CN102073071B - 一种全自动高精度沙尘收集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全自动高精度沙尘收集器。所述全自动高精度沙尘收集器包括风向标驱动动态沙尘收集系统和箱式静态沙尘测量系统两部分，所述箱式静态沙尘收集系统设置于设备外壳组成的内部空间中，所述风向标驱动动态沙尘收集系统设置于设备外壳的顶部并位于箱式静态沙尘收集系统的上方。本发明实现了沙尘收集过程中迎风方向上的沙尘的动态收集和静态称重测量的理想结合，利用空心轴把沙尘从风向标驱动动态沙尘收集系统引入箱式静态沙尘收集系统，实现对被收集沙尘的实时动态测量、通过多级称重测量实现了测量精度上和分辨率上历史性的突破及测量量程重大提高，真正实现高精度高频率长周期全自动监测，所述沙尘收集器的精度为6mg～20mg。

Description

一种全自动高精度沙尘收集器

技术领域

本发明涉及一种沙尘收集器，尤其涉及一种全自动高精度沙尘收集器，属于环境监测领域。

背景技术

我国是受风沙侵蚀灾害比较严重的国家，国土沙漠化现象严重。为了研究这种变化，在许多的科学实验中进行了风速和风蚀量的观察，同时也设计了多种沙尘收集器。这些收集器中有的采用人工收集方式，有的采用半自动收集方式，也有部分最近的设计采用了全自动收集方式，但是都不能够长周期工作和全面的精准详细的自动记录一次沙尘过程，现在迫切需要一种能够自动记录并且精确反映沙尘变化的自动收集器，而且能够长周期自动测量，用来全面反应沙尘的变化情况。

目前有的沙尘收集系统也采用了称重传感器。也有部分人工沙尘收集系统采用动态旋转收集方式，该方式设计了风向标和入沙口一体化的整体构造，能够通过风力来驱动风向标转动，并带动集沙仪收集口指向来沙方向收集沙尘，该方法真实地收集了来风方向上的沙尘，这种集沙仪的最大缺点就是沙尘收集装置和沙尘称重装置一体化，称重时受到风向改变而引起的集沙仪旋转产生的离心力作用，导致沙尘称重结果不准确，需要人工分析校正。

沙尘称重装置按照其称重量程的不同可以分为小量程沙尘称重装置和大量程沙尘称重装置。小量程称重装置具有精度高的优越性，但同时也存在量程不足的缺点，如果有大的沙尘暴的情况下，沙尘量很快就会充满容器；大量程称重装置容量很大，但是称量精度不高，影响称量结果的准确记录。

沙尘流量是反映风沙流动变化情况的一个重要参数指标。因此，利用机械工程技术设计新型沙尘收集装置，实现对被收集沙尘的实时、精确和大量程的称量，更加全面地反映沙尘的变化情况，对于控制和治理沙漠化现象具有非常重要的意义。

发明内容

本发明针对现有集沙仪在称重时受到风向改变而引起的集沙仪旋转产生的离心力和振动作用，导致沙尘称重结果不准确，以及小量程称重装置在有大的沙尘暴的情况下，沙尘量很快就会充满容器，大量程称重装置的称量精度不高，影响称量结果准确性的不足，提供一种全自动高精度沙尘收集器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种全自动高精度沙尘收集器包括风向标驱动动态沙尘收集系统和箱式静态沙尘收集系统两部分，所述箱式静态沙尘收集系统设置于设备外壳组成的内部空间中，所述风向标驱动动态沙尘收集系统设置于设备外壳的顶部并位于箱式静态沙尘收集系统的上方。

本发明的有益效果是：本发明全自动高精度沙尘收集器实现了沙尘收集过程中迎风方向上的沙尘的动态收集和静态称重的理想结合，利用空心轴把沙尘从风向标驱动动态沙尘收集系统引入箱式静态沙尘收集系统，实现对被收集沙尘的实时、通过2级传感器实现测量精度上和分辨率上历史性的突破及测量量程重大提高，真正实现高精度高频率长周期全自动监测，更加全面地反映沙尘的变化情况，可以高速自动记录并且精确反应沙尘变化情况的，而且改善整套装置的可检查性和可维护性，降低故障率，并扩大该装置的应用范围，所述沙尘收集器的精度可以达到6mg～20mg。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述设备外壳的材质为玻璃钢，其上还设有一个检修门，方便取沙样。

