一种便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置

1.本发明涉及水土保持技术领域，特别涉及一种便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置。


背景技术：

2.水土流失定量监测水土流失科学研究、预测预报、水土保持效益评价提供基础资料，为区域水土保持的决策提供科学依据。径流泥沙含量监测是水土流失定量监测的基础，径流泥沙含量监测是否准确直接影响水土流失定量监测的准确性。
3.目前，径流泥沙含量监测常采用径流桶收集坡面径流泥沙，再通过人工搅拌法对径流桶内的泥沙进行取样，并将样品烘干后计算出泥沙含量。但该方法在人工搅拌取样过程中存在人工操作时搅拌不均匀、取样时间、取样位置不一致等问题，导致监测结果精准度不高，同时该方法测量耗时费力，数据时效性较差。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置，旨在解决现有技术中采用人工取样的方式进行测量，测量结果存在较大的误差、测量精度较低、耗时耗力、自动化水平低的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的：
6.一种便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置，设置于径流桶上，所述径流泥沙自动取样监测装置包括搅拌系统、取样定容系统、测量系统及控制系统，所述径流桶的顶部设置支架，所述支架上可移动的设置所述搅拌系统及所述取样定容系统，所述控制系统包括处理模块，所述处理模块电性连接所述搅拌系统，以驱动所述搅拌系统于所述径流桶内进行搅拌，所述处理模块电性连接所述取样定容系统及所述测量系统，以完成采样及测量，所述测量系统包括第一测量单元及第二测量单元，所述第一测量单元用于测量所述径流桶内的泥沙水的光的投射强度i，并计算第一含沙量c1，其计算公式为：c1＝a+b*i，式中：a、b为标定系数，所述第二测量单元用于测量所述取样定容内的泥沙水的重量g，以计算第二含沙量c2，其计算公式为：c2＝((g-v*ρ
水
)/v)*(ρ
沙
/(ρ
沙-ρ
水
))，式中：ρ
沙
为泥沙的密度，ρ
水
为水的密度，v为所述取样定容系统设定的固定体积，所述处理模块包括分析单元，所述分析单元用于根据所述第一含沙量c1和所述第二含沙量c2确定最终含沙量。
7.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过所述控制系统内的所述处理模块，完成所述搅拌系统、所述取样定容系统及所述测量系统的控制参数设定，且所述处理模块根据设定的参数控制所述搅拌系统完成于所述径流桶内的搅拌工作，所述处理模块根据设定的参数控制所述取样定容系统完成所述径流桶内的样品采集工作，并控制所述测量系统完成对所述径流桶内的含沙量及所述取样定容系统内的含沙量测量。通过机械、自动化的操作，代替人工取样进行测量，使取样测量的过程规范化、模式化，进而提高径流泥沙含量的测量精度。
8.进一步，所述搅拌系统包括支撑板、搅拌电机及搅拌杆，所述支撑板可移动的连接于所述支架上，所述支撑板背向所述径流桶的一面设置所述搅拌电机，所述搅拌杆的一端连接所述搅拌电机，所述搅拌杆的另一端穿过所述支撑板，并置于所述径流桶内。
9.更进一步，通过建立搅拌时间与含沙量之间的相对误差关系曲线，以获得最佳搅拌时长，所述搅拌电机用于驱动所述搅拌杆沿轴向旋转，以使所述搅拌杆于所述径流桶内搅拌，并达到所述最佳搅拌时长。
10.更进一步，所述取样定容系统包括取样管、取样泵及定容瓶，所述取样管的一端连通所述定容瓶，所述取样管的另一端置于所述径流桶内，且所述取样管朝向所述径流桶的一端开设若干个取样孔，若干个所述取样孔环绕所述取样管的侧壁均匀分布，所述取样管外套接所述取样泵，所述取样管朝向所述径流桶的一端设置所述第一测量单元。
11.更进一步，所述支架上可移动的连接承载板，所述承载板用于承载所述定容瓶，所述定容瓶的底部连接排水管，所述排水管外套接电动蝶阀、连接板及所述承载板，所述电动蝶阀、所述连接板及所述承载板自上而下依次设置，所述连接板与所述承载板之间设置所述第二测量单元。
12.更进一步，所述定容瓶包括溢流部及容纳部，所述溢流部连通所述容纳部，且所述溢流部位于所述容纳部远离所述排水管的一端，所述取样管通过所述溢流部连通所述容纳部，所述溢流部的直径小于所述容纳部的直径，且所述溢流部上开设溢流口，所述溢流口通过溢流管连通所述径流桶，以使所述定容瓶内的样品体积固定。
