简易可视井孔水文地质观测仪的研制和应用

本文格式为Word版，下载可任意编辑——简易可视井孔水文地质观测仪的研制和应用总结以往地质勘探水文地质观测仪器及相关工具使用经验的基础上，拟开发一款可视化、小微型的数码井、孔简易水文地质观测仪器，以满足在矿产地质、水文地质、环境地质、地温能普查等方面的工作需要。此观测设备的开发，对多元地质信息综合评判、解决工程中的水文地质问题和推进水文地质观测仪器的发展具有十分重要的意义。

2研制过程

为了开发一款操作简单、节能环保、便于维护、安全可靠的多功能简易水文地质观测仪器，经历了产品构思、市场调研、设计与制造、测试与改进、产品试用等以下几个阶段：

第一阶段：产品构思（2023年7月）

2023年7月，在武汉水文地质工程地质大队承受的武汉市轨道交通7号线岩溶专项勘察项目中，水文地质勘察是该项目专项勘察的重要工作之一，需对工程区的地下水温度、水位等进行观测，同时还需要对地下深部的溶洞发育状况进行水下验证观测。在工作中，技术人员分别采用温度计、测绳和井下电视等进行了测量，屡屡重复的在井、孔中下入相关设备，工作既费时又耗力。项目部了解该状况后，成立了创新技改小组，对该项简易水文地质观测工作进行攻关，提出了改造现有勘探井、孔简易水文地质观测设备（仪器）的构思，拟研发一款多功能、精度高的简易水文地质观测仪器，以满足地质勘探及城市环境地质工程、岩溶勘察项目的工作需要。

其次阶段：市场调研（2023年8月-2023年10月）

提出研发设想后，从2023年8月开始，创新技改小组成员采取市场调查、网络探寻、查阅相关资料等方式，进行了市场调研，了解行业内简易水文地质观测仪器的研究发浮现状，对类似功能的仪器进行全面调查了解。通过调查研究，行业内的井孔简易水文地质观测仪器依旧沿用测绳、布圈尺、钢圈尺等测具，以上测具存在不耐用、尺标滑动、字迹模糊等现象，功能较单一、确切度较差、智能化程度不高，未将当代电子、可视化等先进技术引入到地质勘探的井孔简易水文地质观测工作中来。市场上已有的井下电视探测仪、水位观测仪等仪器，不仅功能单一，造价也十分昂贵，多数仪器并不适合在口径较小的勘探井孔中进行测量，尚未发现有集测量地下水位、水温、地表温度及视频为一体的井孔简易水文地质观测仪器。从市场调查的状况来看，研发该类仪器是符合行业发展需要的，也是市场上所需求的。

第三阶段：设计与制造（2023年11月-2023年2月）

经过前期市场调研，创新技改小组提出在充分利用目前现有成熟技术的基础上进行开发创新的基本工作思路。在确定仪器设备的功能目标上，创新技改小组成员集思广益，提出了设备结构的组成，进行图纸样稿的绘制。在图纸样稿完成后，组织有关成员进行了图纸会审，对其中各部件布局进行了合理化调整，经优化后确定设计方案。设计方案确定后，联系加工厂家，比照现有设备（仪器），进行设计图纸放样，试制各分系统样品，在加工过程中对不合理的设计再次进行了调整，例如绕线盘尺寸、温度显示与视频显示器的布局等。在设备加工的同时，调查市场各类通信线材、视频探头、显示器、计数器等器材。准备好各类材料后，进行安装，完成观测仪的制造。观测仪制造完成后，进行20米深度初试，初试没有发现异常问题。

第四阶段：测试与改进（2023年3月-2023年5月）

为了测试仪器在最不利条件下的工作性能，对观测仪继续分系统进行50米深度测试。测试时，温度显示及设备其它系统均工作正常，但图象显示系统无法正常工作，显示为黑屏，此阶段试验失败。从2023年4月1日起，创新技改小组成员利用假日休息时间，剖析前段时间的工作思路、步骤，查找黑屏原因，咨询视频通讯专业人士，给出解决问题方案。经调整，首先将高清可视摄像系统，更换为模似电视传输系统，其次更换投入式液位计及专用线缆，将研发的复合型探头再配上6类通讯线缆及绕线盘；同时，聘请视频通讯方面的专家到测试现场帮助查找问题，分析原因，在专家指导下将现有4颗LED灯换成7颗远红外灯，增加摄像头补光强度，在不增加线缆芯数的状况下，添加Poe分开器为摄像机提供电和数据传输。在钻探施工现场按50米、70米、110米深度分别进行了测试，测试中各系统工作正常，仪器工作性能达到预期目的。

