CN101236191A - 土壤侵蚀实时监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤侵蚀实时监测仪。目的是提供的仪器应具有监测精度高、监测效率高、可自动取样、自动称重、无线发送数据的特点，以满足现场监测的需要。技术方案是：土壤侵蚀实时监测仪，包括机架、进水机构、称重机构、倾水机构、电池和控制电路；控制电路中的主机通过输入输出接口连接各电控元器件；称重机构包括通过至少一个悬挂连接装置悬挂的称重传感器、称重架以及称重翻斗；倾水机构包括定位在称重架上的转动轴、与转动轴同轴连接的翻斗拨头、定位在称重架上的翻斗电机及翻斗电机轴上的翻斗拨杆；进水机构包括移动管道电机、该电机轴上的拨叉和被拨叉夹持并悬挂在称重翻斗上边的活动管道。悬挂连接装置是万向接头，或者是称重连接铰链。

Description

土壤侵蚀实时监测仪

技术领域

本发明涉及一种环境检测仪器，具体是土壤侵蚀实时监测仪。

背景技术

水土流失是我国最严重的生态环境问题，水土保持是我国一项基本国策。为了防止水土流失，需要测量水土流失的数量并掌握流失的规律。天然降水形成的坡面径流侵蚀土壤，携带、冲刷土壤颗粒，是水土流失的主要类型。如何在现场比较准确地测量径流中推移质和悬移质泥沙的含量，是一个棘手的问题。目前，水土流失地面监测的主要方法和技术手段是径流小区监测法和卡口站监测法，这两种方法都是依靠沉砂池沉淀泥沙，不定期清理、收集、烘干、称重。如果不及时收集、称重，下一次降雨时，可能会因为沉砂池的容积不够而外溢，无法测到总侵蚀量；同时流走的水流还挟带浓度不等的悬移质，准确测量有很大的难度。还有一种简易观测场法，是在不小于5m×5m的相对平整的坡面上，按2～4m的间距从上到下、从左到右纵横均匀布设测钎，通过观测钢钉出露长度来测量土壤侵蚀量。该方法存在着植物生长掩埋测钎而难以获得测量数据，坡上流失、坡下淤积，难以准确测量侵蚀量等缺点。

总的来说，传统的监测方法存在如下缺陷：

(1)采用落后的人工测量手段，运行成本高、工作效率低；

(2)测量周期长，所需设施、工具多达20余项，过程复杂，测量精度低；

(3)只能测量土壤侵蚀的总量，不能监测土壤侵蚀的动态过程，难以建立土壤侵蚀过程与降雨过程之间的关系；

(4)测量成果对监测人员的依赖度过高，容易受到人为因素影响，难以实现监测成果的科学性、可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤侵蚀实时监测仪器，该仪器应能克服上述背景技术的不足，具有监测精度高、监测效率高、可自动取样、自动称重、无线发送数据的特点，以满足现场对土壤侵蚀数量和动态过程进行监测、掌握水土流失规律的需要。

本发明提供了以下技术方案：

土壤侵蚀实时监测仪，包括机架、进水机构、称重机构、倾水机构、电池和控制电路；所述的控制电路中的主机通过输入输出接口连接各电控元器件；所述的称重机构包括通过至少一个悬挂连接装置悬挂在机架上的称重传感器、挂接在称重传感器上的称重架以及定位在称重架上的称重翻斗；所述的倾水机构包括可转动地定位在称重架上且与称重翻斗固定连接的转动轴、与转动轴同轴连接的翻斗拨头、定位在称重架上的翻斗电机及固定在翻斗电机轴上与翻斗拨头作用的翻斗拨杆；所述的进水机构包括移动管道电机、该电机轴上的拨叉和被拨叉夹持并悬挂在称重翻斗上边的活动管道。

所述的悬挂连接装置是万向接头，或者是称重连接铰链；该装置的上端固定在机架上，下端挂接着称重传感器。

所述的称重连接铰链由上扣、连接块和下扣组成；连接块呈短柱状，外圆周面均布四个螺孔；下扣与上扣结构相同，均制有类似“∏”形的叉口，下扣与上扣的叉口十字交叉并相互扣合把连接块抱合在中间，每个叉口上各有两个螺钉穿越并旋入连接块螺孔中固定。

