一种浮力补偿式多参数垂向水质数据自动采集装置及使用
方法
技术领域
[0001] 本
发明属于水质监测测技术领域，涉及一种多参数垂向水质
数据采集装置，尤其涉及
一种浮力补偿式多参数垂向水质数据自动采集装置及使用方法。
背景技术
[0002] 水是
基础性自然资源和战略性经济资源，是人类赖以生存的基本要素，也是社会和经济发展的基本保障。随着社会经济快速发展，在污染超标排放和水资源过度开发的双重压力下，我国水环境污染问题愈发突显，各级管理部
门和广大群众对水环境保护工作日益重视。了解和掌握水环境状态是水环境保护工作开展的重要基础和基本条件。因此，如何能够全面准确的了解水环境状态，已经成为水资源管理和水环境保护的关键问题。
[0003] 水质监测是掌握和监控水质状态，了解水环境情况的重要手段。水质监测的常规数据主要包括
温度、深度、溶解
氧、Ph、电导率、氧化还原电位、
浊度等指标。随着
电子信息技术的发展和水质
传感器技术的日益完善，依靠水质传感器的常规水质参数原位测量开始逐渐取代传统的人工
采样和实验室监测的测量方式。监测人员将多参数水质检测仪器下放实现水质参数的原位获取。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
笔记本电脑即可现场观察水质参数变化趋势。但其功能较单一、采集效率不高、操作复杂、监测过程中容易触底等问题，水质数据的获取完全依赖单个水质传感器，一旦传感器出现故障必然影响检测数据。大连理工大学韩敏等发明的
专利“一种水库多参数水质垂向动态数据采集装置”(公开号：CN105044303A)对多参数水质监测装置进行了改进，实现了水质参数的半自动监测，并能够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运动速度，实现多参数水质垂向分布的在线观测，提高了采样
精度和采样效率，但是专利仍然局限于概念阶段，仍然存在设备复杂、步进
电机导致下放重量受限、数据采集过程中容易触底、缺少
传感器数据自检等不足。
[0004] 显然，现有的水质监测装置无法兼顾高精度高效率采样与便携性。也不具备防止装置触底、传感器数据自检等功能。因此，急需一种便携性好，高效率，高精度，智能化并能够实现传感器故障自检和防触底功能的水质垂向分布数据采集装置。
发明内容
[0005] 本发明致力于解决现有水质垂向分布数据采集装置的不足，通过增加
超声波水下测距传感器、多个水质传感器协同工作、采用步进电机并辅以浮力
块的下放方式，从而提出一种便携性好，高效率，高精度，智能化并能够实现传感器数据自检和防触底功能的水质垂向分布数据采集装置。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种浮力补偿式多参数垂向水质数据自动采集装置，主要包括水下监测装置1，升降及控制装置2两部分。
[0008] 所述的水下监测装置1包括两个多参数水质传感器1-1、水质传感器下保护套1-2、
超声波水下测距传感器1-3、线缆连接模块1-4、传感器上固定片1-5、传感器下固定片1-6、提手1-7和浮力块1-9。
[0009] 所述的两个多参数水质传感器1-1进行封装实现防水功能。所述的两个多参数水质传感器1-1并排设置，其主体均为圆柱体结构，底端设有各传感器
探头。所述的上固定片1-5和下固定片1-6通过
法兰固定在多参数水质传感器1-1上。所述的水质传感器下保护套
1-2为镂空结构，其周边开孔，底部两端为中间带孔
挡板，底部中间开孔，避免影响超声波水下测距传感器1-3，顶部通过连接
螺栓1-8与下固定片1-6连接，多参数水质传感器1-1底端的各传感器探头位于水质传感器下保护套1-2内。所述的线缆连接模块1-4固定在上固定片
