CN1225647C - 径流泥沙含量的连续自动测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于连续收集地表径流泥水、量测径流泥沙含量的装置，属于GO1N33/18领域。技术方案包括：采样室3，搅拌器2，排水阀4，阀门控制器5，采样室3侧壁上的上液位探针6和下液位探针7，控制装置；在采样室3的两侧分别设有伽玛射线输出器10、伽玛射线探头9及自动定标器12。本装置具有结构简单，安装方便，工作性能可靠，使用寿命长，自动化程度高等优点，为径流泥沙含量现场快速、实时、准确测量提供了有力的保证。
Description
技术领域
本发明涉及一种在进行土壤侵蚀、水土保持、生态环境、水利工程、自然地理等学科研究时，用于连续收集地表径流泥水量测径流泥沙含量及其随时间变化的泥水自动测量装置，属于水土流失实验检测及河流泥沙变化观测技术领域，即G01N33/18。
背景技术
径流泥沙含量是土壤侵蚀、水土保持、水文研究、河流泥沙检测的重要内容。含沙量的现场快速、实时准确测量是目前亟待解决的问题。含沙量测量的传统方法为人工采集泥水样品，然后烘干、称重，该方法无法实现实时、在线测量泥沙含量的连续变化过程，且费工费时。多年来科技人员一直在积极探求含沙量的现代测量方法，如电导法、电容法、振动法、光电法、超声法和激光法等。由于受传感器件和电子元件灵敏度的限制，这些方法的测量精度都有些较低，受现场客观因素的影响较大，需要较繁琐的现场调校，而且仪器的稳定性能极差，现场测量径流含沙量的变化范围很窄。由于这些问题，至今仍无一种较好的径流泥沙含量测量方法。雷廷武等人首次提出了采用伽玛射线透射线法测量泥沙含量的方法与原理；而径流泥水样品连续采集是实现径流泥沙含量现场快速、实时准确测量的重要环节。在采用伽玛射线测量泥沙含量时，必须要有一定体积的泥水溶液样品以便伽玛射线透射，并且泥水溶液是均质不能够出现泥沙沉淀；同时为了获得较高的测量精度，每次测量采样时间不得少于一定时间(1秒或3秒)。然而，无论是在室内人工模拟降雨，还是在野外天然降雨，坡面产生的地表径流流量大小是随机变化的。尤其在刚刚产生地表径流时，地表径流流量很小，为了获取此时的径流泥沙含量，需要用一种采样容器收集一定量体积的径流泥水来满足伽玛射线能够测量的溶液体积要求；但此时测量得的泥沙含量可能是较长时间内的平均泥沙含量，不能够满足某些科研检测的要求，不能够获得较短时间内泥沙含量的变化情况。
发明内容
本发明的目的是要提供一种新型的测量径流泥沙含量的连续自动测量装置。它不仅能够满足伽玛射线透射法准确地、连续地测量径流泥沙含量的要求，而且还可能适应其他测量泥沙含量方法，实现径流泥沙含量现场快速、实时准确地测量。
为了达到本发明的目的所采取的技术方案包括：采样室3，位于采样室3内的搅拌器2，搅拌电机1，位于采样室3下部的排水阀4，阀门控制器5，位于采样室3侧壁上的上液位探针6和下液位探针7，控制装置；在采样室3的一侧设置有伽玛射线输出器10，在采样室3的另一侧配置有伽玛射线探头9，与伽玛射线探头9相连有自动定标器12。
上述的径流泥沙含量的连续自动测量装置中的控制装置包括单片机8，安装在采样室3上位于下液位探针7下方的零线探针13，将上液位探针6、下液位探针7及零线探针13与单片机8连接起来的液位检测电路，阀门控制器5，将阀门控制器5与单片机8连接起来的排水阀控制电路，以及搅拌电机控制电路。
上述的径流泥沙含量的连续自动测量装置中，在自动定标器12与控制装置之间接有工控计算机11。
