CN2060548U - 水中悬沙测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种现场测量水中悬沙含量的光电仪器。仪器由水下测量探头和水上控制显示装置及其连接电缆构成。水下测量探头包括光发射器和光接收器，测量通过固定水程光的散射和透射，来确定水中悬沙含量。测量结果由仪表数字显示或者连续自记。仪器既能用船只拖曳进行表层连续测量，又能定点悬挂进行垂直连续测量，可以获得水深40米以内并在时间上和空间上连续分布的水中悬沙含量。

Description

本实用新型是一种现场测量水中悬沙含量的光电仪器，属于水下测量仪器技术领域。

在海岸带开发、港工建设、航道疏浚及海洋环境评价中，必须要掌握有关水域水中悬沙含量及其在时间和空间上的分布。以往，我国测量水中悬沙含量都采用取样称重法。取样称重法是在现场（如海上）分层定点采集一定量水样，运回实验室进行过滤、脱盐、烘干、称重，并根据称重结果及水样体积计算出悬沙含量，即悬沙浓度。

对于取样称重法，取样的随机性大，工序烦多，获取测量数据周期长，受人为因素影响大，测量精度难以保证。而且，取样称重法无法在时间和空间上做到连续。特别是，对于某些悬沙，如粉煤灰、淤泥等，由于其悬浮时间短，沉降较快，几乎难以用取样称重法测量出较准确结果。因此，海洋科研和工程技术部门特别需要一种现场测量水中悬沙含量的仪器。

本实用新型的目的是推出一种能现场连续实时测量水中悬沙含量的仪器。该仪器既能用船只拖曳进行表层连续测量，又能定点悬挂进行垂直连续测量，可以获得水深40米以内并在时间和空间上连续分布的水中悬沙含量，即水中悬沙浓度。

本实用新型所述水中悬沙测定仪是根据在悬沙浓度不同的水中光传输发生不同衰减的基本原理设计的。光在水中传输时，由于水介质的散射和吸收，使光强度衰减。当一束平行光在宏观均匀的水中传输时，其衰减遵循朗伯特定律（Lambert，Law）：

I_t＝I_oexp（－αL）

α＝－ 1/(L) I_nI_t／I。

式中，I_o为光束出射处的辐射强度，L为光束通过的水程长度，I_t为光束通过L水程后辐射强度，α为水介质的衰减系数。

水介质的衰减包括水本身的衰减和水中悬沙粒子的衰减。试验表明，相同粒径分布的粒子浓度与衰减系数α和散射光强度Is有较好的线性关系。从上述定律公式可以看出衰减系数α的变化可以从通过L水程后光辐射强度I_t的变化得出。该水下悬沙测定仪分别测出通过固定水程L后光辐射强度I_t和前向散射光强度Is来确定水下悬沙浓度。

水中悬沙测定仪由水下测量探头、水上控制显示器及其连接电缆组成。

水下测量探头外壳为圆柱体流线型，尾部加装十字形尾舵，见图1。水下测量探头内部有光发射器、光接收器和测量区域三部分，见图2。光发射器在水下测量探头的前部，包括光源和平行光系统。光源采用普通灯泡；平行光系统由透镜组构成，使光源发出的光成为平行光束。平行光束通过测量区域进入接收器。测量区域为盛水容器，位于光发射器和光接收器之间，分别由水密玻璃与光发射器和光接收器相连，既保证光束通过又不漏水。通过测量区域的光产生衰减（散射和吸收）。光接收器在水下测量探头的后部，主要由接受透镜和二块硅光电池组成。一块大的硅光电池呈中空圆环状，接收前向散射光Is；一块小的硅光电池放在中央，接收透射光I_t。光发射器和接收器为同心一体化框架结构，确保光轴的同心度要求。测量水（如海水）从水下测量探头前端进入，经光发射器外侧（光发射器密封壳与水下测量探头外壳之间腔体）进入测量区域，再经光接收器外侧（光接收器密封壳与水下测量探头外壳之间腔体），从水下测量探头尾部流出。水下测量探头内的腔体有在上下不同位置设置的进出水口，使进入水下测量探头腔体内的水及时变换，并且在腔体内螺旋进出以消除背景光进入。测量区域机壳上端开设一直角弯道出气孔，能及时将进入水下测量探头水中的气泡排出。水下测量探头上部机壳外有二个吊环，用以由钢缆悬挂测量探头。水下测量探头下部机壳外有悬挂重锤的吊环。

