CN107764247B

CN107764247B - 泥沙监测仪及泥沙监测系统

Info

Publication number: CN107764247B
Application number: CN201711210424.0A
Authority: CN
Inventors: 董梦宁; 董学阳; 董方慧
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2037-11-27
Also published as: CN107764247A

Abstract

本发明提供一种泥沙监测仪及泥沙监测系统，涉及水文监测技术领域，泥沙监测仪包括：信息采集装置、处理器以及监测仪本体；信息采集装置设置于监测仪本体上；处理器与信息采集装置连接；信息采集装置采集监测仪本体在河流中目标监测点处水流的压力信息及温度信息，并将压力信息及温度信息向处理器发送；处理器根据上述信息、预先获得的目标监测点处的水流深度(监测点到水面的垂直距离)信息、流速信息以及预设含沙量推导模型，得到河流中目标监测点处的含沙量信息。该泥沙监测仪能够实现水压信息、水温信息的实时在线监测，并通过处理器得到最终的含沙量数据，不仅测量精度高，而且结构简单、使用方便、成本低廉。

Description

泥沙监测仪及泥沙监测系统

技术领域

本发明涉及水文监测技术领域，尤其是涉及一种泥沙监测仪及泥沙监测系统。

背景技术

黄河是世界闻名的一条多泥沙河流，泥沙测验任务很重，各科研机构对监测泥沙的仪器的研究从未停止过。从五、六十年代起，水文工作者就与国内有关科研单位研制了许多泥沙测验仪器，如同位素、红外、激光、超声波等测沙仪，改革开放后也试图从国外引进一些先进的泥沙测验物理仪器，花了不少的财力和人力都没有取得满意的效果。进入二十一世纪，为了黄河的水资源开发和利用、维持黄河的健康生命和“三条黄河”建设、满足利用水库进行调水调沙的新形势要求，更加迫切需要有一种先进的泥沙测验仪器能实时监测黄河中含沙量的变化过程。

国内外研制和生产的河流悬移质测沙仪器，其测沙范围小，测量含沙量的精度低，尤其是对天然河道中的泥沙粒径十分敏感，很难满足《河流悬移质泥沙测验规范》GB50159-92的要求。众所周知，河流的含沙量本来就很难测量。特别地，利用红外、激光、超声波等波动原理研制的测沙仪，粒度的影响更加显著，并且量程小，不能满足黄河泥沙监测生产任务的需要。美、英等国的振动式测沙仪的传感器是放在船上不入水，靠水泵和管道抽吸浑水来测量含沙量，定位测量困难，沙样代表性差，不适合在天然河流中应用。有些单位也尽管研制了振动测沙仪，但因对水流条件要求苛刻，进沙口和振动管容易淤积、堵塞，数据跳跃不稳，也很难推广应用。

一直到现在，黄河各水文站仍然采用横式采样器野外采样，实验室测定监测悬移质泥沙含沙量的方法进行生产，这种泥沙监测方式劳动强度大，危险性高，资料获知时间长，不能实现实时在线监测，不利于数据即时显示、传输等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种泥沙监测仪及泥沙监测系统，能够实现水压信息、水温信息的实时在线监测，并通过处理器得到最终的含沙量数据，不仅测量精度高，而且结构简单、使用方便、成本低廉。

第一方面，本发明实施例提供一种泥沙监测仪，包括：信息采集装置、处理器以及监测仪本体；

信息采集装置设置于监测仪本体上；

处理器与信息采集装置连接；

信息采集装置采集监测仪本体在河流中目标监测点处水流的压力信息及温度信息，并将压力信息及温度信息向处理器发送；

处理器根据压力信息、温度信息、预先获得的目标监测点处的水流深度(监测点到水面的垂直距离)信息、流速信息以及预设含沙量推导模型，得到河流中目标监测点处的含沙量信息；含沙量推导模型中包括水流同一监测点处的压力、温度、深度、流速以及含沙量之间的关系。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，信息采集装置包括：压电陶瓷感应片及温度传感器；

