CN107340199B - 一种全自动水沙收集及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全自动水沙收集及测量装置，包括旋转水沙采集系统及PLC控制系统，旋转水沙采集系统的下方设置有称重测量系统及泥沙收集系统，旋转水沙采集系统的上方设置有清洗系统，称重测量系统上设置有控制其动作的称量PLC控制系统，旋转水沙采集系统、清洗系统及泥沙收集系统由PLC控制系统控制。本发明的一种全自动水沙收集及测量装置，设计巧妙、自动化程度高，集旋转采样、称重测量、采样器清洗及泥沙收集于一体，并且设置有污水过滤再利用系统，非常适合于研究坡面土壤侵蚀机理过程的试验，试验效率及准确性高且节约水资源。

Description

一种全自动水沙收集及测量装置
技术领域
本发明属于土壤侵蚀研究器具技术领域，具体涉及一种全自动水沙收集及测量装置。
背景技术
目前，在坡面土壤侵蚀的研究领域中，通过室内模拟降雨试验及冲刷试验是研究坡面土壤侵蚀产沙机理和水土保持功效的重要环节。但是，现有实地工作和实验室中坡面水沙的采集和收集主要是依靠大量的人工作业，通过人工计时、人工定时抽换采样容器的方法进行水沙采集，这种方法一方面需要多人相互协作展开连续作业，另一方面由于人为计时和水样接取过程中存在计时误差和取样容器切换不及时，容易出现水样泥样滴撒抛漏的现象；且在计算水沙体积的时候通过量筒测得浑水体积，然后利用烘干法去除水分计算得到泥沙质量，进而计算求出清水的体积，但是在操作过程中读取量筒体积时存在一定误差，烘干前人为倾倒沉淀浑水上清液的同时有一部分泥沙可能随着流出，同样存在一定误差，这样累计误差会更大。综上所述，现有的方法在增加野外及室内取样工作量的同时，耗费了大量的人力资源，且由于人为计时和取样过程中的误差，影响了研究结果的真实性和准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种全自动水沙收集及测量装置，解决现有技术中坡面水沙的采集和收集主要依靠人工完成、工作量大且准确度低的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种全自动水沙收集及测量装置，包括旋转水沙采集系统及PLC控制系统，旋转水沙采集系统的下方设置有称重测量系统及泥沙收集系统，旋转水沙采集系统的上方设置有清洗系统，称重测量系统上设置有控制其动作的称量PLC控制系统，旋转水沙采集系统、清洗系统及泥沙收集系统由PLC控制系统控制。
本发明的特点还在于：
PLC控制系统具体包括旋转采样PLC控制系统、清洗PLC控制系统、泥沙收集PLC控制系统及水深测量PLC控制系统。
旋转水沙采集系统的具体结构为：包括旋转轴a，旋转轴a上安装有用于驱动旋转轴a的异步伺服电机a，异步伺服电机a上安装有用于驱动异步伺服电机a的变频驱动器a；旋转轴a上设置有旋转圆盘a，旋转圆盘a上沿周向均匀连接多个金属臂a，每个金属臂a的自由端均连接有采样容器，每个采样容器的底部均安装有电磁阀a；异步伺服电机a及变频驱动器a均与旋转采样PLC控制系统连接；电磁阀a与旋转采样PLC控制系统连接；旋转轴a的顶端安装有遮雨板，遮雨板顶部设置有水平仪a，旋转轴a的底部安装有移动底座a。
称重测量系统的具体结构为：包括设置在采样容器下方的电子称，电子称下方连接有用于驱动电子称上下直线运动的电动升降杆，称量PLC控制系统设置在电动升降杆上，电动升降杆上还安装有异步伺服电机c，称量PLC控制系统与异步伺服电机c电连接，异步伺服电机c与电动升降杆电连接；采样容器的上方设置有超声波传感器，超声波传感器安装在遮雨板的下底面上，超声波传感器位于电子称的正上方位置处；超声波传感器与水深测量PLC控制系统连接。
清洗系统包括设置在采样容器上方的清洗喷头，清洗喷头上安装有控制其开闭的电磁阀b，电磁阀b与清洗PLC控制系统连接；清洗喷头的上端连接有自来水管。
清洗喷头通过喷头支架固定。
