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1、(10)申请公布号 CN 102288258 A (43)申请公布日 2011.12.21 CN 102288258 A *CN102288258A* (21)申请号 201110125602.6 (22)申请日 2011.05.16 G01F 23/24(2006.01) (71)申请人 青岛滩海工程咨询研究院 地址 266061 山东省青岛市崂山区辽阳东路 16 号 18 号楼 4 层 404 (72)发明人 贾永刚 李红磊 单海龙 (74)专利代理机构 青岛海昊知识产权事务所有 限公司 37201 代理人 张中南 (54) 发明名称 一种海洋潮位的远程实时自动监测系统及方 法 (57) 。
2、摘要 一种海洋潮位的远程实时自动监测系统及方 法， 包括带有信号接收器的上位机， 内含电阻率测 量装置的消波筒， 由绝缘导线与电阻率测量装置 相连接的装有控制程序的中央控制单元， 与所述 的中央控制单元相连的带有天线的 GPRS 模块， 以 及太阳能供电装置。上述电阻率测量装置由可插 拔的尼龙模块及其之间的电极环构成。其监测方 法包括 ： 根据待测潮位变化范围选择尼龙模块和 电极环个数 ； 将尼龙模块与电极环插接成的电阻 率测量装置及消波筒中固定于岸堤， 并循环重复 采集垂向上的电阻率值 ； 最后分析电阻率值而得 到潮位信息。 本发明能够自动、 准确、 连续、 实时发 布潮位信息， 为海洋工程。
3、施工、 安全监测、 航道通 行等提供支持， 对极端海况潮位遥报等尤为实用。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页 CN 102288271 A1/1 页 2 1.一种海洋潮位的远程实时自动监测系统， 包括带有信号接收器(12)的上位机(13)， 其特征在于还包括内含电阻率测量装置(1)的消波筒(2)， 由绝缘导线(8)与电阻率测量装 置(1)相连接的装有控制程序的中央控制单元(3)， 与所述的中央控制单元(3)相连的带有 天线 (4) 的 GPRS 模块 (5)， 以及太阳能供电装置 (6)。 2.。
4、 如权利要求 1 所述的监测系统， 其特征在于上述电阻率测量装置 (1) 包括至少 5 个 中空的可插拔的圆筒状尼龙模块 (11) 以及 4 个夹在相邻尼龙模块 (11) 对接缝内的电极环 (10)。 3.如权利要求1或2所述的监测系统， 其特征在于上述尼龙模块(11)组成的管腔内浇 筑有硫化橡胶。 4. 如权利要求 1 或 2 所述的监测系统， 其特征在于上述电极环 (10) 的厚度为 0.5 1mm。 5. 如权利要求 1 或 2 所述的监测系统， 其特征在于上述尼龙模块 (11) 的规格为 ： 外径 30 70mm， 内径 20 60mm， 长度 5-100mm。 6. 如权利要求 1 。
5、或 2 所述的监测系统， 其特征在于上述电极环 (10) 的材质为海军铜， 表面镀银， 规格为 ： 外径 31 71mm， 内径 27 67mm， 厚度 0.5mm。 7. 如权利要求 1 所述的监测系统， 其特征在于上述消波筒为防腐蚀的有机材料， 直径 30 80cm， 厚度 1 3cm， 底部开口， 筒壁上均匀打孔使筒内外连通， 孔径为 3 5cm， 打孔 密度为 1 2 个 /dm2。 8. 一种利用权利要求 1 所述监测系统对海洋潮位远程实时自动监测的方法， 其特征在 于该方法包括以下步骤 ： (1) 根据待测地点的潮位变化范围选择尼龙模块和电极环个数， 确定电阻率测量装置 的长度， 。
6、使潮位变化范围在电阻率测量装置的测量高度范围内 ； (2) 将尼龙模块相互插接， 并使电极环夹在相邻两个尼龙模块对接缝内 ； 绝缘导线从 尼龙模块组成的管内穿过将每个电极环与中央控制单元分别连接， 然后用硫化橡胶浇筑管 腔， 使尼龙模块、 电极环、 导线成为整体 ； (3) 将上述电阻率测量装置固定在消波筒中轴线上， 再将消波筒竖直固定于岸堤潮位 升降区域 ； (4) 将上述导线连接的中央控制单元放置于堤岸之上 ； (5) 利用中央控制单元的程序， 使电阻率测量装置自底向上循环重复采集垂向上的电 阻率值 ； (6) 通过 GPRS 模块和天线将上述电阻率值传入发送至信号接收器 ； (7) 经信。
