本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种径流中泥沙含量自动测量系统。
背景技术：
径流中的泥沙是降水过程中由坡面土壤侵蚀形成的，是颗粒较细、能够随坡面径流一起向沟道汇集的泥沙，泥沙含量是确定小流域土壤侵蚀模数的关键参数，是坡面土壤侵蚀和水土保持研究中必须准确测定的指标之一，更是水土流失监测中必须长期测定的指标。
目前，径流中泥沙含量通常通过野外采取泥水样，在室内利用过滤、烘干的方法测定，无法进行实时监测，而且需要长期在野外坚守才可能完成取样过程，室内分析耗时费力，尤其在夜间以及偏远山区开展坡面径流泥沙含量的监测时，很容易出现漏测现象，这种野外取样的观测方法也无法实现对径流中泥沙含量和泥沙输沙过程进行实时动态监测。现有方法都是通过量化泥沙对某种物理特性的影响来确定含沙量，如振动法、超声波法、γ射线法、电容法、光电法等。振动法通过振动频率来测算含沙量，但在低流速时，会出现泥沙沉积问题，造成较大误差。超声波法根据超声波在含沙水流中的反射和衰减特性测量水流含沙量，但测量范围小，国内还未见产品。γ射线法根据γ射线穿过水沙混合体时所遵循的衰减规律进行测量，但因γ射线可能对人体造成危害而慎用。电容法利用水沙混合物会引起介电常数差异的电物理特性来测量含沙量，但其精度会受到温度、流速等多种因素的干扰。光电法利用光线在水体中的散射规律进行测量，目前使用较多的仪器有obs浊度仪，但其容易出现窗口污染问题，影响红外光线的散射，而且随着测量次数增多，误差将逐渐积累。
可见目前还没有理想的能够自动测量和实时监测径流泥沙含量的仪器。为了实现对径流中泥沙含量的自动测定和长期的实时监测，需要一种无人值守的自动测量系统。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种径流中泥沙含量的自动测量系统，其克服了现有技术的上述缺陷，用于实现对径流中泥沙含量进行自动测量和实时监测。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：
一种径流中泥沙含量自动测量系统，其特征在于，所述径流中泥沙含量自动测量系统包括：
盛样器，其为圆筒状，所述盛样器的侧上部设置有进水口，所述进水口上安装有水泵，所述盛样器的底部设置有排水口，所述排水口上安装有放水阀，所述盛样器的上下两端分别设置有第一支架和第二支架；
测定器，其设置于所述盛样器中部，所述测定器的上方通过钢丝连接圆环，所述圆环挂设于所述第一支架上；
称重感应器，其设置于所述圆环的上方，所述称重感应器的一端通过钢丝与所述圆环相连，另一端则通过钢丝与设置于其上方的卷扬器相连；
控制器，其与所述水泵、所述卷扬器、所述称重感应器以及所述放水阀电连接，所述控制器用于根据预先设定的启动条件分别向所述水泵、所述卷扬机、所述称重感应器以及所述放水阀发出指令，并控制所述水泵、所述卷扬器、所述称重感应器以及所述放水阀的操作。
优选地，上述技术方案中，本发明的所述径流中泥沙含量自动测量系统还包括：
雨量计，其与所述控制器电连接，用于测定降雨量，并将雨量数据传输给所述控制器保存；
水位计，其与所述控制器电连接，用于测定水位，并将水位数据传输给所述控制器保存。
优选地，上述技术方案中，本发明的所述径流中泥沙含量自动测量系统还包括：
底座，其设置于所述第二支架的下方，用于固定所述第二支架。
优选地，上述技术方案中，所述盛样器的顶端为圆筒形，底端为圆锥形，用于盛泥沙水样。
优选地，上述技术方案中，所述测定器用于测定盛样器中泥水的泥沙含量，其为橄榄形的体积和重量均恒定的空心密闭容器，所述密闭容器的外部涂有一层防止泥水粘附的材料。
优选地，上述技术方案中，所述称重感应器用于称量所述测定器在泥水中的重量，并将称重的时间和重量数据传输给所述控制器。
