CN109781373A

CN109781373A - 一种多方向全自动高频梯度集沙仪

Info

Publication number: CN109781373A
Application number: CN201910037167.8A
Authority: CN
Inventors: 杨帆; 黄建平; 杨兴华; 买买提艾力·买买提依明; 霍文; 周成龙
Original assignee: INSTITUTE OF DESERT METEOROLOGY CMA URUMQI; Lanzhou University
Current assignee: INSTITUTE OF DESERT METEOROLOGY CMA URUMQI; Lanzhou University
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明公开了一种多方向全自动高频梯度集沙仪，涉及气象环保生态技术领域。包括进沙口、进沙通道、沙尘收集容器和单点称重传感器，由于在每个沙尘收集容器下方设置一个单点称重传感器，并配有数据采集器，可实现近地表不同高度多方位沙物质的高频、准确、长期、实时自动采样任务，同时，由于在不同的梯度高度以及不同朝向均设置进沙口，可以实现近地表不同高度多方位沙物质的长时间的自动采样任务，最终得出沙尘水平通量及风沙流结构随时间的变化及与其他气象监测要素(风速、风向、气温、湿度等)间的关系，以认识和掌握风沙移动规律，从而为防沙、治沙措施的准确选择提供必要的科学技术依据。

Description

一种多方向全自动高频梯度集沙仪

技术领域

本发明涉及气象环保生态技术领域，尤其涉及一种多方向全自动高频梯度集沙仪。

背景技术

土壤风蚀是危害干旱、半干旱及部分半湿润地区的主要环境问题之一，同时也是这些地区土地退化和沙漠化过程的重要组成部分和首要环节。为有效地防治土壤风蚀及土地荒漠化的危害，必须准确把握输沙率随高度位置的变化规律，进而确定总输沙量，并建立输沙率与风速的关系。

集沙仪作为一种风蚀研究装置，可直接和准确的测定风沙流中的输沙量和风沙流结构。通过集沙仪测得的风沙流结构可用于认识和掌握风沙移动规律，从而为防沙、治沙措施的准确选择提供必要的科学技术依据。因此，寻求一种可靠地全自动高精度集沙仪显得非常必要。

目前，集沙仪的结构和使用过程存在如下的主要问题：1.采样频率始终很低，与观测到的气象数据不完全吻合，其均通过采样时段内的沙尘收集总量来计算该时段的平均输沙率。因此，计算所得的平均输沙率不能体现更为细致的输沙信息；2.整体上采样周期短，不能实现多次沙尘天气条件下连续的沙物质重量数据实时输出，并且每次沙尘天气结束后多需用人工收集沙样配合完成，频繁的人工收集异常麻烦；3.随着多种风蚀传感器的发展(例如：沙粒撞击传感器、激光沙粒计数传感器和麦克风声学沙粒传感器)，出现了新型的监测方法，革新了对于土壤风蚀的监测，但这些仪器均不具备采样功能，无法收集同期的沙物质信息，而不能获得相应的输沙率，很大程度上也限制了它的广泛使用。同时，在强沙尘暴事件中，由于脱离地表的沙粒数量较大，所以这些传感器易发生信号饱和现象；4.目前已有的全自动、高频集沙仪(例如：CWHF全自动集沙仪)在应用过程中，由于存在机械轴承部件，其极易被细小沙粒卡住，使得采样口无法转动，而严重影响采样监测。此外，全自动集沙仪内部多带有称重传感器，随着集沙仪安装高度的增加，沙尘暴过程中集沙仪的抖动越发明显，导致集沙累积量曲线不可避免的出现了波动，影响采样准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多方向全自动高频梯度集沙仪，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多方向全自动高频梯度集沙仪，包括进沙口、进沙通道、沙尘收集容器和单点称重传感器，所述进沙口的前端和下端开口，后端和上端封闭，所述进沙通道的上端与所述进沙口的下端连接，所述进沙通道的下端与沙尘收集容器连接，所述沙尘收集容器安装在所述单点称重传感器上；所述进沙口位于多个梯度采样高度上，且在每个采样高度上设置多个所述进沙口，每个所述进沙口的朝向均不同但朝向固定。

