元5V电源；树莓派微型电脑2-1通过杜邦线连接直流继电器模组2-2、模数转换器2-3、交流继电器模组2-4、控制器2-5；设置树莓派微型电脑程序，水温水位监测频率和滞水清洗频率可高于水质检测频率；

直流继电器模组2-2用电线与24V电源相连，交流继电器模组2-4用电线与220V交流电源相连；

模数转换器2-3采用16通道规格，采用电线与直流继电器模组2-2相连，并采用杜邦线与树莓派微型电脑2-1相连，以实现数据通信；控制器2-5用电线连接直流继电器模组2-2；

数据采集及控制单元提供外接便携式触控显示器接口，可供现场检测和采样人员使用。

监测单元包括：水质传感器组3-1、1#监测井水温水位传感器3-2-1、2#监测井水温水位传感器3-2-2、3#监测井水温水位传感器3-2-3、红外液位传感器3-3、搅动模块3-4、清洗蠕动泵3-5、纯净水水箱3-6、测试水箱3-7、温度传感器3-8、电压检测传感器3-9、测试蠕动泵3-10；

水位传感器、水位水质传感器组输出信号为4~24mA电流信号；树莓派微型电脑在各传感器达到稳定状态后，读取各传感器数值，保存于树莓派微型电脑2-1中TF卡上，并向数据中心上传数据；一次数据采集后，关闭除树莓派微型电脑和物联网关模块外的电子设备，以节约电能和延长各传感器的使用寿命；

温度传感器3-8采用DS18B20数字温度传感器，测量范围为-55℃~125℃，温度传感器3-8直接连接树莓派微型电脑2-1，用于测量不锈钢保护箱6-1内温度，树莓派微型电脑2-1根据温度传感器3-8的数值控制散热风扇6-2的开启。

本实例中水质传感器组3-1包括：温度传感器、PH传感器、浊度传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器、溶解氧传感器，水质传感器安装于测试水箱顶板的传感器安装孔上3-7-1，探头部分都位于测试水箱3-7中，自动采集和记录地下水水温、电导率、PH值、氧化还原电位、溶解氧数据等。

1#监测井水位传感器3-2-1、2#监测井水位传感器3-2-2、3#监测井水位传感器3-2-3分别位于三个监测井中，为原位监测。

红外液位传感器3-3安装于测试水箱外侧，利用红外线监测测试水箱中的液位，当红外液位传感器3-3未检测到液位时，禁止启动水质传感器组3-1。

每一传感器分别与直流继电器模组2-2、模数转换器2-3的端口串联；测试蠕动泵3-10采用电线连接控制器2-5，由微处理器控制正转和反转；测试蠕动泵3-10通过水管连接测试水箱的底部，通过水管连接储水水箱4-4，可将储水水箱4-4中的地下水抽至测试水箱3-7，亦可将测试水箱3-7的水抽至储水水箱4-4，并由储水水箱4-4排出；测试蠕动泵3-10从储水水箱4-4中抽取地下水从流通口3-7-4进入测试水箱，测试水箱3-7中水体逐步抬高，排出测试水箱3-7中的空气，最后水体通过溢流板3-7-2和溢流口3-7-3流出；持续测试蠕动泵运转，使得水体溢流一段时间（本实例为2分钟），确保测试水箱3-7中的水体不与空气接触或者少接触；测试水箱中水体准备完备后，启动水质传感器组3-1，保持2~5分钟（具体以传感器最长稳定时间而定），记录数据，测试结束后，关闭水质传感器组3-1，测试蠕动泵反转将测试水箱中的水抽至储水水箱4-4。

搅动模块3-4采用电线与直流继电器模组2-2相连，通过微处理器程序控制搅动模块3-4的开启；清洗蠕动泵3-5采用电线与直流继电器模组2-2相连，用水管分别连接纯净水水箱3-6和测试水箱3-7；

测试水箱3-7为有机透明玻璃材料制造，容积为2L，顶板和底板溢流侧略高于进出水侧，为菱形截面；储水水箱4-4为塑料材料制造，容积为100L，顶板和底板溢流侧略高与电磁阀排水侧，为菱形截面；

每次水质检测完备后，可由清洗蠕动泵3-5从纯净水水箱3-6中定量抽取纯净水至测试水箱中，并开启搅动模块3-4进行搅动清洗测试水箱和水质传感器；测试蠕动泵反转将测试水箱中的清洗用的水抽至储水水箱4-4排出，此过程可以清洗测试蠕动泵3-5连接的水管。

温度传感器3-8直接连接树莓派微型电脑2-1，并由主板供电，监测不锈钢保护箱6-1内的温度；电压检测传感器3-9通过电线连接锂电池，通过杜邦线连接模数转换器2-3数据通道；电压检测传感器3-9用于监控太阳能供电单元电压，当电压较低时，为保证监测系统的正常运行，禁止执行滞水清洗程序，并向数据中心发送警报。

滞水清洗单元包括：1#监测井潜水泵4-1-1、2#监测井潜水泵4-1-2、3#监测井潜水泵4-1-3、1#监测井不锈钢绳4-2-1、2#监测井不锈钢绳4-2-2、3#监测井不锈钢绳4-2-3、电磁阀4-3、储水水箱4-4。其中，不锈钢丝绳4-2-1、4-2-2、4-2-3为3mm规格，一端系潜水泵，另一端系在井口位置并固定。潜水泵规格为220V 850W，扬程70m，流量4m³/h，直径100mm，通过电线连接太阳能供电单元220V交流电源。潜水泵的出水管以上进水方式置于储水水箱4-4内。电磁阀4-3安装于储水水箱4-4底部，通过电线与直流继电器模组连接，并连接排水管。

