CN217637922U - 一种推移质输沙率实时监测和标定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种推移质输沙率实时监测和标定装置，主要由坐底称重部分和推移质运动信号采集部分组成。所述坐底称重部分包括坐底箱、接沙筐、压力传感器和接沙筐承重板；所述压力传感器固定安装在坐底箱的底板上，所述接沙筐承重板坐于压力传感器上，接沙筐坐于接沙筐承重板上。所述推移质运动信号采集部分包括推移质运动冲击板、推移质运动传感器、安装座、运动数据采集器；推移质运动传感器固定安装在推移质冲击板上，所述推移质冲击板覆盖并固定在安装座上，安装座水平固定安装在坐底箱的外侧壁上；坐底箱和安装座固定于河床中。本实用新型能够实现利用直接测量法得到的推移质输沙率对间接测量法测量得到的推移质输沙率进行标定和系数验证。

Description

一种推移质输沙率实时监测和标定装置

技术领域

本实用新型属于河流推移质输沙率监测领域，具体涉及山区流域卵砾石和沙砾石河道中的推移质泥沙输沙率实时测量装置。

背景技术

推移质输沙率是河流动力学研究中一个尤为重要的物理量，直接影响了河流中的水流结构和河床演变等基础问题，也是解决目前众多水利工程设计、施工等实际问题的关键。推移质在床面收到水流作用以滚动、滑动、跳跃或者层移的方式运动。结合推移质的运动方式，目前国内外卵石推移质直接测量方法较多，且使用直接测量的采样器种类繁多，归纳起来分为器测法和坑槽法。器测法是将利用一种专门设计的机械装置或采样器直接放至河床直接测量推移质沙样的方法，主要有网篮式、压差式、锚固式。网篮式采样器通常用于粗颗粒的推移质测量，如卵石、砾石，一般由进口一个框架、后部采用一定孔径的金属网或者尼龙网覆盖、底部为一个不锈钢硬底或者软底。国外有代表性的采样器主要有美国地质调查局设计的BLH-84采样器，国内有代表性的主要有四川水文总站研制的M1、M2型采样器、重庆水文总站研制的Y64型采样器、长江委研制的Y802型采样器。压差式采样器则基于负压原理，将采样器出口面积设计成大于进口面积，形成负压。国外具有代表性的采样器主要有美国地质调查局设计的Helley-Smith采样器，国内有代表性的主要有长江委研制的Y781型采样器。锚固式采样器则是将一些槽型沿横断面固定在河床上，每间隔一定时间取出沙样进行分析。坑测法是在河床上沿横断面开挖一定深度和宽度的集沙坑，当泥沙沉积在坑内，可根据前后次坑内泥沙的重量和体积差得到该时段的推移质输沙率。

但是，这些常规直接测量的采样器目前主要面临以下几个困难：(1)仪器通常手动操作，因此在高流量或粗推移质颗粒输送时操作可能很困难且非常的危险；(2)采样器容易干扰当地流场影响测量精度，且采样时间取决于采样器的体积，导致采样效率较低；(3)由于推移质运动具有高度的时空脉动性，非持续性采样无法有效地反应推移质运动规律。除了直接测量法外，间接测量法指的是采集推移质泥沙在输移过程中的信号（如振动、透光率、噪音等），进而结合信号特征值或机器学习等方法反算推移质输沙率。由于是间接测量推移质输移产生的信号，增加了信号到实际输沙率的转化环节，这一环节尤为重要，目前也是在尝试使用各种方法，但无疑转化过程的存在是增加了推移质输沙率测量的误差。因此，间接测量法测量出来的信号是一定需要直接测量法得到的推移质输沙率来进行标定和系数验证的，这样才能为间接测量法提供必要的数据支持和精度验证。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术中难以对山区流域卵砾石和沙砾石河道或溪沟中推移质泥沙输沙率进行直接实时测量的现状，提供一种推移质输沙率实时监测装置，实现在同一装置上实现对推移质输沙率的简单有效的间接实时测量和直接实时测量；并实现利用直接测量法得到的推移质输沙率对间接测量法测量得到的推移质输沙率进行标定和系数验证。

本实用新型结合坑槽法的锚固式直接采样器的优点，利用传感器技术来实时直接测量推移质泥沙输沙率和率定间歇推移质输沙率。

本实用新型提供的坐底箱型推移质输沙率实时监测装置，主要由坐底称重部分和推移质运动信号采集部分组成；

所述坐底称重部分包括坐底箱、接沙筐、压力传感器和接沙筐承重板，所述接沙筐位于坐底箱中且四周侧壁与坐底箱侧壁保持一定间隙，所述压力传感器固定安装在坐底箱的底板上，所述接沙筐承重板坐于压力传感器上，且与坐底箱底板连接固定，所述接沙筐坐于接沙筐承重板上，与接沙筐承重板可拆卸连接；所述压力传感器与压力数据采集器连接，所述压力数据采集器与电脑端连接；

