地下水動態自動監測儀的製作方法
2023-06-04 16:02:51
專利名稱：地下水動態自動監測儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種監測設備，尤其涉及一種地下水動態自動監測儀。
背景技術：
隨著自動化技術的不斷發展以及水資源環境的不斷惡化，以傳感器為核 心技術的地下水水位監測設備也在不斷發展。地下水水位監測設備能夠通過 傳感器獲取地下水的水位信息，從而使人們能夠準確掌握地下水資源的變化 情況。
在現有技術中，以壓力傳感器為水位觀測探頭的地下水水位監測設備發 展較快。圖1為現有技術中地下水水位監測設備的結構示意圖。如圖1所示，
該地下水水位監測設備包括壓力傳感器7、外設主機8以及連接壓力傳感器7 和外設主機8的電纜3，其中壓力傳感器7放置於測量井中並置於水下，外 設主機8放置於測量井口外。在進行測量工作時，壓力傳感器7測量當前的 水壓，並將該水壓信息通過電纜3傳送給外設主機8，外設主機8將接收到 的水壓信息與當前外部大氣壓進行平衡計算，通過計算結果即可獲知當前地 下水的水位情況。
實際使用中發現，現有技術這種結構具有一定缺陷。首先，現有地下水 水位監測設備的體積較大，且外設主機需要放置在測量井外，現場必須要有 對外設主機的保護措施，因此增加了該地下水水位監測設備的安裝和使用成
該壓力傳回給外設主機，通過外設主機將該壓力和外部大氣壓進行平衡運算 才能獲取地下水水位信息，因此還需要配備另一個測量外部大氣壓的壓力傳 感器，增加了系統複雜度；再有，現有地下水水位監測設備採用數字顯示， 人工讀取記錄，不具備全自動無人值守的功能；最後，該地下水水位監測設
備的整機功耗較大，且沒有密封防潮，因此不適合在野外沒有交流電的長期 觀測中使用。
實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種地下水動態自動監測儀，有效解決現有地 下水動態自動監測儀安裝和使用成本高、系統複雜、整機功耗較大等技術缺 陷。
為實現上述目的，本實用新型提供了一種地下水動態自動監測儀，包括 位於水面下方的複合式探頭，所述複合式探頭包括測量水壓的壓力傳感器和 測量水溫的溫度傳感器，所述複合式探頭通過電纜與位於水面上方的主機連 接，所述主機包括一封閉殼體，所述封閉殼體內設置有向所述壓力傳感器提 供大氣壓力的氣壓平衡裝置和接收所述壓力傳感器和溫度傳感器發送的測量 信號並進行處理的數據處理裝置。
所述數據處理裝置包括從所述壓力傳感器和溫度傳感器接收測量信號的 信號接收模塊、對所述測量信號進行處理獲得水位數據和水溫數據的數據處 理模塊、存儲所述水位數據和水溫數據的數據存儲模塊、與外部計算機進行 數據通信的通信接口模塊、提供電源的電池模塊和控制上述模塊工作的自動 控制模塊，所述信號接收模塊與所述複合式探頭中的壓力傳感器和溫度傳感 器連接，所述數據處理模塊與所述信號接收模塊連接，所述數據存儲模塊與 所述數據處理模塊連接，所述通信接口模塊與所述數據存儲模塊連接，所述 電池模塊和所述自動控制模塊分別與上述模塊連接，所述電池模塊與所述自 動控制一莫塊連4妄。
所述自動控制模塊包括進行定時設置的定時單元和對所述信號接收模 塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、通信接口模塊以及電池模塊進行定時控 制的控制單元，所述定時單元與所述控制單元連接。
所述數據處理模塊包括對所述測量信號進行放大處理的放大單元和將放
大後的測量信號處理為水溫數據和水位數據的數據處理單元，所述放大單元 與所述信號接收模塊連接。
所述氣壓平衡裝置包括設置於所述電纜中的導氣管和用於感應大氣壓力 的氣嚢，所述導氣管的一端與所述複合式探頭中的壓力傳感器連接，另一端 與所述氣嚢連接，所述氣嚢為半充氣狀態，內充有乾燥空氣。
所述氣嚢密封套4妄在所述氣嚢座上，所述導氣管也固定在所述氣嚢座上， 其端部插入所述氣嚢中。
