CN105371904B - 一种径流泥沙实时自动测量装置及测量方法 - Google Patents

一种径流泥沙实时自动测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种径流泥沙实时自动测量装置及测量方法，支架壳体内安装有计量秤，计量秤上安装有采样器，采样器的顶端与进样口分离，采样器的底端设置有排样口，采样器的外侧壁上还设置有标定采样器体积的溢流口；进样口上安装有进样阀门，进样阀门通过进样阀门控制电机驱动，排样口上安装有排样阀门，排样阀门通过排样阀门控制电机驱动；进样口内安装有第一流体传感器，溢流口内安装有第二流体传感器；通过PLC控制器控制整个测量装置进行自启动、自休眠和自动化重复测量。本发明的测量装置可在野外径流小区和流域卡口站条件下实时自动连续测量径流量和泥沙含量，减少人工测量的劳动力耗费。本发明的测量装置和方法能够保证测量结果的精准性。

Description

一种径流泥沙实时自动测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于水土流失观测领域，涉及径流量和泥沙含量测量，具体涉及一种径流泥沙实时自动测量装置及测量方法。
背景技术
水土流失是陆地水循环的重要环节，其不仅影响生态系统的水环境，而且关乎江河安全、生态安全、水土资源保育与永续利用。中国科学院生态研究网络(CERN)、国家生态观测研究网络、国家水文测量站网、科教机构的野外站点都将径流泥沙观测列为重要的观测指标。水利部制定的全国水土保持信息化规划(2013～2020年)将“国家级水土保持测量点升级”列为重点建设项目。拟“开展测量点数据采集智能化升级，在全国水土保持测量网络建设的738个水土保持测量点中，选择30-50个水土保持测量点，配置自动化测量采集设施设备，建成国家级水土保持测量网。”
目前，只有流域把口站的径流量实现了自动观测，而径流场的径流量、泥沙含量和把口站的泥沙含量观测国内外还没有实用的实时自动观测装置。而人工观测的人为影响大，且有人身安全隐患。
建立信息化环境下的径流泥沙实时自动观测、传输、管理和共享，获得记录水土流失发生、发展的过程数据，不仅是生态过程科学研究、水土保持科技发展的需要，也是运用现代先进技术升级改造水土流失测量方法，提升径流泥沙数据获取科技水平的需要。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种径流泥沙实时自动测量装置及测量方法，解决野外环境下，径流泥沙测量过程中尚未实现实时自动精准测量的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种径流泥沙实时自动测量装置，包括支架壳体，支架壳体的顶面上固定安装有进样口，支架壳体内安装有计量秤，计量秤上安装有采样器，采样器的顶端与进样口分离，使得计量秤不计量进样口的重量，采样器的底端设置有排样口，采样器的外侧壁上还设置有标定采样器体积的溢流口；
进样口上安装有进样阀门，进样阀门通过进样阀门控制电机驱动，排样口上安装有排样阀门，排样阀门通过排样阀门控制电机驱动；
进样口内安装有第一流体传感器，溢流口内安装有第二流体传感器；
计量秤、第一流体传感器和第二流体传感器分别与PLC控制器的输入端相连，PLC控制器的输出端与进样阀门控制电机和排样阀门控制电机相连，实现径流量和泥沙含量的实时自动测量。
本发明还具有如下区别技术特征：
所述的进样阀门上部的进样口上还设置有泄流口。
所述的进样阀门和排样阀门均为蝶阀。
所述的计量秤中采用压力传感器。
所述的采样器的顶端开口内径和底端开口内径小于采样器的中部内径，溢流口设置在采样器的顶端开口的外侧壁上。
所述的采样器的内壁上涂有一层疏水层。
一种采用如上测量装置的测量方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，将测量装置安装在径流小区或流域卡口站的径流出口处，测量装置安装定位后，调整计量秤的零点；
步骤二，测量装置初始处于待机休眠状态，进样阀门和排样阀门均打开，第一流体传感器实时检测是否有径流；
步骤三，当第一流体传感器检测到有径流时，测量装置加电；
