CN113567295B - 一种径流含沙量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径流含沙量测量装置及方法。该装置包括：采样模块，其包括的进排水通道与径流泥沙测量模块连接，用于采集水样并将水样通过所述进排水通道输送至径流泥沙测量模块；径流泥沙测量模块包括分水器、测量器和控制器；控制器分别与分水器和测量器连接；分水器用于将接收到的至少部分水样输送至测量器；测量器用于对接收到的水样进行含沙量测量，并在含沙量测量完毕之后排出水样；控制器用于控制分水器向测量器输送水样，或控制分水器直接排出水样，还用于控制测量器执行对水样的含沙量测量和排出水样。本发明的技术方案实现了节省人力，准确测量径流含沙量，分水器使用损耗低，有助于降低装置的制造成本和维护成本，并延长装置使用寿命。

Description

一种径流含沙量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及径流含沙量测量技术领域，尤其涉及一种径流含沙量测量装置及方法。

背景技术

径流小区是定量监测水土流失量的一种测量设施，广泛应用于世界各地的水土保持监测科研及生产。

径流小区径流量和土壤侵蚀的传统监测方法，一般用分水箱和集流桶（池）收集径流泥沙。通过人工测量池/桶水深计算产流量，通过人工采集浑水样测定含沙量（单位体积的干沙重量，g/L），最后通过产流总量和含沙量计算泥沙总量和侵蚀模数。

传统测量方法费时费力，并且测量误差大，其主要原因是：（1）分水箱或集流桶本身体积较大，很难搅匀浑水样；（2）泥沙颗粒沉降速度很快，例如， 2 mm的砂粒沉降1 m只需要0.3秒的时间，使桶内浑水含沙量很难处于均匀分布状态，导致搅拌法采集浑水样的含沙量误差较大。

发明内容

本发明提供一种径流含沙量测量装置及方法，目的在于节省人力，并能够准确测量径流含沙量。

第一方面，本发明实施例提供了一种径流含沙量测量装置，包括：

采样模块，其包括的排水通道与所述径流泥沙测量模块连接，用于采集水样并将所述水样通过所述进排水通道输送至所述径流泥沙测量模块；

所述径流泥沙测量模块包括分水器、测量器和控制器；所述控制器分别与所述分水器和所述测量器连接；所述分水器用于将接收到的至少部分所述水样输送至所述测量器；所述测量器用于对接收到的所述水样进行含沙量测量，并在含沙量测量完毕之后排出所述水样；所述控制器用于控制所述分水器向所述测量器输送所述水样，或控制所述分水器直接排出所述水样，还用于控制所述测量器执行对所述水样的含沙量测量和排出所述水样。

第二方面，本发明实施例提供了一种径流含沙量测量方法，基于第一方面所述的径流含沙量测量装置，包括：

采样模块采集水样，若所述水样经所述进排水通道输出，启动径流泥沙测量模块；

所述分水器将至少部分所述水样输送至测量器，通过所述测量器对所述水样的含沙量进行测量，得到水样含沙量测量结果，所述分水器将其余所述水样排出。

本发明提供的一种径流含沙量测量装置及方法，解决了人工采集浑水样测定含沙量费时费力，并且测量误差大的问题，实现了节省人力，并能够准确测量径流含沙量的效果。且分水器使用损耗低，有助于降低径流含沙量测量装置的制造成本和维护成本，并延长装置使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例一中的径流含沙量测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一中的径流泥沙测量模块的结构图；

图3为本发明实施例一中的分水器的结构图；

图4为本发明实施例一中的采样模块的结构图；

图5为本发明实施例一中的测量器的结构图；

图6为本发明实施例一中的控制器的结构示意图；

图7为本发明实施例二中的径流含沙量测量分法的流程图。

其中：1-翻转开关、2-普通翻斗、3-采样器、4-采样排水管、5-排水管、6-控制器、7-分水器、8-测量器、9-电动滑轨、10-分水盒、11-溢流出水管、12-采样出水管、13-隔断、14-进水管、15-称重传感器、16-石英玻璃容器、17-放水阀电机、18-放水阀、19-阀盖、20-水位电机、21-移动探针、22-第一固定探针、23-水位探测器、24-第二固定探针、25-电机驱动电路、26-称重模数转换器、27-单片机、28-电机驱动模块、29-水位模块、30-流量模块、31-称重模块、32-流量校正模块、33-含沙量测量模块、34-标校模块、35-应答输出模块、36-流程模块。