13.更进一步，所述处理模块包括数据采集单元，所述数据采集单元电性连接所述第一测量单元及所述第二测量单元，以校正所述第一含沙量c1及所述第二含沙量c2，所述第一含沙量c1的校正公式为：y＝ax，所述第二含沙量c2的校正公式为：y＝bx。
14.更进一步，所述分析单元电性连接所述显示单元及所述数据采集单元，所述分析单元用于分析校正后的所述第一含沙量c1及所述第二含沙量c2，以形成所述最终含沙量，并传输至所述显示单元。
15.更进一步，所述分析单元内设置含沙量阈值，当校正后的所述第一含沙量小于等于所述含沙量阈值时，所述分析单元将校正后的所述第一含沙量判定为所述最终含沙量，并传输至所述显示单元，当校正后的所述第一含沙量大于所述含沙量阈值时，所述分析单元将校正后的所述第二含沙量判定为所述最终含沙量，并传输至所述显示单元。
16.再进一步，所述控制系统还包括人机交互模块，所述人机交互模块包括输入单元、显示单元及存储单元，所述输入单元用于设定操作参数，且所述输入单元电性连接所述处理模块，所述显示单元电性连接所述输入单元及所述处理模块，所述显示单元用于显示有效数据，所述存储单元用于各项数据的存储，且所述存储单元电性连接所述处理模块。
附图说明
17.图1为本发明实施例中便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置的结构示意图；
18.图2为图1中径流桶的内部结构示意图；
19.图3为图1中测量系统的部分拆解结构示意图；
20.图4为图1中控制系统的结构框图；
21.主要元件符号说明：
22.集流桶10搅拌系统20支撑板210搅拌电机220搅拌杆230取样定容系统30取样管310取样泵320定量杯330排水管350电动蝶阀360连接板370承载板380控制系统40处理模块410采集单元411分析单元412第一驱动单元413第二驱动单元414第三驱动单元414人机交互模块420输入单元421显示单元422支架50溢流管60固定机构70测量系统80第一测量单元810第二测量单元820
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23.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
24.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
25.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
26.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
27.请参阅图1至图3，本发明实施例中的便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置，设置于径流桶10上，所述便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置包括搅拌系统20、取样定容系统30、测量系统80及控制系统40，所述径流桶10的顶部设置支架50，所述支架50上可移动的设置所述搅拌系统20及所述取样定容系统30。
28.具体地，所述搅拌系统20包括支撑板210、搅拌电机220及搅拌杆230，所述支撑板210可移动的连接于所述支架50上，所述支撑板210背向所述径流桶10的一面设置所述搅拌电机220，电性连接所述搅拌杆230的一端连接所述搅拌电机220，所述搅拌杆230的另一端穿过所述支撑板210，并置于所述径流桶10内。优选地，所述搅拌杆230为螺旋结构。
29.为达到最佳的搅拌效果，所述驱动电机控制所述搅拌杆的转速为150r/min～
170r/min，并驱动所述搅拌杆搅拌达到最佳搅拌时长。具体地，取不同梯度的已知含沙量的浑水样，固定搅拌杆的转速，在不同搅拌时长下进行取样滤定，并测量样品中的含沙量，通过将测量所得的含沙量与已知的含沙量进行对比，可建立搅拌时间与含沙量之间的相对误差关系曲线，当所述相对误差关系曲线趋于稳定后，即可得到所述最佳搅拌时长。所述搅拌电机启动时，驱动所述搅拌杆230沿轴向旋转，进而使所述搅拌杆230对所述径流桶10内的泥沙水进行搅拌，并达到所述最佳搅拌时长，优选地，所述最佳搅拌时长为120s～150s。当泥沙水充分搅拌后，可使含沙量的测量数据更为精准。
