量測系統研發整合

01 量測系統研發整合

line03

c1電容式波高計c2

本所自行研發電容式波高計 (外觀如圖1) ,使用於水工模型試驗波高與海堤溯升量量測。圖2(a)、(b)分別為電容式波高計港池靜穩度水工模型試驗以及海堤溯升斷面試驗之佈置情況。該電容式波高計目前已技轉日進環境科技有限公司。

1 1
top01圖1 電容式波高計外觀

 

1 2 1 3
(a) 海堤溯升斷面試驗 (b) 港池靜穩度水工模型試驗

top01圖2 電容式波高計之應用

 
c1網路化資料紀錄器c2

網路化資料記錄器適用於現地水文資料調查,收錄各環境監測儀器之輸出訊號 (包括電壓、電流類比訊號以及RS-232數位訊號) ,將資料儲存於記憶體中,再由3G/4G數據機經網際網路回遠端控制中心,透過筆記型電腦直接下載。系統模組外觀與資料記錄器電子電路板分別如圖3(a)、(b)所示。記錄器廣泛應用於水工所現場環境調查相關計劃,如圖4所示。

2 1 2 2
(a) 資料記錄無線傳輸模組 (b) 資料記錄器電子電路板

 

top01圖3 網路化資料記錄器

 

2 3 2 4
(a) 河川水位監測站 (b) 海域水文監測站

 

top01圖4 現地資料量測收錄與無線傳輸

 

c1現地溯升量測系統c2

本所多年前因應計畫需求,發展了第一代現地溯升量測系統應用於台南市青草崙海堤溯升量測,並曾經擁有SP13906及SP13907兩項新型專利,該系統之組裝如圖5所示。目前已發展第二代現地溯升量測系統,溯升測線上佈置多組海水感應開關,開關呈現ON與OFF之狀態判釋其是否淹沒於海水中,進而推估溯升程度。溯升量測系統除了海水感應開關感測單元之研發外,亦研發了與其搭配使用之資料收錄模組軟、硬體以及網際網路傳輸核心程式,如圖6所示。

3 1 3 2
(a) 第一代海堤溯升量測系統電機單元 (b) 青草崙海堤溯升量測系統組裝

 

top01圖5 第一代溯升量測系統


3 3 3 4
(a) 溯升量測電子電路板 (b) 溯升量測系統測試

 

top01圖6 第二代溯升量測系統

 

 

c1抽水閉紀錄器c2

抽水泵啟閉記錄器主要應用於健全水井管理策略與查察管理技術提昇研究計畫,用來記錄農田抽水泵每次啟閉之日期時間,時間解析度為1秒,其電子電路板與組裝外觀如圖7所示,現場安裝情況如圖8所示。

4 1 4 2
(a) 抽水泵啟閉記錄器電子電路板 (b) 抽水泵啟閉記錄器組裝外觀

 

top01圖7 抽水泵啟閉記錄器

 

4 3 4 4
(a) 農田用電設備安裝抽水泵啟閉記錄器 (b) 啟閉記錄器資料下載

 

top01圖8 農田用電設備抽水泵啟閉記錄器安裝情況

 

 

c1造風系統c2

造風系統用於研究風力發電機結構震動情形,系統風機單元與動力單元由本所自行規劃與整合,藉由本所自行開發撰寫之軟體控制造風動力單元四組變頻器,使其相對地產生0 ~ 60Hz頻率輸出以驅動風機單元,達到無段速度調整。造風單元前端裝設有四組風速計,可即時量測風速資料,藉由資料收錄AD模組擷取訊號儲存至電腦中。造風系統架構如圖9所示,實體設備如圖10所示,圖11展示風力控制與資料收錄軟體。

5 1
top01圖9 造風系統架構

 

5 2 5 3
(a)造風單元 (b)風速計

 

top01圖10 造風控制系統實體設備

 

5 4
(a) 風機輸出及量測儀器基本設定
5 5 5 6
(b) 風機電壓輸出及儀器量測 (c) 每秒平均風速時序列圖

 

top01圖11 風力控制與資料收錄軟體主要功能

 

c1海氣象觀測塔儀器整合建置c2

海氣象觀測塔之系統示意圖如12所示,用於收集離岸風力發電機場址之風場與水文資料。該系統整合各項環境監測儀器,將其輸出訊號 (包括電壓、電流類比訊號以及RS-232/RS-485數位訊號)收錄於嵌入式工業電腦,利用3G數據機網際網路傳輸到陸上控制中心的資料伺服器。圖13海氣象觀測塔環境監測儀器陸上整合測試情況。

