[發(fā)明專利]一種基于新型多頻超聲探頭的懸移質含沙量測量方法

有效

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• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112525785B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發(fā)明（設計）人: 楊文俊;景思雨;林海立;薛強;宮平;陳越
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會長江科學院
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06;G01N29/02;G01N29/24;G01N29/48;G01N29/44
• 代理公司: 武漢楚天專利事務所 42113
• 代理人: 孔敏

本發(fā)明提供一種基于新型多頻超聲探頭的懸移質含沙量測量方法，包括步驟一、實驗室內標定：將濃度測量探頭固定在固定支架上，然后伸入濃度未知的待測水體中，進行數(shù)據(jù)采集和幅值計算，通過測量已知粒徑分布不同濃度泥沙懸濁液的聲信號，計算幅值，得到不同濃度條件下幅值與濃度之間的關系；步驟二、野外實時濃度測量：選擇鉛魚作為測量系統(tǒng)的載體，在鉛魚內部預留空間用于放置數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集后以步驟一中標定的結果為基礎，現(xiàn)場測量時針對標定結果中濃度和幅值關系，對實測幅值數(shù)據(jù)進行反演得到濃度值。本發(fā)明可以提供高頻率工作環(huán)境，彌補了高濃度條件下聲衰減過大而無法得到可靠數(shù)據(jù)的不足。

技術領域

本發(fā)明涉及天然河流中懸浮泥沙測量領域，具體是一種基于新型多頻超聲探頭的懸移質含沙量測量方法。

背景技術

天然河流中懸浮泥沙實時測量，是為水利工程前期設計、投入運行、后期維護等方面的研究提供可行條件的重要任務之一。河流水沙運動特性復雜，對其進行現(xiàn)場同步實時測量非常困難。現(xiàn)已有的懸移質泥沙濃度級配的測量方法包括：采樣分析法、光學檢測法、聲學檢測法等，后面兩種通常用于現(xiàn)場測量。

傳統(tǒng)的野外現(xiàn)場采樣、實驗室內作業(yè)分析的模式，將所取樣本經(jīng)烘干、篩分、稱重等一系列操作計算得到相應的濃度值和級配分布，屬于線下測量，且費時費力；光學檢測方法大致可分為透射法、濁度法、光學背向散射法(optical backscatter，OBS)和激光衍射法(Laser diffraction)，不同基質、粒徑和顏色的泥沙顆粒對光的散射性能差異較大，用光學濁度計和LISTT系列產(chǎn)品進行實時測量時依賴于經(jīng)驗關系，儀器的適用性和穩(wěn)定性都不能滿足水文測驗規(guī)范的要求。

聲學檢測法則是利用超聲波在介質中的散射和衰減等特性來測量懸浮泥沙參數(shù)，超聲測量設備具有能量集中，對流場無干擾，快速實時等優(yōu)點。蘇明旭(CN104833619A)提出一種改進超聲衰減譜原理測量固體顆粒粒徑和濃度的方法，利用聲衰減法通過測量區(qū)域內顆粒的超聲衰減譜、計算消聲系數(shù)、計算超聲子散射波出射角對目標函數(shù)進行求解，獲得顆粒的平均粒徑和濃度，但在高頻不同粒徑顆粒的超聲衰減差異才能體現(xiàn)出來。程恩(CN109738344A)提出一種基于聲衰減的入海口懸浮泥沙濃度實時測量方法，計算超聲衰減，計算懸浮泥沙造成的聲學衰減擾動，通過迭代計算懸浮泥沙濃度，但是需要在入海口布置水下聲信號發(fā)送端和接收端，結構上不夠靈活。國外學者提出利用聲壓方程建立聲學模型，并提出引入顆粒粒徑分布的積分函數(shù)提高濃度測量精度，但是只能在給定的級配分布下計算，具有很大的局限性。基于背向散射原理的ADV和ADCP等設備，通過提前標定得到顆粒濃度與信號強度的反演關系，且探頭到探測體的距離較遠，信號在傳播路徑上的衰減過大，故難以獲取有用的信息，量程十分有限。

發(fā)明內容

本發(fā)明提出一種基于新型多頻超聲探頭的懸移質含沙量測量方法，以解決現(xiàn)有懸移質顆粒參數(shù)測量技術的不足、以及不能進行線上實時測量的局限性。

一種基于新型多頻超聲探頭的懸移質含沙量測量方法，其采用超聲含沙量測量系統(tǒng)進行，包括所述超聲含沙量測量系統(tǒng)包括濃度測量探頭、信號采集傳輸系統(tǒng)、用戶端，所述濃度測量探頭承擔信號接收和發(fā)射作用，由個不同頻率的單頻探頭組成，單頻探頭由超聲整流塊、發(fā)射晶片、接收晶片組成，由不銹鋼外殼封裝成為一體，所述信號采集傳輸系統(tǒng)用于將濃度測量探頭采集的超聲回波信號傳送給用戶端，所述方法包括如下步驟；

步驟一、實驗室內標定：將濃度測量探頭固定在固定支架上，然后伸入濃度未知的待測水體中，開始測量之前先利用攪拌器使待測水體內形成相對均勻的濃度場，待電路接通之后，打開用戶端上相應的軟件，調節(jié)參數(shù)直到界面上出現(xiàn)清晰正常的回波，進行數(shù)據(jù)采集和幅值計算，通過測量已知粒徑分布不同濃度泥沙懸濁液的聲信號，計算幅值，得到不同濃度條件下幅值與濃度之間的關系；