优选地，还包括桶形支架，所述桶形支架的上端面上设置有多个小孔，所述进沙通道的下部穿过所述小孔进入所述桶形支架的内部，所述沙尘收集容器和单点称重传感器均位于所述桶形支架的内部，且所述单点称重传感器位于所述桶形支架的下端面上。

优选地，所述进沙口的前端设置为上边长下边短的楔形结构。

优选地，所述进沙口的后端设置有滤网排气孔。

优选地，所述多个梯度采样高度包括10cm、20cm、40cm、60cm和100cm。

优选地，所述进沙口的固定朝向包括：北、东北、东、东南、南、西南、西、西北共8个方向。

优选地，设置在同一朝向不同采样高度上的所述进沙口连接在所述进沙通道之间的距离从外向内分别为：5cm、5cm、5cm、6cm、7cm。

优选地，所述进沙通道呈圆柱管状，截面直径20mm，尾部呈有所收缩的漏斗状。

优选地，所述沙尘收集容器呈圆柱管状，高323mm，截面直径20mm，最大收集沙量为300g。

优选地，所述单点称重传感器选用TEDEA NO.1004-1200g单点式铝制传感器，量程为1200g，综合误差0.0067％，工作温度为-30℃～70℃，输出频率最高为10Hz。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的多方向全自动高频梯度集沙仪，包括进沙口、进沙通道、沙尘收集容器和单点称重传感器，由于在每个沙尘收集容器下方设置一个单点称重传感器，并配有数据采集器，可实现近地表不同高度多方位沙物质的高频、准确、长期、实时自动采样任务，同时，由于在不同的梯度高度以及不同朝向均设置进沙口，可以实现近地表不同高度多方位沙物质的长时间的自动采样任务，最终得出沙尘水平通量及风沙流结构随时间的变化及与其他气象监测要素(风速、风向、气温、湿度等)间的关系，以认识和掌握风沙移动规律，从而为防沙、治沙措施的准确选择提供必要的科学技术依据。

附图说明

图1是本发明提供的集沙仪正视图；

图2是本发明提供的集沙仪剖面立体图；

图3是集沙仪俯视图；

图4是进沙口立体图；

图5是进沙口侧视图；

图6是进沙口正视图；

图7是单点称重传感器排列安装示意图；

图8是单点称重传感器侧视图；

图9是集沙仪进沙通道及下方对应的沙尘收集容器结构示意图；

图10是2015年5月18日塔中沙尘暴25cm高度处CWHF全自动集沙仪输出的沙物质累积量随时间的变化曲线示意图；

图11是2015年5月18日沙尘暴2m高度处风速、地表5cm撞击颗粒与25cm高度CWHF全自动集沙仪测得的输沙通量间的关系曲线示意图。

图中，各符号的含义如下：

1进沙口、2进沙通道、3沙尘收集容器、4单点称重传感器、5桶形支架、6滤网排气孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-9所示，本发明提供了一种多方向全自动高频梯度集沙仪，包括进沙口1、进沙通道2、沙尘收集容器3和单点称重传感器4，所述进沙口1的前端和下端开口，后端和上端封闭，所述进沙通道2的上端与所述进沙口1的下端连接，所述进沙通道2的下端与沙尘收集容器3连接，所述沙尘收集容器3放置在所述单点称重传感器4上；所述进沙口1位于多个梯度采样高度上，且在每个采样高度上设置多个所述进沙口1，每个所述进沙口1的朝向均不同但朝向固定。

上述结构中，进沙口采用固定的朝向，可有效避免沙粒进入轴承部件而使得可旋转的进沙口卡死。同时，多个进沙口采用不同的朝向，可对不同方向的风沙流进行针对性采样，便于后期对不同方向的风沙流进行分析。

