深部含水层多参数原位监测仪器及其方法技术

本发明专利技术属于水体水质监测技术领域，提出的深部含水层多参数原位监测仪器，包括依次连接的地面控制管理模块、微处理器和探测模块，地面控制管理模块内置多参数数据处理模块，微处理器内置线性拟合模块，以及对线性拟合模块分别进行温度补偿和电压漂移补偿的温度补偿模块和电压漂移补偿模块，微处理器通过CAN总线通讯电路与地面控制管理模块连接，探测模块内置pH检测电路和用于测试深部含水层温度和压力的压力温度传感器检测电路。还提出一种深部含水层多参数原位监测方法，包含探测模块校正、放置、测量、标液pH值和电压值校正、建立pH线性方程、计算等步骤。本发明专利技术构思巧妙，解决了现有技术中取样监测易弱化被测信息真实性的技术问题。

Apparatus and method for in situ monitoring multi parameter of deep aquifer

The invention belongs to the technical field of water quality monitoring, the deep aquifer multi parameter monitoring instrument, comprising a microprocessor and a ground control management module, detection module, ground control management module built-in multi parameter data processing module, a microprocessor arranged in a linear fitting module, and the linear fitting module respectively for temperature compensation and voltage drift compensation temperature compensation module and voltage drift compensation module, the microprocessor through the CAN bus communication circuit is connected with the ground control module, detection module built-in pH detection circuit and temperature sensor detection circuit for pressure test of deep aquifer temperature and pressure. In addition, a multi parameter in-situ monitoring method for deep aquifer is proposed, which includes the correction, placement, measurement, calibration of the pH value and the voltage value of the calibration liquid, the establishment of the pH linear equation, the calculation and so on. The invention has the advantages of artful design, and solves the technical problem that the sampling monitoring in the prior art is easy to weaken the authenticity of the measured information.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水体水质监测
，涉及一种深部含水层多参数原位监测仪器及其方法。
技术介绍
在地下水或者海洋深层水体的监测中，获取被监测水体原有温度、压力和pH值下的水体质量信息对于掌握水体质量、研究化学反应机制、开展预测和预警具有重要的意义。目前，水体监测主要采用取样监测来完成。但取样方式的水体监测属于离线测试，被测水体存在的压力和温度环境会发生变化，同时，水样获取过程存在二次污染的风险，很大程度上弱化被测信息的真实性。
技术实现思路
