CN110763603A - 一种河流泥沙含量自动监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水文监测技术领域，特别涉及一种河流泥沙含量自动监测装置，以解决现有技术中测量含沙量劳动强度大、设备原始、技术落后、危险性高、无法获得实时沙含量数据等技术问题。释放装置可安装在一预设位置，其输出端集成有用以获取河流中某点动水压强的压电监测组件和用以获取河流中某点流速的流速监测组件以及用以获取河流中某点水温的水温监测组件；另外水深监测组件用以获取河流中某点的水深，通过数据处理单元将实时获取的动水压强、流速、水深和水流温度形成第一数据，通过处理终端计算第一数据以获得河流中泥沙含量的数值。本发明可对含沙量进行实时监测，自动化程度高，是河流悬移质泥沙含量监测手段和技术的重大创新。
Description
技术领域
本发明涉及水文监测技术领域，特别涉及一种河流泥沙含量自动监测装置。
背景技术
河流水文监测数据中，含沙量是一项重要监测数据，通过河流含沙量数据的分析，可以获知关于气候、环境等重要情报，例如汛期、降雨强度、植被覆盖与水土流失概况。基于上述，含沙量的监测和数据处理是一项基础的水文测报项目。
现行方式中，含沙量监测方法为利用容积为1000cm3的横式采样器，搭载在作业船上，在河流断面位置投入该采样器至河流中一预设深度，依靠人工操作采取水样，并用量杯计量；后续监测含沙量的作业程序包括：加入凝聚剂后，至少24小时以上的沉淀；通过虹吸管吸取上部清水进行浓缩、预处理后装瓶、测量水样水温、查寻系数、记载计算等步骤。
显而易见，现行方式中，对于含沙量监测工作中，反复取样监测不仅劳动强度大；而每次监测需要通过作业船来进行，导致危险性高；而监测步骤需要依靠作业人员技术熟练，监测工具落后，最终获得的数据还要后续的进行人工处理、计算、记录和保存。
发明内容
本发明要解决现有技术中测量设备原始、技术落后、劳动强度大、危险性高、无法获得实时沙含量等技术问题，提供一种河流泥沙含量自动监测装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种河流泥沙含量自动监测装置，包括：
释放装置，其可安装在一预设位置，且其具有一可自所述预设位置向河流中目标监测点释放的输出端；
所述释放装置的输出端集成有：
压电监测组件，其用以获取河流中目标监测点的动水压强；
流速监测组件，其用以获取河流中目标监测点的流速；
其中，所述释放装置包括一可转动的钢丝绳绞盘，并以所述钢丝绳绞盘的第二端作为所述输出端；
水深监测组件，其用以获取河流中目标监测点的水深，并可通过监测所述钢丝绳绞盘的转动圈数计算出所述水深；
其中，所述压电监测组件在河流动水压力的作用下可产生一电压差，并基于该电压差以得到目标监测点的动水压强；
其中，所述流速监测组件可转动地设置在所述压电监测组件上，由经过其的水流带动其转动可产生电压，并基于该电压与所述流速的正比的关系得到目标监测点的流速；
水温监测组件，其集成在所述压电监测组件上，并用以监测河流中目标监测点的水流温度；以及
数据处理单元，其分别与所述释放装置、压电监测组件、流速监测组件、水深监测组件及水温监测组件数据传输连接，并将其接收所述河流中目标监测点的动水压强、流速、水深和所述水流的温度形成第一数据；
处理终端，其数据传输连接所述数据处理单元；
其中，所述处理终端基于其内置的固化程序依据所述第一数据进行计算，以获得河流中泥沙含量的数值。
具体地，所述预设位置设有一工作平台，所述释放装置安装在所述工作平台上；
所述工作平台包括：
水平布置的第一平台和第二平台；
所述第一平台的第二端与所述第二平台第一端固定连接；
所述第一平台的第二端与所述第二平台第一端之间形成有开口槽；
所述钢丝绳绞盘位于所述开口槽的上方，并一部分地安装在所述第一平台上，另一部分安装在所述第二平台上，以使所述钢丝绳绞盘的钢丝绳可穿过所述开口槽；
安装架，其倾斜设置在所述第二平台的底部，以使所述释放装置的输出端可朝向河面。
具体地，所述水深监测组件包括：
第一连接架，其固定在所述第一平台的上方，并与所述钢丝绳绞盘的第一端；
第二连接架，其固定在所述第二平台的上方，并位于所述钢丝绳绞盘的第二端；
所述第一连接架和所述第二连接架的第一端架设有一水平布置的顶部支架；
第三连接架，其位于所述第一连接架和所述第二连接架之间，且所述第三连接架第一端与所述顶部支架的下表面固定连接；
光敏电阻，其固定在所述第二连接架上；
发光二极管，其固定在所述第三连接架上；
所述钢丝绳绞盘具有第二端，该第二端固定连接有一转盘；
通孔，其开设在所述转盘上；
当所述发光二极管的光线穿过所述通孔并由所述光敏电阻接受时，所述光敏电阻阻值变小，当所述发光二极管的光线被转盘遮挡时所述光敏电阻接受不到光线时，所述光敏电阻阻值变大；
计数器，其电连接所述光敏电阻；
当所述转盘随所述钢丝绳绞盘转动时，所述计数器通过所述光敏电阻是否接收到所述发光二极管光线而阻值大小变化的次数以记录所述钢丝绳绞盘转动的圈数；
所述数据处理单元包括有第一数据处理器，所述第一数据处理器与所述计数器电连接，并用以接收所述钢丝绳绞盘转动圈数的数值，以转换为所述水深。
具体地，还包括有：
小磁铁，所述转盘朝向所述第二连接架的方向的表面设置有多个所述小磁铁；
多个所述小磁铁在所述转盘圆周上均匀布置；
磁力开关，所述第二连接架上设置所述磁力开关；
所述磁力开关与所述第一数据处理器电连接；
当所述钢丝绳绞盘转动时，所述磁力开关在所述小磁铁块随转盘转动时与其正面相对或错过时产生接通或者断开的信号，所述第一数据处理器用以接收所述磁力开关接通或者断开的信号的次数计算所述钢丝绳绞盘转动的圈数。
具体地，所述压电监测组件包括：
第一壳体，其水平布置；
压电陶瓷结构，其固定连接在所述第一壳体的第一端，且其被构造成具有椭圆球凸起，所述椭圆球凸起作为监测端；
所述压电陶瓷结构用以在河流动水压力的作用下产生所述电压差；