所述氣嚢座還連接有用於保護所述氣嚢的氣嚢護套。
所述封閉殼體包括護筒、接頭和外筒，所述護筒套設在氣壓平衡裝置外 側，所述外筒套設在所述主機外側，所述接頭連接在護筒和外筒之間。
本實用新型提供了一種地下水動態自動監測儀，由於採用將主機設置 在水面上方且體積較小，因此不需要對主機採取額外的保護措施，降低了 地下水動態自動監測儀的安裝和使用成本。由於採用了氣壓平衡裝置，因 此不需要再配備額外的測量外部大氣壓的壓力傳感器，降低了地下水動態 自動監測儀的複雜度。由於採用了自動控制模塊對水溫和水壓的測量操作 進行自動控制，因此該地下水動態自動監測儀還具備全自動無人值守功 能。由於主機採用了定時單元和控制單元對電池模塊進行定時和控制，只 在監測周期內為主機和其它部件提供電源，因此降低了該地下水動態自動 監測儀的整機功耗。
下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為現有技術中地下水動態自動監測儀的結構示意圖； 圖2為本實用新型地下水動態自動監測儀的結構示意圖； 圖3為本實用新型數據處理裝置的結構示意圖； 圖4為本實用新型數據處理裝置具體實施例的結構示意圖5為本實用新型氣壓平衡裝置的結構示意圖6為本實用新型地下水動態自動監測儀主機部分的具體結構圖。
附圖標記說明
l一探頭；2 —主機；3—電纜；
4一測量井；5 —水面；7 —壓力傳感器；
8 —外設主機；21 —氣壓平衡裝置；22 —數據處理裝置；
24 —硬體電路；25—電池；26 —護筒；
27—接頭；28 —外筒；31 —導氣管
211 —氣嚢；212 —氣嚢護套；213—氣嚢座
222 —數據處理模塊；223—數據存儲模塊；224 —通信接口模塊;
225—電池模塊；226—自動控制模塊；2221 —放大單元；
2222 —數據處理單元；2261 —定時單元；2262—控制單元。
具體實施方式
圖2為本實用新型地下水動態自動監測yf義的結構示意圖。如圖2所示， 該監測設備包括複合式探頭1和主機2,複合式探頭1與主機2之間通過電 纜3連接。該複合式探頭1包括溫度傳感器和壓力傳感器，位於測量井4中 的水面5的下方，可以在主機2的控制下獲取測量信號，測量信號包括水壓 信號和水溫信號；主機2為封閉殼體結構，在封閉殼體結構內設置有氣壓平 衡裝置21和數據處理裝置22。氣壓平衡裝置21向壓力傳感器"t是供大氣壓力， 數據處理裝置22接收壓力傳感器和溫度傳感器發送的測量信號並進行處理。
具體地，複合式探頭1中的壓力傳感器和溫度傳感器能夠測得當前的水 壓和水溫，該水壓為當前水位壓力與外部大氣壓共同形成的壓力，通過主機 2中的氣壓平衡裝置21與複合式探頭1中的壓力傳感器連接，氣壓平衡裝置 21可以向複合式探頭1中的壓力傳感器提供大氣壓，使得壓力傳感器可以得 到消除了大氣壓影響的水壓信號。數據處理裝置22能夠獲取水溫信號以及該
水壓信號，並對該水壓信號和水溫信號進行處理，獲得相應的水位數據和水 溫數據，該水位數據與地下水水位值——對應，乂人而達到對地下水的水位和
水溫進行監測的目的。本實用新型的主機2為封閉殼體結構，能夠密封防潮， 而且體積較小，能夠直接放置在測量井中，而不需要使用額外的保護措施對 測量現場進行保護，降低了設備安裝成本；通過採用氣壓平衡裝置21使複合 式探頭1中的壓力傳感器直接獲得與地下水水位有關的水壓數據，而不需要 額外的壓力傳感器去測量當前的大氣壓，因此還降低了整個地下水動態自動 監測儀的複雜度。
綜上可知，本實用新型地下水動態自動監測儀能夠具有體積小、安裝成 本低等優點，且能夠密封防潮，具有廣泛的應用前景。
