CN108152179A - 一种多功能悬沙浓度标定系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能悬沙浓度标定系统，包括主壳体、移动基座、升降取水装置、小型龙门吊、水循环装置、液位标尺及搅拌装置，并在主壳体内安装声学传感器、光学传感器构成悬沙浓度标定系统，提高了光学和声学传感器测量悬沙浓度精度，建立了光学后向散射与悬沙水样相关关系、确定声学后向散射观测悬沙浓度模型的关键参数。本发明具有设计合理，操作简单，使用灵活方便，可满足多种类型光学、高频声学传感器悬沙浓度标定需要。
Description
技术领域
本发明涉及光学、声学仪器反演悬沙浓度标定技术领域，是一种多功能悬沙浓度标定系统。
背景技术
传统悬浮泥沙测量方法是利用相关设备,如:水文绞车,在不同时间不同水层（6点或3点法）获取现场悬沙水样，通过室内对水样进行分析，从而获得水体的悬沙浓度。这一方法费时、费力、费用高，同时也有一定的风险。而且，由于野外现场悬沙浓度和输移量、时间和空间的变化很大，利用这一传统的方法，所获取水样的时、空分辨率低，很难获得现场悬沙浓度高时空分辨率动态变化信息。
目前，与悬沙浓度变化相关主要领域包括：（1）与悬沙有关的水利工程、与泥沙沉降及冲刷有关其它设施、水库等；（2）监测水质的供水工程；（3）来自农业区域的洪水；（3）近岸及河口、潮滩、湿地冲淤变化；（4）悬浮泥沙基础数据积累等。由此可见，现场获取连续、高时空分辨率悬沙浓度的变化信息就显得十分必要。
近年发展的光学和声学技术，为获取现场高时、空分辨率悬浮泥沙浓度大小和变化提供了新的方法，具有连续性及潜在的低费用。光学和声学观测悬沙浓度技术是利用间接方法测量悬沙浓度。获得悬沙浓度准确性的高低，最为关键的环节是对光学和声学传感器的标定，其实质就是确定光学、声学后散射信息与悬沙水样之间的模型参数。
对光学和声学传感器标定有两种方法，野外现场标定和室内标定。野外现场
标定，就是光学或声学传感器在野外采样过程中，同步获取现场悬沙水样，建立的相关转化模型，获得悬沙浓度值。室内标定主要是利用模型沙或现场悬浮泥沙，建立光学或声学后散射信息与对应悬沙水样之间相关关系、确定观测悬沙浓度模型关键参数，之后，把这一参数应用到现场悬浮泥沙观测中，同时，通过相关的理论算法，可以标定声学传感器的系统参数。光学传感器一般测量传感器附近的悬沙浓度值，而声学仪器可以测量水体剖面悬沙浓度值，所以，对声学传感器标定要考虑对后向散射强度衰减的补偿等因素。声学传感器标定，相对于光学传感器要复杂些。
目前，市场上还未发现标定声学传感器的室内标定系统，特别声学和光学仪器同步标定系统也未见相关报道。本次发明的多功能悬沙浓度标定系统，就是要填补这一空白。本发明主要功能（1）对不同频率声学传感器，特别是高频声学传感器反演悬沙浓度进行标定；（2）对声学传感器本身参数进行标定；（3）对光学传感器可同步进行标定。利用本标定系统，可把光学传感器标定的结果，用来标定声学传感器，从而提高声学传感器的标定效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种多功能悬沙浓度标定系统，本发明采用主壳体、移动基座、升降取水装置、小型龙门吊、水循环装置、液位标尺及搅拌装置，并在主壳体内安装声学传感器、光学传感器构成悬沙浓度标定系统，提高了光学和声学传感器测量悬沙浓度精度，建立了光学后向散射与悬沙水样相关关系、确定声学后向散射观测悬沙浓度模型的关键参数。
实现本发明的具体技术方案：
一种多功能悬沙浓度标定系统，其特点包括主壳体、移动基座、升降取水装置、小型龙门吊、水循环装置、液位标尺、声学传感器、光学传感器及搅拌装置。
所述主壳体为有底的透明圆柱筒，其筒顶、筒底分别设有筒顶法兰圈、筒底法兰圈，筒身上沿轴向分布有数个中间法兰圈，筒顶法兰圈上设有光学仪器座，筒底设有搅拌器座。
