CN117054282A - 不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置及方法，包括测量桶，测量桶内从上到下依次设置有若干层筛网，筛网网孔按照从上到下的顺序依次递减；每层筛网上均设置有加热与称重部件；加热与称重部件与MCU微控制器电性相连；MCU微控制器用于控制测量桶内加热与称重部件的启闭以及数据计量；测量桶底部还设置整体称重部件，整体称重部件用于称取测量桶取样前后总重量，整体称重部件连接在振荡箱上；本发明的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置自带的振动烘干功能，可在有限时间内实现样品的采集和处理，层级过筛在采样后的处理过程中即可实现不同等级粒径泥沙含量的测定。
Description
技术领域
本发明属于水文与水资源、水利信息化监测技术领域，涉及不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，还涉及不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定方法。
背景技术
河流中泥沙的冲淤变化，对河道整治、防洪、航运及水工建筑物的修建都是一项十分重要的水文资料；此外由于强降雨、高密度开发引发水土流失所形成的表径流泥沙涌入大江大河，引发河道污染、水生态环境破坏等问题，含沙量分级定量精准监测能够为水土流失动态监测、网络精细化建设提供必要的基础数据。传统河道含沙量的测量方法分为外业取样和内业实验两个部分，经过采样(获取一定体积的水体)、沉淀、过滤、烘干、称重等一系列步骤，来获取采样的含沙量数据。传统的测定方法步骤繁琐，测量周期较长，由样品采集到内业处理极易造成较大的测量误差与样液的污染，难以为相关部门决策提供精准数据支撑。为此，科研工作者在测量水样含沙量方面做了大量的研究工作，力图能够提出集高精度、快速、自动化、高度集成、便携等功能于一体的测定装置。如何研发出自动化程度高、精确高、携带方便的测定装置对涉河工程建设及水土保持动态观测至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供不同等级粒径的高精度便携式集成度高的泥沙含量测定装置，能快速实现对不同等级粒径含沙量高精度便携式泥沙测定。
本发明的目的还在于提供不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，包括测量桶，测量桶内从上到下依次设置有若干层筛网，筛网网孔按照从上到下的顺序依次递减；每层筛网上均设置有加热与称重部件；加热与称重部件与MCU微控制器电性相连；MCU微控制器用于控制测量桶内加热与称重部件的启闭以及数据计量；测量桶底部还设置整体称重部件，整体称重部件用于称取测量桶取样前后总重量，整体称重部件通过螺纹连接的方式连接在振荡箱上。
本发明的特点还在于：
加热与称重部件包括加热片以及压力片，加热片以及压力片固定在加热与称重支撑部件上，加热与称重支撑部件紧靠筛网的上下表面设置；加热片和压力片分别与温度信号转换模块和压力信号转换模块连接，通过线路与MCU微控制器电性连接。
测量桶底部开有引流孔，引流孔与位于震荡箱底部的排水孔通过管道相连用于排出测量桶内水分，引流孔处设有止水阀，止水阀与MCU微控制器电性连接；测量桶与振荡箱之间螺纹连接。
振荡箱底部还设置有振荡器控制装置，振荡器控制装置正面设置有振荡器显示屏、振荡器显示灯以及启闭开关。
MCU微控制器上设置有供信号传输的天线，MCU微控制器的操作平台上还分别设置有加热与称重显示屏、电源开关、调温旋钮、归零按钮、加热与称重显示灯，温控器设置在MCU微控制器中，归零按钮保证每次测定前对装置的初始化。
测量桶的上部设置有手握提手，测量桶由多个采集桶通过螺纹连接的方式连接而成，每个采集桶内布置一层筛网；每个采集桶的上部和下部分别设有用于组装连接的外丝和内丝。
筛网通过橡胶止水卡槽及筛网固定扣固定在测量桶设定位置，同时可实现多层拆卸与组装；筛网数量≥5层。