优选地，上述技术方案中，所述第一支架为“开”字形，具有相互平行的上、下两条横架，所述卷扬器和所述圆环分别安装并固定在上、下两条横架上。
优选地，上述技术方案中，所述卷扬器在所述控制器的指令下通过所述圆环将所述测定器从泥水中吊起，并在所述称重感应器完成称重后再通过所述圆环将所述测定器放回所述第一支架上。
优选地，上述技术方案中，所述进水口用于将水泵抽取的泥水样注入所述盛样器中；所述排水口用于将所述盛样器中的泥水样排空；所述放水阀用于根据所述控制器的指令打开阀门，将所述盛样器中的泥水样通过所述排水口排除，并在一定时间后或下一次所述水泵启动前关闭阀门。
优选地，上述技术方案中，所述雨量计为翻斗式自记雨量计；所述水位计为超声波式自记水位计。
优选地，上述技术方案中，所述放水阀为电磁阀，所述圆环的直径为5cm。
本发明上述技术方案，具有如下有益效果：
首先，本发明的径流中泥沙含量的自动测量系统，能够利用雨量计观测的雨量信号或水位计测定的水位信号，或者在预先设计的时间点，触发控制器启动水泵在规定的时间内向盛样器中注入一定体积的泥水样，并通过称重感应器对测定器称重，最后控制器根据称重数据，计算出径流中的泥沙含量，完成一次自动监测。
其次，本发明可以将启动条件事先输入到控制器中，利用雨量计、水位计的观测数据触发系统启动，进行自动采样、测量过程，利用程序自动计算出泥沙含量。整个监测过程不需要人工值守和采样，可大大提高了监测效率且降低了人工劳动。
再次，本发明通过自动测定体积和重量已知的测定器在待测泥水样中的重量，计算出待测泥水样容重，然后即可根据本发明提出的泥沙含量计算公式，计算出泥沙含量。
最后，本发明不需要人工采样、过滤、烘干等过程，能够对坡面径流、河川径流中的泥沙含量进行实时自动监测。
附图说明
图1为本发明的径流中泥沙含量的自动测量系统的示意图。
其中：1-盛样器、2-测定器、3-称重感应器、4-卷扬器、5-水泵、6-控制器、7-放水阀、8-进水口、9-排水口、10-圆环、11-第一支架、12-雨量计、13-水位计、14-第二支架、15-底座。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细描述，以便于进一步理解本发明。
以下实施例中所有使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
以下实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。
图1为本发明的一种径流中泥沙含量的自动测量系统的示意图。如图1所示：
本发明提供一种径流中泥沙含量的自动测量系统，该测定系统仪包括盛样器1、测定器2、称重感应器3、卷扬器4、水泵5、控制器6、放水阀7、进水口8、排水口9、圆环10、支架11、雨量计12、水位计13、支架14、底座15。
详细来说：
盛样器1，其用于盛泥沙水样，形状为圆筒状(近似水桶样)。具体来说，该盛样器1的侧上部设有进水口8，在该进水口8上安装有可根据控制器6的指令启动或停止的水泵5。该盛样器1的底部为圆锥形，在该底部设有排水口9，排水口9上安装有可根据控制器6的指令打开或关闭的放水阀7。该盛样器1上、下两端分别设置有第一支架11和第二支架14。优选地，第一支架11为“开”字形结构，也就是说其具有相互平行的上、下两条横架，卷扬器4和圆环10分别安装在上、下两条横架上。该盛样器1利用第二支架14固定在底座15上，从而实现盛样器1固定在底座15上。优选地，放水阀7为电磁阀，该电磁阀与控制器6电连接或电缆连接。当然，本发明并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际需要进行相应的调整。