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，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本实施例中提供一种径流含沙量测量装置，适用于径流小区中，用于测量径流含沙量。如图1所示，该径流含沙量测量装置包括：采样模块和径流泥沙测量模块。

采样模块，其包括的进排水通道与所述径流泥沙测量模块连接，用于采集水样并将所述水样通过所述进排水通道输送至所述径流泥沙测量模块；

所述径流泥沙测量模块包括分水器、测量器和控制器；所述控制器分别与所述分水器和所述测量器连接；所述分水器用于将接收到的至少部分所述水样输送至所述测量器；所述测量器用于对接收到的所述水样进行含沙量测量，并在含沙量测量完毕之后排出所述水样；所述控制器用于控制所述分水器向所述测量器输送所述水样，或控制所述分水器直接排出所述水样，还用于控制所述测量器执行对所述水样的含沙量测量和排出所述水样。

其中，采样模块可以用于采集径流的水样，其可以包括进排水通道，将采集到的水样排出，进排水通道与所述径流泥沙测量模块连接，那么含有泥沙的水样就会进入径流泥沙测量模块，以便径流泥沙测量模块对水样的含沙量进行测量。径流泥沙测量模块包括分水器、测量器和控制器。分水器可以接收采样模块输送的水样，其与控制器连接，接收控制器的控制信号，将部分或全部的水样输送至测量器，测量器主要用于测量接收到的水样的含沙量。测量器与控制器连接，根据控制器的控制信号执行含沙量测量，然后将水样排出。测量器可以采用比重法计算含沙量，例如获取水样的体积和重量，根据水和泥沙的比重，计算水样的含沙量。分水器在控制器的控制之下，交替执行输送水样给测量器和直接排出水样，例如，执行向测量器输送水样，然后执行直接排出水样，再执行向测量器输送水样，如此交替；控制器还可以根据水样流量的大小调整向测量器输送水样的时间和直接排出水样的时间的时间长度。

如图2所示，径流泥沙测量模块包括分水器7、测量器8和控制器6。控制器6可以分别与分水器7和测量器8信号连接，可以向分水器7和测量器8发送相应的控制信号，也可以接收分水器7和测量器8反馈的数据信号。控制器6与分水器7和测量器8的信号连接，可以是有线连接或者无线连接，在此不做限定。

如图3所示，所述分水器可以包括进水管14、平移组件9和分水盒10；所述进水管14的进水端连通采样模块的进排水通道，出水端设置于所述分水盒10上方；所述分水盒10包括第一盒腔和第二盒腔，所述第一盒腔和所述第二盒腔均于顶部设有进水开口，所述第一盒腔于底部设有溢流出水管11，所述第二盒腔于底部设有采样出水管12；所述平移组件9与所述进水管14连接，平移组件9能够带动所述进水管14的出水端移动至所述第一盒腔的进水开口上方或移动至所述第二盒腔的进水开口上方。其中，测量器可以设置在采样出水管12的下方，接收经采样出水管12输送的水样。进水管14的进水端可以通过软管连通采样模块的进排水通道，出水端设置于分水盒10上方，示例性的，如图3中，出水端的开口可以设置为朝下，进水管14可以设置为L型管，平移组件9可以与进水管14靠近出水端的部分固定连接，如此平移组件9可以带动进水管14沿水平方向直线移动，以使进水管14的出水端可以移动至第一盒腔的进水开口上方或移动至第二盒腔的进水开口上方，从而控制水样进入第一盒腔经溢流出水管11直接排出，或者控制水样进入第二盒腔经采样出水管12输出至测量器。

所述分水盒10可以包括盒体和隔断13，所述隔断13设置在所述盒体内，以将所述盒体隔为第一盒腔和第二盒腔。其中，盒体可以是采用金属材料制作的，其上开口可以为矩形，隔断13将盒体分割为两部分，即将盒体隔为第一盒腔和第二盒腔。可以理解的是，分水盒10的第一盒腔和第二盒腔也可以分离设置，也就是设置两个独立的盒子，可以间隔或贴紧排布，从而组成分水盒。