泥沙收集系统包括旋转轴b，旋转轴b上安装有用于驱动旋转轴b的异步伺服电机b，异步伺服电机b上安装有用于驱动异步伺服电机b的变频驱动器b，异步伺服电机b及变频驱动器b与泥沙收集PLC控制系统连接；旋转轴b的上端安装有旋转圆盘b，旋转圆盘b上沿周向均匀连接多个金属臂b，金属臂b的数量与金属臂a的数量相对应，每个金属臂b的自由端均连接有泥沙过滤装置，泥沙过滤装置位于采样容器的下方，泥沙过滤装置的上端设置有过滤漏斗，泥沙过滤装置的底部安装有电磁阀c，电磁阀c与泥沙收集PLC控制系统连接；旋转圆盘b顶部设置有水平仪b。
泥沙过滤装置的下方设置有集水槽，清洗喷头的上端连接有洁净水管的一端，洁净水管的另一端连接至集水槽中，洁净水管靠近集水槽处安装有自吸泵及自吸泵开关；旋转轴b的底部安装有移动底座b。
金属臂a及金属臂b各设置6个。
还包括触摸屏上位机，旋转采样PLC控制系统、清洗PLC控制系统、泥沙收集PLC控制系统及水深测量PLC控制系统分别与触摸屏上位机连接，称量PLC控制系统与触摸屏上位机连接；旋转采样PLC控制系统、清洗PLC控制系统、泥沙收集PLC控制系统、水深测量PLC控制系统及称量PLC控制系统均设置有启停开关和时间间隔设置按钮。
本发明的有益效果是：本发明的一种全自动水沙收集及测量装置，设计巧妙、自动化程度高，集旋转采样、称重测量、采样器清洗及泥沙收集于一体，并且设置有污水过滤再利用系统，非常适合于研究坡面土壤侵蚀机理过程的试验，试验效率及准确性高且节约水资源。
附图说明
图1为本发明一种全自动水沙收集及测量装置的结构示意图。
图中，1.坡面系统，2.旋转水沙采集系统，3.称重测量系统，4.清洗系统，5.泥沙收集系统，6.PLC控制系统，7.水平仪a，8.遮雨板，9.旋转轴a，10.旋转圆盘a，11.异步伺服电机a，12.金属臂a，13.电线a，14.采样容器，15.电磁阀a，16.移动底座a，17.电线b，18.自来水管，19.洁净水管，20.清洗喷头，21.喷头支架，22.电磁阀b，23.水平仪b，24.旋转圆盘b，25.异步伺服电机b，26.金属臂b，27.电线c，28.电线d，29.泥沙过滤装置，30.过滤漏斗，31.电磁阀c，32.旋转轴b，33.移动底座b，34.集水槽，35.自吸泵，36.旋转采样PLC控制系统，37.清洗PLC控制系统，38.泥沙收集PLC控制系统，39.水深测量PLC控制系统，40.电源，41.电子称，42.电动升降杆，43.异步伺服电机c，44.称量PLC控制系统，45.超声波传感器，46.电线e，47.电线f，48.自吸泵开关，49.变频驱动器a，50.变频驱动器b，51.启停开关，52.时间间隔设置按钮，53.触摸屏上位机，54.电线g，55.电线h。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明的一种全自动水沙收集及测量装置，如图1所示，包括旋转水沙采集系统2及PLC控制系统6，旋转水沙采集系统2的下方设置有称重测量系统3及泥沙收集系统5，旋转水沙采集系统2的上方设置有清洗系统4，称重测量系统3上设置有控制其动作的称量PLC控制系统44，旋转水沙采集系统2、清洗系统4及泥沙收集系统5由PLC控制系统6控制。PLC控制系统6由电源40供电，PLC控制系统6具体包括旋转采样PLC控制系统36、清洗PLC控制系统37、泥沙收集PLC控制系统38及水深测量PLC控制系统39。
旋转水沙采集系统2的具体结构为：包括旋转轴a9，旋转轴a9上安装有用于驱动旋转轴a9的异步伺服电机a11，异步伺服电机a11上安装有用于驱动异步伺服电机a11的变频驱动器a49；旋转轴a9上位于异步伺服电机a11的上方设置有旋转圆盘a10，旋转轴a9连接在旋转圆盘a10的中心位置处。旋转圆盘a10上沿周向均匀连接多个金属臂a12，每个金属臂a12的自由端均连接有采样容器14，每个采样容器14的底部均安装有电磁阀a15；异步伺服电机a11及变频驱动器a49均通过电线a13与旋转采样PLC控制系统36连接；电磁阀a15通过电线b17与旋转采样PLC控制系统36连接；旋转轴a9的顶端安装有遮雨板8，用于采样时遮挡雨水以保障装置稳定运转；遮雨板8顶部中心位置处设置有水平仪a7，用于装置移动后的水平面调整，旋转轴a9的底部安装有移动底座a16，便于装置移动作业。
