CN107421784A - 一种实时监测的自动风沙收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实时监测的自动风沙收集系统，包括风沙收集装置、旋转装置、风沙传送装置、重量感应装置、信号处理单元、供电装置、支撑装置，所述风沙收集装置包括进风口、滤沙网、出风口、滤沙收集下落管；所述旋转装置包括风向导板、风力驱动自旋转装置；所述风沙传送装置为风沙传送导管，所述支撑装置包括立柱、悬撑，所述重量感应装置为高精度重量感应器；所述信号处理单元接收、处理高精度重量感应器的重量信号并通过有线或无线方式传输信号给工作站信号接收、显示器。本发明的有益效果是：可抵抗特级大风，能够满足距地面不同垂直高度处风所携带的沙粒和粉尘的收集，抗风化能力强，适应于恶劣的自然环境。

Description

一种实时监测的自动风沙收集系统

技术领域

本发明属于风沙收集、测量装置技术领域，涉及一种自动收集风沙并可以实时监测风沙量的系统。

背景技术

风沙对混凝土结构的侵蚀机理、造成的危害，对其耐久性和安全性的影响程度等成为当前混凝土结构研究的一个重要领域，特别是在大风地区，研究风沙对混凝土的磨蚀机理，成为这些地区必须考虑的问题。戈壁地区大风条件下风对混凝土结构造成的危害是：

第一，风沙加剧了使用阶段混凝土的表面损伤速度。在强烈的大风作用下，地表面的风沙，甚至是小的砾石会随着大风而卷起，撞击到结构物混凝土上，混凝土表面将出现坑窝损伤，此类破坏已危及到混凝土抗冲击的性能；研究大风地区风沙对混凝土结构的磨损机理，对提高混凝土抗风蚀等耐久性意义重大。

第二，风害致使混凝土结构表面破损，加剧了使用阶段混凝土的冻融破坏速度。混凝土抗冻性是混凝土抵抗反复冻融循环的能力。在夏季酷热、冬季严寒的地区，混凝土抗冻性不足是造成耐久性破坏的主要原因。混凝土冻融破坏的机理主要是由于毛细孔中水结冰产生膨胀应力及渗透应力，当这种应力超过混凝土局部抗拉强度时，就可能产生裂缝，在反复冻融作用下，混凝土内部的微细裂缝逐渐增多和扩大，导致混凝土产生疏松剥落，直至破坏。风害会加剧冻融破坏应力。在这种极端恶劣的大风气候条件下，如何准确掌握风沙的运动规律及其对混凝土结构的风蚀机理，进而提高混凝土结构耐磨性的问题。

第三，风沙对线路有严重的危害, 暴露在沙漠之中的线路，时刻有被风沙灾害侵袭的危险，沙丘裸露部分在大风作用下形成的风沙流遇到线路结构时会沉积下来造成线路片状沙埋。而且，流沙侵入防护栏，在防护栏两侧沉积，部分区段已形成小沙丘，成为新的沙源，严重威胁线路安全运营；流沙堵塞线路两侧的侧沟，影响排洪，如果不及时清理有引发洪灾、冲毁路基的可能；流沙上道、线路积沙后，加剧了轮轨之间的磨耗，沙害地段的钢轨损耗较无沙害地段严重很多。

针对风沙运动规律的研究，国内外学者作了许多有意义的探索，如近地面风沙流沙通量仪、风沙流动态监测仪、风沙监测集沙仪、风沙流流量监测仪、风沙流输沙量测定仪、全自动野外风沙监测仪、PX-JSY-A2型风沙流积沙仪等，这些有意义的研究和发明，在不同的风沙研究中发挥了重要的作用。

现有技术一：近地面风沙流沙通量仪，是一种可以测量近地面高度范围内不同高度的风沙输移通量的机械设备。其包括带有前盖和后盖的盒体，盒体的前面均匀分布有若干个沙尘入口，盒体内相应于每个沙尘入口位置设有一个取样盒，相邻两个取样盒之间具有间隙，取样盒的上面设有沙网，前盖盖在沙尘入口上，后盖上设有若干出风口。其在野外风沙和风洞实验中，风沙流过时，其沙粒被不同高度的取样盒捕获，进而获得输沙率及其垂向分布。

