专利名称：一种双向环形水槽系统及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种双向环形水槽系统及其测试方法，属于水利工程、环境科学与工程学科基础理论和应用基础研究技术领域。背景技术：
我国海岸线有三分之一是淤泥质海岸。长江、黄河、珠江等主要大河河流挟带的泥沙多为黏性细颗粒泥沙，研究细颗粒泥沙的特性是解决港口回淤、围垦造地、河口海岸演变的重要手段；另外，细颗粒泥沙是重金属、有机质等污染物的载体，物质输移规律是海岸工程学科和水环境学科共同关注的课题，双向环形水槽正是研究泥沙特别是细颗粒泥沙各种特性的重要设备。 水槽在河口海岸、河流、湖泊等区域课题研究中有广泛的应用，针对细颗粒泥沙、水体与污染物相互作用等方面有占地大、试验成本高等缺陷，因而需发明一种体积小、试验方便的新型环形水槽，以降低试验成本，并提高设备的可操作性。
发明内容
本发明的目的在于改善直水槽在上述背景技术中的缺陷，从而提供一种双向环形水槽系统及其测试方法，并提升动力装置的先进性，提供更有效、实用的科研设备。本发明的目的通过以下的技术方案来实施的
一种双向环形水槽系统，其特征在于该系统包括双向环形水槽主体和动力装置，其中动力装置又包括旋转装置和升降装置，所述旋转装置由两台固定在机座2上的交流伺服第一电机3、第二电机4连接主传动机构I分别与双向环形水槽主体的上圆盘12和下圆盘6相连，主传动机构I由6个内六角圆柱头螺钉8固定，第一电机3通过导线与控制柜上盘伺服控制器26连接，控制上圆盘的转动，第二电机4通过导线与控制柜下盘伺服控制器27连接，控制下圆盘的转动；所述升降装置为上圆盘升降动力机构14，由一台安装在顶部钢结构支架13上的交流伺服电机，与控制柜升降伺服控制器28相连，控制上盘的升降；上圆盘升降动力机构14上部固定在顶部钢结构支架13上，下部与上圆盘导向吊紧机构5连接；所述双向环形水槽主体由上圆盘12和下圆盘6组成，其中上圆盘12的内壁23和外壁25上均开有6个螺孔，分别用螺帽固定在6根上圆盘支架21上，上圆盘支架21中央与上圆盘导向吊紧机构5
相连，下圆盘6的内壁由6个内六角圆柱头螺钉8固定,下圆盘6的内壁和外壁均固定在有机玻璃板7上，有机玻璃板7通过24个内六角圆柱头螺钉8再固定在铝板17上；外壁上按不同深度设有10-20个取样孔9，下圆盘底部铝板17上安装有10-20个取样瓶支架10，与取样孔9——对应，10-20个取样瓶20分别放置在10-20个取样瓶支架10上，取样孔9通过橡皮管与取样瓶20相连，在下圆盘底部安装10-20个微型电磁阀11，并通过信号接收器后与控制柜下盘伺服控制器27连接，控制取样孔9上橡皮管的开启与关闭；下圆盘的底部设有一个水出流孔19，并与排水管道相连接，下圆盘底部有机玻璃板相连接的铝板上开有6-10个摄像孔18。2、所述的双向环形水槽系统，其特征在于所述的上圆盘由内径2480mm的上圆盘内壁23、外径2720 mm的上圆盘外壁25、厚15 mm的有机玻璃环片用氯仿固定在内径2410mm、外径2790 mm、厚13 mm的有机玻璃圆环板24上，两块有机玻璃环片中间设有12个宽120 mm、高100 mm的加固支撑板22用氯仿固定在上圆盘上。3、所述的双向环形水槽系统，其特征在于所述的下圆盘由内径2400 mm、高500mm的下圆盘内壁15、外径2800 mm、高500mm的下圆盘外壁16、宽200 mm、厚20 mm的有机玻璃圆环通过氯仿固定在内径2220 mm、外径2980 mm、厚20mm的下盘有机玻璃板7上，并整体焊接在内径2220 mm、外径2980 mm、厚20mm的铝板17上。4、一种使用双向环形水槽系统进行水样测试的方法，其特征在于测试步骤如下
①连接380V总电源31，通过电源控制30使控制柜各部分接入电源；
②将试验水样和试验沙放入环形水槽下圆盘中；
③通过控制柜中的升降伺服控制器28控制上盘升降动力机构14，使环形水槽上圆盘12与试验水样液面相切；
④按照率定好的的环形水槽上圆盘12、下圆盘6的转速，通过控制柜上盘伺服控制器
26、下盘伺服控制器27分别控制第一电机3、第二电机4的转速，控制水体的流速；
