CN108037053B - 一种智能水文测沙装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水文测沙技术领域，公开了一种智能水文测沙装置和方法。自动测沙装置包括导轨、设置于导轨上并沿导轨运动的滑块以及由滑块直接或间接带动沿导轨上下运动的红外测沙传感器和数据采集与控制模块；红外测沙传感器上设有水深测量传感器，水深测量传感器、电机和红外测沙传感器分别与数据采集与控制模块连接；数据采集与控制模块用以数据处理和通信。滑块上设有用于调节方位的云台，红外测沙传感器设置在云台上。本发明开创性的采用浮动测量方案，通过滑轨等确保了在不同时间段或不同水位时红外测沙传感器能够在与水面保持相同距离进行测量，有效的提高了测量精度和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及水文测沙的技术领域，具体地，涉及一种智能水文测沙装置和方法。
背景技术
在水文学中，泥沙一般是指在河道水流作用下移动着或曾经移动的固体颗粒。水流挟带着泥沙运动，河床又由泥沙组成，两者之间的泥沙经常发生交换，这种交换引起了河床的冲淤变化。
而悬移质也称悬沙，是指被水流挟带，而远离河床悬浮于水中，随水流向前浮游运动的泥沙。一般把自河底泥沙粒径的两倍以上至水面之间运动的泥沙视为悬移质。由于水流的紊动保持悬浮，在相当长的时间内这部分泥沙不与河床接触。
水文上传统的悬移质泥沙测验方法为：使用泥沙采样仪器现场采样，在测沙室采用烘干法，计算悬移质泥沙含量。其中，现场采样要耗费大量的时间和人力，而且在高洪时进行野外取样工作，存在较高的风险。此外，烘干法有沉淀浓缩水样，烘干冷却装有浓缩水样烧杯这两个步骤，根据含沙量的不同，所需的时间也不同，但至少需要7天进行沉淀，8小时进行烘干，步骤繁琐，时效性差。传统的悬移质取样测验方法，无法实时在线测量，难以捕捉沙峰，不符合当前水文发展的趋势。
目前可用于在线测量的测沙仪主要有以下四种类型：同位素测沙仪，超声波测沙仪，红外光测沙仪，振动测沙仪。其中，同位素测沙仪的测量范围较广，可到1000kg/m3，但在低含沙量下的分辨率不理想，且存在辐射问题。超声波测沙仪体积较大，价格昂贵，难以安装。振动测沙仪则要求安装位置的流速必须较大，此外，在流速较小，或含沙量较大时，容易堵塞振动管，无法正常测量。红外光测沙仪体积小，便于安装，在低含沙量下测量精准。
我国华南区的基本水文站，大部分站点上下游均有水利工程，且水土保持力度持续加大，因此粒径大的悬移质颗粒大部分被拦截在闸门下，这也使得河流的悬移质泥沙在断面的横向分布上趋于均匀，是水文站实现悬移质泥沙在线监测的有利条件。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种智能水文测沙装置，适用于在低悬移质含沙量下，采用红外光学式检测器检测；
本发明的另一目的在于提供一种智能水文测沙装置的测沙方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种智能水文测沙装置，包括导轨、设置于导轨上并沿导轨运动的滑块，以及由滑块直接或间接带动沿导轨上下运动的红外测沙传感器和数据采集与控制模块；所述滑块由电机和丝杆驱动；所述红外测沙传感器上设有水深测量传感器，所述水深测量传感器、电机和红外测沙传感器分别与数据采集与控制模块连接；所述数据采集与控制模块用以数据处理和通信；所述滑块使红外测沙传感器与水面保持距离；所述滑块上设有用于调节方位的云台，所述红外测沙传感器设置在云台上；所述云台为电动云台，所述电动云台是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自数据采集与控制模块的信号精确地运行定位；所述红外测沙传感器包括后散射和侧散射两个光学传感器以及温度传感器；所述红外测沙传感器设有镜头保护装置；所述镜头保护装置包括驱动装置、由驱动装置驱动的活动盖，所述活动盖的内侧设有清洁镜头的刷子。
进一步地，在控制信号的作用下，云台上的红外测沙传感器可调整朝向，也可在监控中心值班人员的操纵下调整朝向。