压电陶瓷感应片垂直安装于监测仪本体的前端，实时采集监测仪本体在河流中目标监测点处水流的压力(电压差)信息，并将压力信息发送至处理器；

温度传感器安装于监测仪本体中，实时采集监测仪本体在河流中目标监测点处水流的温度信息，并将温度信息发送至处理器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，压电陶瓷感应片向迎水方向突出，呈凸形。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，监测仪本体包括：水平支架、尾翼；

压电陶瓷感应片垂直安装于水平支架的前端；

水平支架的后端与尾翼连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，监测仪本体还包括：尾翼连接杆；

水平支架与尾翼通过尾翼连接杆连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，尾翼呈鱼尾状，与水平支架连接后，整体与水流始终保持平行。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，还包括：悬吊杆；

悬吊杆设置于监测仪本体上，用于将泥沙监测仪悬吊于河道监测断面的任意位置。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，还包括：通讯装置；

处理器与信息采集装置通过通讯装置无线连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，还包括：电源模块；

电源模块与处理器连接；

电源模块为处理器供电。

第二方面，本发明实施例还提供一种泥沙监测系统，包括：终端设备以及如第一方面所述的泥沙监测仪；

终端设备与泥沙监测仪中的处理器连接；

终端设备根据处理器发送的显示指令，实时显示河流的含沙量信息，并对含沙量信息进行存储。

本发明实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：本发明实施例提供的泥沙监测仪中，包括信息采集装置、处理器以及监测仪本体；其中，信息采集装置设置于监测仪本体上；处理器与信息采集装置连接；信息采集装置采集监测仪本体在河流中目标监测点处水流的压力信息及温度信息，并将压力信息及温度信息向处理器发送；处理器根据压力信息、温度信息、预先获得的目标监测点处的水流深度信息、流速信息以及预设含沙量推导模型，得到河流中目标监测点处的含沙量信息；含沙量推导模型中包括水流的压力、温度、深度、流速以及含沙量之间的关系。本实施例中的泥沙监测仪能够实现水压信息、水温信息的实时在线监测，并通过处理器得到最终的含沙量数据，不仅测量精度高，而且结构简单、使用方便、成本低廉。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例一所提供的一种泥沙监测仪的示意图；

图2示出了本发明实施例二所提供的一种泥沙监测仪的示意图；

图3示出了本发明实施例二所提供的另一种泥沙监测仪的示意图；

图4示出了本发明实施例三所提供的一种泥沙监测系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前黄河各水文站仍然采用横式采样器野外采样，实验室测定监测悬移质泥沙含量的方法进行生产，这种泥沙监测方式劳动强度大，危险性高，资料获知时间长，不能实现实时在线监测，不利于数据即时显示、传输等。基于此，本发明实施例提供的一种泥沙监测仪及泥沙监测系统，能够实现水压信息、水温信息的实时在线监测，并通过处理器得到最终的含沙量数据，不仅测量精度高，而且结构简单、使用方便、成本低廉。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种泥沙监测仪进行详细介绍。

实施例一：

本发明实施例提供一种泥沙监测仪，参见图1所示，该泥沙监测仪包括：信息采集装置11、处理器13以及监测仪本体12。

其中，信息采集装置11设置于监测仪本体12上；处理器13与信息采集装置11连接；信息采集装置11采集监测仪本体12在河流中目标监测点处水流的压力信息及温度信息，并将压力信息及温度信息向处理器13发送；处理器13根据压力信息、温度信息、预先获得的目标监测点处的水流深度信息、流速信息以及预设含沙量推导模型，得到河流中目标监测点处的含沙量信息；含沙量推导模型中包括同一监测点处水流的压力、温度、深度、流速以及含沙量之间的关系。

