CN118603890A - 一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统，包括安装在供水管网上的监测设备本体，所述监测设备本体包括传感组件、支撑框架、供电组件、清洁组件以及光纤固定结构：所述传感组件，安装在供水管网上，且传感组件的底部延伸至供水管网的内部，所述传感组件的上方连接有支撑框架；所述支撑框架，位于供水管网的上方，支撑框架的下方与传感组件连接。本发明通过监测设备与系统结合使用，整体安装结构简单，可以确保水质监测设备与供水管网的无缝集成，实现实时在线监测供水水质，并能够直接通过数据通信模块传输到监控中心进行进一步分析和处理，克服信号干扰、通信网络覆盖不完全的问题，加强监测时数据的准确性，保障供水安全。

Description

一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统。

背景技术

随着城市化进程的加快和工业化的发展，供水系统的复杂性和规模不断扩大，确保供水安全和水质达标成了重要的社会需求。在线监测技术的发展，使得实时、准确的水质监测成为可能。

然而，由于供水管网的覆盖范围广、管道复杂，监测点的安装较困难。其次，在线监测设备需要具备高灵敏度和稳定性，以应对水质参数的多样化和实时变化。

当前，对供水管网在线水质监测的方法主要包括物理化学传感器法、光学传感器法和生物传感器法。其中，物理化学传感器法一般可以测试PH值、溶解氧、氯离子等，光学传感器法可以测试水中的有机物等。但是这些监测方法目前存在安装的困难。其安装的困难点有：

1、供水管网监测点位空间狭小，监测设备安装困难；

2、监测数据需要及时传输和准确，需要克服管网环境中的信号干扰、通信网络覆盖不完全等。

由上所述，为此我们设计出了一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统来解决以上问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统，包括安装在供水管网上的监测设备本体，所述监测设备本体包括传感组件、支撑框架、供电组件、清洁组件以及光纤固定结构：

所述传感组件，安装在供水管网上，且传感组件的底部延伸至供水管网的内部，所述传感组件的上方连接有支撑框架；

所述支撑框架，位于供水管网的上方，支撑框架的下方与传感组件连接，支撑框架的上方安装有供电组件；

所述清洁组件的顶端安装在支撑框架上，底端沿着传感组件延伸至供水管网的内部；

光纤固定结构，包括两个光纤固定螺母，传感组件通过光纤固定螺母固定安装在供水管网上。

优选的，所述传感组件包括LED光源、单色器、分光镜、参照光纤、光电探测器、入射光纤、出射光纤、进水孔、出水孔以及磁吸结构；

所述LED光源、单色器、分光镜、参照光纤、光电探测器构成水上光路结构，所述入射光纤、出射光纤、进水孔、出水孔以及磁吸结构构成水下光路结构。

优选的，所述入射光纤和出射光纤均通过光纤固定结构固定安装在供水管网上，所述入射光纤和出射光纤的底部之间通过磁吸结构固定连接，所述进水孔与出水孔分别开设在磁吸结构的上方与下方；

所述入射光纤的顶部依次连接分光镜、单色器和LED光源；

所述出射光纤的顶部连接有光电探测器，所述光电探测器与分光镜之间通过参照光纤连接。

优选的，所述磁吸结构包括四块磁吸块，四块磁吸块组成一个水下光信号通过的空间。

优选的，所述供电组件包括太阳能板、电源管理模块和锂离子电池，所述太阳能板，电源管理模块和锂离子电池之间电路连接。

优选的，所述清洁组件包括圆筒形水管、喷水盘、连接水管、清洗泵和储水箱，所述圆筒形水管镶嵌安装在光纤固定结构的内部，所述圆筒形水管的底部通过光纤固定结构延伸至供水管网的内部贯通链接有喷水盘，所述圆筒形水管的顶部通过连接水管连接清洗泵和储水箱；

