CN113495044B - 一种检测水流中悬移质泥沙浓度的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种检测水流中悬移质泥沙浓度的系统及方法，包括电磁波发生装置、数据接收模块和数据处理模块；电磁波发生装置用于产生电磁波，作用于水流中悬移质泥沙，使水流中悬移质泥沙的氢核发生能级跃迁；数据接收模块用于接收水流中悬移质泥沙氢核发生能级跃迁后产生的信号并发送给数据处理模块；数据处理模块根据数据接收模块传输的信号，处理得到水流悬移质泥沙浓度。该系统运用全新的方法检测水流中悬移质泥沙的含量，更具时效性和准确性，更省时省力。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，涉及一种检测水流中悬移质泥沙浓度的系统及方法。
背景技术
自然水体中的泥沙含量问题关系到水利机械、农业灌溉、河道演变、航道通航以及生态环境等多方面的问题。泥沙含量的动态测量和标定至关重要。水体中泥沙含量的测定是水质检测的重要指标之一。尤其是在我国的西北地区，黄河的高含沙量一直以来为众多水利学者所关注。
目前悬移质泥沙含量测验主要有两类：一是外业采样和实验室分析相结合的称重法，但该方法耗时耗力且结果不精准，只能检测粗颗粒泥沙含量。二是采用反射式红外线传感器测量泥沙浓度，但该方法外界干扰因素多，导致测量精度不高。因此，急需研究一种能实时测量河流中悬移质含沙量，尽量减少外部环境对悬移质泥沙水样测定精度的影响，并能极大地提升工作效率和节约人力成本的检测设施。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种检测水流中悬移质泥沙浓度的系统及方法，该系统运用全新的方法检测水流中悬移质泥沙的含量，更具时效性和准确性，更省时省力。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种检测水流中悬移质泥沙浓度的系统，包括电磁波发生装置、数据接收模块和数据处理模块；
电磁波发生装置用于产生电磁波，作用于水流中悬移质泥沙，使水流中悬移质泥沙的氢核发生能级跃迁；
数据接收模块用于接收水流中悬移质泥沙氢核发生能级跃迁后产生的信号并发送给数据处理模块；
数据处理模块根据数据接收模块传输的信号，处理得到水流悬移质泥沙浓度。
优选的，电磁波发生装置包括N极磁铁棒、S极磁铁棒、探头保护壳和射频发射器，探头保护壳内设置有铁棒；N极磁铁棒、S极磁铁棒和铁棒平行布置且铁棒位于N极磁铁棒和S极磁铁棒之间；
铁棒外周绕有射频线圈，射频线圈与铁棒同轴；射频发射器用于输出电信号，使射频线圈产生电磁场；
数据接收模块包括接收线圈和扫描线圈；接收线圈缠绕在铁棒上，射频线圈和接收线圈垂直布置；扫描线圈缠绕在N极磁铁棒和S极磁铁棒外周。
进一步的，还包括管道和水泵；管道进水口处设置前止水阀门，管道出水口处设置末止水阀门，电磁波发生装置设置在管道内且位于前止水阀门和末止水阀门之间。
再进一步的，N极磁铁棒和S极磁铁棒分别镶嵌在管道的两个管壁安装槽内。
再进一步的，探头保护壳通过两根中空支柱与管道相连，中空支柱与安装N极磁铁棒或S极磁铁棒的管壁安装槽相连通，该管壁安装槽与设置在管道上的出线口连通，射频线圈的两端分别从两根中空支柱经出线口引出。
再进一步的，两个管壁安装槽之间设置有扫描线圈信息传递通道，扫描线圈两端经扫描线圈信息传递通道和出线口引出。
再进一步的，探头保护壳为圆柱状，探头保护壳两端呈梭形。
再进一步的，射频线圈包括多个相同的线圈，沿轴向等间距套设在铁棒的外周。
一种检测水流中悬移质泥沙浓度的方法，基于所述的系统，首先采用电磁波发生装置产生电磁波，作用于水流中悬移质泥沙，使水流中悬移质泥沙的氢核发生能级跃迁后产生信号，信号经数据接收模块接收并发送给数据处理模块；数据处理模块根据数据接收模块传输的信号，处理得到水流悬移质泥沙浓度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明系统，通过电磁波发生装置产生电磁波，作用于水流中泥沙颗粒，泥沙颗粒受到电磁波作用后颗粒中硅铝原子的原子核发生能量的跃迁，随后能级降低时产生的核磁信号被接收，并传输至数据处理模块，经过处理得到水流悬移质泥沙含量。并且，本发明利用原子核与电磁波相互作用可产生能级跃迁的原理，实现水下泥沙颗粒可视化，更加直观地展现水下泥沙的空间分布状态。