可选的，所述第一盒腔的容积大于所述第二盒腔的容积。第一盒腔较大可以提高结构的缓冲能力，防止在水量较大的情况下，水样进入分水盒的第一盒腔时溢出或飞溅进第二盒腔，进而流入测量器，增加测量误差。可选的，隔断13的上沿低于盒体的上开口。如果进水管14的出水端处于第二盒腔上方，将水样输送至测量器时，水样流量较大，可能出现水样不能及时经采样出水管12输出，那么从第二盒腔溢出的水样会优先进入第一盒腔，然后经溢流出水管11直接排出。所述平移组件9可以为电动滑轨，滑轨与分水盒平行设置，以便带动进水管14移动。本实施例中设置的分水器，与所述测量器无物理连接，因此到径流的水样进入分水器时，都可以保证测量器能够处于静止的、无干扰的环境下，有效消除流动液体振动对重量和容积测量带来的影响。同时，测量水样往往含有大量泥沙颗粒且泥沙会快速沉淀，会引起传统阀门在开闭期间出现阀门堵塞和磨损，而分水器一直处于水路畅通的状态下，含有泥沙的液体处于流动状态且无堵塞卡顿，提高了装置的可靠性和使用寿命。另外，在泥沙环境下，一般在水路中常会使用蝶阀，但是蝶阀能耗高，易磨损，在野外使用维护和供电难度大，而分水器则可以降低损耗，有助于降低径流含沙量测量装置的制造成本和维护成本。

如图4所示，所述采样模块可以包括翻斗2、翻转开关1、排水管5、采样器3和采样排水管4，所述翻斗2设置于所述采样器3上方，所述采样器3与所述采样排水管4的一端连接，所述采样排水管4的另一端与所述径流泥沙测量模块连接；所述翻转开关1与所述控制器连接，所述控制器还用于记录所述翻转开关1的开关触发时间，根据所述翻转开关1的开关触发时间间隔，计算流量。其中，采样模块的排水通道包括排水管5和采样排水管4。采样排水管4用于与径流泥沙测量模块连接，具体可以是与图3中进水管14连通。采样器3将自身采集到的水样经采样排水管4输送至径流泥沙测量模块，而采样模块的排水管5将采样模块中的其余水样直接排放掉。图4中采样器3设置有两个，分别对应翻斗倾倒水的两侧，相应的，采样排水管4设置为Y型管，其中两个接头与两个采样器3一一对应连接。采样翻斗抽取部分径流，形成舒缓小流量液体，进入径流泥沙测量模块，避免径流冲击对测量器的重量测量和容积测量带来的干扰，造成含沙量测量误差增大。

如图5所示，所述测量器包括测量容器16、称重传感器15、水位探测器23和放水阀18，所述测量容器16分别与所述称重传感器15、所述水位探测器23和所述放水阀18连接；所述测量容器16的底部由所述放水阀18封堵，所述放水阀18用于控制所述测量容器16的底部的开闭。其中，称重传感器15与测量容器16的顶端固定连接，用于称量测量容器16的重量。所述测量容器16的材质为石英玻璃。所述水位探测器23为移动式探针水位探测器，包括第一固定探针22、第二固定探针24、移动探针21和水位电机20；所述移动探针21与所述水位电机20连接；其中所述第一固定探针22提供源信号，所述第二固定探针24提供液面满溢信号；所述移动探针21由所述水位电机20驱动做上下竖直运动，探测液面位置。本发明实施例中的测量器，对所述石英玻璃容器内液体进行容积测量，无采样溢出装置；保证样品为真实径流的抽取取样，可选的，溢出装置高于第二固定探针24，仅在设备采样时断电或故障时，保护设备损坏或故障扩大。现有的一些装置为保证采集样品为恒定容量，设置了溢出装置，但径流泥沙沉降很快，溢出装置流出的液体为含沙量较小的部分，相对增大了被测样品的含沙量，增大了测量误差。

所述放水阀18包括放水阀电机17和阀盖19；所述放水阀电机17和所述阀盖19连接；所述阀盖19设置为圆锥形。阀盖19在放水阀电机17的驱动下堵住测量容器16底部以便蓄积水样或打开测量容器16底部以便排出水样。放水阀，可以采用大口径大面积柔性拍合设计，阀盖采用圆锥形设计。由于径流泥沙快速沉降，泥沙沉积在出水口，大口径利于泥沙快速冲出，减小泥沙堆积，锥形阀门，防止泥沙滞留，进一步减小容积测量误差；大面积柔性拍合启闭，可防止小颗粒泥沙堵塞，导致阀门漏水。

