CN101858850A - 振动式测砂方法 - Google Patents

Abstract

一种振动式测砂方法，包含以下步骤：一、建立一个振动周期-含砂量关系函数。二、取得一个振动式测砂仪在一个待测浑水内量测到的一个振动周期。三、根据该振动周期-含砂量关系函数，由该振动周期计算出该待测浑水的含砂量。

Description

振动式测砂方法

技术领域

本发明涉及一种测砂方法，特别是涉及一种量测简便的振动式测砂方法。

背景技术

以往在量测河流的含砂量时，一般是采用烘干法(俗称秤重法)，其步骤包含：取样、干燥、秤重，也就是先采取所欲量测的样本河水，接着，将样本河水烘干，最后，再将烘干得到的泥砂称重，如此，将泥砂重量(g)除以样本河水体积(1)，即可得到样本河水的含砂量(g/l)。

虽然，利用上述的烘干法可达到量测河流含砂量的目的，但是，此种方法不但量测过程繁复又耗时，且极不方便。

发明内容

本发明的目的是在提供一种量测简便的振动式测砂方法。

本发明振动式测砂方法，包含以下步骤：(A)建立一个振动周期-含砂量关系函数。(B)取得一个振动式测砂仪在一个待测浑水内量测到的一个振动周期。(C)根据该振动周期-含砂量关系函数，由该振动周期计算出该待测浑水的含砂量。

本发明的有益效果在于：利用该振动式测砂仪量测出待测浑水的振动周期后，即可根据所建立的压差-含砂量关系函数，方便地计算出该待测浑水的含砂量。

附图说明

图1是本发明振动式测砂方法的一优选实施例的流程图；

图2是该优选实施例所采用的一个振动式测砂仪浸置于一个样本浑水内的示意图；

图3是一个样本振动周期与含砂量的关系表，说明该振动式测砂仪在不同含砂量的样本浑水内所量测到的一个样本振动周期；

图4是一个样本振动周期与含砂量的函数关系图；

图5是一个类似图2的视图，说明该振动式测砂仪浸置于一条河流的一个待测浑水内。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的明白。

参阅图5，本发明振动式测砂方法的优选实施例所采用的一个测砂装置，是可用于量测一条河流100的一个待测浑水110的一个含砂量C_S(g/l)，该测砂装置包含：一个振动式测砂仪10及一个中央处理单元20。

该振动式测砂仪10是可置入该河流100的待测浑水110内。该振动式测砂仪10具有一个壳体11、一个装设于该壳体11内的振动管12、一个设置于该振动管12上的激振线圈13，及一个设置于该振动管12上的检测线圈14。该激振线圈13可将电压转换为振动机械能，以维持该振动管12的振动，该检测线圈14可量测该振动管12的振动频率。该振动式测砂仪10的量测原理为：将该振动管12的振动频率预设成在清水内时的特征频率，则当该待测浑水110进入该壳体11内时，由于液体密度、温度的改变，将会影响该振动管12的特征频率，如此，该检测线圈14即可将量测到的振动频率回传给该中央处理单元20。

该中央处理单元20是与该振动式测砂仪10电连接。在本实施例中，该中央处理单元20是一种电脑，该中央处理单元20可将该检测线圈14量测到的振动频率(f)转换为振动周期(T＝1/f)。

在说明本发明振动式测砂方法的一优选实施例之前，由图5及下述公式推导，可得知该优选实施例的理论依据：

在该振动管12的材料、壁厚、直径、长度及两端固紧方式均已确定的情况下，定义液体流经振动管时振动频率的振动方程为：

$f=\frac{a_n}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{{\mathrm{\μ}}_0{L}^4}}=\frac{a_n}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{(A_s{\mathrm{\ρ}}_s+\mathrm{A\ρ})L^4}}---\left(1\right)$

在(1)式中，f为该振动管12充满该待测浑水110时的振动频率；L为该振动管12的有效长度；E为该振动管12材料的弹性模数；I为该振动管12的惯性矩；α_n为两端紧固梁的固有频率系数；A_s为该振动管12的截面积；ρ_s为该振动管12的材料密度；A为该待测浑水110的截面积；ρ为该待测浑水110的密度(g/cm³)。

