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CN104165817B - 径流泥沙含量实时测量装置及测量方法 - Google Patents

径流泥沙含量实时测量装置及测量方法 Download PDF

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CN104165817B CN201410426952.XA CN201410426952A CN104165817B CN 104165817 B CN104165817 B CN 104165817B CN 201410426952 A CN201410426952 A CN 201410426952A CN 104165817 B CN104165817 B CN 104165817B
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孙传生
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崔斌
王岩
张丽君
隋媛媛
申聪颖
王永丰
张军海
赵书军
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Abstract

一种径流泥沙含量实时测量装置及测量方法，属于测量技术领域，采用测量桶、称重传感器、放水管、电动阀、液位传感器、控制器和处理器构成，测量桶放置在称重传感器上，电动阀安装在桶底的放水管上，液位传感器安装在测量桶上方，处理器通过控制器分别连接称重传感器、电动阀和液位传感器。设定测量桶内的最高和最低水位及电动阀开阀、关阀时间；将浑水连续导入测量桶内，实时测量桶内水位高度及重量，并且将得到的数值通过控制器传送至处理器；当水位上升至最高水位时，电动阀打开，测量桶内的水排出，当水位降低至最低水位时，电动阀关闭；处理器对获得和设定的参数进行处理，得到桶中径流泥沙的重量。本发明能够准确地测量出不同土质的径流泥沙含量，而且能够实现在线测量。