圖3為本實用新型數據處理裝置的結構示意圖。如圖3所示，該數據處 理裝置22包括信號接收模塊221、數據處理模塊222、數據存儲模塊223、 通信接口模塊224、電池模塊225以及自動控制模塊226。具體地，信號接收 模塊221與複合式探頭1中的壓力傳感器和溫度傳感器連接，用於採集壓力 傳感器和溫度傳感器測得的水壓信號和水溫信號。數據處理模塊222與信號 接收模塊221連接，可以對該水壓信號和水溫信號進行處理獲得水位數據和 水溫數據，數據存儲模塊223與數據處理模塊222連接，用於將這些水位數 據和水溫數據存儲起來，以備後續的數據統計和分析處理。通信接口模塊224 與數據存儲模塊223連接，用於與外部計算機進行數據通信，將存儲的水溫 數據和水位數據傳送給外部計算機進行統計分析處理，並根據需要調整有關 參數。電池模塊225以及自動控制模塊226均與上述各模塊連接，同時電池 模塊225還與自動控制模塊226連接。自動控制模塊226對信號接收模塊221 、 數據處理模塊222、數據存儲模塊223、通信接口模塊224以及電池模塊225 進行自動控制，對監測周期進行定時控制，電池模塊225可以在自動控制模 塊226的控制下動態地為這些模塊提供電源。對需要長期供電的部分如自動 控制模塊226中的時鐘和定時部分採用長期供電，而對於複合式探頭1中的 傳感器、信號接收模塊221、數據處理模塊222、數據存儲模塊223以及通信
接口模塊224都可以採用只在監測周期內進行供電的方式，以此來節約功耗。 在實際應用中可以採用+4.5V對自動控制模塊226中的時鐘和定時部分進行 長期供電，而對其它功耗較大的部件只在監測周期內供電。例如，假設監測 周期為50秒，則在工作50秒後電池將部分供電電源切斷。
綜上可知，本實用新型通過對電池模塊的控制，使電池模塊只在監測周 期內為信號接收模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊以及通信接口模塊提供 電源，而在非監測周期內切斷電源，因此降低了地下水動態自動監測儀的功 耗，使本實用新型便於在野外沒有長期供電電源的情況下使用；通過自動控 制模塊對上述各個模塊的自動控制，能夠達到監測過程無人值守的效果，而 且通過通信接口模塊還能夠根據需要自行調整監測周期以及向外部計算機傳 送測量數據，因此，使該地下水動態自動監測儀的操作十分方便。
圖4為本實用新型數據處理裝置具體實施例的結構示意圖。如圖4所示， 該數據處理模塊222可以包括放大單元2221和數據處理單元2222,自動控 制模塊226可以包括定時單元2261和控制單元2262。具體地，自動控制模 塊226中的定時單元2261能夠進行定時設置，當定時時間到時，控制單元 2262控制信號接收模塊221、數據處理模塊222和數據存儲模塊223工作， 信號接收模塊221接收複合式探頭1發送的水壓信號和水溫信號，並發送給 數據處理模塊222中的放大單元2221;放大單元2221對水溫信號和水壓信 號進行放大處理，然後數據處理單元2222將放大處理後的水溫信號和水壓信 號進行處理計算，生成水溫數據和水位數據。獲得水溫數據和水位數據之後， 數據存儲模塊223在控制單元2262的控制下可以存儲該水溫數據和水位數 據。同時，根據定時單元2261的時鐘還可以獲得本次測量的日期和時間數據， 這些日期和時間數據也可以一併存入數據存儲模塊223中。如果此時數據存 儲模塊223正在進行其它操作，則控制單元2262可以先將這些數據進行緩存， 在收到可以進行存儲的信號時，控制單元2262再將其緩存的測量數據存入數 據存儲模塊223中。控制單元2262在定時單元2261發出監測周期結束的指 令之後，即可控制各個功能模塊停止工作，主機2進入休眠狀態，等待下一
次監測周期的到來。
通信接口模塊224提供了主機2與外部計算機進行數據交互的接口 ，在 監測周期內，主機2和外部計算機可以通過通信接口模塊224進行數據通信。 該通信接口模塊224可以使用RS232串口將數據存儲模塊223與外部計算機 連接起來。當該串口沒有接入外部計算機時，通信接口模塊224中將輸出低 電平，此時，數據存儲模塊223不與外部進行數據交互；當通信接口模塊224 與外部計算機連接時，其輸出將變為高電平，這個高電平將引起自動控制模 塊224復位，使主機2進入與外部計算機進行數據交互的過程。此時，數據 存儲模塊223就可以把存儲好的水溫數據、水位數據以及測量日期和時間數 據全都傳輸給外部計算機，以方便對採集到的數據進行分析和統計。同時， 外部計算機也可以才艮據需要對定時單元2261的監測周期進行重新設置，以方 便獲取更好的監測效果。在與外部計算機完成通信之後，主機2進入休眠狀 態，等待下 一次地下水水位測量操作。
