集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪

摘要

本发明提供一种集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其整体呈杆状，包括一体连接的土壤湿度计与水位计，所述监测仪插入监测区域中，其内置智能芯片与所述土壤湿度计以及水位计分别实现电路连接，根据地表是否积水自动实现水位测量和土壤湿度测量的转换，所述存储设备接收两种传感器测量到的数据，所述智能芯片可按照用户的需求实现采样周期和单位转换的设定。本发明能够自动实现地表环境从干旱-湿润-水淹过程的不间断自动监测与记录，还能有效防止过湿地表环境下长时间序列土壤湿度监测数据的丢失。本发明集成度高，便于安装维护，具有数据备份功能，可以保证长时间监测数据的获得和存储稳定性，适合过湿地表环境条件下完成测量工作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水位计，也涉及一种土壤湿度计，特别涉及一种将水位计与土壤湿度计集成为一体的监测仪。

背景技术

过湿地表环境中水位及土壤湿度的测量，对于模拟和刻画这一特殊生态环境背景下的水文生态过程具有重要作用。

然而，过湿地表环境又有其独特之处，即同一测量点处有时被水淹没，有时并无积水，水位高低以及土壤湿度的变化具有不确定性，这给监测工作带来了很大的困难。

目前常用的做法是，在同一测量点处同时设置水位计与土壤湿度计，分别记录水位与土壤湿度信息，所述水位计以及土壤湿度计测量得到的信息储存在旁边的数据箱内，每隔一个监测周期，用数据线连接数据箱，将信息取走。

然而，现有的设备集成化程度不高，接线比较复杂，在极端野外条件（冰冻、腐蚀等）下，容易使设备、接线或数据箱的接口受损。一旦受损，则该监测周期（几个月甚至一年）内的水位/土壤湿度信息将全部丢失或因为精度无法保证而无法使用，给下一步的数据分析和整个监测计划的实施带来了极大阻碍。目前，专门针对过湿地表环境的而开发设计的仪器并不多。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，将水位计与土壤湿度计整合为一体，使用一台仪器即可完成两项工作，而且水位测量与土壤湿度测量可以自动切换，采样周期及单位转换可由用户交互设定，给过湿地表环境原位河流水位/土壤湿度监测工作带来了极大的方便。

本发明采用的技术方案是：

一种集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其特征在于：整体呈杆状，包括一体连接的土壤湿度计与水位计，所述监测仪插入过湿地表环境下的监测区域中，所述土壤湿度计位于地表以下，用于测量土壤湿度，所述水位计位于地表以上，用于测量水位。

所述的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其中：所述监测仪具有的仪表舱室中设有智能芯片和存储设备，所述智能芯片以及存储设备均与所述土壤湿度计以及水位计分别实现电路连接，在所述水位计监测到地表有水的情况下，所述存储设备接收所述水位计测量到的数据；在所述水位计监测到地表无水的情况下，所述存储设备接收所述土壤湿度计测量到的数据，所述智能芯片并能够按照用户的需要实现采样周期和测量单位转换的设定。

所述的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其中，所述智能芯片连接有下述各模块：

电源，用于供电；

日历时钟芯片，用于计时；

键盘，用于参数设定；

显示模块，用于显示信息；

信号调理电路，分别与仪器内部温湿度传感器、所述水位计以及所述土壤湿度计相连，从而将传感器测量到的信号进行信号处理后传送到所述智能芯片；

所述存储设备，用于存储数据；

USB传输接口，供外扩存储器进行数据提取；

GPRS无线收发模块，用于进行远程数据通信或者发送报修信号；

其中，所述智能芯片启动的时候，进行以下步骤：

首先通过键盘与所述显示模块进行参数交互设定，以对智能芯片以及所述各模块进行初始化；

所述智能芯片检查所述电源的电量是否充足，并通过所述内部温湿度传感器检查内部温湿度环境是否正常，若不正常，则通过所述GPRS无线收发模块发送报修信号，若正常，则继续；

接着，按照设定程序，水位传感器启动，单片机芯片进入数据接收模式。若水位传感器无读数，说明地面无水，则所述土壤湿度计启动，而所述水位测量元件关闭；若有读数，说明地面有水，则所述土壤湿度计继续处于关闭状态，而所述水位测量元件按照设定的工作周期持续工作；

所述土壤湿度传感器或者所述水位测量元件采集的数据，将有三种数据存储方式：（1）存入所述存储设备，（2）通过USB传输接口存入外扩存储器，（3）通过所述GPRS无线收发模块发送出去；

在一个工作周期结束后，所述智能芯片以及所述各模块进入系统休眠状态。

所述的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其中：所述土壤湿度计包括外框体以及设于所述外框体内的数个处于不同深度的探针基座，在其中至少一个探针基座上安装有土壤湿度探针，所述土壤湿度探针能够从所述外框体侧面伸出；所述土壤湿度探针还连接所述数据处理模块。