本发明测定装置结构新颖独特，结构小巧，便携，安装操作简单；通体使用不锈钢材质补刷防锈漆，运行安全稳定；只需接通电源就可以实现含沙量的自动化测定，耗电量低；能够实现数据的线上传输，可以广泛的应用于含沙量的测定工作。
本发明所采用的第二种技术方案是，不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定方法，包括使用测量桶采集指定位置含有泥沙的水样；采样后整体称重部件完成水样的初始压力测定；然后通过排水孔将水样中水分排出；然后开启振荡，通过不同孔径的筛网对各层特定等级的沙样进行筛分，最后进入沙样烘干阶段，对不同等级粒径沙样进行烘干称重，再根据计算模型计算水样中不同等级粒径泥沙含量；具体操作步骤如下：
步骤1：首次操作，将未采样测量桶放平，打开操作平台电源开关，按归零按钮去除测量桶净重；
步骤2：手握提手或系绳将泥沙含量测定装置放置在含有泥沙的水体中，将水体样本采集至测量桶内；
步骤3：在完成采样的基础上，待初始压力维持稳定后，接通电源打开电源开关，通过整体称重部件完成水样的初始压力测定，得出测定结果F总，通过线路可将数据传至MCU微控制器内，完成此步骤后关闭电源开关；
步骤4：开启止水阀，水流沿排水孔排出，然后进入振荡阶段；
步骤5：开启位于振荡器底部的控制装置的启闭开关，通过不同孔径的筛网将各层特定等级的沙样进行筛分，振荡器显示屏可实现对振荡过程的实时监控，振荡器显示灯可反应振荡器的工作状态；
步骤6：待排水孔内基本无水分排出后，进入沙样烘干阶段，再次打开电源开关，通过调温旋钮使得各层加热片温度升高，使筛网上的泥沙不断接近干容重，温度信号转换模块与压力信号转换模块可通过线路将压力信号及温度信号在加热与称重显示屏显示，待显示屏上数据维持稳定后，此时可得到各层的压力即各层的沙样的重力Fi，正常工作时加热与称重显示灯为绿色，异常时为红色；归零按钮可完成对沙样的多次测定，初始化装置减少系统误差；
步骤7：计算不同粒径含沙量CSi：
式中：
CSi—第i层筛网粒径含沙量；
F总—测量桶取样后称重部件测得的初始压力即样品重量；
Fi—烘干后第i层筛网所测压力；
g—重力加速度；
ρ水—水密度，103kg/m3；
ρ沙—沙密度，1.6×103kg/m3；
i—自下而上漏网序号。
本发明的有益效果是：
本发明的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置自带的振动烘干功能，可在有限时间内实现样品的采集和处理，克服了泥沙含量测定对实验场所的依赖性，同时本装置的层级过筛在采样后的处理过程中即可实现不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定，后可通过传输系统直接线上输入电脑系统，形成分析文件，简洁、快速、准确地完成对河道含沙量的测定。除此之外本装置可拆卸可拼装，可实现对指定等级粒径含沙量的定制测定。
附图说明
图1是本发明不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置整体结构图
图2是本发明采集筒结构图。
图3是本发明加热与称重部件结构图。
图4是本发明测量桶与振荡器连接示意图。
图5是本发明MCU微控制器结构图。
图中：1：提手、2：测量桶、3：温度信号转换模块、4：压力信号转换模块、5：线路、6：整体称重部件、12：加热与称重部件、13：振荡箱、14：排水孔、15：振荡器控制装置、16：振荡器显示屏、17：振荡器显示灯、18：启闭开关、19：MCU微控制器、20：天线、21：操作平台、22：加热与称重显示屏、23：电源开关、24：调温旋钮、25：归零按钮、26：加热与称重显示灯；27：外丝、28：采集桶、30：内丝；12-1：加热片、12-2：压力片、12-3：加热与称重支撑部件、12-4：橡胶止水卡槽、12-5：筛网固定扣；6-1：整体称重部件连接内丝、13-1：震荡箱连接外丝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明，使本专业的技术人员能够按照本具体实施方式做出不同区域(大江大河等)或者监测断面(过水渠道或排水管口)泥沙含量精准监测装置，而且能够用本发明的装置监测该测点处不同等级粒径的泥沙含量。
