CN205157155U - 自动梯度式风沙流采集仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种自动梯度式风沙流采集仪，其包括平口梯度式集沙组件、称重传感器、防溜沙箱体、数据采集仪与太阳能电池；平口梯度式集沙组件包括十多个规格相同的金属方管层叠焊接为一体的集沙口与底部压重箱体，每个集沙口连接有集沙布袋，底部压重箱体包括箱体与扣合于箱体上口的箱盖，层叠焊接为一体的集沙口用铁条与箱盖捆扎连接；平口梯度式集沙组件放置于称重传感器台面上，底部压重箱体与称重传感器放置于防溜沙箱体内，称重传感器与数据采集仪连接，太阳能电池与数据采集仪连接。本实用新型用于对近地表风沙流输沙量连续自动采集记录以及风沙流结构特征的获取。本实用新型操作方便，计量精度高，可广泛应用于戈壁与沙漠风沙运动规律以及防沙工程防护效益的观测研究。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种对近地表风沙流输沙量连续自动采集记录的自动梯度式风沙流采集仪。
背景技术
风沙流是一种气体搬运沙粒在近地表运动的气固两相流，是造成村镇居民点、工矿、交通等遭受风沙危害的重要原因；其特性是风沙物理与风沙工程研究的重要课题之一，也是风沙地貌研究的重要内容。
目前，风沙流特性研究主要依赖风洞模拟实验得到的。鉴于风洞实验获得的结果往往是基于理想条件下的假设，加之受模型尺寸、边界层发育程度的影响，使实验结果与野外实际情况必然存在偏差，从而有待于野外观测数据的验证。然而，受测试手段和观测仪器的限制，野外风沙观测困难，使得完整、系统的风沙流观测数据比较稀少，风洞实验数据无法得到有效验证。其中一个主要原因是，梯度式集沙仪集沙量有限，且监测的连续性比较差，例如单场沙尘暴天气中，流沙地表利用目前普遍使用的阶梯式集沙仪进行风沙观测，监测时段在分钟尺度，且监测连续完整性较差，虽然能够得到风沙流结构数据，但输沙率与风速建立数理关系比较困难，不便于输沙率的模型预测。而且，目前梯度式集沙仪收集风沙流，还没能实现输沙量的自动化记录，人工记录费时费力，工作环境差，数据的准确性会有差异。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种自动梯度式风沙流采集仪；使其既能实现输沙量的长时间连续自动记录，又能获得监测时段内的地表风沙流结构特征。
本实用新型的目的可以通过如下措施来实现：一种自动梯度式风沙流采集仪，其特征在于：其包括平口梯度式集沙组件、称重传感器、防溜沙箱体、数据采集仪与太阳能电池；平口梯度式集沙组件包括十多个规格相同的金属方管层叠焊接为一体的集沙口与底部压重箱体，每个集沙口连接有集沙布袋，底部压重箱体包括箱体与扣合于箱体上口的箱盖，层叠焊接为一体的集沙口用铁条与箱盖捆扎连接；平口梯度式集沙组件放置于称重传感器台面上，底部压重箱体与称重传感器放置于防溜沙箱体内，称重传感器与数据采集仪连接，太阳能电池与数据采集仪连接。
风沙观测前将集沙布袋依次安装好，把平口梯度式集沙组件放置于称重传感器台面上，将称重传感器与底部压重箱体放置于防溜沙箱体并置于监测风沙地表地面以下，集沙仪最底部进沙口与地表齐平。风沙运动开始后，打开数据采集器，并将称重传感器数据采集器清零，集沙仪进入沙粒后数据采集器记录重量变化。在野外风沙流的观测中，风沙流过境时，在一定风向、风速作用下，风沙流中沙粒通过平口梯度式集沙组件的进沙口进入收集沙粒的集沙布袋，称重传感器感应集沙仪重量变化，数据采集仪记录总输沙量数据，沙尘暴风沙流可连续监测1-2小时；且能够实现不同坡度流沙地表风沙流的观测，辅助于梯度风速仪，测得的输沙数据可与风速数据建立相关关系；同时，可以收集集沙仪各高度集沙布袋中沙粒，称重后可以用来计算风沙流结构，实现一般梯度式集沙仪用于观测风沙流结构特征的目的。本实用新型构思新颖，操作方便，计量精度高，可广泛应用于戈壁与沙漠风沙运动规律以及防沙工程防护效益的观测研究。
本实用新型的优点和产生的有益效果主要是：
