CN87211075U

CN87211075U - 超声波河流泥沙浓度测定仪

Info

Publication number: CN87211075U
Application number: CN 87211075
Authority: CN
Inventors: 刘玉英; 刘坤厚
Original assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Current assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Priority date: 1987-07-30
Filing date: 1987-07-30
Publication date: 1988-05-11

Abstract

一种超声调制脉冲波河流泥沙浓度的测定仪器，由方波发生器、脉冲形成电路、控制门电路、振荡器、激励电路、发射和接收换能器、接收放大器、峰值检测器、模拟显示和/或记录器所构成。本实用新型采用调制脉冲波激励发射换能器，测量精度高，可用于各种河床和管道的泥沙在线测定，含沙量的测定范围为1-500公斤/米³。本仪器体积小，操作简单，换能器耐磨蚀，抗冲击，密封良好，水温、流速均对测量结果无影响。

Description

本实用新型属于用超声技术测定悬浮体中固体含量的浓度仪，具体涉及一种用于在线监测河流泥沙的仪器。

测量河流泥沙含量主要是为了掌握泥沙运动规律，为河流冲淤变化、沙量平衡计算。水库淤积计算等提供确切的泥沙资料。河流中泥沙含量的检测。过去沿用采样分析的器测法，这种方法简陋、劳动强度大、水样代表性差，尤其不能适应缆道设施的需要，不能在线连续监测。

近年来，超声技术的应用研究非常活跃。1981年英国石油（British petroleum 1981·10·9）报导了二种悬浮体中固体浓度测定仪，该仪器只适用于少量的样品分析。1978年日本的古里明留发表了用超声波测定污泥浓度的论文“高悬浊液－污泥－

浓度计测”（《计装》，1984·11），所述的超声波式浓度计是根据将超声波发射到悬浮液以后，同悬浮粒子撞击而发生散射，由散射而造成的超声波衰减同悬浮粒子的浓度有关这一原理设计的，文中只介绍了该浓度计的原理和测量方案，并未作更详尽的描述，而且这种浓度计都是用于管道测量的。目前已有的超声检测设备大都采用连续波或尖脉冲波激励发射换能器，连续波的发射电路虽简单，但它的缺点是容易形成驻波，影响测量精度，而尖脉冲波由于本身的频谱成份十分丰富，而换能器通常是一个窄带的响应器件，不能将响应频带以外的电能转换为声能，用这种方法激励换能器，则换能器总的电声转换效率较低，同时，由于介质对声波衰减的频散作用，在传播过程中，不论是媒质本身的吸收频散或制导波的几何频散，各种频率成份的波将以不同的群速度进行传播，这就使得脉冲波形将随着传播距离的增大而发生畸变，也会影响测量精度。

本实用新型的目的在于提供一种相对误差小，测量精度高的专用于测量河流泥沙浓度的浓度仪。

本实用新型的泥沙浓度仪，根据超声波在液体中传播时遇到悬浮粒子会产生衰减，而衰减量与液体中的悬浮粒子的浓度有关这一原理设计的。本实用新型的电路部分主要包括：发射电路、发射和接受换能器和接收电路三部分。

图1为超声波河流泥沙浓度仪的电路框图。图中1为方波发生器，2为脉冲形成电路，3为控制门电路，4为振荡器，5为激励电路，6为发射换能器，7为接收换能器，8为接收放大器，9为峰值检测器，10为显示器，11为记录器。本电路采用220伏交流或12伏直流供电，方波发生器1产生矩形脉冲，经脉冲形成电路2形成一定幅度的反向脉冲信号去控制门电路3，振荡器4产生的一定频率的振荡脉冲通过门电路3的调制而产生调制脉冲加到激励电路5进行放大，然后去激励发射换能器6，换能器内的压电晶片在激励信号的作用下产生机械弹性振动，在水中形成超声波，超声波穿过一定距离的水之后，被接收换能器7接收并转换成电信号，接收放大器8将接收到的信号放大，经峰值检测器9进行峰值检测后在显示器10显示出对应于含沙量的模拟信号，同时记录器11将含沙的变化过程进行记录。本实用新型的特征在于所说的方波发生器1，脉冲形成电路2，控制门电路3，振荡器4和激励电路5所构成的发射电路产生调制脉冲波，用于激励发射换能器。