平衡尾翼，其固定在所述第一壳体的第二端，所述平衡尾翼起到保证所述第一壳体在水流中始终保持水平和顺流姿态；
感应电极线，其一端电连接所述压电陶瓷结构；
第二数据处理器，其与所述感应电极线电连接，用以所述压电陶瓷结构感应的电压差解算成目标监测点的动水压强数值，并将所述目标监测点的动水压强数值输送至所述终端设备。
具体地，所述流速监测组件包括：
第二壳体，其可套设在所述第一壳体的外周；
其中，所述第一壳体的外周构造出两组限位部件，所述第二壳体位于两组所述限位部件之间，以限制所述第二壳体沿所述第一壳体长度方向的移动；
两组轴承，其转动连接在所述第二壳体的内，所述第一壳体穿过两组所述轴承，并与两组所述轴承内环内周形成固定连接，所述第二壳体内周与两组轴承外环的外周形成固定连接；
空隙区，所述第一壳体的外周与所述第二壳体的内周之间形成所述空隙区；
线圈，其设置在所述第一壳体的外周，且位于所述空隙区；
呈星形与对面两两N-S极相对应布置的磁铁组，其沿所述第二壳体的内周布置并固定，且位于所述空隙区；
所述第二壳体绕所述第一壳体转动时，所述线圈和所述磁铁组可产生感应电势；
密封机构，所述第二壳体的两端分别设置有一组所述密封机构，所述密封机构用以封闭所述第二壳体；
多个旋桨叶片，其固定在所述第二壳体的外周；
其中，所述线圈在水流冲击所述多个旋桨叶片而带动所述第二壳体旋转时产生所述电压；
第四数据处理器，其用以解算该电压与所述流速的正比的关系得到目标监测点的流速数值，并将所述目标监测点的流速数值传输至所述处理终端。
具体地，所述水温监测组件包括：
水温护管壳体，其固定在所述第一壳体上，并沿所述第一壳体的长度方向布置；
Pt铠芯电阻，其安装在水温护管壳体内，并部分突出于所述水温护管壳体的第二端实现与河流接触，测量所述水流温度；
第三数据处理器，其通过电极导线与所述Pt铠芯电阻电连接，并用感应到的阻值解算成水流温度的数值且传输至所述处理终端。
具体地，还包括有：
第一连接部，其形成在所述第一壳体靠近所述尾翼的一侧，且其与所述第一壳体垂直，并在其上下两端分别设置有第一连接通孔和第二连接通孔；
其中，所述第一连接通孔与所述钢丝绳的第二端连接。
具体地，还包括有：
水面信号发生器，其安装在所述第一壳体上；
其中，所述第一壳体沿其长度方向具有中轴线，所述水面信号发生器具有定位线，所述中轴线与所述定位线位于两者形成的一水平平面内；
所述水面信号发生器包括：
绝缘树脂基座；
安装在所述绝缘树脂基座的左铜片和右铜片；
与所述左铜片连接的导线正极；
与所述右铜片连接的导线负极；
所述左铜片和所述右铜片在充盈河水后接通一通电电路，并通过该电路向所述数据处理单元发送一接通信号；
所述数据处理单元还可基于该接通信号指令所述计数器开始计数。
具体地，还包括有：
配重铅鱼，其通过钢丝绳索连接在第二连接通孔上，且其至所述工作台的距离大于所述压电监测组件、所述流速监测组件至所述工作台的距离；
河底信号发生器，其集成在所述配重铅鱼上；
其中，所述河底信号发生器包括：
绝缘树脂河底触板，其通过一转轴可翻转的连接在所述配重铅鱼下方，且其第二端可被所述配重铅鱼底部阻挡；
所述绝缘树脂河底触板的一端可以所述转轴为转动点向所述配重铅鱼的第一端方向翻转；
第一导电铜块，其固定在所述绝缘树脂河底触板的第一端；
第二导电铜块，其固定在所述配重铅鱼的第一端，以在所述绝缘树脂河底触板翻转时，其可与所述第一导电铜块电路连接，并产生一电路信号，所述数据处理单元可接收该电路信号，以指令所述计数器停止计数；
河底触板配重铅块，其固定在所述绝缘树脂河底触板上，并与所述第一导电铜块相邻布置；
第一导电铜块正极导线，其与所述第一导电铜块连接；
第二导电铜块负极导线，其与所述第二导电铜块连接。
本发明能够实现含沙量的实时监测，并进行计算，自动化程度高，监测数据精度高，可作为水文监测进行后续工作的依据。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的系统布置示意图；
图2为本发明的名称的水深监测组件的示意图；
图3为本发明的名称的压电监测组件的示意图；
图4为本发明的数据处理器连接关系的示意图；
图5为本发明的压电监测组件的试验曲线图；
图6为本发明的流速监测组件的试验曲线图；
图7为本发明的水面信号发生器的的示意图；
图8为本发明的河底信号发生器的示意图。
图中的附图标记表示为：
工作平台10、释放装置20、压电监测组件30、流速监测组件40、水深监测组件50、数据处理单元60、处理终端70、水温监测组件80；
第一平台11、和第二平台12、开口槽13、钢丝绞盘210、钢丝绳211、第一连接架511、第二连接架512、光敏电阻513、发光二极管514、转盘515、计数器517、通孔516、第三连接架518、顶部支架519、小磁铁521、磁力开关522；
第一壳体311、压电陶瓷结构312、平衡尾翼313、感应电极线314、水温护管壳体510、Pt铠芯电阻520；
第二壳体410、轴承412、空隙区413、线圈414、磁铁组415、旋桨叶片416；
第一数据处理器610；第二数据处理器620；第三数据处理器630；第四数据处理器640；
配重铅鱼81、河底信号发生器82；第一连接件320、第一连接通孔321、第二连接通孔322；
绝缘树脂河底触板821、转轴822、河底触板配重铅块823、第一导电铜块824、第二导电铜块825；
水面信号发生器90、绝缘树脂基座95、左铜片91、右铜片92、导线正极93、导线负极94。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明具体的应用场景为黄河中泥沙含量的测量，解决现有技术中测量设备原始、技术落后、劳动强度大、危险性高、无法获得实时沙含量数据的问题。实际监测位置为黄河河流监测断面，本申请中在具体描述部件位置关系时，以左为第一端，以右为第二端，或者以上为第一端，以下为第二端。
