CN113933201A - 一种测量全场景径流泥沙的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量全场景径流泥沙的装置及方法，包括箱体及设置于箱体顶部的控制部分和供电部分，箱体内对应控制部分设置有采样组件，采样组件包括环道滑轨，环道滑轨上安装有若干个采样杯，环道滑轨的环内设置有杯盖组件，箱体的第一侧壁对应采样杯设置有进样组件，若干个采样杯的上方对应控制部分设置有电子秤，电子秤的一侧连接有识卡器、电子秤的上方设置有超声波测距仪，若干个采样杯还配置有机械爪组件，箱体的侧壁对应控制部分设置有操作控制组件，箱体侧壁开设有取样观察窗口。本发明还公开了一种测量全场景径流泥沙的方法，本发明通过使用本装置进行全场景径流泥沙的测量，提高了测量的精度和效率。

Description

一种测量全场景径流泥沙的装置及方法

技术领域

本发明属于流域泥沙测量技术领域，具体涉及一种测量全场景径流泥沙的装置，还涉及一种测量全场景径流泥沙的方法。

背景技术

为更好的调研水土流失情况，提高旱区水土保持和生态修复的科学技术水平，需要对径流过程中的浑水进行采样，然后通过测量样品中泥沙含量来分析得到流域的水土流失规律。当前测量径流泥沙含量方法有多种，如烘干法，即在测量采取到的样品原重后进行烘干再测量得到泥沙重量，从而确定浑水中泥沙含量，但该方法需要长时间的高温烘干，导致土壤的有机碳化，从而造成较大的测量误差，且成本高，时间代价大。现有泥沙采样多为人工形式，采样效果较差且效率低，如在野外一天仅测量一次，测量人员来回通勤时间长，费时费力；或一分钟/次，连续测量十八次，实现测量则至少需要三人才能完成，且操作易出错，导致径流泥沙测量误差率较大，难以实现准确测量。现有技术在进行径流泥沙测量时，存在无法适应多场景径流泥沙的测量，无法实现实时在线检测的高精度径流泥沙含量测量，因此，综合来看，目前对于径流泥沙含量的测量，存在测量精度和适应度有待进一步提高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量全场景径流泥沙的装置及方法，解决了目前径流泥沙测量过程中，测量精度和适应度有待提高的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种测量全场景径流泥沙的装置，包括箱体及设置于箱体顶部的控制部分和供电部分，箱体内对应控制部分设置有采样组件，采样组件包括环道滑轨，环道滑轨上安装有若干个采样杯，环道滑轨的环内设置有杯盖组件，箱体的第一侧壁对应采样杯设置有进样组件，若干个采样杯的上方对应控制部分设置有电子秤，电子秤的一侧连接有RFID识卡器、电子秤的上方设置有超声波测距仪，若干个采样杯还配置有机械爪组件，箱体的第二侧壁对应控制部分设置有操作控制组件，箱体的第三侧壁开设有取样观察窗口。

本发明的特点还在于，

控制部分包括PLC控制器，PLC控制器连接电机驱动器、终端检测设备以及电子秤控制终端。

供电部分包括胶体电池、柔性光伏板以及光伏逆变器一体机，柔性光伏板和胶体电池通过光伏逆变器一体机连接电机驱动器。

进样组件包括对应控制部分设置的三通电动球阀，三通电动球阀的两通导通连接有注样管，三通电动球阀的第三通导通连接有采样口。

机械爪组件包括对应控制部分设置的机械爪，箱体内对应机械爪设置有机械爪轨道，机械爪对应杯盖组件设置有电磁铁吸盘。

杯盖组件包括对应控制部分设置的杯盖托台和杯盖滑轨，杯盖托台上置有若干个杯盖，每个杯盖上部的至少一部分为铁材质。

操作控制组件包括对应控制部分设置的触摸屏和急停按钮及指示灯。

本发明的另一个技术方案是，

一种测量全场景径流泥沙的装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：在触摸屏进行操作设置，在对应位置放置设定数量的空的采样杯和杯盖，打开总开关，PLC控制器通过光电传感器巡检是否有无杯盖的空的采样杯，若无则结束动作，若有则控制环道滑轨确定其上的第一的采样杯的基准注水工位，控制环道滑轨动作将第一的采样杯移至注样管，控制三通电动球阀打开进行注样，注样完成后控制滑环道轨动作移动第一的采样杯至机械爪的工位；

