一种提高体积置换法径流含沙量测量精度的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及水土保持技术领域，特别是涉及一种提高体积置换法径流含沙量测量精度的方法及装置。所述装置包括高位水箱(1)、电磁阀(2)、激光水位传感器(3)、等距电极(4)、数据采集板(5)、称重传感器(6)、泄水阀(7)、集流桶(8)、固定桶盖(9)、偏心翻斗(10)和径流小区集流管(11)；通过增设等距电极(4)和高位水箱(1)，有效校正了体积置换法测得的实时径流含沙量曲线，得到了径流小区产流过程中更为精确的径流含沙量连续变化过程。通过简化体积置换法中集流桶(8)内结构并增设偏心翻斗(10)，提高激光水位传感器(3)和称重传感器(6)的测量精度，并降低集流桶(8)的制造成本与工艺要求。并降低集流桶(8)的制造成本与工艺要求。并降低集流桶(8)的制造成本与工艺要求。

【技术实现步骤摘要】
一种提高体积置换法径流含沙量测量精度的方法及装置


[0001]本专利技术涉及水土保持
，特别是涉及一种提高体积置换法径流含沙量测量精度的方法及装置。

技术介绍

[0002]地表径流含沙量是土壤侵蚀、水土保持、水文研究等所需监测的重要参数，是研究土壤侵蚀规律的重要参数。因此，在土壤侵蚀研究与水土流失治理中，进行地表径流含沙量的监测具有重要意义。它不仅能够为土壤侵蚀动力过程的模拟与研究、土壤侵蚀预报模型的建立与应用等提供基础资料，还能够为监测和预报水土流失过程、积累地表径流泥沙含量资料和为准确制定控制土壤侵蚀决策等提供科学依据。
[0003]现有径流含沙量的测量方法主要可以分为两类：直接测量法和间接测量法。
[0004]直接测量法中最具代表性的有烘干称重法和比重法。烘干称重法先要抽取水样，过滤烘干，最后由天平称重得到含沙量，其测量精度高，但测量周期长、过程繁琐、不适用于野外测量。比重法是通过泥沙对含沙水体比重的影响来确定径流含沙量，测量方便，所需时间短，但是测量精度较低。这两种方法都需要采集水样运回实验室进行分析处理，周期长、工作量大、劳动强度高、不能够提供连续的泥沙变化过程资料，又由于采样具有偶然性、人为因素影响较大、代表性差等缺点，有待进一步改进。
[0005]间接测量法是利用不同测量原理将径流含沙量转化为其他容易测量的参数，从而间接得到径流含沙量，主要包含电容法、超声波法、激光法和体积置换法等。其中电容法是利用泥水对介电常数的影响，将径流含沙量转换为电容变化量，可实现含沙量的实时在线测量，但电容传感器受环境因素影响较大，测量精度低。超声波法是运用声波在含沙水体中的折射和反射测量径流含沙量，但超声波易对径流产生扰动，含沙量越大，扰动越大，因此测量范围较窄，仅适用于含沙量较低的情况。激光法是利用激光在不同含沙量径流中衰减的程度不同来测量含沙量，测量精度较高，同时与计算机结合易实现自动化，但激光信号易受径流水面波动影响，测量误差较大。体积置换法是通过直接测量集流桶内径流体积和径流质量，利用含砂水体各成分间的密度关系间接测得径流含沙量，能够测得径流含沙量的连续变化过程，测量方便快捷，但测量精度易受径流冲击和含沙量的影响，误差较大。
[0006]目前，体积置换法的测量误差主要取决于集流桶内径流体积和径流质量的测量精度。在集流桶内，当径流持续冲击造成水面不断波动或径流含沙量较小时，激光水位传感器所测径流水位易产生较大的测量误差；而集流桶的横截面积较大，误差较大的径流水位或复杂的集流桶结构又易造成测得的径流体积产生较大的测量误差。此外，由于集流桶内径流的持续冲击，又易造成称重传感器的监测数据不断浮动，测得的径流质量也易产生较大的测量误差。因此，现有体积置换法测得的径流体积和径流质量的测量精度仍相对较低，难以得到更加精确地径流含沙量连续变化过程和最终径流含沙量。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种提高体积置换法径流含沙量测量精度的方法及装置，旨在解决现有技术中径流体积和径流质量的测量精度较低，难以得到更加精确地径流含沙量连续变化过程和最终径流含沙量的技术问题。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0009]一种提高体积置换法径流含沙量测量精度的装置，所述装置包括高位水箱1、电磁阀2、激光水位传感器3、等距电极4、数据采集板5、称重传感器6、泄水阀7、集流桶8、固定桶盖9、偏心翻斗10和径流小区集流管11；