请参阅附图1-4所示，该河流泥沙含量自动监测装置，包括释放装置20，释放装置20可安装在一预设位置，且其具有一可自预设位置向河流中目标监测点释放的输出端；释放装置20的输出端集成有：压电监测组件30，压电监测组件30用以获取河流中目标监测点的动水压强P；流速监测组件40，流速监测组件40用以获取河流中目标监测点的流速ν；其中，释放装置20包括一可转动的钢丝绳绞盘210，并以钢丝绳绞盘210的钢丝绳的第二端作为输出端；
水深监测组件50用以获取河流中目标监测点的水深h，并可通过监测钢丝绳绞盘210的转动圈数计算出水深h；
其中，压电监测组件30在河流动水压力的作用下可产生一电压差，并基于该电压差以得到目标监测点的动水压强P；其中，流速监测组件40可转动地设置在压电监测组件30上，由经过其的水流带动其转动可产生电压差，并基于该电压差与流速ν的正比的关系得到目标监测点的流速ν；水温监测组件80，其集成在压电监测组件30上，并用以监测河流中目标监测点的水流温度T；
数据处理单元60分别与释放装置20、压电监测组件30、流速监测组件40、水深监测组件50及水温监测组件80数据传输连接，并将其接收河流中目标监测点的动水压强P、流速ν、水深h和水流温度T的形成第一数据；
处理终端70，其数据传输连接数据处理单元60，处理终端70基于其内置的固化程序依据第一数据进行计算，以获得河流中泥沙含量Cs的数值。
本发明中，压电监测组件30利用压电效应原理，压电效应:某些电介质，例如压陶瓷片等，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。在具体监测的实施方式中，例如在河道水流中，如果悬移质泥沙含量为零，则：水流中某一点的压力等于清水静水压力与动水压力之和，其中动水为水流冲击；如果悬移质泥沙含量不为零，则：水流中某一点的压力等于浑水的静水压力与动水(浑水)压力之和；那么，在测量出河流中某点的总压力后，通过解算得到该点的动水压强P，进而解算出此点河水的含沙量，这就是利用压电效应实现河流悬移质泥沙监测的基本原理。
因此，获得的第一数据包括河流速度ν、动水压强P、水深距离h和水流温度T，在通过本发明中固化程序进行解算，该解算通过公式(6)：
具体推导原理、过程和计量单位为：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ρw表示，河流浑水密度用ρws表示，泥沙的密度用ρs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。
压力监测组件在该点所受总压力F，由压电陶瓷感应片感知的电压差，通过试验确定二者关系后解算，为河流浑水静水压力和动水(浑水)压力之和，设压力传感器受压面积为A，那么压力传感器所受压强为，公式(1):
根据动水压强原理，公式(2)，为：
根据河水含沙量和密度定义，公式(3),为：
合并公式(2)、(3)并整理得，公式(4)，为：
其中，还包括公式(5)，为：
公式(5)为置换法泥沙处理中的置换系数，可根据河水温度查得；
进一步，推导出公式(6)；
在目标监测点，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ρw，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。
因此，本发明通过压电监测组件30、流速监测组件40、水深监测组件50、水温监测组件80可获得能够用于计算出沙含量的一组数据，该数据能够实现实时监测，自动化程度高；在通过数据处理单元60、处理终端70进行传输计算、自动化程度高、监测数据精度高，可作为水文监测进行后续工作的依据，并且有效地减少了监测人员的工作量，降低了监测作业的危险性。
请参阅附图1-4所示，在一个具体地实施例中，预设位置设有一工作平台10，释放装置20安装在工作平台10上；工作平台10包括：水平布置的第一平台11和第二平台12；第一平台11的第二端与第二平台12第一端固定连接；第一平台11的第二端与第二平台12第一端之间形成有开口槽13；钢丝绳绞盘210的位于在开口槽13的上方，并一部分地安装在第一平台11上，另一部分安装在第二平台12上，以使钢丝绳绞盘210的钢丝绳211可穿过开口槽13；安装架14，其倾斜设置在第二平台12的底部，以使释放装置20的输出端可朝向河面。通过钢丝绳绞盘210去向河流内投放监测第一数据的监测组件，相当于省去了人工去取样的步骤，保证了作业人员的安全，有效地提高了工作效率。
请参阅附图1-4所示，在一个具体地实施例中，第一连接架511，其固定在第一平台11的上方，并与钢丝绞盘210的第一端；第二连接架512，其固定在第二平台12的上方，并位于钢丝绞盘210的第二端；第一连接架511和第二连接架512的第一端架设有一水平布置的顶部支架519；第三连接架518，其位于第一连接架511和第二连接架512之间，且第三连接架518第一端与顶部支架519的下表面固定连接；光敏电阻513，其固定在第二连接架512上；发光二极管514，其固定在第三连接架518上；钢丝绞盘210具有第二端，该第二端连接有一转盘515，第三连接架518与第二连接架512相邻布置，中间为转盘515；通孔516，其开设在转盘515上；当发光二极管514的光线穿过通孔516并由光敏电阻513接受时，光敏电阻513达到最小值；计数器517，其电连接光敏电阻513；当转盘515随钢丝绞盘210转动时，计数器517通过光敏电阻513是否接收到发光二极管514光线而阻值发生变化的次数以计算钢丝绞盘210转动圈数；数据处理单元60包括有第一数据处理器610，第一数据处理器610与计数器517电连接，并用以接收钢丝绞盘210转动次数的数值，以转换为水深h。
工作平台10的释放装置20具有钢丝绳绞盘210，相当于压电监测组件30、流速监测组件40和水温监测组件80通过钢丝绳211进行悬吊，从而完成入水与出水的动作。为了准确测量出本装置在河流中任意点的水深，利用光敏电阻513的阻值随入射光的强弱而改变的特性：入射光强、电阻减小、入射光弱、电阻增大的原理。