所述喷水盘的底部设置有若干排倾斜角度设置的喷水孔。

一种光纤供水管网水质监测设备的监测系统，包括控制显示板、光时域反射模块、数据处理电路、数模转换电路、数据通信模块、存储器、信号放大器以及警示器；

所述光时域反射模块与传感组件和清洁组件连接，所述数据处理电路、数模转换电路、数据通信模块、存储器以及信号放大器集成电路板，所述电路板和光时域反射模块均与控制显示板和警示器之间电路连接。

优选的，所述光时域反射模块为光时域反射仪，光时域反射仪与传感组件之间信号连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该监测设备与系统结合使用，可在供水管网材制作的过程中植入传感组件，也可通过打孔安装到已有的供水管网中，安装结构简单，这样可以确保水质监测设备与供水管网的无缝集成，实现实时在线监测供水水质，能够保证水质监测数据的及时传输和准确性。

2、通过该传感组件与系统结合，能够直接通过数据通信模块传输到监控中心进行进一步分析和处理，克服信号干扰、通信网络覆盖不完全的问题，同时，能够对入射光纤和出射光纤的外表面进行监测，及时发现并处理水质以及用于监测入射光纤和出射光纤的异常，当出现异常点时，传递信号给警示器，并通过数据通信模块传输到监控中心，加强监测时数据的准确性，保障供水安全。

附图说明

图1为本发明提出的一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统的结构示意图；

图2为本发明提出的一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统的监测设备本体的结构示意图；

图3为本发明提出的一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统的数据检测的部分的结构示意图；

图4为本发明提出的一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统的系统工作流程图。

图中：1监测设备本体、2传感组件、201 LED光源、202单色器、203分光镜、204参照光纤、205光电探测器、206入射光纤、207出射光纤、208进水孔、209出水孔、210磁吸结构、3支撑框架、4供电组件、401太阳能板、402锂离子电池、5清洁组件、501圆筒形水管、502喷水盘、503接水管、6光纤固定结构、7控制显示板、8供水管网。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

下述实施例中，设计了一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统，利用光纤技术，将供水水质监测与供水管网融合为一体。一般可在供水管网管材制作的过程中，植入本发明提供的传感器和数据采集设备；也可在已有的供水管网中，通过打孔安装本发明提供的传感器及数据采集传输设备。

本发明选择的是光学传感器，可以测试管网水质的浊度、COD、BOD数值等，下述实施例以测量COD为例，解释该发明内容。

测量过程主要公式涉及到吸光度A与COD值之间的线性关系，即朗伯-比尔定律，

A=ε*b*c,其中，ε是摩尔吸光系数，b是光程（为两个磁吸之间的距离，为1cm),c为COD值。

（1）准备一系列已知COD值的标准溶液，使用本次设备，在254nm波长下测量标准溶液的吸光度A；（校准时，可以将该设备放置于容器中，容器里放置标准溶液）；

（2）绘制吸光度与COD值的校准曲线，得到吸光度与COD之间的线性关系式COD=K*A+b1，K为斜率，b1为截距；

（3）将上述（2）获得的校准公式写入该系统微处理控制器；

（4）根据校准线性关系式和管网水质的吸光度，计算得到样品COD的数值。

实施例

参照图1至3，一种光纤供水管网水质监测设备及监测系统，包括安装在供水管网8上的监测设备本体1，监测设备本体1包括传感组件2、支撑框架3、供电组件4、清洁组件5以及光纤固定结构6；

本实施例中，传感组件2安装在供水管网8上，且传感组件2的底部延伸至供水管网8的内部，传感组件2的上方连接有支撑框架3；

其中，传感组件2包括LED光源201、单色器202、分光镜203、参照光纤204、光电探测器205、入射光纤206、出射光纤207、进水孔208、出水孔209以及磁吸结构210；

LED光源201、单色器202、分光镜203、参照光纤204、光电探测器205构成水上光路结构，入射光纤206、出射光纤207、进水孔208、出水孔209以及磁吸结构210构成水下光路结构。