如图6所示，所述控制器6包括单片机27、电机驱动电路25和称重模数转换器26；所述电机驱动电路25与所述电动滑轨、所述水位探测器和所述放水阀连接；所述称重模数转换器26与所述称重传感器连接。其中，所述单片机可以包括流程模块36、电机驱动模块28、标校模块34、流量模块30、称重模块31、水位模块29、含沙量测量模块33、流量校正模块32和应答输出模块35；所述流程模块36与所述电机驱动模块28、标校模块34、流量模块30、称重模块31、水位模块29、含沙量测量模块33、流量校正模块32和应答输出模块35连接。所述标校模块34与所述电机驱动模块28、称重模块31和水位模块29连接；所述含沙量测量模块33与所述电机驱动模块28、称重模块31和水位模块29连接；所述流量校正模块32与流量模块30和含沙量测量模块33连接。所述应答输出模块35与流量模块30、流量校正模块32和含沙量测量模块33连接。所述流量模块30与所述翻转开关连接。所述电机驱动模块28与所述电机驱动电路25连接；所述称重模块31与所述称重模数转换器26连接。所述水位模块29与水位探测器连接。可以理解的是，上述单片机所包括的各模块是由单片机的硬件和软件实现的功能模块。

所述标校模块34用于校准测量器相关基准，包括：第一步，在所述采集器上方放置砝码，校准重量测量基准；第二步，向所述石英玻璃容器注入约容器容量约一半的液体（比重已知，可选的，水），由所述水位模块得到液体重量和水位探测器移动步距；第三步，再次向所述石英玻璃容器注入约容器容量约一半的液体（比重已知），由所述水位模块得到液体重量和水位探测器移动步距；可选的液体，水，重量与容积数值一致，校准所述水位探测器移动步距的容量基准。

本实施例提供的径流含沙量测量装置，还可以实现监测径流过程，作为径流小区径流及泥沙含量监测中的自动监测设备。含沙量测定范围宽泛，适于野外工作，具备较强的稳定性。

实施例二

图7为实施例二中的一种径流含沙量测量方法的流程图，该方法基于实施例一提供的任意径流含沙量测量装置，包括：

S110、采样模块采集水样，若所述水样经所述进排水通道输出，启动径流泥沙测量模块；

S120、所述分水器将至少部分所述水样输送至测量器，通过所述测量器对所述水样的含沙量进行测量，得到水样含沙量测量结果，所述分水器将其余所述水样排出。

所述采样翻斗翻转，所述翻转开关驱动所述流量模块；所述流量模块驱动所述流程模块，所述流程模块启动所述含沙量测量模块；所述含沙量测量模块驱动所述电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动所述电机驱动电路，所述电机驱动电路驱动所述放水阀，所述放水阀打开；所述含沙量测量模块驱动所述电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动所述电机驱动电路，所述电机驱动电路驱动电动滑轨，将所述分水盒的所述进水管与所述采样出水管连接，液体冲刷所述石英玻璃容器；所述含沙量测量模块驱动所述电机驱动电路，所述电机驱动电路将所述分水盒的所述进水管与所述溢流出水管连接，液体排出；所述含沙量测量模块驱动所述电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动所述电机驱动电路，所述电机驱动电路驱动所述水位探测器，使得所述水位探测器到达预定水位；所述含沙量测量模块驱动所述电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动所述电机驱动电路，所述电机驱动电路驱动所述放水阀，所述放水阀关闭；所述含沙量测量模块驱动所述称重模数转换器，测量所述采集器毛重；所述含沙量测量模块驱动所述电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动所述电机驱动电路，所述电机驱动电路将所述分水盒的所述进水管与所述采样出水管连接，所述石英玻璃容器开始进入液体；直到液体水位达到预定水位，所述水位探测器向所述含沙量测量模块发出信号；所述含沙量测量模块驱动所述电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动所述电机驱动电路，所述电机驱动电路将所述分水盒的所述进水管与所述溢流出水管连接，液体排出；所述含沙量测量模块驱动所述称重模数转换器，测量所述采集器重量；所述含沙量测量模块驱动所述电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动所述电机驱动电路，所述电机驱动电路驱动所述水位探测器，使得所述水位探测器到达液体表面，所述水位探测器向所述含沙量测量模块发出信号，计算液体容积；进而根据净重和容积计算出含沙量。