发明人意外发现泥沙含量与水深的关系曲线，以及红外测沙传感器在不同水深不同泥沙浓度不同水流朝向下的测量精准度影响，为此本发明的自动测沙装置开创性的采用浮动测量方案，通过滑轨(滑块、丝杆、电机)、水深测量传感器和数据采集与控制模块组合确保了在不同时间段或不同水位时红外测沙传感器能够在与水面保持相同距离进行测量，有效的提高了测量精度和准确性。本发明通过水深测量传感器来观测红外测沙传感器的水深。
发明人意外发现在水面下0.5～1m之间的水深处测量的含沙量最具代表性，精确度和准确度也最高。水面下是指以水面为参考面。由于沙含量与水深存在的关系曲线，本发明采用浮动式测量，以水面为参考面，确保了红外测沙传感器的测量点与含沙量的关系。同时，在水面下0.5米深以下可以避免了自然界阳光对红外光谱产生影响。
进一步地，所述滑块上设有用于安装数据采集与控制模块的支架，所述支架的长度为大于滑块与水面之间的距离。所述支架用于确保数据采集与控制模块露出水面，避免长期浸泡而损坏。
进一步地，所述支架设有高度调节器，高度调节器为伸缩套管。
进一步地，所述滑块和丝杆设有网罩来罩住。所述网罩罩住滑块和丝杆以免水中杂物卡住滑轮装置。
优选地，所述红外测沙传感器的朝向与水面相平行。
进一步地，所述滑块上设有用于调节方位的云台，所述红外测沙传感器设置在云台上。所述云台为三维云台或球形云台等。
进一步地，所述滑块与导轨、丝杆活动配合；所述电机的转动轴与丝杆连接。
一种所述智能水文测沙装置的测沙方法，包括以下步骤：
S1.调节红外测沙传感器与水面之间的距离；测量开始前先预热仪器，直到仪器测量前后的温度相差不超过0.5℃，达到温度平衡后再开始正式测量；
S2.数据采集与控制模块向红外测沙传感器发送测量指令，接收并处理红外测沙传感器返回的浊度数据，根据标准偏差的大小，判定是否需要重测；
S3.建立浊度数据与含沙量的关系:
Y＝aX，其中Y为含沙量，X为浊度，a为系数；
S4.建立含沙量与国家标准方法测量的含沙量数据建立数学模型；
S5.将测得的浊度数据代入S4的数学模型，求得实际含沙量。
本发明通过在距离水面一定深处测定泥沙含量，采用红外测沙传感器测得准确的浊度数据。通过与《河流悬移质泥沙测验规范》(GB/T 50159-2015)国家标准方法测得的数据进行建模，建立了适宜测量当地的数学模型，测量结果准确度高。
优选地，红外测沙传感器所测为浊度，浊度的定义是1浊度(NTU)为1L水含1mg的二氧化硅颗粒，水文上的单位为0.001kg/m3。a为0.01。
进一步地，步骤S4中所述数学模型为：
Y’＝a’Y+b或Y’＝a’Y2+bY+c
其中，Y’为国家标准方法测量的含沙量数据，a、b、c为系数。
进一步地，步骤S1中红外测沙传感器与水面之间的距离为0.5～1m。
优选地，使用红外测沙传感器的后散射或侧散射数据分别按一元一次方程或一元二次方程，与国家标准方法测得的数据建立关系，根据回归系数，选用越接近1的回归系数的关系式，作为含沙量模型的关系式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明发明人意外发现泥沙含量与水深的关系曲线，以及红外测沙传感器在不同水深不同泥沙浓度不同水流朝向下的测量精准度影响，为此本发明的自动测沙装置开创性的采用浮动测量方案，通过滑轨(滑块、丝杆、电机)、水深测量传感器和数据采集与控制模块组合确保了在不同时间段或不同水位时红外测沙传感器能够在与水面保持相同距离进行测量，有效的提高了测量精度和准确性。
本发明通过在距离水面一定深处测定泥沙含量，采用红外测沙传感器测得准确的浊度数据。通过与国家标准方法测得的数据进行建模，建立了适宜测量当地的数学模型，测量结果准确度高。
附图说明
图1为测沙装置的结构示意图；
图2为红外测沙传感器的结构示意图；
图3为红外测沙传感器的后散射与国家标准方法测得的数据(人工测沙数据)建立的数学模型；
图4为红外测沙传感器的侧散射与国家标准方法测得的数据(人工测沙数据)建立的数学模型；
图5为测沙仪数据在显示界面的显示。具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，一种智能水文测沙装置，包括导轨1、设置于导轨1上并沿导轨运动的滑块2，以及由滑块2间接带动沿导轨1上下运动的红外测沙传感器3和数据采集与控制模块4；滑块2由电机5和丝杆6驱动；红外测沙传感器3上设有水深测量传感器7，水深测量传感器7、电机5和红外测沙传感器3分别与数据采集与控制模块4连接。数据采集与控制模块4用以数据处理和通信；滑块2使红外测沙传感器3与水面保持距离。滑块2上设有用于调节方位的云台21，红外测沙传感器3设置在云台21上；云台21为电动云台，电动云台是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自数据采集与控制模块的信号精确地运行定位。