更加具体的是，入射光纤206和出射光纤207均通过光纤固定结构6固定安装在供水管网8上，入射光纤206和出射光纤207的底部之间通过磁吸结构210固定连接，进水孔208与出水孔209分别开设在磁吸结构210的上方与下方；

入射光纤206的顶部依次连接分光镜203、单色器202和LED光源201，出射光纤207的顶部连接有光电探测器205，光电探测器205与分光镜203之间通过参照光纤204连接；

本实施例中，LED光源201，用于提供光源，若测试水体中的COD、BOD或有机物数值，可使用紫外段的LED光源201，若测试浊度，可选择可见段的数值。

单色器202是一种光学器件，用于分离来自光源的混合波长光束，将其中的一种特定波长的光束隔离出来，而将其他波长的光束通过或反射。其中，单色器202有许多不同的类型，包括棱镜型单色器、光栅型单色器、干涉型单色器等。在本次发明中，一般选择光栅型单色器，若需要测试浊度，可选择546nm的单色器，若需要测试水体中有机物参数，可选择245nm的单色器。

分光镜203，分光镜203是一种用于将入射光束分离成两束或多束光的光学器件。本发明选择透射型分光镜203，利用光在不同介质中的折射特性，将一束光平均分为进入管网和进入光敏检测器两束光。平行的一束光作为参照，垂直的一束光用于检测。

本发明中，通过光纤固定结构6的两个光纤固定螺母将入射光纤206和出射光纤207固定于供水管网中。

其中，参照光纤204，入射光纤206、出射光纤207用于传输光信号，本次发明中参照光纤204，入射光纤206、出射光纤207都选择石英光纤。

本发明中，磁吸结构210包括四块磁吸块，四块磁吸块组成一个水下光信号通过的空间，空间的水用于测试水体水质。进水孔208、出水孔209分别位于磁吸结构210的上方与下方，保证由磁吸形成的空间始终有实时更新的水流。通过将四块磁吸块组合成一个封闭空间，并设置有进水孔208、出水孔209，将入射光纤206与出射光纤207通过光纤锁紧螺母安装在磁吸块上，确保入射光纤206与出射光纤207对准光路中心，且为了保证合适的光程，磁吸之间的距离为1cm。

磁吸结构210的外侧还安装有光纤锁紧螺母，用于入射光纤206或出射光纤207与磁吸结构210之间固定连接，将光纤固定于磁吸结构210上。

光电探测器205，又称为光敏二极管，用于接收出射光纤207传输过来的吸收光和参照光纤204传输过来的参照光，并将光强转换为电流信号。

需要说明的是，光纤锁紧螺母将入射光纤206与出射光纤207的端部通过螺纹连接或夹紧机制固定在磁吸块上，通过光纤固定螺母，光纤的端部可以对准磁吸空间，以确保光信号能够准确通过水体。

更加具体的是，本实施例中，光纤锁紧螺母的设计可能包括密封环或垫片，以防止水从入射光纤206与出射光纤207连接点漏出，保持测试水体的稳定性。

本实施例中，清洁组件5的顶端安装在支撑框架3上，底端沿着传感组件2延伸至供水管网8的内部。

其中，清洁组件5包括圆筒形水管501、喷水盘502、连接水管503、清洗泵和储水箱，圆筒形水管501镶嵌安装在光纤固定结构6的内部，圆筒形水管501的底部通过光纤固定结构6延伸至供水管网8的内部贯通链接有喷水盘502，圆筒形水管501的顶部通过连接水管503连接清洗泵和储水箱；喷水盘502的底部设置有若干排倾斜角度设置的喷水孔。

在使用过程中，当入射光纤206和出射光纤207的下方长期使用出现粘附有水杂质时，本方案中的清洁组件5可以用于对延伸至供水管网8内部的入射光纤206和出射光纤207进行清洗。