进一步，所述风向标驱动动态沙尘收集系统包括进沙口、第一漏风网、第二漏风网、尾翼、空心轴、轴承和轴承防尘座，所述进沙口位于空心轴的侧壁上，所述尾翼位于与进沙口相对的空心轴的另一侧壁上，所述进沙口和尾翼处于同一直线上，所述第一漏风网位于空心轴的顶部，所述第二漏风网位于与进沙口相对的空心轴的另一侧壁上，所述空心轴穿过轴承，所述轴承设置于轴承防尘座内，所述轴承防尘座固定于设备外壳上。

进一步，所述轴承防尘座的顶部为圆形的，其与设备外壳之间形成圆环形的漏沙口。

进一步，所述箱式静态沙尘收集系统包括高精度小量程沙尘称重系统和大容量沙尘称重系统两部分，所述高精度小量程沙尘称重系统位于所述设备外壳组成的内部空间的上方，所述高精度小量程沙尘称重系统位于空心轴底部的下方，所述大容量沙尘称重系统位于高精度小量程沙尘称重系统的下方。

进一步，所述高精度小量程沙尘称重系统包括自动排沙装置和小量程高精度称重传感器，所述小量程高精度称重传感器固定于设备外壳的内壁上，所述小量程高精度称重传感器上面的自动排沙装置具有自动排沙功能，所述小量程高精度称重传感器的精度为6mg～20mg。

进一步，所述自动排沙装置包括小容量容器和容器支撑轴，所述小容量容器和容器支撑轴之间活动连接并可围绕容器支撑轴旋转，所述容器支撑轴固定于第一平台的上方，所述小量程高精度称重传感器固定于第一平台的下方。

进一步，所述小容量容器是由第一三角形板、第二三角形板、第一矩形板和第二矩形板组成的结构，其中，第一矩形板和第二矩形板分别拼接于第一三角形板和第二三角形板之间，且第二矩形板拼接于第一矩形板之上。

进一步，所述大容量沙尘称重系统包括大容量容器和大量程称重传感器，所述大容量容器的底部固定于第二平台的上方，所述大量程称重传感器的一端固定于第二平台的下方，另一端固定于设备外壳的内壁上。

进一步，所述大容量容器具有一上开口和一下底面，所述上开口的面积大于下底面的面积，以保证重心集中到大量程称重传感器的感应部。

附图说明

图1为本发明全自动高精度沙尘收集器的结构示意图；

图2为本发明小容量容器的结构示意图；

图3为本发明具有电机驱动自动旋转式小容量容器的全自动高精度沙尘收集器的结构示意图；

图4为本发明具有自动电磁铁式小容量容器的全自动高精度沙尘收集器的结构示意图；

图5为本发明全自动高精度沙尘收集器的系统示意图一；

图6为本发明全自动高精度沙尘收集器的系统示意图二。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明全自动高精度沙尘收集器的结构示意图。如图1所示，所述沙尘收集器包括风向标驱动动态沙尘收集系统和箱式静态沙尘收集系统两部分，所述箱式静态沙尘收集系统设置于设备外壳12组成的内部空间中，所述风向标驱动动态沙尘收集系统设置于设备外壳12的顶部并位于箱式静态沙尘收集系统的上方，所述沙尘收集器的精度为6mg～20mg，在本实施例中，所述沙尘收集器的精度为20mg。

所述风向标驱动动态沙尘收集系统包括进沙口4、第一漏风网2、第二漏风网3、尾翼1、空心轴5和轴承防尘座6，所述进沙口4位于空心轴5的侧壁上，所述尾翼1位于与进沙口4相对的空心轴5的另一侧壁上，所述进沙口4和尾翼1处于同一直线上，所述第一漏风网2位于空心轴5的顶部，所述第二漏风网3位于与进沙口4相对的空心轴5的另一侧壁上，所述空心轴5穿过轴承，所述轴承设置于轴承防尘座6内，所述轴承防尘座6固定于设备外壳12上。所述轴承防尘座6的顶部为圆形的，其与设备外壳12之间形成圆环形的漏沙口。在风力驱动下尾翼1的方向与风向一致，带动进沙口4旋转的方向与风向相反，以此来收集最大风向上的沙尘进入进沙口4，沙尘由进沙口4进入空心轴5后，通过空心轴5进入箱式静态沙尘收集系统。所述空心轴5采用特殊的防尘系统，即第一漏风网2和第二漏风网3，使气流在进入空心轴5前就泄露到大气中，从而实现静止部分的无扰动精准测量。

