一种地下水监测井监测、滞水清洗及取样装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种地下水监测井监测、滞水清洗及取样装置，属于水文地质环境监测技术领域。


背景技术：

2.野外水文地质环境监测井位置往往比较偏僻，附近缺少供电或者网络设施，为地下水环境的监测增加了难度。目前，大部分监测井仍然依赖于人工测量、洗井以及取样，少部分监测井已采用监测设备，但监测目标比较单一，如只能单独进行水位或者水温的监测，部分监测井也采用了昂贵的水质监测设备，但因监测井长时间无清洗，滞水时间较长，往往造成地下水环境监测数据失真，例如do偏高，ec偏低等。
3.现有的监测井在人工采样时，仍需要人力现场洗井，由于现场洗井时间过长，造成一定的时间浪费，严重影响采样效率，而且可能无法完全进行滞水清洗，会造成采样不具代表性，测试结果无法反映地下水水质的真实情况。因此亟需设计一套能够解决野外地下水水位监测井监测和取样的缺陷，针对地下水监测井进行水文地质环境监测的装置。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种地下水监测井监测、滞水清洗及取样装置，结构简易，方便现场采用，提高采样效率；解决了地下水环境监测井因长时间滞水导致的采样不具代表性，水质监测数据不准确的问题。
5.为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：
6.提供一种地下水监测井监测、滞水清洗及取样装置，包括供电单元，以及与供电单元连接的数据采集及控制单元、滞水清洗单元、监测单元和数据通讯单元；
7.所述供电单元用于装置供电；
8.所述数据采集及控制单元包括处理器、模数转换器及继电器组；
9.所述监测单元包括电压检测传感器及安装在监测井内的水位水质传感器，所述处理器通过电压检测传感器连接供电单元的输出端；
10.所述数据通讯单元包括物联网网关，所述物联网网关的网络端口连接处理器；
11.所述滞水清洗单元包括设置在监测井内的潜水泵，所述处理器通过继电器组连接潜水泵。
12.进一步的，所述装置还包括系统保护单元，所述系统保护单元包括安装在太阳能电池板上方的避雷针，位于地下水监测井上方，用于容纳电路的保护箱，以及设置在保护箱内侧的散热风扇，处理器通过继电器组连接散热风扇的控制端。
13.进一步的，所述监测单元还包括与处理器连接的气温传感器，所述气温传感器安装在保护箱内部。
14.进一步的，所述供电单元包括太阳能电池板、蓄电池、与太阳能电池板连接的太阳能控制器，所述太阳能电池板与蓄电池的输出端连接电源转换器，电源转换器输出装置工
作所需电源。
15.进一步的，所述继电器组包括第一直流继电器、第二直流继电器和交流继电器，处理器通过交流继电器控制潜水泵，通过第一直流继电器控制散热风扇，通过第二直流继电器控制模数转换器和水位水质传感器。
16.进一步的，所述电源转换器包括24v直流转220v交流电逆变器、24v降5v直流转换器；所述24v降5v直流转换器向第一直流继电器供电，24v直流转220v交流电逆变器向交流继电器供电。
17.进一步的，所述处理器为树莓派微型电脑。
18.进一步的，所述水位水质传感器包括位于地下水监测井内的投入式水温传感器、投入式水位传感器、投入式ph传感器、投入式电导率传感器、投入式氧化还原电位传感器及投入式溶解氧传感器中的任意一种或任意组合。
19.进一步的，所述太阳能电池板和太阳能控制器与蓄电池之间设有充电回路；
20.所述处理器与太阳能控制器通信连接，以通过太阳能控制器控制太阳能电池板输出电量至蓄电池，或为装置供电。
21.与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：
22.根据程序设定以及特定需求对地下水监测井进行智能监测、滞水清洗，能够促进监测井中地下水的流通，从而保证了简易水质监测数据的准确性，解决了地下水环境监测井因长时间滞水导致的采样不具代表性问题，并使得现场使用更加简易方便，节约人力成本，提高采样效率；
23.增加水质监测内容，可定时发送数据，也可按照数据中心需求查看实时数据；采用滞水清洗单元，对监测井中滞水进行多种方式清洗，使得监测井中滞水排出，加大井中地下水的流通，使得监测井中地下水水质监测与采样不受滞水影响；
24.通过物联网网关，保证数据通讯的通畅性以及数据中心远程控制树莓派微型电脑的可靠性；使用电源转换器，满足野外电源需求；设置保护单元，保障系统正常运行；本实用新型提供的装置采用单元模块化设计，根据需要易于安装和维护。
附图说明
25.图1是本实用新型实施例一种地下水监测井监测、滞水清洗及取样装置的示意图；
26.图2是本实用新型实施例各单元电路示意图；
