一种便携式湖库垂向水温连续实时自动监测装置的制作方法

本实用新型属于湖泊（水库）水环境监测应用技术领域，具体为一种便携式湖库垂向水温连续实时自动监测装置。

背景技术：

水体分层，是深水湖泊（水库）中最基本的湖沼学过程。对于有一定水深的湖泊，水体的季节性分层可能对湖泊内几乎所有水环境演化过程起着控制或影响作用。由于水体的热能传输不均匀，冷、热水体密度的差异导致水体的物理分层，进而产生不同水团化学性质的差异。例如：水库曾多次出现当地谓之“黑潮”的突发性水质恶化事件，严重时溶解氧急剧降低，鱼虾大量死亡。类似的案例近年来也多次发生在重庆、广东及华东地区的深水水库，当地环保部门的调查也证实，上述事件显然不是事故性污染排放、河流异重流等因素引起的“地区性事件”，而可能是水库温度分层结构被破坏，湖泊（水库）表层和湖泊（水库）底层的水体产生对流，缺氧层水体上翻，造成需氧生物窒息而亡的结果。从总体上看，对于湖泊（水库）的垂向水温监测还存在明显的不足，大多数的研究多集中在定量化的数值模型研究，缺乏必要的实时监测数据进行验证，尤其是在我国南方温暖气候地区，在极端气象和水文条件下深水湖泊（水库）的垂向水温实时监测一直存在相当大的困难。

申请号为CN201510262494.5的实用新型专利公布了一种浮动式水库垂向水温自动观测装置及方法。该装置一种浮动式水库垂向水温自动观测装置，包括漂浮在水面上的浮球，浮球底端固接有探头链，探头链末端固接有铅球，探头链向下深入水中，探头链上自上而下安装有若干水温探头。可以对水库深水区垂向水温自动观测。但该实用新型专利存在以下的局限性：1）单纯的依靠铅球的重量难以确保探头链保持垂直，这种方式在实际中监测误差较大，因为湖泊（水库）不同的水层流速不同，会造成探头链的偏移。2）单纯的依靠探头链的长度判断水深，这种方式在实际中误差很大，原因如1）所描述。3）操作复杂，在实际监测中，需要临时安装水温探头或者携带多条探头链，不便于现场工作的开展。4）若湖泊（水库）水面面积较大，需要布置多个自动观测监测设备时，由于每个探头链都需要悬挂若干个水温探头，花费的成本较大。5）深水湖泊（水库）存在着跃温层的存在，需要进行加密测量才能精细的剖析其垂向水温的变化规律，但该装置只是粗略的将水库划分为上下两侧，对于跃温层不能加密测量，容易遗漏垂向水温的变化规律。6）由于该实用新型专利没有设置供电装置，不能长时间持续进行垂向水温的监测。

技术实现要素：

为了克服以上的缺点，本实用新型提供一种便携式湖库垂向水温连续实时自动监测装置。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种便携式湖库垂向水温连续实时自动监测装置，包括壳体，壳体内设置的通信定位监测装置、电池、牵引传动装置和数据存储器， 所述牵引传动装置连接一个穿过壳体底部垂直向下的牵引线，通过牵引传动装置的转动控制牵引线的上升或下降，牵引线的末端连接有水温传感器、水压传感器和配重体；壳体底部下端连接有向下延伸的固定锚。

进一步的，所述通信定位监测装置为GSM/GPRS+GPS模块，GSM/GPRS+GPS模块连接电池和数据存储器，GSM/GPRS+GPS模块与数据存储器之间设置有数据传输控制器，GSM/GPRS+GPS模块连接有传输天线，GSM/GPRS+GPS模块将定位信息、不同水深的垂向水温和水压监测数据实时传输给岸边基站进行记录。

进一步的，壳体外设置有太阳能电池板，所述电池为直流蓄电池，直流蓄电池与太阳能电池板相连接，直流蓄电池为通信定位监测装置、牵引传动装置、数据存储器、水温传感器、水压传感器提供电源。

进一步的，牵引线由钢缆、电缆以及信号传输线组成，外侧包有防水层，电缆与电池连接，为水温传感器和水压传感器供电；信号传输线与数据存储器相连接，以将水温传感器和水压传感器监测的水温和水压数据传送给数据存储器。

进一步的，所述牵引传动装置由圆形齿轮转盘、电机及转速控制器构成；圆形齿轮转盘外侧有凹陷部分，凹陷部分有螺纹凹槽，用于放置牵引线，通过转速控制器来调节电机的转速，进而控制牵引线上升或下降的速率；转盘传动装置带动牵引线上升或下降的稳定速率为5 cm/s。