所述推移质运动信号采集部分包括推移质运动冲击板、推移质运动传感器、安装座、运动数据采集器，所述推移质运动传感器固定安装在推移质冲击板上，所述安装座中部开设有凹槽，所述推移质冲击板覆盖并固定在安装座上，且安装有推移质运动传感器的一面朝下使传感器置于安装座的凹槽空间中，所述安装座水平固定安装在坐底箱的外侧壁上，安装高程满足使推移质冲击板与接沙筐的上部开口齐平；所述推移质运动传感器与运动数据采集器信号连接，所述数据采集器与电脑端连接；

所述坐底箱（1）和安装座固定于河床中，且推移质运动冲击板（10）垂直水流方向安装，推移质运动冲击板高程与河床齐平；坐底箱每个外侧壁设置有向坐底箱外倾斜的支撑斜杆，支撑斜杆一端与侧壁焊接，另一端倾斜插入河床中，所述推移质运动信号采集部分的安装座底部焊接有插入河床中的固定杆；支撑斜杆倾斜设置能防止水流扰动下装置移位影响检测准确性，由于推移质运动信号采集部分在河床中的安装深度较浅，固定杆有助于使推移质运动冲击板保持水平，防止被水流掀翻。

进一步地，所述坐底箱一外侧壁设置有与外侧壁固定连接的多个三角支撑块，所述三角支撑块沿水平向排列布置，三角支撑块的上端面横向固定有跨越全部三角支撑块的支撑横杆，所述安装座固定于支撑横杆上，将整个推移质运动信号采集部分固定在坐底箱外壁上。

进一步地，所述推移质运动传感器优先选择加速度振动传感器或水听器，以采集推移质运动撞击在冲击板上所产生的振动和噪音信号。

进一步地，所述接沙筐开口边缘周向设置有接沙外沿，所述接沙外沿向接沙筐和坐底箱的开口外延伸（呈喇叭开口），遮挡接沙筐与坐底箱之间的间隙，防止推移质进入间隙中，造成称重误差。

优选地，所述外沿的高度与推移质运动冲击板的高程齐平。

优选地，所述接沙外沿与推移质冲击板之间保持间隙，避免影响推移质运动信号的采集。

进一步地，与推移质运动信号采集部分相邻的坐底箱的两侧设置有高出河床侧沿，用于防止两侧的推移质进入接沙影响测量精度。

本实用新型的技术方案中，坐地箱的固定也可以采用套筒和锚杆配合：所述坐底箱外壁周向均匀布置有若干套筒，所述套筒与锚杆匹配，锚杆插入套筒，再插入河床中，实现坐底箱与河床相对位置的固定，避免受山区河流中大量推移质泥沙撞击和急速水流携带等作用下发生位移。优选地，所述套筒可以沿同一竖向直线呈列设置，锚杆同时插入多个套筒中，提升坐底箱相对河床的固定效果；更优选地，在坐底箱的四条棱和每个侧壁的竖向中线位置呈列设置对应的套筒，实现坐底箱各方向的固定。

进一步地，所述接沙筐四个外侧壁上分别设置有滑轮，接沙筐开口四周（或外沿四周）设置有若干吊耳，所述滑轮与坐底箱的内壁面接触并以内壁面为滑道，当接沙筐中推移质装满后，通过岸边吊车或者缆绳挂于吊耳上将接沙筐吊出，将泥沙倾倒后再放回到坐底箱内重复测量。滑轮的设计保证了在拉接沙筐的同时，接沙筐不会在水流作用下发生强烈碰撞导致坐底箱破坏。

