CN110108611A - 一种河流泥沙含量测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种河流泥沙含量测量装置及方法,它解决了现有技术中人力测定河流泥沙含量存在危险大,工作量大,且测量准确度较低的问题,具有准确和相对快速实现河流泥沙含量值的有益效果,其方案如下:一种河流泥沙含量测量装置,包括壳体,壳体外部设有与控制器连接的沙浆在线密度测量仪和水深测量仪,控制器通过物联网与远程终端连接,壳体设置进水口和排水口以进行进水和排水,壳体内设置抽水件和排水件,抽水件和排水件均与控制器连接用以带动壳体在河流中的升降动作,通过沙浆在线密度测量仪和水深测量仪,对不同深度的泥沙含量取平均值得到测点的平均泥沙含量值。
Description
技术领域
本发明涉及泥沙含量测量领域,特别是涉及一种河流泥沙含量测量装置及方法。
背景技术
泥沙含量测验需要外业采样和实验室分析两个主要过程。外业采样一般需要人工乘船利用采样器从水流中采取水样。常用的有横式采样器与瓶式采样器。如果水样是取自固定测点,称为积点式取样;如取样时,取样瓶在测线上由上到下匀速移动,称为积深式取样,该水样代表测线的平均情况。测量一流域某一断面的泥沙含量时,需在横断面上选取几个测点,每个测点沿垂线方向对不同水深处分别取样,最后取平均值为断面泥沙含量。
实验室分析的常用方法为烘干称重法和比重瓶置换法。烘干称重法需要水样经过沉淀一天以上,然后用虹吸软管将上部清水吸出,再将浓缩后的水样放置到过滤纸上过滤,接着在烘干仪器中进行烘干处理,最后用天平称重计算。烘干称重法需要的周期比较长,比较费时费力。比重瓶置换法采用测量水样密度的方法,进行比重瓶称重并测量其水温,根据水温值在参数表上查到清水比重瓶值,因为比重瓶体积已经确定,据此可快速算出含沙量,实验分析需要的时间较短。但是由于水样密度测量精度受环境温度影响较大,当外业水样到送实验室分析时,流域水中的温度与实验室的温度有较大差异,从而影响水样泥沙含量的测量精度。这些操作方法要求大量的工作人员常年驻守在监测点取样,实验室分析算出监测数据,特别损耗人力物力,特别是在下雨的时候取样频率要求更高,此时工作不但任务重,还特别危险。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种河流泥沙含量测量装置,利用沙浆在线密度测量仪来获取河流的悬浮泥沙含量,减少了外部环境对悬移质泥沙水样测量精度的影响,并能极大地节约人力物力、提升工作效率。
一种河流泥沙含量测量装置的具体方案如下:
一种河流泥沙含量测量装置,包括壳体,壳体外部设有与控制器连接的沙浆在线密度测量仪和水深测量仪,控制器通过物联网与远程终端连接,壳体设置进水口和排水口以进行进水和排水,壳体内设置抽水件和排水件,抽水件和排水件均与控制器连接用以带动壳体在河流中的升降动作,通过沙浆在线密度测量仪和水深测量仪,对不同深度的泥沙含量取平均值得到测点的平均泥沙含量值。
上述的测量装置,可通过远程终端操控控制器,控制器控制抽水件和排水件的动作,从而将测量装置送至河流不同深度,并通过沙浆在线密度测量仪和水深测量仪,在线密度测量仪获取河流中挟带泥沙的水的密度,通过不同深度获取河流中沙浆的平均密度ρ沙水,根据来获取所测河流的含沙量。
进一步地,所述沙浆在线密度测量仪和水深测量仪设于所述壳体的底部,这样通过壳体的沉降,来获取准确的密度测量值和深度测量值。