所述的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其中：所述外框体内竖直放置有水平推板，所述水平推板能够在薄型液压千斤顶的驱动下在所述外框体内水平滑动，所述薄型液压千斤顶的控制线路与所述数据处理模块相接，所述探针基座均固定在所述水平推板上。

所述的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其中：所述水位计包括一个沿垂向设置的内管以及置于所述内管中的水位测量元件，所述水位测量元件与数据处理模块相接，所述内管的下端一侧开有进水孔，上端一侧开有与大气相通的气压平衡孔。

所述的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其中：所述水位计包括外管体以及设于所述外管体内的前半圆柱与后半圆柱，所述外管体的侧壁上对应于所述进水孔与所述气压平衡孔的位置分别设有进水格栅与排气格栅，所述前半圆柱沿垂向设有安置孔，所述内管插入所述安置孔中。

所述的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其中：所述后半圆柱的上部设有仪表槽，所述数据处理模块嵌入所述仪表槽中。

所述的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其中：所述水位计上部连接有无线收发顶舱，所述无线收发顶舱与所述数据处理模块相接。

所述的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其中：所述土壤湿度计的下部连接有锥形安置头。

本发明的优点在于：将水位计与土壤湿度计整合为一体，特别适合在过湿地表环境使用。整体结构设置合理，结构紧凑，不易损坏，对环境扰动小。

附图说明

图1、图2分别是本发明提供的集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪的整体结构示意图与分解结构示意图；

图3、图4分别是本发明中土壤湿度计的两个方向上的分解结构示意图；

图5是本发明中的水位计的从后侧看的立体结构示意图（去除外管体与数据处理模块）；

图6是本发明中的水位计的数据处理模块的立体结构示意图；

图7是本发明中的水位计的前半部分的立体结构示意图（去除了内管）；

图8是本发明中的水位计的内管的立体结构示意图；

图9是本发明中的水位计的集水槽的分解安装结构示意图；

图10是本发明中的水位计使用超声波式水位测量元件的结构示意图；

图11是本发明的数据处理模块的电路结构示意图；

图12是本发明的数据处理模块的工作流程图。

附图标记说明：无线收发顶舱1；避雷装置2；顶部双向螺旋接头3；水位计4；中部双向螺旋接头7；土壤湿度计8；底部双向螺旋接头9；锥形安置头10；穿孔12；垫板14；薄型液压千斤顶15；水平推板16；土壤湿度探针17；探针基座18；C形框围19；提把28；数据处理模块29；多用途多针插口30；锂电池32；SD卡读取设备33；安置孔35；内管36；仪表槽37；前半圆柱38；后半圆柱39；气压平衡孔40；凸肋41；超声波式水位测量元件43；集水槽44；线夹45；横管451；定位槽46；电容式水位测量元件47；数据传导线471；进水格栅A；排气格栅B；外管体E；窗门F。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明提供一种集成式过湿地表环境水位与土壤湿度监测仪，其整体呈杆状，由下至上包括锥形安置头10、底部双向螺旋接头9、土壤湿度计8、中部双向螺旋接头7、水位计4、顶部双向螺旋接头3、无线收发顶舱1以及避雷装置2，所述监测仪组装完成后插入过湿地表环境的待测区域中，所述土壤湿度计8位于地表以下，用于测量土壤湿度，所述水位计4位于地表以上，用于测量水位。

所述监测仪的仪表舱室内设有数据处理模块29（本实施例中，其位于水位计4的外壳体内），所述数据处理模块29与所述土壤湿度计8以及水位计4分别连接，本实施例中，所述数据处理模块29包括智能芯片与存储设备。在所述水位计4监测到地表有水的情况下，所述土壤湿度计8不工作，所述数据处理模块29的存储设备接收所述水位计4测量到的数据；在所述水位计4监测到地表无水的情况下，所述土壤湿度计8开始工作，所述数据处理模块29的存储设备接收所述土壤湿度计8测量到的数据。

所述中部双向螺旋接头7上设有零位刻度，所述监测仪插入过湿地表环境的待测区域的时候，需要将所述零位刻度对准于地平面。若零位刻度与地平面有高度偏差，则可将偏差值手动输入到所述数据处理模块29中，所述数据处理模块29会进行数据校正。

所述无线收发顶舱1，连接于所述水位计4上部，其与所述数据处理模块29用数据线相连，可将所述数据处理模块29中收集的数据信息通过无线形式（如GPRS）发射出去，这样的话，工作人员可以远程收集数据信息，而且一旦所述监测仪损坏，也可以及时被察觉，便于日常维护。

