多含水层深孔分层抽水试验自动测量系统及方法技术领域
本发明涉及一种多含水层深孔分层抽水试验自动测量系统及方法，适用于
多个含水层钻孔抽水试验过程中水文地质参数的自动测量。
背景技术
目前，钻孔抽水试验过程中水文地质参数的获取主要分为人工手动测量和
自动测量两种，人工手动测量方法是指：抽水试验过程中，工作人员使用尺子、
温度计等工具，按照抽水试验监测要求以不同频率进行测量并填表记录，这种
方法耗时耗力且测量精度不高；随着自动化测量技术的进步，出现了水文地质
参数的自动测量仪器，将测量仪器安装在水下，设置好采样时间，启动后仪器
自动将地下水参数存储在仪器中，大大提高了工作效率和测量精度。
然而，针对于具有多个含水层钻孔的分层抽水试验，现有的测量仪器存在
一定的局限性，主要表现在：整个抽水试验过程中，采样频率不可调整且采样
频率较低，无法满足抽水试验的采样要求；量程较小，一般在几十米左右，不
能应用于深层监测孔中；结构复杂，不便于与其他设备组装配合使用；无法实
时显示监测数据。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种多含水层深孔分层抽水试验自
动测量系统及方法，利用该系统及方法能够将多个含水层彼此隔离，并分别测
量各含水层的水文地质参数并实时显示出来，且量程宽，采样频率可调，能够
满足现代化分层抽水实验的要求。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多含水层深孔分层抽水试验自动测量系统，包括
含水层封隔器，用于将多个含水层相互隔离，
数据采集及处理装置，包括井下数据采集单元、井上数据处理及显示单元，
该井下数据采集单元的通讯线缆穿过该含水层封隔器伸入井下的含水层，
用于采集含水层的动态信息，
该井上数据处理及显示单元用于接收该动态信息并对其进行处理以生成
水文地质参数数据。
进一步的，
所述含水层封隔器包括高压氮气瓶、胶桶，该高压氮气瓶与胶桶密封连通，
该胶桶与一泵送管道相连接。
所述井上数据处理及显示单元包括主处理器、时钟电路、存储器、显示屏、
数字压力传感器，该时钟电路、存储器均与主处理器的I/O端口相连接，该显
示屏与主处理器的数据输出端相连接，该数字压力传感器与主处理器的数据输
入端相连接；所述井下数据采集单元包括压力温度传感器、信号调理电路、模
数转换电路，该压力温度传感器经该信号调理电路、模数转换电路与主处理器
相连接。
系统的供电电路包括第一电源电路和第二电源电路，该第一电源电路用于
为所述主处理器和时钟电路稳定供电，该第二电源电路通过一开关电路与电源
相连接，该第二电源电路用于为所述存储器、数字压力传感器及一接口电路供
电，该接口电路用于电性连接所述井下数据采集单元。
所述时钟电路用于采样时间点的计时，当所述时钟电路计时未到达采样时
间点时，所述主处理器断开所述开关电路，当所述时钟电路计时到达采样时间
点时，所述主处理器接通开关电路。
系统的采样频率按照预设的对数函数规律变化，或是，所述采样频率通过
一输入单元设置，该输入单元与所述主处理器的I/O端相连接。
所述主处理器的I/O端口还与一无线传输模块相连接。
所述胶桶上开有用于穿设所述井下数据采集单元的通讯线缆的贯穿孔，所
述井下数据采集单元与胶桶密封连接；所述井上数据处理及显示单元、井下数
据采集单元分别封装于密封壳体中。
基于上述的多含水层深孔分层抽水试验自动测量系统实现的测量方法，包
括以下步骤：
S1：通过所述泵送管道将所述含水层封隔器、井下数据采集单元下到井下
两含水层的分界位置，通过所述高压氮气瓶对胶桶充气，使得上、下两含水层
互相隔离；
S2：所述井下数据采集单元采集含水层的温度、压力数据；
S3：所述井上数据处理及显示单元按照预设或是输入设置的采样频率，接
收所述井下数据采集单元采集的含水层的温度、压力数据，并对采集的数据进
行处理，生成水文地质参数数据。
所述水文地质参数数据包括水温、水位数据，将采集的压力数据处理生成
水位数据的方法是，
h＝(P1-P2)/ρg(1)
其中，h表示水位，P1表示所述井下数据采集单元采集的水压值，P2表示
所述数字压力传感器采集的大气压力值，ρ表示水的密度，g表示重力加速度。
本发明的优点在于：
1)本发明能够将多个含水层彼此隔离，并分别测量各含水层的水文地质
参数，有利于对含水层进行独立的分析研究；
2)本发明可通过输入单元设置采样频率，也可设置采样频率，使之按照
一定规律调整，能够满足抽水试验的采样要求；
3)本发明的测量量程宽，井下数据采集单元可下到百米甚至千米的监测
