基于多种可再生能源供电的寒区冰情自动监测系统的设计与应用

发布时间：2017-09-20 08:17

  本文关键词：基于多种可再生能源供电的寒区冰情自动监测系统的设计与应用

  更多相关文章： 冰情监测 冰层厚度 温度梯度 低功耗 温控 互补发电

【摘要】：冰情检测与冰凌灾害的预报预防是中国南北极科学考察、高寒区内陆河道水文预报、水电大坝与长距离输水工程、环境监测等诸多领域急需的应用技术，也是国家防汛减灾系统建设的主要任务之一。由于冰情监测现场大多地处气象条件恶劣、交通、供电条件受限的野外环境，要实现对极寒区野外环境下对河流、湖泊、水库等现场冰情的连续自动监测将会遇到比常规条件下水文测报更大的困难，一般设备价格昂贵、功耗高、抗冻性差，特别是如何解决检测系统长期供电、在极低温（低于-30℃）环境下设备的正常工作的问题，是目前国际、国内水利工程与水文测报领域尚未得到很好解决的国际性难题。 本课题针对冬季野外环境常年处于于-30℃下的黑龙江流域河道野外冰情检测的需求，，在水利部公益性科研专项“黄河冰情自动监测系统研发与现场试验（No.201201080）”、国家自然科学基金项目“基于空气、冰与水物理特性差异的冰层生消过程与力学强度连续在线检测原理研究（No.51279122）”等项目资助下，设计了基于冰、水、空气物理特性差异由多种可再生能源供电的寒区冰情自动监测系统[1]。 该系统研制了可以对冰层内部及冰下水层等效电阻、温度梯度变化状态进行连续自动检测的R-T冰层厚度传感器，根据系统应用于黑龙江河道现场监测的特殊地理环境，提出了利用再生能源的环保型水光互补供电系统、超低功耗智能保温系统的特殊冰情检测系统结构，融合了单片机、GPRS数据传输等新型电子信息处理技术，设计研制了低功耗、低成本、抗低温的冰情监测系统，实现了在极低温野外环境下对黑龙江河道封冻期水体冰盖的定点、实时、连续、远程、自动监测，为高纬度地区冬季冰情检测提供了一种可行的系统设备。在设计与试验过程中，本论文完成了以下研究内容： 1.在分析了现有冰情检测技术的基础上，根据系统应用于黑龙江河道现场监测的特殊地理环境，提出了利用再生能源的环保型水光互补供电系统、超低功耗智能保温系统的特殊冰情检测系统结构。 2.在-50℃～30℃温度范围内对冰和水的等效电阻随温度变化的规律进行了试验研究，分析了冰、水等效电阻受温度影响的变化规律以及冰层中温度梯度的分布规律，建立了在-50℃～30℃温度范围内基于冰、水、空气等效电阻-温度差异检测冰水情的实验模型； 3.根据研究试验结果和高寒地区工程监测现场环境的实际情况，完成了包括现场采集和上位机远程数据接收、状态监测、功能控制的冰情监测系统整体结构的设计，设计了新的利用可再生能源的环保型水光互补供电系统； 4.完成了冰层厚度传感器系统结构的设计，设计了与传感器配套的现场数据采集处理硬件电路及模块选型。在现场数据采集处理硬件电路设计中除设计了常规的单片机数据采集处理电路外，还根据系统应用于极寒区野外环境的特点，设计了专用的超低功耗智能保温防冻系统，使系统可以在气温低至-50℃的高寒地区长时间保持正常工作，提高了系统设备的抗冻性和可靠性； 5.完成了冰情自动监测系统现场数据采集电路的软件设计，使检测系统实现了冰情现场采集数据的自动实时处理、远程通信，使整个冰情自动监测系统实现了无人值守的远程无线遥测系统功能； 6.设计研制成功的冰情检测系统于2013.12.17-2014.4.12安装在黑龙江漠河河道现场进行为期5个月的连续冰情监测试验，获取了系统的黑龙江冬季冰情数据，并对系统采集冰情数据与同期人工观测数据进行对比分析； 7.根据设备在设计与现场试验中所暴露的问题进行了总结分析并提出相应解决方案。
【关键词】：冰情监测 冰层厚度 温度梯度 低功耗 温控 互补发电
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P332.8;TP274
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-17
• 1.1 课题研究的背景、目的及意义13-14
• 1.2 冰情检测技术现状的分析14-15
• 1.3 课题的主要研究工作15-17
• 第二章 基于冰、水、空气等效电阻-温度特性差异的冰情检测机理研究17-23
• 2.1 基于冰、水、空气等效电阻特性差异的冰情检测机理的实验研究17-19