再如图3、图4所示，是所述土壤湿度计8的结构示意图，其包括：由C形框围19与垫板14组成的杆状外框体、所述外框体的一个侧面上沿垂向间隔设置的数个穿孔12、竖直置入所述外框体内的水平推板16、固定在所述外框体内并驱动所述水平推板16做水平滑动的薄型液压千斤顶15、沿垂向间隔设置在所述水平推板16上的数个探针基座18以及安装在其中至少一个探针基座18上的土壤湿度探针17，其中，所述穿孔12与所述探针基座18一一对应设置。

在地面上钻好孔以后，将所述土壤湿度计8插入孔中，接着所述水平推板16被所述薄型液压千斤顶15驱动向外运动，所述土壤湿度探针17将由所述穿孔12中水平向穿出，并刺入土壤中，以测量相应高度处的土壤湿度值；测量结束以后，所述薄型液压千斤顶15驱动所述水平推板16向内拉回，即可将所述土壤湿度计8从土中取出。

为了能够增加所述土壤湿度计8的测量适应性，本发明在所述水平推板16上设有8个所述探针基座18，各探针基座18分别设置地平面以下10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm之处，因此，使用者可以根据自身需要分配所述土壤湿度探针17的安装高度，例如，可以在20cm、40cm、60cm处各设一个土壤湿度探针17，还可以在50cm、80cm处分别设置一个土壤湿度探针17。

在上述实施例中，是在所述垫板14上设有所述穿孔12；而且所述薄型液压千斤顶15的伸缩杆与所述水平推板16焊接固定，所述薄型液压千斤顶15的座体部分则在所述水平推板16竖直插入所述外框体的过程中与所述外框体卡合固定，因此，所述薄型液压千斤顶15不仅能够将所述水平推板16往外推动，还能在测量结束以后将所述水平推板16向内拉回来。其中，所述水平推板16两侧突出有滑块，所述外框体的两个相对内壁上开设水平滑轨，来实现的水平滑动。

所述土壤湿度探针17的数据线、所述薄型液压千斤顶15的控制线路均由所述外框体的内部向上连通至地面以上，并通过所述中部双向螺旋接头7进入所述水位计4内，最终与所述数据处理模块29相接。

请参阅图5、图6所示，是本发明中的水位计4的从后侧看的立体结构示意图（去除了外管体与数据处理模块29）以及所述数据处理模块29的立体结构示意图，所述水位计4包括外管体E（如图1、图2所示）以及设于所述外管体E内的前半圆柱38与后半圆柱39，所述前半圆柱38与后半圆柱39通过T形槽卡接在一起构成一个柱体，其中：

所述后半圆柱39的上部设有仪表槽37，可供所述数据处理模块29嵌入其中，所述仪表槽37的下方还有沿垂向穿过所述后半圆柱39的数据线孔，可供所述土壤湿度探针17的数据线以及所述薄型液压千斤顶15的控制线路穿过并与所述数据处理模块29相接。

如图6所示，所述数据处理模块29上部设有提把28，便于取放与移动；所述数据处理模块29的外侧面还设有多用途多针插口30、锂电池32与SD卡读取设备33，所述SD卡读取设备与所述水位计以及土壤湿度计分别电连接，从土壤湿度计和/或水位计获得的数据，将同时进入所述SD卡读取设备与所述数据处理模块29的存储设备。这保证了，即使在最严重的水淹条件下，仪器仍然对数据进行了备份，保障了长时间序列监测数据的安全。如图2所示，所述外管体E对应于所述数据处理模块29的外侧面处设有窗门F，便于读取数据或者更换锂电池32。

如图7、图8所示，是本发明中的水位计4的前半圆柱38的立体结构示意图（去除了内管36）以及内管36示意图，所述前半圆柱38沿垂向设有安置孔35，所述安置孔35的侧壁上还设有至少一个定位槽46，所述内管36插入所述安置孔35中，并通过内管36外壁上的凸肋41与所述定位槽46卡接以防止转动。所述内管36的下端一侧开有进水孔39，上端一侧开有气压平衡孔40，所述外管体E的侧壁上对应于所述进水孔39与所述气压平衡孔40的位置分别设有进水格栅A与排气格栅B。当水位计4所插过湿地表环境的监测区域中有水时，水液即从所述进水格栅A以及进水孔39进入所述内管36内，依据连通管原理，所述内管36内的水位将与地面上的水位持平，此时，设置在所述内管36中的电容式水位测量元件或者超声波式水位测量元件即可获知水位信息，并将该信息传递至所述数据处理模块29中。