Description

径流泥沙含量实时测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种测量泥沙含量的装置，以及利用这样装置测量径流总量的方法。
背景技术
目前测量径流泥沙含量所采用方法有两种，一种是采用直接测量法，如烘干法又称称重法，即取一定量的样品，测量其原重和烘干后的重量，从而确定泥水中的含沙量，但由于烘干法需对待测样品进行烘干，而烘干温度一般为105°，加热需11个小时左右，高温与长期加热会造成土壤中有机质被碳化，而使测量的含沙量偏小，对烘干温度和加热时间的要求也使得整个测量过程费时费力。在野外人们使用烘干法现场测量含沙量时所采用的酒精燃干法会使所测含沙量产生较大误差，并且不能实现实时在线检测。另一种方法是间接测量法，如电容法、激光法、γ射线法等，但受温度、泥沙颗粒等影响，其测量误差较大，尤其是在泥沙浓度很大或很小时，难于实现准确测量。本课题组曾于2011年申请过实用新型专利《泥水中泥沙含量测量装置》（专利号为ZL201120215645.9），但在实际使用过程中发现，当浑水中的泥沙含量大于3%时，其测量精度大幅度下降，原因是：原来采用一个压力传感器测量液位，和一个超声波传感器测量液位，利用两个液位差值计算出浑水中的泥沙含量，但是，当浑水中的泥沙太多时，泥沙覆盖了压力传感器的测量面，是测量精度大幅度下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种径流泥沙含量实时测量装置。
发明同时提供了利用这种装置的测量方法。
本发明解决的技术问题的方案是采用测量桶、称重传感器、放水管、电动阀、液位传感器、控制器和处理器构成径流泥沙含量实时测量装置，测量桶通过下支架放置在称重传感器上，放水管连接测量桶底部，电动阀安装在放水管上，测量桶上沿固定有上支架，液位传感器通过上支架安装在测量桶上方，液位传感器的滤波管在测量桶内，控制器分别连接称重传感器、电动阀和液位传感器，处理器连接控制器。测量桶上方有将浑水汇集并注入测量桶内的水槽。
在测量桶上沿有一圈外翻边，这样能够能将地保持测量桶盛水后不产生形变。
本发明通过以下步骤完成径流泥沙含量的测量：
1、通过控制器设定测量桶内的最高水位，最低水位，设定电动阀开阀时间，关阀时间；测量出测量桶的桶底面积为，水槽至测量桶的桶底的高度；
2、通过水槽将汇集的浑水连续导入测量桶内，通过液位传感器实时测量桶内水位高度，通过称重传感器实时测量桶内水的重量，并且将得到的数值通过控制器传送至处理器；
3、当水位上升至最高水位时，控制器指令电动阀打开，测量桶内的水通过放水管排出，当水位降低至最低水位时，控制器指令电动阀关闭；
4、处理器对获得和设定的参数进行处理，得到桶中径流泥沙的重量为：
：测定桶中径流泥沙的重量（Kg）
：当前桶中的有效浑水测量重量（Kg）
桶的底面积为，由液位传感器实时测出的桶中的浑水水位，由称重传感器测出浑水的重量，浑水中泥沙的比重为，清水的比重为，C为水中空气含量，其中、、C均可通过现有技术测定；
及实测过程中总的径流量为：
：设定的桶内最高水位高度；
：设定的桶内最低水位高度；
即在实测过程中、，当达到的上下限值时，装置下部的电动阀自动开关；
：流入实测桶中水量所用的时间,计算机处理器自动记录；
：放水次数，计算机处理器自动记录；
：开阀时间，指从电动阀开始启动至完全开启所需时间，计算机自动记录；
：关阀时间，指从电动阀开始关闭至完全关闭所需时间，计算机自动记录；
：放水时间，指从电动阀完全开启放水至电动阀开始关闭结束放水所需时间，计算机处理器自动记录。
在实际测量时，桶中的水位达到桶底0临界点（如图示圆桶底部）时，桶中已经有残留浑水重量（为固定值，人工率定，给定值），则在初步测定泥沙重量的基础上考虑去除桶中已有残留浑水重量情况下桶中的实际有效泥沙重量为：
：考虑去除桶中已有残留浑水重量测定的桶中径流泥沙的重量（Kg）；
除此之外，在实际测量时，由于有水的冲力，在计算有效泥沙重量时也应该减掉，冲力为，为当前流量，，为流入当前实测桶中水量所用的时间；为在当前实测桶中水位落差时的流速，，为浑水的密度，，为重力加速度。
此时桶中的实际有效泥沙重量为：
即；
因此考虑去除和的影响最终测得的实际泥沙重量为：
；
W为更准确的实际泥沙重量。
本方案采用了称重传感器，使泥沙含量不受限制。所采用的称重传感器和高精度液位传感器对液体对径流浑水的重量和体积进行测量，通过插值计算，能够准确地测量出不同土质的径流泥沙含量，而且能够实现在线测量。
本发明在水土流失研究领域，快速准确地测定径流泥水中的泥沙含量，在土地综合治理与开发利用方面及污水处理领域有效监控，为地质灾害（如泥石流）预测提供数据支持。能够快速准确地测量出不同土质的径流泥沙含量，实现在线连续测量，不受浑水的温度等条件的影响。
附图说明
图1为测量的原理示意图；
图2为本发明装置测量桶部分的剖视图。
具体实施方式
例一、本发明装置由测量桶1、称重传感器3、放水管4、电动阀5、液位传感器7、控制器9和处理器10构成，测量桶1通过下支架2放置在称重传感器3上，放水管4连接测量桶底1部，电动阀5安装在放水管4上，测量桶1上沿固定有上支架6，液位传感器7通过上支架6安装在测量桶1上方，液位传感器7的滤波管8在测量桶1内，控制器9分别连接称重传感器3、电动阀5和液位传感器7，处理器10连接控制器9。测量桶1上方有将浑水汇集并注入测量桶内的水槽。在测量桶1上沿有一圈外翻边11。测量桶1底部与电动阀5之间的放水管4内是残留浑水12。
本发明通过以下步骤完成径流泥沙含量的测量：
1、通过控制器设定测量桶内的最高水位，最低水位，设定电动阀开阀时间，关阀时间；测量出测量桶的桶底面积为，水槽至测量桶的桶底的高度；
2、通过水槽将汇集的浑水连续导入测量桶内，通过液位传感器实时测量桶内水位高度，通过称重传感器实时测量桶内水的重量，并且将得到的数值通过控制器传送至处理器；
3、当水位上升至最高水位时，控制器指令电动阀打开，测量桶内的水通过放水管排出，当水位降低至最低水位时，控制器指令电动阀关闭；
4、处理器对获得和设定的参数进行处理，得到桶中径流泥沙的重量为：
：测定桶中径流泥沙的重量（Kg）
：当前桶中的有效浑水测量重量（Kg）
桶的底面积为，由液位传感器实时测出的桶中的浑水水位，由称重传感器测出浑水的重量，浑水中泥沙的比重为，清水的比重为，C为水中空气含量，其中、、C均可通过现有技术测定；
及实测过程中总的径流量为：
：设定的桶内最高水位高度；
：设定的桶内最低水位高度；
即在实测过程中、，当达到的上下限值时，装置下部的电动阀自动开关；
：流入实测桶中水量所用的时间,计算机处理器自动记录；
：放水次数，计算机处理器自动记录；
：开阀时间，指从电动阀开始启动至完全开启所需时间，计算机自动记录；
：关阀时间，指从电动阀开始关闭至完全关闭所需时间，计算机自动记录；
：放水时间，指从电动阀完全开启放水至电动阀开始关闭结束放水所需时间，计算机处理器自动记录。
例二、本发明装置和实测过程中总的径流量同例一，实际有效泥沙重量为：
：考虑去除桶中已有残留浑水重量测定的桶中径流泥沙的重量（Kg）。
例三、本发明装置和实测过程中总的径流量同例一，实际有效泥沙重量为：
。
以下通过表1和表2的能够反映出现有技术与本发明技术测量的准确程度，表1为现有技术的测量结果，表2为本发明技术的测量结果。
表1
表2
结果显示：用原来的差压法测量的数值，许多点的误差超过了10%；用现方法实测的数据（2014年）最大误差小于5%。

