CN111198204B - 一种基于温度变化测量水体含沙量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于温度变化测量水体含沙量的方法，属于测量技术领域，本发明的基于不同物质比热容不同的特性，固定提供的热量，测量物体升高的温度，通过温度的变化来识别水体中模型沙的含量，该方法首先测量比热容装置的能量损失率，然后选取不同的含沙量水体，建立含沙量与温度变化的关系，建立温度变化与含沙量的关系式。在实际应用过程中，可直接测量单位时间内含沙水体的温度变化，根据温度变化的值得到含沙量。本方法有别于传统的烘干法、导电率法、透光性法，为水体含沙量的测量提供了新的思路，尤其适用于含沙量大的水体，弥补了现有的导电率法和透光性法的不足，并且该方法操作性强，设计适当的装置即可将该方法应用于野外测量。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于温度变化测量水体含沙量的方法。
背景技术
含沙量是河流或海洋中水体的重要指标，它与河床的冲淤演变密切相关，也与水体污染物的承载力密切相关，在工程实际中常需要测量水体的含沙量。天然河道中水体的泥沙成分多为二氧化硅，密度也较大，含沙量的测量方法主要有直接测量方法和间接测量方法。直接测量主要是通过采样、称重等流程，直接测量水体中泥沙的含量。间接测量方法主要是测量含沙水体其他特性，如导电率、透光性等，主要的测量包括光电测沙法、遥感信息法以及电导率测水体含沙量等。
物理模型是研究河床变形、水流结构的主要手段。由于物理模型是对原型按照一定比例缩放而成，模型与原型间存在一定的比尺。为了使模型试验结果与原型相似，需要按照水力学的规则在进行设计模型。含沙量时河床演变分析的重要参数，为了使模型中泥沙的运动规律与原型相似，常在模型试验中采用模型沙进行模拟。试验中的模型沙一般轻于原型沙，模型的材质多选用塑料、木粉、煤粉等。
无论是原型沙还是模型沙，对于含沙量大的水体难以准确测量，尤其是间接测量方法。热学中的比热容，是指单位质量的物体升高或降低1℃所吸收或放出的热量，是表征物体吸放热的能力的物理量。单位质量的沙和水由于比热容相差很大，使得一定体积下，含盐水的比热容相对于纯水会发生变化，而这种变化又可以通过电路加热时间来反映，从而可以计算出含沙水的比热容，再根据含沙水比热容与含沙量的关系反推出水体含沙量。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于温度变化测量水体含沙量的方法，该方法能实时测量水体的含沙量，具有可操作性强，精确度高等特点。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于温度变化测量水体含沙量的方法，包括如下步骤：
步骤1)向容器内注入质量为m水为的清水，利用针式电子温度计测量清水的初始温度T1；
步骤2)启动设计的加热仪器对容器内清水进行加热，控制整个电路保持固定的电压U、电流I；对清水持续加热t秒，读取加热t秒时水体的温度T2；
步骤3)根据初始温度T1和加热后的温度T2，计算清水加热前后的温差ΔT＝T2-T1；
步骤4)计算步骤1)至步骤3)中的能量损失率η；
步骤5)重复步骤1)与步骤2)中的操作，共测量n组，计算能量损失率η，其中X＝1……n，n为正整数，取平均数η作为最终采用的能量损失率；
步骤6)称取质量为mY的不同重量的模型沙，分别投入Y个相同容器内的相同体积的清水中，配制成不同浓度的浑水水体；
步骤7)令参数K等于模型沙的质量与水的质量的比值，确定水体含沙量与参数K的关系式；
步骤8)对步骤6)配制好的不同浓度的水体重复步骤1)至步骤3)，记录每一瓶盐水的加热前、后的温度，并计算得到温差ΔTY，Y为正整数；
步骤9)根据步骤6)和步骤7)建立浑水水体上升的温度ΔTY与参数K的关系式；
步骤10)根据步骤8)和步骤9)的结果，建立水体含沙量与水体上升的温度ΔTY的关系式；
步骤11)测量持续加热t秒浑水上升的温度，即根据步骤10)中的关系式得到浑水含沙量。
