[發明專利]一種全自動遠程水庫水情監測預警裝置及其使用方法

有效

• 申請號: 202110573370.4
• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號: CN113465661B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 張凱;楊鑫;沈光澤;向衍;劉成棟;王亞坤
• 申請（專利權）人: 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G01D11/30;G01D11/24;G01D11/16;G01D11/00;G01S19/14;G05D1/02;B08B1/00;H04N7/18
• 代理公司: 青島致嘉知識產權代理事務所(普通合伙) 37236
• 代理人: 李浩成

1.一種全自動遠程水庫水情監測預警裝置，其特征在于，該裝置包括：動力裝置和集成監測預警裝置，集成監測預警裝置由濁度監測模塊、電導率監測模塊、流速監測模塊和靜水壓力監測模塊組成；所述的動力裝置為監測裝置提供在水中移動的動力并記錄監測裝置的地理坐標，包括一個控制盒（a1），四個螺旋槳（a2），四臺發電機（a3），一臺控制PC機（a4），一套GPS定位裝置（a5）；所述的濁度監測模塊利用感光傳感器測量散射光束在水中的散射程度實現對水庫水情進行監測，包括一個清潔刷轉動軸（b1），一個90度感光傳感器（b2），一條感光傳感器數據線（b3），一套光信號數據分析裝置（b4），一臺140度感光傳感器（b5），一個帶毛的清潔刷（b6），一個散光凹透鏡（b7），一個橫向聚光鏡片（b8），兩個鏡片固定架（b9），一個黑色遮光器（b10），一個透明有機玻璃（b11），兩個個感光傳感器圓筒（b12）和一個凹透鏡圓筒（b13）；所述的電導率監測模塊通過測量溶液電阻實現對水庫水體電導率的監測，包括一個蓄電池（c1），一根導線（c2），一個水泵（c3），一個正電極（c4），一個負電極（c5），一根導水管（c6）一個電流表（c7）和一個電壓表（c8）；所述的流速監測模塊通過激光粒子成像技術進行水庫水體流速監測，包括一個圖片存儲器（d1），一個防水外裝盒（d2），一個相機外接蓄電池（d3），一個激光蓄電池（d4），一條激光發射器電源線（d5），一個固定底板（d6），一個激光發射器（d7），一個透明有機玻璃防水板（d8），一個聚光凸透鏡（d9），一個固定支架（d10），一個60度三角錐（d11），一臺ccd相機（d12），一個流速計（d13），一個流速計支架（d14），一條相機數據線（d15）和一條相機電源線（d16）；所述的靜水壓力監測模塊通過兩個應力傳感器測量水庫靜水壓力，兩個應力傳感器的測量結果互為驗證，包括一個一號應力傳感器（e1），一個一號應力信號存儲器（e2），一個二號應力傳感器（e3），一個二號應力信號存儲器（e4）和兩條應力存儲器數據線（e5）；

所述的濁度監測模塊中，所述的清潔刷轉動軸（b1）固定在防水外裝盒（d2）上端表面，其材質為不銹鋼，其長度為1~2cm；所述的90度感光傳感器（b2）固定在感光傳感器圓筒（b12）內部，內部有電源裝置，其工作電壓為3.3~5.5V，其光通量測量范圍為0~20000lm；所述的兩條感光傳感器數據線（b3）分別用于連接90度感光傳感器（b2），140度感光傳感器（b5）與光信號數據分析裝置（b4），其長度為20~30cm；所述的光信號數據分析裝置（b4）用于存儲感光傳感器的監測數據；所述的140度感光傳感器（b5）固定在感光傳感器圓筒（b12）內部，內部有電源裝置，其工作電壓為3.3~5.5V，其光通量測量范圍為0~20000lm；所述的帶毛清潔刷（b6）安裝在清潔刷轉動軸（b1）上，其材質為聚酯纖維，其長度為1~2cm；所述的散光凹透鏡（b7）安裝在凹透鏡圓筒（b13）內部，用于對激光光束的擴散，其焦距為30~50mm；所述的橫向聚光鏡片（b8）固定在兩片鏡片固定架（b9）中，用于對激光光束的聚焦，其焦距為20~50mm；

