公开/公告号CN112505271A
专利类型发明专利
公开/公告日2021-03-16
原文格式PDF
申请/专利权人 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院;
申请/专利号CN202011292218.0
申请日2020-11-18
分类号G01N33/18(20060101);
代理机构32224 南京纵横知识产权代理有限公司;
代理人董建林
地址 210029 江苏省南京市鼓楼区广州路223号
入库时间 2023-06-19 10:16:30
技术领域
本发明属于地下水监测技术领域，具体涉及一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置、系统。
背景技术
我国约45%（全球约44%）的人口居住在沿海地区，地下水开采等人类活动和海平面上升导致许多地区出现了严重的海水入侵问题，引发地下水水质恶化、土壤退化等一系列生态环境问题，严重制约经济社会的可持续发展。海水入侵的发生是由自然和人为因素共同作用的结果，其中最直接的原因就是高强度开采导致地下水位持续下降，并由此引发的地下水负值区不断扩大，尤其在渗漏性较好的含水层中海水入侵速度较快。海水入侵区地下水环境调查过程中地下水的水温、水位、pH值、自然电位、电导率、氧化-还原电位（ORP值）等参数往往需要在现场测定。然而在野外水文地质调查中，往往需要携带较多的检测器具经过多次测量才能获得所需要的数据，大量的检测器具在使用时接线繁琐，携带不便，且容易出现接线错误或测量不准的情况，测量一组完整的数据需要耗费大量的时间，且不同的数据之间由于间隔时间较长，不能真实反映不同地下水参数的对应关系，给野外水文地质调查带来了很多的不便。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置、系统，通过一次测量即可获取温度、水位、自然电位、盐度、电导率等多个参数，检测干扰小、准确度高、携带方便，适合野外水文地质调查应用。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置，其特征是，包括箱体，所述箱体内固定有面板，所述面板的一侧设有传感器接口、通讯接口和电源接口；所述面板的另一侧通过多个固定柱固定有信号调理模块、多通道采集模块和隔离电源；所述多通道采集模块包括ADC单元和USB通讯单元，所述ADC单元与所述信号调理模块电连接，所述信号调理模块与所述传感器接口电连接，所述隔离电源分别与所述电源接口、信号调理模块和多通道采集模块电连接；所述USB通讯单元与所述通讯接口电连接；所述传感器接口通过模拟信号线束封装连接用于采集地下水参数的多分头传感器；所述通讯接口用于接收上位机的控制指令并将获取的地下水参数上传至上位机；所述电源接口用于连接外部电源。
进一步地，所述模拟信号线束封装的一端通过温度传感器线束连接温度传感器，通过自然电位传感器线束连接自然电位传感器，通过水位传感器线束连接压力传感器，通过盐度传感器线束连接盐度传感器，所述模拟信号线束封装的另一端通过多芯防水插头连接所述传感器接口。
进一步地，所述多通道采集模块包括MCU，所述MCU分别与所述ADC单元和所述USB通讯单元电连接；所述MCU用于控制所述ADC单元将模拟量信号转换为数字量信号，并将转换完毕的数字量信号通过所述USB通信单元上传至上位机，同时根据接收到的上位机的控制指令进行采集操作。
进一步地，所述隔离电源包括电源电路和锂电池，所述隔离电源通过所述电源接口连接外部电源，用于将外部220V交流电转换为设定电压的直流电向所述信号调理模块和多通道采集模块供电并给锂电池充电。
一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量系统，包括：多分头传感器，用于采集海水入侵区的地下水参数；信号调理模块，用于将多分头传感器采集到的地下水参数的模拟量信号进行放大、滤波；多通道采集模块，用于接收上位机的控制指令，同时将信号调理模块处理后的模拟量信号转换为数字量信号，并将转换完毕的数字量信号上传至上位机；隔离电源，用于向各模块供电；上位机，用于向多通道采集模块发送控制指令包括设定采样频率、采样时间和触发采集，并接收和处理多通道采集模块上传的地下水参数的数字量信号。