现有技术一存在以下缺点：

（1）在后盖上设有的出风口会将盒体中收集的沙粒带走，难以真实反映实际沙粒分布情况；

（2）不同高度取样盒受风向影响小，难以随着风向的变化而变化，采集风沙量受取样盒口迎风程度影响较大；

（3）沙网的设置给收集沙粒带来不利影响；

（4）在大风时，无法适时采集风沙，同时无法实现远距离无线检测。

现有技术二：风沙流动态监测仪，是一种风沙流动态监测仪器，其由称重式集沙箱、数据采集仪、称重式传感器、风速风向传感器构成，单片机数据采集仪接口通过输送线分别与称重式集沙箱、风速风向传感器相接。气流中飞跃的颗粒，降落时碰撞地面而产生的回弹称跃移的沙粒进入方格孔，由引沙通道进入集沙筒。集沙筒放置在称重式传感器上，可以收集不同方位的跃移沙粒，测得的数据便于与风向、风速资料建立相关关系，实现显示、打印、存盘，实时在线自动连续采集数据的目的。

现有技术二存在以下缺点：

（1）其主要用来收集颗粒碰撞地面而回弹跃移的沙粒，不能收集在空中飞跃的颗粒，在垂直分布上难以反映沙粒的分布情况；

（2）不能抵抗约12级及以上的风力，在这种情况下，在大风戈壁地区长期风沙采集过程中，各组件协调工作成为砂砾收集成功的一项瓶颈；

现有技术之三：风沙监测集沙仪，其涉及干旱、半干旱风沙区的沙丘监测技术，具体为一种风沙监测集沙仪。由主体、底座上下设置而成，主体为分层结构，每层由进沙管和集沙盒连接而成，进沙管和集沙盒相通，进沙管外侧开口为风沙进口，集沙盒外侧开口处设有滤网。可以随时调整风沙流观测高度，即风沙进口高度，从而更适应不同的风力情况和沙丘类型；圆盘型底座起到支撑和固定集沙仪的作用，可旋转式支架则随自然风向转变而调整集沙仪风沙进口角度。

现有技术三存在以下缺点：

(1)其主要适用于沙丘地带沙粒的观察，难以满足戈壁地区大风下沙土及砾石的收集及监测；

(2)在大风时，无法适时采集风沙，同时也无法实现远距离无线检测。

现有技术四：美国BSNE风沙收集装置，该收集器是将风能吸气采样的功能用于收集空气中沙尘的设备。采样器上方有60目的网筛，使空气流过时，空气中的物质可以留在采样托盘上。采样效率测试使用细纱（直径小于0.84毫米）作为测试材料，结果显示采样器可以收集在空气中运动的90%的沙子，采样效率与风速无关。可以采集1.7公斤在空气中运动的物质，同时只含有几毫克杂质。把几个BSNE风沙收集器安装在同一个立杆上，可以确定垂直分布的在空气中运动的物质。通过垂直分布可以计算出指定区域内的空气中运动的物质的总量。如果在同一区域设多个杆的话，可以确定水平分布。从水平分布的土壤侵蚀可以计算整个区域的土壤侵蚀程度。

现有技术四存在以下缺点：

（1）对于小于0.02毫米的物质，采样效率只有40%左右；

（2）不能抵抗12级及以上大风；

（3）在大风时，无法适时采集风沙，同时无法实现远距离无线检测。

现有技术五：JZ-JS01风沙收集器利用风能吸气采样的用于收集空气中沙尘的设备。把几个风沙收集器安装在同一个固定杆上，可以确定垂直分布的在空气中运动的物质。通过垂直分布可以计算出指定区域内的空气中运动的物质的总量。如果在同一区域设多个杆的话，可以确定水平分布。从水平分布的土壤侵蚀可以计算整个区域的土壤侵蚀程度。收集盒进沙口可根据风向自动调节方向。采样盒上方有60目的网筛，使空气流过时，空气中的物质可以留在收集盒中。采样效率测试使用细纱（直径小于0.84毫米）作为测试材料，结果显示收集盒可以收集在空气中运动的90%的沙子，采样效率与风速无关。