第五阶段：产品试用（2023年6月-2023年10月）

本产品通过测试和改进后，随即在湖北省浅层地温能开发利用科研试验基地水文地质勘察项目和武汉地铁7号线岩溶勘察项目中投入试用，均达到预期效果。

3仪器功能及特点

3.1仪器结构及组成

简易井、孔水文观测仪由以下部件组成（见图1、图2）：

（1）高性能低功耗嵌入式彩色液晶显示屏；

（2）百万高清彩色摄像头；

（3）带逆向功能光电计数器（孔口导向轮）；

（4）高精度光电计数显示器；

（5）工作电压、时间、水位、双温度显示器；

（6）可充电锂电池；

（7）电源开关，单相；

（8）绕线盘；

（9）电缆线（六类通讯缆线，最大抗拉强度80Kg）；

（10）USB2.0接口；

（11）Poe分开器；

（12）高精度光电计数器支架等。

3.2技术参数

（1）彩色摄像机，SONY机芯图像传感器：SONY1/3〞CCD

（2）图像显示：2.5时高明了度彩色液晶显示屏

（3）视频制式：PAL制摄像角度：120°

（4）分辩率：480（RGB）X240（QVGA）水平解析度：700线

（5）红外灯：7颗φ5灯红外距离：3-8m

（6）观测深度：0-100m探头防水级别IP66

（7）工作电源：可充大容量电池（12VDC6800mAh）

（8）工作温度：-20-80℃

（9）阻值范围宽：1KΩ-200KΩ

（10）额定功率：≤25Mw

（11）高精度光电计数器尺寸：φ38X50（φ80）探头尺寸：（316不锈钢）120-φ26mm

（12）毛重：探头0.65kg、电计数器0.3kg，总重：2.2kg（线缆除外）

3.3工作原理及本卷须知

简易可视井、孔水文观测仪的工作原理如下（如图3所示）：

（1）在井、孔管口安装好井、孔口装置，通电后测试各显示器工作正常，调整高精度光电计数显示器显示值为零。

（2）将带电缆线的复合型探头通过已安装好的光电计数器，并校正好计数器轮对中及管口标高。

（3）缓慢转动绕线盘向井、孔内投入复合型探头，同时观测各显示屏，显示图像、数字变化，高清摄像头（复合型探头）到达井、孔内水面时，高清显示屏显示水面图像，此时高精度光电计数显示器所显示的数值，就是井、孔内的地下水水位标高值。

（4）继续下放带隔离性复合型探头1.0m，让井、孔内的温度感应器静置水中5分钟以上，再观测地下水水温、地表温度、时间等并记录相关信息。观测仪设有备用系统，让水阻接触点接触水面，当触点接触到水面时，便会接通接收系统中蜂鸣器（电平指示仪），当触点离开水面时，就会自动关闭接收系统。关闭电源完成一次观测。

（5）收回带电缆线复合型探头入绕线盘中，卸下管口光电计数器及显示器。

（6）产品主要利用了高精度光电计数器、微型摄像机、显示器、热敏电阻、Poe分开器等器件的工作特性及原理。

简易可视井、孔水文观测仪使用有关本卷须知如下：

（1）简易可视井、孔水文观测仪是能及时捕获视频影像的高科技电子仪器，使用前必需把握产品特性。

（2）观测所采用的测具，应符合国家计量标准，按规定进行检定。

（3）每次观测结果应当场核查，发现异常应及时补测；非正常状况影响地下水位、水温观测时，应在原始记录表备注栏注明。

（4）工作时光电计数器，不要超过标称转速，否则会影响电器信号输出。

（5）勿在额定温度、功率范围以外使用NTC热敏电阻及其它电子产品。

（6）产品有抗振、抗爆功能，但不要在易燃、易爆环境中使用。

（7）探头玻璃体须保持清洁，操作时应轻拿、轻放。

（8）每次将探头投入井、孔管口时，必需把光电计数器清零。

（9）产品除探头和电缆线外，其它配件不得浸入水中，以防电子器件损坏。

（10）不得在已知裸井、孔发生坍塌、涌泥、涌沙时，将探头投入井孔内，避免造成不必要的损失。

（11）探头在井孔、内发生卡、埋强提时力度不得超过电缆线最大抗拉能力，必要时可采取其它措施减轻损失。

（12）观测后必需将复合型探头、高精度光电计数器、电缆线等擦拭清白，并把电缆线整齐地绕在绕线盘上，将电池充好电，存放在枯燥处。

3.4主要特点及优势

作为一款勘探井、孔简易水文地质观测仪器，它具有如下特点及优势：

（1）在地质勘探过程中首次利用微型视频技术、高精度光电计数技术进行可视化简易水文地质观测。

（2）可同时观测地表温度和井、孔内的地下水水温及水位、并同频显示双温，做到既能“测〞也能“观〞。

（3）可靠性强、稳定性好、测量精度高，水位的测量精度可达0.5cm，温度的测量精度可达到（±1°%），抗干扰性强。

（4）在处理井、孔内落物和断杆、捞泵等事故中，能够明白显示事故位置及类型、特征等，它具有独特的直观性和真实性。

（5）采用便携式模块化的设计，体积小、重量轻，现场安装使用极为便利，同时设备自带可充电电源，使用时间长，能够连续工作48小时以上，特别适合于野外作业。

（6）将温度补偿和线性校正转换成4-20mADC标准电流信号输出；视频、计米数显、双温显示模组都留有再次开发利用串口（配上录像设备或微机可对图像数据存盘保存）。

（7）安全可靠，仪器带工作电压显示，具有电源反相极性保护及过载限流保护功能。

4应用效果

本仪器经现场试用后，后续又不断在武汉地铁5、8号线岩溶勘察、武汉市沌口长江马路大桥岩溶勘察、武汉市越秀国际金融汇三期（TC-I）楼勘察、武汉地质灾难监测预警等多个项目中投入应用，应用效果良好：一是实现了多功能、多数据观测，所获取的观测数据真实可靠、图像明了，测量精度高；二是稳定性好，抗干扰性强，在试用过程中均未出现仪器故障、测试数据异常的现象；三是仪器设备重量轻，便于携带，操作简单，自带