支撑框架3位于供水管网8的上方，支撑框架3的下方与传感组件2连接，支撑框架3的上方安装有供电组件4，供电组件4包括太阳能板401、电源管理模块和锂离子电池402，太阳能板401，电源管理模块和锂离子电池402之间电路连接；太阳能板401和锂离子电池402用于本次发明系统提供电源。

一种光纤供水管网水质监测设备的监测系统，包括控制显示板7、光时域反射模块、数据处理电路、数模转换电路、数据通信模块、存储器、信号放大器以及警示器；

光时域反射模块与传感组件2和清洁组件5连接，数据处理电路、数模转换电路、数据通信模块、存储器和信号放大器集成电路板，电路板和光时域反射模块均与控制显示板7和警示器之间电路连接。

本实施例中，参照图4，工作时，主要通过太阳能板401进行供电，并通过锂离子电池进行储电，太阳能板401在对LED光源201供电后，开始利用光在不同介质中的折射特性，通过依赖于光的传输（入射光纤206和出射光纤207配合传输）和与介质（即水体）的相互作用来测量水质参数。对于COD的测量，光电探测器205可以通过检测水样对特定波长光的吸收来确定COD值。COD通常表示水中有机物质的浓度，光电探测器205通过光谱分析来测定这些有机物质的含量。

在光电探测器205获取并吸取信号后，通过信号放大以及转换后传输到控制显示板7显示数据。

本实施例中，控制显示板7，可显示当前水质数据，电源管理模块，负责为整个系统提供稳定的电源，包括电压调节、功率分配和电源保护；

其中，控制显示板7还连接有接口模块，用于实现系统与外部设备或其他系统的通信和连接；

数据通信模块，实现无线通信，用于数据传输和系统联网，包括蓝牙模块、4G或5G模块。

数据处理电路，主要包括微处理器或微控制器，主要为执行指令集完成数据处理。

数模转换电路DAC，将数字信号转换为模拟信号，数模转换电路的关键参数是分辨率、采样率、线性度等。

信号放大器，由于光电转换后的信号较弱，该模块用于将微弱的电信号放大到可用的水平，保证信号在后续处理和传输过程中的强度和质量。

其中，光时域反射模块为光时域反射仪，光时域反射仪与入射光纤206和出射光纤207的顶端连接，在使用时，连接光纤：将待检测的入射光纤206和出射光纤207连接到光时域反射仪上，启动光时域反射仪，发送光脉冲并记录反射信号；然后通过光时域反射仪显示的回波曲线，判断光纤中的异常点，当出现异常点时，传递信号给警示器，并通过数据通信模块传输到监控中心，能够实现在监测过程中通过入射光纤206和出射光纤207的监测，加强监测时数据的准确性。

当测量COD时，系统通过LED光源发射紫外光，光束通过单色器和入射光纤206进入水样中。水中的有机物会吸收部分紫外光，透过水样后的光强度会减弱。光电探测器接收到透过水样后的光信号，将其转换为电信号。信号放大处理器对该信号进行放大和处理，得到COD的数值。数据随后被存储在存储器中，能够直接通过数据通信模块传输到监控中心进行进一步分析和处理，克服信号干扰、通信网络覆盖不完全的问题。结构简单，安装便捷，能够保证水质监测数据的及时传输和准确性。

通过上述监测方式，可以实时监测供水管网中的水质情况，及时发现并处理水质异常，保障供水安全。

该监测设备与系统结合使用，可在供水管网8制作的过程中植入传感组件2，也可通过打孔安装到已有的供水管网8中，安装结构简单，这样可以确保水质监测设备与供水管网的无缝集成，实现实时在线监测供水水质。

需要说明的是，在入射光纤206与出射光纤207长时间工作过程中，当光时域反射仪检测出入射光纤206与出射光纤207粘附有水杂质时，通过控制清洗泵工作，能够实现喷水盘502对入射光纤206与出射光纤207的外部快速清洗，能够加强监测时数据的准确性，在清洗的过程中，供水管网8的内部水溶液为排出状态。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“ 顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