优选地，所述滑轮竖向呈列设置，每列间隔相等距离设置2-3个。

进一步地，所述接沙筐与接沙筐承重板通过螺杆定位实现可拆卸连接，且螺杆的长度满足在接沙筐装满泥沙后仍然能够操作拧松螺杆，取出接沙筐。

利用本实用新型所述装置，可将推移质运动信号采集部分采集的推移质运动产生的多源信号（振动、噪音）经过数学统计等处理提取，得到各种多源信号特征参数，再与坐底称重部分直接采集到的实时推移质输沙率之间建立相关关系，通过标定通过信号采集测得的输沙率，提高间接测量法的准确性，从而在后期能够直接从电脑端获得实时推移质输沙率。在长时间的监测中，由于已经利用直接测量法得到的推移质输沙率对间接测量法测量得到的推移质输沙率进行标定和系数验证，因此在接沙筐在装满泥沙或在洪水中毁坏后，依然能够用振动信号采集部分对推移质输沙率进行长时间的实时监测，而不再需要对坐底箱称重或清理，特别适合野外山区流域卵砾石和沙砾石河道或溪沟中推移质泥沙输沙率的实时监测。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型在同一装置上实现了对推移质输沙率的简单有效的间接实时测量和直接实时测量，提供了一种利用直接测量法得到的推移质输沙率对间接测量法测量出来的多源信号标定和系数验证的装置，有利于提高输沙率测量的精度；同时所坐底箱型推移质输沙率实时监测装置解决了现有技术中难以对山区流域卵砾石和沙砾石河道或溪沟中推移质泥沙输沙率进行直接实时测量的问题。

2.本实用新型所述装置能够对场次洪水进行分钟级别分辨率的推移质输沙率监测，无需人工，具有非常高的效率。

3.本实用新型所述装置布置灵活，安装简单，仅需要在枯水期将装置埋至与河床齐平，成本较低，若结合5G技术则可以进行远程查看，可以根据实际需求及河段在河床任意位置或者输沙带附近进行大规模布置。

附图说明

图1 为本实用新型所述坐底箱型推移质输沙率实时监测装置的整体结构示意图（a为套筒固定，b为支撑斜杆固定）。

图2 为本实用新型所述坐底箱型推移质输沙率实时监测装置的坐底箱结构示意图。

图3 为本实用新型所述坐底箱型推移质输沙率实时监测装置的承重板示意图。

图4 为本实用新型所述坐底箱型推移质输沙率实时监测装置的内框结构示意图。

图5 为本实用新型所述坐底箱型推移质输沙率实时监测装置的推移质冲击板示意图。

图6 为本实用新型所述坐底箱型推移质输沙率实时监测装置的安装示意图。

图中：1、坐底箱；2、接沙筐；3、外沿；4、支撑斜杆(或套筒)；5、三角支撑块； 6、支撑横杆；7、数据电源传输线；8、电脑；9、安装盒；10、推移质运动冲击板；11、螺母；12、接沙筐承重板；13、压力传感器；14、推移质运动传感器；15、滑轮；16、滑轮支架；17、吊耳、18、锚杆。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图1~6对本实用新型所述坐底箱型推移质输沙率实时监测装置进行详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

实施例1

本实施例所述坐底箱型推移质输沙率实时监测装置，主要由坐底称重部分和推移质运动信号采集部分组成；

所述坐底称重部分包括坐底箱1、接沙筐2、压力传感器13和接沙筐承重板12，所述接沙筐2位于坐底箱1中且四周侧壁与坐底箱侧壁保持一定间隙，所述压力传感器通过螺钉安装在坐底箱的底板上，所述接沙筐承重板坐于压力传感器13上，且与坐底箱底板通过螺钉连接固定，所述接沙筐坐于接沙筐承重板12上，与接沙筐承重板通过螺钉可拆卸连接，接沙筐开口边缘周向设置有接沙外沿3，所述接沙外沿为围绕接沙筐开口向外延伸（呈喇叭开口）5cm高的梯形边沿，边沿应稍微超过坐底箱，遮挡接沙筐与坐底箱之间的间隙，防止推移质进入间隙中，造成称重误差；所述压力传感器13与压力数据采集器连接，所述压力数据采集器与电脑8端连接。

所述推移质运动信号采集部分包括推移质冲击板10（振动冲击板）、推移质运动传感器14、安装座9、运动数据采集器，所述推移质运动传感器选用防水型推移质运动传感器IEPE振动传感器，所述传感器固定安装在推移质冲击板10上，所述安装座9中部开设有凹槽，所述推移质冲击板覆盖并固定在安装座上，且安装有推移质运动传感器的一面朝下使传感器置于安装座的凹槽空间中，所述安装座水平固定安装在坐底箱的外侧壁上，安装高程满足使推移质冲击板10与接沙筐2的外沿3的顶部齐平；所述推移质运动传感器与运动数据采集器信号连接，所述数据采集器与电脑8端连接。

