CN105044303B - 一种水库多参数水质垂向动态数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水库多参数水质垂向动态数据采集装置，属于水质监测领域。该装置主要包括多参数数据采集模块，支撑架，步进电机模块，微控制器控制模块，和计算机终端。多参数数据采集模块包括数据采集电路、信号传输单元和密封外壳，微控制器控制模块包括单片机、按键电路、复位电路和晶振电路，用以控制步进电机调节采集模块的升降。具有抵消延时，准确监测水质参数变化率及调节采样频率的功能。本发明提出的多参数水质垂向动态数据采集装置，提高了采样精度，优化了数据存储空间，具有实用高效性，尤其适用于水库等大深水体的分成水质监测。

Description

一种水库多参数水质垂向动态数据采集装置

技术领域

本发明属于水质监测领域，涉及到一种水库多参数水质垂向动态数据采集装置。

背景技术

水源水库作为蓄水和供水的工程设施，水质保护与管理是实现安全供水的关键结点。在水库的运行过程中，水质污染问题越来越突出。水库建成后，由降雨径流驱动、人类活动影响、大气沉降和水库内的生物代谢沉积等形成的污染物，大部分积蓄在水库中，影响水体水质。尤其在我国东北地区，水源水库规模大，深度大，运行时间长，水库下层水质恶化严重。观察发现，运行20年以上的水库普遍存在内源污染问题。因此，如何深入研究水源水库，全面调查和监控水源水库水质的实际状况，评价水库垂向分布水质状况，成为研究适应性地水质管理对策的关键。

水质监测是保证水源水库环境安全的重要手段，水源水库水质监测的常规数据主要包括深度、温度、PH值、溶解氧、电导率、氧化还原电位等。在进行水质采集时，需要尽可能确保采集的是指定采样点实际状态下垂直剖面的水质数据，才能够对垂直剖面的水质状况作出正确评价。同时为了更好地研究水污染问题，总是希望观察水下的情况获得更多的水体信息，例如水下絮凝物的分布。传统的水质监测采用人工采样、实验室分析的方法进行，科研人员乘调查船到达采样点后，使用带有刻度绳的采水器获取指定深度的水样，然后将水样带回实验室进一步分析以获得水质数据。这种方法浪费人力物力，效率低下，数据的准确度比较依赖于采集的水样，而且不能很好地反映水质的连续动态变化。随着电子信息、微处理器及计算机技术的发展，传感器已在环境保护领域日益得到广泛应用，使得科研人员可以直接在现场测量常规水质参数。一方面，科研人员根据采样点处深度等间距的采集若干水样，使用单参数水质检测仪在现场直接检测水样，在显示屏上读取水质数据后人工记录存储，在一定的程度上提高了数据的准确度。但要想较好捕捉各水质参数垂向分布的变化趋势了解水质状况，就要增加采样点处的测量数目，费时费力，而且也不能保证加密的测量点就是水质状况发生较大变化的区域。另一方面，科研人员可以在现场配合绞车使用CTD多参数水质检测仪，以一定速度匀速下放自动获得垂直剖面的水质分布数据。例如，德国Sea&Sun公司CTD90m检测仪可以选择深度间隔模式或者连续模式等测定垂直剖面的深度、温度、PH值、溶解氧、电导率、氧化还原电位、浊度等水质数据，通过连接笔记本电脑就可以在现场观察水质参数变化趋势。但其功能较单一，所使用的水质监测装置并不具备获取仪器所处水下状况的能力，可能会有导致损坏仪器，采集效率不高等问题，且主要面向海洋环境，价格也高达40～50万RMB。

显然，现有的水源水库水质监测装置并不能为科研人员提供真实反映水质状况垂向分布的数据。因此，急需提供一种成本低廉，安全可靠，节省人力物力，既能较好捕捉水源水库水质垂向分布情况提高采样效率以及精度，又能观测水下情况的水质监测装置。

发明内容

本发明致力于解决现有技术测量水源水库水质垂向分布数据采集装置的不足，提供一种成本低廉、安全可靠、适用于水源水库的多参数水质垂向分布动态采集装置，通过嵌入水库多参数水质垂向动态数据采集方法测量，实现水体垂向多参数水质的在线观测和数据存储。

本发明的技术方案，水库多参数水质垂向动态数据采集装置主要包括传感器模块、多参数数据采集模块、支撑架、步进电机模块、微控制器控制模块、计算机终端。传感器模块主要包括：温度传感器、压力传感器、pH值传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、氧化还原传感器。多参数数据采集模块包括数据采集电路、数据传输电路、水密接头、上方拧盖、圆柱形壳体、下方拧盖、传感器保护罩、配重。传感器模块采集水源水库水质的参数将其转换为模拟电信号的参数，在由多参数数据采集模块将模拟电信号转换成相应的数字信号由上位机界面进行相应数据的处理，图形的显示以及存储。支撑架包括带电缆接口的绞盘、支座、带滑轮的支架、电缆。微控制器控制模块主要包括单片机控制电路、按键电路、复位电路、晶振电路、驱动隔离电路。步进电机模块采用86型步进电机。数据采集电路由STC12C5A60S2作为核心处理器以及外围电路组成。计算机终端的上位机数据处理、显示与数据存储模块。通过labview开发上位机显示界面并通过access2007进行数据的存储。