本专利技术提出一种深部含水层多参数原位监测仪器及其方法，解决了现有技术中取样监测被测水体压力和温度环境发生改变，且水样获取过程存在二次污染的风险，易弱化被测信息真实性的技术问题。本专利技术的技术方案是这样实现的：深部含水层多参数原位监测仪器，包括依次连接的地面控制管理模块、微处理器和探测模块，所述地面控制管理模块内置多参数数据处理模块，所述微处理器内置线性拟合模块，以及对所述线性拟合模块分别进行温度补偿和电压漂移补偿的温度补偿模块和电压漂移补偿模块，所述微处理器通过CAN总线通讯电路与所述地面控制管理模块连接，所述探测模块内置pH检测电路和用于测试深部含水层温度和压力的压力温度传感器检测电路。作为进一步的技术方案，所述线性拟合模块通过标液进行拟合，其所依据方程为pH＝K*x+b，K为K酸或K碱，b为b酸或b碱，K酸＝(pH中-pH酸)/(U中-U酸)，b酸＝pH酸-K酸U酸，K碱＝(pH中-pH碱)/(U中-U碱)，b碱＝pH碱-K碱U碱，其中，pH中、U中为通过所述探测模块测得中性标液的pH值和电压值，pH酸、U酸为通过所述探测模块测得酸性标液的pH值和电压值，pH碱、U碱为通过所述探测模块测得碱性标液的pH值和电压值。作为进一步的技术方案，所述pH检测电路包括相互连接的检测电路和参比电路，所述检测电路包括依次连接的pH电极、第一放大器和第一电压抬升电阻，所述第一电压抬升电阻与所述微处理器连接，所述参比电路包括依次连接的电压基准集成块、第二电压抬升电阻和与所述pH电极连接的参比端口，所述电压基准集成块与所述第一放大器连接。作为进一步的技术方案，所述CAN总线通讯电路包括相互连接的CAN控制器和CAN收发器，所述CAN控制器与所述微处理器连接，所述CAN收发器与所述地面控制管理模块连接。作为进一步的技术方案，所述微处理器与超低功耗电源管理模块连接，所述超低功耗电源管理模块包括分别与所述微处理器、所述CAN总线通讯电路、所述pH检测电路和所述压力温度传感器检测电路连接的第一供电模块、第二供电模块、第三供电模块和第四供电模块，第一供电模块、第二供电模块、第三供电模块和第四供电模块均通过低压差线性稳压器与可携带电源连接，所述低压差线性稳压器的另一端与所述微处理器连接，所述第一供电模块包括数字电源模块和模拟电源模块。采用所述深部含水层多参数原位监测仪器进行深部含水层多参数原位监测的方法，包括以下步骤：探测模块校正：依次对pH值为4.00、7.00和10.00的三种标液进行测量，将探测模块所测得的各标液温度值和电压值分别记为T4、T7、T10和U4、U7、U10；放置：将探测模块放至待测深部含水层内；测量：深部含水层的温度记为T，pH电极输出电压记为U；标液pH值和电压值校正：依次将pH为4.00、7.00和10.00三种标液的pH值和电压值通过所述计算校正模块和所述温度补偿模块校正到深部含水层所处温度T下，分别记为pH4测、pH7测、pH10测和U4测、U7测、U10测；建立pH线性方程：通过所述线性拟合模块建立酸性pH线性方程和碱性pH线性方程，计算：将测量步骤中测得的U带入酸性pH线性方程进行计算，如果计算结果pH值小于7，计算结果直接通过地面控制管理模块显示；如果pH值大于7，则将U带入碱性pH线性方程中重新计算，计算结果通过地面控制管理模块进行显示；循环：一次测量结束，再次测量重复上述的测量过程。作为进一步的技术方案，所述酸性pH线性方程为pH＝K酸*x+b酸，其中，K酸＝(pH7测-pH4测)/(U7测-U4测)，b酸＝pH4测-K酸U4测，所述碱性pH线性方程为pH＝K碱*x+b碱，其中，K碱＝(pH7测-pH10测)/(U7测-U10测)，b碱＝pH10测-K碱U10测。作为进一步的技术方案，所述标液pH值和电压值校正步骤与所述建立pH线性方程步骤之间还设有电压漂移补偿步骤，所述电压漂移补偿步骤：通过所述电压漂移补偿模块查询探测模块连续工作时间，记为m，设定探测模块电压正常工作时长为n，如果m<n，则U4测、U7测和U10测均不变，如果m>n，则U4测、U7测、U10测均需增加5*(m-n)毫伏。作为进一步的技术方案，pH4测、pH7测、pH10测所依据方程分别为：pH4测＝3.006*10-5t2-0.000366t+4，pH7测＝6.754*10-5t2-0.0063t+7.116，pH10测＝9.173*10-5t2-0.01469t+10.33，其中，t为所述测量步骤中所测得的T。作为进一步的技术方案，U4测、U7测、U10测所依据方程分别为：U4测＝U4+(T-T4)*0.595，U7测＝U7+|(T7-T)*0.595|，或者U7测＝U7，U10测＝U10+(T10-T)*0.595。本专利技术使用原理及有益效果为：1、本专利技术设置了依次连接的地面控制管理模块、微处理器和探测模块，通过三者间的密切配合实现了深部含水层多参数的原位检测，有效避免了取样监测被测水体压力和温度环境发生变化和水样出现二次污染的风险发生，保证了被测信息的真实性。其中，微处理器内置线性拟合模块，以及对线性拟合模块分别进行温度补偿和电压漂移补偿的温度补偿模块和电压漂移补偿模块，且微处理器通过CAN总线通讯电路与地面控制管理模块连接。使用时，可通过地面控制管理模块可通过微处理器对探测模块进行校正和补偿(温度及电压)，配置与探测模块的通讯参数及探测模块的监测频率等，同时获取探测模块的实时监测数据或存储的历史数据。这一设置充分保障了监测仪器长期野外使用时的精确性、稳定性和便捷性，符合其使用需求。