所述移动基座为四侧壁围合而成的箱体，箱体顶部设有主壳体座、底部设有万向轮，箱体内壁上设有电机座。
所述升降取水装置由升降支架、升降电机、丝杠、丝杠座及取水水泵组成，其中，取水水泵上连接有取水管。
所述小型龙门吊上设有手动滑轮与吊绳，吊绳末端连接声学仪器支架；
所述水循环装置由水循环管、循环水泵、三通阀门及水口组成。
所述搅拌装置由搅拌电机、搅拌器及皮带组成，搅拌器上设有传动轮及蜗轮；
所述主壳体垂直设于移动基座的顶部，且主壳体的筒底法兰圈与移动基座的主壳体座连接。
升降取水装置设于主壳体内，其升降支架与主壳体的顶部法兰圈及中间法兰圈连接，丝杠座设于主壳体的底部，升降电机设于升降支架上，丝杠设于升降电机的输出轴与丝杠座之间，取水水泵设于丝杠上。
水循环装置的循环水泵设于移动基座内，水循环管一端与主壳体的筒底连通，另一端通过循环水泵绕主壳体外侧延伸至主壳体顶部上方；三通阀门的一端与主壳体的筒底连通、一端与出水口连接、另一端连接供水管。
液位标尺设于主壳体的外侧，液位标尺一端与主壳体的筒底连接、另一端延伸至主壳体顶部。
小型龙门吊设于主壳体的顶部法兰圈上，声学仪器支架设于主壳体的筒体内，声学传感器设于声学仪器支架上。
光学传感器设于主壳体内，并与顶部法兰圈的光学仪器座连接。
搅拌装置的搅拌电机设于移动基座的电机座上，搅拌器设于主壳体筒底的搅拌器座上，皮带设于搅拌电机与搅拌器之间。
所述的水循环装置及液位标尺经连接片与主壳体的筒顶法兰圈及中间法兰圈固连。
本发明具有设计合理，操作简单，使用灵活方便，可满足多种类型光学、高频声学传感器悬沙浓度标定需要。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本发明的使用状态示意图。
具体实施方式
参阅图1-3，本发明包括主壳体1、移动基座2、升降取水装置3、小型龙门吊4、水循环装置5、液位标尺6、声学传感器7、光学传感器8及搅拌装置9；所述主壳体1为有底的透明圆柱筒，其筒顶、筒底分别设有筒顶法兰圈11、筒底法兰圈12，筒身上沿轴向分布有数个中间法兰圈，筒顶法兰圈11上设有光学仪器座13，筒底设有搅拌器座14。
所述移动基座2为四侧壁围合而成的箱体，箱体顶部设有主壳体座、底部设有万向轮22，箱体内壁上设有电机座。
所述升降取水装置3由升降支架31、升降电机32、丝杠33、丝杠座34及取水水泵35组成，其中，取水水泵35上连接有取水管36。
所述小型龙门吊4上设有手动滑轮与吊绳41，吊绳41末端连接声学仪器支架42。
所述水循环装置5由水循环管51及循环水泵52组成。
所述搅拌装置9由搅拌电机91、搅拌器92及皮带组成，搅拌器92上设有传动轮及蜗轮。
所述主壳体1垂直设于移动基座2的顶部，且主壳体1的筒底法兰圈12与移动基座2的主壳体座连接。
升降取水装置3设于主壳体1内，其升降支架31与主壳体1的顶部法兰圈11及中间法兰圈连接，丝杠座34设于主壳体1的底部，升降电机32设于升降支架31上，丝杠33设于升降电机32的输出轴与丝杠座34之间，取水水泵35设于丝杠33上。
水循环装置5的循环水泵52设于移动基座2内，水循环管51一端与主壳体1的筒底连通，另一端通过循环水泵52绕主壳体1外侧延伸至主壳体1顶部上方；三通阀门53的一端与主壳体1的筒底连通、一端与出水口54连接、另一端连接供水管。
液位标尺6设于主壳体1的外侧，液位标尺6一端与主壳体1的筒底连接、另一端延伸至主壳体1顶部。
小型龙门吊4设于主壳体1的顶部法兰圈11上，声学仪器支架42设于主壳体1的筒体内，声学传感器7设于声学仪器支架42上。
光学传感器8设于主壳体1内，并与顶部法兰圈11的光学仪器座13连接；
搅拌装置9的搅拌电机91设于移动基座2的电机座上，搅拌器设于主壳体1筒底的搅拌器座14上，皮带设于搅拌电机91与搅拌器之间。
所述的水循环装置5及液位标尺6经连接片与主壳体1的筒顶法兰圈11及中间法兰圈固连。
实施例