1-5上，位于两个多参数水质传感器1-1中部，多参数水质传感器1-1顶端通过水下连接器与线缆连接模块1-4顶端连接。所述的超声波水下测距传感器1-3固定在下固定片1-6中部，其顶端通过水下连接器与线缆连接模块1-4底端连接。所述的提手1-7为弧形结构，其两端与上固定片1-5端部固接，中部通过拧紧螺栓与承重线缆2-10连接，承重线缆2-10端部与线缆连接模块1-4顶端通过水下连接器连接。所述浮力块1-9为平面轮廓与上固定片1-5相同的
泡沫柱体，套于两个水质传感器1-1外部。
[0010] 所述的超声波水下测距传感器1-3由超声波测距换能器和
信号处理的
单片机封装组成并能够实现防水功能。通过超声波水下测距传感器1-3采集装置与水底的距离数据并通过手持终端2-8实时显示，在装置与水底距离减小到预设数值后，装置开始提升，防止装置触底影响监测数据并保护传感器安全；通过操作手持终端2-8可实现采集装置的自动智能采集。
[0011] 所述的升降及控制装置2包括设备上
支架2-1、设备下支架2-2及其它结构。
[0012] 所述的设备上支架2-1主体由
钢管加工而成，其底端设有
锁紧装置2-11；其侧面设有悬臂，悬臂端部安装用于设备升降的
滑轮；其上部安装升降步进电机2-3、
绞盘2-4、数据蓝牙传输模块2-5、步进电机
驱动器2-6、控制单元2-7、手持终端2-8、电源2-9。所述电源2-9分别为升降步进电机2-3、步进电机驱动器2-6、控制单元2-7、手持终端2-8供电。所述的控制单元2-7分别与步进电机驱动器2-6和手持终端2-8相连。
[0013] 所述的升降步进电机2-3由步进电机驱动器2-6驱动，升降步进电机2-3
转轴与绞盘2-4连接，绞盘2-4上设有数据蓝牙传输模块2-5，数据蓝牙传输模块2-5用于传输接收的水质数据和与水底的距离数据。所述的绞盘2-4端部设有一个手摇柄和固定孔，在上支架2-1上与该固定孔对应的
位置同样设有一个固定孔，用于插入绞盘固定销轴2-13，阻止绞盘转动；拔出绞盘固定销轴2-13，通过手摇柄能够手动完成装置在水面以上部分的下放和回收。
所述的承重线缆2-10缠绕于绞盘2-4上穿过滑轮，承重线缆2-10的一端与线缆连接模块1-4顶端连接，另一端与数据蓝牙传输模块2-5相连。
[0014] 所述的控制单元2-7分别与步进电机驱动器2-6和手持终端2-8相连并通过蓝牙接收数据蓝牙传输模块2-5发送的数据，进行分析并控制升降步进电机2-3以实现水质参数的自动智能采集和手动采集。所述的手持终端2-8接收控制单元2-7发送的水质参数数据、水底距离数据和步进电机转速数据并将步进电机转速数据转换为下放速度进行显示，绘制水质参数数据的变化曲线，同时将这些数据、地理位置信息和时间信息保存到手持终端2-8。所述的手持终端2-8显示的水质参数数据是各对应传感器发送的数据均值，并可查询各个传感器测量的具体数值，当同一参数的水质传感器1-1数据结果出现较大分歧时，手持终端
2-8显示警告，提示检查对应参数的传感器。
[0015] 所述的设备下支架2-2主体由钢管加工而成，设备下支架2-2上端与设备上支架2-1套接，二者能够相对转动，并通过锁紧装置2-11锁紧；设备下支架2-2侧面设有两个三
角形
支撑架，支撑架与主体钢管之前通过折页连接，能够绕主体钢管转动。所述的支撑架下侧钢管上设有固定槽，底部支撑杆2-12两端固定在三角形支撑架下侧钢管的固定槽上，用于维持设备下支架2-2的稳定和操作人员的站立。
[0016] 上述浮力补偿式多参数垂向水质数据自动采集装置的使用方法，包括以下步骤：
[0017] 步骤1：组装水下监测装置1和升降及控制装置2，操作人员踩在底部支撑杆2-12上，插入绞盘固定销轴2-13，将设备上支架2-1旋转至身侧，将承重线缆2-10和线缆连接模块1-4连接，并锁紧其与提手1-7中部相交处。
[0018] 步骤2：参考手持终端2-8显示的经纬度坐标信息，若到达
指定采样点后，旋转设备上支架2-1使其伸出采样船后，拧紧锁紧装置2-11，同时取出绞盘固定销轴2-13并通过绞盘2-4上摇柄手动下放水下监测装置1至水下监测装置1没入水中，在手持终端2-8上操作开始下放装置进行水质参数采集。
