本实用新型属于水利水电工程、水环境工程的温度监控装置技术领域，具体涉及一种水库坝前垂向水温无线监测装置。
背景技术：
兴建水库是水资源合理开发利用的一种方式，对促进当地的经济和社会发展具有重要意义。但水库兴建蓄水后，将抬升原有河道的水位，导致水深增加，流速降低，水体面积增大，进而引发水体热量分布的进一步改变，形成水库水温的分层结构。
水库水温分层往往伴随着水体在物理、化学、水生生物特征及相关指标在分布上的变化。如水库上层温水层因水生植物光合作用及水气的氧交换，通常保持高溶解氧状态，这种状态会促进水库富营养化和水质恶化现象发生；下层低温水受扰动小，扩散不易，在溶氧难恢复的情况下会产生厌氧微生物层，从而加速了内部营养盐循环和络合金属物质的溶解释放，导致水库水质进一步恶化；下泄的低温水往往会影响坝下河道鱼类生活和繁殖，同时对下游灌溉农作物生育期的正常发育产生重大不利影响。为缓解水库兴建造成的水库内水质问题及下泄低温水问题，需实时对水库的垂向水温结构进行监测，以便于采取有效的减缓措施，为水库日常管理、运行调度提供支撑，以促进水库生态环境的保护。
目前，水库坝前垂向水温监测通常是监测人员通过乘船至坝前监测点位、人工投放并回收带有温度、压力传感装置及数据记录功能的仪器进行水温结构监测工作，或采用浮筒或漂浮平台安装自记式水温传感器进行测量工作。这些方案虽然可以收集到坝前垂向水温结构数据，但存在以下一些问题：
1.人工投放监测设备、浮筒或漂浮平台安装方式不具备自动监测坝前水位的功能，其获取的水温数据需要根据后续计算才能得到相应的高程—水温温度曲线，同时因水位监测不能与水温监测同步开展，将造成高程—水温温度曲线失真，不利于科学研究与水库精细化调度工作。
2.人工投放监测设备的监测不仅需要耗费大量的测量时间，且监测频率低，不足以提供高频率的数据，同时因不能自动测量、自动传输，监测数据时效性差，一方面无法满足水库管理者或科研人员在水库管理及水库水温变化特性研究方面的需求，另一方面不利于水库日常管理和运行调度。
3.人工投放监测、浮筒或漂浮平台安装容易受坝前风浪影响，不仅极易导致设备损毁或丢失，且在天气状况不佳的条件下进行，还存在人员水上作业的安全风险。
4.浮筒或漂浮平台安装的监测方式极易受水位变幅及坝前风浪、流场影响，导致监测链形成抛物线形态，直接造成垂向水温结构监测结果错误。
技术实现要素：
本实用新型的目的是为了提供一种能结合坝前水位变幅情况，对垂向水温监测数据进行实时测量的水库坝前垂向水温无线监测装置。
为解决上述技术问题，本实用新型提出如下技术方案：
一种水库坝前垂向水温无线监测装置，它包括坝前监测系统、远端水库管理系统，坝前监测系统包括主悬臂梁、次悬臂梁，次悬臂梁设置在主悬臂梁上方，且次悬臂梁的前延伸端设有滑轮；次缆绳和监测链的一端连接并缠绕于卷线机上，另一端绕过滑轮并朝外下垂；主缆绳一端与主悬臂梁另一端、另一端设有铅鱼，在监测链上设有若干组温度传感器、压力传感器。
上述远端水库管理系统与温度传感器和/或压力传感器通过无线交互连接。
在主缆绳上设有若干滑动连接件，监测链和/或次缆绳穿设在滑动连接件中并平行于主缆绳。
上述滑动连接件包括第一夹紧定位环、滑动限位环，第一夹紧定位环与滑动限位环之间为延长部，第一夹紧定位环用于夹紧主缆绳和/或次缆绳。
还包括固定连接件，固定连接件包括分别与次缆绳、监测链连接的第二夹紧定位环，两个第二夹紧定位环之间为延长部。
在主悬臂梁上设有超声波水位计，坝前监测系统还包括监测链终端处理器、配电机构，配电机构用于给监测链终端处理器、温度传感器、压力传感器配、供电；监测链终端处理器用于接收温度传感器、压力传感器、超声波水位计的信号，并通过监测链终端处理器上的第一无线信息接收传输模块传给远端水库管理系统。
上述卷线机由电机驱动，监测链终端处理器包括存储模块、控制模块、显示模块、第一无线信息接收传输模块、电机开关。
上述远端水库管理系统包括工作站、分别与工作站连接的第二无线信息接收传输模块、电源。
上述每两组温度传感器之间的间距为1至5米，每两组压力传感器之间的间距为1至5米。
采用上述技术方案，所带来的技术效果为：