参阅图1-4，本发明采用主壳体1、移动基座2、升降取水装置3、小型龙门吊4、水循环装置5、液位标尺6及搅拌装置9，并在主壳体1内安装声学传感器7、光学传感器8构成悬沙浓度标定系统，以提高光学和声学传感器测量悬沙浓度精度，建立了光学后向散射与悬沙水样相关关系、确定声学后向散射观测悬沙浓度模型的关键参数。
以本发明ABS标定过程为例进一步说明如下：
首先，根据实验要求，选择传感器，声学传感器7选用多频声学传感器、光学传感器8选用浊度杆，在清水环境下，ABS系统正常工作，记录由多频声学传感器检测的后向散射背景值，确保水体中无气泡产生。
其次，根据实验要求，向标定系统中加入一定量的天然或人工悬浮颗粒，启动搅拌装置9中的搅拌电机91，驱动搅拌器92的蜗轮转动，并开启水循环装置5中的循环水泵52，使水体悬浮颗粒表底层充分混合，把底部水层通过循环水泵52、水循环管51泵到标定系统水体表层，保证水体处于均匀混合状态，以提高获取水样的准确性。
第三，根据实验要求，启动升降取水装置3的升降电机32，驱动取水水泵35及取水管36到达设定的位置，从主壳体1内获取悬浮颗粒水样，每组取2个平行水样。根据有不同实验要求，可获取任意水位一组或多组水样。
第四，如果要进行不同悬浮颗粒浓度实验，清空主壳体1内水体，重新注入清水，再重复上述步骤进行下一组取样实验，直到实验结束。实验过程中，要记录水体的温度，若对于海水实验还需记录水体的盐度。
第五，对于获取的2个平行悬浮颗粒水样，一个进行过滤、烘干、称重，再利用烘干、称重的悬浮颗粒的重量除以采水样时体积，就得到悬浮颗粒浓度；另一个水样利用激光粒度仪进行悬浮泥沙颗粒的粒度分析，或其它成分的分析。
第六，对光学传感器8即浊度杆标定，利用获得的不同分层的浊度信息，与
同步获得的水样的悬沙浓度信息进行相关分析，获得模型参数。
第七，对声学传感器7即多频声学传感器标定，根据水体悬浮颗粒浓度的变化，声学后向散射信号会有一定的波动幅度，数据处理时，对于高频率或多频声学传感器7，取100组数据进行平均，从而消除脉动影响。
本发明ABS标定过程完毕。
本发明各主要部件的工作：
参阅图1-4，为获取主壳体1内任意水位深度的水样，本发明在主壳体1内设置了升降取水装置3，在升降取水装置3上设有升降电机32与丝杠33，取水水泵35设于丝杠33上，且取水水泵35上连接有取水管36，通过控制升降电机32使得取水水泵35连同取水管36在主壳体1内按设置的工作程序匀速垂直运动，在声学传感器7与光学传感器8工作过程中，根据需要随时停止升降电机32，以获得任意水位的水样，用于标定传感器的后向散射信息。
参阅图1、图2，为获取准确标准的水样，本发明在主壳体1筒底部设置了搅拌装置9，其搅拌器92的蜗轮端设在主壳体1内，搅拌器92的传动轮端设在移动基座2内并经皮带与搅拌电机91连接；工作时，通过调节搅拌电机91的转速控制蜗轮的搅动，阻止水体泥沙的沉降，同时使水体与泥沙均匀混合；
参阅图1、图2，为促使主壳体1内底层沉降的高浓度悬沙或粗颗粒泥沙的循环，本发明设置了水循环装置5，工作时，在循环水泵52的作用下，主壳体1内底层的高悬沙浓度或粗颗粒泥沙流入主壳体1底的水循环管51，再由循环水泵52经主壳体1外侧的水循环管51泵到主壳体1的顶部，回流入主壳体1内，其目的是把底部水层通过循环水泵52、水循环管51泵到标定系统水体表层，保证水体处于均匀混合状态，以提高获取水样的准确性。
本发明还在主壳体1的筒底连接了三通阀门53，通过切换控制三通阀门53的开关状态，当主壳体1与出水口54连通，用于排放主壳体1内的废水，当主壳体1与供水管连通，用于向主壳体1内注水。
参阅图1、图2，为观测到准确的取样的水位高度，本发明在主壳体1的外侧设置了液位标尺6，液位标尺6依据连通器原理，一端与主壳体1的筒底连接、另一端延伸至主壳体1顶部的上方，液位标尺6采用透明管并设有标尺刻度值，测试过程中便于对水位高度的读取。