步骤四，利用径流清洗采样器，时间为10s，关闭进样阀门，采样器空淋30s，关闭排样阀门，测量装置静置稳定60s，计量秤称量采样器、排水阀门、排水阀门驱动电机、溢流口中粘附的泥沙残重，数据输入PLC控制器中；
步骤五，打开进样阀门，将径流引入采样器中，第二流体传感器检测溢流口是否有溢流，从采样器开始采样的时刻起计算，当溢流口持续30min后还没有溢流，测量装置恢复初始状态，按照步骤二进行；
步骤六，当第二流体传感器在30min内检测到溢流时，关闭进样阀门，测量装置稳定60s，计量称称重，数据输入PLC控制器中，计算径流量和泥沙含量；
步骤七，称重完成后，打开进样阀门和排样阀门，排出采样器中的径流液样品，重复步骤四至步骤七，循环采样测量，实现径流量和泥沙含量的实时自动测量。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明的测量装置可在野外环境下实时自动测量，减少人工测量的劳动力耗费，并且能够对径流中的泥沙含量进行长期监测。本发明的测量装置主要用于提升野外径流小区和流域卡口站径流泥沙测量的自动化水平,增强样品实时在线分析处理的准确度,降低劳动强度。测量原理和技术方法是通过将测量装置安放在径流小区或流域卡口站的汇流口处,通过全自动感应收集径流样品，设定测量装置的工作参数，通过定体积称重法测量出样品采集器内样品的重量,通过测量软件求解径流样品中水和泥沙的分量，进而计算径流量和泥沙含量,并将数据进行储存和远程传送。
本发明的测量装置和方法能够保证测量结果的精准性，相对误差波动范围0.6-14.0％，均值为4.2％，低含沙量(2-10kg/m3)相对误差为7.0％；中含沙量(20-90kg/m3)相对误差为3.1％；高含沙量(100-300kg/m3)相对误差为2.99％。测量值和理论值相关系数高达99.7％，相对误差>10％仅占3.7％。
附图说明
图1是测量装置的整体结构示意图。
图2是测量装置的正视结构示意图。
图3是测量装置的侧视结构示意图。
图4是测量装置的俯视结构示意图。
图5是测量装置的控制部分的连接关系示意图。
图6是测量方法的流程图。
图7是标样值(理论值)与实测值关系图。
图8是测量误差分布图。
图中各个标号的含义为：1-支架壳体，2-进样口，3-计量称，4-采样器，5-排样口，6-溢流口，7-进样阀门，8-进样阀门控制电机，9-排样阀门，10-排样阀门控制电机，11-第一流体传感器，12-第二流体传感器，13-PLC控制器，14-泄流口。
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
研制目标：研发适用于径流小区和流域卡口站2个场景的径流泥沙实时自动观测装置，实现径流泥沙实时自动采集、测量和传输。具体目标为：
(1)提出径流泥沙自动测量新的原理和技术方法，即通过测量定体积泥沙样品的重量，求解泥沙样品中水和泥沙的分量，进而计算径流量和泥沙含量。
(2)遴选准确度和精确度能满足测量要求的压力传感器、电导传感器等；遴选泥沙粘附性小的材料，设计并制作泥沙粘附性小的采样器；设计自动观测流程中每个部件动作的时间点、时间长度和状态。
(3)建立径流泥沙自动测量技术规范。
技术难点：一是径流携带泥沙流动会发生泥沙沉降现象和粘附现象；二是泥沙颗粒大小和形状差异大，对声、光、波等物理干涉的反应复杂，新技术运用受到限制；三是降雨环境下，人工观测难度大。籍此，突出研究以下内容。
(1)观测技术与方法。依据定体积容器中，水的体积与泥沙的体积之和等于容器内径流样品的总体积；水的重量与泥沙的重量之和等于容器内径流样品的总重量的原理，建立径流泥沙的体积-重量实时自动观测技术与方法。
(2)测量的准确度和精确度控制。采样器定体积的标定和样品重量的秤量需要达到千分之五以上的准确度。这对于粘附性很强的泥沙样品的测量而言，无疑是十分困难的。所以，体积标定的方法及其传感器和称重传感器的遴选或研制，采集器材质的遴选、形状设计、进样和排样部件及其设计就成为关键的研究内容。通过研制高精度的样品采集器、测量过程控制器、数据采集与传输模块达到期望的技术指标。