水库多参数水质垂向动态数据采集装置的多参数数据采集模块密封舱采用拧盖的机械结构，上端拧盖为内半径为7cm，厚度为0.8—1cm，高度为8cm的上部封顶的圆柱形盖，上端拧盖上方有五个圆孔为安装水密接头的接口以及固定水密接头的螺栓的插入位置。上端拧盖的中心位置为半径为1cm的圆孔，通过这个圆孔将水密接头嵌入到水质垂向分布采集装置的上端宁盖上。且中心位置成边长为2.5cm的正方形的各个顶角处有半径为2mm的圆孔，插入螺栓固定水密接头。多参数数据采集模块外壳的上端拧盖的下内侧有滑丝螺纹用于与水质主体相连接。水质垂向分布采集装置外壳的主体采用加厚型的有机玻璃材料提高外壳整体的耐压强度。其整体长度为50cm，外半径为7cm的空心圆柱形的结构且主体结构的上下端外壳有滑丝螺纹用来固定上下端的拧盖。下端拧盖采用内半径为7cm，高为8cm，厚度为0.8—1cm的下部密封的圆柱形盖，下端拧盖的有五个圆孔，其中四个半径为13mm，两个半径为10mm，且每个圆孔的之间的间隔为20mm，将一个半径为10mm的圆孔打在下端拧盖的中心位置，其他圆孔呈圆形均匀的分布在中心圆孔的周围。圆孔的作用为固定水质采集要用到的传感器。保护罩同样采用强度较大的PVC材料，长度为12cm，采用半密封的圆柱形结构，上端带有滑丝螺纹可与多参数数据采集模块的下端拧盖相连接。同时将配重固定在多参数数据采集模块保护罩的内部，多参数数据采集模块的保护罩的侧壁为镂空的结构呈六个条状连接。

水库多参数水质垂向动态数据采集装置的支撑架包括带有电缆接口的绞盘、支座、带有滑轮的支架、电缆。支座中搭载步进电机并固定升降装置，缆绳用来提拉传感器的升降。

微控制模块采用STC89C52单片机作为整个控制系统的核心，外围电路包括：晶振短路、复位电路、按键电路、步进电机驱动隔离电路。其中按键电路对步进电机进行控制，采用三个按键：运行、停止、上拉减速。步进电机采用86型步进电机。单片机的驱动电源采用电脑USB接口自带的5V直流电，步进电机采用24V直流电驱动。

多参数数据采集模块采用以STC12C5A60S2作为数据采集的核心控制器，8路采集模拟电信号转换成为数字信号。RS485作为通信接口，将数据采集模块采集到的数字电信号送到上位机进行数据的显示及存储。

计算机终端的上位机界面采用labview进行开发，界面包括：串口设置，数据传输设置，由计算机终端上位机界面的底层程序修改显示高度来抵消延时对采样深度与采样的实际数据产生的影响。各个水质参数的数值显示，水质参数随深度变化而变化的曲线，以及各水质变化率超过阀值产生报警的报警器，通过水质变化率自动调节采样频率。同时水库多参数水质垂向动态数据采集装置的计算机终端的上位机界面通过数据库存储水质数据，新建数据库，数据库选择，以及读取历史图形的功能。

本发明提出了一种水库多参数水质垂向动态数据采集装置，通过微控制器进行控制操作，实现了半自动测量，并根据水质各项参数的变化速率调节采样频率以及采集装置的上拉以及下放速度，实现多参数水质垂向分布的在线观测，提高了采样精度，优化了数据存储空间，具有实用高效性，尤其适用于水库等大深水体的分成水质监测。

附图说明

图1是水库多参数水质动态数据采集装置的结构示意图。

图2是多参数数据采集模块。

图3是支撑架机械结构示意图。

图4是数据采集电路图。

图5是微控制器控制电路图。

图6是计算机终端的上位机界面结构图。

图7是水库多参数水质动态数据采集装置操作流程图。

图中：1传感器模块；2支撑架机械结构；3步进电机模块，4微控制器控制模块5计算机终端；

1-1上拧盖；1-2外壳；1-3下拧盖；1-4配重及保护罩；1-5传感器组；1-6水密接头；

2-1带电缆接口的绞盘；2-2支座；2-3带滑轮的支架；2-4电缆。

具体实施方式

本发明的水库多参数水质垂向动态数据采集装置的操作方法，在计算机终端的上位机界面采用延时抵消的方法消除延时产生的测量误差，通过水库多参数水质垂向动态数据采集装置采集垂直剖面的水质并实时接收并分析测量点处水质各项参数、计算显示变化速率，通过微控制器4控制在按键支撑架2的基础上来调节多参数数据采集装置1的上拉及下放速度，从而实现在不同深度选择适应性的采集频率和下放速度，高效的监测垂向水体水质各项参数的变化过程。