潜水泵4-1规格为220V 850W，扬程70m，流量4m³/h，直径100mm，适用于大部分监测井；潜水泵由太阳能供电单元中220V交流电源供电，串联继电器，由树莓派微型电脑2-1控制。

水温水位传感器置于潜水泵上方0.5m，并与不锈钢丝绳捆绑，连接水温水位传感器和潜水泵的线缆间隔1米与不锈钢丝绳捆绑；潜水泵与水温水位传感器通过不锈钢丝绳调入监测地层位置，并通过测量不锈钢丝绳4-3下降长度确定水温水位传感器位置，结合地面高程和投入式水位传感器数值，标定水位数值；通过蜂鸣式液面传感器测定地下水埋深，结合地面高程，验证投入式水温水位传感器所得水位的准确性。

滞水清洗单元执行工作时，电磁阀通过程序控制打开，监测单元中水温水位传感器开启，监控清洗过程中的水温水位变化情况；地下水通过潜水泵抽至储水水箱，并由储水水箱排出。

当需要对目标监测井的地下水检测时，先执行滞水清洗工作，完成后，关闭电磁阀，储水水箱进行蓄水，通过潜水泵额定流量和储水水箱体积计算蓄水时间，保持潜水泵工作，使得水流通过溢流板溢流，确保测试水箱中的水体为与空气接触较少的地下水。溢流2分钟后，启动测试蠕动泵抽取储水水箱中的地下水。测试蠕动泵完成抽水后，关闭潜水泵，打开电磁阀，排出储水水箱中的水。

数据通讯单元包括物联网网关5-1，物联网网关5-1由太阳能供电单元24V直流电源提供电源，内置4G SIM卡，将其天线露出于不锈钢保护箱6-1外；物联网网关5-1通过网线与树莓派微型电脑2-1连接，为树莓派提供数据通讯；物联网网关5-1采用4G信号，使得树莓派微型电脑2-1接入网络，实时自动上传采集数据以及系统状态至数据中心，数据中心通过网络利用SSH远程连接树莓派微型电脑2-1，实行远程桌控制。

保护单元包括不锈钢保护箱6-1、避雷针6-3、散热风扇6-2-1和6-2-2。避雷针6-3安置于太阳能电池板1-1附近，不锈钢保护箱6-1置于太阳能电池板1-1下方，避免暴晒和淋雨。

本实用新型针对现有野外多个地下水监测井监测和取样的缺陷，本实用新型提供一种可以自动持续供电，自动采集和记录地下水水温、水位、电导率、PH值、氧化还原电位、溶解氧数据等，智能对监测井中滞水进行清洗，可远程操控的系统，该系统自动化程度高、成本低、稳定简易，便于实施应用。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种多监测井水位水质在线监测装置，其特征在于，包括：供电单元，以及与供电单元连接的数据采集及控制单元、滞水清洗单元、监测单元、清洗单元和数据通讯单元；

所述供电单元用于装置供电；

所述监测单元包括：测试水箱、安装在测试水箱内的水质传感器组、测试水箱外的红外液位传感器、安装在若干个监测井内的水温水位传感器，测试水箱与储水水箱之间设置测试蠕动泵；所述水质传感器组用于检测抽至测试水箱的监测井的水质数据，所述的水温水位传感器用于测量监测井内水温水位数据；所述红外液位传感器用于监测测试水箱中的液位；

2.根据权利要求1所述的一种多监测井水位水质在线监测装置，其特征在于，所述供电单元包括太阳能电池板、蓄电池、与太阳能电池板连接的太阳能控制器，所述太阳能电池板和太阳能控制器与蓄电池之间设有充电回路；所述太阳能电池板与蓄电池的输出端连接电源转换器，电源转换器输出装置工作所需电源。

3.根据权利要求1所述的一种多监测井水位水质在线监测装置，其特征在于，所述继电器组包括：直流继电器模组和交流继电器模组，所述处理器通过交流继电器控制潜水泵，通过直流继电器模组控制模数转换器、散热风扇、搅动模块、清洗蠕动泵、测试蠕动泵和电磁阀，电磁阀用于控制储水水箱内部的蓄水，搅动模块设置于测试水箱内，用于搅动清洗测试水箱；

所述模数转换器为串行，所述模数转换器与监测单元、直流继电器模组串联连接。

4.根据权利要求1所述的一种多监测井水位水质在线监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括：保护单元，所述保护单元包括：安装在供电单元上方的避雷针，位于地面、能够容纳各单元电路和监测单元的保护箱，以及设置在保护箱内侧的散热风扇，处理器通过继电器组连接散热风扇的控制端。

5.根据权利要求1所述的一种多监测井水位水质在线监测装置，其特征在于，所述水质传感器组包括温度传感器、PH传感器、浊度传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、叶绿素传感器中的任意一种或任意组合，其中温度传感器可用于其他传感器的温度补偿计算。

6.根据权利要求1所述的一种多监测井水位水质在线监测装置，其特征在于，所述的测试水箱高于储水水箱，所述测试水箱底部设置流通口和溢流口，进出水共用流通口，且流通口处于测试水箱底部最低位置，所述测试水箱顶板在溢流口侧高于非溢流口侧；所述储水水箱上部设置进水口，底部设置排水口和溢流口，且排水口处于储水水箱底部最低位置；所述储水水箱顶板在溢流口侧高于非溢流口侧。

7.根据权利要求1所述的一种多监测井水位水质在线监测装置，其特征在于，所述处理器为树莓派微型电脑。

8.根据权利要求1所述的一种多监测井水位水质在线监测装置，其特征在于，所述监测单元包括：温度传感器，温度传感器与处理器相连接，用于检测装置内部温度。