CN111754851A - 一种验证流水搬运能力的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种验证流水搬运能力的实验装置，包括储水盒，流水通道，搬运品收集机构、尾部水箱、操控机构和数据采集主控制器；操控机构与数据采集主控制器连接；所述储水盒上设置出水口；出水口处设置有流水通道；流水通道的上游坡度测速区处设置有坡度传感器；流水通道上设置有水流流速传感器；流水通道上放置流水搬运品；流水通道的尾部设置有搬运品收集机构；搬运品收集机构上设置有称重传感器；搬运品收集机构下部设置有尾部水箱；储水盒设置有进水口；进水口连接有控制水路。本案准确掌握流速和进水量，便于分析搬运能力；直观查看流水搬运的沉积情况；流水通道坡度、水流量和流速可以调节，精准记录检测数据，对比数据得出准确结果。

Description

一种验证流水搬运能力的实验装置

技术领域

本发明涉及一种可以检测和分析流水搬运能力的验证流水搬运能力的实验装置。

背景技术

中学地理教科书关于流水搬运能力的验证以及流水地貌地表的塑造等知识点内容需要学生进行量化实验，从实验中得到各种数据，通过数据对比来验证流水搬运能力与流量、流速、河流截面、坡度等之间的关系，本发明就是通过巧妙的设计提取这些量化实验的各种参数，从而帮助教师与学生进行实验验证分析。

发明内容

本发明目的是：提供一种通过仿真自然流域流水运动，观察搬运现象和测量搬运品重量及检测数据来反应流水搬运能力，分析影响搬运能力要素的验证流水搬运能力的实验装置。

本发明的技术方案是：一种验证流水搬运能力的实验装置，包括储水盒，流水通道，搬运品收集机构、尾部水箱、操控机构和数据采集主控制器；所述操控机构与数据采集主控制器连接；所述操控机构包括控制终端和流水搬运数据采集系统；所述控制终端和流水搬运数据采集系统负责人机之间的操控交流、数据的转换处理及数据的呈现；所述数据采集主控制器连接有流量传感器、坡度传感器、水流流速传感器、称重传感器、调节支架；所述储水盒至少有一个；所述储水盒上设置有出水口；所述出水口处设置有流水通道；所述流水通道分为上游坡度测速区、中游流水搬运区和下游现象观测区；所述上游坡度测速区处设置有坡度传感器；所述控制终端控制坡度传感器调节上游坡度测速区的坡度，调节范围为0-5度，调节精度为±0.1度；所述流水通道上设置有水流流速传感器；所述流水通道上放置流水搬运品；所述流水通道的下游现象观测区尾部设置有搬运品收集机构；所述搬运品收集机构上设置有称重传感器；所述搬运品收集机构下部设置有回收流水的尾部水箱；所述储水盒设置有进水口；所述进水口连接有控制水路。

优选的，所述控制水路包括总水箱、水泵、电动水阀；所述水泵一端连接总水箱，一边连接电动水阀；所述电动水阀与储水盒设置的进水口连通；所述进水口处设置流量传感器监测进水流量，流量传感器进行数据读取，可以通过控制终端进行每次实验用水量大小设置，设置单位以升为标准计量单位；所述电动水阀为伺服角度控制阀，伺服角度控制阀可以通过控制终端控制开合角度，通过开合角度从而控制流水通的流速不同。

优选的，所述总水箱入水端设置有总流水控制阀；所述总水箱内设置有液位传感器；所述总流水控制阀和水位监测机构均与控制终端连接；水龙头与总流水控制阀相连，通过控制终端控制上水，总流水控制阀打开，流水进入到总水箱，总水箱带有液位传感器，水位到达最高点后控制终端控制总流水控制阀关闭，当低于最低点打开继续供水。

优选的，所述搬运品收集机构为颗粒过滤装置；所述搬运品收集机构包括搬运品料斗和搬运品过滤器；所述搬运品料斗设置在流水通道的下游平缓区的尾部，收集流水搬运品；所述搬运品过滤器设置在搬运品料斗的下方，过滤流水盛放流水搬运品。

优选的，所述水流流速传感器设置在调节支架上；所述调节支架设置在流水通道上，并沿着流水通道上的导轨往复滑动；所述调节支架可以在X、Y、Z三轴方向上调节水流流速传感器的位置。