参阅图1、图2，由于本发明采用光学传感器8和声学传感器7进行室内标定和实验，为此，本发明在主壳体1的顶部法兰圈11上设置了小型龙门吊4，小型龙门吊4上设有手动滑轮与吊绳41，吊绳41末端连接声学仪器支架42，声学仪器支架42设于主壳体1的筒体内，声学传感器7设于声学仪器支架42上，根据标定和实验的需要，通过调节手动滑轮，以调节声学传感器7在主壳体1内的位置高度；同时，本发明在主壳体1的筒顶法兰圈11上设有光学仪器座13，光学传感器8设于光学仪器座13上。
本发明所采用的声学传感器7为：多频声学传感器（ABS/Acoustic backscatterSensor）、高频流速剖面仪（PC-ADP/HR-Profiler）或声学三维点式流速仪（ADV/Vector）；
所采用的光学传感器8为：光学后向散射浊度计（OBS/Optical Backscatter Sensor）或浊度杆（ASM）。
为便于本发明的移动或固定，本发明在移动基座2的底部设有四个万向轮22，并在万向轮22上配置了刹车装置，保证本发明在固定状态下工作时不发生移动。
Claims (2)
1.一种多功能悬沙浓度标定系统，其特征在于该系统包括主壳体（1）、移动基座（2）、升降取水装置（3）、小型龙门吊（4）、水循环装置（5）、液位标尺（6）、声学传感器（7）、光学传感器（8）及搅拌装置（9）；所述主壳体（1）为有底的透明圆柱筒，其筒顶、筒底分别设有筒顶法兰圈（11）、筒底法兰圈（12），筒身上沿轴向分布有数个中间法兰圈，筒顶法兰圈（11）上设有光学仪器座（13），筒底设有搅拌器座（14）；
所述移动基座（2）为四侧壁围合而成的箱体，箱体顶部设有主壳体座、底部设有万向轮（22），箱体内壁上设有电机座；
所述升降取水装置（3）由升降支架（31）、升降电机（32）、丝杠（33）、丝杠座（34）及取水水泵（35）组成，其中，取水水泵（35）上连接有取水管（36）；
所述小型龙门吊（4）上设有手动滑轮与吊绳（41），吊绳（41）末端连接声学仪器支架（42）；
所述水循环装置（5）由水循环管（51）、循环水泵（52）、三通阀门（53）及水口（54）组成；
所述搅拌装置（9）由搅拌电机（91）、搅拌器（92）及皮带组成，搅拌器（92）上设有传动轮及蜗轮；
所述主壳体（1）垂直设于移动基座（2）的顶部，且主壳体（1）的筒底法兰圈（12）与移动基座（2）顶部的主壳体座连接；
升降取水装置（3）设于主壳体（1）内，其升降支架（31）与主壳体（1）的顶部法兰圈（11）及中间法兰圈连接，丝杠座（34）设于主壳体（1）的底部，升降电机（32）设于升降支架（31）上，丝杠（33）设于升降电机（32）的输出轴与丝杠座（34）之间，取水水泵（35）设于丝杠（33）上；
水循环装置（5）的循环水泵（52）设于移动基座（2）内，水循环管（51）一端与主壳体（1）的筒底连通，另一端通过循环水泵（52）绕主壳体（1）外侧延伸至主壳体（1）顶部上方；三通阀门（53）的一端与主壳体（1）的筒底连通、一端与出水口（54）连接、另一端连接供水管；
液位标尺（6）设于主壳体（1）的外侧，液位标尺（6）一端与主壳体（1）的筒底连接、另一端延伸至主壳体（1）顶部；
小型龙门吊（4）设于主壳体（1）的顶部法兰圈（11）上，声学仪器支架（42）设于主壳体（1）的筒体内，声学传感器（7）设于声学仪器支架（42）上；
光学传感器（8）设于主壳体（1）内，并与顶部法兰圈（11）的光学仪器座（13）连接；
搅拌装置（9）的搅拌电机（91）设于移动基座（2）的电机座上，搅拌器设于主壳体（1）筒底的搅拌器座（14）上，皮带设于搅拌电机（91）与搅拌器之间。
2.根据权利要求1所述的一种多功能悬沙浓度标定系统，其特征在于水循环装置（5）及液位标（6）经连接片与主壳体（1）的筒顶法兰圈（11）及中间法兰圈固连。
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