钢丝绳绞盘210具有第二端，该第二端连接有一转盘515，该转盘515的作用是为了配合光敏电阻513和发光二极管514的使用，具体为安装好的发光二极管514和光敏电阻513，在转盘515正对发光二极管和光敏电阻的方向上开一贯通孔516；转盘515随同钢丝绳211的释放运动一起旋转，当发光二极管514、光敏电阻513和通孔516在同一直线上时，光敏电阻513会接受到发光二极管514发射的穿过通孔的光束，此时光敏电阻513为小阻值，计数器517当接收到水面信号发生器90发出测量装置到达水面时开始记录光敏电阻513阻值大小的变化的次数，所记录到的光敏电阻513阻值大小的变化次数就相当于钢丝绳绞盘210的整转的次数。
另外，为了能够保证水深测量的精度，通过另一实施方式进行辅助校验，请参阅附图1-4所示，在一个具体地实施例中，还包括有：小磁铁521，转盘515朝向第二连接架312的方向的表面设置有多个小磁铁521；多个小磁铁521在转盘515圆周上均布置；磁力开关522，第二连接架512上设置磁力开关522；磁力开关522与第一数据处理器610电连接；当钢丝绳绞盘210转动时转盘515也随之旋转，磁力开关522与小磁铁521正对或错过时产生接通或者断开的信号，第一数据处理器610用以接受接通或者断开的信号的次数计算钢丝绳绞盘210转动的圈数。
转盘515的临近通孔516开设的位置设置有小磁铁521，且在转盘的圆周方向每间隔一定距离固定安装若干个小磁铁521，磁力开关522接通的次数除以安装若干个小磁铁块的总数所得的整数，应当恰好等于光敏二极管阻值变化的次数，同时两个数值进行相互校验，从而确保转向轮旋转次数的计量准确。
水深h就是磁力开关522接通的次数除以安装若干个小磁铁块521的总数再乘以钢丝绳绞盘210的周长就是泥沙含量监测装置的入水深度，也就是水深h。
水深计算公式：h＝L×M÷N；
式中：h:水深；M：磁力开关522接通的次数；N：安装在转盘515一侧的小磁铁块的总数；L：钢丝绳绞盘210的周长，单位：mm；
而转盘515的直径取300mm，则周长为：942mm，小磁铁块的宽2mm、长2mm、厚2mm，小磁铁块可沿转盘515圆周布置，例如布置磁铁块的圆周的直径取280mm，并布置146块小磁铁块，那么，小磁铁筷的间距为：4.0mm。
河流水深监测装置比测范围及主要技术参数：比测测深范围：0.32～10.5m；水深最小分辨率：2.00mm；测量精度：±1.0％。电源：磁力开关、发光二极管工作电源均为3.6V。水测监测装置安装后，在现场实际监测断面出现的最大水深为10.8m，实际比测水深范围为0.32m～10.5m。比测结果：累计频率75％的偶然误差是：±1.81％；2.累计频率95％的偶然误差是：±3.09％；3.系统误差是：0.00m。
表1 水深监测组件与现有测深杆读数(以米，m为单位)数据对比表
请参阅附图3所示，在一个具体地实施例中，压电监测组件30包括：第一壳体311，其水平布置；压电陶瓷结构312，其固定连接在第一壳体311的第一端，且其被构造成具有椭圆球凸起，椭圆球凸起作为监测端；压电陶瓷结构312用以在河流动水压力的作用下产生电压差；平衡尾翼313，其固定在第一壳体311的第二端；感应电极线314，其一端电连接压电陶瓷结构312；第二数据处理器620，其与感应电极线314电连接，用该电压差解算成目标监测点的动水压强数值，并将目标监测点的动水压强数值输送至终端设备70。
压电陶瓷结构312，其被构造成具有椭圆球凸起或者是半球形状，相当于压电陶瓷片，具体采用压电晶体薄片制做，目的在于不扰动水流原有状态，避免影响监测数据的变化，压电陶瓷结构312与感应电极线314连接，感应电极线314连接至第一数据处理器610，为避免环境电磁干扰，导线要做绝缘和屏蔽处理；第一数据处理器610位压力数据处理器，采用PC单片机制作，将实时接收到的压电陶瓷结构312传来的电压差。河流泥沙压力监测装置进入到河流水中某一预设深度时，压电陶瓷结构312因水流压力，例如同等清水产生的压力、该点流速产生的压力、该点泥沙产生的压力，并感应且输出电压，压电监测组件30的数据处理器将该电压解算成该点的压强，并实时传输到处理终端，进行保存和进一步处理。
压电陶瓷结构312椭圆球外缘口直径为250mm，玄高125mm，厚度：6mm，迎水正投影面积：196250mm2。安装后，利用水利试验槽对测点压强换算曲线进行率定，所述率定方法：在不同的水深处和流速处(该点的压强为已知P)，测出河流泥沙压力监测装置的电压U，建立U-P关系曲线，以便在装置现场测试和使用中调用。鉴于装置将在黄河泺口水文站试验、投产使用，泺口水文监测断面历史最大水深为12.0m，最大流速为4.50m/s，在试验时，给出的已知点，是由流速和水深共同组合产生的压强。水力试验槽的试验水深最大设定为5.0m。天然河道的流速是上大下小，接近河水表面流速最大，河底流速逐渐为0，压力监测装置试验范围及主要技术参数，试验范围：流速0.00m/s～4.5m/s,水深：0～12.0m，测量精度:±1.0％。分辨率：输出电压分辨率0.001μv(微伏)以上。
表2 河流泥沙压力监测装置U-P曲线试验数据记载表
请参阅附图1-4所示，在一个具体地实施例中，流速监测组件40包括：第二壳体410，其可套设在第一壳体311的外周；其中，第一壳体311的外周构造出两组限位部件411，第二壳体410位于两组限位部件411之间，以限制第二壳体410沿第一壳体长度方向的移动；两组轴承412，其转动连接在第二壳体410的内，第一壳体311穿过两组轴承412，并与两组承轴内环的内周形成固定连接，两组承轴外环的外周与第二壳体410的内周形成固定连接；空隙区413，第一壳体311的外周与第二壳体410的内周之间形成空隙区413；线圈414，其设置在第一壳体311的外周，且位于空隙区413；呈星形布置且与对面两两N-S极对应的磁铁组415，其沿第二壳体410的内周布置，且位于空隙区413；密封机构，第二壳体410的两端分别设置有一组密封机构，密封机构用以封闭第二壳体410；多个旋桨叶片416，其固定在第二壳体410的外周，旋桨叶片416在水流冲击下会驱动第二壳体410绕第一壳体311旋转；其中，线圈414在第二壳体410旋转而带动磁铁组旋转进而使磁力线切割线圈414产生电压；第四数据处理器640，其用以解算该电压与流速ν的正比的关系得到目标监测点的流速数值，并将目标监测点的流速数值传输至处理终端70。