6 1
top01圖12 海氣象觀測塔儀器系統示意圖

 

6 2 6 3
(a) 資料收錄控制箱與無線傳輸 (b) 海氣象觀測塔儀器整合與建置測試

 

top01圖13 海氣象觀測塔環境監測儀器陸上整合測試情況

 

c1稻田耕作管理節水灌溉系統c2

自行研發稻田耕作管理節水灌溉系統進行抽水控制操作,配合作物生長期之灌溉水深需求,嘗試建立自動抽水控制機制,減少農民人力、成本支出以及地下水超抽情況。圖14為該系統置於稻田中水位偵測設施之組裝外觀以及其中之資料收錄控制器與無線傳輸等核心模組。水位偵測設施藉由浮球液位開關偵測稻田中水位變化,無線傳輸方式回傳訊息至電桿上之抽水控制設備啟閉抽水泵,控制地下水抽用量,提高用水效率目的,整體系統示意圖如圖15所示。該設施應用於水利署補助計畫,進行農田用水管理現地試驗,現地安裝情況如圖16所示。

7 1 7 2
(a) 稻田中水位偵測設施外觀 (b) 資料收錄控制器及無線傳輸模組

 

top01圖14 稻田耕作管理節水灌溉系統

 

7 3
top01圖15 自動化節水灌溉系統示意圖

 

7 4 7 5
(a) 稻田間遠端無線傳輸 (b) 現地安裝節水裝置

 

top01圖16 農田用水管理現地安裝情況

 

 

c1地層下陷自記式分層監測系統c2

地層下陷分層監測井乃根據地底水文地質條件,鑿設一口固定深度監測井,於井內不同深度配置磁環,使之與土層錨定結合,則藉由量測各磁環位置變化,可獲得各分層土層下陷資料,再配合地下水位觀測,可進一步釐清各分層變形機制,據以研擬地層下陷相關防治措施。

圖17與圖18分別為地層下陷自記式分層監測系統整體架構與現地組裝情形,其中包含供電設備、資料紀錄與傳輸、磁環位移感測及遠端管理系統,各單元功能分別說明如后。

8 1

top01圖17 地層下陷自記式分層監測機制整體架構圖

 

8 2
top01圖18 分層監測井現地組裝情形

 

(一)供電設備

地層下陷自記式分層監測系統於現場使用太陽能供電設備,藉由太陽能板匹配適當的控制器對蓄電池進行充電,以提供現地量測系統相關儀器設備所需之直流電源。系統亦包含電壓檢測單元,當電壓過低,會有電子訊號通知資料記錄器,使之暫停量測並傳遞電壓不足之訊息至遠端管理系統;當電壓回升,亦會有電子訊號通知資料記錄器,使之重新啟動量測與傳輸排程。

(二)資料紀錄與傳輸

資料記錄器定時藉由RS-485網路與分層監測井內之磁環位移感測棒連結,記錄各個地層感測棒磁感應訊號,進而推算出磁環位移量。當量測系統運作出現問題,譬如太陽能電力系統電壓不足或RS-485網路出現異常等,資料記錄器會將運作異常事件回傳至遠端管理系統。資料紀錄與傳輸由自行研發之資料記錄器搭配3G/4G數據機,將資料藉由網際網路傳送至遠端資料伺服器,並可自遠端資料伺服器下載執行命令,進行相關處置

(三)磁環位移感測棒

磁環位移感測棒裡頭安裝磁感測元件與相關訊號處理元件,可以感測地陷井磁環軸向磁場空間分佈,進而推算出磁環位移量。圖19為感測棒電路與承裝機構之照片。

8 3
top01圖19 感測棒電路與承裝機構之照片

(四)遠端管理系統

可自動偵測系統運作情形,由資料庫的排程定時檢核資料最後傳輸時間,若資料回傳逾時或電力電壓不足,系統會自動以電子郵件通知管理者。並且具有遠端操作功能,可下達命令讓資料記錄器重新啟動磁環位移感測棒、量測並回傳資料或更改資料量測與傳輸週期。當資料記錄器定時與遠端資料伺服器連線時會接收上述指令並執行相關工作。另外,資料會隨著資料庫的資料更新,將最新取得的資料呈現於管理系統電腦畫面上,並且具備監測變化歷線以及年下陷量之展示功能。

8 4
top01圖20 遠端管理系統資訊展示畫面