进一步的，步骤4)中，所述的能量损失率η的计算包括如下步骤，先计算水体吸收的能量E1和加热装置提供的热量E2，得到能量损失率η为：η＝1-E1/E2。
进一步的，步骤4)中，所述的水体吸收的能量E1和加热装置提供的热量E2为：
E1＝C水m水ΔTY；
E2＝UIt；
式中，C水为水体比热容，m水为水体的质量，ΔTY为升高的温度，U为电压，I为电流，t为加热时间。
进一步的，步骤7)中，所述的水体含沙量与参数K的关系式计算步骤如下：
参数K＝m沙/m水，则浑水水体的体积Vs为：
Vs＝Km水/ρ沙+m水/ρ水；
则得到水体的含沙量与参数K的关系：
S＝m沙/Vs＝Km水/(Km水/ρ沙+m水/ρ水)＝K/(K/ρ沙+1/ρ水)；
式中，S为水体的含沙量，单位kg/m3；m沙为水体中泥沙的质量，单位kg；ρ沙为泥沙的密度，单位kg/m3；ρ水为水的密度，单位kg/m3。
进一步的，步骤9)中，所述的浑水水体上升的温度ΔTY与参数K的关系式计算步骤如下：
浑水水体温度上升ΔTY时所需的热量为：
E11＝C水m水ΔTY+C沙m沙ΔTY＝(C沙K+C水)VsΔTY/(K/ρ沙+1/ρ水)；
加热装置实际提供的热量为：E22＝(1-η)UIt，则有：
(1-η)UIt＝(C沙K+C水)VsΔTY/(K/ρ沙+1/ρ水)；
即得到浑水水体上升的温度ΔTY与参数K的关系式：
K＝[(1-η)UIt/ρ水VsΔTY-C水]/[C沙-(1-η)UIt/ρ沙VsΔTY]；
式中，C沙为泥沙的比热容；E11为浑水水体温度上升ΔTY时所需的热量；E22为加热装置实际提供的热量，其余参数含义同前。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于温度变化测量水体含沙量的方法，基于不同物质比热容不同的特性，固定提供的热量，测量物体升高的温度，通过温度的变化来识别水体中模型沙的含量，本方法有别于传统的烘干法、导电率法、透光性法，为水体含沙量的测量提供了新的思路。本方法尤其适用于含沙量大的水体，弥补了现有的导电率法和透光性法的不足，并且该方法操作性强，设计适当的装置即可将该方法应用于野外测量。
附图说明
图1是一种基于温度变化测量水体含沙量的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种基于温度变化测量水体含沙量的方法，包括如下步骤：
步骤1)向容器内注入质量为m水为的清水，利用针式电子温度计测量清水的初始温度T1；
步骤2)启动设计的加热仪器对容器内清水进行加热，控制整个电路保持固定的电压U、电流I；对清水持续加热t秒，读取加热t秒时水体的温度T2；
步骤3)根据初始温度T1和加热后的温度T2，计算清水加热前后的温差ΔT＝T2-T1；
步骤4)计算步骤1)至步骤3)中的能量损失率η；
步骤5)重复步骤1)与步骤2)中的操作，共测量n组，计算能量损失率η，其中X＝1……n，n为正整数，取平均数η作为最终采用的能量损失率；
步骤6)称取mYg不同重量的模型沙，分别投入Y个相同容器内的相同体积的清水中，配制成不同浓度的浑水水体；
步骤7)令参数K等于模型沙的质量与水的质量的比值，确定水体含沙量与参数K的关系式；
步骤8)对步骤6)配制好的不同浓度的水体重复步骤1)至步骤3)，记录每一瓶盐水的加热前、后的温度，并计算得到温差ΔTY，Y为正整数；
步骤9)根据步骤6)和步骤7)建立浑水水体上升的温度ΔTY与参数K的关系式；
步骤10)根据步骤8)和步骤9)的结果，建立水体含沙量与水体上升的温度ΔTY的关系式；
步骤11)测量持续加热t秒浑水上升的温度，即根据步骤10)中的关系式得到浑水含沙量。
步骤4)中，能量损失率η的计算包括如下步骤，先计算水体吸收的能量E1和加热装置提供的热量E2，得到能量损失率η为：η＝1-E1/E2。
步骤4)中，水体吸收的能量E1和加热装置提供的热量E2为：
E1＝C水m水ΔTY；
E2＝UIt；
式中，C水为水体比热容，m水为水体的质量，ΔTY为升高的温度，U为电压，I为电流，t为加热时间。
步骤7)中，水体含沙量与参数K的关系式计算步骤如下：
参数K＝m沙/m水，则浑水水体的体积Vs为：