所述的兩個鏡片固定架（b9）安裝在黑色遮光器（b10）上，其材質為不銹鋼，其厚度為1~2mm；所述的黑色遮光器（b10）安裝在防水外裝盒（d2）內部，用于遮蔽外部光束的影響，其材質為合成樹脂；所述的透明有機玻璃（b11）密封連接在防水外裝盒（d2）邊緣，作為觀測水體懸濁物的視窗，其厚度為3~5mm；所述的兩個感光傳感器圓筒（b12）安裝在防水外裝盒（d2）內部，用于固定90度感光傳感器（b2）和140度感光傳感器（b5），其材質為不銹鋼，厚度為1~2mm；所述的凹透鏡圓筒（b13）安裝在防水外裝盒（d2）內部，用于固定散光凹透鏡（b7），其材質為不銹鋼，厚度為1~2mm；

所述的動力裝置中，所述的控制盒（a1）材質為ABS塑料，其長度為50~80cm，寬度為30~50cm，高度為20~40cm，厚度為1~2cm；所述的四個螺旋槳（a2）安裝于控制盒（a1）邊緣，互相間隔90度，其功率為20~50馬力；所述的四臺發電機（a3）安裝于控制盒（a1）內的螺旋槳（a2）旁，為螺旋槳（a2）提供動力，其輸出電壓為220V，功率為3kW~6kW；所述的控制PC機（a4）安裝于控制盒（a1）內，其電源電壓為220V；所述的GPS定位裝置（a5）安裝于控制盒（a1）內，實時記錄裝置的地理坐標；

所述的電導率監測模塊中，所述的蓄電池（c1）用于提供裝置中的電流，其電壓范圍為1~5V；所述的導線（c2）用于連接蓄電池（c1）和兩個電極，其長度為10~20cm；所述的水泵（c3）用于抽放導水管（c6）中的水體樣本，固定在防水外裝盒（d2）上，其工作功率為5V，其工作揚程為1~3m；所述的正電極（c4）為輸入電流端，其材質為鎢銅合金，厚度為0.5~1mm；所述的負電極（c5）為輸出電流端，其材質為鎢銅合金，厚度為0.5~1mm；所述的導水管（c6）用于存放水體，其材質為PVC，其厚度為1~3mm；所述的電流表（c7）固定在防水外裝盒（d2）上，其量程為1~5A；所述的電壓表（c8）用于測量電路電壓，其量程為1~5V；

所述的流速監測模塊中，所述的圖片存儲器（d1）固定在防水外裝盒（d2）內部，其內存為1~5G；所述的防水外裝盒（d2）材質為ABS塑料，其厚度為5~15mm；所述的相機外接蓄電池（d3）為ccd相機（d12）提供電源，其容量為1~5AH；所述的激光蓄電池（d4）為激光發射器（d7）提供電源，其容量為1~5AH；所述的激光發射器電源線（d5）連接激光蓄電池（d4）和激光發射器（d7），其長度為10~30cm；所述的固定底板（d6）用于放置激光發射器（d7）及激光蓄電池（d4），其材質為不銹鋼，其厚度為3~7mm；所述的激光發射器（d7）用于產生激光束，其功率為4kW?~10kW；所述的透明有機玻璃防水板（d8），其材質為有機玻璃，厚度為4~8mm；所述的聚光凸透鏡（d9）用于對激光束的聚焦，安裝于固定支架（d10）上，其焦距為40~60mm；

所述的固定支架（d10）用于安裝固定聚光凸透鏡（d9）及60度角錐，其材質為不銹鋼，厚度為5~10mm；所述的60度角錐用于對激光束擴散，其擴散角度為60度；所述的ccd相機（d12）用于拍攝水下高清視頻，600萬物理像素，最高拍攝頻率為40fps；所述的流速計（d13）用于測量裝置左右方向流速，內置電源，其工作電壓范圍為5~12V；所述的流速計支架（d14）安裝在防水外裝盒（d2）外部，其材質為PVC，其厚度為1~3mm；所述的相機數據線（d15）連接ccd相機（d12）和圖片存儲器（d1），其長度為20~30cm；所述的相機電源線（d16）連接ccd相機（d12）和相機外接蓄電池（d3），其長度為20~30cm；