如图2所示，红外测沙传感器3包括后散射和侧散射两个光学传感器以及温度传感器。红外测沙传感器3设有镜头保护装置32；镜头保护装置32包括驱动装置、由驱动装置驱动的活动盖，所述活动盖的内侧设有清洁镜头的刷子。
本实施例的自动测沙装置开创性的采用浮动测量方案，通过滑轨(滑块2、丝杆6、电机5)、水深测量传感器7和数据采集与控制模块4组合确保了在不同时间段或不同水位时红外测沙传感器能够在与水面保持相同距离进行测量，有效的提高了测量精度和准确性。
在水面下0.7m之间的水深处测量的含沙量最具代表性，精确度和准确度也最高。红外测沙传感器的朝向与水面相平行。
滑块2和丝杆6设有网罩(未示出)来罩住。网罩罩住滑块2和丝杆6以免水中杂物卡住滑轮装置。
滑块2上设有用于调节方位的云台8，红外测沙传感器3设置在云台8上。云台8为三维云台或球形云台等。
滑块2与导轨1、丝杆6活动配合；电机5的转动轴与丝杆6连接。
滑块2上设有用于安装数据采集与控制模块4的支架9。支架9的长度为大于滑块2与水面之间的距离。支架用于确保数据采集与控制模块4露出水面，避免长期浸泡而损坏。支架9设有高度调节器91，高度调节器91为伸缩套管。
一种所述智能水文测沙装置的测沙方法，包括以下步骤：
S1.调节红外测沙传感器与水面之间的距离；测量开始前先预热仪器，直到仪器测量前后的温度相差不超过0.5℃，达到温度平衡后再开始正式测量；
S2.数据采集与控制模块向红外测沙传感器发送测量指令，接收并处理红外测沙传感器返回的浊度数据，根据标准偏差的大小，判定是否需要重测；
S3.建立浊度数据与含沙量的关系:
Y＝aX，其中Y为含沙量，X为浊度，a为系数；
S4.建立含沙量与国家标准方法测量的含沙量数据建立数学模型；
S5.将测得的浊度数据代入S4的数学模型，求得实际含沙量。
红外测沙传感器所测为浊度，浊度的定义是1浊度(NTU)为1L水含1mg的二氧化硅颗粒，水文上的单位为0.001kg/m3。a为0.01。
步骤S4中所述数学模型为：
Y’＝a’Y+b或Y’＝a’Y2+bY+c
其中，Y’为国家标准方法测量的含沙量数据，a、b、c为系数。
步骤S1中红外测沙传感器与水面之间的距离为0.5～1m。
使用红外测沙传感器的后散射或侧散射数据分别按一元一次方程或一元二次方程，与国家标准方法测得的数据建立关系，根据回归系数，选用越接近1的回归系数的关系式，作为含沙量模型的关系式。
示例如下：
表1为红外测沙传感器的后散射或侧散射数据，以及《河流悬移质泥沙测验规范》(GB/T 50159-2015)国家标准方法测得的数据(人工测沙数据)。
| 测沙仪数据-后散射 | 测沙仪数据-侧散射 | 人工测沙数据 |
| 11.1 | 16.6 | 0.021 |
| 13.3 | 19.9 | 0.022 |
| 13.6 | 20.4 | 0.022 |
| 20.0 | 16.1 | 0.014 |
| 25.0 | 37.5 | 0.012 |
| 9.3 | 14.0 | 0.011 |
| 7.3 | 11.0 | 0.006 |
| 9.2 | 13.8 | 0.016 |
| 8.3 | 12.5 | 0.036 |
| 11.1 | 16.6 | 0.034 |
| 29.1 | 43.7 | 0.038 |
| 26.2 | 39.3 | 0.063 |
| 40.3 | 60.4 | 0.09 |
| 49.3 | 73.9 | 0.141 |
| 100.0 | 123.5 | 0.224 |
| 179.0 | 198.6 | 0.299 |
| 67.1 | 100.6 | 0.189 |
| 90.0 | 59.0 | 0.072 |
| 54.7 | 82.0 | 0.085 |
| 50.4 | 75.6 | 0.116 |
| 77.0 | 80.0 | 0.129 |
| 98.7 | 148.0 | 0.207 |
| 148.7 | 223.0 | 0.364 |