当水质各项参数的变化速率较小时，以初始设定值进行下放。当水质各项参数的变化速率大于阈值时产生报警，计算机终端5的上位机界面自动调节增加采样频率并通过按键控制步进电机3上拉一段距离并减小下放多参数数据采集模块1的速度，提高监测频率。

水库多参数水质垂向分布采集装置的操作步骤如下：

步骤1.

到达采样地点后，将支撑架2及步进电机模块3固定好，使用电缆将多参数数据采集模块1与计算机终端5连接好并搭载在支撑架2上。连接步进电机模块3与微控制器控制模块4。

步骤2.

装置搭建完成后，初始化微控制器控制模块4，设定多参数数据采集模块1下放速度V、停顿采样的间隔时间T。通过计算机终端5的界面初始化串口，采集地点，设置水质指标的变化速率控制值S，由微控制器控制模块4控制下放装置。

步骤3.

多参数数据采集模块1与水面表层充分接触后，控制微控制器控制模块4按键停止下放，等待一段时间多参数数据采集模块1适应水下条件以后，开始采集水质数据。通过微控制器控制模块4下载好的程序控制步进电机3从而启动步进电机3以一定的速度下放水下数据采集模块1，每隔一定的距离停顿一定的时间，使数据采集模块1有充分的时间采集数据。

步骤4.

计算机终端5的界面实时读取水下多参数数据采集系统1采集的水质数据，并且将水下水质采集系统所处水面表层的位置作为第一个采样点k。

步骤5.

多参数数据采集模块到达第二个采样点采集该点的水质数据，根据最小二乘法拟合得到第k个采样点的水质各项参数的变化速率Sk。

步骤6.

当到达第k+1个采样点时，根据最小二乘法拟合第k+1个采样点的水质各项参数的变化速率Sk+1，此时计算水质各参数的变化速率，得到第k+1个采样点的水质各项参数的变化速率Sk+1与第k个采样点的水质各项参数的变化速率Sk的差值的绝对值，选择变化速率最大的水质参数。

步骤7.

与预设的阀值进行比较。

步骤8.

判断是否大于预设的阀值，当该水质参数的变化速率大于变化速率控制值S时，计算机终端5的界面发出报警命令，通过微控制器模块4控制步进电机3上拉一段距离，并且降低下放多参数数据采集模块1的速度，增加测量点数目；当该水质参数的变化速率小于变化速率控制值S时，继续以该速度下放多参数数据采集模块1。

步骤9.

待第一个采样点完成数据采集后，计算机终端5的界面实时判断水下数据采集模块1是否触底，如果没有触底，继续采集。

步骤10.

微控制器控制模块4发出控制命令使步进电机3产生动作继续以当前的速度下放多参数数据采集模块1。

步骤11.

判断是够采集结束，如果没有结束，则重复步骤1-10，根据测量点水质指标的变化速率实时调节下放速度完成所有测量点的水质数据采集。

Claims (1)

1.一种水库多参数水质垂向动态数据采集装置，包括：多参数数据采集模块(1)、支撑架(2)、步进电机模块(3)、微控制器控制模块(4)和计算机终端(5)；其特征在于：多参数数据采集模块(1)的多传感器组将水下的水质参数转化为模拟量电信号再通过数据采集电路转化为数字信号；上位机界面根据数字量与实际参数的关系，将数字量转化、显示并存储；微控制控制模块(4)支撑架(2)机械结构的基础上控制步进电机模块(3)实现高效水质参数采集；由计算机终端(5)的上位机界面抵消延时方法减小测量误差，通过计算机终端(5)的上位机界面显示多个水质参数的变化率并优化采样频率，同时通过步进电机(3)控制电缆下放高效采集水质数据；

微控制器(4)控制步进电机(3)作为驱动装置在支撑架(2)的基础上从水面到水底下放多参数数据采集模块(1)，采集测量点处垂直剖面的水质数据，当报警响起时通过按键控制装置上升一段距离减速下放；计算机终端(5)利用LabVIEW开发水库水质上位机监控界面，通过计算机终端(5)的上位机监控界面抵消延迟带来的误差，设定初始化采集参数并计算水质参数变化率设定水质参数变化率报警阀值，根据水质变化率调节采样频率，将获得的水质数据以数值和曲线的形式实时显示各水质参数的变化趋势，并存储在SQL数据库中。