27.图3是本实用新型实施例不锈钢保护箱的外部结构示意图；
28.图中：1
‑
1、太阳能电池板；1
‑
2、支架；1
‑
3、太阳能控制器；1
‑
4、蓄电池；1
‑
5、 24v降5v电源转换适配器；1
‑
6、24v直流转220v交流逆变器；2
‑
1、树莓派微型电脑；2
‑
2、第一直流继电器；2
‑
3、交流继电器；2
‑
4、第二直流继电器；2
‑
5、模数转换器；2
‑
6、散热器；3
‑
1、电压检测传感器；3
‑
2、水位水质传感器；3
‑
3、气温传感器； 4
‑
1、潜水泵；4
‑
2、水管；4
‑
3、不锈钢丝绳；5
‑
1、物联网网关；6
‑
1、不锈钢保护箱；6
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2、散热风扇；6
‑
3、避雷针；7
‑
1、物联网网关天线露出孔；7
‑
2、电线孔；7
‑
3、水管出口；7
‑
4、投入式传感器及潜水泵检修孔；7
‑
5、通风孔；7
‑
6、专用锁；7
‑
7、底板。
具体实施方式
29.下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
30.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
31.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.如图1所示，为本实用新型实施例一种地下水监测井监测、滞水清洗及取样装置的示意图，包括供电单元、数据采集及控制单元、滞水清洗单元、监测单元、数据通讯单元和系统保护单元，其中：太阳能供电单元包括了太阳能电池板1
‑
1、支架1
‑
2、太阳能控制器1
‑
3、24v直流转220v交流电逆变器、蓄电池1
‑
4、24v降5v直流转换器。太阳能电池板1
‑
1规格为36v 300w，通过支架1
‑
2安装于光线充足的区域，按照所处纬度调整最佳倾角。
33.其中太阳能供电单元可提供5v直流电、24v直流电和220v交流电，通过电线连接太阳能控制器1
‑
3提供24v电源，通过电线连接锂电池（24v 100ah），并连接24v降5v直流转换器、24v直流转220v交流电逆变器，太阳能电池板1
‑
1的电能可用于锂电池充电，也可直接用于系统运行。
34.数据采集及控制单元包括树莓派微型电脑2
‑
1、散热器2
‑
6、模数转换器2
‑
5、第一直流继电器2
‑
2（控制系统保护单元散热风扇）、交流继电器2
‑
3（控制滞水清洗单元潜水泵）、第二直流继电器2
‑
4（控制智能监控单元模数转换器和监测单元传感器中的水位水质传感器3
‑
2）。树莓派微型电脑2
‑
1选择较先进的raspberry pi 4（64位1.5ghz四核处理器、2g ddr4、64g tf存储卡），树莓派微型电脑2
‑
1连接太阳能供电单元5v电源，并通过网线连接物联网网关5
‑
1；树莓派微型电脑2
‑
1通过杜邦线连接三个继电器；散热器2
‑
6置于树莓派微型电脑2
‑
1上，贴合处理器部位，并用杜邦线连接树莓派微型电脑2
‑
1；模数转换器2
‑
5采用8通道规格，通过电线连接太阳能供电单元24v电源，并串联第二直流继电器2
‑
4，通过杜邦线连接树莓派微型电脑2
‑
1，实现数据通讯。
35.数据采集及控制单元提供外接便携式触控显示器接口，可供现场检测和采样人员使用；采样人员可通过便携式触控显示器启动潜水泵4
‑
1抽出地下水完成采样工作。
36.监测单元包括气温传感器3
‑
3、电压检测传感器3
‑
1、水位水质传感器3
‑
2，其中，水位水质传感器3
‑
2包括投入式水温传感器、投入式水位传感器、投入式ph传感器、电导率电极、氧化还原电位电极、溶解氧电极等。气温传感器3
‑
3直接连接树莓派微型电脑2
‑
1，并由
主板供电，监测不锈钢保护箱6
‑
1内的温度；电压检测传感器3
‑
1通过电线连接锂电池，通过杜邦线连接模数转换器2
‑
5数据通道；水位水质传感器3
‑
2组中每一个传感器电源端连接太阳能供电单元24v电源，信号端依次连接模数转换器2
‑
5数据通道。电压检测传感器3
‑
1用于监控太阳能供电单元电压，当电压较低时，为保证监测系统的正常运行，禁止执行滞水清洗程序，并向数据中心发送警报。
37.滞水清洗单元包括了有不锈钢丝绳4
‑
3、潜水泵4
‑
1、水管4
‑
2。其中，不锈钢丝绳4
‑
3为3mm规格，一端系潜水泵4
‑
1，另一端系在井口位置并固定。潜水泵4
‑
1规格为220v 850w，扬程70m，流量4m3/h，直径100mm，通过电线连接太阳能供电单元220v交流电源；水管4
‑
2口径为1寸管（25mm）连接潜水泵4
‑
1，另一端置于地面附近沟渠。
38.水位水质传感器3
‑