綜上可知，該數據處理裝置中的定時單元能夠根據需要進行監測周期的 定時，控制單元能夠對數據處理裝置中各模塊的操作進行自動控制，通過對 電池模塊的控制，還能夠使電池模塊只在監測周期內為信號接收模塊、數據 處理模塊以及通信接口模塊提供電源，因此降低了該地下水動態自動監測儀 的功耗，便於在野外沒有長期供電電源的情況下使用；通過控制單元對上述 各個模塊的自動控制，能夠達到監測過程無人值守的效果，而且通過通信接 口模塊還能夠與外部計算機進行數據交互，方便對採集到的水溫數據和水位 數據進行統計分析處理，同時還可以根據需要自行調整定時模塊中的監測周 期，使該地下水動態自動監測儀的操作十分方便。
圖5為本實用新型氣壓平衡裝置的結構示意圖。如圖5所示，該氣壓平 衡裝置21包括導氣管31、氣嚢211、氣嚢護套212和氣嚢座213。氣嚢211 可以用來感應大氣壓力，氣嚢護套212設置在氣嚢211外部，可以對氣嚢211 起到保護作用。氣嚢211和氣嚢護套212都固定在氣嚢座213上，導氣管31 設置於電纜3中，導氣管31的一端與複合式探頭中壓力傳感器的氣壓端連通，
另一端固定在氣嚢座213上並插入氣嚢211中。氣嚢211為半充氣狀態，內 部半有乾燥空氣。
具體地，導氣管31使壓力傳感器內氣壓端的氣壓和氣嚢2U內的氣壓連 通，從而使得外部大氣壓通過氣嚢211作用於壓力傳感器的氣壓端上，使壓 力傳感器氣壓端的氣壓和大氣壓一致。由於氣嚢211內充的是乾燥空氣，所 以外面的氣體不會進入氣嚢內部，外面的潮氣也不會通過導氣管31進入壓力 傳感器內部，從而消除了影響壓力測量準確性的因素。無論外部大氣壓變大 還是變小，都可以通過氣嚢211傳給裡面的乾燥空氣，乾燥空氣通過導氣管 31傳給壓力傳感器的氣壓端，因此壓力傳感器所測量的水壓信號中排除了大 氣壓的影響。
與現有技術需要增加額外的測量大氣壓的壓力傳感器以及用軟體校正壓 力傳感器所採集的悽t據來消除大氣壓的方法相比，本實用新型地下水動態自 動監測儀中的氣壓平衡裝置具有結構簡單，安裝方便的特點。該氣壓平衡裝 置結構簡單，無需價格較高的電子器件，所需製作原材料普遍，所以價格低 廉。
圖6為本實用新型地下水動態自動監測儀主機部分的具體結構圖。本實 用新型主機包括氣壓平衡裝置21和數據處理裝置，該數據處理裝置中包括硬 件電路24和電池25。
氣壓平衡裝置21向複合式探頭1中的壓力傳感器提供大氣壓，使得壓力 傳感器直接獲得去除了大氣壓影響的水壓信號。數據處理裝置22能夠獲取水 溫信號以及水壓信號，並對該水壓信號和水溫信號進行處理，獲取水溫數據 和水位數據，該水位悽t據與地下水水位值——對應，/人而達到對地下水水位 和水溫進行監測的目的。硬體電路24包括信號接收電路、數據處理電路、數 據存儲電路、通信接口電路以及自動控制電路，整個電路是通過單片機實現 的。信號接收電路、數據處理電路、數據存儲電路、通信接口電路以及自動 控制電路的結構同前所述。該主機2為封閉殼體結構，包括護筒26、接頭27 和外筒28，護筒26套設在氣壓平衡裝置21的外側，因此可以封閉保護氣壓
平衡裝置21,外筒28套設在主機2的外側，因此可以保證整個主機2為封 閉結構，使得主機2能夠達到密封防潮的效果，接頭27連接在護筒26和外 筒28之間，因此能夠固定護筒26和外筒28的相對位置。
本實用新型地下水動態自動監測儀的主機能夠通過硬體電路的控制功能 實現監測過程的無人值守功能，而且體積較小，能夠密封防潮，功耗和安裝 成本低，能夠直接放置在測量井中，可以滿足野外長期觀測地下水水位和水 溫的需要。