7、号接收器将数据保存至上位机， 利用上位机内的处理程序分析电阻率值而得 到潮位信息。 9. 如权利要求 8 所述的监测方法， 其特征在于上述步骤 7 的分析电阻率值得到潮位信 息， 包括采用上位机软件将垂向的电阻率值绘制成电阻率曲线予以显示， 由上位机软件自 动判别产生电阻率突变的电极环的位置， 即海水面位置， 应用统计分析软件自动消除波浪 引起的水面变化， 最终输出潮位信息。 权 利 要 求 书 CN 102288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A1/5 页 3 一种海洋潮位的远程实时自动监测系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种海洋潮位的远程实时自动。
8、监测系统及方法， 以实现海洋潮位的远 程实时自动监测， 属于海洋技术领域。 背景技术 0002 海水在引潮力的作用下发生涨潮落潮， 海洋潮位的变化在遵循周期性规律的基础 上又体现出时空上的差异性。潮位信息对海运、 海洋工程、 气象研究等有重要影响， 目前有 多种技术手段应用于海洋潮位的监测。常用的海洋潮位监测仪器包括压力式水位计、 浮子 式验潮仪、 声学验潮仪等。 但是， 温度的变化会导致海水密度、 浮力、 声波传导性等参数的变 化， 所以会直接影响这些仪器的测量精度， 最常用的浮子式验潮仪还需要设置验潮井， 简易 性差。随着海洋开发的日益深入， 对潮位监测的时效性、 设备的简易性、 数据的准。
9、确性等都 有了新的要求， 而目前的验潮技术尚未满足需求。 发明内容 0003 本发明目的是提供一种海洋潮位的远程实时自动监测系统及方法， 以弥补现有技 术的上述不足。 0004 本发明通过实时、 连续、 自动测量海水面上下一定范围内的电阻率值， 根据电阻率 值的变化判断海水面位置， 获得潮位信息， 实现海洋潮位的远程实时自动监测。 具体是应用 电阻率测量装置实时采集并自动发送海面附近垂向上的电阻率数据， 该电阻率数据由远程 接收分析装置自动接收并分析。根据海水和空气电阻率的显著差异， 经过软件分析可准确 判断海水空气界面位置， 从而得到海水面随时间的变化， 进而得到海洋潮位信息。 0005 一。
10、种海洋潮位的远程实时自动监测系统， 包括带有信号接收器的上位机， 其特征 在于还包括内含电阻率测量装置的消波筒， 由绝缘导线与电阻率测量装置相连接的装有控 制程序的中央控制单元， 与所述的中央控制单元相连的带有天线的 GPRS 模块， 以及太阳能 供电装置。 0006 上述电阻率测量装置包括至少5个中空的可插拔的圆筒状尼龙模块以及4个夹在 相邻尼龙模块对接缝内的电极环 ； 每个电极环分别用绝缘导线与中央控制单元连接， 绝缘 导线从尼龙模块组成的管内穿过， 后在管腔内浇筑硫化橡胶。 所述尼龙模块为尼龙材料， 其 规格为 ： 外径 30 70mm， 内径 20 60mm， 长度 5 100mm。 。
11、0007 为了保证电极之间的间距一致， 使测量位置与高程的换算更加方便， 每个电极环 的厚度相同， 为 0.5 1mm。 0008 上述消波筒为防腐蚀的有机材料， 直径 30 80cm， 厚度 1 3cm， 底部开口， 筒壁 上均匀打孔使筒内外连通， 孔径为 3 5cm， 打孔密度为 1 2 个 /dm2。 0009 GPRS 模块通过天线将电阻率测量装置采集到的电阻率信号发射至陆地上的远程 接收分析装置， 运用上位机软件实时自动判别海面的位置， 得到潮位信息。电阻率测量装 置、 消波筒、 中央控制单元、 GPRS 模块、 太阳能供电装置组成现场采集发射装置， 并由太阳能 说 明 书 CN 1。