⑤通过控制柜下圆盘伺服控制器27控制微型电磁阀的开启和关闭，对环形水槽下盘取样孔9进行水样的遥控采集，并用量杯添加相应的初始水样，以保证试验水深；
⑥液晶显示屏29将显示上、下盘的转速和上盘的升降高度；
⑦对采集的水样进行测试分析；
⑧采样结束后，通过控制柜升降伺服控制器28控制升降装置将环形水槽上圆盘12升起，开启环形水槽下圆盘6的水出流孔19，放掉试验水体。有益效果
相比于常用水槽，本发明有如下优点
①双向环形水槽系统将直槽的长度尺度转换成时间尺度，以模拟无限长均匀水流，能满足细颗粒泥沙沉降所需要的距离要求；
②水槽体积小，实验所需沙量少，盐水量少，可准确模拟现场环境中不同流速、含沙量、盐度条件下泥沙的起动、沉降、冲刷、固结等过程；
③泥沙或污染物可长期连续在水槽中进行单向、往复流动，且可随时遥控采集水样，拓宽设备的适用范围；
④双向环形水槽的上圆盘可在试验过程中连续升降，随时改变试验水深，可实现变水深的水槽试验要求；
⑤水槽的动力装置均采用交流伺服电机，精度高、维护少。四
图I是本发明的双向环形水槽系统总图的示意 图2是双向环形水槽下圆盘及附件结构示意图；A_下圆盘底盘的主视图；B_下圆盘半幅俯视 图3是双向环形水槽上圆盘及附件结构不意图；A_上圆盘俯视图；B_上圆盘主视图； 图4是双向环形水槽控制柜。附图标记
I、主传动机构，2、机座,3、第一电机,4、第二电机,5、上圆盘导向吊紧机构，6、下圆盘，7、下圆盘有机玻璃板,8、内六角圆柱头螺钉,9、取样孔,10、取样瓶支架，11、微型电磁阀，
12、上圆盘，13、顶部钢结构支架，14、上圆盘升降动力机构，15、下圆盘内壁，16、下圆盘外壁，17、铝板，18、摄像孔，19、水出流孔，20、取样瓶，21、上圆盘支架，22、上圆盘内外壁支撑板，23、上圆盘内壁，24、上圆盘有机玻璃圆环板，25、上圆盘外壁，26、上圆盘伺服控制器，
27、下圆盘伺服控制器，28、升降伺服控制器，29、液晶显示屏，30、电源控制，31、380V总电源。
五具体实施例方式 下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述
实施例I
针对一种双向环形水槽系统的实施例。本发明中双向环形水槽主体设备，其特征在
于
双向环形水槽主体由上、下圆盘组成，其中，上圆盘由内径2480mm的上圆盘内壁23、夕卜径2720 mm的上圆盘外壁25、厚15 mm的有机玻璃环片用氯仿固定在内径2410 mm、夕卜径2790 mm、厚13 mm的有机玻璃圆环板24上，两块有机玻璃环片中间设有12个宽120mm、高100 mm的加固支撑板22用氯仿固定在上圆盘上，上圆盘12的内壁23和外壁25上均开有6个螺孔，分别用螺帽固定在6根上圆盘支架21上，上圆盘支架21中央与上圆盘导向吊紧机构5相连；
下圆盘由内径2400 mm、高500mm的下圆盘内壁15、夕卜径2800 mm、高500mm的下圆盘外壁16、宽200 mm、厚20 mm的有机玻璃圆环通过氯仿固定在内径2220 mm、外径2980 mm、厚20mm的下圆盘有机玻璃板7上，并整体焊接在内径2220 mm、外径2980 mm、厚20mm的铝板17上，通过24个内六角圆柱头螺钉8加固，下圆盘的外壁上按不同深度设有12个取样孔9，下圆盘可平均分割成12等份，将12个取样孔9对称分布于水槽下盘两侧的两等份内，其余空开便于试验观测，一侧尺寸从下盘有机玻璃板7向上分别为2mm、5mm、8mm、llmm、14mm、17mm,另一侧尺寸从下盘有机玻璃板7向上分别为3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm,下圆盘底部铝板17上安装有12个取样瓶支架10，与取样瓶一一对应，12个取样瓶20放置在12个取样瓶支架10上，取样孔9通过橡皮管与取样瓶20相连，取样孔直径为8mm，在下圆盘底部安装与取样孔对应的12个微型电磁阀11，电磁阀型号为WJF-C，电压为24V，功率为5-10W，流体压力150kPa，通过信号接收器后与控制柜下盘伺服控制器27连接，控制取样孔9上橡皮管的开启与关闭；下圆盘的底部设有一个水出流孔19，其孔直径为40mm，并与排水管道相连接，下圆盘底部有机玻璃板相连接的铝板17上平均分布开有6个摄像孔18，其孔直径为120mm ；
