野外径流泥沙自动监测设备及监测方法技术

本发明专利技术涉及一种野外径流泥沙自动监测设备及监测方法，包括筒体，所述筒体顶部设与径流进水管连接的进水阀、中部设有储流室、底部侧壁设出水阀，所述进水阀下方设锥形导水板；所述储流室底面为经支撑结构支撑在筒体底面的斜坡形储水底板，所述斜坡形储水底板的最低端与出水阀下端对应；所述筒体侧壁设有至少一个水位探针，且最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平；所述筒体底面设有称重传感器。本发明专利技术还包括采用上述设备进行野外径流泥沙自动监测的方法，本发明专利技术结构极为简单可靠、操作简便、能耗低、自动化程度高、排沙效果好、准确性高、生产和维护成本低，本发明专利技术方法简单、可靠、计算方法简单、准确性高，操作性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种径流泥沙自动监测设备及监测方法，具体地说是一种野外径流泥沙自动监测设备及监测方法。
技术介绍
水土流失中的径流含沙量是衡量水土流失的重要参数之一，也是水土保持监测的主要内容。根据测量原理的不同，泥沙测量方法可分为：直接测量方法和间接推导方法。基于间接推导法设计的径流泥沙自动监测设备往往受到诸多条件的限制，如电力条件、维护管理、成本等，这些径流泥沙自动监测设备常常被应用于实验室或管理水平较高的区域，在野外推广应用的难度较大。基于直接测量方法设计的径流泥沙自动监测设备则主要受制于测量精度与自动化水平，如当前利用比重法设计的径流泥沙自动监测设备大量运用了小型径流瓶或称重瓶作为承载工具，其测量误差较大，且十分容易淤积，不便于管理维护；同时大部分径流泥沙自动监测设备需要搅拌或抽水设备，对电力供能提出了较高的要求，这些也都限制了其在偏远地区的应用。如专利201510121355.0基于两个虹吸式进水混匀，并利用小型称重瓶进行称重，这种设备容易淤积，在维护管理上存在一定制约性；专利201410232617.6利用了马达传动，可以自动取样并测定多层次径流量和泥沙量，但测量泥沙量需要停止进水，且测定泥沙自动化程度低，这限制了其在野外使用，专利201520151152.1利用了三次虹吸装置后进入称重瓶体，并使用了悬臂梁式称重传感器称重，使用叶轮计数计算流量，结构受限于称重瓶体的大小且无法减小水流冲量称重传感器的影响，存在一定的误差，在无人值守时，可靠度有限。综上，目前为止，用于野外水土流失径流泥沙自动监测的设备设计存在以下技术问题：(1)野外环境恶劣、无人值守，设备结构复杂不易维护、使用寿命短、自动化程度低、准确性和稳定性差；(2)需要电机或马达，能耗高、供电困难、生产制造成本增加；(3)径流由进口通入筒体内时分布不均，冲击液面，导致水位信号和重量信号采集不准确。(4)设备容易淤积泥沙，完成一个阶段性监测后泥沙的充分排空成为问题，从而使得下一次测量的准确性下降。(5)由于无人值守，因此该设备必须适应野外作业要求，满足全程自动操作、分析和传输的功能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构极为简单可靠、操作简便、能耗低、自动化程度高、排沙效果好、准确性高、生产和维护成本低的野外径流泥沙自动监测设备。本专利技术还提供一种使用上述设备对野外径流泥沙自动监测的方法。本专利技术设备包括筒体，所述筒体顶部设与径流进水管连接的进水阀、中部设有储流室、底部侧壁设出水阀，所述进水阀下方设锥形导水板；所述储流室底面为经支撑结构支撑在筒体底面的斜坡形储水底板，所述斜坡形储水底板的最低端与出水阀下端对应；所述筒体侧壁设有至少一个水位探针，且最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平；所述筒体底面设有称重传感器。所述进水阀与锥形导水板之间设有凹型溢水槽，所述锥形导水板经支撑过滤网固定在侧壁上，且锥形导水板端部与侧壁间具有0.4-0.6cm间隙。所述斜坡形储水底板的倾斜角度为30°～50°。还包括有控制单元，所述控制单元包括单片机，所述单片机分别与进水阀和出水阀的阀门控制器、水位探针、称重传感器和计时器连接。还包括有与单片机连接的远距离无线通讯单元。所述远距离无线通讯单元为北斗传输模块，设备可将数据进行压缩后传输，信号稳定、适用于通讯条件恶劣的的野外条件。还包括有供电单元，所述供电单元包括蓄电池、以及与所述蓄电池连接的风光互补发电系统。专利技术人对现有各种测量设备进行了深入研究，改进如下：(1)为了解决进水冲击大、分布不均的问题，在进水阀下方设计了凹型溢水槽、锥形导水板和支撑过滤网，凹型溢水槽能够削弱径流直接冲击力，并能将径流中泥沙分散，径流可随凹型溢水槽溢出；锥形导水板用于承接由凹型溢水槽溢出的液体，将其沿锥面向周部均匀分散，使径流沿侧壁流入储流室中，避免直接冲击液面，提高测量的准确性，优选锥形导水板端部与筒壁间的间隙控制在0.4-0.6cm，过大会造成径流不能沿壁留下，对水位探针有影响，过小会造成进流缓慢，有大量泥沙时甚至会堵塞，影响测量准确性；所述支撑过滤网可以防止树叶石块等随径流进入储液室，保证测量的准确性；(2)创造性的在储流室底面设计了斜坡形储水底板，一方面斜坡形储水底板具有导向作用，减少储流室底部的液体存量，排水时，有利于将含泥沙的径流引向排水阀，能实现快道排水，提高检测效率；另一方面，斜坡形储水底板不易淤积泥沙，排水时，储流室内液体可对板面进行冲刷，为下一阶段的准确测量提供有力保障，设备不易损坏、减少维护成本。