CN112556966A - 一种集沙仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集沙仪，包括支撑单元、连接单元、集沙单元，支撑单元设立在地面上，连接单元安装于支撑单元上并由支撑单元提供支撑，集沙单元安装于连接单元上并由连接单元提供支撑；集沙单元包括加速管、连通管和沙盒，加速管与沙盒并行设置，加速管进气口的口径大于出气口的口径；沙盒通过连通管与加速管连通，沙盒内充填有过滤液；沙盒内设置有进沙管，进沙管的进沙口连通至沙盒外部，进沙管的出沙口接触过滤液；使用时加速管的进气口与进沙管的进沙口朝向来风方向。本发明的集沙仪只需通过设置过滤液的淹没高度，不仅可以高效的分离风沙，还可以对不同的风速进行分选收集，更好的满足野外风蚀观测和收集风沙的要求。

Description

一种集沙仪

技术领域

本发明涉及风沙流监测的集沙装置技术领域，具体涉及一种集沙仪，尤其能够实现高效收集风沙和对不同风速进行分选集沙。

背景技术

由于人类活动对于自然环境的破坏，荒漠化已经成为当前备受关注的环境问题之一。在荒漠化严重的区域，由于风力的作用，常常会发生土体或沙体的风蚀。关于风蚀对于地表影响的研究，关键在于掌握输沙率、垂直方向风沙流的结构特征、总输沙量与时间和风速之间的关系等风沙运动的规律。而集沙仪作为收集地表沙尘颗粒运动数据的主要仪器，成为了风沙灾害研究领域不可或缺的工具。

根据吸气方式的不同，集沙仪可以分为主动式集沙仪和被动式集沙仪。主动式集沙仪加装了真空抽气泵并使用滤网分离风沙；但是其使用时需要额外供电且长时间使用容易堵塞过滤网，因此使用并不广泛。被动式集沙仪则是让风沙自由流入集沙仪内并减速使颗粒沉降。该种集沙仪具有使用方便，价格低廉的优点，应用广泛。第一代集沙仪是Bagnold等研制出的，其方向固定无法旋转；后来，为了研究不同高度风沙流的规律，逐渐发展出了MWAC、平口式等各种类型的阶梯式集沙仪；为了使集沙仪始终朝向来风方向，研究人员在集沙仪上加装了导向板使其朝来风转动，逐渐发展出了BSNE、T-BASS等旋转集沙仪；为了降低研究人员工作负担，逐渐发展出了加装了传感器实现自动测量数据的集沙仪，如 SUSTRA集沙仪、便携式自动称重集沙仪等。可以说，对于集沙仪的设计和改进，已经取得了长足的进展。但是，以上集沙仪的核心要求是对所有进入集沙仪内部的风沙进行分离，其收集到的数据并不能对风速进行描述，当需要观测不同风速与风沙流之间的关系时，这些集沙仪并不能实现。可见，不管是传统的集沙仪还是目前已经做了一定改进的集沙仪，仍都存在诸多技术问题，例如始终没有解决对来风充分降速、风沙高效分离、补偿集沙仪对来风进气的阻碍作用，导致其集沙效率低，也没有考虑风速的影响去进行分选收集。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明研制了一种旋转阶梯式集沙仪，具体为旋转阶梯式集沙仪，这种集沙仪不仅可以高效的分离风沙，还可以对不同的风速进行分选收集，更好的满足野外风蚀观测和收集风沙的要求。

本发明的技术方案如下：

一种集沙仪，包括支撑单元、连接单元、集沙单元，支撑单元设立在地面上，连接单元安装于支撑单元上并由支撑单元提供支撑，集沙单元安装于连接单元上并由连接单元提供支撑；所述集沙单元包括加速管、连通管和沙盒，其中：