(3)测量过程的自动化控制。水土流失是随降雨而发生的随机事件，实现装置的自启动、自休眠、重复性作业的稳定和可靠是实时自动观测的保证。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种径流泥沙实时自动测量装置，如图1至图5所示，包括支架壳体1，支架壳体1的顶面上固定安装有进样口2，支架壳体1内安装有计量秤3，计量秤3上安装有采样器4，采样器4的顶端与进样口2分离，使得计量秤3不计量进样口2的重量，采样器4的底端设置有排样口5，采样器4的外侧壁上还设置有标定采样器体积的溢流口6；
进样口2上安装有进样阀门7，进样阀门7通过进样阀门控制电机8驱动，排样口5上安装有排样阀门9，排样阀门9通过排样阀门控制电机10驱动；
进样口2内安装有第一流体传感器11，溢流口6内安装有第二流体传感器12；
计量秤3、第一流体传感器11和第二流体传感器12分别与PLC控制器13的输入端相连，PLC控制器13的输出端与进样阀门控制电机8和排样阀门控制电机10相连，实现径流量和泥沙含量的实时自动测量。
进样阀门7上部的进样口2上还设置有泄流口14，在进样阀门7关闭的情况下，对径流进行泄流。
进样阀门7和排样阀门9均为蝶阀。蝶阀的主要技术参数如下：
阀体材质：UPVC，密封材质：EPDM/PTFE，传动方式：90&ordm；回转电动驱动，执行器材质：铸铝合金，保护装置：过热保护，动作时间：4秒，公称压力：1.0Mpa，公称通径：DN50，保护等级：IP68，流体温度：-15℃－60℃(无冻结)，环境温度：-25℃－55℃，安装方式：任意角度安装，电源电压：标准AC220V，连接方式：对夹式法兰式，控制方式：开关动作、调节动作模式。
计量秤3中采用压力传感器。压力传感器选用国际知名品牌托利多MT1041-30KG S型称重传感器，可实时将重量信号输出至PLC控制器13的进口端，经处理后传输至显示屏，托利多传感器获得荷兰NMI颁发的OIML R60 C3证书，防护等级IP67，技术指标：额定容量50kg，灵敏度2±10％mV/V，精度等级OIML R60 C3，零点输出≤±10％R.O.，温度补偿范围-10～+40℃，工作温度范围-20～+65℃。
采样器4的顶端开口内径和底端开口内径小于采样器4的中部内径，采样器(4)的体积为1000毫升到10000毫升，溢流口6设置在采样器4的顶端开口的侧壁上，减少采集器顶端口和底端口的横截面积，可以提高采样器4内径流样品定体积判断的准确性，从而提高整体测量结果的精准性。
采样器4的内壁上涂有一层疏水层，疏水层采用常用的疏水涂料即可，使得径流在排出采样器4后，尽量减少采样器内壁上产生的径流泥沙粘附现象，从而降低采样器泥沙粘附残留对测量结果的影响。
PLC控制器13选用台湾产台达PLC(型号DVP14SS211R)，PLC控制器13的显示屏选用Samkoon显控安卓触摸屏AK-070AW，7寸。
第一流体传感器11和第二流体传感器12均采用常用的流体传感器，能够精准判断有无径流以及是否出现溢流即可，也可以根据需要自行设计相应的传感器。
实施例2：
本实施例给出一种采用实施例1中的测量装置的测量方法，如图6所示，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，将测量装置安装在径流小区或流域卡口站的径流出口处，测量装置安装定位后，调整计量秤3的零点；
步骤二，测量装置初始处于待机休眠状态，进样阀门7和排样阀门9均打开，第一流体传感器11实时检测是否有径流；
步骤三，当第一流体传感器11检测到有径流时，测量装置加电；
步骤四，利用径流清洗采样器4，时间为10s，关闭进样阀门7，采样器4空淋30s，关闭排样阀门9，测量装置静置稳定60s，计量秤3称量采样器4、排水阀门9、排水阀门驱动电机10、溢流口6中粘附的泥沙残重，数据输入PLC控制器13中；
步骤五，打开进样阀门7，将径流引入采样器4中，第二流体传感器12检测溢流口6是否有溢流，从采样器4开始采样的时刻起计算，当溢流口6持续30min后还没有溢流，测量装置恢复初始状态，按照步骤二进行；
步骤六，当第二流体传感器12在30min内检测到溢流时，关闭进样阀门7，测量装置稳定60s，计量称3称重，数据输入PLC控制器13中，计算径流量和泥沙含量；
步骤七，称重完成后，打开进样阀门7和排样阀门9，排出采样器4中的径流液样品，重复步骤四至步骤七，循环采样测量，实现径流量和泥沙含量的实时自动测量。
实施例3：
本实施例应用实施例1的测量装置和实施例2的测量方法对径流泥沙进行测量，测量过程如下：
1、配制标准泥沙样品