所述坐底箱1一外侧壁设置有与外侧壁固定连接的多个三角支撑块5，所述三角支撑块沿水平向排列布置，三角支撑块的上端面横向固定有跨越全部三角支撑块的支撑横杆6，所述安装座固定于支撑横杆上，将整个推移质运动信号采集部分固定在坐底箱外壁上。

所述坐底箱1固定于河床中，且推移质运动冲击板1）垂直水流方向安装，推移质运动冲击板高程与河床齐平；坐底箱每个外侧壁设置有向坐底箱外倾斜的支撑斜杆，支撑斜杆一端与侧壁焊接，另一端倾斜插入河床中，实现坐底箱1与河床相对位置的固定，避免受山区河流中大量推移质泥沙撞击和急速水流携带等作用下发生位移；所述推移质运动信号采集部分的安装座底部焊接有插入河床中的固定杆。支撑斜杆倾斜设置能防止水流扰动下装置移位影响检测准确性，由于推移质运动信号采集部分在河床中的安装深度较浅，固定杆有助于使推移质运动冲击板保持水平，防止被水流掀翻。

坐底箱应稍微低于床面5cm，接沙外沿3与推移质冲击板10之间保持小于1cm的间隙，避免影响推移质运动信号的采集。

所述接沙筐2四个外侧壁上分别设置有滑轮15，接沙筐开口四周（或外沿四周）设置有若干吊耳17，所述滑轮与坐底箱的内壁面接触并以内壁面为滑道，当接沙筐中推移质装满后，通过岸边吊车或者缆绳挂于吊耳上将接沙筐吊出，将泥沙倾倒后再放回到坐底箱内重复测量。滑轮的设计保证了在拉接沙筐的同时，接沙筐不会在水流作用下发生强烈碰撞导致坐底箱破坏。优选地，所述滑轮竖向呈列设置，每列间隔相等距离设置3个，每个滑轮通过滑轮支架16固定连接在坐底箱的外侧壁上。

所述接沙筐2与接沙筐承重板12通过螺杆定位实现可拆卸连接，且螺杆的长度满足在接沙筐装满泥沙后仍然能够操作拧松螺杆，取出接沙筐。

利用所述装置可将采集到的原始推移质运动产生的多源信号（振动、噪音）经过各种数学统计等处理提取出各种多源信号特征参数，并与第二部分装置采集的实时推移质输沙率建立相关关系，进而通过标定获得实时推移质输沙率。在长时间的监测中，由于已经利用直接测量法得到的推移质输沙率对间接测量法测量得到的推移质输沙率进行标定和系数验证，因此在接沙筐在装满泥沙或在洪水中毁坏后，依然能够用振动信号采集部分对推移质输沙率进行长时间的实时监测。

所述防水型IEPE振动传感器为例，当床面无振动的时候输出0V左右的信号电压，当推移质泥沙在振动板上有振动时输则输出以0V电平为基准的上下波动的信号电压，振动幅度越大电压值越大，采集频率可以设置为1000Hz~10000Hz。

所述压力传感器为四个，四个防水型压力传感器通过并联连接在一起，共同输出总电压信号，传感器测量范围为0-1吨，四个传感器都是通过螺母将接沙筐底部和坐底箱底部刚性连接。选择常用的电压信号转485信号转化器，在电脑端对该信号数据利用485通讯协议进行实时读取、显示并存储。一般采集频率设置为1min一个数据，数据可以是累计重量，可以是单位时间内接沙筐内泥沙的重量增量。

所述装置中，坐底箱、接沙筐、接沙筐承重板、安装座、振动冲击板选用不锈钢材质制成。根据测量部门或者设计部门的需求，制作成相应尺。由于受到防水型压力传感器13的测量范围，接沙筐2最大长×宽×高设计为1m×1m×0.6m。坐底箱1尺寸分别在接沙筐2的基础上加5cm保证其他零部件的安装。所述压力数据采集器和运动数据采集器均可与市场购买具有相应功能的数据采集器。

本实施例所述装置的安装：

在枯水期，在河流输沙带附近挖1.5m×1.2m×0.8m的坑，将支撑斜杆务必深入河床中1m以上。随后将坐底箱通过埋入坑内，支撑横杆与坐底箱采用焊接连接，支撑横杆和安装座可以采用螺母连接也可以直接采用焊接，目的是保证安装盒在床面不会发生明显的振动。坐底箱前方的振动安装座基本与前方床面齐平。接沙筐顶部采用高度5cm的外沿连接，外沿应与不能和振动冲击板接触，但距离不应小于1cm，防止部分沙通过之间的缝隙漏掉。