(3)设置至少一个水位探针，且使最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平，基于斜坡形储水底板的存在，最低位置的水位探针的设计位置不可过低，如果低于斜坡形储水底板的最高端，则可能受泥沙影响采集的准确性，也不利于计算；并且，当仅一个水位探针时，还会使储流室内的水位低于斜坡形储水底板的最高端，导致无法对斜坡形储水底板形成有效冲刷。(4)通过阀门控制器控制进水阀和出水阀的开闭，所述阀门可以使用例如电磁阀等快速响应的阀门。整个控制过程可通过单片机控制，真正意义上的实现无人看守的自动化。(5)利用单片机经水位探针采集水位信号，经称重传感器采集储流室内的重量信号，经计时器记录到达某一水位的时间，结合已知的其它数据，可在单片机中实现计算分析，得到目标数据，并通过远距离无线通讯单元实现数据传输；(6)整个设备中不使用电机或马达，自动化的同时，能耗控制极低、可采用蓄电池供电，进一步的，还可连接风光互补发电系统对蓄电池提供电能，满足野外作业的各种要求，适应野外作业的恶劣环境。使用上述设备对野外水土流失径流泥沙自动监测方法，包括以下步骤：(1)控制开启进水阀，径流进水管流入的径流经进水阀流入筒体内的储流室，当水位到达最低位置的水位探针时被该水位探计感应，发送信号给单片机，控制计时器记录时间t1，称重传感器采集重量M1；同时控制进水阀关闭，出水阀开启，将筒体内的液体排出；(2)在单片机中行进下述数据处理：结合已知的最低位置的水位探针的高度即低水位h1、筒体半径r和水的密度ρ水，代入公式计算：t1阶段径流流量t1阶段体积泥沙率(3)将计算结果和数据经远距离无线通讯单元发送给远程接收端；(4)排水结束后，称重传感器和计时器重新归0，控制打开进水阀，关闭出水阀，进入下一个测量流程。进一步的，当筒体内设有n个不同垂直高度的水位探针时，则步骤(1)中，控制进水阀持续进水，水位依次被不同垂直高度的水位探针感应，则计时器相应记录t1、t2……tn,称重传感器采集重量M1、M2……Mn，直至最高的水位探针感应到水位后，控制进水阀关闭，出水阀开启，将筒体内的液体排出；步骤(2)中，在单片机中行进下述数据处理：结合已知的n个不同位置的水位探针的高度即水位h1、h2……hn、筒体半径r、筒体底面积πr2和水的密度ρ水、，代入公式计算，得到阶段径流流量和泥沙率的平均值Q和S： Q = Q 1 + Q 2 + 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种野外径流泥沙自动监测设备，包括筒体，其特征在于，所述筒体顶部设与径流进水管连接的进水阀、中部设有储流室、底部侧壁设出水阀，所述进水阀下方设锥形导水板；所述储流室底面为经支撑结构支撑在筒体底面的斜坡形储水底板，所述斜坡形储水底板的最低端与出水阀下端对应；所述筒体侧壁设有至少一个水位探针，且最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平；所述筒体底面设有称重传感器。

【技术特征摘要】
1.一种野外径流泥沙自动监测设备，包括筒体，其特征在于，所述筒体顶部设与径流进水管连接的进水阀、中部设有储流室、底部侧壁设出水阀，所述进水阀下方设锥形导水板；所述储流室底面为经支撑结构支撑在筒体底面的斜坡形储水底板，所述斜坡形储水底板的最低端与出水阀下端对应；所述筒体侧壁设有至少一个水位探针，且最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平；所述筒体底面设有称重传感器。2.如权利要求1所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，所述进水阀与锥形导水板之间设有凹型溢水槽。3.如权利要求1所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，所述锥形导水板经支撑过滤网固定在侧壁上，且锥形导水板端部与侧壁间具有0.4-0.6cm间隙。4.如权利要求1所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，所述斜坡形储水底板的倾斜角度为30°～50°。5.如权利要求1-5任一项所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，还包括有控制单元，所述控制单元包括单片机，所述单片机分别与进水阀和出水阀的阀门控制器、水位探针、称重传感器和计时器连接。6.如权利要求5所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，还包括有与单片机连接的远距离无线通讯单元。7.如权利要求5所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，所述远距离无线通讯单元为北斗数据传送单元。8.如权利要求4所述的野外径流泥沙自动监测设备，其特征在于，还包括有供电单元，所述供电...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹汝良，李仁华，姚赫，江宁，张勇，项宇，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江流域水土保持监测中心站，
类型：发明
国别省市：湖北;42