野外应用过程中，首先将该集沙仪的下半部分埋入沙土内，使得下半部分顶部与沙面平齐，并且让其中一个进沙口对准正北方向的同时，下方沙尘收集容器正好与进沙通道对准。这样便从进沙口到沙尘收集容器形成了一个很好地联通。在沙尘天气发生过程中，挟沙气流由不同方向及高度的进沙口进入集沙仪内部，气流从排气孔排出，截获的沙物质在重力作用下通过各自的进沙通道落入不同的沙尘收集容器中储存。随着沙尘收集容器中沙尘物质的不断积累，向下压力也随之增加，这一变化过程时刻被下部的称重传感器所捕获，并形成数字信号存于数据采集器内。从获得的数据可得到沙尘天气条件下采样时段内不同方向、各高度层水平输沙通量的实时、高频、连续变化状况。然后利用幂函数方程(1)对沙尘水平输送通量随高度变化的关系进行拟合，以确定参数a和b，获得风沙流结构的高频、连续变化状况及与风速、风向等气象要素的关系。

q(z)＝a(z)^b (1)

确定参数a和b以后，利用方程(2)进行积分计算，可以确定每次采集时段通过固定宽度×高度截面的沙尘水平输送通量，了解监测地区每次沙尘天气地表沙物质的移动和输送。

式中，Q为通过积分截面的沙尘水平输送通量(kg)，x(cm)为选择的积分高度。

所以，采用本发明实施例提供的集沙仪，可以实现近地表不同高度多方位沙物质的长时间的自动采样任务，最终得出沙尘水平通量及风沙流结构随时间的变化及与其他气象监测要素(风速、风向、气温、湿度等)间的关系。以认识和掌握风沙移动规律，从而为防沙、治沙措施的准确选择提供必要的科学技术依据。

本发明提供的多方向全自动高频梯度集沙仪，还包括桶形支架5，所述桶形支架5的上端面上设置有多个小孔，所述进沙通道2的下部穿过所述小孔进入所述桶形支架5的内部，所述沙尘收集容器3和单点称重传感器4均位于所述桶形支架5的内部，且所述单点称重传感器4位于所述桶形支架5的下端面上。

上述结构中，桶形支架可以通过上端面用于固定和支撑进沙通道，同时集成和保护位于集沙仪内部的沙尘收集容器和称重传感器。且桶形支架的上端面可以采用便于与桶连接和拆卸的结构，利于沙尘收集容器中沙样的收集以及对单点称重传感器的维护。

其中，所述进沙口1的前端设置为上边长下边短的楔形结构。

采用这种结构，可有效防止降水天气过程中，雨滴或雪粒进入集沙仪内部。

所述进沙口1的后端设置有滤网排气孔6。

上述结构在使用过程中，较强劲的挟沙风进入进沙口后在释放无法携带的沙粒后，穿过滤网排气孔，从而避免产生过大的风场扰动，随之减小了进沙口内部管道所产生的风压，进而提高了全自动集沙仪的集沙效率。

本发明实施例中，滤网排气孔可以为200目的，排气孔大小可以为20mm×30mm。

本发明实施例中，所述多个梯度采样高度包括10cm、20cm、40cm、60cm和100cm。

沙漠地区地表的沙尘水平通量主要集中于地表100cm以内且服从幂函数随高度增加而递减。通过在100cm的高度范围内分别在距地表10cm、20cm、40cm、60cm和100cm的关键点处设置采样口，最后对各采样口获得的沙尘物质拟合的幂函数在0cm至100cm上的积分，得到地表100cm以内的水平输沙总通量。该采样高度的设置是综合以往的试验而得出，通过在关键高度上设置采样口，用最为简化的结构设计尽可能的反应真实水平输沙通量监测，同时易于整个装置的制作、安装、使用和维护。