步骤2：PLC控制器控制机械爪在机械爪轨道上动作，叉取并移动第一的采样杯至RFID识卡器处进行杯号的识别，控制机械爪动作移动第一的采样杯至电子秤，电子秤测取浑水重量，超声波测距仪测取浑水高度，获取样品泥沙含量的数据并保存数据；

步骤3：PLC控制器控制杯盖托台在杯盖滑轨上移动至对应位置，控制机械爪动作移动至杯盖托台并给电磁铁吸盘上电进行第一个杯盖的吸取；杯盖检测传感器检测杯盖完成吸取后，杯盖托台将下一个杯盖向上推动一个杯盖的位置，杯盖托台和机械爪动作回位；

步骤4：PLC控制器控制机械爪将第一的采样杯移动至滑轨环道上，控制电磁体吸盘断电将杯盖盖住第一的采样杯，控制环道滑轨转动一个工位并将第一的采样杯存储在环道滑轨上保存，完成一次径流泥沙测量，装置根据测量操作设置继续进行下一轮的测量。

本发明的有益效果是：本发明一种测量全场景径流泥沙的装置，考虑到其使用场景及实际需求，设计实现了整体结构防水，支持野外测试，达到了IP54等级标准；对于不同场景测量要求，如一天采样一次或连续测量，设计了可调节采样时间间隔，实现多场景灵活的径流泥沙测量；该装置中添加无线通讯，可将数据上传到监控上位机，支持远程和就地控制，降低了进行测量时的时间和人力成本，可以在市区终端实时收集到野外设备测量的径流泥沙数据，在较大程度上提高了工作效率；采用模块化设计，通过保护功能设计，对于设备的后续使用具有易维护的优势。采用全场景自动化测量方式，数据在线实时采集，测量结果自动上传，解决了人工操作时测量误差大的问题。测量泥沙含量范围上达到0-120公斤/立方米，测量误差精度达到±1％以内，实现高精度、宽范围、全场景的自动径流泥沙含量测量。

附图说明

图1是本发明一种测量全场景径流泥沙的装置及方法中一种测量全场景径流泥沙的装置的结构示意图；

图2是本发明一种测量全场景径流泥沙的装置及方法中一种测量全场景径流泥沙的方法的流程示意图。

图中，1.采样口；2.机械爪；3.电磁铁吸盘；4.RFID识卡器；5.PLC控制器；6.电机驱动器；7.光伏逆变器一体机；8.电子称控制终端；9.终端检测设备；10.柔性光伏板；11.超声波测距仪；12.触摸屏；13.观察窗口；14.取采样杯窗口；15.急停按钮及指示灯；16.胶体电池；17.环道滑轨；18.电子秤；19.杯盖；20.杯盖托台；21.杯盖检测传感器；22.采样杯；23.注水口；24.三通电动球阀；25.溢流口；26.光电传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种测量全场景径流泥沙的装置，如图1所示，装置的大小为1800×1300×1600。第一部分为控制及供电部分，正常工作时，由市电进行供电使装置正常工作，其中，当市电无法被提供时，由柔性光伏板10与胶体电池16共同连接光伏逆变器一体机7，通过光伏逆变器一体机7供电在短时间内保证装置的正常工作。由PLC控制器5连接电机驱动器6、光伏逆变器一体机7、电子秤控制终端8，组成装置的整体控制模块。其中PLC控制器5控制着整个装置的逻辑动作，通过电机驱动器6保证装置各动作模块正常工作。

第二部分为径流采样及泥沙测量部分，其中采样口1用于接取外部径流，径流通过采样口1流进装置，三通电动球阀24的开通和闭合决定径流能否能正常注水，通过PLC控制器5控制其开闭，三通电动球阀24打开径流流入内部，通过注水口23进行对采样杯的注水采样，三通电动球阀24关闭后剩余径流从溢流口25流出；电子秤18和超声波测距仪11共同工作完成径流中泥沙含量的测量，其中电子称18用来测量浑水的重量，超声波测距仪11测量浑水的液面高度；通过RFID识卡器4用来检测采样杯22底部带有的RFID卡，从而得到采样杯22的参数信息用来完成径流泥沙量含量计算，并将采样测量得到的信息进行标识。通过机械爪2叉取采样杯22完成的接径流样品、测高度、测重量、识别采样杯号等一系列动作，实现对采样杯22中径流样品泥沙含量的测量。

