基本信息

第一作者姓名：陈广宇

性别：男

民族：汉族

第一作者学校：南京市第二十九中学初中部

第一作者人所在年级：二年级

第一作者人所在年级：

性别：

民族：

第二作者人所在学校：

第二作者人所在年级：

辅导教师姓名：栾富海

作品摘要

*结构组成：

本作品由主控制盒、以及用线索连接起来的一节一节电子杆组成。其中，电子杆是测量部分，包含不锈钢电极、角度传感器、水位传感器，可以测量水流速度、水位。根据水深情况，选择一定数量的电子杆串联起来，并与主控制盒连接，实现对城市地下管网水位和流速的测量。

*主要特征：

本作品可以悬挂安装在城市管网的井盖下，用来监测水位和流速，并将测量结果通过5G信号传输，可以直观了解地下管网排水情况，因此取名“城市地下水眼”。由于水淹没的高度会改变电子杆的电阻，利用这一原理可以测量水位。由于水流会推动悬挂在井盖下方的电子杆，流速越大，推力也越大，倾斜角度也越大，利用这个原理可以测量流速。所以，通过电子杆串联可以同时测量水位和流速，设备原理和结构简单，适用性强，成本低，效率高。

*主要用途：

我国城市内涝问题日益凸显，严重影响人民生命财产安全。2021年郑州水灾造成380人死亡失踪，南京几乎每年夏天都存在城区“看海”现象。地下管网是城区主要排水通道，暴雨发生时，只有及时掌握管网排水情况才能尽快处理堵点。如果通过人工逐一打开井盖测量，不但费时费力，而且容易导致行人掉入管网造成危险。本作品可以安装在井盖下方，自动监测水位和流速，并将测量结果无线传输到地面，帮助管理人员了解地下管网排水情况。

*创新点：

（1）利用水位与电阻的关系、流速与水流力的关系，通过测量电子杆的电阻和倾角，实现对水位和流速的测量，原理简单，测量结果可靠。

（2）采用多个电子杆进行串联的方法，可以根据实际水深情况选择合适数量的电子杆，使得测量设备适应性强，运输、使用都很方便，制造成本也很低。

（3）采用5G技术实现远程无线数据传输，便于暴雨发生时对整个城区地下管网排水情况的掌握，减少大量人力的投入。

作品说明

*问题提出：

*提出的问题和解决的问题：

随着城市化进程不断加深，城市面积迅速增大，内涝成为城市发展中的重要问题。南京地形复杂，城市内涝时有发生，南京城一些路段在雨季经常出现较深积水，严重影响路面行车安全与畅通。主要原因是地下管网排水不畅，雨水无法快速排到江河，造成积水。由于平时看不出来地下管网是否畅通，只有等到局部路段积水严重时，才会打开井盖观察疏通。如果平时就能了解地下管网排水情况，提前发现排水不畅的路段，及时处理，就能减少内涝影响。

研究问题的原因和意义：

为减小城市内涝影响，需要掌握地下管网排水情况，提前发现堵点进行疏通。发明一种可以自动观察地下管网水位和流速的设备，有助于了解管网排水是否通畅，对于降低暴雨危害，保障人民生命财产安全具有重要作用和意义。

*解决方案：

解决问题的办法：

 为了解决城市地下管网监测的“盲点”问题，我们设计出了一种新型的监测设备，主要包含主控制盒以及多个串联起来的电子杆。

主控制盒包含主控芯片、数据传输模块和大容量锂电池。主控芯片对整个设备的运行进行控制；数据传输模块将测量结果通过5G信号进行传输；大容量锂电池为设备供电。

电子杆包含不锈钢电极、角度传感器、水位传感器。不锈钢电极用于实现不同电子杆之间的串联和数据传输；角度传感器用于测量电子杆与垂线的倾角；水位传感器用于测量电子杆的电阻。

考虑到不同管网的直径不同，所以需要测量的深度也不一样。因此采用多个电子杆串联的方式，可以根据测量深度的需要，灵活选用合适数量的电子杆进行串联，使得作品的适应性更强，使用也更方便。

为了便于日常的观测，及时掌握整个城区地下管网的排水情况，采用成熟的5G数据传输模块，实现远程管理，减少人力投入。

发明研究的重点：

常见测水位的设备主要利用浮体随水位的变动进行测量；常见测流速的设备主要采用类似水表的涡轮，通过水流带动涡轮转动进行测量。由于地下管网水中杂物较多，以上两种方案都容易受水中杂物卡死。需要新的思路来解决。

发明研究的难点：

研究的难点有两个，一是如何测量流速，二是能否结合测水位的硬质杆件，同时实现水位和流速测量。受风铃在风推动下摆动的启发，我利用水流推动杆件使它倾斜，流速越大，倾角越大的原理测量流速。

发明研究的难点：

研究的难点有两个，一是如何测量流速，二是能否结合测水位的硬质杆件，同时实现水位和流速测量。受风铃在风推动下摆动的启发，我利用水流推动杆件使它倾斜，流速越大，倾角越大的原理测量流速。

本发明使用方法、附图说明性文字：

根据需要测量的地下管网的直径，选择合适数量的电子杆（单节长度20cm），将电子杆串联起来形成完整的测量设备。主控制盒上方设置有挂钩，将其悬挂在井盖下方，打开电源开关。将井盖盖上，利用手机接收设备传来的测量信号，确定运行正常后即可使用。

*使用或试用效果：

本作品在学校内的排水沟进行了实验。实验过程主要检测了水位、流速、5G信号传输、防水性能。

实际水位采用卷尺进行测量，测量结果与本作品进行对比，误差在2cm范围内，检测结果较为准确。

实际流速的测量采用泡沫制成漂浮物，顺流通过事先标定的一个20cm长的区域，用秒表记录通过的时间，计算得到水流流速，与本作品对比，误差在10%范围内，检测结果较为准确。

多次实验过程中，5G信号传输和防水性能均稳定可靠。

*优点：

（1）利用水位与电阻的关系、流速与水流力的关系，通过测量电子杆的电阻和倾角，实现对水位和流速的测量，测量原理简单，结果准确可靠。

（2）采用多个电子杆进行串联的方法，可以灵活选择合适数量的电子杆，使得测量设备适应性很强，可以满足不同直径的地下管网测量，同时也便于拆装运输、制造成本也很低。

（3）采用成熟的5G数据传输模块实现远程检测，便于日常观测，暴雨来临时也能及时掌握整个城区地下管网的排水情况。

*还需进一步研究的问题：

本作品采用锂电池供电，需要定期对电池进行充电，使用较为麻烦。今后可以进一步研究新的供电方式，比如可以利用水流对电子杆的推力，通过在电子杆的端部增加小型压杆发电装置，为设备持续供电，一劳永逸的解决供电问题。

作品图片

查新说明