本发明中动力装置，其特征在于
上下圆盘各由一台无级调速交流伺服第一电机3、第二电机4带动，电机功率30瓦、压力50帕、电压380伏、速度2800转/分；电机通过导线与上盘伺服控制器26和下盘伺服控制器27相连。固定在机座2上的交流伺服第一电机3连接主传动机构I与双向环形水槽主体的上圆盘12相连，第一电机3通过导线与控制器上盘伺服控制器26连接，控制上圆盘的转
动，第二
电机4通过导线与控制下盘伺服控制器27连接，控制下圆盘的转动；本发明中升降装置，其特征在于
上圆盘升降动力机构14由一台安装在顶部钢结构支架13上的交流伺服电机与控制柜升降伺服控制器28相连，控制上圆盘的升降以控制试验水深；上圆盘升降动力机构14上部固定在顶部钢结构支架13上与房屋连接固定，下部与上圆盘导向吊紧机构5连接。实施例2
针对一种双向环形水槽系统中进行细颗粒泥沙运动特性试验所采用的实施方法。①连接380V总电源31，通过电源控制30使控制柜各部分接入电源；将中值粒径为30iim、含沙量为lg/L (约300g)的细颗粒泥沙放入环形水槽下圆盘中，加入盐度为15%。的NaCl溶液，使其液面水深为200mm;相比于直槽，环形水槽拥有水槽体积小，实验所需沙量少、盐水量少的优点；
②通过控制柜中的升降伺服控制器28控制上盘升降动力机构14，使环形水槽上圆盘
12
与液面相切；
③按照率定好的的环形水槽上圆盘12、下圆盘6的转速，通过控制柜上盘伺服控制器26、下盘伺服控制器27分别控制第一电机3、第二电机4的转速，控制水体的流速；水体在切力作用下产生水流，进行匀速、变速泥沙运动过程的模拟，流速可在0-120cm/s内均匀调节，精确至l.Ocm/s ;相比于直槽，环形水槽拥有准确模拟现场环境中不同流速、含沙量、盐度条件下泥沙的起动、沉降、冲刷、固结等过程，且环形水槽系统将直槽的长度尺度转换成时间尺度，以模拟无限长均匀水流，能满足细颗粒泥沙沉降所需要的距离要求；双向环形水槽的上圆盘可在试验过程中连续升降，随时改变试验水深，可实现变水深的水槽试验要求；另外，水槽的动力装置均采用交流伺服电机，精度高、维护少；
④通过控制柜下盘伺服控制器27控制微型电磁阀11的开启和关闭，电磁阀型号为WJF-C,电压为24V，功率为5-10W，流体压力150kPa，对环形水槽下盘取样孔9进行水样的遥控采集，并用量杯添加相应的初始水样，以保证试验水深；
⑤液晶显示屏29将显示上、下盘的转速和上盘的升降高度；
⑥对采集的水样进行测试分析；
⑦采样结束后，通过控制柜升降伺服控制器28控制升降装置将环形水槽上圆盘12升起，开启环形水槽下圆盘6的水出流孔19，其孔直径为40mm，放掉试验水体。实施例3
针对一种双向环形水槽系统中进行河口泥沙污染物吸附试验所采用的实施方法。①连接380V总电源31，通过电源控制30使控制柜各部分接入电源；在双向环形水槽主体内加入太湖污染河段的底泥，平铺于环形水槽下圆盘6底部约50mm厚，加入自来水，使其液面水深为400mm ；
②进一步地，通过控制柜中的升降伺服控制器28控制上圆盘升降动力机构14，使环形水槽上圆盘12与液面相切；
③其余测试步骤同实施例2，环形水槽的优点同实施例2。
权利要求
1.一种双向环形水槽系统，其特征在于该系统包括双向环形水槽主体和动力装置，其中动力装置又包括旋转装置和升降装置，所述旋转装置由两台固定在机座(2)上的交流伺服第一电机(3)、第二电机(4)连接主传动机构(I)分别与双向环形水槽主体的上圆盘(12)和下圆盘(6)相连,主传动机构(I)由6个内六角圆柱头螺钉(8)固定,第一电机(3)通过导线与控制柜上盘伺服控制器(26)连接，控制上圆盘的转动，第二电机(4)通过导线与控制柜下盘伺服控制器(27)连接，控制下圆盘的转动；所述升降装置为上圆盘升降动力机构(14)，由一台安装在顶部钢结构支架(13)上的交流伺服电机，与控制柜升降伺服控制器(28)相连，控制上盘的升降；上圆盘升降动力机构(14)