如图7、图8所示，是本发明使用电容式水位测量元件进行测量的结构示意图，所述电容式水位测量元件47通过数据传导线471悬挂在所述内管36底部，所述数据传导线471沿垂向向上延伸至所述内管36顶端后折向所述后半圆柱39，然后与所述数据处理模块29相接，当所述内管36中的水位变化时，所述电容式水位测量元件47所承受的水压也相应变化，因此其电容值也相应变化，所述数据处理模块29依据所述电容值的变化得到水位高度数据。

由于所述电容式水位测量元件47在测量时必须与所述内管36的侧壁保持一定距离以保证测量结果的精确，本发明还在所述的柱体的顶端设置一个线夹45，一根横管451通过所述线夹45呈水平地固定，所述横管451的一端悬伸至所述内管36中心线位置，所述电容式水位测量元件47的数据传导线471由所述横管451中穿过再连接所述数据处理模块29，如此设置，可保证所述数据传导线471的下端的所述电容式水位测量元件47位于所述内管36中心位置，保证测量精度。

再如图9所示，为了避免地表上的水位很小的情况下导致的测量失真，本发明将所述内管36的底部设为开放式，并在所述内管36的底部密接一个集水槽44，所述电容式水位测量元件47从所述内管36的底部穿出后置入所述集水槽44中。由于集水槽44的存在，即使地表的水位很低，内管36中的电容式水位测量元件47所处环境的水深仍然可以得到保证，因此不会由于水深不够而失真。

如图10所示，是本发明中的水位计4使用超声波式水位测量元件43的结构示意图，其是在所述内管36的顶端位置固定一个所述超声波式水位测量元件43，所述超声波式水位测量元件43的数据传导线再与所述数据处理模块29相接，其中，为了使所述超声波式水位测量元件43保持在所述内管36的中心位置，所述超声波式水位测量元件43的数据传导线也通过所述固定在所述线夹45上的所述横管451连接至所述数据处理模块29。使用超声波式水位测量元件43的情况下，也可以通过在所述内管36的底端连接所述集水槽44，以此提供测量精度。

为了避免水位计由于冰冻的原因而无法使用，在所述外管体E的内侧可以设置保温层。

再请参阅图11所示，介绍本发明的电路结构，所述数据处理模块29内设有所述智能芯片以及所述存储设备，所述智能芯片连接有下述各模块：

电源，例如所述锂电池32，用于供电；

日历时钟芯片，用于计时；

键盘，用于数据输入；

显示模块，用于显示信息，优选情况下可采用触摸屏，以增强人机交互功能；

信号调理电路，分别与仪器内部温湿度传感器、所述水位测量元件（电容式或者超声波式）以及所述土壤湿度探针17相连，从而将测量到的数据信号进行信号处理（例如前置放大、带通滤波、陷波处理）然后传送到所述智能芯片；

所述存储设备，用于存储数据；

USB传输接口，可供外扩存储器（例如所述SD卡读取设备33）进行数据交换；

GPRS无线收发模块，用于进行远程数据通信或者将保修信号通过无线形式发送出去。

其中：所述智能芯片可安装RS485接口及驱动，以及RS232接口及驱动，以增加智能芯片对各传感器以及土壤湿度探针的适应性。

使用的时候，如图12所示：

首先通过键盘与所述显示模块进行参数交互设定，以对智能芯片以及所述各模块进行初始化；

所述智能芯片检查所述电源的电量是否充足，并通过所述内部温湿度传感器检查内部环境是否合适，若否，则通过所述GPRS无线收发模块发送保修信号，若是，则继续；

接着，所述智能芯片读取所述水位测量元件的读数，并判断是否有读数，若无读数，说明地面无水，则所述土壤湿度传感器启动，而所述水位测量元件关闭；若有读数，说明地面有水，则所述土壤湿度传感器关闭，而所述水位测量元件启动；

所述土壤湿度传感器或者所述水位测量元件采集的数据，会存入所述存储设备，和/或通过USB传输接口存入外扩存储器，和/或通过所述GPRS无线收发模块发送出去；

在一个工作周期结束后，所述智能芯片以及所述各模块进入系统休眠状态。

当然，上述土壤湿度计8也可以脱离所述水位计4而单独制造和使用，所述数据处理模块29可以设置在所述土壤湿度计8的内部或者固定在所述土壤湿度计8的上方，还可以在所述土壤湿度计8的下方连接锥形安置头10，以及在所述土壤湿度计8的上方连接无线收发顶舱1以及避雷装置2。

所述水位计4也可以脱离所述土壤湿度计8而单独制造和使用，可以在所述水位计4的下方连接锥形安置头10，以及在所述水位计4的上方连接无线收发顶舱1以及避雷装置2。

所述锥形安置头10、土壤湿度计8、水位计4、无线收发顶舱1以及避雷装置2之间的连接也不限于螺纹连接，可以用卡接、套接、胶接等多种连接方式，还可以制作成一体结构。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。