地下水動態綜合觀測儀的製作方法
2023-08-11 04:40:36
專利名稱：地下水動態綜合觀測儀的製作方法
技術領域：
本實用新型公開了一種地下水動態綜合觀測儀，涉及一種地下流體觀測系統。
背景技術：
水文地質學是一門古老的學科。地下水微動態研究，向地質作用與地殼活動 過程上探索。利用地下水微動態，可取得地球物理、地球化學、水文地質的某些 參數；可研究現今的最新、最活地殼活動的形式，地層內應力分布、變化、轉換 的過程，以及地震孕育、發生、調整和演變等。地下水位、水溫的變化，反映了 地殼內部運動變化的一些重要信息。長期以來的觀測發現，往往在地震發生前後， 均伴隨有明顯水位和水溫的變化。因而對地下水的動態綜合觀測非常必要，是地 震前兆監測和研究的重要手段之一。
目前，已建立的長江三峽工程水庫誘發地震觀測系統，主要包括數字地震遙 測臺網、地殼形變監測網絡與地下水動態井網等。
長江三峽工程誘發地震地下水動態觀測井網(簡稱三峽井網)將是我國第一
個以監測水庫地震的地下水前兆井網，它是以捕捉到水庫誘發地震前可能出現的
地下水動態前兆異常信息為主要目的。 三峽井網涉及的技術要點和難點有
① 高精度數位化水位觀測技術；
② 高精度數位化水溫觀測技術；
③ 高精度數位化氣溫、氣壓、雨量氣象參數觀測技術；
④ 高精度數據採集、通信(有線和無線)、處理及集成技術；
⑤ 電源系統及防雷技術；
⑥ 系統處理及應用軟體。
發明內容
本實用新型的目的就在於解決現有技術存在的上述要點和難點，提供一種地 下水動態綜合觀測儀，不僅滿足了三峽井網的需要，並推廣到地下流體觀測技術 中。
本實用新型的目的是這樣實現的
1、 技術路線，
① 採取精密測量集成方案和抗幹擾設計，使儀器性能穩定可靠、觀測精度高。
② 採取模塊化結構，便於儀器的維護和升級。
③ 數據採用壓縮格式，使系統存儲容量大，通信速度快，數據不易丟失； 採用行業標準，便於推廣應用。
④ 使作業系統用戶界面更加友好，使軟體操作簡便、容易維護。
⑤ 採用無線通信方式，使系統安裝靈活，網絡化，通信速度快質量高，防 雷性能好，故障率低。
⑥ 提供一種功耗低、供電時間長、防雷系統性能好的直流電源。
2、 具體技術方案
1)地下水動態綜合觀測儀(簡稱本儀器)
如圖1、 2，本系統包括測項變送器(100)、數據採集控制器(200)、無線 數據終端設備(300)、有線數據終端設備(400)和防雷供電裝置(500);
測項變送器(100)和數據採集控制器(200)連接，數據採集控制器(200) 分別與無線數據終端設備(300)或有線數據終端設備(400)連接；
所述的測項變送器(100)包括水位變送器(110)、水溫變送器(120)、氣 溫變送器(130)、氣壓變送器(140)、雨量變送器(150)。
本儀器的工作原理是
測項變送器將水位、水溫、氣溫、氣壓和雨量的物理量轉換成模擬電壓信號 或數位訊號，對模擬電壓信號進行放大和濾波；單片計算機在日常處理程序的控 制下，定時(如每分鐘)選通多路開關，送至模數轉換器，將模擬電壓信號變換 為數位訊號，數位訊號單片計算機可直接接收，又經單片計算機接收處理(包括 軟體濾波、數據壓縮、格式轉換等)分別送至顯示器進行顯示和電子盤存儲；再經RS-232接口，實現實時遠程通信，將數據經由無線或有線方式傳送至監測中
心分析和處理。
2)地下水動態綜合觀測流程(簡稱本流程)
如圖7，本流程主要完成日常處理工作，其步驟依次為
開始(6);
進行系統初始化(7)，即對LCD顯示器、時鐘、串行通訊口、擴展並行口等 進行初始化；
進入按鍵査詢(8);若有鍵按下則進入按鍵值散轉(16)，進入功能服務子 程序，包括單路採樣(1)、多路採樣(2)、時鐘設定(3)、參數設置(4)和參 數顯示(5) 5個子程序；執行完某個子程序後，再進入到時鐘查詢判斷分鐘採
樣時刻到否(10);上述過程為重新開機或硬體復位才進行；
若無鍵按下且延時間到(9)，也進入到時鐘査詢判斷分鐘採樣時刻到否(10);
採樣時刻未到則進入循環採集、顯示多路測量數據和日曆時鐘(17);繼續 判斷分鐘採樣時刻到否(10);
直到採樣時刻到則進入選擇多路開關(11);