所述箱式静态沙尘收集系统包括高精度小量程沙尘称重系统和大容量沙尘称重系统两部分，所述高精度小量程沙尘称重系统位于所述设备外壳6组成的内部空间的上方，所述高精度小量程沙尘称重系统位于空心轴5底部的下方，所述大容量沙尘称重系统位于高精度小量程沙尘称重系统的下方。

所述高精度小量程沙尘称重系统包括自动排沙装置和小量程高精度称重传感器10三部分，所述小量程高精度称重传感器10固定于设备外壳12的内壁上，所述自动排沙装置和小量程高精度称重传感器10相连接，所述小量程高精度称重传感器10的精度为6mg～20mg。在本实施例中，所述小量程高精度称重传感器10的精度为20mg。所述小量程高精度称重传感器10的量程为0～Xg，其中，X为100g～300g，在本实施例中，所述小量程高精度称重传感器10的量程为0～300g。

所述自动排沙装置包括小容量容器7和容器支撑轴8，所述小容量容器7和容器支撑轴8之间活动连接并可围绕容器支撑轴8旋转，所述容器支撑轴8固定于第一平台的上方，所述小量程高精度称重传感器10固定于第一平台的下方，所述小容量容器7的容量为100g～300g，在本实施例中，所述所述小容量容器7的容量为300g。图2为本发明小容量容器的结构示意图。如图2所示，所述小容量容器7是由第一三角形板71、第二三角形板72、第一矩形板73和第二矩形板74组成的特殊结构，其中，第一矩形板73和第二矩形板74分别拼接于第一三角形板71和第二三角形板72之间，且第二矩形板拼74接于第一矩形板73之上，从而形成两个斗状的第一集沙室和第二集沙室。

所述大容量沙尘称重系统包括大容量容器9和大量程称重传感器11，所述大容量容器9的底部固定于第二平台的上方，所述大量程称重传感器11的一端固定于第二平台的下方，另一端固定于设备外壳12的内壁上。所述大量程称重传感器11的量程为0～Yg，其中，Y为5Kg～10Kg，在本实施例中，所述大量程称重传感器11的量程为0～10kg。所述大容量容器9的容量为5Kg～10kg，在本实施例中，所述大容量容器9的容量为10kg。所述大容量容器9为一圆台结构，其上开口的面积大于下底面的面积。

所述小容量容器7的外形是经过特殊设计的，随着第一集沙室内沙尘量的增加，当第一集沙室内的沙尘达到一定重量后，小容量容器7围绕容器支撑轴8旋转，将第一集沙室内的沙尘倾倒进大容量容器9内，同时，第二集沙室的进沙口位于空心轴5底部的下方接着进行沙尘的收集，当第二集沙室内的沙尘达到一定重量后，小容量容器7围绕容器支撑轴8旋转，将第二集沙室内的沙尘倾倒进大容量容器9内。

所述设备外壳12的材质为玻璃钢，其上还设有一个检修门，所述检修门的大小和大容量容器9的大小相适配，可以方便的打开对高精度小量程沙尘称重系统和大容量沙尘称重系统进行检修，例如大容量容器9内的沙尘收集满后可以拿出来进行排空，再继续下一次的沙尘收集。本发明全套装置外壳采用透明的玻璃钢材质，便于观察装置内部工作情况，出现故障后及时修理。设备外壳安装一个检修门，方便打开对装置内部进行检修，并及时排空大容器内的沙尘。

本发明全自动高精度沙尘收集器采用分级称重测量来实现测量精度的提高和测量量程的加大，如果第一级称重采用300g量程，可以达到20mg的精度，这个精度是一个历史性的突破，如果第二级称重采用0～10kg(也可以采用其他量程)的量程，可以使仪器的测量周期延长到几个月，实现了真正的全自动测量，减少了人工操作；同时设计了自动排沙系统，使第一级小量程传感器在达到240g以上重量时候自动排沙到下一级大量程容器；而且在沙尘收集器的旋转部分如空心轴上加装方位传感器后，可以动态的了解沙尘每秒每个方向的数据大小；采用高存储容量(2GB)高频率(＞＝1Hz)数据采集器系统，可以实时、动态、全面地记录风沙的变化过程，及瞬间变化情况，高频的采样只有精准的测量分辨率(20mg)才有意义。