所述的称重架上还制有用于称重翻斗定位的锁定装置。

所述的称重翻斗的上端边沿制有溢流口。

所述的进水机构还包括一个设置在称重翻斗上边的旁路漏斗，旁路漏斗中装有一对准称重翻斗的进水管，进水管的上端边缘高于旁路漏斗的溢水边。

所述的电池是可充电电池。

本发明使用时只需安置在需要监测的现场，并用管道将待测水流接入本发明中的活动管道；该监测仪就能自动引入径流取样、自动称重、自动将所测数据发送到客户端进行处理。

采用本发明，包括取样、称重、数据发送等所有的操作步骤都能按照预先设定的程序进行，完全消除了人为因素的影响，不但能明显提高测量精度，保证监测数据的准确和完善，而且将显著降低测量人员的工作强度和工作量，大幅度提高监测工作效率，为水土流失防治和水土保持工程建设提供可靠的第一手资料。

附图说明

图1是本发明的主视结构图。

图2是本发明的左视结构图。

图3是本发明的俯视结构图。

图4是图2中的A部放大结构示意图。

图5是图2中的B部放大结构示意图。

图6是图5中的E向结构示意图。

图7是本发明的另一种锁定装置的结构示意图。

图8是图2中的D部放大结构示意图。

图9是本发明在倒水位置时，图2中A部的又一放大结构示意图。

图10是作为悬挂连接装置的称重连接铰链主视结构示意图。

图11是作为悬挂连接装置的称重连接铰链俯视结构示意图。

图12是称重连接铰链中的连接块的主视结构示意图。

图13是称重连接铰链中的下扣的主视结构示意图。

图14是本发明的控制电路原理示意图。

图15是本发明中的翻斗电机控制电路示意图。

图16是本发明中的移动管道电机控制电路示意图。

图17是本发明控制电路中的各部件电连接关系示意图。

图18是本发明的工作步骤控制流程示意图。

具体实施方式

土壤侵蚀实时监测仪器测量的方法考虑从雨量产生的径流中连续取样，称重并与水的比重进行比较，从中计算出径流中的推移质和悬移质含量。由于动态的(不间断的)称重影响准确度，实现难度较大，因此采用相对静态的(离散的)方法取样称重，数据准确度较高，同时技术上也比较容易实现。土壤侵蚀实时监测仪器可以得到径流、推移质和悬移质含量、径流产生和结束时间、雨量参数。并将以上参数通过通信网络传输到数据平台，下载到各客户端，进行处理、存储、打印。

具体设计完成的土壤侵蚀实时监测仪，包括机架1、进水机构、称重机构、倾水机构、电池和控制电路。其中，所述的电池是可充电电池，它是监测仪中所有用电器的电源。电池采用12V65AH的容量，保障系统在不充电的状态下，连续工作100小时以上。充电采用交流220V电源定时充电，充电电流为2A。

所述的称重机构中：称重传感器3通过至少一个悬挂连接装置6悬挂在机架上，称重传感器上挂接一个称重架2，称重架上定位一个称重翻斗4；称重架采用悬挂方式可保证称量传感器能垂直称量，还能保证称重架不容易粘上泥浆，以确保测量数据的准确和可靠。

所述的悬挂连接装置可以是万向接头；由于万向接头是典型机械部件，具有不同结构的多种系列，可直接外购装配使用，完全能够满足本发明的使用要求。此外，所述的悬挂连接装置也可采用图10、图11所示的称重连接铰链；该铰链由上扣6-1、连接块6-2和下扣6-3组成，连接块呈短圆柱状(见图12)，外圆周面均布四个螺孔；下扣与上扣结构相同，均制有类似“∏”形的叉口，下扣与上扣的叉口十字交叉并相互扣合把连接块抱合在中间，每个叉口上各有两个螺钉穿越并旋入连接块的螺孔6-2-1中固定，使得下扣与上扣各自可绕连接块摆动一定的范围；使用时，上扣的连接端6-1-1和下扣的连接端6-3-1分别连接在机架和称重传感器上，能够有效地保证称重传感器始终垂直于地面；同时连接块可以阻挡上下扣大幅度摆动，使称重所需的稳定时间大幅减少，并且降低了仪器水平安装要求。本发明推荐使用称重连接铰链。