再進入啟動A/D轉換器(12);
再進入處理和存儲(13);
再進入23點59分到否判斷程序(14);
23點59分未到則又進入判斷分鐘採樣時刻到否(10)下一分鐘的工作循環； 當23點59分到則進入數據平移和刷新，保留存近期數據(15)，執行完後 又返回到(10)，這樣周而復始地工作。
系統還有些中斷子程序，完成通信等任務。
在通信信息量為包流量方式時系統可實時主動地將數據傳送到中心監測 站，不包流量時可採用被動方式由中心監測站定時或不定時調用系統數據。 本實用新型具有下列優點和積極效果
1、 各測項採用模塊結構，儀器為一體化集成方案，抗幹擾設計，性能穩 定可靠，便於維護，較分散結構有重大創新；
2、 觀測精度高，觀測精度優於中華人民共和國地震行業《地下流體觀測 儀器》入網技術指標；
3、 採用數據壓縮技術，節省了存儲空間和通信時間；
4、 擴展內存觀測數據存放的時間提高到半年以上；
5、 系統採用CMOS電路，直流供電為大容量設計，市電停電後工作時間更
長；
6、 數據採集處理主機有不同的配置，滿足不同需求；
7、 無線通信方式，網絡化、故障率低、傳輸速度快質量高、防雷擊性能
好；
8、 系統分析處理軟體界面友好，操作簡單、使用方便。
圖1是本實用新型組成方框圖(簡要)；
圖2是本實用新型組成方框圖(詳細)；
圖3是水位變送器測量電路原理圖4是鉑電阻水溫變送器測量電路原理圖5是石英晶體水溫變送器測量電路原理圖6是雨量變送器測量原理圖7是儀器主程序觀測流程圖。
其中
100—測項變送器，
110—水位變送器，
lll一精密電流源，112—壓力傳感器，
113—放大器， 114一濾波器； 120—水溫變送器，
121—精密電流源，122—鉑電阻傳感器，
123—放大器，124—濾波器；
125—測溫石英晶體振蕩器，126—基頻石英晶體振蕩器，
127—差頻電路； 130—氣溫變送器； 140—氣壓變送器；
150—雨量變送器。 200—數據採集控制器； 210—多路開關； 240—控制驅動； 271—日曆時鐘；
274—鍵盤；
300—無線數據終端設備;
400—有線數據終端設備; 410—光電隔離器；
500—防雷供電裝置； 510—交流電源； 540—穩壓器；
570—蓄電瓶。
220—模數轉換器; 250—數位訊號； 272—看門狗； 275—電子盤； 310_天線。
420—有線Modem;
520—電源避雷器； 550—電源保護器；
230—單片計算機； 260—RS232接口； 273—LCD顯示器； 276——Ethmet、 Modem。
430—信號避雷器。
530—電感器； 560—直流充電器；
具體實施方式
一、 總體布置
水位變送器(110)和水溫變送器(120)放置井水位以下，氣溫變送器(130) 和氣壓變送器(140)放在室內或室外百葉箱裡，雨量變送器(150)放置在室 外空曠地方(屋頂上也可)，均與數據採集控制器(200)相連接。分布多個 測點的儀器可與中心站組成一個數位化地下流體監測網。
二、 各功能塊的結構 1、測項變送器(100) 1)水位變送器(110)
如圖3，水位變送器(110)由依次連接的精密電流源(111)、壓力傳感器 (112)、放大器(113)和濾波器(114)組成。 水位變送器(110)的工作原理是
由於水位的變化，會使安放在水中的壓力傳感器(112)上的壓力發生變化， 壓力傳感器(112)將壓力變化量轉化為電信號並經放大器(113)放大和濾波器 (114)濾波後輸出(可換算水位的變化)，再由數據採集控制器(200)定時數
據採集、存儲、處理及傳輸等完成對水位的監測。 其中-
精密電流源(111)是基準源加在測量電橋上，選用MC1403和精密電阻；
壓力傳感器(112)是一種高性能擴散矽半導體壓力器件，組成測量電橋， 將壓力(水位)轉換為電壓信號，選用著名的美國NovaSensor公司壓力傳感器;
放大器(113)將測量到的微小信號進行放大，選用ICL7650低漂移運算放 大器；
濾波器(114)將高頻幹擾濾掉，選用二階有源濾波器。