现有技术五存在以下缺点：

（1）JZ-JS01风沙收集器受自然环境约束较大，不适用于强风，高温环境；

（2）人工工作量较大，需人力实时操作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前已有的风沙收集装置无法完成实时监测，且依赖人工操作，受环境约束影响较大，提供一种全自动风沙实时监测，可远距离实时操控，且结构可行，设计合理，经济实用的仪器。

本发明采用的技术方案是：一种实时监测的自动风沙收集系统，包括风沙收集装置、旋转装置、风沙传送装置、重量感应装置、信号处理单元、供电装置、支撑装置，所述风沙收集装置包括进风口、滤沙网、出风口、滤沙收集下落管，进风口、出风口之间是流风通道，滤沙网设在流风通道中，滤沙网上风向一侧的流风通道设下沙口，下沙口连接滤沙收集下落管；所述旋转装置包括风向导板、风力驱动自旋转装置，滤沙收集下落管连接在风力驱动自旋转装置上，风向导板靠近出风口一端，风向导板是一个竖直设置并与流风通道风向一致的平板，风向导板通过连接杆固定在滤沙收集下落管外壁或流风通道外壁，以地面为参照，风力驱动自旋转装置一部分固定、一部分随风向转动；所述风沙传送装置为风沙传送导管，所述支撑装置包括立柱、悬撑，所述重量感应装置为高精度重量感应器，包含有盛料槽，风沙传送导管上部与滤沙收集下落管底部相通，风沙传送导管下部对接重量感应装置的盛料槽，悬撑内部为空心结构，风沙传送导管置于悬撑空心结构内，悬撑上半段倾斜悬空、下半段竖直并固定于立柱；重量感应装置置于保护壳内，保护壳有开口，开口供滤沙收集下落管内下落沙进入盛料槽，所述立柱固定在地基上；所述信号处理单元接收、处理高精度重量感应器的重量信号并通过有线或无线方式传输信号给工作站信号接收、显示器；供电装置为高精度重量感应器和信号处理单元供电；风沙收集装置、旋转装置、风沙传送装置、重量感应装置在同一个立柱上设置有多组，每组处在不同的高度，每组的重量感应装置的重量信号输入信号处理单元。

所述风力驱动自旋转装置为深沟球轴承，深沟球轴承的外圈固定在悬撑顶部，深沟球轴承的内圈与滤沙收集下落管底口连接，内圈与滤沙收集下落管自由转动，滤沙依次通过滤沙收集下落管、深沟球轴承的内圈圆孔进入风沙传送导管。

所述供电装置为定期更换的电池组件或者太阳能光伏发电组件，太阳能电池板置于立柱顶端，立柱内部空心，蓄电池组、充放电控制器、导线置于立柱内部。

所述风向导板为扇形板。

所述风沙传送导管是柔性聚合物材料管。

进一步的，风沙传送导管为耐高温大柔度聚乙烯材料制成。

所述信号处理单元包括信号处理模块、信号发射和接收装置，将称重传感器信号接入该信号处理模块进行处理并发射，通过卫星传递信号，在远距离工作站接收到来自风沙收集现场的测量数据。

所述出风口一端的流风通道底板向下倾斜。

所述高精度重量感应器的保护壳固定在立柱上，保护壳有密封门。

所述立柱上装有避雷装置。

本发明的有益效果是：可抵抗特级大风，能够满足距地面不同垂直高度处风所携带的沙粒和粉尘的收集；该仪器组装快捷，操作方便，工程成本较低，经济实用且耐高温，抗风化能力强，适应于恶劣的自然环境。

附图说明

图1是本发明的技术路线图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是风向导板随风向改变而旋转过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明加以详细说明