进一步地,所述壳体底部环绕所述沙浆在线密度测量仪和水深测量仪设有格栅网,格栅网镂空设置以便于泥沙的流动,格栅网的设置主要是为了保护在沙浆线密度测量仪和水深测量仪,但格栅网镂空设置不会妨碍到带泥沙的水的流动,不会影响到测量结果,使得河流沙浆与沙浆在线密度测量仪充分接触。
进一步地,壳体内部设置容腔以形成水箱,所述进水口和排水口分别与水箱连通,进水口和排水口处分别设置电磁开关门,电磁开关门均与控制器连接,由控制器控制电磁开关门的动作,进水口和排水口可为同一处进出口,控制器控制抽水件动作实现抽水,壳体内水增加,壳体下降,控制器控制排水件排水,壳体内水减少,壳体上升。
进一步地,为了便于壳体在河流内前进或后退,所述壳体一侧设置螺旋桨,壳体内设置旋转机构,旋转机构与螺旋桨连接,旋转机构带动螺旋桨动作,螺旋桨设于壳体的尾部,从而推进壳体的前进或后退。
进一步地,所述壳体的一侧和/或格栅网的外部设有超声波避障传感器,超声波避障传感器与所述的控制器连接,超声波避障传感器的设置用于对障碍物的检测,当超声波避障传感器检测到格栅网侧部或壳体侧部有障碍物时,控制旋转机构后退或排水件排水,从而改变壳体目前所处的位置。
进一步地,所述抽水件为设于壳体内的排气孔,排气孔处设置开关阀,所述排水件为设于壳体的空气抽入机构,这样在壳体需要下降时,排气孔打开,水流进入壳体内,在壳体需要上升时,空气抽入机构抽入空气,为了便于壳体的前进或后退,所述壳体的纵向截面呈椭圆形。
为了克服现有技术的不足,本发明还提供了一种河流泥沙含量测量方法,采用所述的一种河流泥沙含量测量装置。
上述测量方法,包括如下内容:
通过抽水件和排水件的动作,带动壳体在河流中升降至设定位置后停止运动;
沙浆在线密度测量仪读取河流中挟带泥沙的水的密度,并获取不同河流深度下对应的河流中沙浆(含泥沙的水)的平均密度ρ沙水,获知所测河流的泥沙密度ρ沙,设定温度下河流的密度ρ水′;
根据含沙量S与河流中沙浆的平均密度、所测河流的泥沙密度、设定温度下河流的密度的关系公式来获取所测河流的含沙量。
控制器内存储有所测河流的泥沙密度,不同温度下河流的密度和含沙量与河流中沙浆的平均密度、所测河流的泥沙密度、河流的密度的关系公式。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1)本发明通过抽水件和排水件的设置,能实现壳体内水量的增多或减少,从而有效调整壳体在河流内的升降高度。
2)本发明通过沙浆在线密度测量仪和水深测量仪的设置,能够实现河流内不同深度处含沙浆的水的密度测量,从而获取河流某一断面河流沙浆密度的平均值,从而有利于提高获取泥沙含量的准确度,而且整体测量速度快,且实现实时在线测量,测量准确度较高。
3)本发明通过控制器与远程终端连接,可远程操控壳体的升降,而且可远程获取测量数据,并得到相应的泥沙含量,大大减轻了工作人员的工作负担,无需工作人员的常年驻守,也能够保证测量人员的安全。
4)本发明通过螺旋桨的设置,能够便于壳体在河流内的前进或后退,这样可以实现河流不同断面沙浆密度的测量,这样测量装置无需人工操作,无需乘船到河流中操作,节省人力物力与财力,并且结果精确、可信。
5)本发明通过格栅网的设置,不仅有效保护测量仪器,而且不会妨碍到带泥沙的水的流动,不会影响到测量结果。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中一种河流泥沙含量测量装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1中远程终端示意图。
图3为本发明实施例1中控制室内部结构示意图。