第三部分为采样运输及保存部分，主要由环道滑轨17、机械爪2、采样杯22、杯盖19、杯盖托台20构成，其中机械爪2上含有电磁铁吸盘3。通过控制机械爪2的移动来完成采样杯22从环道滑轨17到电子秤18的动作，及完成测量后采样杯22的复位动作；电磁铁吸盘3通电产生磁力用来吸取中心区域为铁材质的杯盖19，通过机械爪2的移动带动电磁铁吸盘3所吸取的杯盖19到完成测量移动回环道滑轨17的采样杯22上，断电消除电磁铁吸盘3电磁力完成杯盖19的放置；环道滑轨17能够实现采样杯22的保存及空杯运输功能，是构成径流泥沙自动测量不可缺少的部分。

第四部分为触摸屏操作部分，主要由急停按钮及指示灯15、触摸屏12、终端检测设备9构成，触摸屏12上安装有急停按钮及指示灯15，其中当装置运行过程中有紧急状况时可以按下急停按钮指示灯15的急停按钮进行急停；可以通过急停按钮及指示灯15上的电源运行指示灯判断装置是否正常运行，其中通过可从观察窗口13对装置运行状态进行观测；其中，终端检测设备9用来将采集到的实验数据进行远程上传及接受远程的操作控制信号，实现装置的实时在线检测；其中主要通过触摸屏交互界面操作全场景径流泥沙自动测量系统，完成装置运行过程的监控与控制。

如图2所示，当进行径流泥沙含量数据获取时，在保证正常装置正常工作前提下，人工给装置环道滑轨17放置空的采样杯22，给杯盖托台20处放置杯盖19，准备进行径流泥沙采样；PLC控制器5启动，控制环道滑轨17和光电传感器26开始工作，环道滑轨17转动进行巡检转动，通过光电传感器26判断环道滑轨17上放置的采样杯22是否为空杯，采样杯22为透明杯体，是否盖有杯盖19，若环道滑轨17上没有无杯盖空的采样杯22时，装置结束动作；当环道滑轨17上放置的采样杯22存在无杯盖空的采样杯22时，进行基准确定第一的采样杯22的位置，并将基准采样杯22通过环道滑轨17移动至注水口的工位；PLC控制器5控制三通电动球阀24给采样杯22注水。

注水结束，采样杯22中已有径流样品，接下来环道滑轨17进行动作，转动一个工位，将采样杯22移动至下一工位处准备进行浑水中的泥沙含量测量；机械爪2动作将采样杯22移至RFID识卡器4处进行杯号的识别，获取采样杯的信息；机械爪2动作，将注有径流样品的采样杯22移动至电子秤18称重处，采样杯22在电子秤18上停留一段时间，等待水面平稳；超声波测距仪11动作发出超声波对此时浑水液面高度进行测量，同时电子秤18动作，对采样杯22重量进行测量，将测量信息输入到系统中减去杯子自重后，计算得到采样杯22中泥沙含量；同时杯盖托台20动作，将杯盖19移动至杯盖吸取的工位处，同时机械爪2动作移动至杯盖19上方，吸盘磁铁3通电后，机械爪2下移吸取杯盖19；杯盖吸取成功后，杯盖托台20、机械爪2动作复位，其中杯盖19处的杯盖检测传感器21检测到杯盖19吸取处无杯盖，将杯盖托台20上存储的杯盖19向上拖动一个工位；电子秤18上的采样杯22测高测重结束后，机械爪2动作将装有浑水的采样杯22移至环道滑轨17上，将机械爪2通过电磁铁吸盘3吸取的杯盖19放置到采样杯22的上方，断电将杯盖19盖到采样杯22上，完成一次采样并进行样品保存；