一种实时监测的自动风沙收集系统，包括风沙收集装置、旋转装置、风沙传送装置、重量感应装置、信号处理单元、供电装置、支撑装置，所述风沙收集装置包括进风口1、滤沙网2、出风口3、滤沙收集下落管4，进风口1、出风口3之间是流风通道，滤沙网3设在流风通道中，滤沙网3上风向一侧的流风通道设下沙口，下沙口连接滤沙收集下落管4；所述旋转装置包括风向导板5、风力驱动自旋转装置，滤沙收集下落管4连接在风力驱动自旋转装置上，风向导板5靠近出风口3一端，风向导板5是一个竖直设置并与流风通道风向一致的平板，风向导板5通过连接杆6固定在滤沙收集下落管4外壁或流风通道外壁，风向导板5受风力的作用，使进风口1、出风口3始终顺着风吹的方向，以地面为参照，风力驱动自旋转装置一部分固定、一部分随风向转动，与之相连的滤沙收集下落管4、进风口1、出风口3也随着转动；所述风沙传送装置为风沙传送导管7，所述支撑装置包括悬撑8、立柱9，所述重量感应装置为高精度重量感应器10（测量精度高达0.1g），包含有盛料槽11，风沙传送导管7上部与滤沙收集下落管4底部相通，风沙传送导管7下部对接重量感应装置的盛料槽11，悬撑8内部为空心结构，风沙传送导管7置于悬撑8空心结构内，悬撑8上半段倾斜悬空、下半段竖直并通过螺栓固定于立柱9；重量感应装置置于保护壳内，保护壳有开口，开口供滤沙收集下落管4内下落沙进入盛料槽11，所述立柱9固定在地基12上；所述信号处理单元接收、处理高精度重量感应器的重量信号并通过有线或无线方式传输信号给工作站信号接收、显示器；供电装置为高精度重量感应器和信号处理单元供电；风沙收集装置、旋转装置、风沙传送装置、重量感应装置在同一个立柱9上设置有多组，每组处在不同的高度，每组的重量感应装置的重量信号输入信号处理单元，风沙收集装置处在不同的高度，可以收集不同垂直高度处风所携带的沙粒和粉尘等，通过不同高度风沙的收集情况可确定出该地点不同高度处的风沙空间分布。

风力驱动自旋转装置的一种具体结构为深沟球轴承14，深沟球轴承的外圈固定在悬撑8顶部，深沟球轴承的内圈与滤沙收集下落管4底口连接，内圈与滤沙收集下落管4自由转动，滤沙依次通过滤沙收集下落管4、深沟球轴承的内圈圆孔进入风沙传送导管7。

供电装置为定期更换的电池组件（需电量足够大）或者太阳能光伏发电组件，太阳能电池板13置于立柱9顶端，立柱9内部空心，蓄电池组、充放电控制器、导线置于立柱9内部，由立柱9对这些部件进行保护。

风向导板5为扇形板，其大小根据实际风力风速确定。

风沙传送导管7是柔性聚合物材料管，比如耐高温大柔度聚乙烯材料制成。

可以信号处理单元包括信号处理模块、信号发射和接收装置，将称重传感器信号接入该信号处理模块进行处理并发射，并通过终端接收信号，加以记录、分析。当测量点距离工作站不远时，可以用有线连接方式传递信号，当测量点距离工作站较远时，就用无线式信号发射、接收装置。如果测量点有手机信号，可以借助手机信号塔来传递信号，用SIM卡+智能机终端完成信号处理、发射过程。如果地处偏远，无手机信号之地，可通过卫星传递信号，在远距离工作站接收到来自风沙收集现场的测量数据。