此外，术语“第一”、 “第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种光纤供水管网水质监测设备，包括安装在供水管网（8）上的监测设备本体（1），其特征在于，所述监测设备本体（1）包括传感组件（2）、支撑框架（3）、供电组件（4）、清洁组件（5）以及光纤固定结构（6）：

所述传感组件（2），安装在供水管网（8）上，且传感组件（2）的底部延伸至供水管网（8）的内部，所述传感组件（2）的上方连接有支撑框架（3）；

所述支撑框架（3），位于供水管网（8）的上方，支撑框架（3）的下方与传感组件（2）连接，支撑框架（3）的上方安装有供电组件（4）；

所述清洁组件（5）的顶端安装在支撑框架（3）上，底端沿着传感组件（2）延伸至供水管网（8）的内部；

光纤固定结构（6），包括两个光纤固定螺母，传感组件（2）通过光纤固定螺母固定安装在供水管网（8）上。

2.根据权利要求1所述的一种光纤供水管网水质监测设备，其特征在于，所述传感组件（2）包括LED光源（201）、单色器（202）、分光镜（203）、参照光纤（204）、光电探测器（205）、入射光纤（206）、出射光纤（207）、进水孔（208）、出水孔（209）以及磁吸结构（210）；

所述LED光源（201）、单色器（202）、分光镜（203）、参照光纤（204）、光电探测器（205）构成水上光路结构，所述入射光纤（206）、出射光纤（207）、进水孔（208）、出水孔（209）以及磁吸结构（210）构成水下光路结构。

3.根据权利要求2所述的一种光纤供水管网水质监测设备，其特征在于，所述入射光纤（206）和出射光纤（207）均通过光纤固定结构（6）固定安装在供水管网（8）上，所述入射光纤（206）和出射光纤（207）的底部之间通过磁吸结构（210）固定连接，所述进水孔（208）与出水孔（209）分别开设在磁吸结构（210）的上方与下方；

所述入射光纤（206）的顶部依次连接分光镜（203）、单色器（202）和LED光源（201）；所述出射光纤（207）的顶部连接有光电探测器（205），所述光电探测器（205）与分光镜（203）之间通过参照光纤（204）连接。

4.根据权利要求2所述的一种光纤供水管网水质监测设备，其特征在于，所述磁吸结构（210）包括四块磁吸块，四块磁吸块组成一个水下光信号通过的空间。

5.根据权利要求1所述的一种光纤供水管网水质监测设备，其特征在于，所述供电组件（4）包括太阳能板（401）、电源管理模块和锂离子电池（402），所述太阳能板（401），电源管理模块和锂离子电池（402）之间电路连接。

6.根据权利要求2所述的一种光纤供水管网水质监测设备，其特征在于，所述清洁组件（5）包括圆筒形水管（501）、喷水盘（502）、连接水管（503）、清洗泵和储水箱，所述圆筒形水管（501）镶嵌安装在光纤固定结构（6）的内部，所述圆筒形水管（501）的底部通过光纤固定结构（6）延伸至供水管网（8）的内部贯通链接有喷水盘（502），所述圆筒形水管（501）的顶部通过连接水管（503）连接清洗泵和储水箱；

所述喷水盘（502）的底部设置有若干排倾斜角度设置的喷水孔。

7.一种基于权利要求1所述的光纤供水管网水质监测设备的监测系统，其特征在于，包括控制显示板（7）、光时域反射模块、数据处理电路、数模转换电路、数据通信模块、存储器、信号放大器以及警示器；

所述光时域反射模块与传感组件（2）和清洁组件（5）连接，所述数据处理电路、数模转换电路、数据通信模块、存储器和信号放大器集成电路板，所述电路板和光时域反射模块均与控制显示板（7）和警示器之间电路连接。

8.根据权利要求7所述的一种光纤供水管网水质监测设备的监测系统，其特征在于，所述光时域反射模块为光时域反射仪，光时域反射仪与传感组件（2）之间信号连接。