判断此时环道滑轨17上无杯盖的采样杯22是否已全部完成采样，若还存在无杯盖的采样杯22，环道滑轨17动作，将无杯盖的采样杯22移至注水口工位等待下一次径流采样获取泥沙含量，其中，每次径流泥沙测量时间间隔可调节；若已完成全部采样，则径流泥沙自动测量装置完成测量，结束流程，等待实验人员清理采样杯22，重新人工给装置环道安放无杯盖的采样杯22、给杯盖托台20上放置杯盖19。

本发明一种测量全场景径流泥沙的方法，按照以下步骤进行：

步骤1：在触摸屏12上进行操作设置径流泥沙测量操作设置。给径流泥沙采样装置环道滑轨17上放置空采样杯22，打开总开关，PLC控制器5通过光电传感器26巡检是否有无杯盖19的空的采样杯22，若无则结束动作，若有则控制环道滑轨17确定其上的第一的采样杯22的基准注水工位，控制环道滑轨17动作将第一的采样杯22移至注样管23，控制三通电动球阀24打开进行注样，注样完成后控制滑环道轨17动作移动第一的采样杯22至机械爪2的工位；

步骤2：环道滑轨17转动一个工位，通过PLC控制器5控制机械爪2动作，移动采样杯22至RFID识卡器4处进行杯号识别，识别后控制机械爪2动作移动采样杯22至电子秤18上，通过电子秤18测取浑水重量，同时通过超声波测距仪11测取浑水高度，将第一的采样杯22中浑水含沙量进行测量，将获取的数据根据经典比重法计算得到样品的泥沙含量，保存数据。

步骤3：得到样品泥沙含量数据后，需对样品进行密封保存。控制机械爪2动作移动至杯盖托台20处，同时杯盖托台20动作移动至环道滑轨17旁边的取杯盖19工位，机械爪2上给电磁铁吸盘3通电后，机械爪2动作下移进行杯盖19的吸取。需要说明的是，上述杯盖19的作业还可以设置为第一的采样杯22移动至电子秤18上后即可进行，装置一边检测数据，同时另一边同时进行杯盖19的作业；

杯盖19吸取后，杯盖托台20处通过杯盖检测传感器21检测是否完成杯盖19吸取，若检测出无杯盖19，则杯盖托台20向上移动一个杯盖19，准备一下次杯盖吸取，若检测出有杯盖19，则机械爪2和杯盖托台20复位，同时机械爪2动作，移动电子秤18上称重结束后的采样杯22移动至环道滑轨17上，控制机械爪2将吸取的杯盖19移动至采样杯22上方，电磁铁吸盘3断电放置杯盖19，完成采样杯22样品密封，一次径流样品泥沙含量测量结束。

步骤4：完成一次径流泥沙样品泥沙含量测量后，进行一次系统判断,判断装置内是否还有杯盖19、无杯盖空采样杯22。若是，则根据系统设置的采样间隔时间来进行下一次径流泥沙采样测量，达到全场景径流泥沙自动测量装置的目的。其中，在完成测量后可以将泥沙含量数据经过终端检测设备9中无线通讯功能对此数据进行上传，或实现远程操作。

本发明一种全场景径流泥沙自动测量装置及方法。机械部分采用模块化设计，提高了后期的维护效率和质量。特别的，为保证装置的正常工作，不仅使用市电进行装置供电，还进行了柔性光伏板与胶体电池相结合的另一种供电方案，提高了径流泥沙装置工作的可靠性。采用PLC逻辑控制，在一定程度上通过较为自动化的方式进行泥沙含量的测量，解决了人工操作时，泥沙含量测量精度不高、测量时费时费力的问题，实现准确的高精度径流泥沙测量。其中逻辑化并行测量操作，进一步缩短完成一次样品采样的时间，通过调节每次泥沙采样间隔时间，实现不同场景下径流泥沙测量含量的测量。

Claims (8)