进一步的，所述牵引传动装置为转筒式卷扬机。

进一步的，壳体外设置有漂浮指示灯，所述漂浮指示灯与电池连接，中间设置有开关控制器。

进一步的，壳体四周设置有防冲撞缓冲装置。

本实用新型的有益效果：

1）本实用新型保证了垂向水深和水温的同步测量，通过水压的测量来推算垂向水深，保证了在垂向水温监测过程中不同水深测量的精度。

2）监测实时性、连续化和自主化，本实用新型通过GSM/GPRS+GPS模块，可以远程控制，避免了人为干扰造成的误差；通过牵引传动装置控制水温和水压传感器的上升或下降，实现了垂向水温和水深监测的连续化和实行性；监测装置有相应的固定锚，保证了监测设备位置的唯一性，保证了监测结果的准确性。

3）可长时间持续监测，本实用新型内部设置有直流蓄电池和太阳能充电电池板，可长效持续的为监测装置进行供电。

4）成本廉价，本实用新型的检测装置只设有一个水温传感器，通过牵引线的上升或下降实现不同垂向水温的测量。

5）本实用新型监测装置外侧设置有防冲撞缓冲位置，提高了监测设备的安全性。

下面结合附图和实施例对实用新型作一详细描述。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为转盘传动装置结构示意图；

图3为转筒式卷扬机结构示意图。

附图标记： 1.通信定位监测装置；2.电池；3.牵引传动装置；3-1. 圆形齿轮转盘；3-2.电机；4.固定锚；5.数据存储器；6. 水温传感器；7. 水压传感器；8. 配重体；9. 牵引线；10. 传输天线；11. 漂浮指示灯；12. 太阳能电池板；13-1.转速控制器；13-2.数据传输控制器；13-3.开关控制器；14.防冲撞缓冲装置。

具体实施方式

如图1所示，一种便携式湖库垂向水温连续实时自动监测装置，包括壳体，壳体内设置的通信定位监测装置1、电池2、牵引传动装置3和数据存储器5， 所述牵引传动装置3连接一个穿过壳体垂直向下的牵引线9，通过牵引传动装置3的转动控制牵引线9的上升或下降，牵引线9的末端连接有水温传感器6、水压传感器7和配重体8；壳体下端连接有向下延伸的固定锚4。

通信定位监测装置1为GSM/GPRS+GPS模块，GSM/GPRS+GPS模块连接电池2和数据存储器5，GSM/GPRS+GPS模块与数据存储器5之间设置有数据传输控制器13-2，GSM/GPRS+GPS模块连接有传输天线10，GSM/GPRS+GPS模块将定位信息、不同水深的垂向水温和水压监测数据实时传输给岸边基站进行记录。

壳体外设置有太阳能电池板12，所述电池2为直流蓄电池，直流蓄电池与太阳能电池板12相连接，直流蓄电池为通信定位监测装置1、牵引传动装置3、数据存储器5、水温传感器6、水压传感器7供电。

牵引线9由钢缆、电缆以及信号传输线组成，电缆与电池连接，为水温传感器和水压传感器供电；信号传输线与数据存储器相连接，以将水温传感器和水压传感器监测的水温和水压数据传送给数据存储器。

壳体外设置有漂浮指示灯11，所述漂浮指示灯11与电池2连接，中间设置有开关控制器13-3。壳体四周设置有防冲撞缓冲装置14。

在本实施例中：

GSM/GPRS+GPS模块：GSM/GPRS+GPS模块是由GPS全球定位系统模块与GSM/GPRS通信模块集成的，具有定位精度高、低耗等优点。通过GPS实时定位湖泊（水库）垂向水温的监测地点，并将定位信息通过GSM/GPRS通信模块传输给岸边基站进行记录。此外，GSM/GPRS+GPS模块还与数据存储器相连接，将不同水深的垂向水温和水压监测数据实时传送给岸边基站进行记录。在漂浮平台外层延伸有传输天线，可保证定位信息及传输信号的有效性和及时性。GSM/GPRS+GPS模块由直流蓄电池提供电源。

直流蓄电池：直流蓄电池电源采用小体积高容量锂电池。该直流蓄电池电源与太阳能电池板相连接。在光线条件较好的情况下，由太阳能充电电池板对其进行充电，使直流蓄电池的电量处于饱和状态。当光线条件不利的情况下，直流蓄电池电源为整个本实用新型专利提供电源。直流蓄电池是本实用新型的电源提供装置，可单独持续供电24小时。直流蓄电池与GSM/GPRS+GPS模块、牵引传动装置、数据存储器、水温传感器、水压传感器、漂浮指示灯相连接。