图5、图6中所示的锁定装置，是在称重架和称重翻斗的相应位置分别装有一锁头11-1以及与该锁头顶端相配合的制有凹坑的锁块11-2；锁头11-1穿越过称重架2上的通孔后两端分别拧上螺母11-3和螺母11-5，螺旋弹簧11-4被夹持并受压于中间，使锁头可在称重架2上的通孔上直线滑动，并受到弹簧11-4施加的反作用力。

图7中所示的是另一种结构的锁定装置。图中可知：锁头11-9穿套在锁头杆11-8中可轴向滑移(锁头杆11-8用螺母固定在称重架2上)，并受到锁头杆中的弹簧11-7的推压力；限定螺母11-6旋紧在锁头杆顶端并挡住锁头11-9后端的突缘，使锁头得以定位而不致滑出。

图中可知：机架上制有四个档头14，档头上分别固定四个档杆22；另有四个立杆21的下端分别固定在机架顶部的两个档杆上，四个立杆的上端固定一槽钢20，所述的称重传感器3就通过悬挂连接装置6悬吊在槽钢20上。此外，机架底端还设有四个安装脚15，以增大接地面积保持机架稳定。

进一步，该称重机构配挂两个悬挂连接装置，即除了原有悬挂在称重传感器的上端的悬挂连接装置6之外，称重传感器的下端与所悬挂的称重架之间再串接一个悬挂连接装置5；称重传感器的两端各连接一个悬挂连接装置后，称重架的垂直度就有了进一步的保证，称重的准确度得以进一步提高。

此外，所述的称重翻斗的上端边沿还制有溢流口4-1；该处边沿较低，称重翻斗中盛满水后，多余的水就从溢流口流出。

所述的倾水机构中：称重翻斗固定在转动轴10上，转动轴10则可转动地水平定位在称重架上(图8中可知：转动轴10的两端分别穿越过称重架上的轴孔后，再套装上垫圈10-1和弹簧卡簧10-2进行轴向定位)，转动轴的一端还固定连接一可转动的翻斗拨头9(装有翻斗拨头9的拨头杆9-2固定在曲柄杆9-1的一端，曲柄杆的另一端固定在转动轴上)；称重架的一侧(与翻斗拨头同一侧)固定一翻斗电机M1，翻斗电机轴上又固定一翻斗拨杆7；图1中可知，翻斗电机M1启动带动翻斗拨杆7转动(图1中的箭头F方向)，拨杆7就施力于翻斗拨头9产生一拨动力矩，直至该力矩克服锁定装置所产生的阻力矩(图6中可知：由于锁块11-2的凹坑下侧较平坦，因此翻斗拨杆7的拨动力矩能够克服弹簧11-4的阻力迫使锁头11-1后退，锁头顶端就从锁块11-2的凹坑中滑出)，称重翻斗随即绕转动轴10转动倾倒。翻斗电机转动的时间和方向均由控制电路控制。自然，称重翻斗复位时，也由拨杆7反向施力于翻斗拨头9，使称重翻斗反转(箭头F的相反方向)，直至锁定装置中的锁头11-1的顶端插入称重翻斗上锁块11-2的凹坑中，称重翻斗即被锁定(图6中也可知：由于锁块11-2的凹坑上侧较陡峭，翻斗拨杆7的拨动力矩无法使称重翻斗继续转动，称重翻斗就准确地停留在同一个进水位置，保证了进水量的一致性)。

图9与图4的不同点在于：图9显示的是称重翻斗处于倒水位置(即图1中的虚线位置)，所以此时图中转动轴10位于拨头杆9-2的后边；而图4显示的是称重翻斗处于正常称重位置(即图1中的实线位置)，所以图中转动轴10挡在拨头杆(装有拨头9)的前边。

所述的进水机构中：机架顶部固定一拨叉电机M2，拨叉电机轴上联结一拨叉17，拨叉17又夹持一活动管道13-1，该活动管道的出口端悬挂在称重翻斗上边；拨叉电机转动使拨叉一同摆动，从而使活动管道的出口端对准称重翻斗(将水流引入称重翻斗)或者移出称重翻斗(使水流旁路)。拨叉电机转动的时间、角度和方向均由控制电路控制。