井下实现数据采集，能够满足深水作业；
4)本发明结构较为简单，体积较小，便于与现场其他设备组装配合使用；
5)本发明可以实时采集、显示、存储动态的水文地质参数数据，并可将
采集、存储的数据传输至上位机进行进一步处理，能够满足现代化分层抽水实
验的要求。
附图说明
图1是本发明的数据采集及处理装置的组成结构框图。
图2是本发明的优选实施例的数据采集及处理装置的组成结构框图。
图3是本发明的又一优选实施例的数据采集及处理装置的组成结构框图。
图4是本发明的含水层封隔器的组成结构示意图。
图5是本发明的具体实施例的信号调理电路的电路原理图。
图6是本发明的具体实施例的时钟电路的电路原理图。
图7是本发明的具体实施例的数字压力传感器及其外围电路原理图。
图8是本发明的具体实施例的存储器及其外围电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
如图1、4所示，本发明公开的多含水层深孔分层抽水试验自动测量系统，
包括用于将多个含水层相互隔离的含水层封隔器1，及用于测量不同含水层的
水文地质参数的数据采集及处理装置2，该数据采集及处理装置2包括分别设
置于密封壳体中的井上数据处理及显示单元21、井下数据采集单元22，井下
数据采集单元22经通讯线缆与井上数据处理及显示单元21电性连接，井下数
据采集单元22的通讯线缆穿过含水层封隔器1伸入井下的含水层，采集含水
层的水文地质参数信息。
如图1所示，井上数据处理及显示单元21包括主处理器、时钟电路、存
储器、显示屏、数字压力传感器，时钟电路与主处理器的I/O端口相连接，用
于为装置提供基准的时钟信号，存储器与主处理器的I/O端口相连接，用于存
储采集的水文地质参数数据，显示屏与主处理器的数据输出端相连接，用于显
示处理后的水文地质参数信息，数字压力传感器与主处理器的数据输入端相连
接，用于压力补偿处理；井下数据采集单元22包括压力温度传感器、信号调
理电路、模数转换电路，压力温度传感器采集的水下的温度、压力数据经过信
号调理电路进行滤波、放大处理后，经模数转换电路转换为数字信号后传输给
主处理器，由井上数据处理及显示单元21对采集的温度、压力数据进行处理
后生成水文地质参数数据，并进行显示、存储。
如图2、3所示，于优选的实施例中，本发明的多含水层深孔分层抽水试
验自动测量系统具有低功耗、采样频率可调、远程传输等功能特点，具体的说，
系统由电池供电，供电电路分为第一电源电路和第二电源电路，第一电源
电路用于为主处理器和时钟信号稳定供电，第二电源电路通过一开关电路与电
池相连接，主处理器通过控制开关电路的通断，控制第二电源电路是否为存储
器、数字压力传感器、接口电路供电，当系统不工作或是未到采样时间点时，
主处理器断开第二电源电路的电源，系统处于低功耗的待机模式，当到达采样
时间点需要采集含水层的动态信息时，主处理器接通第二电源电路的电源，井
下数据采集单元22采集的水下温度、压力数据传输给主处理器。
时钟电路不仅可为系统提供基准的时钟信号，还具有采样的计时功能，当
时钟电路计时未到达采样时间点时，主处理器断开开关电路，系统处于低功耗
状态，当时钟电路计时到达采样时间点时，主处理器接通开关电路，井下数据
采集单元22采集的水下温度、压力数据传输给主处理器，实现采样过程；上
述的采样时间点，即采样频率可以预先设定按照一定的规律进行调整，例如，
预设采样频率按照对数函数的规律进行变化，采样频率也可以通过一输入单元
进行设置，该输入单元可以是触摸显示屏、计算机等输入设备。
主处理器的I/O端口与一无线传输模块相连接，可通过该无线传输模块与
上位机实现数据的交互，包括设置采样频率、校准时钟、上传采样数据等。
本发明测量量程宽，井下数据采集单元22可下到百米甚至千米的监测井
下实现数据采集，具体的说，
如图4所示，含水层封隔器1包括高压氮气瓶10、胶桶11，高压氮气瓶
10与胶桶11通过导气管12密封连通，胶桶11与潜水泵的泵送管道3相连接，
泵送管道3将胶桶11下到井下两含水层的分界位置后，通过高压氮气瓶10对
胶桶11充气，胶桶11膨胀与井壁紧贴，将两含水层上、下隔离；
胶桶11上开有用于穿设井下数据采集单元22的通讯线缆的贯穿孔，当有
多个含水层时，两两含水层之间设置含水层封隔器1，多个井下数据采集单元
22的通讯线缆分别穿过各含水层封隔器1上对应的贯穿孔(井下数据采集单元
的通讯线缆与含水层隔离器之间密封连接)，保证每个井下数据采集单元测量
一个含水层的动态信息(温度、压力数据)，无论监测井多深，只要保证井下
数据采集单元22的通讯线缆足够长，就可以实现含水层水文地质参数的测量。