| 401.1 | 601.7 | 0.77 |
| 400.1 | 600.2 | 0.73 |
| 342.0 | 513.0 | 0.697 |
| 233.3 | 350.0 | 0.521 |
如图3所示，红外测沙传感器的后散射与国家标准方法测得的数据(人工测沙数据)建立的数学模型为：Y＝0.0019X+0.0013，R2＝0.9734
如图4所示，红外测沙传感器的侧散射与国家标准方法测得的数据(人工测沙数据)建立的数学模型为：Y＝0.0014X+0.011，R2＝0.9821
含沙量模型建立后，测沙仪数据可用于计算含沙量并在显示界面显示，使用中心线平滑处理以及精简摘录后，示例如图5(符合SL 247-2012水文资料整编规范中，4.7.2悬移质泥沙资料整编数据的要求)。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种智能水文测沙装置，其特征在于，包括导轨、设置于导轨上并沿导轨运动的滑块，以及由滑块直接或间接带动沿导轨上下运动的红外测沙传感器和数据采集与控制模块；
所述滑块由电机和丝杆驱动；所述滑块与导轨、丝杆活动配合；所述电机的转动轴与丝杆连接；
所述红外测沙传感器上设有水深测量传感器，所述水深测量传感器、电机和红外测沙传感器分别与数据采集与控制模块连接；
所述数据采集与控制模块用以数据处理和通信；
所述滑块使红外测沙传感器与水面保持距离；
所述滑块上设有用于调节方位的云台，所述红外测沙传感器设置在云台上；所述云台为电动云台，所述电动云台是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自数据采集与控制模块的信号精确地运行定位；在控制信号的作用下，云台上的红外测沙传感器可调整朝向，也可在监控中心值班人员的操纵下调整朝向；
所述红外测沙传感器包括后散射和侧散射两个光学传感器以及温度传感器；
所述红外测沙传感器设有镜头保护装置；所述镜头保护装置包括驱动装置、由驱动装置驱动的活动盖，所述活动盖的内侧设有清洁镜头的刷子；
通过在红外测沙传感器的镜头处设置镜头保护装置，在不需测量时镜头保护装置保持关闭，盖住镜头；在测量开始前，打开镜头，同时带动刷子对镜头表面进行清洁，保证镜头干净；
所述红外测沙传感器的朝向与水面相平行；红外测沙传感器与水面之间的距离为0.7m；
所述红外测沙传感器上设有方位检测传感器；所述方位检测传感器与数据采集与控制模块连接；
所述方位检测传感器用集成在一起的加速度计、陀螺仪和磁感应计三个传感器通过与静止时重力和地磁场的比较得出当前时刻追踪器的姿态，再结合姿态和加速度进行积分得出空间位置。
2.根据权利要求1所述智能水文测沙装置，其特征在于，所述滑块上设置红外测沙传感器和数据采集与控制模块。
3.根据权利要求2所述智能水文测沙装置，其特征在于，所述滑块上设有用于安装数据采集与控制模块的支架，所述支架的长度为大于滑块与水面之间的距离。
4.根据权利要求3所述智能水文测沙装置，其特征在于，所述支架设有高度调节器，高度调节器为伸缩套管。
5.根据权利要求1所述智能水文测沙装置，其特征在于，所述滑块和丝杆设有网罩来罩住。
6.一种根据权利要求1～5任意一项所述智能水文测沙装置的测沙方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.调节红外测沙传感器与水面之间的距离；测量开始前先预热仪器，直到仪器测量前后的温度相差不超过0.5℃，达到温度平衡后再开始正式测量；
S2.数据采集与控制模块向红外测沙传感器发送测量指令，接收并处理红外测沙传感器返回的浊度数据，根据标准偏差的大小，判定是否需要重测；
S3.建立浊度数据与含沙量的关系:
Y＝aX，其中Y为含沙量，X为浊度，a为系数；
S4.建立含沙量与国家标准方法测量的含沙量数据建立数学模型，求得实际含沙量。
7.根据权利要求6所述智能水文测沙装置的测沙方法，其特征在于，步骤S4中所述数学模型为：
Y’＝a’Y+b或Y’＝a’Y2+bY+c
其中，Y’为国家标准方法测量的含沙量数据，a、b、c为系数。
8.根据权利要求6所述智能水文测沙装置的测沙方法，其特征在于，步骤S1中红外测沙传感器与水面之间的距离为0.7m。
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