本实施例中，所述进沙口1的固定朝向包括：北、东北、东、东南、南、西南、西、西北共8个方向。

综合分析，现今多种通过轴承而使得采样口旋转，进而收集0-360°沙尘物质的集沙仪，而沙漠地区细小沙粒钻入轴承而使得轴承经常卡死，使得集沙仪丧失旋转能力而出现采样错误。本发明通过固定采样口朝向而省去轴承结构，虽然该结构设计不及可旋转采样口的采样精度，但也在八个方向上均进行了采样，同时可以很好地避免因轴承常常卡死而带来的采样错误。本实施例中，设置在同一朝向不同采样高度上的所述进沙口1连接在所述进沙通道2之间的距离从外向内分别为：5cm、5cm、5cm、6cm、7cm。

本实施例中，在考虑地上采样口均匀布局的同时，还考虑了地下部分沙尘收集容器和重量传感器的布局间隔问题，采用上述距离布置方案，可以避免各采样口、沙尘通道、沙尘收集容器及重量传感器形成的单个采样系统间的相互影响。

本实施例中，所述进沙通道2呈圆柱管状，截面直径20mm，尾部呈有所收缩的漏斗状。

其中，进沙通道的长度可根据采样需要来控制。

在使用过程中，挟沙气流由进沙口进入集沙仪内部，气流从进沙口后端的滤网排气孔排出，截获的沙物质在重力作用下通过进沙通道落入沙尘收集容器中储存。

从集沙仪的发展历史来看，带有滤网排气孔的集沙仪大大降低了进沙口内的阻力，使得携沙气流易于进入集沙仪，而加强了集沙仪的采样效率。所以本发明通过在集沙仪进沙口后部也设置滤网排气孔，以提高采样效率。

本实施例中，所述沙尘收集容器3呈圆柱管状，高323mm，截面直径20mm，最大收集沙量为300g。

在使用过程中，当沙尘收集容器中的沙量达到上限时，可将集沙仪外罩拆去取出沙尘收集容器收取沙样，以便进行新一轮观测。

沙尘收集容器将进入集沙仪的沙尘物质储藏在其内部，与其下部的称重传感器配合，计算给出沙尘物质的实时通量。同时，可满足部分试验对于沙尘物质的采样要求。但沙尘收集量具有一定的限度，当其内部沙量达到上限时，可将集沙仪外罩拆去取出沙尘收集容器收取沙样。

本实施例中，所述单点称重传感器选用TEDEA NO.1004-1200g单点式铝制传感器，量程为1200g，综合误差0.0067％，工作温度为-30℃～70℃，输出频率最高为10Hz。

在使用过程中，截获的沙尘物质储存于沙尘收集容器当中，随着沙尘物质的不断积累，向下压力也随之增加，这一变化过程时刻被下部的单点称重传感器所捕获，并形成数字信号存于数据采集器内。

该单点称重传感器已在CWHF全自动、高频集沙仪上进行安装使用。这里特选取塔中2015年5月18日这次中等强度沙尘暴过程中CWHF全自动、高频集沙仪获得的数据进行重点分析。5月18日沙尘暴的天气实况为：9:45—11:45为浮尘，11:45—13:38为扬沙，此时最大能见度为840m，13:38—17:10为沙尘暴，此时最大能见度仅为659m，17:10—20:00为扬沙。整体来看，25cm高度CWHF全自动、高频集沙仪在整个沙尘天气过程共收得沙物质22.6g，集沙累积曲线(如图10所示)与天气现象较为吻合，同时累积值和输沙通量均与风速及撞击颗粒数间有较好的对应性(如图11所示)，特别是在13:38—17:10的沙尘暴时间段内，风速相对较高，维持在8.2—11.5m·s^-1之间，平均值为8.7m·s^-1，对应的地表沙粒也处于活跃状态，平均撞击颗粒数达28.92×10³个。与此同时，CWHF全自动、高频集沙仪累积量迅速增加，平均速度达到0.71g/5min，输沙通量也维持在较高状态，平均值为2.25kg/5min·m²，最高值可达7.91kg/5min·m²。此后随着沙尘天气强度的逐渐减弱，风速降低，撞击颗粒数减少，集沙累积量的增长速度逐渐放缓，最终稳定，输沙通量回归零值。整体来看，CWHF全自动、高频集沙仪中的单点称重传感器应用效果良好，所以本发明装置中继续使用该类型单点称重传感器。