需要说明的是，含水层封隔器1的井下放置位置，可以根据测量结果判断、
调整。当含水层封隔器1未放置于两含水层的分界位置时，两井下数据采集单
元(含水层封隔器上、下各一个井下数据采集单元)采集的是两个含水层共同
作用的动态信息，测量结果无明显变化，而，当含水层封隔器1放置于两含水
层的分界位置时，两井下数据采集单元分别采集对应的含水层的动态信息，测
量结果发生显著变化，此时，可判断含水层封隔器1放置位置正确。
利用上述多含水层深孔分层抽水试验自动测量系统实现水文地质参数的
测量方法是：
S1：将潜水泵、泵送管道3与含水层封隔器1、含水层封隔器1与井下数
据采集单元22等设备组装在一起，通过泵送管道3将含水层封隔器1、井下数
据采集单元22下到井下合适的位置，通过高压氮气瓶10对胶桶11充气，使
得上、下两含水层相互隔离；
S2：井下数据采集单元22采集含水层的温度、压力数据；
S3：井上数据处理及显示单元21按照设置好的采样频率，接收井下数据
采集单元22采集的含水层的温度、压力数据，并对采集的数据进行处理，生
成水文地质参数数据；
该水文地质参数数据包括水温、水位数据，其中，将采集的压力数据处理
生成水位数据的方法是，按照公式(1)将压力值转换为水位值，
h＝(P1-P2)/ρg(1)
其中，h表示水位，P1表示井下数据采集单元采集的水压值，P2表示数字
压力传感器采集的大气压力值，(P1-P2)为气压补偿后的压力值，ρ表示水的
密度，g表示重力加速度。
采样频率可以按照预设的函数变化规律进行改变，也可以通过输入设备设
置。
S4：生成的水文地质参数可进行存储、显示、经无线传输模块传输至上位
机进行进一步处理等。
如图5-8所示，于具体实施例中，信号调理电路选用MAXIM公司生产的
MAX267、MAX4471、MAX9028型芯片搭建实现模拟信号的滤波、放大功能，
其中，滤波电路由MAX267芯片构成带通滤波器(允许0.8～38Hz的信号通过)，
滤掉信号中的直流成分和电源带来的高频噪声和工频干扰，然后经过放大器
MAX4471进行放大处理，进入模数转换电路(如，可选用AD7484芯片)进
行模数转换，同时该信号通过低功耗比较器MAX9028转换成脉冲信号，触发
AD7484芯片工作。
时钟电路可选用ISL12022MZ时钟芯片，为系统提供精准的时间基准，同
时提供智能的闹钟报警功能，使装置有条不紊的执行测量任务，该时钟芯片具
有温度补偿和夏令时自动调整功能，在-40℃-+85℃温度范围内片上振荡器漂移
小于±5ppm，其配置有标准的IIC接口，非常容易与主处理器进行数据交换。
数字压力传感器采用瑞士Intersema公司的基于MEMS技术的MS5540C
型数字压力传感器，MS5540C芯片通过SPI接口与主处理器进行数据传输，它
需要一个外部32768HZ的晶振提供时钟，将测量水压数据减去气压数据，可
消除大气对装置测量结果的影响。
存储器使用意法半导体公司生产的M25P80型的串行接口Flash存储器，
其具有1M字节(1M*8)存储空间，具有先进的保护机制，采用2.7V-3.6V电
源供电，具备SPI标准接口，操作简单，具有掉电不丢失数据的优点，能够将
装置采集到的数据安全存储下来，特别适合系统的使用环境。
接口电路可采用六针接口实现，其中四针用于与井下数据采集单元的
RS485接口模块相连接，另外两针用于与计算机的RS232接口模块相连接，
RS485接口模块与RS232接口模块可共用地端。
主处理器选用TI公司生产的MSP430F5438型芯片，该控制芯片处理速度
快、功耗低、外设接口丰富；压力温度传感器采用SC-WW-1型硅压阻式压力
温度传感器；电池使用3.6V压降的5号锂电池。
高压氮气瓶10上装配压力表，用于监控胶桶11的充装压力，防止胶桶11
涨破或者难以达到封隔含水层的效果，胶桶11采用含氟橡胶材料制成，其膨
胀系数好，能够有效与井壁亲和，达到密封效果，胶桶11的材料也可以根据
含水层及抽水实验环境的变化而改变。
所述封装井下数据采集单元22、井上数据处理及显示单元21的密封壳体
(如图2、3所示的虚线部分)，采用高密封性设计，能够达到1000米水下密
封效果。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技
术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方
案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之
内。