2置于潜水泵4
‑
1上方0.5m，并与不锈钢丝绳4
‑
3捆绑，连接水位水质传感器3
‑
2和潜水泵4
‑
1的线缆间隔1米与不锈钢丝绳4
‑
3捆绑；潜水泵4
‑
1与水位水质传感器3
‑
2通过不锈钢丝绳4
‑
3调入监测地层位置，并通过测量不锈钢丝绳4
‑
3下降长度确定水位水质传感器3
‑
2位置，结合地面高程和投入式水位传感器数值，标定水位数值；通过蜂鸣式液面传感器测定地下水埋深，结合地面高程，验证投入式水位传感器所得水位的准确性。
39.滞水清洗单元执行工作时，监测单元一并执行，监控清洗过程中的水位、水质变化情况。滞水清洗程序主要由两种主要模式：控制水位清洗、控制时间清洗。控制水位清洗多用于涌水量较小的监测井，连续抽出地下水，会导致地下水位持续下降，当下降至投入式水位传感器上方0.5m（此数值可由数据中心控制）时，潜水泵4
‑
1停止工作；控制时间清洗多用于涌水量较大的监测井，即长时间抽水后，地下水位下降不明显或者达到稳定水位（高于投入式水位传感器上方0.5m），采用限制抽采时间的方式控制潜水泵4
‑
1，本实用新型最大限制时间为2h，该方式可结合滞水清洗期间水质监测数据是否达到稳定来控制潜水泵4
‑
1工作时间和工作频率。
40.数据通讯单元包括物联网网关5
‑
1，物联网网关5
‑
1由太阳能供电单元5v直流电源提供电源，内置4g sim卡，将其天线通过物联网网关天线露出孔7
‑
1露于不锈钢保护箱6
‑
1外。物联网网关5
‑
1通过网线与树莓派微型电脑2
‑
1连接，为树莓派提供数据通讯；
41.系统保护单元包括不锈钢保护箱6
‑
1、避雷针6
‑
3、散热风扇6
‑
2。避雷针6
‑
3安置于太阳能电池板1
‑
1附近，不锈钢保护箱6
‑
1置于太阳能电池板1
‑
1下方，避免暴晒和淋雨，其检修孔位置与井口位置对应。
42.如图2、3所示，分别为本实用新型实施例不锈钢保护箱内模块布置示意图和外部结构示意图，不锈钢保护箱6
‑
1的两侧有通风孔，置于太阳能电池板1
‑
1下方，以避免太阳暴晒。根据需要不锈钢保护箱6
‑
1还可以设置有电线孔7
‑
2、水管出口7
‑
3、投入式传感器及潜水泵检修孔7
‑
4、通风孔7
‑
5、专用锁7
‑
6及底板7
‑
7。
43.保护箱中安装太阳能控制器1
‑
3、蓄电池1
‑
4、24v降5v电源转换适配器1
‑
5、24v直流转220v交流逆变器1
‑
6、树莓派微型电脑2
‑
1、第一直流继电器2
‑
2（控制系统保护单元散热风扇）、交流继电器2
‑
3（控制滞水清洗单元潜水泵4
‑
1）、第二直流继电器2
‑
4（控制智能监控单元模数转换器和监测单元传感器）、模数转换器2
‑
5、散热器2
‑
6（树莓派微型电脑2
‑
1）、气温传感器3
‑
3、电压检测传感器3
‑
1、物联网网关5
‑
1、散热风扇6
‑
2。
44.其中，蓄电池1
‑
4采用锂电池，规格为24v 100ah，保证潜水泵4
‑
1正常工作2小时以
上。气温传感器3
‑
3采用ds18b20数字温度传感器，测量范围为
‑
55℃~125℃，气温传感器3
‑
3直接连接树莓派微型电脑2
‑
1，用于测量不锈钢保护箱6
‑
1内温度，树莓派微型电脑2
‑
1根据气温传感器3
‑
3的数值控制散热风扇6
‑
2的开启。
45.可实施的，物联网网关5
‑
1采用4g信号，使得树莓派微型电脑2
‑
1接入网络，实时自动上传采集数据以及系统状态至数据中心，数据中心通过网络利用ssh远程连接树莓派微型电脑2
‑
1，实行远程桌控制。
46.可实施的，潜水泵4
‑
1规格为220v 850w，扬程70m，流量4m3/h，直径100mm，适用于大部分监测井。潜水泵4
‑
1由太阳能供电单元中220v交流电源供电，串联继电器，由树莓派微型电脑2
‑
1控制。
47.可实施的，水位水质传感器3
‑
2输出信号为4~24ma电流信号，信号输出端连接模数转换器2
‑
5。模数转换器2
‑
5和水位水质传感器3
‑
2采用24v直流电源供电，并与继电器串联，由树莓派微型电脑2
‑
1智能控制；树莓派微型电脑2
‑
1在需要监测时间点前5分钟打开继电器，保证各传感器达到稳定状态后，读取各传感器数值，保存于树莓派微型电脑2
‑
1中tf卡上，并向数据中心上传数据；一次数据采集后，关闭继电器，以节约电能和延长各传感器的使用寿命。
48.针对现有野外地下水水位监测井监测和取样的缺陷，本实用新型提供一种可以自动持续供电，自动采集和记录地下水水温、水位、电导率、ph值、氧化还原电位、溶解氧数据，智能对监测井中滞水进行清洗，可远程操控的系统，该系统自动化程度高、成本低、稳定简易，便于实施应用。
49.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。