[0010]固定桶盖9靠外部支撑位于集流桶8的上部，集流桶8和固定桶盖9两者之间具有一定间隙；
[0011]高位水箱1置于固定桶盖9的上部，用导管将高位水箱1经电磁阀2与固定桶盖9相连；
[0012]径流小区集流管11位于固定桶盖9左侧上部，径流小区集流管11与固定桶盖9相连；偏心翻斗10位于径流小区集流管11出口下部所对应的固定桶盖9的左侧内部；径流小区径流经径流小区集流管11出口进入偏心翻斗10，由于偏心翻斗10的偏心作用，左右两侧蓄水区在测量过程中轮流截断并短时间间隔内蓄存径流；
[0013]泄水阀7安装于集流桶8左侧下部接近桶底处，用于径流含沙量测量结束后，排出集流桶8内径流，便于替换和清洗集流桶8；
[0014]激光水位传感器3置于固定桶盖9上电磁阀2右侧；
[0015]多个恒定高度的等距电极4布置在集流桶8内部右侧，用于标定集流桶8内不同径流体积；
[0016]称重传感器6位于集流桶8下部且与其紧密接触，仅受集流桶8及其内部径流共同产生的力作用；
[0017]数据采集板5与电磁阀2通过导线相连，通过数据采集板5控制电磁阀2的开关，控制高位水箱1中的清水是否加入集流桶8内；
[0018]数据采集板5与激光水位传感器3通过导线相连，用于控制激光水位传感器3是否测量集流桶8内径流水位；
[0019]数据采集板5与所有等距电极4通过排线相连，用于采集等距电极4是否产生触发信号，若产生触发信号则激发数据采集板5记录称重传感器6此时测得的径流质量数据；
[0020]数据采集板5与称重传感器6通过导线相连，用于控制称重传感器6是否测量集流桶8内径流质量。
[0021]偏心翻斗10包括右侧蓄水区101、固定心轴102、滚动轴承103、中心轴线104和左侧蓄水区105；两个固定心轴102对称布置于固定桶盖9内壁上且各有一端伸出，两个滚动轴承103内圈分别与各固定心轴102伸出端过盈配合，且固定心轴102伸出端长度略长于滚动轴承103轴承宽度；右侧蓄水区101与左侧蓄水区105关于中心轴线104对称布置且加工为统一整体，蓄水区中心轴线104两端均与滚动轴承103外圈过盈配合，从而使得偏心翻斗10左右两侧的右侧蓄水区101和左侧蓄水区105在径流重力作用下向中心轴线104左右两侧偏转。
[0022]一种利用所述的装置的提高体积置换法径流含沙量测量精度的方法，所述方法包括如下步骤：
[0023]1)测量装置安装前，标定集流桶8内每级等距电极4对应的径流体积；
[0024]2)测量装置安装后，保持集流桶8内清洁干燥，同时将称重传感器6去皮，使测量装置处于待机状态，并由称重传感器6等待径流冲击唤醒；
[0025]3)径流小区产流后，径流经左侧径流小区集流管11进入偏心翻斗10的左侧蓄水区105，待偏心翻斗10左侧蓄水区105内的径流质量达到一定程度后，偏心翻斗10绕中心轴线104逆时针偏转一定角度将左侧蓄水区105内径流倾泻进入集流桶8内，同时右侧蓄水区101开始蓄存径流小区集流管11排出的径流；在称重传感器6感受到集流桶8内产生径流冲击引起所测径流质量发生跃迁的同时，激发数据采集板5唤醒整个测量装置展开实时监测，并待集流桶8内水面趋于稳定时，数据采集板5记录激光水位传感器3所测稳定径流体积以及称重传感器6所测稳定径流质量；同样，再待偏心翻斗10的右侧蓄水区101内的径流质量达到一定程度顺时针偏转后，记录集流桶8内稳定径流体积和径流质量；偏心翻斗1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高体积置换法径流含沙量测量精度的装置，其特征在于：所述装置包括高位水箱(1)、电磁阀(2)、激光水位传感器(3)、等距电极(4)、数据采集板(5)、称重传感器(6)、泄水阀(7)、集流桶(8)、固定桶盖(9)、偏心翻斗(10)和径流小区集流管(11)；固定桶盖(9)靠外部支撑位于集流桶(8)的上部，集流桶(8)和固定桶盖(9)两者之间具有一定间隙；高位水箱(1)置于固定桶盖(9)的上部，用导管将高位水箱(1)经电磁阀(2)与固定桶盖(9)相连；径流小区集流管(11)位于固定桶盖(9)左侧上部，径流小区集流管(11)与固定桶盖(9)相连；偏心翻斗(10)位于径流小区集流管(11)出口下部所对应的固定桶盖(9)的左侧内部；径流小区径流经径流小区集流管(11)出口进入偏心翻斗(10)，由于偏心翻斗(10)的偏心作用，左右两侧蓄水区在测量过程中轮流截断并短时间间隔内蓄存径流；泄水阀(7