一种泥沙浓度自动测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及仪器测量领域，尤其涉及一种泥沙浓度自动测量装置及其方法。

背景技术

江河流域在降雨的作用下，坡面上被侵蚀的表层土壤随坡面径流进入江河，并向河口方向运动，从而形成了多沙河流，给生态环境带来较大的危害。因而长期以来，悬移质含沙量在线监测成为人们关注的重点。河湖悬移质泥沙含量(即含沙量)是水文测验、水土保持监测中必须测定的重要参数，不仅对于评价流域的水土流失程度和水土保持效益具有重要意义，还关系到山洪爆发、水灾研判、水利水电工程建设、水资源开发利用、水土流失治理、工农业取水用水和江河湖库治理保护等方方面面；但目前在水土保持监测中尚缺乏快速、便捷、高精度的含沙量在线测定方法。

目前的测沙设备有的适合测高含量的、有的适合测低含量的，而在实际应用中，一般情况下的泥沙含量低，山洪爆发等特殊场景下的泥沙含量又特别高，研制一款测量量程广、精度高的在线测沙设备已成为目前亟待解决的现实问题。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，从而提供一种泥沙浓度自动测量装置及其方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种泥沙浓度自动测量装置，其特征在于包括测量水箱、水泵、控制器、进水阀、出水阀、磁吸装置、金属球、吊绳、测力传感器、进水管、联通水管，其中，测量水箱的顶部半封闭，封闭一侧固定有测力传感器，测力传感器与金属球通过吊绳连接；金属球靠近测量水箱的内部但不与水箱的内壁接触，水箱的外侧与金属球等高位置固定有磁吸装置，在测量水箱顶部半开放一侧的侧面设有溢水口，测量水箱的底部与水平面呈一定的倾角，底部较低的一侧设有出水口，出水口上装有出水阀；进水管与进水阀、水泵、联通水管依次连接，联通水管的出水注入到测量水箱中，且注意不能冲到金属球上，进水阀、出水阀、水泵、磁吸装置、测力传感器分别与控制器信号连接，以便于控制器控制进水阀、出水阀、水泵、磁吸装置的运行，接收测力传感器的数据。其中金属球靠近但不接触水箱内壁，是指磁吸装置开启的时候，能把金属球吸过去，磁吸装置关闭的时候，金属球就脱离水箱内壁。

优选的，测量水箱材质为无磁性的不锈钢或有机玻璃类刚性材料，内侧面光滑或涂有光滑涂层。

优选的，水泵为自吸水泵。

优选的，金属球采用磁可吸附的铁金属材料，形状为空心球体，外径的半径为R，内径的半径为r，并满足0.85R＜r＜0.95R。

优选的，测力传感器为高精度拉力传感器，精度不低于0.1％。

优选的，还包括清洗水箱、清洗阀和清洗喷头，清洗水箱的底部通过清洗阀连接清洗喷头，清洗喷头用于冲洗测量水箱内壁，清洗阀受控制器控制，清洗喷头的出水应当可以冲到金属球上，以便于对金属球进行冲洗。

优选的，所述进水管有N根，N为大于等于1的自然数。

优选的，所述倾角为30度-60度。

本发明还公开了一种泥沙浓度自动测量方法，通过上述的泥沙浓度自动测量装置实现，其中进水管只有一根，其步骤包括：

(1)控制器在0时刻连通磁吸装置的电流、吸附金属球并控制进水阀打开进水管，启动水泵开始抽水，T1时刻打开出水阀，排水时间T2后关闭出水阀，等待时间T3，关闭水泵；

(2)关闭水泵后，等待时间T4，控制器断开磁吸装置的电流，释放金属球，测力传感器得到T5时间段的测力结果F(由于测量点的重力加速度一致，不同测量点的重力加速度不一样，此处测力结果F采用质量来表示)；

(3)根据F测量结果，得到ρ

(4)根据关系式ρ

本发明还公开了另一种泥沙浓度自动测量方法，通过上述的泥沙浓度自动测量装置实现，其中进水管有N个通道，且设有清洗系统，其步骤包括：

(1)控制器在0时刻控制进水阀打开进水管的第i条通道，i＝1、2、3、…、N，启动水泵开始抽水，T1时刻打开出水阀，排水时间T2后关闭出水阀，等待时间T3，关闭水泵；

(2)关闭水泵后，等待时间T4，控制器断开磁吸装置的电流，释放金属球，测力传感器得到T5时间段的测力结果Fi，控制器开通磁吸装置的电流，以吸附固定金属球，打开出水阀；

(3)根据Fi测量结果，得到ρ

(4)根据关系式ρ

(5)等待时间T6后，关闭出水阀，打开清洗阀，清洗时间T7，打开出水阀，等待时间T8后，关闭出水阀；

(6)控制器控制进水阀打开进水管另一通道，重复步骤1-4，可以计算出进水管另一通道的入口处对应的泥沙浓度。

本发明的有益效果是：本发明通过自动化技术，实现了水质泥沙的在线测量，具有多个显著的优点。首先，水泵抽取水样至特定容器中进行测量，既避免了水流流动等外界环境对测量精度的影响，还可防止洪水冲走设备等意外事件的发生；其次，针对河流泥沙的测量范围(0-1000kg/m