图2为振荡器电路图。该电路是由SJT、T₁组成的并联式石英振荡电路，产生频率与振幅都稳定的正弦波信号。振荡频率由所测泥沙介质来确定，振荡信号通过C₄从A点输出。

图3为发射电路原理图。IC555、D₁～2、R₄～6、C₆～8、W₁、W₂组成多谐振荡电路，产生一系列正方波脉冲，调节W₁、W₂可改变输出脉冲的重复频率和占空比。T₂、T₃、T₄构成脉冲形成电路，当输出高电平时，T₄集电极输出为－12V，当输入低电平时，T₄集电极输出为零伏，于是正的方波脉冲经过脉冲形成电路，从T₄的集电极输出的是一系列负方波脉冲。门电路由T₅、T₆构成，当输入直流－12V时，T₅、T₆均截止，从振荡电路来的交流正弦信号从A点输入，通过C₉输出至T₇所组成的激励电路。当输入直流为零电平时，T₅、T₆导通，输出端被钳制在地电位，经门电路调制后的脉冲信号经T₇一级放大后去激励发射换能器。

图4是接收电路原理图。由发射换能器来的超声脉冲信号穿过介质后，由接收换能器接收并转换成电脉冲信号，经过衰减器加到接收放大器的第一级。接收放大器是由T_8－11组成的四级宽频带放大器。放大后的脉冲信号经由D₆、D₇、C₂₈、C₂₇组成的峰值检测电路进行检波，经检波后的直流信号由模拟电表指示，a、b端的输出电压信号接记录器，记录沙量变化的连续过程。

图5是换能器的剖面图。图中1是晶片，2是O形密封环，3是防水密封的铜壳，图中的虚线为换能器的引线孔。本仪器的发射和接收换能器是由加有钢玉磨片的晶片，防水密封的换能器铜壳和用屏蔽橡胶套硫化密封的转输线构成。所说的钢玉磨片用环氧树脂贴在晶片上，以防止泥沙的磨蚀，换能器用防水密封的铜壳和密封环密封，将发射和接收晶片按选好的距离平行对正后，严格密封镶装在换能器的铜壳内，传输线经屏蔽橡胶套硫化密封，接在测试仪器上。

超声波的衰减与悬浮质的粒径有关，而河流中悬浮沙粒径是变化的，如果频率选择不当，即使含沙量不变也会导致衰减量的不同，严重影响测量结果，根据历年来黄河流域、长江流域泥沙的平均粒径变化范围，通过计算，将测量频率选择在超声波散射衰减和粘滞衰减区的交界区，具体说，是把振荡器的工作频率定为1.25～3兆赫兹。

根据上述频率的选择，考虑河流中泥沙的变化范围，要使测量既能满足一定的灵敏度，又能测较大的含沙量，将发射换能器与接收换能器间的距离选择在20毫米－40毫米的范围内。

本实用新型的超声波河流泥沙浓度测定仪，采用调制脉冲波来激励发射换能器，由于调制脉冲的频谱较纯，因此可以得到最佳的匹配效果和较大的电声转换效率，而且由于发射波形的频谱较纯，使得接收波形畸变较小，从而可以提高测量精度。它可以适用于各种河床和管道泥沙在线测定。经多次试验表明，超声衰减与含沙量之间有良好的对应关系，工作曲线能保证稳定，特别是测定高含沙量时精度较高，含沙量的测量范围为1－500公斤／米³。

本仪器体积小，携带方便，操作简单，测量迅速，不需防护，造价低。换能器耐磨蚀，抗冲击，密封好，能够测距河底10厘米左右的临底层悬沙数据，还可同测流设施配合作定位测量，流动直测任何地方的沙量连续变化过程。此外，使用现场的水温，流速均对测量结果无影响。

实施例1

在实验室的模拟试验装置上测量含沙量，本仪器的振荡器工作频率为2.5兆赫兹，含沙量的变化范围从0.75公斤－731.8公斤／米³取69个采样点，标定曲线的相关系数＜－0.99，其测量误差为：含沙量在1－10公斤／米³时，测量的平均相对误差＜±10％，含沙量在10－500公斤／米³时，测量的平均相对误差＜±5％。

实施例2

在山西省汾河上兰村用本仪器测量主河道的泥沙含量，振荡器的工作频率为2.5兆赫兹，将收发换能器放入距河底30厘米的河水中，测量的泥沙含量变化范围从4公斤－40公斤／米³，测量的相对平均误差＜±10％。

Claims

1、一种超声调制脉冲波测定河流泥沙浓度的仪器，它由方波发生器、脉冲形成电路、控制门电路、振荡器、激励电路、发射和接收换能器、接收放大器、峰值检测器、模拟显示器和/或记录器所构成，其特征在于所说的方波发生器、脉冲形成电路、控制门电路、振荡器和激励电路构成的发射电路产生调制脉冲波，用于激励发射换能器。

2、根据权利要求1所述的仪器，其特征在于所说的发射和接收换能器是由加有钢玉磨片的晶片，防水密封的换能器铜壳和用屏蔽橡胶套硫化密封的传输线构成。

3、根据权利要求1所述的仪器，其特征在于所说的振荡器的工作频率为1.25－3兆赫兹。