图4为本发明实施例1中壳体内部结构示意图。
其中:1.控制室,2.壳体,3.水深探测仪,4.格栅网,5.沙浆在线密度测量仪,6.远程终端,7.GPS信号发射器,8.存储单元,9.蓄电池,10.控制器,11.超声波避障传感器,12.进气管,13.水箱,14.空气抽入机构,15.旋转电机,16.螺旋桨,17.进出口。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的,现有技术中存在的不足,为了解决如上的技术问题,本发明提出了一种河流泥沙含量测量装置,下面结合说明书附图,对本发明做进一步的阐述。
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中,如图1和图2所示,一种河流泥沙含量测量装置,包括壳体2,壳体2外部设有与控制器10连接的沙浆在线密度测量仪5和水深测量仪3,控制器10通过物联网与远程终端6连接,远程终端6可为远程计算机设备,或者远程终端6为遥控终端,便于对测量装置的操作,壳体2设置进水口和排水口以进行进水和排水,壳体内设置抽水件和排水件,抽水件和排水件均与控制器10连接用以带动壳体2在河流中的升降动作,通过沙浆在线密度测量仪5和水深测量仪3,对不同深度的泥沙含量取平均值得到测点的平均泥沙含量值。
沙浆在线密度测量仪5和水深测量仪3设于壳体2的底部,这样通过壳体2的沉降,来获取准确的密度测量值和深度测量值。
壳体2底部环绕沙浆在线密度测量仪5和水深测量仪3设有格栅网4,格栅网4镂空设置以便于泥沙的流动,格栅网4的设置主要是为了保护在沙浆线密度测量仪5和水深测量仪3,但格栅网4镂空设置不会妨碍到带泥沙的水的流动,不会影响到测量结果,使得河流沙浆与沙浆在线密度测量仪充分接触,为了防止污染物覆盖在栅格网4上,阻止水流与沙浆在线密度测量仪5的接触,栅格网4呈倒置的圆台型,当有大片污染物覆盖在有倾斜角度的栅格网4时,在水流的冲刷下,污染物会随水流的流动而被带走,在此,栅格网4起到妨碍大片污染物的作用,防止对精密仪器的破坏。
壳体2内部设置容腔以形成水箱13,进水口和排水口分别与水箱连通,进水口和排水口处分别设置电磁开关门,电磁开关门均与控制器连接,由控制器10控制电磁开关门的动作,进水口和排水口可为同一处进出口17,控制器10控制抽水件动作实现抽水,壳体2内水增加,壳体下降,控制器10控制排水件排水,壳体2内水减少,壳体2上升。
为了便于壳体2在河流内前进或后退,壳体2一侧设置螺旋桨15,壳体2内设置旋转机构,旋转机构与螺旋桨15连接,旋转机构带动螺旋桨15动作,螺旋桨设于壳体的尾部,从而推进壳体的前进或后退,本实施例中,旋转机构选择旋转电机15,壳体2内设有隔板,以分隔旋转电机15和水箱13。
如图4所示,壳体2的一侧和/或格栅网的外部设有超声波避障传感器,超声波避障传感器可在水下进行工作,超声波避障传感器设于壳体相对于螺旋桨的另一侧,超声波避障传感器与所述的控制器连接,超声波避障传感器的设置用于对障碍物的检测,当超声波避障传感器检测到格栅网侧部或壳体侧部有障碍物时,控制旋转机构后退或排水件排水,从而改变壳体目前所处的位置。
需要说明的是,抽水件为设于壳体2内的排气孔,排气孔处设置开关阀,该开关阀与控制器10连接,由控制器10控制打开或关闭,壳体2在排气孔处设置排气管(图中未示出),在使用时,排气管顶部高于水面设置,排水件为设于壳体的空气抽入机构,这样在壳体2需要下降时,排气孔打开,进出口17打开,水流通过进出口17进入水箱13,在壳体2需要上升时,空气抽入机构14抽入空气,进出口17打开进行排水,空气抽入机构14用于抽入空气至水箱13内,空气抽入机构的进气管12要高于水面,且空气抽入机构可选用风机,在一些实施例中,进气管12可选用伸缩气管(多骨节伸缩管,相邻两节伸缩管之间设置密封圈),在进入河流之前,将进气管张开至最大尺寸。