12、02288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A2/5 页 4 供电装置为各耗能装置提供电力。 0010 使用时， 上述电阻率测量装置固定在消波筒中轴线上， 二者竖直固定于感潮位置， 在中央控制单元的控制下， 电阻率测量装置自底而上测量消波筒内海水和空气的电阻率 值， 数据经中央控制单元处理传送至 GPRS 模块， 通过天线发射至上位机 ； 经上位机分析处 理得到不同时刻的海水面位置， 即潮位信息。 0011 一种利用上述监测系统对海洋潮位进行远程实时自动监测的方法， 其特征在于该 方法包括以下步骤 ： 0012 (1) 根据待测地点的潮位变化范围选择尼龙模块和电。
13、极环个数， 确定电阻率测量 装置的长度， 使潮位变化范围在电阻率测量装置的测量高度范围内 ； 0013 (2) 将尼龙模块相互插接， 并使电极环夹在相邻两个尼龙模块对接缝内 ； 绝缘导 线从尼龙模块组成的管内穿过将每个电极环与中央控制单元分别连接， 然后用硫化橡胶浇 筑管腔， 使尼龙模块、 电极环、 导线成为整体 ； 0014 (3) 将上述电阻率测量装置固定在消波筒中轴线上， 再将消波筒竖直固定于岸堤 潮位升降区域 ； 0015 (4) 将上述导线连接的中央控制单元放置于堤岸之上 ； 0016 (5) 利用中央控制单元的程序， 使电阻率测量装置自底向上循环重复采集垂向上 的电阻率值 ； 00。
14、17 (6) 通过 GPRS 模块和天线将上述电阻率值实时发送至信号接收器 ； 0018 (7) 经信号接收器将数据保存至上位机， 利用上位机内的程序分析电阻率值而得 到潮位信息。 0019 显然， 本发明无需开挖验潮井， 由消波筒提供相对稳定的海水空气界面， 且二者 的电阻率差异明显， 可准确反映海水面位置， 受气候、 水文等影响小。现场有太阳能供电装 置提供电力， 可实现长期无人值守监测。本发明结合了无线传输技术， 属于无线远程监测， 数据的传输和接收不受距离限制。 本系统具有自动、 准确、 连续、 实时发布潮位信息的特点， 可为海洋工程施工、 安全监测、 航道通行等提供支持， 对潮汐资料。
15、收集、 极端海况潮位遥报 等尤为实用。 附图说明 0020 图 1 本发明的整体结构示意图 0021 图 2 本发明的现场采集发射装置的结构及现场布设示意图。 0022 图 3 本发明的电阻率测量装置结构示意图。 0023 图 4 本发明的数据采集过程结构框图。 0024 图 5 本发明的数据接收程序流程图。 0025 图 6 本发明监测的潮位随时间的变化曲线图。 0026 其中， 1、 电阻率测量装置， 2、 消波筒， 3、 中央控制单元， 4、 天线， 5、 GPRS 模块， 6、 太 阳能供电装置， 7、 固定装置， 8、 导线， 9、 孔， 10、 电极环， 11、 尼龙模块， 12、。
16、 信号接收器， 13、 上 位机。 具体实施方式 说 明 书 CN 102288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A3/5 页 5 0027 如图 1 所示， 一种海洋潮位的远程实时自动监测系统， 包括带有信号接收器 12 的 上位机 13， 内含电阻率测量装置 1 的消波筒 2， 由绝缘导线 8 与电阻率测量装置 1 相连接的 内含控制程序的中央控制单元 3， 与所述的中央控制单元 3 相连的带有天线 4 的 GPRS 模块 5， 以及太阳能供电装置 6。 0028 其中， 电阻率测量装置 1 固定于消波筒 2 内中轴线位置， 中央控制单元 3 通过导线 8 。
17、连接并控制电阻率测量装置 1 采集位于消波筒 2 内的介质电阻率 ； GPRS 模块 5 经天线 4 将测量的电阻率信号自动发射至信号接收器 12 并保存至上位机 13 ； 经上位机 13 分析处理 信号后得到潮位信息， 实现海面上下一定范围电阻率数据的自动测量、 海面位置自动判别、 潮位信息发布。 0029 如图 2 所示， 电阻率测量装置 1 经由固定装置 7 竖直固定在岸堤潮位升降区域上， 使潮位变化范围在电阻率测量装置 1 的测量高度范围内。 0030 如图 3 所示， 电阻率测量装置 1 为圆柱形设备， 包括插接式尼龙模块 11、 夹在两个 尼龙模块之间的电极环 10 和绝缘导线 8。