测定器2，该测定器2的作用是用于测定盛样器1中的泥沙含量，优选的是一个体积和重量都为恒定的空心密闭容器。为了防止泥沙粘附在测定器外部，将测定器2形状设计为橄榄球形的结构，且该橄榄球形的结构的外部涂有一层防止泥水粘附的材料。测定器2与圆环10用钢丝连接后挂在第一支架11上，同时圆环10通过钢丝与上方的称重感应器3相连。为了准确测定泥沙含量，测定器2所处的位置是在盛样器1中部，这是因为盛样器1的泥水样中含沙量从表层向底层逐渐增加，中部的泥沙含量能代表整个承样其中泥沙含量的平均状况，所以将其设置于盛样器1中部。优选地，本发明采用的圆环为直径5cm的圆环。当然，本发明并不以此为限，本领域技术人员可根据需要进行圆环尺寸大小的调整。
称重感应器3，该称重感应器3的作用是用于称量测定器2在泥水中的重量。该称重感应器3最大称量为2000g，感量为0.01g。该称重感应器3的一头与圆环10用钢丝连接，另一头与卷扬器4与用钢丝连接。同时，称重感应器3与控制器6电连接，这样就能够实现将称重的时间和重量数据传输给控制器6。
卷扬器4，该卷扬器4的作用是用于将上述测定器从第一支架11上吊起，并利用称重感应器进行称重。卷扬器4与控制器6电连接，同时用钢丝与测定器2的圆环10连接。在控制器6的指令下通过圆环10将测定器2从泥水中吊起，并在称重感应器3完成称重后再通过圆环10将测定器2放回第一支架11上。也就是说，当控制器6发出称重指令时，卷扬器4启动，通过钢丝和圆环10将测定器2从第一支架11上吊起并完成称重，称重结束后卷扬器4再反转，将测定器2重新放回第一支架11上。优选地，本发明采用的圆环为直径5cm的圆环。当然，本发明并不以此为限，本领域技术人员可根据需要进行圆环尺寸大小的调整。
水泵5，该水泵5的作用是用于根据控制器的指令将泥水样抽入盛样器1中。水泵5与控制器6电连接，用于根据控制器6的指令将一定量的泥水样注入盛样器1中，水泵5的出口端用塑料管连接盛样器1的进水口8，进口端安装塑料管，塑料管的另一端插入待监测的泥水中。
控制器6，一般来说为微型电脑，控制器6分别与水泵5、卷扬机4、称重感应器3、放水阀7、雨量计12、水位计13电连接。在该控制器6中可以通过人机对话的方式事先设定好整个测定系统的启动时间、启动条件(如降雨量、水位)，并在启动时间和启动条件满足后依次向水泵5、卷扬器4、称重感应器3、放水阀7发出指令，依次完成水泵6向盛样器1中注入泥水样、卷扬器4通过圆环10将测定器2从泥水中吊起、称重感应器3完成称重后再通过圆环10将测定器2放回支架11上、放水阀7打开排空盛样器1中的泥水样、并在一定时间间隔后指令放水阀7关闭等一系列工作，并将称重感应器3完成称重的时间、重量数据，以及雨量计、水位计的数据保存在控制器6中。
控制器6还可以与笔记本电脑连接，将保存在控制器6中所有数据下载到笔记本电脑中。
放水阀7与控制器6电连接，用于根据控制器6的指令打开阀门，将盛样器1中的泥水样通过排水口9排除，并在一定时间后或下一次水泵5启动前关闭阀门。
进水口8设计在盛样器1的侧上部，安装有水泵5，用于将水泵5抽取的泥水样注入盛样器1中。
排水口9设计在盛样器1的底部，安装有放水阀7，用于将盛样器1中的泥水样排空。
圆环10，其安装在支架11上，圆环10一头用钢丝和测定器2相连，另一头用钢丝和称重感应器3相连。本发明技术方案中的圆环10优选为直径5cm的钢制圆环。当然，本发明并不以此为限，本领域技术人员可根据需要进行圆环尺寸大小的调整。
第一支架11，其固定在盛样器1上，为“开”字形，卷扬器4和圆环10安装在第一支架上11上。
雨量计12，该雨量计12与控制器6电连接，用于测定降雨量，并将雨量数据传输给控制器6保存。优选的，本发明的雨量计12为翻斗式自记雨量计。当然，本发明并不以此为限，本领域技术人员可根据需要进行同类产品的替换。