优选的，所述调节支架采用龙门结构支架，所述龙门结构支架设置在流水通道上，并沿着流水通道上的导轨往复滑动，水流流速传感器设置在龙门结构支架的横梁上，并沿着横梁滑动；所述水流流速传感器上设置有拖链；所述水流流速传感器可在X、Y、Z三轴共计六个方向的运行。

优选的，所述水流流速传感器为风车式测速传感器；所述风车式测速传感器采用非接触式光电脉冲编码器，数据采集主控制器通过采集光电脉冲数量等参数转化为可以读取的流水流速数据供控制终端处理识别后转换成专业的实时流速值，风车数据采集最大的优点是数据采集准确度高，由于采用非接触式光电脉冲传感器，所述风车式测速传感器的风车中心设置有轴承，水流带动风车转动，通过风车转动的快慢可以直观的观测水流的速度；采用高润滑性轴承，测量流速时对流水的流速影响非常小，保证了数据的准确性和观测的直观性。

优选的，所述称重传感器采用电阻应变式传感器采集重量参数，数据采集主控制器通过读取相应数据输送给流水搬运数据采集系统进行数据处理，变为可以读取的重量参数；称重传感器采用密封结构进行处理，具有防泼溅水等功能，使用嵌入式微控制器采集传感器原始数据通过控制终端计算出重量。

优选的，所述储水盒的出水口的高度可调节；所述出水口大小可调节。

优选的，所述尾部水箱采用亚克力透明水箱。

优选的，所述尾部水箱安装排放控制水阀和液位传感器；所述排放控制水阀和均与控制终端连接；当用户通过控制终端对设备进行复位时，排放控制水阀可自动打开，排除废水箱中的废水。

优选的，流水搬运品采用仿真泥沙或自然沙或小型石块或鹅卵石；鹅卵石粒径约1—1.5厘米，自然砂为常规河沙或海砂；材料配比要趋于自然，其中仿真泥沙替代自然界微细砂砾和泥土，仿真泥沙采用接近泥土密度的塑料材质粉碎获取，平均粒径约为0.05-0.2毫米之间，常规河沙规格约在0.2-0.6毫米之间，粗砂、细沙和石粒的配比约为：50:40:10比例配比。

本发明的优点是：

1．可以准确掌握流速和进水量，便于分析影响搬运能力的要素；

2. 便于直观查看流水搬运的沉积情况和颗粒不同大小的沉积物位于流水通道的不同位置，反映出颗粒大小和流水搬运能力的关系；

3.流水通道坡度、水流量和流速可以根据需要进行调节，便于对比检测数据对搬运能力的影响，实用性强；

4.计算机可以精确记录各项检测数据，存储实验结果，可以更好的进行分析及对比数据，得到准确的实验结果。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本案一种验证流水搬运能力的实验装置的立体结构的示意图；

图2为本案一种验证流水搬运能力的实验装置的俯视结构的示意图；

图3为本案一种验证流水搬运能力的实验装置的右视结构的示意图；

图4为本案一种验证流水搬运能力的实验装置的所述水流流速传感器的主要结构和运转方式的示意图；

图5为本案一种验证流水搬运能力的实验装置的操控机构和数据采集主控制器的线框结构示意图；

其中：1、储水盒；2、流水通道；3、搬运品收集机构；4、尾部水箱；5、水流流速传感器；6、调节支架；7、流水搬运品；11、出水口；31、搬运品料斗；32、搬运品过滤器；41、排水管道。