数据存储器：采用大容量便携式数据存储器，采用SD卡存储技术实现数据的采集和存储。具有结构简单、功耗低（模块功耗≤0.3W）、性能稳定、体积小以及成本低的特点。采用32位/64位高性能ARM处理器，处理速度快，性能稳定；数据存储类型为TXT文件，便于阅读；具有数据存储接口和系统控制接口；内置有电池，满电状态下可持续工作24小时以上；抗干扰能力强，适用于复杂的气象和水文条件。数据存储器主要用于实时接收并存储水温传感器和水压传感器的监测数据。同时，数据存储器还与GSM/GPRS+GPS模块相连接，并有数据传输控制器控制数据传输的频率，数据传输的频率为20s。数据存储器的电源由内置电源和直流蓄电池提供，先由直流蓄电池供电，在直流蓄电池电力不足时，内置电源再为数据存储器供电。

水温传感器：采用TDC-20水温传感器，分辨率0.01℃， 精度为0.1℃，范围为-40～100℃，工作深度为0～200m。用于实时监测不同垂向水深的水温，将监测到的水温数据传送给数据存储器进行处理。水温传感器每隔2s进行一次水温自动监测。水温传感器由直流蓄电池提供电源。

水压传感器：采用PY206水压传感器，量程在0.6MPa至120MPa之间，工作环境-20～85℃。考虑到不同的水层存在不同的流速，本实用新型中的牵引线会发生一定的偏移，因此，单纯依靠牵引线的长度来判断垂向水深往往造成很大的偏差。所以，本实用新型通过水压的测量来实时判断温度传感器是在何种水深下进行的水温监测，其结果精度往往比通过牵引线长度判断水深的方法要精确很多。压力传感器用于实时监测不同水深的水压，将监测到的水压数据传送给数据存储器进行处理。水压传感器的监测频率与水温传感器的监测频率一致，为2次/s。水压传感器由直流蓄电池提供电源。

配重体：为了使温度传感器和水压传感器能监测到湖泊（水库）底层的水温，需要在牵引线的末端悬挂配重体。配种体采用圆形铅球，其质量大小一般为2kg，具体情况可根据实际监测的湖泊（水库）大小以及水深而定。

牵引线：牵引线由钢缆、电缆以及信号传输线组成。钢缆的末端连接有水温传感器、水压传感器和配重体。钢缆采用直径3mm，6*19结构，1770MPa强度级，钢芯材质，其作用是用于拉拽传感器和配重体。牵引线与牵引传动装置相连接。钢缆是牵引线的主要受力部分。电缆与直流蓄电池相连接，其作用是用于给水温传感器和水压传感器进行供电。信号传输线与数据存储器相连接，其作用是将水温传感器和水压传感器监测的水温和水压数据传送给数据存储器。牵引线的外层有防水层进行包裹，防止漏电和杂物剐蹭。

漂浮指示灯：漂浮指示灯与直流蓄电池相连接，中间设置有开关控制器。在实际监测中，可根据光线条件及实际需要，远程控制漂浮指示灯的开闭。设置漂浮指示灯的作用是便于监测人员在光线条件不利或者实际需求的情况下，能快速寻找到本监测装置。

太阳能电池板：采用18V10W单晶太阳能电池板。太阳能电池板与直流蓄电池相连接，主要功能是在光线较好的情况下，对直流蓄电池进行充电，保证本监测装置具有更长的待机时间。

控制器：本监测装置有三种控制器，分别是：1）交流变频（直流）电机与直流蓄电池之间的转速控制器，主要由于调节交流变频（直流）电机的转速，进而控制水温传感器和水压传感器上升或下降的速率；2）数据存储器与GSM/GPRS+GPS模块之间的数据传输控制器，主要是用于控制数据传输的频率；3）漂浮指示灯与直流蓄电池之间的开关控制器，主要用于控制漂浮指示灯的开闭。

防冲撞缓冲装置：类似于船舶和快艇的四周边缘来进行防止碰撞的防撞条。在漂浮桶外侧沿柱体方向等间隔布置，主要作用是用来减缓本监测装置受到水面漂浮物的撞击力。此外，防冲撞缓冲装置还具有一定的浮力，增强了监测装置的漂浮能力。

固定锚：由于本实用新型监测装置需要在野外对湖泊（水库）的垂向水温进行长时间连续监测，可能面临着各种极端气象和水文条件的风险。此外，由于表层水体受到风场的影响，也会影响监测装置的定位效果。因此，本实用新型设置有固定锚，用于固定本监测装置。采用钢材质的四爪锚，质量一般为10kg，可根据现场环境进行替换。