上述工作原理为磁场中导体运动的方向和穿过导体的磁力线相互垂直或成一个角度，例如只要不平行，导体在力的作用下切割磁力线，在导体中会有感应电势产生，在导体外接的闭合回路中会有电压产生的原理。利用水流冲击旋桨叶片416，从而驱动第二壳体410旋转并带动磁铁组415旋转，相当于磁力线旋转，线圈414相当于导体，进而旋转的磁力线切割线圈414，而利用线圈414产生的电压大小与流速成正比的关系，经换算得到水流速度ν；流速监测组件40试验范围及主要技术参数：流速0.00m/s～5.00m/s，测量精度:±1.0％。分辨率：输出电压分辨率0.001mv(毫伏)以上；线圈414，包括外层绝缘细铜丝和圆形胶管，用外皮绝缘的细铜丝，在有若干个轴向支撑的圆形胶管外侧按圆形胶管轴线方向上来回缠绕，圆形胶管连同线圈一起固定在第一壳体311上，线圈414两端线头沿第一壳体311引出到第四数据处理器640，第四数据处理器640为流速数据处理器。磁铁组415，用条形永久磁铁，星形均匀地沿第二壳体410内布置并固定，并且与正对面的磁铁构成N-S极相对应，第二壳体410两端连接可自由转动轴承412，轴承412内环(小环)穿过第一壳体311并与之焊接固定，轴承外环(大环)外周与第二壳体410内周焊接固定，第二壳体410两端外侧面镶嵌胶质防水密封圆环，以及设置密封盖，为密封机构。
多个旋桨叶片416在水流冲击下，会驱动第二壳体410绕第一壳体311并带动磁铁组415旋转，磁力线会切割线圈414内导体，从而产生电压，第四数据处理器640接收到实时电压，解算成当时水流流速ν并传输到处理终端70，进行保存和进一步处理。
流速测装置安装后，利用水利试验槽在已知测点设定流速已知的情况下，测出流速测装置输出的电压值，建立ν-U关系曲线(ν：给定流速，U：监测装置感应的电压值)，以便在装置现场测试和使用中调用。鉴于装置将在黄河泺口水文站试验、投产使用，泺口水文监测断面历史最大水深为12.0m，最大流速为4.50m/s，在试验时，给出的已知点的最大流速为5.00m/s，最小流速为0.25m/s。
例如，试验数据见下表：黄河泺口监测断面与常用LS25-1型旋奖流速仪进行了对比分析试验，期间泺口断面最大流速为3.41m/s，流速比测数据范围0.12～3.40m/s，对比结果如下。
比测结果：累计频率75％的偶然误差是：±2.04％；2.累计频率95％的偶然误差是：±3.90％，3.系统误差是：0.00(m/s)。
表3 流速监测装置ν-U曲线试验数据记载表
| 序号 | 装置输出电压U(mν) | 已知设定流速ν(m/s) | 附注 |
| 1 | 0.00 | 0.00 | 流速为设定已知 |
| 2 | 5.08 | 0.25 | |
| 3 | 9.14 | 0.45 | |
| 4 | 16.29 | 0.80 | |
| 5 | 20.00 | 1.00 | |
| 6 | 33.57 | 1.50 | |
| 7 | 44.36 | 2.00 | |
| 8 | 50.41 | 2.40 | |
| 9 | 60.87 | 2.80 | |
| 10 | 67.18 | 3.00 | |
| 11 | 69.53 | 3.20 | |
| 12 | 79.17 | 3.70 | |
| 13 | 88.80 | 4.00 | |
| 14 | 99.25 | 4.50 | |
| 15 | 110.84 | 5.00 |
表4 流速监测装置与常用法测速数据对比误差统计表
请参阅附图3所示，在一个具体地实施例中，水温监测组件80包括：水温护管壳体510，其固定在第一壳体311上，并沿第一壳体311的长度方向布置；Pt铠芯电阻520，其安装在水温护管壳体510内，并部分突出于水温护管壳体510的第二端实现与河流接触，测量水流温度T；第三数据处理器630，其通过电极导线与Pt铠芯电阻520电连接，并用以将水流温度T的数值传输至处理终端70。具体采用铂金电阻，铂金电阻是目前最常用的热敏元件之一，且阻值变化与温度变化关系稳定，在0℃时的阻值为100欧姆，在100℃时的阻值约为138.5欧姆。Pt100的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。
表5 Pt100分度表
| 0度100.00欧姆 | 80度130.90欧姆 |
| 10度103.90欧姆 | 90度134.71欧姆 |
| 20度107.79欧姆 | 100度138.51欧姆 |
| 30度111.67欧姆 | 110度142.29欧姆 |
| 40度115.54欧姆 | 120度146.07欧姆 |
| 60度123.24欧姆 | 140度153.58欧姆 |
| 70度127.08欧姆 | 150度157.33欧姆 |
利用Pt100热电阻的温度值与阻值变化关系这一特性，研制作生了河流水温监测装置。水温监测组件80由Pt100敏感元件，即：Pt铠芯电阻520：直径3mm，长度6mm)；壳体510，相当于保护套管以及导线和第三数据处理器630组成。第三数据处理器630为水温数据处理器，其接收到Pt铠芯电阻520的阻值后，解算成实时河流水温，并实时传输到处理终端70，进行保存和进一步处理。河流水温监测装置设计参数：
河流水温测量比测范围：8.62～33.44℃；