30.所述支架50包括第一夹持部及第二夹持部，所述第一夹持部与所述第二夹持部位于所述径流桶10相对的两端，所述第一夹持部与所述第二夹持部之间连接滑轨，所述滑轨外套接所述支撑板210，所述支撑板210可沿所述滑轨的轴向往复滑动，进而调整所述搅拌系统20于所述径流桶10内的设置位置，以达到最佳的搅拌效果，提升测量效率，可以理解地，所述滑轨与所述第一夹持部及所述第二夹持部之间可拆卸的连接，且所述支撑板210与所述滑轨之间可拆卸的连接，通过此种方式，可便于所述坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置的携带，在未使用时，可将所述搅拌系统20、所述滑轨、所述第一夹持部及所述第二夹持部分别拆卸后，进行装载携带。
31.所述取样定容系统30包括取样管310、取样泵320及定容瓶330，所述取样管310的一端连通所述定容瓶330，所述取样管310的另一端插置于所述径流桶10内，所述取样管310外套接所述取样泵320，以将所述径流桶10内的泥沙水抽取至所述定容瓶330内。可以理解地，所述取样管310远离所述定容瓶330的一端为封闭端，避免直抽的方式影响所述取样定容系统30的取样精度，所述取样管310朝向所述径流桶10的一端开设若干个取样孔，若干个所述取样孔环绕所述取样管的侧壁均匀分布，优选地，所述取样孔的直径为4mm，可以理解地，所述取样孔与所述取样管310的内部连通，通过设置若干个所述取样孔，可对所述径流桶10内的泥沙水进行均匀抽取，提高取样精度，进一步提高含沙量测量的准确性。优选地，所述定容瓶330采用有机玻璃加工后抛光，其表面清晰度更高，可从外部观测所述定容瓶330的内部取样情况。
32.所述支架50上可移动的连接承载板380，所述承载板380用于承载所述定容瓶330。可以理解地，所述承载板380套接于所述滑轨外，且所述承载板380可沿所述滑轨的轴向往复运动。所述定容瓶330的底部连接排水管350，所述排水管350外套接套接电动蝶阀360、连接板370及所述承载板380，所述电动蝶阀360、所述连接板370及所述承载板380自上而下依次设置。所述电动蝶阀360用于控制所述排水管350的开合，可以理解地，所述排水管350远离所述定容瓶330的一端连通所述径流桶10，当完成测量时，打开所述电动蝶阀360，以使所述定容瓶330内的泥沙水回流至所述径流桶10内。
33.通过设置所述承载板380，可将所述定容瓶330固定于所述支架50上，以完成取样测量。同时，通过所述承载板380可移动的设置，在所述搅拌系统20进行位置调整时，所述取样定容系统30可配合所述搅拌系统20进行相应的位置调整。
34.优选地，所述定容瓶330包括溢流部及容纳部，所述溢流部连通所述容纳部，可以理解地，所述容纳部的底部连接所述排水管350，所述溢流部位于所述容纳部远离所述排水管的一端，所述取样管310通过所述溢流部连通所述容纳部，以将泥沙水抽取至所述定容瓶330内。所述溢流部的直径小于所述容纳部的直径，可以理解地，所述定容瓶330的上部呈类
锥形结构，优选地，所述溢流部的直径为1.5cm，所述溢流部上开设溢流口，所述溢流口连通所述溢流部的内部，且所述溢流口通过溢流管60连通所述径流桶10，通过设置所述溢流口，在所述定容瓶330达到标准取样容积后，超出部分通过所述溢流口回流至所述径流桶10内，进而确保每次取样时，所述定容瓶330内容纳的泥沙水体积固定，强化数据测量的稳定性。同时，将所述溢流口设置于所述溢流部，可避免因所述定容瓶330内的泥沙水的液面波动过大，导致过溢流，进而未达到标准样品体积，影响测量精度的情况。
35.请参阅图1及图4，所述控制系统40包括处理模块410，所述控制系统40可连接外部电源，为所述便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置提供测量电力，优选地，所述控制系统40还连接上位机，所述上位机内设置相应的测量软件，将所述控制系统40内的测量数据导入所述上位机内的测量软件，所述测量软件可将对应的测量时间、沙量含量等测量数据进行整理归类，并形成数据曲线及表格文件进行展示。