把(1)式进行整理可得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{EI}}{{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\α}}_n}\right)}^2{\mathrm{AL}}^4}\·\frac{1}{f^2}-\frac{A_s{\mathrm{\ρ}}_s}{A}=K_2\·\frac{1}{f^2}-K_0---\left(2\right)$

可见在一定条件下，密度ρ与振动频率f呈单值函数关系。通常情况下，振动频率f均不超过1500Hz，这时测量其周期T比测量频率f更为方便和准确，因此，(2)式可整理为：

ρ＝k₂T²-k₀                     (3)

(3)式为一次项系数k₁为零时的二次曲线方程式。考虑到更为普遍的情况，将其补上一次项，则得出标准的二次曲线方程式：

ρ_m＝k₀+k₁T+k₂T²                  (4)

在(4)式中，ρ_m为该待测浑水110的密度(g/cm³)；T为该振动管12的振动周期；k₀为常数项系数；k₁为一次项系数；k₂为二次项系数。k₀、k₁、k₂均带有自己的符号，可正也可为负。因为周期T将随液体密度的变化而改变，所以加入下标来表示其为自变量，则(4)式可整理为：

${\mathrm{\ρ}}_m=k_0+k_1{T}_x+k_2{T_x}^2---\left(5\right)$

对于高精度的传感器而言，要保证其振动周期稳定、可靠，温度影响是关键。在本实施例中，该振动式测砂仪10的振动管12的材料为恒弹性钢3J58材料，虽然该振动管12的材料经过热处理后，其温度系数很小，但是温度的变化对水的密度、砂的密度和该振动式测砂仪10的电路元件都有影响。

因此，在(5)式中加入中温度修正，体现为温度修正值kt，则(5)式的完全表示法修正为：

${\mathrm{\ρ}}_m=k_0+k_1{T}_x+k_2{T_x}^2+k_t---\left(6\right)$

在(6)式中，T_x为该振动管12的振动周期，k₀、k₁与k₂为参个标定系数，k_t为温度标定修正值。

在本实施例中，该振动式测砂仪10出厂时，标定系数k₀、k₁、k₂是分别被率定为-2.8348565989、0.00387781、0.0000021625，相较于k₀、k₁，k₂是趋近于0，因此，

可加以忽略，(6)式可修正为：

ρ_m＝k₀+k₁T_x+k_t                        (7)

因此，由(7)式可得知，该待测浑水110的密度ρ_m是随该振动管12的振动周期T_x呈线性变化。

另外，由于该待测浑水110的重量等于水中所含砂的重量加上清水的重量，因此，可得到下式：

V_mρ_m＝V_sρ_s+(V_m-V_s)ρ_w                (8)

在(8)式，V_m为该待测浑水110的体积(cm³)；ρ_m为该待测浑水110的密度(g/cm³)，Vs为砂的体积(cm³)；ρ_s为砂的密度(g/cm³)；ρ_w为清水的密度(g/cm³)。

再者，该待测浑水110的含砂量C_S(g/l)是定义为砂的重量除以该待测浑水110的体积：

$C_S=\frac{V_s{\mathrm{\ρ}}_s}{V_m}---\left(9\right)$

由(8)、(9)式整理可得：

$C_S=({\mathrm{\ρ}}_m-{\mathrm{\ρ}}_w)\frac{{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}---\left(10\right)$

由于含砂量C_S的单位是g/l，而ρ_m、ρ_x、ρ_w的单位均为(g/cm³)，因此，将(10)式作单位转换可得：

$C_S^{\′}=({\mathrm{\ρ}}_m-{\mathrm{\ρ}}_w)\frac{{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}\×1000---\left(11\right)$

由于ρ_s、ρ_w均为常数，且由(7)式可知，该待测浑水110的密度ρ_m是随该振动管12的振动周期T_x呈线性变化，因此，由(11)式可知该待测浑水110的含砂量C_S也是随该振动周期T_x呈线性变化，因此，当测得该振动周期T_x后即可求出该待测浑水110的的含砂量C_S，此即是振动式测砂的原理。