Claims (3)

1.一种径流泥沙含量的实时测量方法，其特征在于通过以下步骤完成：
（1）通过控制器设定测量桶内的最高水位，最低水位，设定电动阀开阀时间，关阀时间；测量出测量桶的桶底面积为，水槽至测量桶的桶底的高度；
（2）通过水槽将汇集的浑水连续导入测量桶内，通过液位传感器实时测量桶内水位高度，通过称重传感器实时测量桶内水的重量，并且将得到的数值通过控制器传送至处理器；
（3）当水位上升至最高水位时，控制器指令电动阀打开，测量桶内的水通过放水管排出，当水位降低至最低水位时，控制器指令电动阀关闭；
（4）处理器对获得和设定的参数进行处理，得到桶中径流泥沙的重量为：
：测定桶中径流泥沙的重量
：当前桶中的有效浑水测量重量
桶的底面积为，由液位传感器实时测出的桶中的浑水水位，由称重传感器测出浑水的重量，浑水中泥沙的比重为，清水的比重为，C为水中空气含量，其中、、C均可通过现有技术测定；
及实测过程中总的径流量为：
：设定的桶内最高水位高度；
：设定的桶内最低水位高度；
：流入实测桶中水量所用的时间,计算机处理器自动记录；
：放水次数，计算机处理器自动记录；
：开阀时间，指从电动阀开始启动至完全开启所需时间，计算机自动记录；
：关阀时间，指从电动阀开始关闭至完全关闭所需时间，计算机自动记录；
：放水时间，指从电动阀完全开启放水至电动阀开始关闭结束放水所需时间，计算机处理器自动记录。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：去除桶中已有残留浑水重量后测定的桶中径流泥沙的重量为：
其中，为桶中已经有残留浑水重量。
3.根据权利要求2所述的测量系统进行测量的方法，其特征在于：去除和的影响后测得的实际泥沙重量W为：
即：
其中，W2为水的冲力，；
为当前流量，；
为流入当前实测桶中水量所用的时间；
为在当前实测桶中水位落差时的流速；
；
为浑水的密度，；
为重力加速度。
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