本水位變送器(110)採用方便的投入工作方式安裝，無機械隨動誤差，無 機械運動部件，不存在金屬疲勞問題，故壽命長，可長期使用。壓力傳感器(112) 為差壓式，電纜中有一根通氣管從壓力傳感器(112)內部引出，經防水過濾層 與大氣連通，起氣壓自動補償作用。壓力傳感器(112)用不鏽鋼全封焊，雙重 防水密封結構，具有良好的防潮性能和優異的介質兼容性，適用於較弱的腐蝕性 介質中。本水位變送器(110)為全封閉電路，具有防潮、防結露、防滲透的性 能，使得產品技術指標和質量得到有力的保證。
水位變送器(110)的主要技術指標如下
基本量程10米水柱(也可在0至350米選型)；
精度±0. 1%FS ;
分辨力優於0.01XFS(三峽井網為O. l毫米)； 重複性±0. 05%F. S; 動態響應> lm/S;
長期穩定性《±0. 2%F. S/年。 2)水溫變送器(120)
水溫變送器(120)可分別使用兩種類型的傳感器。
①如圖4，水溫變送器(120)由依次連接的精密電流源(121)、鉑電阻傳 感器(122)、放大器(123)和濾波器(124)組成。 水溫變送器(120)的工作原理是
當水的溫度發生變化時，鉑電阻傳感器(122)將水溫的變化轉換為電阻值 的變化，經電路的變換又將電阻值的變化轉換為電壓信號的變化，送入數據採集控制器(200)紀錄。鉑電阻傳感器(122)是國際上公認溫標元件，性能穩定可 靠，選用Ptl000鉑電阻。
②如圖5，水溫變送器(120)是測溫石英晶體振蕩器(125)和基頻石英晶 體振蕩器(126)分別與差頻電路(127)連接而成。
測溫石英晶體振蕩器(125)，當溫度發生變化時，其輸出頻率隨之變化， 選用0'C時10MHz測溫石英晶體；
基頻石英晶體振蕩器(126)，輸出頻率不隨溫度變化，選用穩頻石英晶體 振蕩器與74HC00構成基準頻率振蕩發生器；
差頻電路(127)，將兩種頻率相減，變為低頻信號便於計數測量,選用74HC74 型D觸發器。
水溫變送器(120)主要指標如下-
測溫範圍0°C +70°C (特製+10(TC);
分辨力o.oorc 或 o.ooorc; 精 度土o.orc;
時間常數<10秒；
穩定性 《o.orc/a。
3) 氣溫變送器(130)
氣溫變送器(130)與鉑電阻的水溫變送器(120)原理相同，但要求精度低、 範圍寬。也是採用Ptl000鉑電阻。
氣溫變送器(130)主要指標如下
測溫範圍-20°C +85°C;
分辨力 o.orc; 精度 ±0. rc;
時間常數 <10秒；
穩定性 《0. l°C/a;
輸出範圍 2000 8500 mV(正好與氣溫範圍值相對應)。
4) 氣壓變送器(140)
氣壓變送器(140)與水位變送器(110)原理基本相同。 採用國際知名品牌SMI壓力傳感器，該傳感器具有溫度補償，出廠前經過了
精密雷射修調，其失調電壓低、線性好、精度達士0.05MF.S、有良好的穩定性。 選用了電流型電路設計，使溫度影響降至更低。本氣壓計輸出為模擬信號。 氣壓變送器(140)主要技術指標如下
測量範圍 500 1090hpa ;
分辨力 《0. 1 hpa;
精 度 優於土0.2WF.S;
輸出範圍 500 1090 mV(正好與氣壓值相對應)。
5)雨量變送器(150)
雨量變送器(150)採用上海氣象儀器廠SL3-l型雨量遙測傳感器，如圖6， 由依次連接的承水器(151)、上翻鬥(152)、計量翻鬥(153)、計數翻鬥(154)、 光隔離器(155)和計數器(156)組成。
雨量變送器(150)工作原理是
雨水由承水器(151)匯集，進入上翻鬥(152)，上翻鬥(152)的作用是使 降水強度近似大降水強度，然後進入計量翻鬥(153)計量，計量翻鬥(153)翻 動一次為0. lram降水量。隨之雨水由計量翻鬥(153)倒入計數翻鬥(154)。在 計數翻鬥(154)的中部裝有一塊小磁鋼，磁鋼的上面裝有幹簧開關，計數翻鬥 (154)翻轉一次，則開關閉合一次，有開關的閉合送出一個信號。本系統將該 信號轉換成數字脈衝信號，進行計數，由計算機直接讀取該數位訊號。這種方法 避免了其它轉換會帶來誤差。當計數滿了它會自動復位。
雨量變送器(150)主要技術指標如下-