上述的径流泥沙含量的连续自动测量装置中的搅拌器2可以是搅拌杆或叶片，也可以用振动搅拌或磁力搅拌代替。
本发明具有如下优点：由于组成结构简单，因此安装也方便，工作性能可靠，使用寿命长；由于装置各个部件均通过单片机系统与探针能够很好地控制和协调动作，所以该系统能够很好地进行径流泥水连续地收集采样及泥沙含量的测量工作，自动化程度高，为径流泥沙含量现场快速、实时、准确测量提供了有力的保证。
附图说明
图1为本发明径流泥沙含量的连续自动测量装置的结构示意图；
图2为本发明径流泥沙含量的连续自动测量装置的控制部分的逻辑控制框图。
图3为本发明径流泥沙含量的连续自动测量装置的控制部分的电路图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明径流泥沙含量的连续自动测量装置作进一步的说明。
如图1所示，1为搅拌电机，2为搅拌器，搅拌方式可采用多种方式，如用搅拌杆或叶片在采样室中直接搅拌，也可振动搅拌或磁力搅拌等，在本实施例中，采用了叶片式搅拌器；3为采样室，其形状不限，可以是方形，也可以是圆柱形，还可以是鼓型等，其制作材料也不限，可以是金属，也可以是有机玻璃或塑料等其他材料，本实施例中，其容积设计为8×8×15cm，弧形的底部有利于搅拌均匀，防止泥沙淤积；4为排水阀，5为阀门控制器，通过阀门控制器5控制排水阀4实时打开或关闭；6为上液位探针，7为下液位探针，8为市售的型号为8051的MCS-51单片机，10为伽玛射线输出器，9为与伽玛射线输出器10相对应的伽玛射线探头，11是型号为PC104的工控计算机，12为自动定标器，13为零线探针Y3。
如图3所示，首先，图的右下方是电源供电部分电路，它将220v交流电源转换为直流5v电压以供单片机及其他电路所需；其次，左下方是采样室中液位检测电路，包括上液位探针Y1，下液位探针Y2以及零线探针Y3，分别与可调电阻R16和R17相连接，信号分别经过比较器A和B，然后经LL和LH与单片机8相连，该电路通过上液位探针6即探针Y1和下液位探针7即探针Y2与零线探针Y3是否导通来获取信号，并且由LH和LL两路把信号传输给单片机8，对液位进行检测判断；第三部分电路是右上方的排水阀控制电路，包括与单片机8相连的J3，电阻R1，三极管N1，继电器JDQ1，J4，电阻R6，三极管N2以及继电器JDQ2，该电路通过单片机8对来自液位信号的处理作出判断，而后单片机8向J3或J4发出关闭或打开信号，由阀门控制器5进行排水和关闭动作，控制排水阀实时打开或关闭；第四部分电路是搅拌电机控制电路，它包括了与单片机8相连的F，电阻R15，三极管N3以及继电器JDQ3，由单片机8控制搅拌电机；最后部分是图左上方的J5，是单片机8与PC104工控计算机11进行数据传输接口部分。图2表明了上述电路的逻辑控制关系。
本发明是利用一个容器作为收集径流泥水的采样室，考虑到无论是在室内人工模拟降雨，还是在野外天然降雨，坡面产生的地表径流流量大小是随机变化的，所以采样室的侧壁装有两对液位探针，通过这两对液位探针来感知采样室中液位的变化，而后通过控制系统来控制排水阀实时打开或关闭，以保证提供测量必需的泥水量。同时，对流入采样室中的泥水进行连续不断地搅拌以防止收集的径流泥水发生沉淀导致严重影响测量精度。通过上述方法设计的径流泥水自动采样装置能够很好地实现用伽玛射线透射法实时、在线、快速测量径流泥沙含量及其随时间的变化过程。