参阅图5，当利用上述的振动式测砂仪10量测该河流100的待测浑水110的含砂量C_S时，根据上述的理论推导，如图1所示，该振动式测砂方法的优选实施例是包含以下步骤：

步骤(一)：如图2、3、4所示，将与该中央处理单元20电连接的该振动式测砂仪10分别置入九个已知含砂量的样本浑水200内，取得该振动式测砂仪10在每一个样本浑水200内量测到的一个样本振动周期，根据所述样本浑水200的含砂量与量测到的所述样本振动周期，建立一个振动周期-含砂量关系函数，并将该振动周期-含砂量关系函数内建于该中央处理单元20。

在本实施例中，是在清水中倒入不同重量的工业用高岭土，而使所述样本浑水200的含砂量分别为10(g/l)、20(g/l)、30(g/l)40(g/l)、50(g/l)、60(g/l)、70(g/l)、90(g/l)与100(g/l)，且所述样本浑水200的水温是维持在12℃。将该振动式测砂仪10置入每一个样本浑水200内进行量测，如此，根据该振动式测砂仪10所量测到而显示于该中央处理单元20上的样本振动周期，即可建立如图3所示的样本振动周期与含砂量的关系表，并得到如图4所示的样本振动周期与含砂量的一个实际函数S，则根据该实际函数S所进一步计算出的一个线性回归函数S1(y＝11.117x-7770.7，趋近率R²＝0.9982)，即可定义为该振动周期-含砂量关系函数，据此，即可将该振动周期-含砂量关系函数内建于该中央处理单元20，而使该中央处理单元20可依据该振动周期-含砂量关系函数进行相关计算。

步骤(二)：如图5所示，取得该振动式测砂仪10在该待测浑水内110量测到的一个振动周期。在本实施例中，是将该振动式测砂仪10置入该待测浑水110内，以取得该振动式测砂仪10量测到的振动周期。

步骤(三)：如4、5所示，根据该振动周期-含砂量关系函数，由该振动周期计算出该待测浑水110的含砂量。在本实施例中，当该振动式测砂仪10将在该待测浑水110内量测到的振动周期传送至该中央处理单元20时，该中央处理单元20根据该振动周期-含砂量关系函数，即可计算出该待测浑水浑水110的含砂量。

经由以上的说明，可再将本发明的优点归纳如下：

本发明振动式测砂方法只需将该振动式测砂仪10置入所欲量测的河流100的待测浑水110内，该中央处理单元20根据内建的压差-含砂量关系函数，即可自动计算出该待测浑水110的含砂量，因此，本发明的量测步骤不但简便，更是省时，而可有效提高量测作业的效率。

归纳上述，本发明的振动式测砂方法，不但可便于使用者进行量测，且测砂精度高，所以确实能达到发明的目的。

以上所述，只为本发明的优选实施例，不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种振动式测砂方法，其特征在于：

所述振动式测砂方法，包含以下步骤：

(A)建立一个振动周期-含砂量关系函数；

(B)取得一个振动式测砂仪在一个待测浑水内量测到的一个振动周期；及

(C)根据所述振动周期-含砂量关系函数，由所述振动周期计算出所述待测浑水的含砂量。

2.根据权利要求1所述的振动式测砂方法，其特征在于：

在步骤(A)中，将所述振动式测砂仪分别置入多个已知含砂量的样本浑水内，取得所述振动式测砂仪在每一个样本浑水内量测到的一个样本振动周期，根据所述样本浑水的含砂量与量测到的所述样本振动周期，建立所述振动周期-含砂量关系函数。

3.根据权利要求2所述的振动式测砂方法，其特征在于：

在步骤(A)中，将一个中央处理单元与所述振动式测砂仪电连接，所述中央处理单元内建所述振动周期-含砂量关系函数，在步骤(C)中，当所述振动式测砂仪将在所述待测浑水内量测到的振动周期传送至所述中央处理单元时，所述中央处理单元根据所述振动周期-含砂量关系函数，计算出所述待测浑水浑水的含砂量。

4.根据权利要求2所述的振动式测砂方法，其特征在于：

在步骤(A)中，所述振动周期-含砂量关系函数是一个线性回归函数。

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