预设泥沙的浓度从2-300kg/m3，其中2-10kg/m3每2kg/m3一个增量，10-100kg/m3每10kg/m3一个增量，100-300kg/m3每50kg/m3一个增量。待测土壤为风干黄绵土，利用烘干法测量风干土的含水量，并以此将风干土折算为烘干土。计算并称取配制预设泥沙浓度的风干土，将该风干土加到本检测仪的采样器，注满清水。待测。
2、使用实施例1的测量装置和实施例2的测量方法对所配制标准泥沙样品进行测量，得到径流泥沙含量。
3、每一个泥沙浓度重复三次。
4、测量结果如表1，对其进行统计分析。
表1径流泥沙实时自动测量结果
从表1中可以得出：本申请的测量装置，相对误差波动范围0.6-14.0％，均值为4.2％，低含沙量(2-10kg/m3)相对误差为7.0％；中含沙量(20-90kg/m3)相对误差为3.1％；高含沙量(100-300kg/m3)相对误差为2.99％。
测量值和理论值相关系数高达99.7％，见图7。相对误差>10％仅占3.7％，见图8。

Claims (6)

1.一种径流泥沙实时自动测量方法，其特征在于：该方法采用径流泥沙实时自动测量装置，所述的径流泥沙实时自动测量装置包括支架壳体(1)，支架壳体(1)的顶面上固定安装有进样口(2)，支架壳体(1)内安装有计量秤(3)，计量秤(3)上安装有采样器(4)，采样器(4)的顶端与进样口(2)分离，使得计量秤(3)不计量进样口(2)的重量，采样器(4)的底端设置有排样口(5)，采样器(4)的外侧壁上还设置有标定采样器(4)体积的溢流口(6)；
进样口(2)上安装有进样阀门(7)，进样阀门(7)通过进样阀门控制电机(8)驱动，排样口(5)上安装有排样阀门(9)，排样阀门(9)通过排样阀门控制电机(10)驱动；
进样口(2)内安装有第一流体传感器(11)，溢流口(6)内安装有第二流体传感器(12)；
计量秤(3)、第一流体传感器(11)和第二流体传感器(12)分别与PLC控制器(13)的输入端相连，PLC控制器(13)的输出端与进样阀门控制电机(8)和排样阀门控制电机(10)相连，实现径流量和泥沙含量的实时自动测量；
该方法具体包括以下步骤：
步骤一，将测量装置安装在径流小区或流域卡口站的径流出口处，测量装置安装定位后，调整计量秤(3)的零点；
步骤二，测量装置初始处于待机休眠状态，进样阀门(7)和排样阀门(9)均打开，第一流体传感器(11)实时检测是否有径流；
步骤三，当第一流体传感器(11)检测到有径流时，测量装置加电；
步骤四，利用径流清洗采样器(4)，时间为10s，关闭进样阀门(7)，采样器(4)空淋30s，关闭排样阀门(9)，测量装置静置稳定60s，计量秤(3)称量采样器(4)、排水阀门(9)、排水阀门驱动电机(10)、溢流口(6)中粘附的泥沙残重，数据输入PLC控制器(13)中；
步骤五，打开进样阀门(7)，将径流引入采样器(4)中，第二流体传感器(12)检测溢流口(6)是否有溢流，从采样器(4)开始采样的时刻起计算，当溢流口(6)持续30min后还没有溢流，测量装置恢复初始状态，按照步骤二进行；
步骤六，当第二流体传感器(12)在30min内检测到溢流时，关闭进样阀门(7)，测量装置稳定60s，计量称(3)称重，数据输入PLC控制器(13)中，计算径流量和泥沙含量；
步骤七，称重完成后，打开进样阀门(7)和排样阀门(9)，排出采样器(4)中的径流液样品，重复步骤四至步骤七，循环采样测量，实现径流量和泥沙含量的实时自动测量。
2.如权利要求1所述的径流泥沙实时自动测量方法，其特征在于：所述的进样阀门(7)上部的进样口(2)上还设置有泄流口(14)。
3.如权利要求1所述的径流泥沙实时自动测量方法，其特征在于：所述的进样阀门(7)和排样阀门(9)均为蝶阀。
4.如权利要求1所述的径流泥沙实时自动测量方法，其特征在于：所述的计量秤(3)采用压力传感器。
5.如权利要求1所述的径流泥沙实时自动测量方法，其特征在于：所述的采样器(4)的顶端开口内径和底端开口内径小于采样器(4)的中部内径，溢流口(6)设置在采样器(4)的顶端开口的外侧壁上。
6.如权利要求1所述的径流泥沙实时自动测量方法，其特征在于：所述的采样器(4)的内壁上涂有一层疏水层。
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