具体实施方式

实施例：

如图1-5所示，一种验证流水搬运能力的实验装置，包括储水盒1，流水通道2，搬运品收集机构3、尾部水箱4、操控机构和数据采集主控制器；所述操控机构与数据采集主控制器连接；所述操控机构包括控制终端和流水搬运数据采集系统，所述控制终端和流水搬运数据采集系统负责人机之间的操控交流、数据的转换处理及数据的呈现，本例中采用计算机作为控制终端；所述数据采集主控制器连接有流量传感器、坡度传感器、水流流速传感器5、称重传感器、调节支架6；所述储水盒1至少有一个，本例设置三个储水盒1；每个所述储水盒1上设置有出水口11；每个所述出水口11处设置有流水通道2；所述储水盒1的出水口11的高度可调节；所述出水口11大小可调节；每条流水通道2的源头设有储水箱，其主要作用是控制河流入水截面积即“瞬时流量”，储水箱的出口高度可以调节，会根据实验物品大小，用水量大小，实验时间，实验的具体效果来决定；每条所述流水通道2分为上游坡度测速区、中游流水搬运区和下游现象观测区；三条流水通道2互相独立；流水通道2采用三条自然仿真河流（河道），河流（河道）材料由高分子材料或者石膏、塑料等制作，河流采用自然河道或者类似沟槽状装置；所述上游坡度测速区处设置有坡度传感器；计算机精确控制坡度传感器调节上游坡度测速区的坡度，调节范围为0-5度，调节精度为±0.1度；每条所述流水通道2上设置有水流流速传感器5；每条所述流水通道2上放置流水搬运品7；每个所述流水通道2的下游现象观测区尾部设置有搬运品收集机构3；所述搬运品收集机构3上设置有称重传感器；每个所述搬运品收集机构3下部设置有回收流水的尾部水箱4；每个所述储水盒设置有进水口；每个所述进水口连接有控制水路。

所述控制水路包括总水箱、水泵、电动水阀；所述水泵一端连接总水箱，一边连接电动水阀；所述电动水阀与储水盒1设置的进水口连通；所述进水口处设置流量传感器监测进水流量，所述电动水阀为伺服角度控制阀；伺服角度控制阀可以通过计算机控制开合角度，通过开合角度从而控制每条河流的流速不同。

所述总水箱入水端设置有总流水控制阀；所述总水箱内设置有液位传感器；所述总流水控制阀和水位监测机构均与控制终端连接；水龙头与总流水控制阀相连，通过计算机控制上水，总流水控制阀打开，流水进入到总水箱，总水箱带有液位传感器，水位到达最高点后计算机控制总流水控制阀关闭，当低于最低点打开继续供水。

所述搬运品收集机构3为颗粒过滤装置；所述搬运品收集机构3包括搬运品料斗31和搬运品过滤器32；所述搬运品料斗31设置在流水通道2的下游现象观测区的尾部，收集流水搬运品；所述搬运品过滤器32设置在搬运品料斗31的下方，所述搬运品过滤器32采用滤网，过滤流水盛放流水搬运品7；搬运品过滤器32上设置有称重传感器。

所述称重传感器采用电阻应变式传感器采集重量参数，数据采集主控制器通过读取相应数据输送给计算机和流水搬运数据采集系统进行数据处理，变为可以读取的重量参数；称重传感器采用密封结构进行处理，具有防泼溅水等功能，使用嵌入式微控制器采集传感器原始数据通过计算机计算出重量。首次所使用的流水搬运品7和流水通道需要通过浸湿处理，以消除残留水分带来的误差。每次实验开始前都会自动复位称重传感器。流水搬运品7通过流水的搬运，会和流水一起被收集到所述搬运品收集机构3的搬运品过滤器32，将流水滤除，得到每条流水通道2的搬运物，数据采集主控制器会通过称重传感器自动称量搬运物重量。

所述水流流速传感器5设置在调节支架6上；所述调节支架6设置在流水通道2上，并沿着流水通道2上的导轨往复滑动；所述调节支架6可以在X、Y、Z三轴方向上调节水流流速传感器5的位置。

所述调节支架6采用龙门结构支架，所述龙门结构支架设置在流水通道2上，并沿着流水通道2上的导轨往复滑动，水流流速传感器5设置在龙门结构支架的横梁上，并沿着横梁滑动；所述龙门结构支架上设置有拖链；龙门结构支架运动时带动拖链同步运动，拖链主要用来装载水流流速传感器5的导线以及X、Y、Z三轴方向的控制线缆，测量流速移动装置能够支持X、Y、Z三轴共计6个方向的运行，每个方向同时支持手动和电动控制运动。