称重测量系统3的具体结构为：包括设置在采样容器14下方的电子称41(优选采用梅特勒-托利多称)，电子称41下方连接有用于驱动电子称41作上下直线运动的电动升降杆42，称量PLC控制系统44设置在电动升降杆42上，电动升降杆42上还安装有异步伺服电机c43，称量PLC控制系统44与异步伺服电机c43电连接，异步伺服电机c43与电动升降杆42电连接；采样容器14的上方设置有超声波传感器45，超声波传感器45安装在遮雨板8的下底面上，超声波传感器45位于电子称41的正上方位置处；超声波传感器45通过电线e46与水深测量PLC控制系统39连接。
清洗系统4包括设置在采样容器14上方的清洗喷头20，清洗喷头20上安装有控制其开闭的电磁阀b22，电磁阀b22通过电线f47与清洗PLC控制系统37连接；清洗喷头20的上端连接有自来水管18。清洗喷头20通过喷头支架21固定。
泥沙收集系统5包括旋转轴b32，旋转轴b32上安装有用于驱动旋转轴b32的异步伺服电机b25，异步伺服电机b25上安装有用于驱动异步伺服电机b25的变频驱动器b50，异步伺服电机b25及变频驱动器b50通过电线c27与泥沙收集PLC控制系统38连接；旋转轴b32的上端安装有旋转圆盘b24，旋转轴b32连接在旋转圆盘b24的中心位置处，旋转圆盘b24上沿周向均匀连接多个金属臂b26，金属臂b26的数量与金属臂a12的数量相对应，优选地，金属臂a12及金属臂b26各设置6个。每个金属臂b26的自由端均连接有泥沙过滤装置29，泥沙过滤装置29位于采样容器14的下方，泥沙过滤装置29的上端设置有过滤漏斗30，泥沙过滤装置29的底部安装有电磁阀c31，电磁阀c31通过电线d28与泥沙收集PLC控制系统38连接；旋转圆盘b24顶部中心位置处设置有水平仪b23。
泥沙过滤装置29的下方设置有集水槽34，清洗喷头20的上端连接有洁净水管19的一端，洁净水管19的另一端连接至集水槽34中，洁净水管19靠近集水槽34处安装有自吸泵35及自吸泵开关48；旋转轴b32的底部安装有移动底座b33。
本发明的结构还包括触摸屏上位机53，旋转采样PLC控制系统36、清洗PLC控制系统37、泥沙收集PLC控制系统38及水深测量PLC控制系统39分别通过电线g54与触摸屏上位机53连接，称量PLC控制系统44通过电线h55与触摸屏上位机53连接；旋转采样PLC控制系统36、清洗PLC控制系统37、泥沙收集PLC控制系统38、水深测量PLC控制系统39及称量PLC控制系统44均设置有启停开关51和时间间隔设置按钮52。
其中，异步伺服电机a11、异步伺服电机b25及异步伺服电机c43的型号为IP65；变频驱动器a49、变频驱动器b50的型号为EFC3610；旋转采样PLC控制系统36的型号为S7-200SMART；清洗PLC控制系统37的型号为6ES7288-3AE04-0AA0；泥沙收集PLC控制系统38的型号为6ES7288-1SR20-0AA0；水深测量PLC控制系统39的型号为6ES7288-3AE04-0AA0；称量PLC控制系统44的型号为6ES7288-3AE04-0AA0；触摸屏上位机53的型号为P2314T。
本发明的工作过程如下：