本发明全自动高精度沙尘收集器采用多级沙尘称重传感器，实现对收集沙尘的精确和大量程的称量，而且还为小量程高精度称重传感器设计了自动排沙装置，并能自动记录自动排沙的次数，解决其在大风沙尘天气下装填速度过快的问题。当小容量容器8内的沙尘重量超过240g时，小容量容器8会自动清空，自动清空有以下几种方式：

1)自动翻斗式：当重量超过平衡时候，容器会自动翻转排沙。

2)自动旋转式：当重量达到阀值时候，系统会发出自动旋转指令驱动电机旋转自动排沙。图3为本发明具有电机驱动自动旋转式小容量容器的全自动高精度沙尘收集器的结构示意图。如图3所示，在电动机13的作用下，小容量容器可以实现旋转式排沙。

3)自动电磁铁式：当重量达到阀值时候，系统会发出电压驱动电磁铁吸合，翻转容器进行自动排沙。图4为本发明具有自动电磁铁式小容量容器的全自动高精度沙尘收集器的结构示意图。如图4所示，在电磁铁14的作用下，小容量容器可以实现自动排沙。

图5为本发明全自动高精度沙尘收集器的系统示意图一。如图5所示，所述全自动高精度沙尘收集器中空心轴5的底部具有一方位传感器，所述小容量容器壁上具有一翻斗式计数器，所述方位传感器、翻斗式计数器、小量程高精度称重传感器和大量程称重传感器分别通过方位传感器电缆15、翻斗式计数器电缆16、小量程高精度称重传感器电缆17和大量程称重传感器电缆18和数据采集器19相连，所述数据采集器19分别与GPRS/CDMA通讯模块20和供电系统21相连，所述GPRS/CDMA通讯模块20和计算机26之间进行无线连接。所述数据采集器19将采集到的方位信号、翻斗计数信号、小量程高精度称重传感器信号和大量程称重传感器信号进行存储和计算，并将计数得出的相应数据发送至GPRS/CDMA通讯模块20，再发送至计算机26，从而可以实现异地或者同地所有数据实时在线监测，监测频率最高可以达到10Hz。采用无线传输网络利用现有的GPRS/CDMA/3G网络，或者通过无线电台，实现对数据的实时远程自动监控，具有重要的预警价值。

本发明全自动高精度沙尘收集器由于风驱动尾翼，使进沙口始终对准来风方向，当沙尘通过进沙口流入空心轴时，风通过第一漏风网和第二漏风网被泄露出去，而沙尘在重力的作用下流入静态测量室的小容量容器内，该小容量容器的小量程高精度(20mg)称重传感器的扭矩发生变化，输出对应的重量信号给数据采集器。所述小量程高精度称重传感器采用我国自主生产的1022型应力传感器，精度高，也可以采用美国的1004型低温称重传感器。数据采集器同时通过方位传感器记录了此时的进沙口的方位，这样就可以知道对应方向的瞬时沙通量，当进来沙子的重量超过240g的平衡力时候，小容量容器自动翻转，把沙子自动排空到大容量容器。所述大容量容器下面安装了0～10kg的大量程称重传感器，可以把所有的沙尘量记录下来，可以对小量程高精度(20mg)称重传感器的小量程进行弥补校正，实现长时间的自动化测量，同时减轻了频繁收集沙尘，清空维护的工作量。所有的数据：风速，风向，尾翼的方位(代表沙尘源方向)，瞬时方位沙通量，剖面沙通量以及累计总沙通量都被记录到采集的存储卡上，数据采集器可以与大城市的远程监控中心实时通讯，从而实现了在线的沙尘预警监测。