所述水流流速传感器5为风车式测速传感器；所述风车式测速传感器采用非接触式光电脉冲编码器，所述风车式测速传感器的风车51中心设置有轴承，水流带动风车转动，通过风车转动的快慢可以直观的观测水流的速度，数据采集主控制器通过采集光电脉冲数量等参数转化为可以读取的流水流速数据供计算机和流水搬运数据采集系统处理识别后转换成专业的实时流速值，风车数据采集最大的优点是数据采集准确度高，由于采用非接触式光电脉冲传感器，；采用高润滑性轴承，测量流速时对流水的流速影响非常小，保证了数据的准确性和观测的直观性。

所述尾部水箱4采用亚克力透明水箱；所述尾部水箱4安装排放控制水阀和液位传感器；由于采用滤网将搬运物进行了收集，每次实验后的自来水为无污染水体，实验后的每条流水通道的水体流入各自对应的独立的尾部水箱4；亚克力材质的透明水箱，单次实验结束后可以直观观察每条的河流的实际用水量；所述排放控制水阀和均与计算机连接；每个尾部水箱4装有排放控制水阀，排放控制水阀为伺服角度控制阀，当用户通过计算机对设备进行复位时，伺服角度控制阀可自动打开，排除尾部水箱4中的废水。实验过程中若因为实验参数设置过大或者其他原因导致尾部水箱4水位达到警戒水位时会自动触发液位传感器，液位传感器将数据返回给数据采集主控制器，控制伺服角度控制阀工作将多余的实验用水经过排水管道41排入地下管道。

流水搬运品采用仿真泥沙或自然沙或小型石块或鹅卵石；鹅卵石粒径约1—1.5厘米，自然沙为常规河沙或海沙；材料配比要趋于自然，其中仿真泥沙替代自然界微细砂砾和泥土，仿真泥沙采用接近泥土密度的塑料材质粉碎获取，平均粒径约为0.05-0.2毫米之间，常规河沙规格约在0.2-0.6毫米之间，粗砂、细沙和石粒的配比约为：50:40:10比例配比。

实验步骤：

1）实验前准备：

调整三条流水通道及所需坡度，流水通道一2a，流水通道二2b的外观造型完全一致，流水通道三2c截面是第一、第二条河床截面的2倍，其他外观完全一致；标准实验下储水箱的出口高度一致，开口截面大小比例为1:1:2, 流水通道一2a为2倍流量1倍流速，流水通道二2b为1倍流量1倍流速，流水通道三2c为1倍流量2倍流速，这样可以保证在比较2倍流速1倍流量对搬运物影响的实验下瞬时流量是相同的；在比较2倍流量1倍流速对搬运物影响的实验下瞬时流量也是2倍的关系；

每条流水通道都配备配有独立的供水系统及储水装置，每条流水通道的储水量可以通过流水通道的流量传感器进行数据读取，试验时可以通过计算机进行每次实验用水量大小设置，设置单位以升为标准计量单位；实验前通过计算机输入本次实验每条河流的用水量（对比实验必须保证每条河流的用水量一致），流量传感器检测通过水泵流向每流水通道2的流量，当达到用水量后向计算机发出指令，计算机控制伺服角度控制阀和水泵停止工作，完成本次实验；

模拟用仿真砂石每次通过量杯，量铲进行配比后可以直接作为实验耗材使用，使用前要进行充分的搅拌使其均匀，使用前要将耗材完全浸湿，使用后的耗材由于全部被收集，单次实验时可以进行收集后再次进行实验验证实验数据，但下次实验时为了（配比不同的实验耗材）不建议再次使用，由于采用多是自然材质材料，实验废弃物为无污染材料，不需要进行特殊处理；将准备好的流水搬运品均匀的放置在各自流水通道上的中上游位置；

设定好个检测数值及复位需要的各传感器，每条河流都能够通过水流流速传感器独立测量水表层的流速值。在进行试验时，可以根据需要对河流的上游、中游、下游等任意地方进行测量读数。通过水表层测量流速移动装置进行X、Y、Z三轴6个方向的移动测量，可以精准的测量每条河流的任意河段任意河面的流速数据。