承水口徑 ①200 mm;
測量降水強度 4mm/min以內；
測量分辯力 O.lmm降水量；
最大允許誤差 土0.4mm(《10mm )。
2、數據採集控制器(200)
如圖2，數據採集控制器(200)的結構是
多路開關(210)、模數轉換器(220)和單片計算機(230)依次連接； 單片計算機(230)分別與控制驅動(240)、數位訊號(250) 、 RS232接口 (260)、日曆時鐘(271)、看門狗(272) 、 LCD顯示器(273)、鍵盤(274)、 電子盤(275) 、 Ethmet (乙太網接口) 、 Modem (276)連接。 其工作原理是
在日曆時鐘(271)定時控制下，單片計算機(230)順序選通多路開關(210) 中的某一路，將其變送器的傳感器信號送至模數轉換器(220)，變換為數字信 號，經單片計算機(230)接收處理(包括軟體濾波、數據壓縮、格式轉換等) 分別送至LCD顯示器(273)和電子盤(275)，進行顯示和存儲；並可通過有線 或無線通信設備與中心監測站的上位PC機進行遠程數字通訊，將數據送中心。 每天對數據進行刷新，始終保存近期數據。並能隨時接受遠程發出的控制命令， 進入中斷服務程序予以響應。
其中
多路開關(210)是一種8路模擬開關CM0S集成電路，選用CD4051;
模數轉換器(220)，將各測項的模擬信號轉換成數位訊號，選用ICL7135;
單片計算機(230)為CPU，它將各測項數據進行採集、處理、存儲和傳輸， 選用AT89C52等，增強型配有PC104工控機；
控制驅動(240),對外部設備進行控制，包括並行接口 81C55、驅動三極體 9013、繼電器等；
數位訊號接口 (250),輸入數字或頻率信號，由光隔離施密特電路1L11、 計數器74HC393等組成；
RS232接口 (260)，接入無線、有線或乙太網等接口，電平電路為MAX202;
日曆時鐘(271)，為系統提供基準時鐘，選用防掉電的DS12C887;
看門狗(272) ， Watching dog為防止儀器死機監控電路，選用振蕩器、計 數器和施密特電路CD4098，當發現系統停止工作時，立即將其復位，使其馬上 進入正常工作狀態，始終保持儀器穩定可靠工作；
LCD顯示器(273),顯示時鐘和數據等信息，選用2xl6字符液晶顯示器；
鍵盤(274)，為4x4鍵盤，功能操作、寫初始化參數、修改時鐘；
電子盤(275)，為存儲數據的防掉電的RAM;
Ethmet、 Modem (276)，可接入乙太網或數據機，把數據送入Internet 網絡或其它數據終端。
3、無線數據終端設備(300)
如圖2，無線數據終端設備(300)是標準設備，有上市產品，由GSM(數字 蜂窩移動通信系統)、GPRS(是一種基於GSM系統的無線分組交換技術，提供端到 端的、廣域的無線IP連接)、CDMA(是"碼分多址"數字無線通信技術)等DTU(數 據終端設備)組成。
無線數據終端設備(300)的功能是將數位訊號經過無線傳輸方式進行通 信。GSM可以實現無線對無線或無線對有線的調製解調數字通信。GPRS和 CDMA均可與無線IP連接，實現Internet網絡接入。
4、 有線數據終端設備(400)
如圖2，有線數據終端設備(400)包括依次連接的光電隔離器(410)、有 線Modem (420)、信號避雷器(430)，其三個功能塊均是標準件，有上市產品。 光電隔離器(410)選用RS-232C型無源隔離器；
有線Modem (420)選用TM-EC5658V型數據機，採用快速反應式半導體 防雷，增強抗雷擊能力；
信號避雷器(430)選用ASP SR-E170V/2S作為通訊線路電湧過電壓保護， 標稱放電電流5KA,最大放電電流10KA，限制電壓240V。
有線數據終端設備(400)的功能是將數位訊號經過調製為頻率信號，經 由有線(如電話網絡)傳送到接收端，再經過解調還原成數位訊號，實現 數字通信。
5、 防雷供電裝置(500)
如圖2，防雷供電裝置(500)包括依次連接的交流電源(510)、電源避雷 器(520)、電感器(530)、穩壓器(540)、電源保護器(550)、直流充電器 (560)、蓄電瓶(570)。