上部固定在顶部钢结构支架(13)上，下部与上圆盘导向吊紧机构(5)连接；所述双向环形水槽主体由上圆盘(12)和下圆盘(6)组成，其中上圆盘(12)的内壁(23)和外壁(25)上均开有6个螺孔，分别用螺帽固定在6根上圆盘支架(21)上，上圆盘支架(21)中央与上圆盘导向吊紧机构(5)相连，下圆盘(6)的内壁由6个内六角圆柱头螺钉(8)固定,下圆盘(6)的内壁和外壁均固定在有机玻璃板(7)上，有机玻璃板(7)通过24个内六角圆柱头螺钉(8)再固定在铝板(17)上；外壁上按不同深度设有10-20个取样孔(9)，下圆盘底部铝板(17)上安装有10-20个取样瓶支架(10)，与取样孔(9)——对应，10-20个取样瓶(20)分别放置在10-20个取样瓶支架(10)上，取样孔(9)通过橡皮管与取样瓶(20)相连，在下圆盘底部安装10-20个微型电磁阀(11)，并通过信号接收器后与控制柜下盘伺服控制器(27)连接，控制取样孔(9)上橡皮管的开启与关闭；下圆盘的底部设有一个水出流孔(19)，并与排水管道相连接，下圆盘底部有机玻璃板相连接的铝板上开有6-10个摄像孔(18)。
2.根据权利要求I所述的双向环形水槽系统，其特征在于所述的上圆盘由内径2480mm的上圆盘内壁(23)、外径2720 mm的上圆盘外壁(25)、厚15 mm的有机玻璃环片用氯仿固定在内径2410 mm、外径2790 mm、厚13 mm的有机玻璃圆环板(24)上，两块有机玻璃环片中间设有12个宽120 mm、高100 mm的加固支撑板(22)用氯仿固定在上圆盘上。
3.根据权利要求I所述的双向环形水槽系统，其特征在于所述的下圆盘由内径2400mm、高500_的下圆盘内壁(15)、外径2800 mm、高500_的下圆盘外壁(16)、 宽200 mm、厚20 mm的有机玻璃圆环通过氯仿固定在内径2220 mm、外径2980 mm、厚20mm的下盘有机玻璃板(7)上，并整体焊接在内径2220 mm、外径2980 mm、厚20mm的铝板(17)上。
4.一种使用权利要求I所述的双向环形水槽系统进行水样测试的方法，其特征在于测试步骤如下 ①连接380V总电源(31)，通过电源控制(30)使控制柜各部分接入电源； ②将试验水样和试验沙放入环形水槽下圆盘中； ③通过控制柜中的升降伺服控制器(28)控制上盘升降动力机构(14)，使环形水槽上圆盘(12)与试验水样液面相切； ④按照率定好的的环形水槽上圆盘(12)、下圆盘(6)的转速，通过控制柜上盘伺服控制器(26)、下盘伺服控制器(27)分别控制第一电机(3)、第二电机(4)的转速，控制水体的流速； ⑤通过控制柜下圆盘伺服控制器(27)控制微型电磁阀(11)的开启和关闭，对环形水槽下盘取样孔(9)进行水样的遥控采集，并用量杯添加相应的初始水样，以保证试验水深；⑥液晶显示屏(29)将显示上、下盘的转速和上盘的升降高度； ⑦对采集的水样进行测试分析； ⑧采样结束后，通过控制柜升降伺服控制器(28)控制升降装置将环形水槽上圆盘(12)升起，开启环形水槽下圆盘(6)的水出流孔(19)，放掉试验水体。
全文摘要
一种双向环形水槽系统，包括双向环形水槽主体和动力装置，其中动力装置又包括旋转装置和升降装置。主体由上、下盘组成，其中，上盘用内、外壁有机玻璃环片固定在有机玻璃圆环板上，与主体上盘导向吊紧机构相连；下盘内、外壁有机玻璃环片固定在有机玻璃板上，并一同固定于铝板上。上、下盘通过旋转装置可同向、反向旋转，进行匀速、变速水流运动过程的模拟。旋转装置由两台电机通过主传动分别与水槽主体上、下盘相连，并与控制柜相连控制上、下盘的运动；升降装置由一台电机通过上盘导向吊紧机构与水槽相连，并与控制柜相连控制试验水深；本发明适用范围广、扩展性强、使用和维护方便，是从事河口海岸、湖泊、水库领域试验研究的有效设备。
文档编号G01N15/00GK102721524SQ20121019773
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月15日 优先权日2012年6月15日
发明者冯卫兵, 周晶晶, 张长宽, 蔡辉, 金鹰 申请人:河海大学