2）实验中：

在做好相关准备工作后，通过计算机控制三条流水通道工作，此时可以通过水流流速传感器采集数据显示到计算机系统中；通过实验的进程可以看到流水搬运品，由于流量与流速的不同而每条流水通道所带来的实验现象不同，由于采用风车式传感器作为检测实时流速，能够看到流速与流量的直观变化及现象。风车式的传感器最大的创造点在于提高学生的实验兴趣及探索欲望，根据流速不同，第一学生可以直观的看到风车的旋转速度以及搬运物分布情况以此可以先直观的做出判断搬运能力与流速有关；第二通风车式流速传感器将实时数据传递到计算显示终端，学生又更加理性的做出重要实验结论，提高学生对于类似知识的探究欲望，由于流水搬运的问题，有些细小的颗粒物会被流水带到下游后流到所述搬运品收集机构3收集、过滤、称重。河流水体流入独立的尾部水箱4，尾部水箱4为亚克力材质的透明水箱，单次实验结束后可以直观观察每条的河流的实际用水量。

3）实验后

通过实验首先可以直观的看到流水搬运的过程以及让学生进行思考流水搬运到底和什么因素有关，数据采集主控制器，控制终端和流水搬运数据采集系统采集、处理并记录检测到的数据；其次通过计算机实时的采集的数据，学生通过记录每条流水通道的流速值、流量值、河流截面、坡度等数据以此验证实验结果。既有直观观测，又有数据对比，对于掌握相关知识以及应用非常有帮助。此外计算机会自动存储实验所有数据，负责数据的运算处理以及数据的呈现，以及打印实验数据和实验手册报告。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：包括储水盒，流水通道，搬运品收集机构、尾部水箱、操控机构和数据采集主控制器；所述操控机构与数据采集主控制器连接；所述操控机构包括控制终端和流水搬运数据采集系统；所述数据采集主控制器连接有流量传感器、坡度传感器、水流流速传感器、称重传感器、调节支架；所述储水盒至少有一个；所述储水盒上设置有出水口；所述出水口处设置有流水通道；所述流水通道分为上游坡度测速区、中游流水搬运区和下游现象观测区；所述上游坡度测速区处设置有坡度传感器；所述控制终端控制坡度传感器调节上游坡度测速区的坡度；所述流水通道上设置有水流流速传感器；所述流水通道上放置流水搬运品；所述流水通道的下游现象观测区尾部设置有搬运品收集机构；所述搬运品收集机构上设置有称重传感器；所述搬运品收集机构下部设置有回收流水的尾部水箱；所述储水盒设置有进水口；所述进水口连接有控制水路。

2.根据权利要求1所述的一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：所述控制水路包括总水箱、水泵、电动水阀；所述水泵一端连接总水箱，一边连接电动水阀；所述电动水阀与储水盒设置的进水口连通；所述进水口处设置流量传感器监测进水流量；所述电动水阀为伺服角度控制阀。

3.根据权利要求2所述的一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：所述总水箱入水端设置有总流水控制阀；所述总水箱内设置有液位传感器；所述总流水控制阀和水位监测机构均与控制终端连接。

4.根据权利要求1所述的一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：所述搬运品收集机构为颗粒过滤装置；所述搬运品收集机构包括搬运品料斗和搬运品过滤器；所述搬运品料斗设置在流水通道的下游平缓区的尾部，收集流水搬运品；所述搬运品过滤器设置在搬运品料斗的下方，过滤流水盛放流水搬运品。

5.根据权利要求1所述的一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：所述水流流速传感器设置在调节支架上；所述调节支架设置在流水通道上，并沿着流水通道上的导轨往复滑动；所述调节支架可以在X、Y、Z三轴方向上调节水流流速传感器的位置。

6.根据权利要求1所述的一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：所述水流流速传感器为风车式测速传感器；所述风车式测速传感器采用非接触式光电脉冲编码器；所述风车式测速传感器的风车中心设置有轴承，水流带动风车转动。

7.根据权利要求1所述的一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：所述称重传感器采用电阻应变式传感器采集重量参数。

8.根据权利要求1所述的一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：所述储水盒的出水口的高度可调节；所述出水口大小可调节。

9.根据权利要求1所述的一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：所述尾部水箱采用亚克力透明水箱。

10.根据权利要求1所述的一种验证流水搬运能力的实验装置，其特征在于：所述尾部水箱安装排放控制水阀和液位传感器；所述排放控制水阀和均与控制终端连接。

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