进一步的，本发明的电磁波发生装置，两块磁极不同的磁体之间产生静磁场B0，与射频线圈通电产生的与其垂直的电磁场B1相互作用，形成能量为▲E的电磁波。水流中的氢核收到能量为▲E电磁波后恰好可发生能级的跃迁。在射频磁场B1内可使其磁化向量M绕其做螺旋运动，经过时间T1后磁化向量M旋转90°，落在与静磁场B0垂直的平面内，产生横向磁化向量Mxy。这时，探头内与射频线圈布置相垂直的接收线圈切割磁力线产生电压。随后撤除射频电磁场B1，其横向磁化向量Mxy经历特征时间T2衰减至零。因为水流中泥沙含量的不同会直接影响T2的时间，泥沙浓度越大，T2时间越短。由该装置在实验室中先标定0.0005g/cm3-0.005g/cm3范围内的T2时长。最后实际水流T2值与标定值对比得到水流悬移质泥沙含量。并且，本发明利用原子核与电磁波相互作用可产生能级跃迁的原理，测出结果在2.5s以内，可实时测得泥沙浓度。
进一步的，各部件间所有连接支柱是中空设计，内部为电信号传输通道，给所述各类线圈提供电流信号，既美观又能达到固定要求。
进一步的，扫描线圈信息传递通道的设置便于走线，减少出线口数量，集中一个出线口出线。
进一步的，探头保护壳两端呈梭形，采用梭形结构可以以减轻水流对装置的作用力，装置使用寿命增加。
进一步的，射频线圈均匀布置，对应敏感区域的信号没有重叠，装置效率更高。
附图说明
图1是本发明所提供的检测水流悬移质泥沙含量系统的总体布局；
图2是本发明所提供的检测水流悬移质泥沙含量系统的电磁波发生装置布局；
图3是本发明所提供的检测水流悬移质泥沙含量系统的电磁波发生装置横剖面图；
图4是本发明所提供的检测水流悬移质泥沙含量系统的电磁波发生装置纵剖面图；
图中：01.前止水阀门；02.后止水阀门；03.射频线圈；04.接收线圈；05.扫描线圈；06.N极磁铁棒；07.S极磁铁棒；08.探头保护壳；09.钢管壁；10.铁棒；11.扫描线圈信息传输通道。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1，本发明所述检测水流中悬移质泥沙浓度的系统，包括管道09、水泵、电磁波发生装置、数据接收模块和数据处理模块。
水泵与管道09进口连接，管道09进口和管道09出口分别设置前止水阀门01和末止水阀门02，电磁波发生装置和数据接收模块位于水泵和末止水阀门02之间的管道09中；水泵用于从目标水流中取得样本，前止水阀门01用于按照设定频率取样，末止水阀门02关闭后可静置样本水流。
电磁波发生装置用于产生电磁波，为氢核发生能级跃迁提供能量；
数据接收模块包括接收线圈和扫描线圈，接收线圈切割水流中氢核能级跃迁后产生的横向磁化向量Mxy产生电信号，扫描线圈对接收线圈04切割横向磁化向量Mxy产生的电信号进行扫描并发送给数据处理模块；
数据处理模块根据数据接收模块传输的电信号，得出横向磁化向量Mxy衰减至零的时间T2，与数据库数据对比，得到水流悬移质泥沙浓度。
如图2和3，电磁波发生装置包括管道09顶部的N极磁铁棒06、管道09底部的S极磁铁棒07和探头保护壳08和射频发射器，N极磁铁棒06和S极磁铁棒07镶嵌在管壁内，N极磁铁棒06与探头保护壳08通过两根中空支柱相连。探头保护壳08内设置有铁棒10，铁棒10外周绕有射频线圈03和接收线圈04。探头保护壳08为圆柱状，探头保护壳08两端呈梭形，采用梭形结构可以以减轻水流对装置的作用力，装置使用寿命增加。射频线圈03和接收线圈04布置为相互垂直，接收线圈04才可切割磁感线产生电信号。射频发射器用于输出电信号，使射频线圈产生电磁场B1。
如图3，N极磁铁棒06和S极磁铁棒07外周绕有扫描线圈05，是对接收线圈04切割磁感线产生电信号的扫描。
射频线圈03包括多个相同的线圈，沿轴向等间距套设在铁棒10的外周，用于激励对应方位角度范围的敏感区域的信号。
如图4，S极磁铁棒07外周的扫描线圈05得到的信号通过扫描线圈信息传递通道11传递至数据处理模块。
探头保护壳08材质为高强度钢，外层使用聚氨酯树脂涂层，以达到减小水流作用力和防水抗压的作用。