随后先将防水型压力传感器的与坐底箱通过螺钉连接，防水型压力传感器的顶部则利用螺杆与接沙筐承重板进行连接。接沙承重板在中间和四周采用更多的螺杆连接，保证了受力的均匀性。接沙筐在坐底箱应避免除了滑轮的接触外，其他部分均尽量减少接触，以防止压力传感器得到的数据不准确。滑轮采用滑轮支架固定在接沙筐四周。四个角处的压力传感器的数据电源传输线通过并联方式穿过坐底箱。防水型IEPE振动传感器利用其上的螺母安装在振动冲击板的中心位置，振动钢板通过螺钉固定在安装座上。传感器的数据电源传输线穿过安装座，将两根数据电源传输线埋入到卵砾石河床里面，再顺着堤岸连接到电脑端，通过相应的数据采集方法进行采集、显示并存储。利用该发明则就可以直接将野外河流中的实时推移质输沙率来标定振动信号，达到了多源信号的采集。

由于枯水期一般推移质量很少，在汛期一场洪水后应及时利用岸边吊车或者缆绳挂住接沙筐上的四个吊耳，拉上岸边将框内泥沙倾倒，再利用接沙筐的螺杆定位到坐底箱位置放入里面，重复测量。

Claims (8)

1.一种推移质输沙率实时监测和标定装置，其特征在于，由坐底称重部分和推移质运动信号采集部分组成；

所述坐底称重部分包括坐底箱（1）、接沙筐（2）、压力传感器（13）和接沙筐承重板（12），所述接沙筐位于坐底箱中且四周侧壁与坐底箱侧壁保持一定间隙，所述压力传感器固定安装在坐底箱的底板上，所述接沙筐承重板坐于压力传感器上，且与坐底箱底板连接固定，所述接沙筐坐于接沙筐承重板上，与接沙筐承重板可拆卸连接；所述压力传感器与压力数据采集器连接，所述压力数据采集器与电脑（8）端连接；

所述推移质运动信号采集部分包括推移质运动冲击板（10）、推移质运动传感器（14）、安装座（9）、运动数据采集器，所述推移质运动传感器固定安装在推移质冲击板上，所述安装座中部开设有凹槽，所述推移质冲击板覆盖并固定在安装座上，且安装有推移质运动传感器的一面朝下使传感器置于安装座的凹槽空间中，所述安装座水平固定安装在坐底箱（1）的外侧壁上，安装高程满足使推移质冲击板与接沙筐（2）的上部开口齐平；所述推移质运动传感器与运动数据采集器信号连接，所述数据采集器与电脑端连接；

所述坐底箱（1）和安装座固定于河床中，且推移质运动冲击板（10）垂直水流方向安装，推移质运动冲击板高程与河床齐平；坐底箱每个外侧壁设置有向坐底箱外倾斜的支撑斜杆，支撑斜杆一端与侧壁焊接，另一端倾斜插入河床中；所述推移质运动信号采集部分的安装座底部焊接有插入河床中防止安装座被掀翻的固定杆。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，坐底箱（1）一外侧壁设置有与外侧壁固定连接的多个三角支撑块（5），所述三角支撑块沿水平向排列布置，三角支撑块的上端面横向固定有跨越全部三角支撑块的支撑横杆（6），所述安装座固定于支撑横杆上，将整个推移质运动信号采集部分固定在坐底箱（1）外壁上。

3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述推移质运动传感器（14）为加速度振动传感器或水听器，用于采集推移质运动撞击在冲击板上所产生的振动和噪音信号。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述接沙筐（2）开口边缘周向设置有接沙外沿（3），所述接沙外沿向接沙筐和坐底箱的开口外延伸，遮挡接沙筐（2）与坐底箱（1）之间的间隙。

5.根据权利要求4所述装置，其特征在于，所述接沙外沿（3）的高度与推移质运动冲击板（10）的高程齐平；接沙外沿对应推移质冲击板的部分与推移质冲击板之间预留有间隙。

6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，与推移质运动信号采集部分相邻的坐底箱的两侧设置有高出河床侧沿，用于防止两侧的推移质进入接沙影响测量精度。

7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述接沙筐四个外侧壁上分别设置有滑轮（15），接沙筐（2）开口四周设置有若干吊耳（17），所述滑轮与坐底箱（1）的内壁面接触并以内壁面为滑道，当接沙筐中推移质装满后，通过岸边吊车或者缆绳挂于吊耳上将接沙筐吊出，将泥沙倾倒后再放回到坐底箱内重复测量。

8.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述滑轮（15）竖向呈列设置，每列间隔相等距离设置2~3个。

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