防雷供電裝置(500)的各功能塊均是標準件，有上市產品。
電源避雷器(520)第一級防雷保護，選用ASPAsafe-25—級模塊化電壓開 關型電湧保護器，標稱放電電流25KA(100/350 u s),最大放電電流140kA，限制電 壓〈2000V，可防護直擊雷浪湧電壓。
電感器(530)採用自製，用兩根5 10米長線的粗銅線在其中間繞個10 20圈作為電感，這樣可濾掉部分高頻脈衝。
穩壓器(540)選用CWY-1系列淨化交流穩壓電源。
電源保護器(550)選用ASPA6-420-PR0插座式電源浪湧保護器，標稱放電 電流20KA，標稱通流容量(8/20 us)最大放電電流30KA，可將感應雷擊過電壓 限制到〈1000V。
直流充電器(560)選用BC-1230型全自動充電機。
蓄電瓶(570)選用冠軍牌蓄電池，額定電壓12 V ，額定容量200AH。 供電裝置(500)的工作原理及其功能是將線路進行防雷保護，對市電作 淨化處理，再穩壓成為220V， 一路給系統進行交流供電，另一路給充電機對直 流電瓶進行充電，當巿電停電時裝置會自動不間斷給系統供電，保證系統不間斷 電源。
權利要求1、一種地下水動態綜合觀測儀，其特徵在於包括測項變送器(100)、數據採集控制器(200)、無線數據終端設備(300)、有線數據終端設備(400)和防雷供電裝置(500)；測項變送器(100)和數據採集控制器(200)連接，數據採集控制器(200)分別與無線數據終端設備(300)、有線數據終端設備(400)連接；所述的測項變送器(100)包括水位變送器(110)、水溫變送器(120)、氣溫變送器(130)、氣壓變送器(140)、雨量變送器(150)。
2、 按權利要求1所述的一種地下水動態綜合觀測裝置，其特徵在於 水位變送器(110)由依次連接的精密電流源(111)、壓力傳感器(112)、放大器(113)和濾波器(114)組成。
3、 按權利要求1所述的一種地下水動態綜合觀測裝置，其特徵在於水溫變 送器(120):或由依次連接的精密電流源(121)、鉑電阻傳感器(122)、放大器(123) 和濾波器(124)組成；或是測溫石英晶體振蕩器(126)和基頻石英晶體振蕩器(127)分別與差頻 電路(128)連接而成。
4、 按權利要求1所述的一種地下水動態綜合觀測裝置，其特徵在於數據採 集控制器(200)的結構是多路開關(210)、模數轉換器(220)和單片計算機(230)依次連接； 單片計算機(230)分別與控制驅動(240)、數位訊號(250) 、 RS232接口 (260)、日曆時鐘(271)、看門狗(272) 、 LCD顯示器(273)、鍵盤(274)、 電子盤(275) 、 Ethmet (乙太網接口) 、 Modem (276)連接。
5、 按權利要求1所述的一種地下水動態綜合觀測裝置，其特徵在於 防雷供電裝置(500)包括依次連接的交流電源(510)、電源避雷器(520)、電感器(530)、穩壓器(540)、電源保護器(550)、直流充電器(560)、蓄 電瓶(570)。
專利摘要本實用新型公開了一種地下水動態綜合觀測儀，涉及一種地下流體觀測系統。本實用新型是測項變送器(100)和數據採集控制器(200)連接，數據採集控制器(200)分別與無線數據終端設備(300)、有線數據終端設備(400)連接；所述的測項變送器(100)包括水位變送器(110)、水溫變送器(120)、氣溫變送器(130)、氣壓變送器(140)、雨量變送器(150) 本實用新型將水位、水溫、氣溫、氣壓和雨量的模擬電信號變換為數位訊號，又經單片計算機接收處理分別送至顯示器進行顯示和電子盤存儲；再經RS-232接口，實現實時遠程通信；不僅滿足了三峽井網的需要，並推廣到地下流體觀測技術中。
文檔編號G01V9/00GK201072447SQ200720087009
公開日2008年6月11日 申請日期2007年9月18日 優先權日2007年9月18日
發明者姚運生, 張衛華, 李家明, 梅建昌 申請人:中國地震局地震研究所