进一步地，所述多分头传感器通过模拟信号线束封装将采集到的地下水参数的模拟量信号传输至信号调理模块；所述模拟信号线束封装是将多个传感器的输入线束进行组合封装并进行防水密封处理。
进一步地，所述多通道采集模块包括ADC单元、MCU和USB通讯单元，所述MCU用于控制所述ADC单元将地下水参数的模拟量信号转换为数字量信号同时将转换完毕的数字信号通过USB通信模块上传至上位机并接收上位机下发的控制指令，进行各种采集操作。
进一步地，所述隔离电源包括电源电路和锂电池，所述电源电路包括PFC功率因数矫正、前级整流滤波、功率变压、后级整流滤波、输出保护，所述电源电路用于将外部220V交流电转换为设定电压的直流电向所述信号调理模块和多通道采集模块供电并给锂电池充电。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过模拟信号线束封装连接多分头传感器采集地下水参数，并采用多通道采集模块将获取的地下水参数进行处理、上传，同时可以根据上位机的控制指令进行采样频率、采样时间、触发采集等的设置，通过一次测量即可获取温度、水位、自然电位、盐度、电导率等多个参数，检测干扰小、准确度高、携带方便，适合野外水文地质调查应用，能够在海水入侵区野外水文地质调查中快速调查海水入侵、判断滨海地层岩性、划分渗透层、圈定地下水负值区、确定含水层盐分、电导率、以便进一步确定含水层渗透系数和贮水系数等水文地质参数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量系统的系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置的多通道采集模块的安装状态的平面结构示意图；
图3是图2的仰视图逆时针旋转90度视图；
图4是图3的右视图；
图5是本发明实施例提供的一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置的多通道采集模块的安装状态的三维结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置、系统的多通道采集模块的系统结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置、系统中隔离电源的系统结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置、系统中模拟信号线束封装的结构框图；
图9是本发明实施例提供的一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置、系统中模拟信号线束封装的接线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1~图9所示，一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置，信号调理模块4、多通道采集模块2和隔离电源1分别通过若干个固定柱3固定在面板5的一侧，面板5的另一侧设有传感器接口、通讯接口和电源接口；多通道采集模块2包括ADC单元（模拟量-数字量转换电路单元）和USB通讯单元，ADC单元与信号调理模块4电连接，信号调理模块4与传感器接口电连接，隔离电源1分别与电源接口、信号调理模块4和多通道采集模块2电连接；USB通讯单元与通讯接口电连接；传感器接口通过模拟信号线束封装连接用于采集地下水参数的多分头传感器；通讯接口用于接收上位机的控制指令并将获取的地下水参数上传至上位机；电源接口用于连接外部电源。面板5固定在便携式防水、防尘箱体内。
如图6所示，多通道采集模块包括MCU、数字隔离模块、ADC单元和USB通讯单元，MCU分别与ADC单元和USB通讯单元电连接，ADC单元的电路结构如图5所示。主要工作功能为：隔离电源将外部220V电源（电池、充放电模块）转化为多通道采集模块所需的各种供电电源，多路模拟量输入先进入信号调理电路对信号进行放大、缩小、滤波等操作，处理完的信号进入ADC单元；MCU控制ADC单元将模拟量信号转换为数字量信号，并将转换完毕的数字量信号通过USB通信单元上传至上位机，同时根据USB通信单元接收到的上位机的控制指令控制ADC单元进行各种采集操作；数字隔离模块设置在ADC单元与MCU之间，实现数字电路与模拟电路之间的电器隔离，防止因模拟信号过压、过流、雷击、静电等造成的数字电路损坏。