)安装于集流桶(8)左侧下部接近桶底处，用于径流含沙量测量结束后，排出集流桶(8)内径流，便于替换和清洗集流桶(8)；激光水位传感器(3)置于固定桶盖(9)上电磁阀(2)右侧；多个恒定高度的等距电极(4)布置在集流桶(8)内部右侧，用于标定集流桶(8)内不同径流体积；称重传感器(6)位于集流桶(8)下部且与其紧密接触，仅受集流桶(8)及其内部径流共同产生的力作用；数据采集板(5)与电磁阀(2)通过导线相连，通过数据采集板(5)控制电磁阀(2)的开关，控制高位水箱(1)中的清水是否加入集流桶(8)内；数据采集板(5)与激光水位传感器(3)通过导线相连，用于控制激光水位传感器(3)是否测量集流桶(8)内径流水位；数据采集板(5)与所有等距电极(4)通过排线相连，用于采集等距电极(4)是否产生触发信号，若产生触发信号则激发数据采集板(5)记录称重传感器(6)此时测得的径流质量数据；数据采集板(5)与称重传感器(6)通过导线相连，用于控制称重传感器(6)是否测量集流桶(8)内径流质量。2.如权利要求1所述的提高体积置换法径流含沙量测量精度的装置，其特征在于：偏心翻斗(10)包括右侧蓄水区(101)、固定心轴(102)、滚动轴承(103)、中心轴线(104)和左侧蓄水区(105)；两个固定心轴(102)对称布置于固定桶盖(9)内壁上且各有一端伸出，两个滚动轴承(103)内圈分别与各固定心轴(102)伸出端过盈配合，且固定心轴(102)伸出端长度略长于滚动轴承(103)轴承宽度；右侧蓄水区(101)与左侧蓄水区(105)关于中心轴线(104)对称布置且加工为统一整体，蓄水区中心轴线(104)两端均与滚动轴承(103)外圈过盈配合，从而使得偏心翻斗(10)左右两侧的右侧蓄水区(101)和左侧蓄水区(105)在径流重力作用下向中心轴线(104)左右两侧偏转。3.一种利用权利要求1或2所述的装置的提高体积置换法径流含沙量测量精度的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：1)测量装置安装前，标定集流桶(8)内每级等距电极(4)对应的径流体积；2)测量装置安装后，保持集流桶(8)内清洁干燥，同时将称重传感器(6)去皮，使测量装
置处于待机状态，并由称重传感器(6)等待径流冲击唤醒；3)径流小区产流后，径流经左侧径流小区集流管(11)进入偏心翻斗(10)的左侧蓄水区(105)，待偏心翻斗(10)左侧蓄水区(105)内的径流质量达到一定程度后，偏心翻斗(10)绕中心轴线(104)逆时针偏转一定角度将左侧蓄水区(105)内径流倾泻进入集流桶(8)内，同时右侧蓄水区(101)开始蓄存径流小区集流管(11)排出的径流；在称重传感器(6)感受到集流桶(8)内产生径流冲击引起所测径流质量发生跃迁的同时，激发数据采集板(5)唤醒整个测量装置展开实时监测，并待集流桶(8)内水面趋于稳定时，数据采集板(5)记录激光水位传感器(3)所测稳定径流体积以及称重传感器(6)所测稳定径流质量；同样，再待偏心翻斗(10)的右侧蓄水区(101)内的径流质量达到一定程度顺时针偏转后，记录集流桶(8)内稳定径流体积和径流质量；偏心翻斗(10)如此不断反复偏转，测得集流桶(8)内n个时间点连续变化的径流体积V1、V2、V3……
V
n
和相对应的精确径流质量M1、M2、M3……
M
n
；根据比重法能够得集流桶(8)内连续变化的实时平均径流含沙量，其中[t
n
‑1，t
n
]时间段内的实时平均径流含沙量由下式得出：公式1中，CS
n
为[t
n
‑1，t
n
]时间段内的实时平均径流含沙量，单位为Kg/m3；M
n
为t
n
时的精确径流质量，单位为Kg；M
n
‑1为t
n
‑1时的精确径流质量，单位为Kg；V
n
为t
n
时的径流体积，单位为m3；V
n
‑1为t
n
‑1时的径流体积，单位为m3；ρ
w
为水的密度，单位为Kg/m3；ρ
s
为土壤颗粒密度，单位为Kg/m3；4)径流小区产流过程中，集流桶(8)内径流水位每上升触发一个等距电极(4)时，触发信号将激发数据采集板(5)记录此时等距电极(4)标定的径流体积和称重传感器(6)所测的径流质量，测得集流桶(8)内i个时间点的精确径流体积V

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，余方潜，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：