光发射器和光接收器由七芯电缆与水上控制显示器相连。电缆与水下测量探头相接的输入、输出插件均采用“O”形圈密封方式。

水上控制显示器是将硅光电池转换的散射光和透射光的电信号，经适当放大、运算处理，由记录显示系统自动记录和显示测量结果。数据显示可以有三种装置：①数字电压表，显示透射输出和散射输出表征的水中悬沙浓度；②双笔X－Y记录仪，连续自记水中悬沙浓度；③单板机数据采集系统，现场实时采集测量数据，存入磁带，并与计算机相连，便于数据保存和分析计算。

图1为水下测量探头外形示意图。图2为水下测量探头结构剖面示意图。

图1和图2的说明：

1－钢缆，2、5－吊环，3－尾舵，4－重锤，6－探头圆柱体，7－灯泡，8－透镜组，9－水密玻璃，10－测量区域，11－接收透镜，12－硅光电池（圆环状），13－硅光电池，14－进出水孔，15－隔热玻璃，16－滤光片。

图3为水上控制显示装置电路图，说明如下：

Jx₁、Jx₂、Jx₃为＋15v和－15v两路直流稳压电源接线柱，k为双刀电源开关，Jx₁与k的第1脚相接，K的第2脚接七芯电缆插座Z的第2、5脚。Jx₂为外接电源和控制显示器公共接地端，并与Z的第1、4脚相连，这样＋15v的电流可通过七芯电缆相应芯线送入水下探头内作为灯泡电源。Jx₃与K的第3脚相连。水下测量探头内光接收器的硅光电池产生的电信号经七芯电缆中的两芯送到Z的第6、7脚上。Z的第7脚通过输入电阻R₃与IC1的第4脚相连，Z的第6脚通过输入电阻R₄与IC1的第5脚相连。IC1为斩波稳零运算放大器，型号为ICL7650。反馈电阻R₅接IC1的第4、10脚，负载电阻R₉两端分别连接IC1的第10脚和接地。电阻R₁、电容C₁、二极管D₁和电阻R₂、电容C₂、二极管D₂分别将±15v电压稳压到±6v，作为IC1的供电电源。R₁的一端接K的第2脚，另一端与D₁负极和C₁的一端连在一起。R₂的一端接K的第4脚，另一端与D₂的正极和C₂的一端连在一起。C₁、D₁、C₂、D₂的另一端均接地。＋6v通过电阻R₆送到IC1的第11脚，－6v通过电阻R₇送到IC1的第7脚。电容C₃、C₄相连后接IC1的第8脚，另一端分别连IC1的第1、2脚。IC1的输出端第10脚经电阻R₁₁接IC2的第2脚。IC2为通用型运算放大器F007C。电位器W₁的中心抽头与其一端一起接地，另一端通过电阻R₈与R₁、C₁、D₂、R₆的公共端相连。W₁和R₈组成分压电路，两者连接端通过电阻R₁₀也接于IC2的第2脚。IC2的第3脚接电阻R₁₂到地，第2、6脚接反馈电阻R₁₃，第1、5脚接调零电位器W₂两端。W₂的中心抽头接IC2的第4脚和K的第4脚。IC2的第7脚接K的第2脚，输出端第6脚接电阻R₁₄到地，同时接R₁₅和直流数字电压表V到地。R₁₄为负载电阻，R₁₅为限流电阻。V用于显示IC2的输出电压，即本仪器的测量结果。V的两端并联两芯插孔ZK，便于与其他记录器如X－Y记录仪等相连，以便连续自记水中悬沙含量。

Claims (6)

1、一种测量水中悬沙含量的仪器，其特征在于由以下几部分组成：

-水下测量探头，内部有光发射器、光接收器和两者之间由盛水容器构成的测量区域；

-水上控制显示装置，包括信号放大、运算电路和数字显示仪表；

-连接水下测量探头和水上控制显示装置的七芯电缆。

2、按权利要求1所述的水下测量探头，其特征在于外壳为流线型圆柱体，并装一十字形尾舵。

3、按权利要求1所述的水下测量探头，其特征在于探头内的发射器和光接收器为同心一体化框架结构。

4、按权利要求1所述的水下测量探头，其特征在于探头内的测量区域与光发射器和光接收器均以水密玻璃相接。

5、按权利要求1所述的水下测量探头，其特征在于光接收器有二块硅光电池，一块呈中空圆环状，另一块位于中空中心。

6、按权利要求1所述的连接水下测量探头和水上控制显示装置的七芯电缆，其特征在于电缆与水下测量探头相接的输入、输出插件均采用“O”形圈密封方式。

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