图6为本发明全自动高精度沙尘收集器的系统示意图二。如图6所示，所述全自动高精度沙尘收集器22和数据采集器23相连，所述风速传感器24和数据采集器23相连，所述数据采集器23和塔上仪器供电系统25相连。本全自动高精度沙尘收集器可以完成从地表几厘米高度到2～3米高度的常规监测，还可以安装到0到几百米高度的铁塔上的任何位置，扩大了沙尘收集器的使用范围。本发明采用Campbell公司的CR1000数据采集器，测量频率最大100Hz，实时在线记录以下数据：第一级容器实时重量(源于称重传感器)；第一级容器排沙次数(通过翻斗自动计数，通过判断逻辑自动累加)；第二级容器实时重量(源于称重传感器)；风向标实时方位(通过方位电位器)。

本发明的有益效果是：我国是受风沙侵蚀灾害比较严重的国家，国土沙漠化现象严重。因此，迫切需要利用机械工程技术设计新型沙尘收集装置，实现对风沙灾害天气的全面监测。本发明利用空心轴把沙尘从风向标驱动动态沙尘收集系统引入箱式静态沙尘收集系统，实现沙尘收集过程中最大风速方向上的沙尘的动态收集和静态称重的理想结合，同时设计和运用了多级沙尘称重传感器和高频数据采集器，保证了对被收集沙尘的实时、精确和大量程的称量，更加全面地反映了沙尘的变化情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全自动高精度沙尘收集器，其特征在于，包括风向标驱动动态沙尘收集系统和箱式静态沙尘收集系统两部分，所述箱式静态沙尘收集系统设置于设备外壳(12)组成的内部空间中，所述风向标驱动动态沙尘收集系统设置于设备外壳(12)的顶部并位于箱式静态沙尘收集系统的上方；所述风向标驱动动态沙尘收集系统包括进沙口(4)、第一漏风网(2)、第二漏风网(3)、尾翼(1)、空心轴(5)、轴承和轴承防尘座(6)，所述进沙口(4)位于空心轴(5)的侧壁上，所述尾翼(1)位于与进沙口(4)相对的空心轴(5)的另一侧壁上，所述进沙口(4)和尾翼(1)处于同一直线上，所述第一漏风网(2)位于空心轴(5)的顶部，所述第二漏风网(3)位于与进沙口(4)相对的空心轴(5)的另一侧壁上，所述空心轴(5)穿过轴承，所述轴承设置于轴承防尘座(6)内，所述轴承防尘座(6)固定于设备外壳(12)上，所述轴承防尘座(6)的顶部为圆形的，其与设备外壳(12)之间形成圆环形的漏沙口；所述箱式静态沙尘收集系统包括高精度小量程沙尘称重系统和大容量沙尘称重系统两部分，所述高精度小量程沙尘称重系统位于所述设备外壳(6)组成的内部空间的上方，所述高精度小量程沙尘称重系统位于空心轴(5)底部的下方，所述大容量沙尘称重系统位于高精度小量程沙尘称重系统的下方；所述高精度小量程沙尘称重系统包括自动排沙装置和小量程高精度称重传感器(10)，所述小量程高精度称重传感器(10)固定于设备外壳(12)的内壁上，所述自动排沙装置和小量程高精度称重传感器(10)相连接；所述自动排沙装置包括小容量容器(7)和容器支撑轴(8)，所述小容量容器(7)和容器支撑轴(8)之间活动连接并可围绕容器支撑轴(8)旋转，所述容器支撑轴(8)固定于第一平台的上方，所述小量程高精度称重传感器(10)固定于第一平台的下方；所述小容量容器(7)是由第一三角形板(71)、第二三角形板(72)、第一矩形板(73)和第二矩形板(74)组成的结构，其中，第一矩形板(73)和第二矩形板(74)分别拼接于第一三角形板(71)和第二三角形板(72)之间，且第二矩形板(74)拼接于第一矩形板(73)之上；所述大容量沙尘称重系统包括大容量容器(9)和大量程称重传感器(11)，所述大容量容器(9)的底部固定于第二平台的上方，所述大量程称重传感器(11)的一端固定于第二平台的下方，另一端固定于设备外壳(12)的内壁上。

2.如权利要求1所述的全自动高精度沙尘收集器，其特征在于，所述设备外壳(12)的材质为玻璃钢，其上还设有一个检修门。

3.如权利要求1的全自动高精度沙尘收集器，其特征在于，所述大容量容器(9)具有一上开口和一下底面，所述上开口的面积大于下底面的面积。

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