所述加速管与沙盒并行设置，加速管一端为进气口，另一端为出气口，且进气口的口径大于出气口的口径；

所述沙盒通过连通管与加速管连通，沙盒内充填有过滤液；

沙盒内设置有进沙管，进沙管的进沙口连通至沙盒外部，进沙管的出沙口接触过滤液；

使用时加速管的进气口与进沙管的进沙口朝向来风方向。

作为一种具体改进，所述支撑单元包括一主杆，主杆垂直地面设立并埋入地下一定深度。

作为一种具体改进，所述主杆在地表处安装有一块底部承压板，所述主杆从底部承压板的中心穿过并与底部承压板连接固定；

优选的，所述底部承压板为一块平面形状为正方形的钢板，其与所述主杆焊接连接；

优选的，所述钢板的底面焊接有若干倒钉。

作为一种具体改进，所述主杆在顶部拉结有多根锚索，每根锚索通过一桩基固定在地面；

优选的，锚索具有4根，相邻锚索之间的夹角为90°。

作为一种具体改进，所述连接单元包括一轴承、与轴承连接的纵梁、与纵梁连接的横梁，所述轴承可转动套装于所述主杆上，所述横梁两端对称各设置一集沙单元；

优选的，所述纵梁上安装有一导向板，所述沙盒和加速管与所述导向板的纵轴线同向；

优选的，所述纵梁包括与轴承前端固定连接的前纵梁、与轴承后端固定连接的后纵梁，所述横梁与前纵梁通过螺栓可拆卸连接，所述导向板安装于后纵梁上，所述横梁与集沙单元在沙盒和连通管处通过螺栓可拆卸连接。

作为一种具体改进，所述加速管包括一直径较大的圆管和一直径较小的圆管，直径较大的圆管位于进气方向，直径较小的圆管位于出气方向；

优选的，所述加速管还包括一渐缩圆管，直径较大的圆管与直径较小的圆管之间通过该渐缩圆管连接。

作为一种具体改进，高效收集风沙时，进沙管的出沙口与过滤液的液面平齐，刚好接触过滤液；分选收集风沙时，进沙管的出沙口淹没在过滤液的液面下一定深度；

优选的，所述进沙管的进沙口开设在沙盒的朝向来风方向一侧的顶部，进沙管在沙盒内自进沙口向出沙口向下倾斜设置；

优选的，所述进沙管和连通管具有相同的截面形状和尺寸。

作为一种具体改进，所述沙盒在侧面或底部设置有至少一个排沙口，所述排沙口在使用时用带有密封圈的盖子拧紧。

作为一种具体改进，所述过滤液应具有良好的热稳定性、低挥发性、流动性好、易洗除的特点，防止在使用时分解或挥发以及在收集完成后能够将颗粒与过滤液分离称重；

优选的，所述过滤液为聚醚硅油。

作为一种具体改进，所述连接单元和集沙单元在支撑单元上设置多套。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的集沙仪只需通过设置过滤液的淹没高度，不仅可以高效的分离风沙，还可以对不同的风速进行分选收集，更好的满足野外风蚀观测和收集风沙的要求。相对于传统的滤网拦截风沙，本发明采用过滤液分离和收集风沙，避免传统滤网长时间使用容易堵塞的问题，并且过滤液可以使风降速、沙分离。使用加速管，产生的负压在沙盒内可以补偿装置对气流的阻碍作用造成的进气量下降。集沙单元在竖向上布置多层，形成一种旋转阶梯式集沙仪，同时借助导向板，管随风动，能够实现单次高效、大量收集风沙。杆式的支撑结构，便于野外搬运和施工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1为本发明一个实施例的集沙仪整体结构示意图；

图2为集沙单元与连接单元立体组装状态示意图；

图3为集沙单元俯视结构示意图；

图4为集沙单元正视透视结构示意图；

图5为集沙单元侧视透视结构示意图；

图6为连接单元立体结构示意图；

图7为集沙单元立体结构示意图；

图8为高效收集状态的侧视透视结构示意图；

图9为高效收集状态的俯视结构示意图；

图10为分选收集状态的侧视透视结构示意图；

图11为分选收集状态的俯视结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明基于伯努利原理的启发，流体流速大处压强小，设计进气口与出气口直径不同的加速管，实现对气流的加速，由此在加速管、连通管和沙盒内部产生了一定的负压，外界风速越大该压强差越大。

基于不计仪器对空气流动的阻力的假定，以下对本发明所涉及的公式进行推导说明：

设加速管的粗管截面积为A₁，气流速度为v₁，压强为P₁；加速管的细管截面积为A₂，气流速度为v₂，压强为P₂。进气和出气的流量相同，故有：

A₁v₁＝A₂v₂ (1)