在本实施例中，信息采集装置11具体包括水压信息采集装置11和水温信息采集装置11，具体的水压信息采集装置11可以包括多种水压传感器，比如扩散硅式的水压传感器，或者压电陶瓷式的水压传感器，温度传感器为普通的温度传感器。

水深信息可以通过现有的测深杆、悬索计数器、测深仪等测得，然后发送至处理器13，水流的流速信息可以通过流速仪进行测量，现有的流速仪包括：旋子式机械流速仪、无旋转式电磁流速仪、超声波流速仪等，均可以测得当前的水流流速，并发送至处理器13。上述水深信息指的是监测点到水面的垂直距离，水深信息和流速信息以及上述压力信息和温度信息均为同一监测点处采集到的信息。

处理器13根据上述泥沙监测仪中的信息采集装置11所采集的水流的压力信息、温度信息，以及预先获取到的水深信息和流速信息，推算出当前泥沙监测仪所处监测点，即目标监测点的含沙量。上述压力信息可以为压电陶瓷式水压传感器所采集到的电压差，含沙量推导模型中包括水流的压力、温度、深度、流速以及含沙量之间的关系，因此，处理器13可以通过信息采集装置11发送的压力信息、温度信息和通过其它设备获取到的水深信息、流速信息，根据预设的含沙量推导模型快速得出当前监测仪所处监测点，即目标监测点的含沙量信息。

本发明实施例中的泥沙监测仪能够实现水压信息、水温信息的实时在线监测，并通过处理器13得到最终的泥沙量数据，不仅测量精度高，而且结构简单、使用方便、成本低廉。

实施例二：

本发明实施例提供一种泥沙监测仪，参见图2和图3所示，该泥沙监测仪除了包括如实施例一所述的信息采集装置21、处理器23以及监测仪本体22之外，还包括：悬吊杆24、通讯装置25、电源模块26。

在本实施例中，信息采集装置21包括：压电陶瓷感应片211及温度传感器212，监测仪本体22包括：水平支架221、尾翼222、尾翼连接杆223。

具体的，压电陶瓷感应片211垂直安装于监测仪本体22的前端，也就是水平支架221的前端，实时采集监测仪本体22在河流中目标监测点处水流的压力信息，即电压差信息，并将该电压差信息发送至处理器23；温度传感器212安装于监测仪本体22中，实时采集监测仪本体22在河流中相应目标监测点处水流的温度信息，并将温度信息发送至处理器23。

作为一种优选实施方式，压电陶瓷感应片211向迎水方向突出，呈凸形。水平支架221选用圆形不锈钢材料制成，与水流流向平行(顺流)，迎水面的顶部安装上述压电陶瓷感应片211，以实时感应水流压力而转换成电压差反馈到处理器23；尾翼222通过尾翼连接杆223安装在水平支架221尾部，选用不锈钢板制作(做成鱼尾状)，确保仪器的水平支架221顺流方向，即保持压电陶瓷感应片211始终与水流垂直；悬吊杆24采用不锈钢制作，确保与水平支架221垂直，用于将监测仪悬吊在河道监测断面的任意所需位置，即监测点；处理器23采用单片机制作，将实时接收到的压电陶瓷感应片211传来的电压差和水温，通过事先编制的计算软件，实时解算、显示和输出、保存有关数据。

需要说明的是，在实际应用中，压电陶瓷感应片211与水平支架221和尾翼222安装连接后，整体应与水流始终保持平行(即：始终顺流)且整个水平支架221保持水平，目的是叫压电陶瓷感应片受压面始终与水流保持垂直，这样可以提高泥沙监测的准确性。

此外，本实施例所提供的泥沙监测仪中的通讯装置25，可以实现处理器23与信息采集装置21之间的无线连接，电源模块26可以为与其连接的处理器23进行供电。通讯装置25可以为GSM模块、GPRS模块及WIFI模块等。当然，信息采集装置21也可以通过数据线与处理器23连接。作为一种优选实施方式，电源模块26采用锂电池充电式的电源，包括充电电路和储电电路，充电电路由充电芯片及电阻等实现，可以及时为泥沙监测仪进行充电，保证其正常工作。