Vs＝Km水/ρ沙+m水/ρ水；
则得到水体的含沙量与参数K的关系：
S＝m沙/Vs＝Km水/(Km水/ρ沙+m水/ρ水)＝K/(K/ρ沙+1/ρ水)；
式中，S为水体的含沙量，单位kg/m3；m沙为水体中泥沙的质量，单位kg；ρ沙为泥沙的密度，单位kg/m3；ρ水为水的密度，单位kg/m3。
步骤9)中，浑水水体上升的温度△TY与参数K的关系式计算步骤如下：
浑水水体温度上升△TY时所需的热量为：
E11＝C水m水△TY+C沙m沙△TY＝(C沙K+C水)Vs△TY/(K/ρ沙+1/ρ水)；
加热装置实际提供的热量为：E22＝(1-η)UIt，则有：
(1-η)UIt＝(C沙K+C水)Vs△TY/(K/ρ沙+1/ρ水)；
即得到浑水水体上升的温度△TY与参数K的关系式：
K＝[(1-η)UIt/ρ水Vs△TY-C水]/[C沙-(1-η)UIt/ρ沙Vs△TY]；
式中，C沙为泥沙的比热容；E11为浑水水体温度上升△TY时所需的热量；E22为加热装置实际提供的热量，其余参数含义同前。
实施例
一种基于温度变化测量水体含沙量的方法，包括如下步骤：
步骤1，向容器内注入体积为100ml的清水，利用针式电子温度计测量清水的初始温度12.12；
步骤2，启动设计的加热仪器对容器内清水进行加热，控制整个电路保持固定的电压4.5、电流2.79。对清水持续加热300秒，读取加热300秒时水体的温度19.71；
步骤3，根据步骤1中清水加热前后的温度T1、T2，计算清水加热前后的温差△T＝7.59；
步骤4，计算步骤1至步骤3中的能量损失率η＝0.154；
步骤5，重复步骤1与步骤2中的操作，共测量n组，计算能量损失率η1、2、3……n，取平均数η作为最终采用的能量损失率0.148；
步骤6，称取m1、2、3、……50＝1g、2g……50g不同重量的塑料沙，分别投入50个相同容器内的100ml清水中，配制成50瓶不同浓度的浑水水体；
步骤7，令参数K等于模型沙的质量与水的质量的比值，确定水体含沙量与参数K的关系式S＝K/(K/1300+1/1000)；
步骤8，对配制好的50瓶不同浓度的水体重复步骤1至步骤3，记录每一瓶盐水的加热前、后的温度，并计算得到温差△T 1、△T 2、△T 3、……；
步骤9，塑料沙的比热容取2500kJ/(kg℃)，根据步骤6和步骤7建立水体上升的温度△T与参数K的关系式
K＝[0.846UIt/30-4200]/[2500-0.846UIt/(130△T)]；
步骤10，根据步骤8和步骤9的结果，建立水体含沙量与水体上升的温度△T的关系式；
步骤11，测量持续加热300秒浑水上升的温度，即可根据步骤10中的关系式得到浑水含沙量。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于温度变化测量水体含沙量的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1)向容器内注入质量为m水的清水，利用针式电子温度计测量清水的初始温度T1；
步骤2)启动设计的加热仪器对容器内清水进行加热，控制整个电路保持固定的电压U、电流I；对清水持续加热t秒，读取加热t秒时水体的温度T2；
步骤3)根据初始温度T1和加热后水体的温度T2，计算清水加热前后的温差△T＝T2-T1；
步骤4)计算步骤1)至步骤3)中的能量损失率η；
步骤5)重复步骤1)与步骤2)中的操作，共测量n组，计算能量损失率ηx，其中X＝1……n，n为正整数，取平均数作为最终采用的能量损失率；
步骤6)称取质量为mY的不同重量的模型沙，分别投入Y个相同容器内的相同体积的清水中，配制成不同浓度的浑水水体；
步骤7)令参数K等于模型沙的质量与水的质量的比值，确定水体含沙量与参数K的关系式；
步骤8)对步骤6)配制好的不同浓度的浑水水体重复步骤1)至步骤3)，记录每一瓶浑水的加热前、后的温度，并计算得到温差△TY，Y为正整数；
步骤9)根据步骤6)和步骤7)建立浑水水体上升的温度△TY与参数K的关系式；
步骤10)根据步骤8)和步骤9)的结果，建立水体含沙量与浑水水体上升的温度△TY的关系式；