[0019] 步骤3：在装置自动采集模式的下放过程中，数据蓝牙传输模块2-5实时将水质参数数据发送给控制单元2-7，控制单元2-7提取水质参数数据，并根据水质参数数据发送信号至步进电机驱动器2-6，控制水下监测装置1的下放速度。同时，控制单元2-7实时地将得到的水质参数数据和步进电机2-7的转速发送至手持终端2-8。
[0020] 步骤4：手持终端2-8实时显示水质参数数据、装置与水底距离及下放速度，并将水质参数数据以变化曲线的形式进行绘制、显示。
[0021] 步骤5：在采集水质参数数据的过程中，当两个多参数水质传感器1-1数据结果出现较大分歧时，手持终端2-8显示警告，在完成采样后找出测量结果错误的传感器，在使用数据时剔除错误传感器记录的数据。
[0022] 步骤6：在装置与水底距离减小到预设数值后，装置开始提升，当浮力块升至水面时，摇动手摇柄将装置提升至适宜高度后，插入绞盘固定销轴2-13，并松开锁紧装置2-11，旋转设备上支架2-1使其缩回至采样船内，结束本次监测。
[0023] 本发明的益处与优点在于：采用步进电机下放并通过浮力块的浮力补偿从而使得步进电机
扭矩能够满足装置下放重量需要，避免使用大扭矩电机导致的下放及配套装置体积过大，通过对各部分的集成实现装置的便携性，提升了装置的便携性和实用性。通过增加超声波水下测距传感器实时测量装置与水底距离并进行反馈，防止装置触底影响测量结果，保护传感器；多个水质传感器协同工作实现传感器数据自检。
附图说明
[0024] 图1是一种浮力补偿式多参数垂向水质数据自动采集装置整体示意图。
[0025] 图2是水下监测装置正视图。
[0026] 图3是水下监测装置(除浮力块外)正视图。
[0027] 图4是水下监测装置(除提手外)俯视图。
[0028] 图5是升降及控制装置正视图。
[0029] 图6是升降及控制装置左视图。
[0030] 图7是设备下支架和底部支撑杆组合后俯视图
[0031] 图中：1水下监测装置；2升降及控制装置；1-1多参数水质传感器；1-2水质传感器下保护套；1-3超声波水下测距传感器；1-4线缆连接模块；1-5上固定片；1-6下固定片；1-7提手；1-8连接螺栓；1-9浮力块；2-1设备上支架；2-2设备下支架；2-3升降步进电机；2-4绞盘；2-5数据蓝牙传输模块；2-6步进电机驱动器；2-7控制单元；2-8手持终端；2-9电源；2-10承重线缆；2-11锁紧装置；2-12底部支撑杆；2-13绞盘固定销轴。
具体实施方式
[0032] 以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。
[0033] 一种浮力补偿式多参数垂向水质数据自动采集装置，主要包括水下监测装置1，升降及控制装置2两部分。
[0034] 所述的水下监测装置1包括两个多参数水质传感器1-1、水质传感器下保护套1-2、超声波水下测距传感器1-3、线缆连接模块1-4、传感器上固定片1-5、传感器下固定片1-6、提手1-7、连接螺栓1-8和浮力块1-9。
[0035] 所述的两个多参数水质传感器1-1分别集成一套需获取参数的传感器并进行封装实现防水功能，防护等级满足日常使用的防水需求。所述的两个多参数水质传感器1-1并排设置，其主体均为圆柱体结构，底端设有各传感器探头。所述的上固定片1-5和下固定片1-6通过法兰固定在多参数水质传感器1-1上。所述的水质传感器下保护套1-2为镂空结构，其周边开孔，底部两端为中间带孔挡板，底部中间开孔，避免影响超声波水下测距传感器1-3，顶部通过连接螺栓1-8与下固定片1-6连接，多参数水质传感器1-1底端的各传感器探头位于水质传感器下保护套1-2内，水质传感器下保护套1-2周边开孔便于传感器探头周边