36.所述处理模块410电性连接所述搅拌系统20，以驱动所述搅拌系统20于所述径流桶10内进行搅拌，所述处理模块410电性连接所述取样定容系统30及所述测量系统80，以驱动所述取样定容系统30完成样品抽取，并驱动所述测量系统80完成测量。可以理解地，所述处理模块410包括第一驱动单元413、第二驱动单元414及第三驱动单元415，所述第一驱动单元413电性连接所述搅拌系统20，所述第二驱动单元414电性连接测量系统80，所述第三驱动单元415电性连接所述取样定容系统30。通过所述控制系统40内的所述处理模块410，完成所述搅拌系统20、所述测量系统80及所述取样定容系统30的控制参数设定，所述第一驱动单元413根据设定的参数控制所述搅拌系统20完成于所述径流桶10内的搅拌工作，所述第二驱动单元414根据设定的参数控制所述测量系统80完成含沙量测量工作，所述第三驱动单元415根据设定的参数控制所述取样定容系统30完成样品的采集工作。通过机械、自动化的操作，代替人工取样进行测量，使取样测量的过程规范化、模式化，进而提高径流泥沙含量的测量精度。
37.所述控制系统40还包括人机交互模块420，所述人机交互模块420包括输入单元421、显示单元422及存储单元，所述输入单元421用于设定操作参数，且所述输入单元421电性连接所述处理模块410，所述显示单元422电性连接所述输入单元421及所述处理模块410。通过所述输入单元421，将搅拌时长、搅拌深度、搅拌位置及搅拌功率等搅拌参数输入至所述处理模块410，所述显示单元422同步显示输入的所述搅拌参数，以完成参数设定的校正工作，避免因参数输入错误导致测量数据产生误差。所述处理模块410根据所述搅拌参数，驱动所述第一驱动单元413，所述第一驱动单元413电性连接所述搅拌系统20的所述搅拌电机220，以按要求对所述径流桶10内的泥沙水进行搅拌。
38.同时，通过所述输入单元421，将取样时长、取样体积、水泵功率等取样参数输入至所述处理模块410，所述处理模块410根据输入的所述取样参数，驱动所述第三驱动单元415，所述第三驱动单元415电性连接所述取样定容系统30的所述取样泵320，以将所述径流桶10内的泥沙水按要求抽取至所述定容瓶330内。进一步地，所述显示单元422还可显示所述便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置的工作参数，所述工作参数包括工作电压、工作电流等。
39.所述存储单元电性连接所述处理模块410，当完成样品测量后，所述存储单元用于存储每次测量的过程数据及所述最终含沙量的数据，并通过所述存储单元，可进行数据导
出，方便对测量的过程数据及所述最终含沙量的数据进行汇总核验，并形成对应图表。
40.所述测量系统80包括第一测量单元810及第二测量单元820，所述第一测量单元810用于测量所述径流桶10内的泥沙水的光的投射强度i，以计算第一含沙量c1,优选地，所述第一测量单元810为含沙量传感器；所述第二测量单元820用于测量所述测量系统80内的泥沙水的重量g，以计算第二含沙量c2。优选地，所述第二测量单元820为称重传感器。通过所述第一含沙量c1及所述第二含沙量c2，可得到准确的含沙量。
41.具体地，所述取样管310朝向所述径流桶10的一端连接所述第一测量单元810。所述第一测量单元810完成所述径流桶10内的泥沙水的光的投射强度i的测量后，通过公式计算出所述径流桶10内的泥沙水的含沙量，以得到第一含沙量c1，其计算公式如下：：c1＝a+b*i，其中c1为含沙量，a、b为标定系数，i为光的透射强度。
42.选择两份已知含沙量的泥沙水，通过所述第一测量单元810测量得到相应的光的透射强度i后，带入计算公式，计算出标定系数a、b的数值。完成a、b的计算后，固定a、b的数值，即可在后续的测量工作中直接计算出所述第一含沙量c1。即在所述第一测量单元810完成光的透射强度i的数值测量后，自动计算出所述第一含沙量c1。通过设置所述第一测量单元810，在其方便、小巧、稳定的前提下，可初步完成含沙量的测量。
43.可以理解地，通过所述输入单元421，可将相关测量数值输入所述处理模块410，所述处理模块410第二驱动单元414，使所述第一测量单元810及所述第二测量单元820完成测量工作。
44.优选地，所述滑轨外套接固定机构70，所述固定机构70包括固定板及调节板，所述固定板套接于所述滑轨外，所述固定板可沿所述滑轨的轴向往复运动，所述固定板上设置所述调节板，所述取样管310轴向移动连接于所述调节板上，可以理解地，所述调节板上设置螺纹锁紧机构，当打开所述螺纹锁紧机构时，所述取样管310可沿轴向移动，当锁紧所述螺纹锁紧机构时，所述取样管310的位置固定。通过所述取样管310可移动的设计，可调节所述取样管310于所述径流桶10内的放置位置及所述第一测量单元810的放置高度，进而使所述第一测量单元810处于最佳测量位置，提升测量效果的精确度。优选地，所述取样管310置于所述径流桶10的内侧壁与所述径流桶10的中心连线的1/2处。通过将已知含沙量的泥沙水置入所述径流桶10内，将所述取样管310置于所述径流桶10的内侧壁与所述径流桶10的中心连线的1/2处，调整所述取样管310的插接深度，并测量含沙量，即可获得所述第一测量单元810的最佳测量位置。