1、由于本实用新型提供的水库坝前垂向水温无线监测装置中监测系统直接固定设置在坝前，因而不仅可以避免现有人工投放监测设备带来的极易导致的设备丢失、垂向水温测量的频次低、监测数据时效性差的问题，又或是浮筒、漂浮平台安装方式的仪器设备受风浪影响及水位变幅导致的损坏，以及工作人员水上作业安全等问题，且可以减少大量的人工重复性工作，大大提高数据测量的频率和精度，满足水库管理者或科研人员在水库管理及水库水温变化特性研究方面的需求，方便于日常管理和运行调度。
2、由于本实用新型提供的水库坝前垂向水温无线监测装置中监测系统可自动适应水位变动，并可直接提供高程—温度曲线图或水深—温度曲线图，供水库管理者实时掌握水库水温结构变化信息，便于水库管理者及时采取措施，制定减缓水库水温影响的方案，保护水库的生态环境；同时监测系统还可对近水面气温进行同步监测，可为科研人员研究水体表层热传导提供数据支撑。
3、由于本实用新型提供的水库坝前垂向水温无线监测装置不仅可根据预设的参数，自动或人工调整监测设备的位置，且还可对水库坝前垂向水温结构数据进行自动测量、传输、分析、调整，除仪器设备安装外，实现全自动坝前垂向水温结构监测工作，进一步保证水温监测数据的时效性和准确性。
4、由于本实用新型提供的水库坝前垂向水温无线监测装置在主缆绳、次缆绳和监测链之间设置了滑动连接件和固定连接件，以及主缆绳下铅鱼的配合，因而能够保证监测链上的温度传感器和压力传感器垂直分布于水中，而不受水体冲击影响形成抛物线形态，导致有效监测范围减小和影响数据准确性。
5、由于本实用新型提供的水库坝前垂向水温无线监测装置选择了高精度的温度传感器与压力传感器，因而所监测的水温垂向数据精度高、稳定可靠。
6、本实用新型提供的水库坝前垂向水温无线监测装置不仅技术成熟、结构简单、造价低、布置方便，且操作方便，运行维护成本低，便于推广应用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
图1为本实用新型装置的整体结构和布设示意图；
图2为本实用新型装置中的监测链上布设的温度、压力传感器，监测链终端处理器与配电机构的连接关系示意图；
图3为本实用新型装置中连接主缆绳和监测链与次缆绳的滑动连接件的主视结构示意图；
图4为本实用新型装置中连接监测链和次缆绳的固定连接件的主视结构示意图；
图5为本实用新型监测链终端处理器与温度、压力传感器和超声波水位计的电路连接图；
具体实施方式
如图1至5所示，一种水库坝前垂向水温无线监测装置，它包括坝前监测系统1、远端水库管理系统26，坝前监测系统1包括主悬臂梁2、次悬臂梁3，次悬臂梁3设置在主悬臂梁2上方，且次悬臂梁3的前延伸端设有滑轮7；次缆绳5和监测链8的一端连接并缠绕于卷线机16上，另一端绕过滑轮7并朝外下垂；主缆绳4一端与主悬臂梁2另一端、另一端设有铅鱼6，在监测链8上设有若干组温度传感器9、压力传感器10。
远端水库管理系统26与温度传感器9和/或压力传感器10通过无线交互连接。
在主缆绳4上设有若干滑动连接件11，监测链8和/或次缆绳5穿设在滑动连接件11中并平行于主缆绳4。
滑动连接件11包括第一夹紧定位环12、滑动限位环13，第一夹紧定位环12与滑动限位环13之间为延长部，第一夹紧定位环12用于夹紧主缆绳4和/或次缆绳5。
还包括固定连接件14，固定连接件14包括分别与次缆绳5、监测链8连接的第二夹紧定位环15，两个第二夹紧定位环之间为延长部。
在主悬臂梁2上设有超声波水位计18，坝前监测系统1还包括监测链终端处理器19、配电机构25，配电机构25用于给监测链终端处理器19、温度传感器9、压力传感器10配、供电；监测链终端处理器19用于接收温度传感器9、压力传感器10、超声波水位计18的信号，并通过监测链终端处理器19上的第一无线信息接收传输模块23传给远端水库管理系统26。
卷线机16由电机17驱动，监测链终端处理器19包括存储模块20、控制模块21、显示模块22、第一无线信息接收传输模块23、电机开关24。
远端水库管理系统26包括工作站27、分别与工作站27连接的第二无线信息接收传输模块28、电源29。