水体的交换。所述的线缆连接模块1-4固定在上固定片1-5中部，两个多参数水质传感器1-1位于线缆连接模块1-4左右两侧；超声波水下测距传感器1-3通过主体中下部的法兰与传感器下固定片1-6连接，位于线缆连接模块1-4下方。所述数水质传感器1-1上端通过水下连接器与线缆连接模块1-4顶端连接，超声波水下测距传感器1-3顶端通过水下连接器与线缆连接模块1-4底端连接。所述的提手1-7为弧形结构，其两端与上固定片1-5端部固接，中部通过拧紧螺栓与承重线缆2-10连接，承重线缆2-10端部与线缆连接模块1-4顶端通过水下连接器连接。所述浮力块1-9为平面轮廓与上固定片1-5相同的泡沫柱体，套于两个水质传感器1-1外部。
[0036] 所述的线缆连接模块1-4是封装为圆柱形的信号整合装置，防护等级满足日常使用的防水需求，内部通过
电路板将各水质传感器信号整合并由一根线缆输出。
[0037] 所述的超声波水下测距传感器1-3由超声波测距换能器和
信号处理的单片机封装组成并能够实现防水功能。通过超声波水下测距传感器1-3采集装置与水底的距离数据并通过手持终端2-8实时显示，在装置与水底距离减小到预设数值后，装置开始提升，防止装置触底影响监测数据并保护传感器安全；通过操作手持终端2-8可实现采集装置的自动智能采集。
[0038] 所述的上固定片1-5和下固定片1-6均由
不锈钢板开孔加工而成，上固定片1-5两侧各有一个圆孔与多参数水质传感器1-1主体外径相同，中间有一开孔与线缆连接模块1-4圆柱体外径相同，上固定片1-5上布有与多参数水质传感器1-1上法兰和线缆连接模块1-4钢片上螺孔对应的螺孔；下固定片1-6两侧各有一个圆孔与多参数水质传感器1-1下端带
螺纹圆柱体外径相同，中间有一开孔与超声波水下测距传感器1-3外径相同，下固定片1-6上布有与多参数水质传感器1-1下法兰和超声波水下测距传感器1-3法兰上螺孔对应的螺孔；所述的多参数水质传感器1-1、超声波水下测距传感器1-3和线缆连接模块1-4通过连接螺栓1-8固定在上固定片1-5和下固定片1-6上。
[0039] 所述的升降及控制装置2包括设备上支架2-1、设备下支架2-2、升降步进电机2-3、绞盘2-4、数据蓝牙传输模块2-5、步进电机驱动器2-6、控制单元2-7、手持终端2-8、电源2-9、承重线缆2-10、锁紧装置2-11、底部支撑杆2-12、绞盘固定销轴2-13。
[0040] 所述的设备上支架2-1主体由钢管加工而成，其下端设有锁紧装置2-11；其侧面设有悬臂，悬臂端部安装用于设备升降的滑轮；其上部安装升降步进电机2-3、绞盘2-4、数据蓝牙传输模块2-5、步进电机驱动器2-6、控制单元2-7、手持终端2-8、电源2-9。所述电源2-9分别为升降步进电机2-3、步进电机驱动器2-6、控制单元2-7、手持终端2-8供电。所述的控制单元2-7分别与步进电机驱动器2-6和手持终端2-8相连。
[0041] 所述的升降步进电机2-3由步进电机驱动器2-6驱动，升降步进电机2-3转轴与绞盘2-4连接，绞盘2-4靠近升降步进电机2-1一侧设有数据蓝牙传输模块2-5。所述的绞盘2-4端部设有一个手摇柄和固定孔，在上支架2-1上与该固定孔对应的位置同样设有一个固定孔，用于插入绞盘固定销轴2-13，阻止绞盘转动；拔出绞盘固定销轴2-13，通过手摇柄能够手动完成装置在水面以上部分的下放和回收。所述的承重线缆2-10缠绕于绞盘2-4上穿过滑轮，承重线缆2-10的一端通过水下连接器与线缆连接模块1-4顶端连接，另一端与数据蓝牙传输模块2-5相连。
[0042] 所述的数据蓝牙传输模块2-5由蓝牙数据发射器和电源封装而成，可将接收的水质数据和与水底的距离数据通过蓝牙向外传输。
[0043] 所述的控制单元2-7分别与步进电机驱动器2-6和手持终端2-8相连并通过蓝牙接收数据蓝牙传输模块2-5发送的数据，进行分析并控制升降步进电机2-3以实现水质参数的自动智能采集和手动采集。所述的手持终端2-8接收控制单元2-7发送的水质参数数据、水底距离数据和步进电机转速数据并将步进电机转速数据转换为下放速度进行显示，绘制水质参数数据的变化曲线，同时将这些数据、地理位置信息和时间信息保存到手持终端2-8。所述的手持终端2-8显示的水质参数数据是各对应传感器发送的数据均值，并可查询各个传感器测量的具体数值，当同一参数的水质传感器1-1数据结果出现较大分歧时，手持终端