在质量力只有重力的情况下，伯努利原理有：

在加速管粗管和细管内有：

联立(1)、(3)式，有：

加速管对来流的加速作用会在细管、连通管和沙盒内产生一个大小为P₁-P₂的负压。这一部分负压将由沙盒内没过进气管的出气口高度为h的过滤液和速度为v_e的空气流动来使其内外气压平衡，设过滤液的密度为ρ_液，则有：

对于公式(5)，通过控制h的高度，即可实现以下两种功能：

第一，高效收集风沙，提高集沙仪效率。设置h＝0，即过滤液与进气管的出气口下部平齐，此时联立(4)、(5)式有：

由负压产生的额外的空气流入的速度v_e只与加速管的形状和外界风速有关；V_e可以补偿装置对气流的阻碍作用造成的进气量下降，即补偿集沙仪对来风进气的阻碍作用；而集沙单元对空气的阻碍作用会造成进入空气流量降低，设损失的流速为v_损，其也只与集沙单元整体的形状和外界风速有关。因此，通过优化集沙单元的外形参数以达到：

v_e＝v_损 (7)

即可消除集沙仪带来的收集效率降低的问题，只要有风通过，即可对风中所携带的固体颗粒进行拦截收集；同时，采用过滤液过滤风沙，可以使风沙完全分离且不会有使用过滤网的集沙仪在长时间使用后过滤网堵塞的问题。

第二，对不同风速引起的沙粒运动进行分选性收集。设置v_e＝0：

此时加速管带来的负压完全由过滤液来平衡。若风速为N时该压强差可由高度为H的过滤液产生的压强平衡使进气管的出气口底端与液面齐平，那么当设置过滤液高度为H、风速小于N时，过滤液会淹没进气管的出气口使气流无法通畅进入，只有当风速大于等于 N时，出气口才能处于开启状态，从而实现对风速大于等于N以上区间风速进行分选性收集。若在对称侧的沙盒设置对(N+i)以上风速进行收集，那么二者之差就是[N，N+i]区间风速引起的固体颗粒运动。由此即可实现对不同风速进行分选集沙的功能。

基于以上原理，本发明设计一种独特的集沙仪，可根据具体情况和需要，既能够实现高效集沙，也能够对不同风速进行分选集沙。

参见图1，本发明的集沙仪主要包括支撑单元1、连接单元2、集沙单元3，支撑单元1设立在地面上，连接单元2安装于支撑单元1上并由支撑单元1提供支撑，集沙单元3 安装于连接单元2上并由连接单元2提供支撑。

如图2，集沙单元3包括加速管31、连通管32和沙盒33。

加速管31与沙盒33并行设置，加速管31一端为进气口，另一端为出气口，且进气口的口径大于出气口的口径，图2中左侧为进气口，右侧为出气口；

如图3-5，沙盒33通过连通管32与加速管31连通，沙盒内充填有过滤液334；

沙盒33内设置有进沙管331，进沙管的进沙口332连通至沙盒外部，进沙管的出沙口 333接触过滤液334。

下面对本发明一种较佳实施例的支撑单元进行详细阐释。

如图1所示，支撑单元1包括一主杆101，主杆垂直地面设立并埋入地下一定深度。相对于框架结构的支撑结构而言，单独的主杆能够方便地埋入地下，便于在风沙地带设置安装，且结构简单，便于维护，成本低。

较佳地，主杆101在地表处安装有一块底部承压板102，主杆从底部承压板的中心穿过并与底部承压板连接固定；底部承压板102为一块平面形状为正方形的钢板，其与主杆101焊接连接；底部承压板承担竖向压力，增强主杆的竖向承载力，提高主杆的稳定性。

本发明还可在钢板的底面焊接若干倒钉，以增强钢板与地面之间的抓合力。

较佳地，主杆101在顶部拉结有多根锚索103，每根锚索通过一桩基104锚固在地面；锚索103具有4根，相邻锚索之间的夹角为90°。锚索能够提高整个装置的抗风倾覆能力。

下面对本发明一种较佳实施例的连接单元进行详细阐释。

如图6所示，连接单元2包括一轴承201、与轴承连接的纵梁202、与纵梁连接的横梁203，轴承201可转动套装于主杆101上，以便于整个连接单元2能够在主杆上自由转动。每个轴承201下部设置可与主杆101锁死的扣件用于承托连接单元，防止连接单元从主杆上滑落。