45.所述连接板370与所述承载板380之间设置所述第二测量单元820，所述第二测量单元820用于测量所述取样定容系统30内的泥沙水的重量g，即测量所述定容瓶330内的泥沙水的重量g，通过公式计算出所述定容瓶330内的泥沙水的含沙量，以得到第二含沙量c2。具体地，所述第二测量单元820通过如下公式计算所述第二含沙量c2：c2＝((g-v*ρ
水
)/v)*(ρ
沙
/(ρ
沙-ρ
水
))。其中，g为所述第二测量单元820称量所述取样定容系统30内的泥沙水的重量，即所述定容瓶330中的泥沙水的重量，v为所述测量系统80内的泥沙水的体积，即所述定容瓶330内的泥沙水的体积，ρ
沙
为泥沙的密度，即2.65kg/m3，ρ
水
为水的密度，即1kg/m3，c2为所述定容瓶内的含沙量。通过将密度带入公式内，可知：c2＝((g-v*1)/v)*(2.65/1.65)。所述第二测量单元820测量得出所述定容瓶330内的泥沙水的重量后，通过公式换算出所述第二含沙量c2。
46.优选地，所述第三驱动单元415还电性连接所述电动蝶阀360，通过所述输入单元421设定的取样时长，设定所述电动蝶阀360的打开时间，当所述取样泵320抽取所述径流桶10内的泥沙水，通过所述取样管310输入至所述定容瓶330内后，所述第二测量单元820完成所述第二含沙量c2的测量，所述第三驱动单元415判断达到所述取样时长后，控制所述电动蝶阀360打开，并将所述定容瓶330内的泥沙水排出至所述径流桶10内。
47.所述处理模块410还包括数据采集单元411及分析单元412，所述数据采集单元411电性连接所述第一测量单元810及所述第二测量单元820，并校正所述第一含沙量c1及所述第二含沙量c2。当所述第一测量单元810完成测量，并形成所述第一含沙量c1时，所述数据采集单元411记录所述第一含沙量c1，根据校正公式：y＝ax进行第一含沙量c1的数据校正。当所述第二测量单元820完成测量，并形成所述第二含沙量c2时，所述数据采集单元411记录所述第二含沙量c2，根据校正公式：y＝bx，进行第二含沙量c2的数据校正。式中，y为校正后的含沙量，x为校正前的含沙量，a、b为校正系数。通过取已知含沙量的浑水样，通过第一测量单元810测量其含沙量后，代入校正公式，可计算出校正系数，同理，通过第二测量单元820测量已知含沙量的浑水样，同样可计算出校正系统。
48.所述分析单元412电性连接所述显示单元422及所述数据采集单元411，所述分析单元412用于分析校正后的所述第一含沙量c1及矫正后的所述第二含沙量c2，以形成最终含沙量，传输至所述存储单元存储所述最终含沙量后，传输至所述显示单元422。
49.具体地，根据对不同土壤测量率定试验结果表明，在含沙量0～50kg/m3范围内时，所述第一测量单元810的测量精度误差小于5％，因此，在所述分析单元412内设置含沙量阈值，优选地，所述含沙量阈值为25kg/m3，当所述分析单元412接收到所述数据采集单元411所记录的校正后的所述第一含沙量c1及校正后的所述第二含沙量c2后，所述分析单元412将其与所述含沙量阈值进行比对分析，当校正后的所述第一含沙量c1小于所述含沙量阈值时，此时，校正后的所述第一含沙量c1更为接近准确含沙量，所述分析单元412将校正后的所述第一含沙量c1判定为所述最终含沙量，传输至所述存储单元储存，同步传输至所述显示单元422，以显示测量结果，当校正后的所述第一含沙量c1大于所述含沙量阈值时，此时，校正后的所述第二含沙量c2更为接近准确含沙量，所述分析单元412将校正后的所述第二含沙量c2判定为所述最终含沙量，传输至所述存储单元储存，同步传输至所述显示单元422，以显示测量结果。通过设置所述数据采集单元411及所述分析单元412，可进一步的实现含沙量测量的自动化操作，在进行测量后可实时反馈测量结果至所述显示单元422，完成观测记录。同时，通过设定的所述含沙量阈值，针对不同含沙量的泥沙水，可优先选择测量精度较高的数据并判定为所述最终含沙量，进一步提升所述便携式坡面径流小区径流泥沙自动取样监测装置的测量精度。
50.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
51.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。