2-8显示警告，提示检查对应参数的传感器。
[0044] 所述的设备下支架2-2主体由钢管加工而成，设备下支架2-2上端与设备上支架2-1套接，二者能够相对转动，并通过锁紧装置2-11锁紧；设备下支架2-2侧面设有两个三角形支撑架，支撑架与主体钢管之前通过折页连接，能够绕主体钢管自由转动。所述的支撑架下侧钢管上各设有用于固定底部支撑杆2-12的固定槽，所述底部支撑杆2-12由一根钢管两端分别
焊接一个固定片而成，底部支撑杆2-12的两端固定在三角形支撑架下侧钢管的固定槽上，用于维持设备下支架2-2的稳定和操作人员的站立。
[0045] 一种浮力补偿式多参数垂向水质数据自动采集装置的水体垂向水质数据采集具体实施步骤如下：
[0046] 步骤1：分别对水下监测装置1和升降及控制装置2进行组装，操作人员踩在底部支撑杆2-12上，插入绞盘固定销轴2-13，将设备上支架2-1旋转至身侧，将承重线缆2-10和线缆连接模块1-4连接，并锁紧其与提手1-7中部相交处。
[0047] 步骤2：参考手持终端2-8显示的经纬度坐标信息，若到达指定采样点后，旋转设备上支架2-1使其伸出采样船，拧紧锁紧装置2-11，取出绞盘固定销轴2-13并通过绞盘2-4上摇柄手动下放水下监测装置1至水下监测装置1没入水中，在手持终端2-8上操作开始下放装置进行水质参数采集。
[0048] 步骤3：在装置自动采集模式的下放过程中；数据蓝牙传输模块2-5实时将水质参数数据发送给控制单元2-7。控制单元2-7接收到
数字信号后，将其中的水质参数数据提取出来，根据这些水质参数数据和变化速率计算出修正后的步进电机2-7的转速，将计算后的转速以脉冲信号的形式发送给步进电机驱动器2-6，控制水下监测装置1的下放速度，从而实现在水质参数变化较快时，降低装置的下放速度，当水质参数变化较慢时，提高传感器单元的下放速度，在提高数据采集效率的同时，保证数据能够更好的显示水质变化规律。同时，控制单元2-7实时地将其得到的水质参数数据和其计算后的修正的步进电机2-7的转速发送给手持终端2-8。
[0049] 步骤4：手持终端2-8从控制单元2-7处接收到的水质参数数据、装置与水底距离以及由升降步进电机2-3转速数据换算出的下放速度进行显示，并将水质参数数据以变化曲线的形式进行绘制、显示。同时，水质参数数据和相应的地点信息、时间信息会以
数据库的形式被保存到手持终端2-8中。
[0050] 步骤5：当水质参数数据采集过程中，两个多参数水质传感器1-1数据结果出现较大分歧时，手持终端2-8显示警告，在完成采样后找出测量结果错误的传感器，在使用数据时剔除错误传感器记录的数据，实现水质传感器的数据自检。
[0051] 步骤6：在装置与水底距离减小到预设数值后，装置开始提升，等待上升直至浮力块1-9升至将好在水面以下时，通过绞盘2-4上摇柄手动提升至适宜高度，插入绞盘固定销轴2-13，松开锁紧装置2-11，旋转设备上支架2-1使其缩回至采样船内，结束本次监测。
[0052] 装置升降所使用的升降步进电机具有体积小、重量轻、直流供电和配套设备简单便携等优点，但其扭矩不足，提升重量受限，在承重线缆上增加浮力块，通过浮力块的浮力补偿减小装置在水中的重量，并通过绞盘上的摇柄手动完成装置在水面以上部分的下放和回收，从而实现装置的小型化和轻量化。水下监测装置1和升降及控制装置2可分解运输、现场组装，设备下支架2-2支撑架与主体钢管间使用折页连接，能够绕主体钢管自由转动从而将设备下支架2-2收起，提升了装置的便携性和实用性。
[0053] 以上所述
实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