较佳地，本发明中主杆101沿高度方向设立有多个连接单元2，每个连接单元2之间的距离应由现场实验对于高度的需求而确定。

纵梁202上安装有一导向板204，横梁203两端对称各设置一集沙单元3，并且沙盒33和加速管31与导向板204的纵轴线同向；导向板起导向作用，在导向板的作用下，确保沙盒和加速管始终朝向来风的方向。

作为一种具体实例，如图6并结合图2所示，纵梁202包括与轴承201前端固定连接的前纵梁、与轴承201后端固定连接的后纵梁，横梁203与前纵梁通过螺栓205可拆卸连接，导向板204安装于后纵梁上，横梁203与集沙单元2在沙盒33和连通管32处通过螺栓205可拆卸连接。可拆卸连接便于各部件连接和拆装，便于野外作业携带。

下面对本发明一种较佳实施例的集沙单元进行详细阐释。

如图3、图7所示，加速管31包括一直径较大的圆管311和一直径较小的圆管312，直径较大的圆管位于进气方向，直径较小的圆管位于出气方向；通过设计进气口与出气口直径不同的加速管，在气流由直径较大的圆管进入直径较小的圆管时实现对气流的加速，流体流速大处压强小，由此在加速管内部产生了一定的负压，并且外界风速越大该压强差越大。

较佳地，加速管31还包括一渐缩圆管313，直径较大的圆管与直径较小的圆管之间通过该渐缩圆管连接。相对于陡缩结构而言，通过渐缩圆管的过渡能够更利于实现对气流的加速作用。

继续参见图8、图9，图8显示进沙管的出沙口与过滤液的液面平齐或者淹没在过滤液的液面以下一较小的H1深度，H1应当小于当地土体启动风速所对应的深度，当H1＝0时即与过滤液的液面平齐，此种情况下，只要有风沙气流，就能够在加速管31内形成负压，也就是在进沙管331内外产生压强差，当外界风速达到集沙仪所在地沙土的启动风速，颗粒可以随风上升至进气口和进沙口处，气流从过滤液通过，就能够对气流中所携带的沙子进行收集，此为高效收集风沙，对风速不挑剔，不受风速大小的影响，即使是低风速也能够收集风沙。

再参见图10、图11，图10显示进沙管的出沙口淹没在过滤液的液面以下一较大的H2 深度(H2相对于H1而言较大，该值可由公式8与风速建立换算关系)，此种情况下，当风速较低时，沙盒内的负压不足以打开出沙口处的液面，过滤液会淹没出沙口使气流无法通畅进入，不对风沙进行收集；只有当风速达到或超过一定值(设为N，N为与H对应的某一特定风速，可由公式8确定)时，出沙口才能处于开启状态，从而实现对该风速以上的风沙进行分选性收集。若在对称侧的沙盒设置对(N+i)以上风速进行收集，那么二者之差就是[N，N+i]区间风速引起的固体颗粒运动，集沙单元能够对该区间内的风速进行收集，由此即可实现对不同风速进行分选集沙的功能。

再参见图4、图5、图7，进沙管331的进沙口332开设在沙盒33的朝向来风方向一侧的顶部，进沙管在沙盒内自进沙口向出沙口向下倾斜设置。倾斜设置的进沙管便于气流通过以及其中所携带的固体颗粒流入过滤液中。

较佳地，进沙管331和连通管32具有相同的截面形状和尺寸。如此降低或避免截面形状和尺寸引起的出气气流与进气气流运动形式的差异。

再参见图4，本发明的沙盒33在侧面或底部设置有至少一个排沙口335，排沙口在使用时用带有密封圈的盖子拧紧。排沙口用于在沙盒内固体颗粒装满，或者需要更换过滤液时打开，带有密封圈的盖子确保沙盒内形成稳定的负压。

应当说明，上述过滤液应具有良好的热稳定性、低挥发性、流动性好、易洗除的特点，防止在使用时分解或挥发以及在收集完成后能够将颗粒与过滤液分离称重；本发明采用聚醚硅油作为过滤液。