水位计13，该水位计13与控制器6电连接，用于测定水位，并将水位数据传输给控制器6保存。优选的，本发明的水位计13为超声波式自记水位计。当然，本发明并不以此为限，本领域技术人员可根据需要进行同类产品的替换。
第二支架14，其安装在盛样器1的侧下部，用于将盛样器1固定在底座15上。
底座15，优选的，该底座为厚20cm*20cm*1cm的钢板，第二支架14安装在底座15之上。
本发明的测定过程为：
首先，当雨量计12测定的雨量数据或水位计13测定的水位数据或测定时间达到事先输入到控制器6中启动条件时，控制器6向水泵5发出启动指令，水泵5开始抽水并将事先设定好的一定体积的泥水样注入到盛样器1中，当达到事先设定好的抽水量时水泵5停止。
然后，控制器6指令卷扬器4启动，通过称重感应器3和圆环10提升测定器2，在提升测定器2的过程中称重感应器3称出测定器2在泥水样中的重量w，并将称重的时间和重量数据传送到控制器6中保存。
数据保存后，控制器6指令卷扬器4启动，通过称重感应器3和圆环10将测定器2重新挂回支架11上，同时控制器6指令放水阀7打开，排空盛样器1中的泥水样，在一定时间间隔后或下一次水泵5启动前控制器6指令放水阀7关闭，以进行下一次测定。
本发明中，当雨量计测定的雨量数据或水位计测定的水位数据或测定时间达到事先输入到控制器中启动条件时，控制器向水泵发出启动指令，水泵开始抽水并将事先设定的一定体积的泥水样注入到盛样器中，当达到事先设定好的抽水量时水泵停止。然后控制器指令卷扬器启动，通过称重感应器和圆环提升测定器，在提升测定器的过程中称重感应器称出测定器在泥水样中的重量，并将称重的时间和重量数据传送到控制器中保存。数据保存后控制器指令放水阀打开，排空盛样器中的泥水样，在一定时间间隔后或下一次水泵启动前控制器指令放水阀关闭。
本发明测定径流中泥沙含量的测定原理和计算公式为：
设盛样器1中无泥水样时称重感应器3称出测定器2的重量为w空，盛样器1中有泥水样时称重感应器3称出测定器2的重量为w
则：
含沙量是单位体积泥水样中的泥沙重量，即w泥/v
r泥水＝w泥水/v＝(w水+w泥)/v＝w水/v+w泥/v＝1*v水/v+w泥/v
＝1*(v-v泥)/v+w泥/v＝1-v泥/v+w泥/v＝1-w泥/d/v+w泥/v
＝1+(1-1/d)w泥/v
w泥/v＝(r泥水-1)/(1-1/d)
v为泥水样的体积；
v水为泥水样中水的体积；
v泥为泥水样中泥沙的体积；
w水为泥水样中水的重量；
w泥为泥水样中泥沙的重量；
d为泥沙的比重，水的比重为1；
本发明通过自动测定体积和重量已知的测定器在待测泥水样中的重量，计算出待测泥水样的容重，然后即可根据本发明提出的泥沙含量计算公式，计算出泥沙含量。
本发明提供的径流中泥沙含量的自动测量系统，能够利用雨量计观测的雨量信号或水位计测定的水位信号，或者在预先设计的时间点，触发控制器启动水泵在规定的时间内向盛样器中注入一定体积的泥水样，并通过称重感应器对测定器称重，最后控制器根据称重数据，计算出径流中的泥沙含量，完成一次自动监测。
本发明可以将启动条件事先输入到控制器中，利用雨量计、水位计的观测数据触发系统启动，进行自动采样、测量过程，利用程序激动计算出泥沙含量。整个监测过程不需要人工值守和采样，可大大提高了监测效率且降低了人工劳动。
本发明通过自动测定体积和重量已知的测定器在待测泥水样中的重量，计算出待测泥水样容重，然后即可根据本发明提出的泥沙含量计算公式，计算出泥沙含量。
本发明不需要人工采样、过滤、烘干等过程，能够对坡面径流、河川径流中的泥沙含量进行实时自动监测。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种不同的选择和修改，因此本发明的保护范围由权利要求书及其等同形式所限定。