此外，所有的监测装置均放置在圆柱型的漂浮平台上（直径为1000 mm），漂浮平台材质为抗腐、防冻、抗氧化、抗紫化线的强化材质的聚乙烯材料。颜色采用鲜亮的橘红色，便于本实用新型监测装置在工作期间识别。漂浮平台顶部有可打开且具有防水性的保护盖，保护盖的向阳面放置太阳能电池板和漂浮指示灯。

本实用新型的水深测定原理：

设定温度和压力传感器处于垂直水深h处时，此时，压力传感器测量的水压为P，则

P=P₀+ρgh

式中：P₀为当地的大气压强，单位帕斯卡；对于均质水体，ρ为1000kg/m³；g为重力加速度，为9.8 m/s²；h为垂向水深，单位m。

则有：

h=(P-P₀)/ρg

即可以通过水压的测量P推算出垂向水深h。

本实用新型的几个关键点：

1、水温水压同步监测。在实际操作中，通过水压传感器和水温传感器可以实时监测到不同垂向水深的水压和水温，通过压强计算公式，可以精确得到水深与水温的对应关系。提高了本实用新型专利监测结果的准确性。

2、数据存储及实时传输功能。在实际操作中，温度传感器和水压传感器每2s监测一个数据，且本实用新型需要实现长时间持续自主监测，会产生大量的监测数据。因此，本实用新型为了保障监测数据的安全性，进行了两项保护措施：一是将温度、水压传感器监测的数据实时传送至数据存储器进行存储，由于存储文件类型结构简单以及可以实现SD卡读取，因此可以根据监测时间的长短，更换不同容量的SD卡。二是通过GSM/GPRS+GPS模块，将实际监测的数据传送至岸边的基站。这种设置为监测数据的安全性上了双保险。

3、供电与充电装置。在实际操作中，要实现长时间不间断的监测，因此，对电源的供给提出了更高的要求。为了保障本实用新型监测装置正常运转，设置了直流蓄电池和太阳能电池板相结合的供电与充电装置。在光线较好的情况，由太阳能电池板为直流蓄电池进行充电，使直流蓄电池一直处于电量饱和状态；在光线不利的情况，由直流蓄电池为整个监测装置供电。这种设置比单一的直流蓄电池供电时间要长，保证了监测数据的数量和连贯性。

4、固定锚装置。在实际操作中，会面临着各种极端的气象和水文条件，单纯的依靠漂浮平台和配重体的重量，难以保证监测装置位置的唯一性。因此，本实用新型设置有固定锚，增强了整个监测装置的稳定性，保证了监测装置在整个监测过程中位置的唯一性。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上进行改进。牵引传动装置3为转盘传动装置。

如图1、2所示，所述牵引传动装置3由圆形齿轮转盘3-1、电机3-2及转速控制器13-1构成；圆形齿轮转盘3-1外侧有凹陷部分，凹陷部分有螺纹凹槽，用于放置牵引线9，通过转速控制器13-1来调节电机3-2的转速，进而控制牵引线9上升或下降的速率；转盘传动装置带动牵引线上升或下降的速率为5 cm/s。

本实施例中：电机为交流变频（直流）电动机。转盘传动装置具有完善的制动和过扭保护功能。圆形齿轮转盘外侧有凹陷部分，凹陷部分有螺纹凹槽，用于放置牵引线，防止在转动过程中牵引线交叉形成死结。通过转速控制器来调节交流变频（直流）电机的转速，进而控制牵引线上升或下降的速率。整个转盘传动装置由直流蓄电池提供电源。转盘传动装置带动牵引线上升或下降的速率为5 cm/s。

本实施例的传动装置采用齿轮运动，其优点如下：1）运行稳定，能较好的控制牵引线上升和下降的速率；2）为了避免牵引线因在缠绕过程中出现死结的问题，在圆形齿轮转盘中间设置有凹槽，凹槽处设置有螺纹状条纹，这种设计的目的是为了使牵引线按照螺纹状条纹有序的缠绕在凹槽处，避免出现牵引线打结的问题。

在实际操作中，通过转盘传动装置，可以实现牵引线的自动上升或者下降，且由于转盘传动装置为齿轮传动，增强了工作的稳定性和牵引线移动的匀速性，这对于本实用新型监测结果的精度至关重要。此外，由于转盘传动装置可以远程控制，在温跃层可以进行减缓转速，从而进行加密加测。这种装置的设置极大的减少了人工工作时间，提高了实际监测的效率。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上进行改进。所述牵引传动装置3为转筒式卷扬机。如图3所示。