实施例1
本发明的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，如图1-5所示，包括测量桶2，测量桶2内从上到下依次设置有若干层筛网，筛网网孔按照从上到下的顺序依次递减；每层筛网上均设置有加热与称重部件；所述加热与称重部件与MCU微控制器19电性相连；MCU微控制器19用于控制测量桶2内加热与称重部件的启闭以及数据计量；测量桶2底部还设置整体称重部件6，整体称重部件6用于称取测量桶2取样前后总重量，整体称重部件6通过螺纹连接的方式连接在振荡箱13上。
加热与称重部件包括加热片12-1以及压力片12-2，加热片12-1以及压力片12-2固定在加热与称重支撑部件12-3上，加热与称重支撑部件12-3紧靠筛网的上下表面设置；加热片12-1和压力片12-2分别与温度信号转换模块3和压力信号转换模块4连接，通过线路5与MCU微控制器19电性连接。
测量桶2底部开有引流孔，引流孔与位于震荡箱底部的排水孔14通过管道相连用于排出测量桶内水分，引流孔处设有止水阀，止水阀与MCU微控制器19电性连接；测量桶2与振荡箱13之间螺纹连接。
振荡箱13底部还设置有振荡器控制装置15，振荡器控制装置15正面设置有振荡器显示屏16、振荡器显示灯17以及启闭开关18。
整体称重部件6的底部设置有整体称重部件连接内丝6-1，与震荡箱上部的震荡箱连接外丝13-1螺纹连接。
MCU微控制器19上设置有供信号传输的天线20，MCU微控制器19的操作平台21上还分别设置有加热与称重显示屏22、电源开关23、调温旋钮24、归零按钮25、加热与称重显示灯26，温控器设置在MCU微控制器19中，归零按钮25保证每次测定前对装置的初始化。
测量桶2的上部设置有手握提手1，测量桶2由多个采集桶28通过螺纹连接的方式连接而成，每个采集桶28内布置一层筛网；每个采集桶28的上部和下部分别设有用于组装连接的外丝27和内丝30。
筛网通过橡胶止水卡槽12-4及筛网固定扣12-5固定在测量桶2设定位置，同时可实现多层拆卸与组装；筛网数量≥5层。
实施例2
本发明不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定方法，包括使用测量桶2采集指定位置含有泥沙的水样；采样后整体称重部件6完成水样的初始压力测定；然后通过排水孔14将水样中水分排出；然后开启振荡，通过不同孔径的筛网各层特定等级的沙样进行筛分，最后进入沙样烘干阶段，对不同等级粒径沙样进行烘干称重，再根据计算模型计算水样中不同等级粒径泥沙含量。
具体操作步骤如下：
步骤1：首次操作，将未采样测量桶放平，打开操作平台21电源开关23，按归零按钮25去除测量桶净重；
步骤2：手握提手1或系绳将泥沙含量测定装置放置在含有泥沙的水体中，将水体样本采集至测量桶2内；
步骤3：在完成采样的基础上，待初始压力维持稳定后，接通电源打开电源开关23，通过整体称重部件6完成水样的初始压力测定，得出测定结果F总，通过线路5可将数据传至MCU微控制器19内，完成此步骤后关闭电源开关23；
步骤3：开启止水阀，水流沿排水孔14排出；然后进入振荡阶段；
步骤5：开启位于振荡箱13底部的控制装置15的启闭开关18，通过不同孔径的筛网将各层特定等级的沙样进行筛分，振荡器显示屏16可实现对振荡过程的实时监控，振荡器显示灯17可反应振荡器的工作状态；
步骤6：待排水孔14内基本无水分排出后，进入沙样烘干阶段，再次打开电源开关23，通过调温旋钮24使得各层加热片12-1温度升高，使筛网上的泥沙不断接近干容重，温度信号转换模块3与压力信号转换模块4可通过线路5将压力信号及温度信号在加热与称重显示屏22显示，待显示屏上数据维持稳定后，此时可得到各层的压力即各层的沙样的重力Fi，正常工作时加热与称重显示灯26为绿色，异常时为红色，加热与称重显示灯26可直接反应烘干工作状态是否良好；归零按钮25可完成对沙样的多次测定，初始化装置减少系统误差；
步骤6：样品中各层等级粒径含沙量计算不同粒径含沙量CSi推导具体如下：