18、。所述尼龙模块 11 为尼龙材料， 其规格为 ： 外径 30 70mm， 内径 20 60mm， 长度 5-100mm， 数目为 5 501 个， 尼龙模块 11 底端带有凸台， 顶端带有与凸台相适应的凹槽， 从而可以彼此插拔组合 ； 所述电极环 10 的材质为海军铜， 表面镀银， 其规格为 ： 外径 31 71mm， 内径 27 67mm， 厚度 0.5mm， 数目为 4 500 个。绝 缘导线 8 尼龙模块 11 插接成的管内穿过， 将每个电极环 10 分别连接到中央控制单元 3， 管 腔内用硫化橡胶浇注、 密封。 0031 如图2所示， 电阻率测量装置1外罩有消波筒2， 用于消除因波浪破。
19、碎、 飞溅等造成 的海水面不稳定现象， 在筒内形成较连续的水面， 利于电阻率测量装置 1 准确测量。所述的 消波筒 2 其材质为具有一定强度且防腐蚀的有机材料， 直径 30 80cm， 厚度 1 3cm， 底部 开口， 筒壁上均匀打圆孔 9 使筒内外连通， 孔径为 3 5cm， 孔 9 的密度为 1 2 个 /dm2。 0032 中央控制单元 3 顶部固定有太阳能供电装置 6， 为整个现场采集发射装置提供电 能。 0033 中央控制单元3可放置于岸堤上， 通过导线8与电阻率测量装置1连接。 在中央控 制单元3控制下， 电阻率测量装置1自底向上循环重复采集垂向上的电阻率值， 数据经GPRS 模块。
20、 5 和天线 4 发送至信号接收器 12 和上位机 13。其中 GPRS 模块 5 是在 900MHz/1800MHz 网络环境下的， 天线 4 为 GSM 天线。 0034 中央控制单元 3 宜选用尺寸小， 功耗低的单片机， 控制电阻率测量装置自底向上 循环采集垂向上的电阻率值， 其工作流程如图 4 所示 ： 单片机执行命令， 首先从准备状态进 入初始化， 并自动读取预设的工作参数， 时钟模块随后启动， 中央控制单元 3 和 GPRS 模块 5 均进入初始化状态， 准备采集和发射信号， 维持该状态直至达到预设的采集时间 ； 采集控制 装置首先接入最底部四个电极环 10， 测量对应位置的电阻率。
21、， 然后通过电极转换实现不同 位置的电阻率测量 ； 采集结果通过GPRS模块5和天线4发射 ； 循环采集发射过程， 直到采集 时间结束， 单片机结束工作。 0035 远程接收分析装置的信号接收器 12 工作流程如图 5 所示 ： 首先信号接收器 12 状 态初始化， 后自动重复检查数据接收的缓冲区是否有数据存在， 直至缓冲区接收到数据 ； 将 缓冲区数据接收并分析， 判断其是否来自于现场采集发射装置， 如果不是则放弃并重新检 查缓冲区， 直至检查到现场数据并通过 RS232 接口自动将该数据传输存储至上位机 13， 然 说 明 书 CN 102288258 ACN 102288258 A CN。
22、 102288271 A4/5 页 6 后继续检查缓冲区是否有数据存在， 接收并保存所有来自现场采集发射装置的数据 ； 重复 上述过程。 0036 接收的数据信号传入上位机 13 进行储存， 然后采用上位机软件将垂向的电阻率 值绘制成电阻率曲线予以显示。根据电极环在海水中测得的电阻率比较均一， 而在气液交 界处测得的电阻率产生突变的特点， 由上位机软件自动判别产生电阻率突变的电极环的位 置， 即海水面位置， 应用统计分析软件自动消除波浪引起的水面变化， 最终输出潮位信息。 0037 测量装置测量电阻率的原理如下 ： 0038 根据图 3， 一组 Wenner 装置由相邻的四个电极组成， 分别称。
23、为 A、 M、 N、 B 极， 其中 A、 B 为供电电极， M、 N 为测量电极， 测量 M、 N 电极之间的介质导电性， 计算电阻率 如公式 (1)、 (2) 所示。当一组 Wenner 装置采集完毕后， 向上依次滚动测量。 0039 0040 0041 式中， K 为装置系数， UMN为测量电极间的电压， I 为供电电极间的电流强度， 为介质的视电阻率值， AM、 AN、 MN 分别为对应电极间的距离。 0042 当潮位涨至一定位置， Wenner 装置自底向上滚动时， 首先测量消波筒内下部海水 的电阻率值， 当某一组的供电电极B刚好露出与水面暴露与空气中时， 由于供电电极A、 B间 无。