Pt100:敏感元件(即：铠芯电阻)几何尺寸：直径3mm，长度6mm，位于保护套管前端距离保护套管顶端距离不大于3mm；
分辨率：输出电流分辨率3μA以上，实测温度分辨率为0.01℃；
通讯接口：RS232标准串口；
稳定性：＜0.12％FS/年；
供电电源：工作电源24V；
负载能力：RL＝U-12/0.02，其中U为环路电压(V)，RL为允许负载电阻(Ω)；防爆级别：ExdIICT6；
绝缘电阻：常温下试验电压为500V时，绝缘电阻大于100MΩ；
水温测量装置，在泺口水文站与水银温度计进行了比测。
比测结果：累计频率75％的偶然误差是：±0.07％；2.累计频率95％的偶然误差是：±0.12％；3.系统误差是：0.00℃。
表6 水温监测装置测量误差统计表
请参阅附图1-4所示，在一个具体地实施例中，还包括有：第一连接部320，其形成在第一壳体311靠近尾翼313的一侧，且其与第一壳体311垂直，并在其上下两端分别设置有第一连接通孔321和第二连接通孔322；其中，第一连接通孔321与钢丝绳211的第二端连接。
请参阅附图7所示，在一个具体地实施例中，还包括有：水面信号发生器90，其安装在第一壳体311上；其中，第一壳体311沿其长度方向具有中轴线，水面信号发生器90具有定位线，中轴线与定位线位于两者形成的一水平平面内。
水面信号发生器90包括：绝缘树脂基座95；安装在绝缘树脂基座95的左铜片91和右铜片92；与左铜片91连接的导线正极93；与右铜片92连接的导线负极94；左铜片91和右铜片92在充盈河水后接通一通电电路，并通过该电路向数据处理单元60发送一接通信号；数据处理单元60还可基于该接通信号指令计数器517开始计数。
请参阅附图8所示，在一个具体地实施例中，还包括有：配重铅鱼81，其通过绳索连接在第二连接通孔322上，且其至工作台10的距离大于压电监测组件30、流速监测组件40至工作台10的距离；信号发生器82，其集成在配重铅鱼81上。其中，信号发生器82包括：
绝缘树脂河底触板821，其通过一转轴822可翻转的连接在配重铅鱼81下方，且其第二端可被配重铅鱼81底部阻挡；绝缘树脂河底触板821的一端可以转轴822为转动点向配重铅鱼81的第一端方向翻转；第一导电铜块824，其固定在绝缘树脂河底触板821的第一端；第二导电铜块825，其固定在配重铅鱼81的第一端，以在绝缘树脂河底触板821翻转时，其可与第一导电铜块824电路连接，并产生一电路信号，数据处理单元60可接收该电路信号，以指令计数器517停止计数；河底触板配重铅块828，其固定在绝缘树脂河底触板821上，并与第一导电铜块824相邻布置；第一导电铜块正极导线828，其与第一导电铜块824连接；第二导电铜块负极导线827，其与第二导电铜块825连接。
具体地，当河流泥沙监测装置的配重铅鱼81到达河底时，由于配重铅鱼81重量会使绝缘树脂河底触板821带有第一导电铜块824的一端绕连接转轴822上升抬起，并与固定在配重铅鱼81上的第二导电铜块825碰撞接触，从而线路电流陡然增大，发出配重铅鱼81已到河底的信号，计数器517就停止计数；
当配重铅鱼81离开河底时由于河底触板配重铅块823的重力作用使绝缘树脂河底触板821绕连接转轴822下降，从而使河底触板配重铅块823带有第一导电铜块824脱离第二导电铜块825，从而使线路电流陡然减小，由于河水导电电阻比导电铜块大所导致，数据处单元60就接收到配重铅鱼81脱离河底的信号，并按后续指令会做进一步处理；当需要把第一壳体311连同各监测组件释放到某一目标监测点进行监测时，在第一壳体311连同各监测组件的轴线位置到达水面时触发水面信号发生器90，水面信号发生器90会给计数器517立即发出开始计数的信号，到达目标监测点的时候，处理单元60根据已经产生的水深与目标监测点的水深相等时，就立即指令驱动钢丝绳绞盘的电机停止工作，并开始各项数据的接收和处理工作。下一个目标监测点的监测，如此进行，直至全部监测工作结束。
关于处理终端70，其系统软件平台框架选用，考虑到基层测站采用电脑的实际情况，兼顾先进技术与开发效率，选用了支持.NET Framework 4.0。为了增加系统界面友好性，选用WPF 4.0框架做图形用户界面。程序主要使用C#4.0、XAML、LINQ、Python语言编写。数据库选用小巧方便的关系型数据库SQL Serνer Compact Edition 4.0。采用EntityFramework 6.0做对象关系映射；
处理终端70，系统数据存储将依据第一数据计算的沙含量Cs的数据以文件的形式保存在硬盘上。另外，本程序自带嵌入式数据库，数据库不用安装，直接使用，用于保存重力加速度用g、系数К查算表、测站信息等数据。用户只需保管好成果数据文件即可，如果数据库丢失，只需要重新录入测站信息即可，并不会造成成果损失。系统数据计算精度，由于计算机对数值采用二进制处理，对于整数处理与十进制没有差别，但是对于小数的处理会有一些误差。在悬移质泥沙处理中，数据舍入要采用四舍六入的方式。故在程序中结合C#与TSQL的decimal类型，定义了NullableDecimal(可为空的十进制)类型。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，包括：
释放装置(20)，其可安装在一预设位置，且其具有一可自所述预设位置向河流中目标监测点释放的输出端；
所述释放装置(20)的输出端集成有：
压电监测组件(30)，其用以获取河流中目标监测点的动水压强(P)；
流速监测组件(40)，其用以获取河流中目标监测点的流速(ν)；
其中，所述释放装置(20)包括一可转动的钢丝绳绞盘(210)，并以所述钢丝绳绞盘(210)的钢丝绳的第二端作为所述输出端；
水深监测组件(50)，其用以获取河流中目标监测点的水深(h)，并可通过监测所述钢丝绳绞盘(210)的转动圈数计算出所述水深(h)；
其中，所述压电监测组件(30)在河流动水压力的作用下可产生一电压差，并基于该电压差以得到目标监测点的动水压强(P)；