本装置通过整体称重部件完成水样的初始压力测定，得出测定结果F总，测定过程中测得烘干后各等级沙样压力Fi，进而根据CS＝WS/V、F＝mg、V＝m/ρ计算出不同粒径含沙量CSi＝f(F总,Fi,ρ水,ρ沙)，具体推倒过程如下：
式中：
CSi—第i层筛网粒径含沙量，kg/m3；
F总—测量桶取样后称重部件初始压力，N；
Fi—烘干后第i层筛网所测压力，N；
g—重力加速度，9.8m3/s；
ρ水—水密度，103kg/m3；
ρ沙—沙密度，1.6×103kg/m3；
i—自下而上漏网序号；1～5；
WSi—烘干后第i层筛网沙质量，kg；
V、V沙、V水—测量桶取样后样本总体积、沙体积、水体积，m3。
实施例3
本发明的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，能够使用本发明测定不同区域河道与渠道的泥沙含量组成、并实现数据的无线传输和实时监控。本发明所运用的采集测量桶与振荡器材质均为不锈钢。其中测量桶底面半径25cm，高为60cm，每层筛网间距为10cm，共设置5层；振荡器长60cm、宽60cm、高15cm，中间开26cm中孔用于放置测量桶。本发明中所述的支撑杆、垫板、固定支撑部件以及固定调平部件材质均为不锈钢，其尺寸大小本专业的技术人员在设计生产时可按照该装置适用的场景条件(河道、管道、渠道等规格)来自行定夺。
本发明的筛网及测量桶2均为可拆卸可拼装，采集桶28设计的内丝及外丝通过拧转即可实现拆卸拼装。在使用过程中可通过不同采集桶28及筛网的组合完成含沙量的订制测定。
本发明的创新点：
目前国内外的泥沙测定装置种类繁多，但由于价格昂贵、测量精度不高、使用环境的局限性等，使得它们的使用范围受到限制，难以大范围的推广使用。本次不同粒径泥沙自动测定装置结构简单，具有以下创新点:
①本装置实现了从采样-过滤-烘干-称重的一体化快速测定，既节省了时间又保证了测定数据的精确性，而且完全解决了测定对实验室依赖性的弊端，可适用于多种场所。
②本装置的可拆卸可拼装可实现对指定等级粒径含沙量的定制测定。
③本装置操作简单易学，可适用于非专业人员操作，便于推广。
综上，本装置具有较为广阔的应用前景。
以上描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点，本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内，本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，其特征在于，包括测量桶(2)，所述测量桶(2)内从上到下依次设置有若干层筛网，所述筛网网孔按照从上到下的顺序依次递减；每层筛网上均设置有加热与称重部件；所述加热与称重部件与MCU微控制器(19)电性相连；所述MCU微控制器(19)用于控制测量桶(2)内加热与称重部件的启闭以及数据计量；所述测量桶(2)底部还设置整体称重部件(6)，所述整体称重部件(6)用于称取测量桶(2)取样前后总重量，所述整体称重部件(6)通过螺纹方式连接在振荡箱(13)上。
2.根据权利要求1所述的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，其特征在于，所述加热与称重部件包括加热片(12-1)以及压力片(12-2)，所述加热片(12-1)以及压力片(12-2)固定在加热与称重支撑部件(12-3)上，所述加热与称重支撑部件(12-3)紧靠筛网的上下表面设置；所述加热片(12-1)和压力片(12-2)分别与温度信号转换模块(3)和压力信号转换模块(4)连接，通过线路(5)与MCU微控制器(19)电性连接。
3.根据权利要求2所述的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，其特征在于，所述测量桶(2)底部开有引流孔，所述引流孔与位于震荡箱底部的排水孔(14)通过管道相连用于排出测量桶内水分，所述引流孔处设有止水阀，所述止水阀与MCU微控制器(19)电性连接；所述测量桶(2)与振荡箱(13)之间螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，其特征在于，所述振荡箱(13)底部还设置有振荡器控制装置(15)，所述振荡器控制装置(15)正面设置有振荡器显示屏(16)、振荡器显示灯(17)以及启闭开关(18)。