下面对含沙量推导过程，即悬移质泥沙含量的解算过程进行详细阐述：

在河流监测断面任意点处，其水深(距离水面的垂直距离)h，单位：m；流速ν，单位：m/s；水温T，单位：℃；清水密度用ρ_w表示，河流浑水密度用ρ_ws表示，泥沙的密度用ρ_s表示，单位均是：Kg/m³；此点的水压力除以压电陶瓷感应片迎水平正投影面积后就是压强，用P表示，单位：N/m²；重力加速度用g表示，单位：m/s²，含沙量用Cs，单位：Kg/m³。压电陶瓷感应片在该点，所受总压力(F)为河流浑水静压力和动水之和，即：

设压电陶瓷片受压面积为A，那么压力陶瓷片所受压强为：

由于压电陶瓷感应片一旦加工安装到位后，其受压面积就确定了下来，即A为常数。因此，根据压电效应原理：U与P成单一线性关系。假设

P＝a U (2)

其中，a为换算系数，单位是：N/m².V。

根据伯努利方程原理：

又：根据河水含沙量和水的密度定义：

合并公式(2)、(3)和(4)并整理得：

其中，

就是置换法泥沙处理中的置换系数，可根据监测点的河水温度查得。令：2a＝ψ(7)

则：

在监测点，测量取得水深h、流速ν、水温T的情况下，并依据水温查得相应清水密度ρ_w，及根据监测河流断面所在海拔高度和所处纬度查得重力加速度g后，代入公式便求得河水某一监测点处河水的含沙量。

在以上推导出的含沙量计算公式，即含沙量推导模型中，监测点的水深、流速可以实时测得；清水密度ρ_w，可以根据实测河水温度在不同温度下的清水密度表中查得；重力加速度，可以根据监测点所在河流监测断面的海拔(Km)、经纬度(度)查得，对于固定的河流监测断面来说，重力加速度是常数。

监测点的水压力电压差，由压电陶瓷片感应并反馈到数据接收处理中获知。

式中ψ可以事先进行率定，率定方法如下：

将压电式泥沙监测仪放在能够设定和控制水流速度、水温的清水即(即：Cs＝0)的水利试验槽中，测量压电陶瓷片中心轴线到水面的垂直距离和电压差，测定流速，即压电陶瓷片中心水流的速度已知，测量水温T(用于查得ρ_w)，并这些数据一一记录下来。代入公式(8)求出ψ值，并制作出不同温度下的ψ～h～ν查算表(即：ψ是该监测点处水深h和流速ν的函数)，并将此表和不同温度下水密度查算表提前输入到压电式泥沙监测仪数据接收处理器中，以备计算调用。

在野外进行河流悬移质泥沙监测时，将压电式泥沙监测仪垂直悬吊到河流监测断面的某一监测点，开启测量模式，压电陶瓷片在水压力下产生电压差并反馈到仪器数据接收处理中，处理器通过事先设置的解算程序和ψ～h～ν查算表，直接显示该点的含沙量，并可进行储存、查询和传输。

本发明实施例中所提供的泥沙监测仪，利用压电效应，通过测量河水中任意点的压电差推求该点含沙量的方法，其优点在于：仪器结构简单，操作方便，直接测得监测断面某一点流体总压力(压强)，不受水流条件和泥沙粒度影响，量程大，测量数据准确，便于实现河流悬移质泥沙在线实时监测，利于实现河流悬移质泥沙测验的数字化和自动化。

同时，目前所采用的外业取样、试验室处理法的泥沙监测方法和技术中，对于河流中悬移质泥沙溶解于水中的部分，靠自然沉淀，不能完全析出，无法准确地监测出其含量，尽管其量微小，但这是受限于目前的技术和测验手段，只能忽略不计。而压电式泥沙监测仪就很好地解决路这一问题，将溶解于水中泥沙微量部分也能精确地监测出来，使得泥沙监测数据更加精确，泥沙监测技术更加先进。