探测模块主要用于在深部含水层原位实现水温、水压和pH值的监测，并将监测结果按照线性拟合模块、温度补偿模块和电压漂移补偿模块等模块所设定的程序上传至地面控制管理模块。其中，地面控制管理模块内置多参数数据处理模块，可根据需要对监测结果进行解析和存储；微处理器最小系统负责协调其他各电路的工作，CAN总线通讯电路负责探测模块与地面控制软件的信息和数据交互；pH值检测电路为双路(检测电路所测pH电极信号和参比电路所测基准电压信号)同步处理电路，负责将pH电极输出的高阻抗信号调理为稳定可供采集的电压信号，供微处理器内置的A/D采集模块采集，其中双路同步处理电路的设置大大加强了本专利技术所检测结果的精度。压力温度传感器检测电路将压力温度传感器的输出信号通过SPI总线传递给微处理器，压力温度传感器可测得水温和压力两个参数，其中水温参与pH值数据处理的温度补偿。其中，SPI总线作为一种高速的、全双工、同步的通信总线，用于压力温度传感器检测电路与微处理器之间的信号传输，有效保证了深部含水层多参数监测的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
深部含水层多参数原位监测仪器，其特征在于，包括依次连接的地面控制管理模块(1)、微处理器(21)和探测模块(2)，所述地面控制管理模块(1)内置多参数数据处理模块(24)，所述微处理器(21)内置线性拟合模块(4)，以及对所述线性拟合模块(4)分别进行温度补偿和电压漂移补偿的温度补偿模块(5)和电压漂移补偿模块(6)，所述微处理器(21)通过CAN总线通讯电路(25)与所述地面控制管理模块(1)连接，所述探测模块(2)内置pH检测电路(22)和用于测试深部含水层温度和压力的压力温度传感器检测电路(23)。

【技术特征摘要】
1.深部含水层多参数原位监测仪器，其特征在于，包括依次连接的地面控制管理模块(1)、微处理器(21)和探测模块(2)，所述地面控制管理模块(1)内置多参数数据处理模块(24)，所述微处理器(21)内置线性拟合模块(4)，以及对所述线性拟合模块(4)分别进行温度补偿和电压漂移补偿的温度补偿模块(5)和电压漂移补偿模块(6)，所述微处理器(21)通过CAN总线通讯电路(25)与所述地面控制管理模块(1)连接，所述探测模块(2)内置pH检测电路(22)和用于测试深部含水层温度和压力的压力温度传感器检测电路(23)。2.根据权利要求1所述的深部含水层多参数原位监测仪器，其特征在于，所述线性拟合模块(4)通过标液进行拟合，其所依据方程为pH＝K*x+b，K为K酸或K碱，b为b酸或b碱，K酸＝(pH中-pH酸)/(U中-U酸)，b酸＝pH酸-K酸U酸，K碱＝(pH中-pH碱)/(U中-U碱)，b碱＝pH碱-K碱U碱，其中，pH中、U中为通过所述探测模块(2)测得中性标液的pH值和电压值，pH酸、U酸为通过所述探测模块(2)测得酸性标液的pH值和电压值，pH碱、U碱为通过所述探测模块(2)测得碱性标液的pH值和电压值。3.根据权利要求1所述的深部含水层多参数原位监测仪器，其特征在于，所述pH检测电路(22)包括相互连接的检测电路(221)和参比电路(222)，所述检测电路(221)包括依次连接的pH电极(2211)、第一放大器(2212)和第一电压抬升电阻(2213)，所述第一电压抬升电阻(2213)与所述微处理器(21)连接，所述参比电路(222)包括依次连接的电压基准集成块(2221)、第二电压抬升电阻(2222)和与所述pH电极(2211)连接的参比端口(2223)，所述电压基准集成块(2221)与所述第一放大器(2212)连接。4.根据权利要求1所述的深部含水层多参数原位监测仪器，其特征在于，所述CAN总线通讯电路(25)包括相互连接的CAN控制器(251)和CAN收发器(252)，所述CAN控制器(251)与所述微处理器(21)连接，所述CAN收发器(252)与所述地面控制管理模块(1)连接。5.根据权利要求1～4任一项所述的深部含水层多参数原位监测仪器，其特征在于，所述微处理器(21)与超低功耗电源管理模块(26)连接，所述超低功耗电源管理模块(26)包括分别与所述微处理器(21)、所述CAN总线通讯电路(25)、所述pH检测电路(22)和所述压力温度传感器检测电路(23)连接的第一供电模块(261)、第二供电模块(262)、第三供电模块(263)和第四供电模块(264)，第一供电模块(261)、第二供电模块(262)、第三供电模块(263)和第四供电模块(264)均通过低压差线性稳压器与可携带电源(29)连接，所述低压差线性稳压器的另一端与所述微处理器(21)连...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学亮，史云，李康，魏光华，
申请(专利权)人：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，
类型：发明
国别省市：河北;13