或者,在另一实施例中,壳体2设置进气孔,抽水件和排水件为设于壳体进气孔处的轴流风机,该风机可以实现正反转,这样可以实现向壳体内进气或者排气。
为了便于壳体的前进或后退,壳体的纵向截面呈椭圆形。
其中,控制器设于壳体顶部的控制室1内,控制室1设有GPS信号发射器7,远程终端6与GPS信号接收器通信,用于对壳体2位置进行定位,控制器10为可编程的PLC控制器,具有存储单元8,用于存储需要记录的数据,并记录测量的数据,在控制室1内设有蓄电池9,蓄电池9用于向GPS信号发射器7、超声波避障传感器11、空气抽入机构14、控制器10和旋转电机15进行供电。
另外,需要说明的是,沙浆在线密度测量仪5是一种连续在线测量含沙液体密度的精密仪器(为现有技术),可用于日常低流速河流的泥沙含量测量、沉沙池的泥沙含量测量和洪水过程泥沙含量连续变化监测。沙浆在线密度测量仪5采用差压式密度计的原理是:根据泥沙水样在一定垂直距离上的压力差值计算出其密度值。同时,在两个压力传感器中间安装有温度传感器,可以自动进行温度测量和密度补偿,较好地减少了温度对液体密度的影响,这样沙浆在线密度测量仪中的温度传感器检测到壳体所在河流位置的温度,将检测结果发送给控制器(控制器内存储有各种温度条件对应的河流泥沙密度),控制器可根据温度结果调出相应温度对应的河流泥沙密度和对应的河流密度。
本方案沙浆在线密度测量仪5选用的技术参数为密度量程:0~3g/cm3,精度:0.001g/cm3,温度量程:0~100℃,精度:0.2℃,适应环境温度:-10~60℃,上述仪器参数基本满足河流悬移质含沙量测量精度及水文仪器设备野外测量环境的要求。
本实施例提供的河流泥沙含量测量装置,可通过远程终端6操控控制器10,控制器10控制抽水件和排水件的动作,从而将测量装置送至河流不同深度,并通过沙浆在线密度测量仪5和水深测量仪3,沙浆在线密度测量仪5获取河流中挟带泥沙的水的密度,通过不同深度获取河流中沙浆的平均密度ρ沙水,根据来获取所测河流的含沙量。
上述公式的确定方法如下:通过假设在一个量筒V′里放入一定量干燥的泥沙,再倒入一定量的清水,ρ沙水′为量筒中水和泥沙的密度,ρ沙′已知,在一定温度下的ρ水已知,推导出ρ沙水′、ρ水′、ρ沙′与含沙量S′的关系:
量筒中泥沙的体积:
量筒中泥沙的质量:m′沙=S′V′
量筒中水的体积:
量筒中水的质量:
量筒中水和泥沙的总质量:m水和泥沙′=ρ沙水′×V′=m沙′+m水′
将上述公式化简得:
由该公式可以获知含沙量S与河流中沙浆的平均密度、所测河流的泥沙密度、河流的密度的关系公式。
实施例2
为了克服现有技术的不足,本发明还提供了一种河流泥沙含量测量方法,采用实施例1所述的一种河流泥沙含量测量装置。
上述测量方法,包括如下内容:
将壳体设于河面,由旋转电机带动螺旋桨转动,从而带动壳体的前进或后退,同时,排气孔打开排出壳体内的空气,水通过进出口进入壳体内部的水箱,带动壳体下沉,这样壳体在河流中运动至设定位置(由GPS信号发射器和远程终端进行确认)后停止运动;
沙浆在线密度测量仪读取河流中挟带泥沙的水的密度,并获取同一断面下不同河流深度下对应的河流中沙浆的平均密度ρ沙水,获知所测河流的泥沙密度ρ沙,设定温度下河流的密度ρ水′;