其中，所述流速监测组件(40)可转动地设置在所述压电监测组件(30)上，由经过其的水流带动其转动可产生电压差，并基于该电压差与所述流速(ν)的正比的关系得到目标监测点的流速(ν)；
水温监测组件(80)，其集成在所述压电监测组件(30)上，并用以监测河流中目标监测点的水流温度(T)；以及
数据处理单元(60)，其分别与所述释放装置(20)、压电监测组件(30)、流速监测组件(40)、水深监测组件(50)及水温监测组件(80)数据传输连接，并将其接收所述河流中目标监测点的动水压强(P)、流速(ν)、水深(h)和所述水流温度(T)的形成第一数据；
处理终端(70)，其数据传输连接所述数据处理单元(60)；
其中，所述处理终端(70)基于其内置的固化程序依据所述第一数据进行计算，以获得河流中某一目标监测点的泥沙含量(Cs)的数值。
2.根据权利要求1所述的河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，所述预设位置设有一工作平台(10)，所述释放装置(20)安装在所述工作平台(10)上；
所述工作平台(10)包括：
水平布置的第一平台(11)和第二平台(12)；
所述第一平台(11)的第二端与所述第二平台(12)第一端固定连接；
所述第一平台(11)的第二端与所述第二平台(12)第一端之间形成有开口槽(13)；
所述钢丝绳绞盘(210)位于在开口槽(13)的上方，并一部分地安装在所述第一平台(11)上，另一部分安装在所述第二平台(12)上，以使所述钢丝绳绞盘(210)的钢丝绳(211)可穿过所述开口槽(13)；
安装架(14)，其倾斜设置在所述第二平台(12)的底部，以使所述释放装置(20)的输出端可朝向河面。
3.根据权利要求2所述的河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，所述水深监测组件(50)包括：
第一连接架(511)，其固定在所述第一平台(11)的上方，并位于所述钢丝绳绞盘(210)的第一端；
第二连接架(512)，其固定在所述第二平台(12)的上方，并位于所述钢丝绳绞盘(210)的第二端；
所述第一连接架(511)和所述第二连接架(512)的第一端架设有一水平布置的顶部支架(519)；
第三连接架(518)，其位于所述第一连接架(511)和所述第二连接架(512)之间，且所述第三连接架(518)第一端与所述顶部支架(519)的下表面固定连接；
光敏电阻(513)，其固定在所述第二连接架(512)上；
发光二极管(514)，其固定在所述第三连接架(518)上；
所述钢丝绳绞盘(210)具有第二端，该第二端固定连接有一转盘(515)，所述第三连接架(518)与所述第二连接架(512)相邻布置，中间为所述转盘(515)；
通孔(516)，其开设在所述转盘(515)上；
当所述发光二极管(514)的光线穿过所述通孔(516)并由所述光敏电阻(513)接受时，所述光敏电阻(513)达到最小值；
计数器(517)，其电连接所述光敏电阻(513)；
当所述转盘(515)随所述钢丝绳绞盘(210)转动时，所述计数器(517)通过所述光敏电阻(513)是否接受所述发光二极管(514)的光线而阻值发生大小变化的次数以计算所述钢丝绳绞盘(210)转动的圈数；
所述数据处理单元(60)包括有第一数据处理器(610)，所述第一数据处理器(610)与所述计数器(517)电连接，并用以接收所述钢丝绳绞盘(210)转动次数的数值，以转换为所述水深(h)。
4.根据权利要求3所述的河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，还包括有：
小磁铁(521)，所述转盘(515)朝向所述第二连接架(512)的方向的表面设置有多个所述小磁铁(521)；
多个所述小磁铁(521)在所述转盘(515)圆周上均布布置；
磁力开关(522)，所述第二连接架(512)上设置所述磁力开关(522)；
所述磁力开关(522)与所述第一数据处理器(610)电连接；
当所述钢丝绳绞盘(210)转动时转盘(515)也随之一起转动且两者转动的圈数是一致的，所述磁力开关(522)与所述小磁铁(521)正面相对或错过时产生接通或者断开的信号，所述第一数据处理器(610)用以接收所述磁力开关(522)接通或者断开的信号的次数计算所述转盘(515)的转动的圈数也就是所述钢丝绳绞盘(210)转动的圈数。
5.根据权利要求2所述的河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，所述压电监测组件(30)包括：
第一壳体(311)，其水平布置；
压电陶瓷结构(312)，其固定连接在所述第一壳体(311)的第一端，且其被构造成具有椭圆球凸起，所述椭圆球凸起作为监测端；
所述压电陶瓷结构(312)用以在河流动水压力的作用下产生所述电压差；
平衡尾翼(313)，其固定在所述第一壳体(311)的第二端；
感应电极线(314)，其一端电连接所述压电陶瓷结构(312)；
第二数据处理器(620)，其与所述感应电极线(314)电连接，用以所述电压差解算成目标监测点的动水压强数值，并将所述目标监测点的动水压强数值输送至所述终端设备(70)。
6.根据权利要求5所述的河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，所述流速监测组件(40)包括：
第二壳体(410)，其可套设在所述第一壳体(311)的外周；
其中，所述第一壳体(311)的外周构造出两组限位部件(411)，所述第二壳体(410)位于两组所述限位部件(411)之间，以限制所述第二壳体(410)沿所述第一壳体长度方向的移动；
两组轴承(412)，其转动连接在所述第二壳体(410)的内，所述第一壳体(311)穿过两组所述轴承(412)，并与两组所述轴承内环内周形成固定连接，所述第二壳体(410)的内周与两组轴承外环的外周形成固定连接；