所述流量模块记录所述采样翻斗翻转时间间隔，根据流量和含沙量对时段径流量进行修正。

本实施例提供的径流含沙量测量方法，可以基于径流含沙量测量装置实现径流和含沙量的自动测量，测量结果准确，多次测量的结果可靠性高。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种径流含沙量测量装置，其特征在于，包括：

采样模块，其包括的进排水通道与径流泥沙测量模块连接，用于采集水样并将所述水样通过所述进排水通道输送至所述径流泥沙测量模块；

所述径流泥沙测量模块包括分水器、测量器和控制器；所述控制器分别与所述分水器和所述测量器连接；所述分水器用于将接收到的至少部分所述水样输送至所述测量器；所述测量器用于对接收到的所述水样进行含沙量测量，并在含沙量测量完毕之后排出所述水样；所述控制器用于控制所述分水器向所述测量器输送所述水样，或控制所述分水器直接排出所述水样，还用于控制所述测量器执行对所述水样的含沙量测量和排出所述水样；

其中，所述采样模块包括翻斗、翻转开关、排水管、采样器和采样排水管，所述翻斗设置于所述采样器上方，所述采样器与所述采样排水管的一端连接，所述采样排水管的另一端与所述径流泥沙测量模块连接；所述翻转开关与所述控制器连接，所述控制器还用于记录所述翻转开关的开关触发时间，根据所述翻转开关的开关触发时间间隔，计算流量；

所述分水器包括进水管、平移组件和分水盒；所述进水管的进水端连通所述进排水通道，出水端设置于所述分水盒上方；所述分水盒包括第一盒腔和第二盒腔，所述第一盒腔和所述第二盒腔均于顶部设有进水开口，所述第一盒腔于底部设有溢流出水管，所述第二盒腔于底部设有采样出水管；所述平移组件与所述进水管连接，能够带动所述进水管的出水端移动至所述第一盒腔的进水开口上方和移动至所述第二盒腔的进水开口上方。

2.根据权利要求1所述的径流含沙量测量装置，其特征在于，所述分水盒包括盒体和隔断，所述隔断设置在所述盒体内，以将所述盒体隔为所述第一盒腔和所述第二盒腔。

3.根据权利要求2所述的径流含沙量测量装置，其特征在于，所述第一盒腔的容积大于所述第二盒腔的容积。

4.根据权利要求3所述的径流含沙量测量装置，其特征在于，所述平移组件为电动滑轨。

5.根据权利要求4所述的径流含沙量测量装置，其特征在于，所述测量器包括测量容器、称重传感器、水位探测器和放水阀，所述测量容器分别与所述称重传感器、所述水位探测器和所述放水阀连接；所述测量容器的底部由所述放水阀封堵，所述放水阀用于控制所述测量容器的底部的开闭。

6.根据权利要求5所述的径流含沙量测量装置，其特征在于，所述测量容器的材质为石英玻璃。

7.根据权利要求5所述的径流含沙量测量装置，其特征在于，所述水位探测器为移动式探针水位探测器，包括第一固定探针、第二固定探针、移动探针和水位电机；所述移动探针与所述水位电机连接；其中所述第一固定探针提供源信号，所述第二固定探针提供液面满溢信号；所述移动探针由所述水位电机驱动做上下竖直运动，探测液面位置。

8.根据权利要求5所述的径流含沙量测量装置，其特征在于，所述放水阀包括放水阀电机和阀盖；所述放水阀电机和所述阀盖连接；所述阀盖设置为圆锥形。

9.根据权利要求5所述的径流含沙量测量装置，其特征在于，所述控制器包括单片机、电机驱动电路和称重模数转换器；所述电机驱动电路与所述电动滑轨、所述水位探测器和所述放水阀连接；所述称重模数转换器与所述称重传感器连接。

10.一种径流含沙量测量方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的径流含沙量测量装置，包括：

采样模块采集水样，若所述水样经所述进排水通道输出，启动径流泥沙测量模块；

所述分水器将至少部分所述水样输送至测量器，通过所述测量器对所述水样的含沙量进行测量，得到水样含沙量测量结果，所述分水器将其余所述水样排出。

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