本发明在使用时，加速管31的进气口与进沙管的进沙口332朝向来风方向。当风沙来袭时，由于进气口的口径大于出气口的口径，气流在加速管内实现加速，内部产生了一定的负压，又由于沙盒33通过连通管32与加速管31连通，于是在沙盒33内同样产生了一定的负压，进沙管内的气压大于进沙管外、沙盒内的气压，进沙管的出沙口333处的过滤液334将会微微打开，气流从出沙口333经由过滤液334的表面流过，气流中的固体颗粒在过滤液的作用下迅速分离，沉淀在过滤液中，进沙管中的气流然后从连通管32、加速管31流出，完成风沙收集。

通过对加速管31尺寸的设计，以及进沙管331的进沙口332在过滤液334中的淹没深度，能够可选择地实现对风沙的高效收集和分选性收集，在此不做赘述。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种集沙仪，包括支撑单元、连接单元、集沙单元，支撑单元设立在地面上，连接单元安装于支撑单元上并由支撑单元提供支撑，集沙单元安装于连接单元上并由连接单元提供支撑；其特征在于：所述集沙单元包括加速管、连通管和沙盒，其中：

所述加速管与沙盒并行设置，加速管一端为进气口，另一端为出气口，且进气口的口径大于出气口的口径；

所述沙盒通过连通管与加速管连通，沙盒内充填有过滤液；

沙盒内设置有进沙管，进沙管的进沙口连通至沙盒外部，进沙管的出沙口接触过滤液；

使用时加速管的进气口与进沙管的进沙口朝向来风方向。

2.根据权利要求1所述的集沙仪，其特征在于：

所述支撑单元包括一主杆，主杆垂直地面设立并埋入地下一定深度。

3.根据权利要求1所述的集沙仪，其特征在于：

所述主杆在地表处安装有一块底部承压板，所述主杆从底部承压板的中心穿过并与底部承压板连接固定；

优选的，所述底部承压板为一块平面形状为正方形的钢板，其与所述主杆焊接连接；

优选的，所述钢板的底面焊接有若干倒钉。

4.根据权利要求1所述的集沙仪，其特征在于：

所述主杆在顶部拉结有多根锚索，每根锚索通过一桩基固定在地面；

优选的，锚索具有4根，相邻锚索之间的夹角为90°。

5.根据权利要求2-4任一项所述的集沙仪，其特征在于：

所述连接单元包括一轴承、与轴承连接的纵梁、与纵梁连接的横梁，所述轴承可转动套装于所述主杆上，所述横梁两端对称各设置一集沙单元；

优选的，所述纵梁上安装有一导向板，所述沙盒和加速管与所述导向板的纵轴线同向；

优选的，所述纵梁包括与轴承前端固定连接的前纵梁、与轴承后端固定连接的后纵梁，所述横梁与前纵梁通过螺栓可拆卸连接，所述导向板安装于后纵梁上，所述横梁与集沙单元在沙盒和连通管处通过螺栓可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的集沙仪，其特征在于：

所述加速管包括一直径较大的圆管和一直径较小的圆管，直径较大的圆管位于进气方向，直径较小的圆管位于出气方向；

优选的，所述加速管还包括一渐缩圆管，直径较大的圆管与直径较小的圆管之间通过该渐缩圆管连接。

7.根据权利要求1所述的集沙仪，其特征在于：

高效收集风沙时，进沙管的出沙口与过滤液的液面平齐，刚好接触过滤液；分选收集风沙时，进沙管的出沙口淹没在过滤液的液面下一定深度；

优选的，所述进沙管的进沙口开设在沙盒的朝向来风方向一侧的顶部，进沙管在沙盒内自进沙口向出沙口向下倾斜设置；

优选的，所述进沙管和连通管具有相同的截面形状和尺寸。

8.根据权利要求1所述的集沙仪，其特征在于：

所述沙盒在侧面或底部设置有至少一个排沙口，所述排沙口在使用时用带有密封圈的盖子拧紧。

9.根据权利要求1所述的集沙仪，其特征在于：

所述过滤液应具有良好的热稳定性、低挥发性、流动性好、易洗除的特点，防止在使用时分解或挥发以及在收集完成后能够将颗粒与过滤液分离称重；

优选的，所述过滤液为聚醚硅油。

10.根据权利要求1-9任一项所述的集沙仪，其特征在于：

所述连接单元和集沙单元在支撑单元上设置多套。

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