空隙区(413)，所述第一壳体(311)的外周与所述第二壳体(410)的内周之间形成所述空隙区(413)；
线圈(414)，其设置在所述第一壳体(311)的外周，且位于所述空隙区(413)；
呈星形布置的磁铁组(415)，其沿所述第二壳体(410)的内周布置，且且位于所述空隙区(413)，并与所述线圈(414)对应；
所述第二壳体(410)绕所述第一壳体(311)转动时，所述线圈(414)和所述磁铁组(415)可产生感应电势；
密封机构，所述第二壳体(410)的两端分别设置有一组所述密封机构，所述密封机构用以封闭所述第二壳体(410)；
多个旋桨叶片(416)，其固定在所述第二壳体(410)的外周；
其中，所述线圈(414)在所述(410)旋转时产生所述电压；
第四数据处理器(640)，其用以解算该电压与所述流速(ν)的正比的关系得到目标监测点的流速数值，并将所述目标监测点的流速数值传输至所述处理终端(70)。
7.根据权利要求6所述的河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，所述水温监测组件(80)包括：
水温护管壳体(510)，其固定在所述第一壳体(311)上，并沿所述第一壳体(311)的长度方向布置；
Pt铠芯电阻(520)，其安装在水温护管壳体(510)内，并部分突出于所述水温护管壳体(510)的第二端实现与河流接触，测量所述水流温度(T)；
第三数据处理器(630)，其通过电极导线与所述Pt铠芯电阻(520)电连接，并用感应到Pt铠芯电阻(520)的阻值解算成水流温度的数值且传输至所述处理终端(70)。
8.根据权利要求5所述的河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，还包括有：
第一连接部(320)，其形成在所述第一壳体(311)靠近所述尾翼(313)的一侧，且其与所述第一壳体(311)垂直，并在其上下两端分别设置有第一连接通孔(321)和第二连接通孔(322)；
其中，所述第一连接通孔(321)与所述钢丝绳(211)的第二端连接。
9.根据权利要求5所述的河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，还包括有：
水面信号发生器(90)，其安装在所述第一壳体(311)上；
其中，所述第一壳体(311)沿其长度方向具有中轴线，所述水面信号发生器(90)具有定位线，所述中轴线与所述定位线位于两者形成的一水平平面内；
所述水面信号发生器(90)包括：
绝缘树脂基座(95)；
安装在所述绝缘树脂基座(95)的左铜片(91)和右铜片(92)；
与所述左铜片(91)连接的导线正极(93)；
与所述右铜片(92)连接的导线负极(94)；
所述左铜片(91)和所述右铜片(92)在充盈河水后接通一通电电路，并通过该电路向所述数据处理单元(60)发送一接通信号；
所述数据处理单元(60)还可基于该接通信号指令所述计数器(517)开始计数。
10.根据权利要求9所述的河流泥沙含量自动监测装置，其特征在于，还包括有：
配重铅鱼(81)，其通过钢丝绳连接在第二连接通孔(322)上，且其至所述工作台(10)的距离大于所述压电监测组件(30)、所述流速监测组件(40)至所述工作台(10)的距离；
河底信号发生器(82)，其集成在所述配重铅鱼(81)上；
其中，所述河底信号发生器(82)包括：
绝缘树脂河底触板(821)，其通过一转轴(822)可翻转的连接在所述配重铅鱼(81)下方，且其第二端可被所述配重铅鱼(81)底部阻挡；
所述绝缘树脂河底触板(821)的一端可以所述转轴(822)为转动点向所述配重铅鱼(81)的第一端方向翻转；
第一导电铜块(824)，其固定在所述绝缘树脂河底触板(821)的第一端；
第二导电铜块(825)，其固定在所述配重铅鱼(81)的第一端，以在所述绝缘树脂河底触板(821)翻转时，其可与所述第一导电铜块(824)电路连接，并产生一电路信号，所述数据处理单元(60)可接收该电路信号，以指令所述计数器(517)停止计数；
河底触板配重铅块(823)，其固定在所述绝缘树脂河底触板(821)上，并与所述第一导电铜块(824)相邻布置；
第一导电铜块正极导线(828)，其与所述第一导电铜块(824)连接；
第二导电铜块负极导线(827)，其与所述第二导电铜块(825)连接。
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| CN201911250833.2A CN110763603A (zh) | 2019-12-09 | 2019-12-09 | 一种河流泥沙含量自动监测装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113049040A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-06-29 | 朱芬芳 | 一种用于井点降水用的泄漏和泥沙感应装置 |
| CN116087046A (zh) * | 2022-12-31 | 2023-05-09 | 南京河海南自水电自动化有限公司 | 一种水利运维河流泥沙监测管理系统 |
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2019
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| CN113049040B (zh) * | 2021-03-18 | 2023-07-14 | 南京超图中小企业信息服务有限公司 | 一种用于井点降水用的泄漏和泥沙感应装置 |
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