其一，本实用新型能够长时间自动采集记录风沙流输沙量数据，输沙数据用于与风速数据建立数理关系，同时又能监测风沙流结构特征；本实用新型取代了传统风沙流观测中普通梯度式集沙仪频繁的定时取样与称量工作，减轻了工作人员的劳动强度，而且其结构简单，携带方便，便于野外监测试验。
其二，本实用新型其称重传感器性能稳定可靠，量程大，为25kg，精度为1g，采集时间0.1s-60min连续可调，能满足高强度风沙流的连续自动观测，可连续观测1-2h后更换一次沙粒收集布袋。
其三，本实用新型已在风沙流的实地观测与风洞模拟实验中得到很好地应用，并取得了较好的科研效果。试验研究结果见具体实施方式相关内容。
附图说明
图1自动梯度式风沙流采集仪记录的莫高窟窟顶戈壁输沙量随监测时间的变化图；
图2是自动梯度式风沙流采集仪记录的莫高窟窟顶戈壁输沙率随高度的变化图；图中曲线为指数拟合曲线，可决系数R 2达到0.983；
图3是自动梯度式风沙流采集仪野外实地观测的莫高窟窟顶戈壁输沙率q与2m高风速u的关系图；图中曲线为指数拟合曲线，关系式为q=7.76×10-8 u 6.04，可决系数R 2达0.76；
图4是自动梯度式风沙流采集仪观测的莫高窟窟顶戈壁输沙率q与摩阻风速u *、临界起动摩阻速度u *t的关系图；图中直线为直线拟合，可决系数R 2达0.928；
图5是自动梯度式风沙流采集仪风洞实验观测的不同实验风速下沙床输沙量随实验时间的变化图，其中A曲线为8m/s实验风速下沙床输沙量随实验时间的变化图，B曲线为12m/s实验风速下沙床输沙量随实验时间的变化图，C曲线为14m/s实验风速下沙床输沙量随实验时间的变化图；
图6是自动梯度式风沙流采集仪风洞实验观测的不同实验风速下输沙率随高度的变化图；其中A散点图为8m/s实验风速下输沙率随高度的变化图，B散点图为实验风速12m/s下输沙率随高度的变化图，C散点图为14m/s实验风速下输沙率随高度的变化图，三条曲线都为指数拟合曲线，可决系数R 2在0.982以上。
图7是本实用新型结构示意图；
1—集沙口，2—集沙布袋，3—铆钉，4—铁条，5—出沙方管，6—底部承重箱体，601—箱体，602—箱盖，7—平口梯度式集沙组件，8—称重传感器，9—防溜沙箱体，10—导线，11—数据采集仪，12—太阳能电池。
具体实施方式
如图7所示：本实用新型提供的一种自动梯度式风沙流采集仪，其特征在于：其包括平口梯度式集沙组件7、称重传感器8、防溜沙箱体9、数据采集仪11与太阳能电池12；平口梯度式集沙组件7包括十六个规格相同的金属方管层叠焊接为一体的集沙口1与底部压重箱体6，每个集沙口1连接有集沙布袋2，底部压重箱体6包括箱体601与扣合于箱体601上口的箱盖602，层叠焊接为一体的集沙口1用铁条4与箱盖602捆扎连接；平口梯度式集沙组件7放置于称重传感器8台面上，底部压重箱体6与称重传感器8放置于防溜沙箱体9内，称重传感器8与数据采集仪11由导线10连接，太阳能电池12与数据采集仪11连接。太阳能电池为数据采集仪供电。
集沙口1用横截面高×宽为7.5×2.5cm的铝合金方管制作，铝合金方管后端设梯形出口，梯形出口高度为1.25cm。在十六个铝合金方管制作的集沙口1中，上部的十三个集沙口1通过铆钉3将集沙布袋2固定于梯形出口，下部的三个集沙口1垂直连接有出沙方管5，出沙方管5出口位于底部承重箱体6内，出沙方管5出口连接集沙布袋2，使集沙口1入口沙粒直接灌入底部承重箱体6中的沙粒收集布袋中。
底部压重箱体6为长×宽×高是40cm×40cm×30cm长方体，底部压重箱体用于压重防止平口梯度式集沙组件风中晃动；称重传感器台面的面积为30×30cm2。
底部压重箱体、称重传感器放置于防溜沙箱体中的作用在于防止箱体周围松软沙质地表沙粒溜入而影响计量精度。
风沙观测前，首先将集沙布袋依次安装好，顶部13个集沙布袋固定于铝合金方管后方铆钉上，底部3个集沙布袋固定于平口梯度式集沙组件底部方盒内的铝合金方管铆钉上。集沙仪承重箱体放置于称重传感器台面上，防溜沙箱体水平放置于监测风沙地表地面以下，最底部进沙口与地表齐平。风沙流开始后，迅速将称重传感器数据采集器清零，沙粒通过梯度集沙仪入口部分进入沙粒收集布袋，称重传感器感应重量变化，数据采集器记录数据并存盘。
以下是应用本实用新型进行相关戈壁与沙漠地表风沙流观测研究结果。