• 2.1.1 冰、水、空气等效电阻随温度变化的规律分析17-19
• 2.1.2 冰层内部温度梯度的分布规律及其对冰结构影响的实验分析19
• 2.2 极低温环境下冰情检测系统模型的建立及实验分析19-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第三章 适应于高寒区内陆河道的冰情监测系统结构设计23-33
• 3.1 冰情监测系统总体结构设计23-24
• 3.2 冰层厚度传感器结构设计24-26
• 3.3 多种可再生能源供电系统的设计26-31
• 3.3.1 可再生能源发电特点26-27
• 3.3.2 水（风）、光互补供电系统的设计27-31
• 3.3.2.1 光伏发电部分27
• 3.3.2.2 流体动能发电装置27-30
• 3.3.2.3 互补控制器30-31
• 3.4 本章小结31-33
• 第四章 冰情监测系统现场数据采集电路硬件设计33-63
• 4.1 冰情监测系统现场数据采集电路的构成33-35
• 4.2 现场数据采集电路各功能模块的选型与设计35-52
• 4.2.1 逻辑选通模块35-38
• 4.2.2 嵌入式微处理器38-40
• 4.2.3 A/D 转换模块40-42
• 4.2.4 系统时钟模块42-43
• 4.2.5 温度采集模块43-44
• 4.2.6 复位模块44-45
• 4.2.7 数据存储模块45-47
• 4.2.8 电源模块47-48
• 4.2.9 串口通讯模块48-49
• 4.2.10 GPRS 通信模块49-51
• 4.2.11 LCM_KEY 模块51-52
• 4.3 低功耗智能保温系统的设计52-60
• 4.3.1 加热材料的选择与设计53-54
• 4.3.2 保温层的选择与设计54-56
• 4.3.3 温控电路的设计56-60
• 4.3.4 蓄电池防冻处理60
• 4.4 本章小结60-63
• 第五章 冰情监测系统现场数据采集电路的软件设计63-73
• 5.1 系统主程序设计63-65
• 5.2 时钟中断程序设计65-66
• 5.3 多点温度采集程序设计66-67
• 5.4 等效电阻电压采集程序设计67-69
• 5.5 数据存储程序设计69-70
• 5.6 串口数据发送程序设计70-71
• 5.7 本章小结71-73
• 第六章 冰情自动监测系统的工程现场试验及冰情数据分析73-81
• 6.1 黑龙江漠河河道现场安装、调试情况73-75
• 6.2 冰情监测试验结果与数据分析75-79
• 6.2.1 2013.12.22 单日现场原始数据分析75-77
• 6.2.2 2013.12-2014.4 黑龙江漠河河道连续冰情观测数据分析77-79
• 6.3 本章小结79-81
• 第七章 总结与展望81-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-89
• 攻读学位期间发表的学术论文目录89

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陆冬妹;邓小芳;罗剑;;基于RS232串行数据采集实现串口通信的收发系统[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2010年03期

2 李志军;中国第19次南极科学考察中海冰调查技术介绍[J];冰川冻土;2003年S2期

3 杭瑚;温度对铅蓄电池的影响[J];蓄电池;1988年04期

4 张卫杰 ,吴琼之;新一代CPLD及其应用[J];电子技术应用;2003年07期

5 李彬;王朝阳;卜涛;于学伟;;基于MSP430F149的最小系统设计[J];国外电子测量技术;2009年12期

6 刘娇娇;王致杰;张笙瑞;徐涛;陈丽娟;苏新霞;;基站用风光互补控制器的设计[J];电子制作;2014年08期

7 郭志勇;;基于ADS1100的高精度电子秤设计与实现[J];安徽工业大学学报(自然科学版);2010年04期

8 董新法,易建峰;保温设备与管道保温材料的选择准则[J];化工时刊;1998年02期

9 张乃升;灾害性海冰航空遥感监测实时传输系统[J];海洋技术;1996年02期

10 夏时义;CMOS模拟开关的导通与截止特性[J];微电子学;1991年05期

本文编号：886944