出风口5一端的流风通道底板向下倾斜，向下斜，即使斜面上有些尘沙土，但由于沙土在斜面上，风转向，旋转装置一旋转就会被振落，不会大量积累沙，使滤沙网2始终保持畅通。

高精度重量感应器10的保护壳固定在立柱9上，保护壳有密封门，密封门可以打开，检修高精度重量感应器或倒出盛料槽11累积的沙尘。

立柱9上装有避雷装置。

工作过程：风通过进风口1进入流风通道，风中所含沙尘被滤沙网2阻挡，被挡住的沙下落到滤沙收集下落管4，再进入风沙传送导管7，最后落入称重传感器进行重量测量，称重传感器获取重量变化信号，信号输入信号处理单元，进行信号处理、发射，工作站计算机接收信号进行记录分析。

Claims (10)

1.一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：包括风沙收集装置、旋转装置、风沙传送装置、重量感应装置、信号处理单元、供电装置、支撑装置，所述风沙收集装置包括进风口（1）、滤沙网（2）、出风口（3）、滤沙收集下落管（4），进风口（1）、出风口（3）之间是流风通道，滤沙网（3）设在流风通道中，滤沙网（3）上风向一侧的流风通道设下沙口，下沙口连接滤沙收集下落管（4）；所述旋转装置包括风向导板（5）、风力驱动自旋转装置，滤沙收集下落管（4）连接在风力驱动自旋转装置上，风向导板（5）靠近出风口（3）一端，风向导板（5）是一个竖直设置并与流风通道风向一致的平板，风向导板（5）通过连接杆（6）固定在滤沙收集下落管（4）外壁或流风通道外壁，以地面为参照，风力驱动自旋转装置一部分固定、一部分随风向转动；所述风沙传送装置为风沙传送导管（7），所述支撑装置包括悬撑（8）、立柱（9），所述重量感应装置为高精度重量感应器（10），包含有盛料槽（11），风沙传送导管（7）上部与滤沙收集下落管（4）底部相通，风沙传送导管（7）下部对接重量感应装置的盛料槽（11），悬撑（8）内部为空心结构，风沙传送导管（7）置于悬撑（8）空心结构内，悬撑（8）上半段倾斜悬空、下半段竖直并固定于立柱（9）；重量感应装置置于保护壳内，保护壳有开口，开口供滤沙收集下落管（4）内下落沙进入盛料槽（11），所述立柱（9）固定在地基（12）上；所述信号处理单元接收、处理高精度重量感应器的重量信号并通过有线或无线方式传输信号给工作站信号接收、显示器；供电装置为高精度重量感应器和信号处理单元供电；风沙收集装置、旋转装置、风沙传送装置、重量感应装置在同一个立柱（9）上设置有多组，每组处在不同的高度，每组的重量感应装置的重量信号输入信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：所述风力驱动自旋转装置为深沟球轴承（14），深沟球轴承的外圈固定在悬撑（8）顶部，深沟球轴承的内圈与滤沙收集下落管（4）底口连接，内圈与滤沙收集下落管（4）自由转动，滤沙依次通过滤沙收集下落管（4）、深沟球轴承的内圈圆孔进入风沙传送导管（7）。

3.根据权利要求1所述的一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：所述供电装置为定期更换的电池组件或者太阳能光伏发电组件，太阳能电池板（13）置于立柱（9）顶端，立柱（9）内部空心，蓄电池组、充放电控制器、导线置于立柱（9）内部。

4.根据权利要求1所述的一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：所述风向导板（5）为扇形板。

5.根据权利要求1所述的一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：所述风沙传送导管（7）是柔性聚合物材料管。

6.根据权利要求5所述的一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：所述风沙传送导管（7）为耐高温大柔度聚乙烯材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：所述信号处理单元包括信号处理模块、信号发射和接收装置，将称重传感器信号接入该信号处理模块进行处理并发射，通过卫星传递信号，在远距离工作站接收到来自风沙收集现场的测量数据。

8.根据权利要求1所述的一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：出风口（5）一端的流风通道底板向下倾斜。

9.根据权利要求1所述的一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：高精度重量感应器（10）的保护壳固定在立柱（9）上，保护壳有密封门。

10.根据权利要求1所述的一种实时监测的自动风沙收集系统，其特征是：立柱（9）上装有避雷装置。