步骤11)测量持续加热t秒浑水上升的温度，即根据步骤10)中的关系式得到水体含沙量；
步骤7)中，所述的水体含沙量与参数K的关系式计算步骤如下：
参数K＝m沙/m水，则浑水水体的体积Vs为：
Vs＝Km水/ρ沙+m水/ρ水；
则得到水体含沙量与参数K的关系：
S＝m沙/Vs＝Km水/(Km水/ρ沙+m水/ρ水)＝K/(K/ρ沙+1/ρ水)；
式中，S为水体含沙量，单位kg/m3；m沙为水体中泥沙的质量，单位kg；ρ沙为泥沙的密度，单位kg/m3；ρ水为水的密度，单位kg/m3；
步骤9)中，所述的浑水水体上升的温度△TY与参数K的关系式计算步骤如下：
浑水水体温度上升△TY时所需的热量为：
E11＝C水m水△TY+C沙m沙△TY＝(C沙K+C水)Vs△TY/(K/ρ沙+1/ρ水)；
加热装置实际提供的热量为：E22＝(1-η)UIt，则有：
(1-η)UIt＝(C沙K+C水)Vs△TY/(K/ρ沙+1/ρ水)；
即得到浑水水体上升的温度△TY与参数K的关系式：
K＝[(1-η)UIt/ρ水Vs△TY-C水]/[C沙-(1-η)UIt/ρ沙Vs△TY]；
式中，C沙为泥沙的比热容；C水为水体比热容，m水为水体的质量，△TY为升高的温度，U为电压，I为电流，t为加热时间；E11为浑水水体温度上升△TY时所需的热量；E22为加热装置实际提供的热量，其余参数含义同前。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度变化测量水体含沙量的方法，其特征在于：步骤4)中，所述的能量损失率η的计算包括如下步骤，先计算水体吸收的能量E1和加热装置提供的热量E2，得到能量损失率η为：
η＝1-E1/E2。
3.根据权利要求2所述的一种基于温度变化测量水体含沙量的方法，其特征在于：步骤4)中，所述的水体吸收的能量E1和加热装置提供的热量E2分别为：
E1＝C水m水△TY；
E2＝UIt。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203203948U (zh) * | 2013-03-29 | 2013-09-18 | 河海大学 | 一种筒状比热容测量含沙量装置 |
| CN103424424A (zh) * | 2013-09-05 | 2013-12-04 | 郭小成 | 一种比热容法非接触测量悬移质含沙量装置 |
| CN104764252A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-07-08 | 华北电力大学（保定） | 开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法及装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203203948U (zh) * | 2013-03-29 | 2013-09-18 | 河海大学 | 一种筒状比热容测量含沙量装置 |
| CN103424424A (zh) * | 2013-09-05 | 2013-12-04 | 郭小成 | 一种比热容法非接触测量悬移质含沙量装置 |
| CN104764252A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-07-08 | 华北电力大学（保定） | 开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法及装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于物理学原理的悬沙含量测量方法新进展;刘冬雪 等;《浙江水利科技》;20150331(第2期);P26-27 * |
| 悬移质含沙量的比热容测量方法;张帆一 等;《河海大学学报（自然科学报）》;20130930;第41卷(第5期);第1-3章和图1和表1-3 * |
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