进一步，所述的进水机构还包括一个设置在称重翻斗上边的旁路漏斗12，旁路漏斗的一个侧边12-1较低作为溢水边；旁路漏斗中装有一对准称重翻斗的进水管13-2，进水管的上端边缘高于旁路漏斗的溢水边；而活动管道13-1在对准进水管13-2时可引入水流；旁路时活动管道13-1中的水流落入旁路漏斗中，从溢水边溢出。

所述的控制电路包括主机、移动GSM通信模块、输入输出接口、延时继电器板YJ以及传感器、触发器。

所述的主机通过输入输出接口与移动GSM通信模块、延时继电器板、传感器及触发器电连接。

通信部分采用移动GSM通信模块将数据远程发给用户。采用移动通信网络进行通信的优点在于，当前移动无线通信网络已基本普及，仪器设备只要安装在有移动通信网络信号的位置，就可以传输数据。其通信简单方便功能强，不仅是一个很好的公共语音通信平台，同时也是很好的数据传输平台。

主机W是数据处理和操作控制的中心。主机采用低功耗嵌入式104总线的工控机，具体型号可根据需要选用。本发明推荐选用研华ICOP6015或6016，功耗约3W；该机具有标准的RS232串行通信口、并行打印口、IDE硬盘口；标准的4M内存；可以用DOS操作系统下的高级语言编程，修改调试十分方便简单。自然，也可选用单片机作为主机。

输入输出接口将各传感器、触发器输入的信号转换成数字信号发给主机；并将控制命令转发给各电机，完成控制动作；输入输出接口还将数据发给GSM通信模块。输入输出接口采用主机上具有的标准的RS232串行通信口、并行打印口，并连接延时继电器板组成。

以上所述的主机及各电控元器件(包括各传感器、触发器、输入输出接口、GSM通信模块及延时继电器板)均外购获得。

本发明的技术数据设定为：

·称重精度：≤±3％；

·工作温度范围：-10～+50℃

·工作相对湿度：≥90％

所测试和发送的数据是：

1、取得径流进斗时间和满斗时间；

2、取得称重翻斗每次称重的数据。

本发明的工作原理是：

①初始状态时(无径流时)，称重翻斗4开口朝下处于倒水位置(由图1虚线表示)，活动进水管道13也处于水流旁路位置(移到虚线位置)；

②当产生径流时，径流触发器JC触点(见图14)闭合，延时继电器板YJ中继电器J1吸合，设备上电；启动以后，主机W发出控制命令，使延时继电器板中继电器J1始终保持吸合；同时主机发出控制命令，使翻斗电机控制电路中的继电器J3吸合，翻斗电机M1通电，翻斗拨杆7拨动(与箭头F相反的方向拨动)翻斗拨头9，将称重翻斗4翻回到接水位置(图1中的实线位置)，翻斗锁定装置11将称重翻斗4锁定，称重翻斗4被锁定后，限位开关XJ3被断开，翻斗电机M1被断电；称重传感器3称初始值，作为扣除皮重的初始值；

③主机W发出控制命令，使移动管道电机控制电路中的继电器J4吸合，移动管道电机M2通电转动，移动水管拨叉17将活动管道13-1移到向翻斗内的加水位置(对准旁路漏斗内的进水管13-2)后，限位开关XJ4被顶开，移动管道电机M2被断电；

④当泥水注入时，称重传感器3开始工作，将数据通过信号线传输给二次仪表Y，该仪表将数据通过RS232通信口发送给主机W，主机开始对是否满斗进行判断；

⑤当称重翻斗4装满时，泥水开始沿称重翻斗4溢流口4-1外溢，此时进入翻斗的泥水流量与流出的泥水流量基本相等；主机通过称重传感器3称出重量不再上升而基本处于平衡状态的一定范围内，此时认为已满斗；主机发出控制命令，移动管道电机控制电路中的继电器J5吸合接通电机电源，移动管道电机M2转动，移动水管拨叉17将活动进水管道13移到旁路位置(仍在旁路漏斗内，但与进水管13-2错开)后，限位开关XJ5被顶开，移动管道电机被断电；