可见，本发明提供的集沙仪结构简便，便于理解和安装。在一定程度上实现了自动化，大大节省了劳动力。与传统集沙仪相比，该新型多方向全自动、高频梯度集沙仪，由于在每个沙尘收集容器下方设置一个单点称重传感器，并配有数据采集器，可实现近地表不同高度多方位沙物质的高频、准确、长期、实时自动采样任务，最终得出沙尘水平通量及风沙流结构随时间的变化及与其他气象监测要素(风速、风向、气温、湿度等)间的关系。与新型的多种风蚀传感器相比，该新型多方向全自动、高频梯度集沙仪具备采样功能，可在分析沙尘水平通量及风沙流结构的基础上，通过收集到的沙物质进一步分析粒度和化学组分等。同时，该新型多方向全自动、高频梯度集沙仪通过重量传感器的记录，避免了沙尘暴事件中，由于脱离地表的沙粒数量较大，导致风蚀传感器易发生信号饱和现象。与目前类似的CWHF全自动、高频集沙仪相比，该集沙仪将称重传感器全部安装在地下部分的圆桶内，增加了传感器测量时的稳定性，避免沙尘暴过程中仪器抖动导致集沙累积量曲线出现波动，而提高采样准确性。同时，由于固定的进沙口的设计，可收集来自不同方向的携沙气流，进行不同方向风沙流结构的分析和研究。此外，得益于进沙口后方的透气孔，较强劲的挟沙风进入集沙口后在释放无法携带的沙粒后，穿过透气孔而不会产生过大的风场扰动，随之减小了集沙口内部管道所产生的风压，从而提高全自动集沙仪集沙效率。最后，进沙口设计成上边长于下边的楔形结构，可有效防止降水天气过程中，雨滴或雪粒进入集沙仪内部。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims

1.一种多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，包括进沙口、进沙通道、沙尘收集容器和单点称重传感器，所述进沙口的前端和下端开口，后端和上端封闭，所述进沙通道的上端与所述进沙口的下端连接，所述进沙通道的下端与沙尘收集容器连接，所述沙尘收集容器安装在所述单点称重传感器上；所述进沙口位于多个梯度采样高度上，且在每个采样高度上设置多个所述进沙口，每个所述进沙口的朝向均不同但朝向固定。

2.根据权利要求1所述的多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，还包括桶形支架，所述桶形支架的上端面上设置有多个小孔，所述进沙通道的下部穿过所述小孔进入所述桶形支架的内部，所述沙尘收集容器和单点称重传感器均位于所述桶形支架的内部，且所述单点称重传感器位于所述桶形支架的下端面上。

3.根据权利要求1所述的多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，所述进沙口的前端设置为上边长下边短的楔形结构。

4.根据权利要求1所述的多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，所述进沙口的后端设置有滤网排气孔。

5.根据权利要求1所述的多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，所述多个梯度采样高度包括10cm、20cm、40cm、60cm和100cm。

6.根据权利要求1所述的多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，所述进沙口的固定朝向包括：北、东北、东、东南、南、西南、西、西北共8个方向。

7.根据权利要求1所述的多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，设置在同一朝向不同采样高度上的所述进沙口连接在所述进沙通道之间的距离从外向内分别为：5cm、5cm、5cm、6cm、7cm。

8.根据权利要求1所述的多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，所述进沙通道呈圆柱管状，截面直径20mm，尾部呈有所收缩的漏斗状。

9.根据权利要求1所述的多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，所述沙尘收集容器呈圆柱管状，高323mm，截面直径20mm，最大收集沙量为300g。

10.根据权利要求1所述的多方向全自动高频梯度集沙仪，其特征在于，所述单点称重传感器选用TEDEA NO.1004-1200g单点式铝制传感器，量程为1200g，综合误差0.0067％，工作温度为-30℃～70℃，输出频率最高为10Hz。