隔离电源包括电源电路和锂电池，隔离电源通过电源接口连接外部电源，用于将外部220V交流电转换为设定电压的直流电向信号调理模块和多通道采集模块等模块供电并给锂电池充电，锂电池用于野外工作时的工作电源，以适应野外工作环境。隔离电源的系统结构如图7所示，包括PFC功率因数矫正、前级整流滤波、功率变压、MCU控制、后级整流滤波、输出保护等组成，主要作用是：（1）将输入220V交流电源转换为多通道采集所需的直流电源；（2）为给多通道采集供电的锂电池进行充电。其工作流程为：220V交流电源进入PFC（功率因数矫正），然后进入前级整流将交流电变为直流，然后进入功率变压，通过MCU控制不同的PWM频率从而产生不同的电压，进入后级整流滤波变成稳定的直流电源通过输出保护输出到锂电池或仪器进行充、供电。
模拟信号线束封装如图8和图9所示，模拟信号线束封装的一端通过温度传感器线束连接温度传感器，通过自然电位传感器线束连接自然电位传感器，通过水位传感器线束连接压力传感器，通过盐度传感器线束连接盐度传感器，模拟信号线束封装的另一端通过多芯防水插头连接传感器接口；其作用主要是将多个传感器的输入线束进行组合封装并进行防水密封处理，并且可以根据实际测量需求进行拓展。本实施例中，温度传感器、自然电位传感器、压力传感器和盐度传感器中的若干个集成形成多分头传感器，具体集成方式和数量根据测量需求调整。
本实施例的整体工作流程为多分头传感器（水位、温度、自然电位、盐度、电导率等）通过多合一模拟线束封装进入多通道采集模块，多通道采集模块将传感器的模拟量转换为数字量上传至上位机，本实施例中，上位机为PC，同时通过PC可以设置多通道采集模块的采样频率、采样时间、触发采集等设置；通过一次测量即可获取温度、水位、自然电位、盐度、电导率等多个参数，检测干扰小、准确度高、携带方便，适合野外水文地质调查应用，能够在海水入侵区野外水文地质调查中快速调查海水入侵、判断滨海地层岩性、划分渗透层、圈定地下水负值区、确定含水层盐分、电导率、含水层渗透系数和贮水系数。
实施例二：
基于实施例一所述的应用于海水入侵区的地下水多参数测量装置，本实施例提供一种应用于海水入侵区的地下水多参数测量系统，包括：多分头传感器，用于采集海水入侵区的地下水参数；信号调理模块，用于将多分头传感器采集到的地下水参数的模拟量信号进行放大、滤波；多通道采集模块，用于接收上位机的控制指令，同时将信号调理模块处理后的模拟量信号转换为数字量信号，并将转换完毕的数字量信号上传至上位机；隔离电源，用于向各模块供电；上位机，用于向多通道采集模块发送控制指令包括设定采样频率、采样时间和触发采集，并接收和处理多通道采集模块上传的地下水参数的数字量信号。多分头传感器通过模拟信号线束封装将采集到的地下水参数的模拟量信号传输至信号调理模块；模拟信号线束封装是将多个传感器的输入线束进行组合封装并进行防水密封处理。多通道采集模块包括ADC单元、MCU和USB通讯单元，所述MCU用于控制所述ADC单元将地下水参数的模拟量信号转换为数字量信号同时将转换完毕的数字信号通过USB通信模块上传至上位机并接收上位机下发的控制指令，进行各种采集操作。隔离电源包括电源电路和锂电池，所述电源电路包括PFC功率因数矫正、前级整流滤波、功率变压、后级整流滤波、输出保护，所述电源电路用于将外部220V交流电转换为设定电压的直流电向所述信号调理模块和多通道采集模块供电并给锂电池充电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
机译： 一种将传感器应用于测量部位的装置传感器头一种应用装置和传感器的套件以及用于生理参数的光学测量的应用装置的使用
机译： 地下水位测量装置和地下水位测量系统
机译： 一种用于操作血压测量装置的引导装置，其具有传感器层，该传感器层具有与显示光层的光区相对应的多个触摸区，其中触摸区通过接触向微处理器单元发送信号。