⑥在稳定一段时间后，主机通过称重传感器3进行称重比较，当发现数据变化≤0.002kg时，认为稳定并称重，并将翻斗进水的开始时间、满斗时间、秤重量通过GSM模块将数据由移动无线网络发送出去；

⑦完成数据发送以后，主机发出控制命令，继电器J2吸合接通翻斗电机M1电源，该电机带动翻斗拨杆7一起转动(箭头F方向)，拨动翻斗拨头9将称重翻斗4翻转运行180度(图1中虚线位置)，翻斗连倒带甩倒掉泥水(如果称重翻斗4翻转运行超过180度，则限位开关XJ2被顶开，确保翻斗电机M1被断电停机)；稳定一段时间后，主机发出控制命令，继电器J3吸合接通电机M1电源，翻斗电机M1带动翻斗拨杆7反向拨动(与箭头F相反的方向拨动)翻斗拨头9，将称重翻斗4翻回到接水的位置；主机通过称重传感器3再称皮重以备下次称重扣除皮重；

⑧重新按前面流程③开始运行。

⑨若径流结束时，称重翻斗4将始终不能满斗，称重传感器3连续称重1小时发现没有满斗时，主机将记录下径流结束时间，并通过GSM模块将结束时间由移动无线网络发送出去；同时主机发出控制命令，继电器J5吸合，接通移动管道电机M2电源，该电机带动水管拨叉17将活动进水管道13移到旁路位置之后，限位开关XJ5被顶开使电机M2断电；主机再发出控制命令，继电器J2吸合接通翻斗电机M1电源，该电机带动翻斗拨杆7转动(箭头F方向)，施力于翻斗拨头9使称重翻斗4翻转运行180度，翻斗连倒带甩倒掉残存泥水；主机再发出控制命令，延时继电器板中继电器J1释放，系统断电，整个系统又回到起始状态。

此外，图14控制电路原理示意图中，还有电机控制板DK。

整个控制流程由图18表示。

Claims (7)

1、土壤侵蚀实时监测仪，包括机架(1)、进水机构、称重机构、倾水机构、电池和控制电路；所述的控制电路中的主机通过输入输出接口连接各电控元器件；其特征在于所述的称重机构包括通过至少一个悬挂连接装置(6)悬挂在机架上的称重传感器(3)、挂接在称重传感器上的称重架(2)以及定位在称重架上的称重翻斗(4)；所述的倾水机构包括可转动地定位在称重架上且与称重翻斗固定连接的转动轴(10)、与转动轴同轴连接的翻斗拨头(9)、定位在称重架上的翻斗电机(M1)及固定在翻斗电机轴上与翻斗拨头作用的翻斗拨杆(7)；所述的进水机构包括移动管道电机(M2)、该电机轴上的拨叉(17)和被拨叉夹持并悬挂在称重翻斗上边的活动管道(13-1)。

2、根据权利要求1所述的土壤侵蚀实时监测仪，其特征在于所述的悬挂连接装置(6)是万向接头，或者是称重连接铰链；该装置的上端固定在机架上，下端挂接着称重传感器。

3、根据权利要求2所述的土壤侵蚀实时监测仪，其特征在于所述的称重连接铰链由上扣(6-1)、连接块(6-2)和下扣(6-3)组成；连接块呈短柱状，外圆周面均布四个螺孔(6-2-1)；下扣与上扣结构相同，均制有类似“∏”形的叉口，下扣与上扣的叉口十字交叉并相互扣合把连接块抱合在中间，每个叉口上各有两个螺钉穿越并旋入连接块螺孔中固定。

4、根据权利要求2或3所述的土壤侵蚀实时监测仪，其特征在于所述的称重架上还制有用于称重翻斗定位的锁定装置。

5、根据权利要求4所述的土壤侵蚀实时监测仪，其特征在于所述的称重翻斗的上端边沿制有溢流口(4-1)。

6、根据权利要求4所述的土壤侵蚀实时监测仪，其特征在于所述的进水机构还包括一个设置在称重翻斗上边的旁路漏斗(12)，旁路漏斗中装有一对准称重翻斗的进水管(13-2)，进水管的上端边缘高于旁路漏斗的溢水边。

7、根据权利要求5或6所述的土壤侵蚀实时监测仪，其特征在于所述的电池是可充电电池。

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