[發(fā)明專利]一種室內(nèi)土槽試驗(yàn)徑流泥沙連續(xù)取樣測(cè)量系統(tǒng)和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710467306.1
• 申請(qǐng)日: 2017-06-20
• 公開（公告）號(hào): CN107271223B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 龔家國(guó);秦昌波;趙勇;王浩;王英
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院;環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院
• 主分類號(hào): G01N1/20
• 分類號(hào): G01N1/20;G01N5/04;G01N35/00
• 代理公司: 北京國(guó)林貿(mào)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11001
• 代理人: 李富華;李桂玲

1.一種室內(nèi)土槽試驗(yàn)徑流泥沙連續(xù)取樣測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括：取樣子系統(tǒng)、測(cè)量子系統(tǒng)、樣品存儲(chǔ)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、清理子系統(tǒng)；所述的取樣子系統(tǒng)包括：多個(gè)環(huán)繞在根據(jù)取水狀況而間歇轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)形履帶周圍的取樣桶，所述的取樣桶通過自動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)與環(huán)形履帶連接；所述的取樣子系統(tǒng)還設(shè)有與土槽徑流出水口管道連接的取樣口，所述的取樣口對(duì)準(zhǔn)一個(gè)取樣桶的上口并設(shè)有初測(cè)水位計(jì)，所述的初測(cè)水位計(jì)與控制子系統(tǒng)電連接，所述的控制子系統(tǒng)與帶動(dòng)環(huán)形履帶運(yùn)行的電機(jī)連接，所述的控制子系統(tǒng)中設(shè)有計(jì)算雨水充盈一個(gè)取樣桶時(shí)間的計(jì)時(shí)器和一場(chǎng)降雨充盈取樣桶次數(shù)的計(jì)次器；所述的測(cè)量子系統(tǒng)包括：環(huán)形履帶下落機(jī)構(gòu)和設(shè)置在環(huán)形履帶一側(cè)的軌道，所述的軌道上設(shè)有復(fù)測(cè)水位計(jì)、超聲波振動(dòng)器和稱重傳感器，所述的取樣桶上設(shè)有二維碼，所述的控制子系統(tǒng)中設(shè)有二維碼讀取器；所述的初測(cè)水位計(jì)和復(fù)測(cè)水位計(jì)均為超聲波水位計(jì)；所述的取樣桶為上部為倒圓臺(tái)，下部為圓柱形，底部設(shè)有活門，圓柱部分至少設(shè)有兩個(gè)卡固環(huán)；各個(gè)所述取樣桶上口密集并排排列，一個(gè)接一個(gè)，以便能夠?qū)⑷涌诹鞒龅乃魍耆占粸⒊鋈油爸猓凰龅目刂谱酉到y(tǒng)記錄降雨開始時(shí)間t₁、降雨強(qiáng)度i、降雨量p，監(jiān)測(cè)小區(qū)出水口出流時(shí)間t₂，取樣桶接取水樣開始時(shí)間t₃、結(jié)束時(shí)間t₄；記錄復(fù)測(cè)水位計(jì)測(cè)定的取樣桶內(nèi)水深h₁，記錄取樣桶+水樣重量m_總，記錄取樣桶重量m_桶，根據(jù)公式計(jì)算清水量、泥沙量、含沙量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的取樣桶的圓臺(tái)部分設(shè)有與軌道相配合的凹弧形卡固槽。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述系統(tǒng)，其特征在于，所述的清理子系統(tǒng)包括：設(shè)置在一個(gè)取樣桶停止位上的可開合震動(dòng)環(huán)和自動(dòng)沖洗器。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的自動(dòng)清洗器包括：與供水管道連接的沖洗泵管，所述的沖洗泵與能夠自動(dòng)伸縮的噴頭連接。

5.一種使用權(quán)利要求4所述系統(tǒng)的室內(nèi)土槽試驗(yàn)徑流泥沙連續(xù)取樣測(cè)量方法，其特征在于，所述的方法的步驟如下：

啟動(dòng)自動(dòng)控制子系統(tǒng)的步驟：開啟人工降雨時(shí)，同時(shí)開啟自動(dòng)控制子系統(tǒng)；

取樣的步驟：土槽產(chǎn)生徑流時(shí)，徑流經(jīng)過取樣口流入第一個(gè)取樣桶，初測(cè)水位計(jì)以至少50次/秒的頻率計(jì)量取樣桶中的水位，控制子系統(tǒng)開始記錄出水口產(chǎn)流時(shí)間計(jì)時(shí)，當(dāng)取樣桶中的水位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制子系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)并驅(qū)動(dòng)環(huán)形履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，使下一個(gè)取樣桶進(jìn)入取樣口下方，進(jìn)入下一輪取樣，如此循環(huán)往復(fù)，控制子系統(tǒng)不斷的記錄取樣桶的取樣次數(shù)和出水口產(chǎn)流時(shí)間，作為計(jì)量徑流量、含沙量的依據(jù)；各個(gè)所述取樣桶上口密集并排排列，一個(gè)接一個(gè)，以便能夠?qū)⑷涌诹鞒龅乃魍耆占粸⒊鋈油爸猓?/p>

精確計(jì)量的步驟：取樣桶取水后，在下一個(gè)停止位進(jìn)行精確測(cè)定：首先控制子系統(tǒng)的二維碼讀取器讀取取樣桶上帶有該取樣桶重量的二維碼，同時(shí)環(huán)形履帶整體下降，使取樣桶落在軌道上，軌道上的超聲波振動(dòng)器對(duì)取樣水進(jìn)行超聲波震動(dòng)，以排除水中的空氣，并粉碎水樣中可能存在的大塊泥土，震動(dòng)之后，復(fù)測(cè)水位計(jì)測(cè)定取樣桶內(nèi)水深；稱重傳感器對(duì)取樣桶稱重，去除取樣桶重量后得到精確的取樣重量；

取樣桶中水和泥沙重量的計(jì)算公式：

根據(jù)取樣桶內(nèi)水深h₁計(jì)算取得的水和泥沙樣總體積：

h1≤h2時(shí)：V_總=3.14×h₂×（D₂/2）²

h1＞h2時(shí)：V_總=3.14×h2×（D₂/2）² + 1/3π(h₁－h(huán)₂)(（D₁）²+（D₂）²+D₁×D₂)/4

根據(jù)取樣桶+水樣質(zhì)量m_總和m_桶計(jì)算取得的水和泥沙樣總質(zhì)量m_樣：

m_樣=m_總－m_桶

根據(jù)公式計(jì)算含沙量：

S_沙=γ_沙/ V_總× (m_樣－γ_水× V_總) /(γ_沙－γ_水)

其中：S_沙為含沙量，γ_沙為取樣桶中的泥沙總體積，γ_沙和γ_水分別為泥沙和水的容重；

清洗的步驟：取樣桶沿環(huán)形履帶進(jìn)入清洗區(qū)，打開取樣桶底部活門，放出取樣桶中的水和泥沙，可開合震動(dòng)環(huán)夾住取樣桶并震動(dòng)，開啟沖洗泵，噴頭伸出對(duì)取樣桶進(jìn)行清洗，清洗后取樣桶隨環(huán)形履帶繼續(xù)前行，準(zhǔn)備下一次取樣；

實(shí)驗(yàn)結(jié)束的步驟：關(guān)閉人工降雨后，控制子系統(tǒng)收到降雨停止的信號(hào)，控制子系統(tǒng)根據(jù)徑流狀況適時(shí)停止運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)，如果繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)則再次進(jìn)入工作狀態(tài)，如果停止實(shí)驗(yàn)則進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。