将该装置放置于坡面系统1旁合适位置处，通过触摸屏上位机53控制PLC控制系统6与称量PLC控制系统44，人工操作在触摸屏上位机53上设置所需PLC控制系统6和称量PLC控制系统44上的时间间隔，设定完成后，点击触摸屏上位机53启动选项。由旋转采样PLC控制系统36发出旋转水沙采集系统2采样运行指令，将采样信号发送至变频驱动器a49控制异步伺服电机a11按照设定的时间间隔旋转，由旋转圆盘a10旋转带动通过金属臂a12进而带动采样容器14旋转，当一个采样容器14旋转至坡面系统1正下方时，该采样容器14根据设定的时间间隔收集此时间间隔内的水沙样品。在异步伺服电机a11的作用下该采样容器14继续旋转，当其旋转到称重测量系统3的电子称41正上方时停止旋转，此时称量PLC控制系统44输出信号至异步伺服电机c43，在异步伺服电机c43的作用下电动升降杆42上升，带动电子称41上升直至其接触到上述采样容器14的底部时，测得浑水连同采样容器14的总质量m(采样容器14的质量m桶提前测量得到)，然后计算得到浑水的质量m浑＝m-m桶；同时超声波传感器45经由水深测量PLC控制系统39发送的指令测量采样容器14内浑水液面到超声波传感器45的距离(h测)，然后利用超声波传感器45到采样容器14底部的距离总高度(H)减去超声波传感器45测量的高度(h测)，得到采样容器14内浑水的水深(h浑)，进而得到浑水的体积V浑＝πr2h浑(r为采样容器14的底面半径)，然后利用比重法计算沙的质量m沙＝m浑×ρ，则最后计算清水体积最终将清水的体积V水和沙的质量m沙通过称量PLC控制系统44发出的信号在触摸屏上位机53上进行数字显示，并记录保存。此过程完毕后，该采样容器14随金属臂a12继续旋转，同时泥沙过滤装置29通过泥沙收集PLC控制系统38控制，在变频驱动器b50及异步伺服电机b25的作用下由旋转轴b32及旋转圆盘b24带动进行旋转。当上述采样容器14与泥沙过滤装置29均旋转至清洗喷头20的正下方时停止旋转，此时旋转采样PLC控制系统36发出信号至电磁阀a15使其打开，同时清洗PLC控制系统37发出信号至电磁阀b22使其打开，在自来水管18的水源供给下，清洗喷头20喷出清水至采样容器14内壁处，开始该采样容器14的清洗作业，此时清洗的水沙通过开启的电磁阀a15进入到放置有滤纸的过滤漏斗30内；待清洗作业结束后，旋转采样PLC控制系统36和清洗PLC控制系统37控制电磁阀a15和电磁阀b22关闭，完成该采样容器14的清洗过程。然后泥沙收集PLC控制系统38发出泥沙收集系统5运行指令，将信号发送至变频驱动器b50控制异步伺服电机b25按照设定的时间间隔旋转，当泥沙过滤装置29旋转至集水槽34的正上方时停止旋转，此时泥沙收集PLC控制系统38发送信号至电磁阀c31使其打开，则经过滤漏斗30过滤后从浑水中分离的清水进入到集水槽34中，同时将携带有泥沙的滤纸从过滤漏斗30中移出，并且放入新的滤纸。为节约利用水资源，在清洗喷头20的上端连接洁净水管19的一端，洁净水管19的另一端连接至集水槽34中，洁净水管19靠近集水槽34处安装有自吸泵35及自吸泵开关48，待集水槽34内的清水足量后，可通过自吸泵开关48人工启动自吸泵35将清水经洁净水管19抽入清洗喷头20中，从而实现再生水的重复利用，节约资源。此时一个水沙收集测量过程结束，系统继续以相同的方式运转进行下一个测量过程，最终通过触摸屏上位机53读取并记录整个水力侵蚀过程中每个时间间隔内的清水体积V水和泥沙质量m沙。

Claims (7)

1.一种全自动水沙收集及测量装置，其特征在于，包括旋转水沙采集系统(2)及PLC控制系统(6)，旋转水沙采集系统(2)的下方设置有称重测量系统(3)及泥沙收集系统(5)，旋转水沙采集系统(2)的上方设置有清洗系统(4)，所述称重测量系统(3)上设置有控制其动作的称量PLC控制系统(44)，所述旋转水沙采集系统(2)、清洗系统(4)及泥沙收集系统(5)由PLC控制系统(6)控制；
所述PLC控制系统(6)具体包括旋转采样PLC控制系统(36)、清洗PLC控制系统(37)、泥沙收集PLC控制系统(38)及水深测量PLC控制系统(39)；