每两组温度传感器9之间的间距为1至5米，每两组压力传感器之间的间距为1至5米，位于监测链上分布的温度传感器和压力传感器水面以上至少要保持一组，以便区分水体和空气的温度和压力，其余分布于水下高程上，每两组之间的距离为1~5米。也可以根据水库水温分层结构情况，即是分层型、过渡型还是混合型,按照监测要求进行调整。设置的传感器的精度也可以根据需要来选择，本实用新型选择的温度传感器精度为0.005℃，压力传感器精度为0.1m。
可选的，每两组温度传感器和压力传感器之间的距离为5米。
可选的，每两组温度传感器和压力传感器之间的距离为2米。
可选的，每两组温度传感器和压力传感器之间的距离为1米。
实施例：
如图1所示，本实施例给出的水库坝前垂向水温无线监测装置是由坝前监测系统1和远端水库管理系统26构成。坝前监测系统1具体设置于水库坝上，远端水库管理系统26设置在水库调度管理办公区。
其中，坝前监测系统1包括主悬臂梁2、次悬臂梁3、主缆绳4、次缆绳5、铅鱼6、滑轮7、监测链8、滑动连接件11、固定连接件14、卷线机16、电机17、超声波水位计18、监测链终端处理器19和配电机构25。主悬臂梁2固定在水面以上的坝体内侧壁上，主缆绳4一端固定在其伸出的悬臂梁2端部，另一端固定连接铅鱼6，连接后铅鱼6放入水库坝前水底，使连接的主缆绳4也垂直向下保持竖直状态。次悬臂梁3平行固定在主悬臂梁2上方坝体内侧的端壁上，滑轮7固定在其伸出的悬臂梁3端头，次缆绳5和监测链8一端一起缠绕于安装在坝上并与电机17相连的卷线机16上，另一端又一起绕过滑轮7垂向水中与主缆绳4平行，并通过其上分布的滑动连接件11与主缆绳4连接，形成竖直的滑动通道。为保证水中的监测链8能与次缆绳5同时升降，二者之间通过分布其上的固定连接件14连为一体，其中监测链8上分布有若干组温度传感器9和压力传感器10。分布在监测链8上的温度传感器9和压力传感器10在水面以上至少要保持有一组，其余分布于水下高程上，以便区分水体和空气的温度和压力。每两组温度传感器和压力传感器之间的距离本实施例为3米。超声波水位计18固定于主悬臂梁2上，用于监测坝前水位变动情况，且与温度传感器9和压力传感器10分别与监测链终端处理器19相连。
优选的，主缆绳4和次缆绳5为钢缆绳。
监测链终端处理器19连接于监测链8与配电机构25之间，是由存储模块20、控制模块21、显示模块22、第一无线信息接收传输模块23和电机开关24构成，监测链8上分布的温度传感器9和压力传感器10以及固定于主悬臂梁2上的超声波水位计18的测试数据传输给控制模块21，经控制模块21处理（将获取的温度、水深、水位及时间信息处理成远端水库管理系统指定的水位、时间、高程及温度格式的信息）后，分别传输给与之相连的显示模块22、存储模块20和第一无线信息接收传输模块23，第一无线信息接收传输模块23再采用移动互联网通信方式中的任一种将信息传输给远端水库管理系统26，或接受远端水库管理系统26的第二无线信息接收传输模块28发送的监测频次调整和监测链位置调整信息再传输给控制模块21，经控制模块21处理后再分别传输给显示模块22、存储模块20，并打开电机开关24，启动电机17开动卷绕机16调整次缆绳5和监测链8的升降，使监测链8上分布的温度传感器9和压力传感器10到达相应的位置，如图2所示。
本实施例坝前监测控制装置中的存储模块20采用广州市星翼电子科技有限公司生产的sd卡，控制模块21具体采用广州市星翼电子科技有限公司生产的stm32f103rct6单片机，显示模块22采用广州市星翼电子科技有限公司生产的tftlcd3.5寸液晶显示模块，第一无线信息接收传输模块23采用广州市星翼电子科技有限公司生产的gsm模块，超声波水位计采用risym公司的hy-srf05，温度传感器采用美国dallas公司生产的ds1624，压力传感器采用深州市迈瑞达公司生产的cjmcu。其相互之间的电路连接见图5。
本实施例装置的坝前监测系统1中所述的滑动连接件11是由两薄形长条块构成，每个长条块的左右部分的中部位置各有一个一小一大半圆形凸起，使用时对称安装经连接件即螺钉螺帽固定即可形成一左一右的第一夹紧定位环12和滑动限位环13，如图4所示。使用时，次缆绳5夹紧固定在第一夹紧定位环12中，主缆绳4则位于另一侧的滑动限位环13内，以在卷绕机16调整次缆绳5和监测链8位置时，保证次缆绳5和监测链8能与主缆绳4平行，呈铅直状态且可无阻碍滑动。