本发明装置的工作原理及工作过程是：当坡面有径流产生时，通过导流槽将径流泥水引入采样室中；MCS-51单片机通过J3信号电路向阀门控制器发出关闭信号，排水阀关闭，同时也通过F信号电路向搅拌器发出启动信号，开始不停搅拌；随着径流泥水不断流入采样室，采样室中的泥水液面不断上升。当液面达到下液位探针Y2时，Y2与Y3导通；MCS-51单片机通过LL信号电路接收到下液位探针Y2的信号，MCS-51单片机马上通过串行口向PC104工控计算机11发出信号；PC104工控计算机11马上启动定标器12，定标器12开始连续采集伽玛射线探头9所获得的伽玛射线强度，而此伽玛射线强度大小由伽玛射线输出器10发出的透过泥水溶液的浓度高低所决定。而后定标器12把伽玛射线强度数据传输到PC104工控计算机11，通过运算处理可得相应的泥沙含量。泥沙含量测量系统就如此不断地测量。随着径流泥水不断流入采样室，采样室液面不断上升；当液面达到上液位探针Y1位置时，Y1与Y3也导通；MCS-51单片机通过LH信号电路接受到上液位探针Y1的信号，通过J4信号电路向阀门控制器发出打开排水阀信号，排放采样室中的泥水，液面下降；当液面下降到下液位探针位置Y2时，即Y1和Y2与Y3均断开；MCS-51单片机随即通过J3信号电路向阀门控制器发出关闭信号，关闭排水阀，液面又上升。通过MCS-51单片机根据液面变化实时控制排水阀关闭与打开，无论地表径流流量大小如何变化，也可以很好地将采样室内的液位控制在一定高度上，这样本装置就能够很好地用伽玛射线透射法实时、在线、快速地测量径流泥沙含量，并且可很好地反映其随时间的变化过程。
Claims (7)
1、一种径流泥沙含量的连续自动测量装置，其特征在于，它包括采样室(3)，位于采样室(3)内的搅拌器(2)，搅拌电机(1)，位于采样室(3)下部的排水阀(4)，阀门控制器(5)，位于采样室(3)侧壁上的上液位探针(6)和下液位探针(7)，控制装置；在采样室(3)的一侧设置有伽玛射线输出器(10)，在采样室(3)的另一侧配置有伽玛射线探头(9)，与伽玛射线探头(9)相连有自动定标器(12)；所述的控制装置包括单片机(8)，安装在采样室(3)上位于下液位探针(7)下方的零线探针(13)，将上液位探针(6)、下液位探针(7)及零线探针(13)与单片机(8)连接起来的液位检测电路，阀门控制器(5)，将阀门控制器(5)与单片机(8)连接起来的排水阀控制电路，以及搅拌电机控制电路。
2、根据权利要求1所述的径流泥沙含量的连续自动测量装置，其特征在于，所述的液位检测电路包括上液位探针Y1，下液位探针Y2以及零线探针Y3，分别与可调电阻R16和R17相连接，信号分别经过比较器A和B，然后经LL和LH与单片机(8)相连；排水阀控制电路包括与单片机(8)相连的J3，电阻R1，三极管N1，继电器JDQ1，J4，电阻R6，三极管N2以及继电器JDQ2；搅拌电机控制电路包括了与单片机(8)相连的F，电阻R15，三极管N3以及继电器JDQ3。
3、根据权利要求1或2所述的径流泥沙含量的连续自动测量装置，其特征在于，在自动定标器(12)与控制装置之间接有工控计算机(11)。
4、根据权利要求1所述的径流泥沙含量的连续自动测量装置，其特征在于，搅拌器(2)可以是搅拌杆或叶片，也可以用振动搅拌或磁力搅拌代替。
5、根据权利要求1所述的径流泥沙含量的连续自动测量装置，其特征在于，采样室(3)的形状可以是方形或圆柱型，也可以是鼓型。
6、根据权利要求1所述的径流泥沙含量的连续自动测量装置，其特征在于，排水阀(4)安装在采样室(3)的底部。
7、根据权利要求1所述的径流泥沙含量的连续自动测量装置，其特征在于，采样室(3)的底部为弧形。
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