所述旋转水沙采集系统(2)的具体结构为：包括旋转轴a(9)，旋转轴a(9)上安装有用于驱动旋转轴a(9)的异步伺服电机a(11)，异步伺服电机a(11)上安装有用于驱动异步伺服电机a(11)的变频驱动器a(49)；旋转轴a(9)上设置有旋转圆盘a(10)，旋转圆盘a(10)上沿周向均匀连接多个金属臂a(12)，每个金属臂a(12)的自由端均连接有采样容器(14)，每个采样容器(14)的底部均安装有电磁阀a(15)；所述异步伺服电机a(11)及变频驱动器a(49)均与所述旋转采样PLC控制系统(36)连接；所述电磁阀a(15)与旋转采样PLC控制系统(36)连接；所述旋转轴a(9)的顶端安装有遮雨板(8)，遮雨板(8)顶部设置有水平仪a(7)，旋转轴a(9)的底部安装有移动底座a(16)；
所述称重测量系统(3)的具体结构为：包括设置在所述采样容器(14)下方的电子称(41)，电子称(41)下方连接有用于驱动电子称(41)上下直线运动的电动升降杆(42)，所述称量PLC控制系统(44)设置在电动升降杆(42)上，电动升降杆(42)上还安装有异步伺服电机c(43)，称量PLC控制系统(44)与异步伺服电机c(43)电连接，异步伺服电机c(43)与电动升降杆(42)电连接；所述采样容器(14)的上方设置有超声波传感器(45)，超声波传感器(45)安装在所述遮雨板(8)的下底面上，超声波传感器(45)位于所述电子称(41)的正上方位置处；超声波传感器(45)与所述水深测量PLC控制系统(39)连接。
2.根据权利要求1所述的一种全自动水沙收集及测量装置，其特征在于，所述清洗系统(4)包括设置在采样容器(14)上方的清洗喷头(20)，清洗喷头(20)上安装有控制其开闭的电磁阀b(22)，电磁阀b(22)与所述清洗PLC控制系统(37)连接；所述清洗喷头(20)的上端连接有自来水管(18)。
3.根据权利要求2所述的一种全自动水沙收集及测量装置，其特征在于，所述清洗喷头(20)通过喷头支架(21)固定。
4.根据权利要求2所述的一种全自动水沙收集及测量装置，其特征在于，所述泥沙收集系统(5)包括旋转轴b(32)，旋转轴b(32)上安装有用于驱动旋转轴b(32)的异步伺服电机b(25)，异步伺服电机b(25)上安装有用于驱动异步伺服电机b(25)的变频驱动器b(50)，异步伺服电机b(25)及变频驱动器b(50)与所述泥沙收集PLC控制系统(38)连接；旋转轴b(32)的上端安装有旋转圆盘b(24)，旋转圆盘b(24)上沿周向均匀连接多个金属臂b(26)，金属臂b(26)的数量与金属臂a(12)的数量相对应，每个金属臂b(26)的自由端均连接有泥沙过滤装置(29)，泥沙过滤装置(29)位于所述采样容器(14)的下方，泥沙过滤装置(29)的上端设置有过滤漏斗(30)，泥沙过滤装置(29)的底部安装有电磁阀c(31)，电磁阀c(31)与所述泥沙收集PLC控制系统(38)连接；旋转圆盘b(24)顶部设置有水平仪b(23)。
5.根据权利要求4所述的一种全自动水沙收集及测量装置，其特征在于，所述泥沙过滤装置(29)的下方设置有集水槽(34)，清洗喷头(20)的上端连接有洁净水管(19)的一端，洁净水管(19)的另一端连接至所述集水槽(34)中，洁净水管(19)靠近集水槽(34)处安装有自吸泵(35)及自吸泵开关(48)；所述旋转轴b(32)的底部安装有移动底座b(33)。
6.根据权利要求5所述的一种全自动水沙收集及测量装置，其特征在于，所述金属臂a(12)及金属臂b(26)各设置6个。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种全自动水沙收集及测量装置，其特征在于，还包括触摸屏上位机(53)，所述旋转采样PLC控制系统(36)、清洗PLC控制系统(37)、泥沙收集PLC控制系统(38)及水深测量PLC控制系统(39)分别与触摸屏上位机(53)连接，所述称量PLC控制系统(44)与触摸屏上位机(53)连接；所述旋转采样PLC控制系统(36)、清洗PLC控制系统(37)、泥沙收集PLC控制系统(38)、水深测量PLC控制系统(39)及称量PLC控制系统(44)均设置有启停开关(51)和时间间隔设置按钮(52)。
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