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

一种泥沙自动测量装置，包括测量水箱1、清洗水箱2、水泵3、控制器4、进水阀5、出水阀6、清洗阀7、磁吸装置8、金属球9、吊绳10、测力传感器11、进水管12、联通水管13、清洗喷头14、溢水口15、出水口16。其中，测量水箱1顶部半封闭一侧固定有测力传感器11，测力传感器11与金属球9通过吊绳10连接；金属球9紧靠测量水箱1的侧面但不与水箱1的内侧接触；水箱1的外侧与金属球9等高位置固定有磁吸装置8；测量水箱1顶部半开放一侧的侧面开有溢水口15；测量水箱1的底部与水平面呈一定的倾角，底部较低的一侧开有出水口16；出水口16上装有出水阀6。控制器4固定在测量水箱1外侧，分别与水泵3、进水阀5、出水阀6、清洗阀7、磁吸装置8、测力传感器11信号连接。进水管12与进水阀5、水泵3、联通水管13依次连接，联通水管13的出水注入到测量水箱1中，且注意不能冲到金属球9上。

其中，测量水箱1材质为无磁性的不锈钢材料，水箱1整体呈圆柱形，圆柱内半径15cm，壁厚0.5cm，高45cm，内侧面光滑；

其中，清洗水箱2里面预先装有自来水，清洗水箱2采用隆飞PT1000的塑料水塔，底部通过清洗阀7连接清洗喷头14，清洗喷头14采用汉轩喷头自动旋转洒水器；

其中，水泵3采用众井50WB35-30z型号的2200W自吸离心泵，最大扬程30m，最大吸程9m；

其中，控制器4带有多路电源，分别给水泵3、控制器4、进水阀5、出水阀6、清洗阀7、磁吸装置8供电AC220，给测力传感器11供电DC8V；

其中，进水阀5、出水阀6、清洗阀7采用盛易气动DN-50常闭型电磁阀，磁吸装置8采用平恒机电YHN-P30/22-(10kg)型吸盘电磁铁；

其中，金属球9采用磁可吸附的铁空心球，表面涂有防水防腐涂层，外径(半径)为R＝6.0cm，内径(半径)为r＝5.4cm；

其中，测力传感器11为中诺传力ZNLBS型高精度拉力传感器，量程1000g，精度0.03％；

其中，进水管12的数量N＝3。

该装置的测量方法：

(1)控制器4在0时刻连通磁吸装置的电流(以便吸附金属球)并控制进水阀5打开进水管12的第1个通道，启动水泵3开始抽水，T1＝5s时刻打开出水阀6，排水时间T2＝5s后(期间水泵持续抽水)，关闭出水阀6，等待时间T3＝10s，关闭水泵3。

(2)关闭水泵3后，等待时间T4＝10s，控制器4断开磁吸装置8的电流(释放金属球9)，测力传感器11得到T5时间段的测力结果F1＝893.6g，控制器4开通磁吸装置8的电流(吸附固定金属球9)，打开出水阀6。

(3)等待时间T6＝20s后，关闭出水阀6，打开清洗阀7，清洗时间T7＝5s，打开出水阀6，等待时间T8＝10s后，关闭出水阀6。

(4)控制器4控制进水阀5打开进水管12的第2个通道，重复步骤1-3，得到测力结果F2＝845.3g。

(5)控制器4控制进水阀5打开进水管12的第3个通道，重复步骤1-3，得到测力结果F3＝784.5g。

(6)根据F1、F2、F3测量结果，得到ρ

(7)通过关系式根据关系式ρ

实施例2

一种泥沙自动测量装置，包括测量水箱1、水泵3、控制器4、进水阀5、出水阀6、磁吸装置8、金属球9、吊绳10、测力传感器11、进水管12、联通水管13、溢水口15、出水口16。其中，测量水箱1顶部半封闭一侧固定有测力传感器11，测力传感器11与金属球9通过吊绳10连接；金属球9紧靠测量水箱1的侧面但不与水箱1的内侧接触；水箱1的外侧与金属球9等高位置固定有磁吸装置8；测量水箱1顶部半开放一侧的侧面开有溢水口15；测量水箱1的底部与水平面呈一定的倾角，底部较低的一侧开有出水口16；出水口16上装有出水阀6。控制器4固定在测量水箱1外侧，分别与进水阀5、出水阀6、清洗阀7、磁吸装置8、测力传感器11相连。

其中，测量水箱1材质为无磁性的不锈钢材料，水箱1整体呈圆柱形，圆柱内半径15cm，壁厚0.5cm，高45cm，内侧面光滑；

其中，水泵3采用众井50WB35-30z型号的2200W自吸离心泵，最大扬程30m，最大吸程9m；

其中，控制器4带有多路电源，分别给水泵3、控制器4、进水阀5、出水阀6、磁吸装置8供电AC220，给测力传感器11供电DC8V；

其中，进水阀5、出水阀6采用盛易气动DN-50常闭型电磁阀，磁吸装置8采用平恒机电YHN-P30/22-(10kg)型吸盘电磁铁；

其中，金属球9采用磁可吸附的铁空心球，表面涂有防水防腐涂层，外径(半径)为D＝6.0cm，内径(半径)为r＝5.4cm；

其中，测力传感器11为中诺传力ZNLBS型高精度拉力传感器，量程1000g，精度0.03％；

其中，进水管12只有一根。

该装置的测量方法：

(1)控制器4在0时刻连通磁吸装置的电流、吸附金属球并控制进水阀5打开进水管12，启动水泵3开始抽水，T1＝5s时刻打开出水阀6，排水时间T2＝5s后(期间水泵持续抽水)，关闭出水阀6，等待时间T3＝10s，关闭水泵3。

(2)关闭水泵3后，等待时间T4＝10s，控制器4断开磁吸装置8的电流(释放金属球9)，测力传感器11得到T5时间段的测力结果F，控制器4开通磁吸装置8的电流(吸附固定金属球9)，打开出水阀6。

(3)根据F测量结果，得到ρ

(4)通过关系式根据关系式ρ

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。