所述的靜水壓力監測模塊中，所述的一號應力傳感器（e1）用于獲取靜水壓力值，內置電源，其工作電壓為5~10V；所述的一號應力信號存儲器（e2）用于存放一號應力傳感器靜水壓力監測數據，內置電源，其內存為1~5G；所述的二號應力傳感器（e3）用于獲取靜水壓力值，內置電源，其工作電壓為5~10V；所述的二號應力信號存儲器（e4）用于存放二號應力傳感器靜水壓力監測數據，內置電源，其內存為1~5G；所述的應力存儲器數據線（e5）連接應力傳感器及應力信號存儲器，其長度為20~30cm。

2.一種利用權利要求1所述的一種全自動遠程水庫水情監測預警裝置的使用方法，其特征在于包括以下步驟：

（1）將四組螺旋槳（a2）與發電機（a3）分別連接，將控制PC機（a4）和GPS定位裝置（a5）和連接好的螺旋槳（a2）與發電機（a3）分別固定在控制盒（a1）中；

（2）將清潔刷轉動軸（b1）一端安裝在濁度監測模塊防水外裝盒（d2），另一端連接帶毛的清潔刷（b6），分別將90度感光傳感器（b2）、140度感光傳感器（b5）安裝在感光傳感器圓筒（b12）一端，再將散光凹透鏡（b7）安裝在凹透鏡圓筒（b13）一端，用感光傳感器數據線（b3）連接90度感光傳感器（b2）和140度感光傳感器（b5）至光信號數據分析裝置（b4），將感光傳感器圓筒（b12）固定于透明有機玻璃（b11）邊緣；

（3）安裝黑色遮光器（b10），通過鏡片固定架（b9）將橫向聚光鏡片（b8）安裝于黑色遮光器（b10）中，帶毛的清潔刷（b6）安裝在黑色遮光器（b10）下部；

（4）將ccd相機（d12）固定在防水外裝盒（d2）上，分別通過相機電源線（d16）和相機數據線（d15）連接ccd相機（d12）與相機外接蓄電池（d3）和圖片存儲器（d1），安裝透明有機玻璃防水板（d8），將流速計（d13）通過流速計支架（d14）安裝在防水外裝盒（d2）外部；

（5）安裝固定支架（d10），將60度三角錐（d11）和聚光凸透鏡（d9）安裝在固定支架（d10）上，安裝固定底板（d6）與防水外裝盒（d2）下部，將激光發射器（d7）與激光蓄電池（d4）安裝于固定底板（d6）上部，通過激光發射器電源線（d5）接通激光蓄電池（d4）與激光發射器（d7）；

（6）通過導線連接蓄電池（c1），正電極（c4），負電極（c5），電壓表（c8）和電流表（c7）形成工作電路，將正電極（c4）、負電極（c5）分別與導水管（c6）兩端連接，電流表（c7）和電壓表（c8）均固定于防水外裝盒（d2）內部，水泵（c3）安裝在防水外裝盒（d2）上；

（7）將一號應力傳感器（e1）和二號應力傳感器（e3）分別安裝于防水外裝盒（d2）外部，通過兩條應力存儲器數據線（e5）分別連接一號應力傳感器（e1）和一號應力信號存儲器（e2）以及二號應力傳感器（e3）和二號應力信號存儲器（e4）；

（8）將整個裝置放入水庫水體中，遠程控制控制PC機（a4）對裝置的移動路線進行控制，各個監測模塊開始采集監測數據并存儲至相應的數據存儲器中；

（9）監測結束后，工作人員提取出數據存儲器中的各項監測數據，結合監測裝置移動路線構建水庫水情多參數三維空間監測信息庫，分析數據，并且根據各項監測數據進行風險評估分析進行水情預警。