本实施例装置的坝前监测系统中所述的固定连接件14分布于坝前滑轮以下的次缆绳5和监测链8上，其是由两薄形长条块构成，每个长条块的左右部分的中部位置各有一个半圆形凸起，使用时，对称安装经连接件如螺钉螺帽固定即可形成两个夹紧定位15，如图3所示。使用时，监测链8和次缆绳5分别固定于这两个第二夹紧定位环15内，以保证能同时移动。
本实施例装置坝前监测系统中所述的配电机构25为一接220v交流电源的配电箱，其中内含桥式整流模块和3.3v和5v电源稳压模块，这样就可以向各模块及各传感器持续稳定供电。
远端水库管理系统26包括工作站27和分别与之相连的第二无线信息接收传输模块28和电源29。工作站27包括计算机，该计算机一方面用来设置监测链的监测参数，如设置监测链的高程自动调整参数、传感器监测时间间隔，包括使电机开关24启动或关闭卷线机16进行收放次缆绳5和监测链8的操作等，以保证监测水温数据的准确性。另一方面获取监测链上分布的温度传感器9和压力传感器10以及超声波水位计18发来的水温、水深、水位及时间信息，并通过系统中的第二无线信息接收传输模块28向监测链终端处理器19发送监测频次调整和监测链位置调整信息或接受监测链终端处理器发送的监测频次和监测链位置信息。其中第二无线信息接收传输模块28也采用广州市星翼电子科技有限公司厂家生产的gsm模块。
1.一种水库坝前垂向水温无线监测装置，其特征在于：它包括坝前监测系统（1）、远端水库管理系统（26），坝前监测系统（1）包括主悬臂梁（2）、次悬臂梁（3），次悬臂梁（3）设置在主悬臂梁（2）上方，且次悬臂梁（3）的前延伸端设有滑轮（7）；次缆绳（5）和监测链（8）的一端连接并缠绕于卷线机（16）上，另一端绕过滑轮（7）并朝外下垂；主缆绳（4）一端与主悬臂梁（2）另一端、另一端设有铅鱼（6），在监测链（8）上设有若干组温度传感器（9）、压力传感器（10）。
2.根据权利要求1所述的水库坝前垂向水温无线监测装置，其特征在于：所述远端水库管理系统（26）与温度传感器（9）和/或压力传感器（10）通过无线交互连接。
3.根据权利要求1所述的水库坝前垂向水温无线监测装置，其特征在于：在主缆绳（4）上设有若干滑动连接件（11），监测链（8）和/或次缆绳（5）穿设在滑动连接件（11）中并平行于主缆绳（4）。
4.根据权利要求3所述的水库坝前垂向水温无线监测装置，其特征在于：所述滑动连接件（11）包括第一夹紧定位环（12）、滑动限位环（13），第一夹紧定位环（12）与滑动限位环（13）之间为延长部，第一夹紧定位环（12）用于夹紧主缆绳（4）和/或次缆绳（5）。
5.根据权利要求1所述的水库坝前垂向水温无线监测装置，其特征在于：还包括固定连接件（14），固定连接件（14）包括分别与次缆绳（5）、监测链（8）连接的第二夹紧定位环（15），两个第二夹紧定位环之间为延长部。
6.根据权利要求1或2所述的水库坝前垂向水温无线监测装置，其特征在于：在主悬臂梁（2）上设有超声波水位计（18），坝前监测系统（1）还包括监测链终端处理器（19）、配电机构（25），配电机构（25）用于给监测链终端处理器（19）、温度传感器（9）、压力传感器（10）配、供电；监测链终端处理器（19）用于接收温度传感器（9）、压力传感器（10）、超声波水位计（18）的信号，并通过监测链终端处理器（19）上的第一无线信息接收传输模块（23）传给远端水库管理系统（26）。
7.根据权利要求6所述的水库坝前垂向水温无线监测装置，其特征在于：所述卷线机（16）由电机（17）驱动，监测链终端处理器（19）包括存储模块（20）、控制模块（21）、显示模块（22）、第一无线信息接收传输模块（23）、电机开关（24）。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或7所述的水库坝前垂向水温无线监测装置，其特征在于：所述远端水库管理系统（26）包括工作站（27）、分别与工作站（27）连接的第二无线信息接收传输模块（28）、电源（29）。
技术总结