[發(fā)明專利]超聲波聚焦式河流泥沙濃度在線測量儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710016614.2
• 申請日: 2017-01-10
• 公開（公告）號: CN106769733B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝代梁;夏一丹;安雅麗;曹永剛;徐志鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量大學(xué)
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06
• 代理公司: 杭州奧創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33272
• 代理人: 王佳健

本發(fā)明公開了一種超聲波聚焦式河流泥沙濃度在線測量儀。該測量儀包括長方體探測水箱、升降裝置、水上主機(jī)；所述的探測水箱包括兩個(gè)聚焦式超聲波換能器、保護(hù)外殼和兩個(gè)可開閉閥門；所述的聚焦式超聲波換能器在水平方向?qū)ΨQ安裝于探測水箱的前后兩側(cè)；所述的保護(hù)外殼用螺絲釘固定在安裝有超聲探頭的兩個(gè)面上及上側(cè)面；所述的可開閉閥門兩邊卡于探測水箱的左右兩面?zhèn)冗叺呢Q直槽內(nèi)，打開時(shí)形成流通管道進(jìn)行動態(tài)測量，關(guān)閉時(shí)可進(jìn)行靜態(tài)測量。本發(fā)明的分辨率和靈敏度高于一般的平面式超聲波測量儀，工作時(shí)固定在水下，減小了流動水體的擾動，開閉閥門的設(shè)計(jì)可以讓測量儀同時(shí)進(jìn)行河流懸移質(zhì)的動態(tài)和靜態(tài)測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及聚焦式超聲波換能器對河流懸濁液的衰減測量、動/靜態(tài)泥沙濃度超聲測量裝置，特別是涉及一種超聲波聚焦式河流泥沙濃度在線測量儀。

背景技術(shù)

河流懸移質(zhì)濃度的準(zhǔn)確測量對河流泥沙參數(shù)的在線準(zhǔn)確檢測和監(jiān)測、水利水電工程建設(shè)、水文觀測預(yù)報(bào)、水文計(jì)量等領(lǐng)域都具有重要意義，對灘涂資源的合理利用、河岸植被作物的生長、海口三角帶的變遷和海洋生態(tài)的健康發(fā)展也有著重要影響。

傳統(tǒng)的河流泥沙濃度測量方法包括人工采樣法和間接測量法。人工采樣方法包括烘干法和稱重法，盡管有著精度高的優(yōu)勢卻無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線式測量，且測量周期較長，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其在河流汛期進(jìn)行人工采樣時(shí)存在很大的安全隱患。間接測量法包含了各種基于不同物理學(xué)基本量如光、振動、電容、超聲、同位素、比熱等的測量方法。其中，同位素法由于其輻射問題目前已被部分發(fā)達(dá)國家禁用，光電測沙法、同位素法難以在高含沙量情況下進(jìn)行準(zhǔn)確測量，振動法在低流速情況下的測量情況不佳，比熱法是近期才興起的方法相對不成熟。超聲法由于穿透性好、頻帶寬、無干擾、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)勢能在低濃度取得較高的精度 ，高濃度情況下，隨著泥沙粒子的增多，泥沙粒徑的差別增大，泥沙間相互作用的明顯以及散射情況的復(fù)雜，超聲理論模型的處理難度增加，故不易得到準(zhǔn)確結(jié)果。

傳統(tǒng)的超聲波測量河流懸移質(zhì)濃度的研究中采用平面式超聲換能器，其發(fā)出的聲波在傳輸過程中散射情況復(fù)雜，聲損失大，橫向分辨率和靈敏度受到限制，加之實(shí)際測量水樣組成物的復(fù)雜性和和輻射副作用，其應(yīng)用和發(fā)展受到一定的局限性。聚焦式超聲換能器近年來被廣泛應(yīng)用于超聲清洗和腫瘤治療、醫(yī)療美容等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。基于聚焦方式可以分為聲透鏡聚焦換能器、球面自聚焦換能器、多元自聚焦換能器、電子相控陣聚焦換能器，其中電子相控陣聚焦換能器的聚焦方式可以分為線陣電子聚焦、環(huán)陣電子聚焦以及球面陣列聚焦。 電子相控聚焦換能器由于其靈活可靠等優(yōu)勢在受到了廣大學(xué)者的探討研究，發(fā)展迅速。電子相控陣為一系列按照一定方式排列的壓電陶瓷小陣元，每個(gè)小陣元由單獨(dú)電路控制故彼此間相互獨(dú)立。在相同頻率的信號激勵(lì)下，每個(gè)陣元以一規(guī)律將電信號轉(zhuǎn)化為一定相位差的一系列超聲波信號，基于惠更斯原理，各束超聲波間相互干涉，旁瓣間相互抵消，留下一束聚集于特定方向的超聲波束。

目前我國已有大量的學(xué)者和工廠基于超聲衰減法對河流泥沙濃度的理論模型或進(jìn)行理論推導(dǎo)或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)擬合，致力于研制超聲波泥沙濃度測量儀器，其中部分已經(jīng)在特定場合投入運(yùn)用并取得較理想的成績，但在國家范圍內(nèi)自主研制的用于工業(yè)測量的成熟的超聲波泥沙濃度測量儀并未出現(xiàn)。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)生產(chǎn)出可以在高濃度情況下測量的超聲測量儀器如OPUS系列，但體積龐大且價(jià)格非常昂貴。雖然目前根據(jù)超聲波衰減原理對河流泥沙的參數(shù)測量研究已有很多，但由于河流水體流動形態(tài)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性以及泥沙組成和分布情況的多樣性，因此對于能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測量河流泥沙含量的系統(tǒng)且完整的在線測量儀表還有待研制和完善。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種超聲波聚焦式河流泥沙濃度在線測量儀，本發(fā)明簡單易懂，操作快速便利，對人體無毒無害，在提高分辨率和靈敏度的同時(shí)可以對河流懸移質(zhì)進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)測量。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：