5.根据权利要求1所述的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，其特征在于，所述MCU微控制器(19)上设置有供信号传输的天线(20)，所述MCU微控制器(19)的操作平台(21)上还分别设置有加热与称重显示屏(22)、电源开关(23)、调温旋钮(24)、归零按钮(25)、加热与称重显示灯(26)，温控器设置在MCU微控制器(19)中，归零按钮(25)保证每次测定前对装置的初始化。
6.根据权利要求1所述的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，其特征在于，所述测量桶(2)的上部设置有手握提手(1)，所述测量桶(2)包括多个通过螺纹连接的方式纵向连接采集桶(28)，每个采集桶(28)内布置一层筛网；每个采集桶(28)的上部和下部分别设有用于组装连接的外丝(27)和内丝(30)。
7.根据权利要求1所述的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，其特征在于，所述筛网通过橡胶止水卡槽(12-4)及筛网固定扣(12-5)固定在测量桶(2)设定位置，同时可实现多层拆卸与组装；所述筛网数量≥5层。
8.不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定装置，包括使用测量桶(2)采集指定位置含有泥沙的水样；采样后整体称重部件(6)完成水样的初始压力测定；然后通过排水孔(14)将水样中水分排出；然后开启振荡，通过不同孔径的筛网各层特定等级的沙样进行筛分，最后进入沙样烘干阶段，对不同等级粒径沙样进行烘干称重，再根据计算模型计算水样中不同等级粒径泥沙含量。
9.根据权利要求8所述的不同等级粒径的高精度便携式泥沙含量测定方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
步骤1：首次操作，将未采样测量桶放平，打开操作平台(21)电源开关(23)，按归零按钮(25)去除测量桶净重；
步骤2：手握提手(1)或系绳将泥沙含量测定装置放置在含有泥沙的水体中，将水体样本采集至测量桶(2)内；
步骤3：在完成采样的基础上，待初始压力维持稳定后，接通电源打开电源开关(23)，通过整体称重部件(6)完成水样的初始压力测定，得出测定结果F总，通过线路(5)可将数据传至MCU微控制器(19)内，完成此步骤后关闭电源开关(23)；
步骤3：开启止水阀，水流沿排水孔(14)排出；然后进入振荡阶段；
步骤5：开启位于振荡器(13)底部的控制装置(15)的启闭开关(18)，通过不同孔径的筛网将各层特定等级的沙样进行筛分，振荡器显示屏(16)可实现对振荡过程的实时监控，振荡器显示灯(17)可反应振荡器的工作状态；
步骤6：待排水孔(14)内基本无水分排出后，进入沙样烘干阶段，再次打开电源开关(23)，通过调温旋钮(24)使得各层加热片(12-1)温度升高，使筛网上的泥沙不断接近干容重，温度信号转换模块(3)与压力信号转换模块(4)可通过线路(5)将压力信号及温度信号在加热与称重显示屏(22)显示，待显示屏上数据维持稳定后，此时可得到各层的压力即各层的沙样的重力Fi，正常工作时加热与称重显示灯(26)为绿色，异常时为红色；归零按钮(25)可完成对沙样的多次测定，初始化装置减少系统误差；
步骤6：计算不同粒径含沙量CSi：
式中：
CSi—第i层筛网粒径含沙量；
F总—测量桶取样后称重部件测得的初始压力即样品重量；
Fi—烘干后第i层筛网所测压力；
g—重力加速度；
ρ水—水密度，103kg/m3；
ρ沙—沙密度，1.6×103kg/m3；
i—自下而上漏网序号。
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