本发明检测水流中悬移质泥沙浓度的方法，水流方向如图1所示，首先前止水阀门01打开，末止水阀门02也打开，样本水流流入系统内，当管道09内水流平稳时，关闭末止水阀门02和水泵，当管道09内水流充满时，关闭前止水阀门01，静置2s后水流稳定。管壁上两块磁极不同的N极磁铁棒06和S极磁铁棒07之间产生静磁场B0，与射频线圈03通电产生的与其垂直的电磁场B1相互作用，形成能量为▲E的电磁波。水流中的氢核收到能量为▲E电磁波后恰好可发生能级的跃迁。在射频磁场B1内可使其磁化向量M绕其做螺旋运动，经过时间T1后磁化向量M旋转90°，落在与静磁场B0垂直的平面内，产生横向磁化向量Mxy。这时，探头保护壳08内与射频线圈03布置相垂直的接收线圈04切割横向磁化向量Mxy磁力线产生电压。随后撤除射频电磁场B1，其横向磁化向量Mxy经历特征时间T2衰减至零。因为水流中泥沙含量的不同会直接影响T2的时间，泥沙浓度越大，T2时间越短。由该装置在实验室中先标定0.0005g/cm3-0.001g/cm3、0.001g/cm3-0.002g/cm3、0.002g/cm3-0.003g/cm3、0.003g/cm3-0.005g/cm3四个范围内的T2时长。最后实际水流T2值与标定值对比得到水流悬移质泥沙含量。已测在清水中T2＝2.5×103ms＝2.5s，则测得含泥沙液体T2小于2.5s，取3s后打开末止水阀门02放掉管道09中水流样本。重复操作，即可得到目标水流10s一组的泥沙含量数据。
本发明装置结构简单，操作方便，机动性强，精准度高且得出结果时间快，可达到实时、精准检测水下泥沙浓度的目的。
Claims (7)
1.一种检测水流中悬移质泥沙浓度的系统，其特征在于，包括电磁波发生装置、数据接收模块和数据处理模块；
电磁波发生装置用于产生电磁波，作用于水流中悬移质泥沙，使水流中悬移质泥沙的氢核发生能级跃迁；
数据接收模块用于接收水流中悬移质泥沙氢核发生能级跃迁后产生的信号并发送给数据处理模块；
数据处理模块根据数据接收模块传输的信号，处理得到水流悬移质泥沙浓度；
电磁波发生装置包括N极磁铁棒（06）、S极磁铁棒（07）、探头保护壳（08）和射频发射器，探头保护壳（08）内设置有铁棒（10）；N极磁铁棒（06）、S极磁铁棒（07）和铁棒（10）平行布置且铁棒（10）位于N极磁铁棒（06）和S极磁铁棒（07）之间；
铁棒（10）外周绕有射频线圈（03），射频线圈（03）与铁棒（10）同轴；射频发射器用于输出电信号，使射频线圈（03）产生电磁场；
数据接收模块包括接收线圈（04）和扫描线圈（05）；接收线圈（04）缠绕在铁棒（10）上，射频线圈（03）和接收线圈（04）垂直布置；扫描线圈（05）缠绕在N极磁铁棒（06）和S极磁铁棒（07）外周；
还包括管道（09）和水泵；管道（09）进水口处设置前止水阀门（01），管道（09）出水口处设置末止水阀门（02），电磁波发生装置设置在管道（09）内且位于前止水阀门（01）和末止水阀门（02）之间。
2.根据权利要求1所述的检测水流中悬移质泥沙浓度的系统，其特征在于，N极磁铁棒（06）和S极磁铁棒（07）分别镶嵌在管道（09）的两个管壁安装槽内。
3.根据权利要求2所述的检测水流中悬移质泥沙浓度的系统，其特征在于，探头保护壳（08）通过两根中空支柱与管道（09）相连，中空支柱与安装N极磁铁棒（06）或S极磁铁棒（07）的管壁安装槽相连通，该管壁安装槽与设置在管道（09）上的出线口连通，射频线圈（03）的两端分别从两根中空支柱经出线口引出。
4.根据权利要求3所述的检测水流中悬移质泥沙浓度的系统，其特征在于，管道（09）上在两个管壁安装槽之间设置有扫描线圈信息传递通道（11），扫描线圈（04）两端经扫描线圈信息传递通道（11）和出线口引出。
5.根据权利要求1所述的检测水流中悬移质泥沙浓度的系统，其特征在于，探头保护壳（08）为圆柱状，探头保护壳（08）两端呈梭形。
6.根据权利要求1所述的检测水流中悬移质泥沙浓度的系统，其特征在于，射频线圈（03）包括多个相同的线圈，沿轴向等间距套设在铁棒（10）的外周。
7.一种检测水流中悬移质泥沙浓度的方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的系统，首先采用电磁波发生装置产生电磁波，作用于水流中悬移质泥沙，使水流中悬移质泥沙的氢核发生能级跃迁后产生信号，信号经数据接收模块接收并发送给数据处理模块；数据处理模块根据数据接收模块传输的信号，处理得到水流悬移质泥沙浓度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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