根据含沙量S与河流中沙浆的平均密度、所测河流的泥沙密度(这个河流的泥沙密度是已经提前获知的,提前输入到控制器中)、河流的密度的关系公式来获取所测河流的含沙量S。
控制器内存储有所测河流的泥沙密度,不同温度下河流的密度和含沙量与河流中沙浆的平均密度、所测河流的泥沙密度、河流的密度的关系公式。
举例说明:如果测黄河下游段的泥沙含量或者测黄河下游段引黄灌区渠道中的泥沙含量,通过本实施例提供的装置进入所测河流到达测点位置,测得河流的中沙浆的平均密度。由于所测河流的不同,泥沙密度不同,可以通过查阅资料查找所测河流的泥沙密度,通过文献《黄河流域泥沙密度试验研究》得知黄河下游段泥沙密度为2.71g/cm3,通过远程终端输入泥沙密度。通过沙浆在线密度测量仪上的温度传感器将温度传输到控制器,控制器根据含沙量S与河流中沙浆的平均密度、所测河流的泥沙密度、同温度下河流的密度的关系公式,计算为河流含沙量并传输到远程终端。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种河流泥沙含量测量装置,其特征在于,包括壳体,壳体外部设有与控制器连接的沙浆在线密度测量仪和水深测量仪,控制器通过物联网与远程终端连接,壳体设置进水口和排水口以进行进水和排水,壳体内设置抽水件和排水件,抽水件和排水件均与控制器连接用以带动壳体在河流中的升降动作,通过沙浆在线密度测量仪和水深测量仪,对不同深度的泥沙含量取平均值得到测点的平均泥沙含量值。
2.根据权利要求1所述的一种河流泥沙含量测量装置,其特征在于,所述沙浆在线密度测量仪和水深测量仪设于所述壳体的底部。
3.根据权利要求1所述的一种河流泥沙含量测量装置,其特征在于,所述壳体底部环绕所述沙浆在线密度测量仪和水深测量仪设有格栅网,格栅网镂空设置以便于泥沙的流动。
4.根据权利要求1所述的一种河流泥沙含量测量装置,其特征在于,壳体内部设置容腔以形成水箱,所述进水口和排水口分别与水箱连通,进水口和排水口处分别设置电磁开关门。
5.根据权利要求1所述的一种河流泥沙含量测量装置,其特征在于,所述壳体一侧设置螺旋桨,壳体内设置旋转机构,旋转机构与螺旋桨连接。
6.根据权利要求3所述的一种河流泥沙含量测量装置,其特征在于,所述壳体的一侧和/或格栅网的外部设有超声波避障传感器,超声波避障传感器与所述的控制器连接。
7.根据权利要求1所述的一种河流泥沙含量测量装置,其特征在于,所述抽水件为设于壳体内的排气孔,排气孔处设置开关阀,所述排水件为设于壳体的空气抽入机构。
8.一种河流泥沙含量测量方法,其特征在于,采用权利要求1-7中任一项所述的一种河流泥沙含量测量装置。
9.根据权利要求8所述的一种河流泥沙含量测量方法,其特征在于,包括如下内容:
通过抽水件和排水件的动作,带动壳体在河流中升降至设定位置后停止运动;
沙浆在线密度测量仪读取河流中挟带泥沙的水的密度,并获取不同河流深度下对应的河流中沙浆的平均密度ρ沙水,获知所测河流的泥沙密度ρ沙,设定温度下河流的密度ρ水;
根据含沙量S与河流中沙浆的平均密度、所测河流的泥沙密度、设定温度下河流的密度的关系公式来获取所测河流的含沙量。
10.根据权利要求9所述的一种河流泥沙含量测量方法,其特征在于,所述控制器内存储有所测河流的泥沙密度,不同温度下河流的密度和含沙量与河流中沙浆的平均密度、所测河流的泥沙密度、河流的密度的关系公式。
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