24、法形成电流回路， 则测量电极 M、 N 将无法得到海水电阻率值， 此时收集到的电阻率信号 将出现明显异常。信号经发射、 接收、 分析后， 得到潮位数据。 0043 实施例 0044 下面以 300 个电极为例， 本发明的具体操作如下 ： 0045 在青岛石老人海域开展实施例， 该地区属正规半日潮， 潮差 2 米左右。测试所使用 的电阻率测量装置长度为 3 米， 满足潮位变化范围 ； 电极环间距 1cm， 对海水空气分界面 的判断精度为 0.5cm， 即电极间距的一半。选择 301 个尼龙模块和 300 个电极环， 将焊接有 绝缘导线的电极环套接在尼龙模块有凸台的一侧， 然后在上部插接第二个尼龙。
25、模块的凹槽 侧， 使电极环紧箍于尼龙模块间， 重复套接直至全部完成， 所有导线从形成的尼龙模块管腔 内穿出。压紧后向管内浇注硫化橡胶进行密封固定使电极环、 尼龙模块、 导线成为整体。橡 胶凝固后将全部导线依次接入中央控制单元。电阻率测量装置沿消波筒中轴线固定， 然后 将二者共同竖直固定于潮位升降变化区域。在中央控制单元设置采集频率等参数， 工作时 中央控制单元首先将第 1 个第 4 个电极环接通形成 Wenner 装置， 使第 1 个和第 4 个电极 环供电， 第 2 个和第 3 个测量电压和电流， 结果经放大、 过滤、 转换后得到电阻率值， 然后向 上从第 2 个电极环开始再接通 4 个电极。
26、环， 重复采集直至最后 4 个电极环。每次测得的电 阻率数据均传入 GPRS 模块经天线发射至远程接收分析装置。根据预设的采集频率， 一次循 环结束后间隔一定时间再次从底部重复上述过程。 0046 上位机将收到的监测数据进行分析， 得到电阻率曲线图。经电阻率测量装置得到 的该区域海水电阻率值在 0.25.m 0.3.m 之间， 而空气电阻率非常大， 因海水与空气 的电阻率差异明显， 电阻率曲线上存在明显的突变位置， 根据突变位置高程， 分析得到海水 面位置。通过不断测量得到海面随时间的变化， 进而获得潮位信息。某次涨潮落潮过程中 部分潮位高程的测量结果如图 6 所示， 涨落潮历时 6 小时左右。
27、。显然， 本监测系统可调节测 说 明 书 CN 102288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A5/5 页 7 量装置的长度， 可安装于不同的水域和海况条件， 为海洋潮位信息收集和遥报提供支持。 说 明 书 CN 102288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A1/6 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A2/6 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 102288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A3/6 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 102288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A4/6 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 102288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A5/6 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 102288258 ACN 102288258 A CN 102288271 A6/6 页 13 图 6 说 明 书 附 图 CN 102288258 ACN 102288258 A 。