实施例三：

本发明实施例还提供一种泥沙监测系统，参见图4所示，该系统包括：终端设备31以及上述任一实施例所述的泥沙监测仪32。

其中，终端设备31与泥沙监测仪32中的处理器321连接；终端设备31根据处理器321发送的显示指令，实时显示河流的含沙量信息，并对含沙量信息进行存储。

本发明实施例中，终端设备31可以是显示器，也可以是智能终端，比如手机、电脑等，本实施例中的泥沙监测系统能够实现泥沙含量的在线实时监测及数据显示，存储等，以供相关工作人员根据上述数据进行分析或研究。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和系统，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种泥沙监测仪，其特征在于，包括：信息采集装置、处理器以及监测仪本体；

所述信息采集装置设置于所述监测仪本体上；

所述处理器与所述信息采集装置连接；

所述信息采集装置采集所述监测仪本体在河流中目标监测点处水流的压力信息及温度信息，并将所述压力信息及所述温度信息向所述处理器发送；

所述处理器根据所述压力信息、所述温度信息、预先获得的所述目标监测点处的水流深度信息、流速信息以及预设含沙量推导模型，得到所述河流中所述目标监测点处的含沙量信息；所述含沙量推导模型中包括同一监测点处水流的压力、温度、深度、流速以及含沙量之间的关系；

所述信息采集装置包括压电陶瓷感应片及温度传感器；

所述压电陶瓷感应片垂直安装于所述监测仪本体的前端，实时采集所述监测仪本体在河流中目标监测点处水流的压力信息，并将所述压力信息发送至所述处理器；所述压电陶瓷感应片向迎水方向突出，呈凸形；

所述温度传感器安装于所述监测仪本体中，实时采集所述监测仪本体在所述河流中所述目标监测点处水流的温度信息，并将所述温度信息发送至所述处理器；

所述目标监测点处河水的含沙量按以下算式确定：

其中，Cs为含沙量，ρ_s为泥沙的密度，ρ_w为清水密度，h为目标监测点处距离水面的垂直距离，g为重力加速度，ν为目标监测点处水流的流速，a为换算系数；U为所述目标监测点对应的水压力电压。

2.根据权利要求1所述的泥沙监测仪，其特征在于，所述监测仪本体包括：水平支架、尾翼；

所述压电陶瓷感应片垂直安装于所述水平支架的前端；

所述水平支架的后端与所述尾翼连接。

3.根据权利要求2所述的泥沙监测仪，其特征在于，所述监测仪本体还包括：尾翼连接杆；

所述水平支架与所述尾翼通过所述尾翼连接杆连接。

4.根据权利要求2所述的泥沙监测仪，其特征在于，所述尾翼呈鱼尾状，与所述水平支架连接后，整体与水流始终保持平行。

5.根据权利要求1-4任一项所述的泥沙监测仪，其特征在于，还包括：悬吊杆；

所述悬吊杆设置于所述监测仪本体上，用于将泥沙监测仪悬吊于河道监测断面的任意位置。

6.根据权利要求1-4任一项所述的泥沙监测仪，其特征在于，还包括：通讯装置；

所述处理器与所述信息采集装置通过所述通讯装置无线连接。

7.根据权利要求1-4任一项所述的泥沙监测仪，其特征在于，还包括：电源模块；

所述电源模块与所述处理器连接；

所述电源模块为所述处理器供电。

8.一种泥沙监测系统，其特征在于，包括：终端设备以及如权利要求1-7任一项所述的泥沙监测仪；

所述终端设备与所述泥沙监测仪中的处理器连接；

所述终端设备根据所述处理器发送的显示指令，实时显示河流的含沙量信息，并对所述含沙量信息进行存储。