最後應說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對 其進行限制，儘管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域 的普通技術人員應當理解其依然可以對本實用新型的技術方案進行修改或 者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改後的技術方案脫離本實 用新型技術方案的精神和範圍。
權利要求1、一種地下水動態自動監測儀，包括位於水面下方的複合式探頭，所述複合式探頭包括測量水壓的壓力傳感器和測量水溫的溫度傳感器，其特徵在於，所述複合式探頭通過電纜與位於水面上方的主機連接，所述主機包括一封閉殼體，所述封閉殼體內設置有向所述壓力傳感器提供大氣壓力的氣壓平衡裝置和接收所述壓力傳感器和溫度傳感器發送的測量信號並進行處理的數據處理裝置。
2、 根據權利要求1所述的地下水動態自動監測儀，其特徵在於，所述數 據處理裝置包括從所述壓力傳感器和溫度傳感器接收測量信號的信號接收模 塊、對所述測量信號進行處理獲得水位數據和水溫數據的數據處理模塊、存 儲所述水位數據和水溫數據的數據存儲模塊、與外部計算機進行數據通信的 通信接口模塊、提供電源的電池模塊和控制上述模塊工作的自動控制模塊，所述信號接收模塊與所述複合式探頭中的壓力傳感器和溫度傳感器連接，所 述數據處理模塊與所述信號接收模塊連接，所述數據存儲模塊與所述數據處 理模塊連接，所述通信接口模塊與所述數據存儲模塊連接，所述電池模塊和 所述自動控制模塊分別與上述模塊連接，所述電池模塊與所述自動控制模塊 連接。
3、 根據權利要求2所述的地下水動態自動監測儀，其特徵在於，所述自 動控制模塊包括進行定時設置的定時單元和對所述信號接收模塊、數據處理 模塊、數據存儲模塊、通信接口模塊以及電池模塊進行定時控制的控制單元， 所述定時單元與所述控制單元連接。
4、 根據權利要求2所述的地下水動態自動監測儀，其特徵在於，所述數 據處理模塊包括對所述測量信號進行放大處理的放大單元和將放大後的測量 信號處理為水溫l史據和水位悽t據的數據處理單元，所述^:大單元與所述信號 接收模塊連接。
5、 根據權利要求l所述的地下水動態自動監測儀，其特徵在於，所述氣壓平衡裝置包括設置於所述電纜中的導氣管和用於感應大氣壓力的氣嚢，所 述導氣管的 一端與所述複合式探頭中的壓力傳感器連接，另 一端與所述氣嚢 連接，所述氣嚢為半充氣狀態，內充有乾燥空氣。
6、 根據權利要求5所述的地下水動態自動監測儀，其特徵在於，所述氣 嚢密封套接在所述氣嚢座上，所述導氣管也固定在所述氣嚢座上，其端部插 入所述氣嚢中。
7、 根據權利要求6所述的地下水動態自動監測儀，其特徵在於，所述氣 嚢座還連接有用於保護所述氣嚢的氣嚢護套。
8、 根據權利要求1~7中任一權利要求所述的地下水動態自動監測儀， 其特徵在於，所述封閉殼體包括護筒、接頭和外筒，所述護筒套設在氣壓平 衡裝置外側，所述外筒套設在所述主機外側，所述接頭連接在護筒和外筒之 間。
專利摘要本實用新型公開了一種地下水動態自動監測儀，包括位於水面下方的複合式探頭，所述複合式探頭包括測量水壓的壓力傳感器和測量水溫的溫度傳感器，所述複合式探頭通過電纜與位於水面上方的主機連接，所述主機包括一封閉殼體，所述封閉殼體內設置有向所述壓力傳感器提供大氣壓力的氣壓平衡裝置和接收所述壓力傳感器和溫度傳感器發送的測量信號並進行處理的數據處理裝置。本實用新型地下水動態自動監測儀通過主機的自動控制能夠實現測量過程的無人值守功能，體積小，功耗和安裝成本低，能夠密封防潮，因此滿足了在野外長期觀測地下水水位和水溫的需要。
文檔編號G01F23/14GK201203456SQ20082010867
公開日2009年3月4日 申請日期2008年6月6日 優先權日2008年6月6日
發明者馮建華, 馮蒼旭, 雲 史, 磊 張, 張京城, 袁愛軍, 實 陳 申請人:中國地質調查局水文地質環境地質調查中心