1、自动梯度式风沙流采集仪野外实地观测风沙流
监测地点为莫高窟窟顶戈壁，风沙流观测时间为2013年4月17日9:22~20:21，为偏东东风沙尘暴，利用自动梯度式风沙流采集仪与梯度风观测站进行风沙流与风速同步观测。选取观测时段11:01-12:51，分析输沙量随时间变化与风沙流结构。参见图1：偏东风沙尘暴天气下，自动梯度式风沙流采集仪所采集的戈壁近地表过境风沙流其输沙量随观测时间的延长逐渐增大，110min内总集沙量达3000g左右。监测时段内相应的风沙流结构见图2，图2中可以看出，输沙率随高度变化遵循指数规律。图3与图4分别为戈壁输沙率与风速和剪切风速的建立的数理关系，结果表明，戈壁输沙率与风速/剪切风速相关性较好，自动梯度式风沙流采集仪很好地实现了输沙量的长时间连续自动记录，同时获得了地表风沙流结构特征。
2、自动梯度式风沙流采集仪风洞实验观测风沙流
风洞实验床面为5cm厚沙床，图5为8、12和14m/s下自动梯度式风沙流采集仪采集的输沙量随实验时间变化与相应风沙流结构。输沙量随实验时间的延长呈直线增大，8m/s实验风速下，10min实验时间内总集沙量达200g左右；12m/s实验风速下，3min实验时间内总集沙量达600g左右；14m/s实验风速下，2min内总集沙量达1200g左右。图6中沙床风沙流结构特征为输沙率随高度增加呈指数规律递减，这与拜格诺等学者关于沙质地表风沙流结构研究结果一致。
Claims (5)
1.一种自动梯度式风沙流采集仪，其特征在于：其包括平口梯度式集沙组件（7）、称重传感器（8）、防溜沙箱体（9）、数据采集仪（11）与太阳能电池（12）；平口梯度式集沙组件（7）包括十多个规格相同的金属方管层叠焊接为一体的集沙口（1）与底部压重箱体（6），每个集沙口（1）连接有集沙布袋（2），底部压重箱体（6）包括箱体（601）与扣合于箱体（601）上口的箱盖（602），层叠焊接为一体的集沙口（1）用铁条（4）与箱盖（602）捆扎连接；平口梯度式集沙组件（7）放置于称重传感器（8）台面上，底部压重箱体（6）与称重传感器（8）放置于防溜沙箱体（9）内，称重传感器（8）与数据采集仪（11）由导线（10）连接，太阳能电池（12）与数据采集仪（11）连接。
2.如权利要求1所述的一种自动梯度式风沙流采集仪，其特征在于：集沙口（1）用横截面高×宽为7.5×2.5cm的铝合金方管制作，铝合金方管后端设梯形出口，梯形出口高度为1.25cm。
3.如权利要求2所述的一种自动梯度式风沙流采集仪，其特征在于：集沙口（1）为十六个。
4.如权利要求3所述的一种自动梯度式风沙流采集仪，其特征在于：在十六个铝合金方管制作的集沙口（1）中，上部的十三个集沙口（1）通过铆钉（3）将集沙布袋（2）固定于梯形出口，下部的三个集沙口（1）垂直连接有出沙方管（5），出沙方管（5）出口位于底部承重箱体（6）内，出沙方管（5）出口连接集沙布袋（2）。
5.如权利要求4所述的一种自动梯度式风沙流采集仪，其特征在于：底部压重箱体（6）为长×宽×高是40cm×40cm×30cm长方体；称重传感器（8）台面的面积为30cm×30cm。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN105258908A (zh) * | 2015-11-16 | 2016-01-20 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 自动梯度式风沙流采集仪 |
| CN109781373A (zh) * | 2019-01-15 | 2019-05-21 | 兰州大学 | 一种多方向全自动高频梯度集沙仪 |
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2015
- 2015-11-16 CN CN201520910455.7U patent/CN205157155U/zh not_active Expired - Fee Related
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