1.一种测量全场景径流泥沙的装置，其特征在于，包括箱体以及设置于箱体顶部的控制部分和供电部分，所述箱体内对应控制部分设置有采样组件，所述采样组件包括环道滑轨(17)，所述环道滑轨(17)上安装有若干个采样杯(22)，所述环道滑轨(17)的环内设置有杯盖组件，所述箱体的第一侧壁对应采样杯(22)设置有进样组件，若干个所述采样杯(22)的上方对应控制部分设置有电子秤(18)，所述电子秤(18)的一侧连接有RFID识卡器(4)、所述电子秤(18)的上方设置有超声波测距仪(11)，若干个所述采样杯(22)还配置有机械爪组件，所述箱体的第二侧壁对应控制部分设置有操作控制组件，所述箱体的第三侧壁开设有取样观察窗口。

2.根据权利要求1所述的一种测量全场景径流泥沙的装置，其特征在于，所述控制部分包括PLC控制器(5)，所述PLC控制器(5)连接电机驱动器(6)、终端检测设备(9)以及电子秤控制终端(8)。

3.根据权利要求2所述的一种测量全场景径流泥沙的装置，其特征在于，所述供电部分包括胶体电池(16)、柔性光伏板(10)以及光伏逆变器一体机(7)，所述柔性光伏板(10)和胶体电池(16)通过光伏逆变器一体机(7)连接电机驱动器(6)。

4.根据权利要求1所述的一种测量全场景径流泥沙的装置，其特征在于，所述进样组件包括对应控制部分设置的三通电动球阀(24)，所述三通电动球阀(24)的两通导通连接有注样管(23)，所述三通电动球阀(24)的第三通导通连接有采样口(1)。

5.根据权利要求1所述的一种测量全场景径流泥沙的装置，其特征在于，所述机械爪组件包括对应控制部分设置的机械爪(2)，所述箱体内对应机械爪(2)设置有机械爪轨道，所述机械爪(2)对应杯盖组件设置有电磁铁吸盘(3)。

6.根据权利要求5所述的一种测量全场景径流泥沙的装置，其特征在于，所述杯盖组件包括对应控制部分设置的杯盖托台(20)和杯盖滑轨，所述杯盖托台(20)上置有若干个杯盖(19)，每个所述杯盖(19)上部的至少一部分为铁材质。

7.根据权利要求1所述的一种测量全场景径流泥沙的装置，其特征在于，所述操作控制组件包括对应控制部分设置的触摸屏(12)和急停按钮及指示灯(15)。

8.根据权利要求1所述的一种测量全场景径流泥沙的装置，一种测量全场景径流泥沙的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在触摸屏(12)进行操作设置，在对应位置放置设定数量的空的采样杯(22)和杯盖(19)，打开总开关，PLC控制器(5)通过光电传感器(26)巡检是否有无杯盖(19)的空的采样杯(22)，若无则结束动作，若有则控制环道滑轨(17)确定其上第一的采样杯(22)的基准注水工位，控制环道滑轨(17)动作将第一的采样杯(22)移至注样管(23)，控制三通电动球阀(24)打开进行注样，注样完成后控制滑环道轨(17)动作移动第一采样杯(22)至机械爪(2)的工位；

步骤2：PLC控制器(5)控制机械爪(2)在机械爪轨道上动作，叉取并移动第一的采样杯(22)至RFID识卡器(4)处进行杯号的识别，控制机械爪(2)动作移动第一的采样杯(22)至电子秤(18)，电子秤(18)测取浑水重量，超声波测距仪(11)测取浑水高度，获取样品泥沙含量的数据并保存数据；

步骤3：PLC控制器(5)控制杯盖托台(20)在杯盖滑轨上移动至对应位置，控制机械爪(2)动作移动至杯盖托台(20)并给电磁铁吸盘(3)上电进行第一个杯盖(19)的吸取；杯盖检测传感器(21)检测杯盖(19)完成吸取后，杯盖托台(20)将下一个杯盖(19)向上推动一个杯盖(19)的位置，杯盖托台(20)和机械爪(2)动作回位；

步骤4：PLC控制器(5)控制机械爪(2)将第一的采样杯(22)移动至滑轨环道(17)上，控制电磁体吸盘(3)断电将杯盖(19)盖住第一的采样杯(22)，控制环道滑轨(17)转动一个工位并将第一的采样杯(22)存储在环道滑轨(17)上保存，完成一次径流泥沙测量，装置根据测量操作设置继续进行下一轮的测量。

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