一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪的制作方法

本发明属于水文监测设备领域，涉及一种水文泥沙监测设备，特别涉及一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪。

背景技术：

1、含沙量是水文泥沙测量的重要内容。根据定义，含沙量是指单位体积浑水中所含干沙质量。传统的含沙量测量采用人工方法，用采样器在断面采取有代表性的水样，量取其体积，并经过沉淀、过滤、烘干、称重等工序，求得干沙质量，干沙质量除以水样体积即为含沙量。

2、当前，自动测沙技术发展方向主要有两个类。第一类是直接测量法，直接测量法侧重对泥沙颗粒本体直接进行测量，按原理分有光电式测沙仪、同位素测沙仪、超声波测沙仪、激光测沙仪、振动式测沙仪等，除振动式测沙外，测量结果都受到泥沙颗粒粗细及分散状态的影响，需进行现场取样标定或发展多参数测量进行校正。第二类是间接测量法，间接测量法通过测量其他更容易获取的指标，间接反应含沙量变化，比如直接在水下称重、测浮力、测压差等，然后通过相关关系换算为含沙量。

3、现有技术绝大多数属于第一类方法，国内外专家学者在如何提高对泥沙颗粒本体测量精度方面开展了广泛深入研究，研制各类泥沙自动测量仪器，但是该类仪器普遍较为精密，购置成本高，且对设备调试、参数率定和运行管理等技术要求较高，在没有专业人士指导的情况下难以保持长期运行稳定性，不利于大范围推广普及。相对的，间接测量法避开对泥沙颗粒本体的直接测量，从而避开泥沙粒径及分散状态等对测量结果的复杂影响，简化测验技术环节，具有一定开发应用和推广前景。

4、现有技术对通过浮力间接测量含沙量的研究较为缺乏，仅公开号为cn107255603a的中国专利公开一种浮力式小区径流泥沙自动观测仪，通过压力传感器测定浮力，反推液体密度，但其结构复杂，对压力感应器的灵敏度要求高，且使用场景单一，只能用于对地面径流的测量，不适用于天然河流。综合分析认为，现有技术中仍缺乏一种适用于天然河流且结构简单、易于观测，无需调试率定，适合长期运行的含沙量监测仪。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有各类泥沙自动测量仪器普遍受到泥沙粒径及分散状态等对测量结果的复杂影响，对设备调试、参数率定和运行管理等技术要求较高，长期运行稳定性难保障，且仪器成本高，不适合大范围推广普及的问题，提供一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，利用含沙量不同对水体密度的影响，改变同等浮力下漂浮物的排水体积，从而计算出含沙量，建立漂浮物入水深度与含沙量的对应关系，可将含沙量直接在漂浮物上标记直读。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，包括定位杆和漂浮组件，定位杆竖直设置且下端与河床固定，漂浮组件设有上下贯通的中孔，漂浮组件通过中孔可上下滑动的套设在定位杆外侧；所述漂浮组件从下到上依次设置有浮球、竖直管，竖直管的外侧标有含沙量读数。

3、本方案的研究方向是通过浮力间接测量含沙量，基本原理是：根据阿基米德定律，浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力大小与液体密度和该物体排开液体的体积有关。在河流中，当物体漂浮在水面时，浮力等于重力，即浮力是一个恒定值，则该物体的水下体积是水体密度的函数。因为水体密度随着含沙量变化而变化，所以物体的水下体积也随着含沙量变化而变化，可以通过测量物体的水下体积的变化来反应含沙量的变化，这就是通过浮力间接测量含沙量的基本原理。需要注意的是，上文提及的是广义的水体密度，因为沙子是不溶于水的，水体密度采用水沙混合液的质量与体积的比值。只要沙子不是太大，液体的粘滞阻力足够带动沙粒，当物体投入液体时，排出的液体重力里包括沙子的重力，进而影响浮力作用。

4、本装置漂浮组件内部为上下贯通的空心圆柱体，和定位杆间隙配合，可以自由上下浮动。当水位发生变化时，漂浮组件可沿定位杆自由上下浮动。当含沙量变化时，水体的密度发生变化，则漂浮组件的入水深度发生变化，通过漂浮组件在水位线处的读数，可以通过换算得到水体的含沙量，也可以将对应入水深度直接换算成含沙量读数，标记于竖直管外壁。

5、作为优选，所述漂浮组件的总重为m0，浮球的体积为v球，竖直管的体积为v管，清水的密度为ρ0，有ρ0(v球+v管)＞m0＞ρ0v球。

6、作为优选，漂浮组件的水下总体积为v排，泥沙密度为ρ沙，含沙量cs计算公式为cs＝(m0/v排-ρ0)ρ沙/(ρ沙-ρ0)，竖直管的横截面面积为s，总长度为l，竖直管入水深度为x，x不大于l且不小于0，则v排＝v球+sx。测量过程中，浮球应一直浸没于水中提供浮力，含沙量最大测量范围为竖直管的低端与水位线平齐，当含沙量继续变大，则浮球浮出水面，无法继续测量，通过浮球和竖直管的尺寸选择，可以改变本装置的测量范围。

7、作为另一种优选，漂浮组件的水下总体积为v排，泥沙密度为ρ沙，含沙量cs计算公式为cs＝(m0/v排-ρ0)ρ沙/(ρ沙-ρ0)，所述漂浮组件的竖直管从下到上包括长度为l1竖直粗管和长度为l2竖直细管，竖直粗管的横截面面积s1大于竖直细管的横截面面积s2；则

8、

9、当含沙量较小时，竖直粗管没入水中，竖直细管入水深度发生变化，由于竖直细管截面相对较小，相同体积变化时的入水深度变化相对较大，含沙量测量结果更加精准；当含沙量较大时，竖直细管全部露出水面，竖直粗管入水深度发生变化，由于竖直粗管截面相对较大，相同体积变化时的入水深度变化相对较小，含沙量测量范围更广。

10、作为优选，所述漂浮组件的竖直管顶部设有水平圆盘，所述定位杆的顶部设有顶架，顶架上设置有雷达水位计和测距仪，雷达水位计设置于水面上方，测距仪设置于水平圆盘的上方，所述顶架上还设有远程终端控制箱。

11、作为优选，测距仪和雷达水位计的安装高度相同，实测测距仪到水平圆盘的竖向距离为d1，雷达水位计到水面的竖向距离为d2，竖直管总高度为l，则竖直管的入水深度x＝l+d1-d2。利用测距仪和雷达水位计可以测量竖直管的入水深度，从而实现含沙量的自动测量。

12、作为优选，所述顶架向外辐射设置若干支脚，各支脚下方设有固定于河床的外部支架。

13、本发明将抽象复杂的含沙量测验转变为直观简易的水深测量，实现含沙量数值的现场直读，且结构简单、易于安装，生产和运行成本低，无需调试率定等操作，对观测人员技术要求低，适合长期在线运行和普及应用。

技术特征：

1.一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，其特征在于：包括定位杆和漂浮组件，定位杆竖直设置且下端与河床固定，漂浮组件设有上下贯通的中孔，漂浮组件通过中孔可上下滑动的套设在定位杆外侧；所述漂浮组件从下到上依次设置有浮球、竖直管，竖直管的外侧标有含沙量读数。

2.根据权利要求1所述的一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，其特征在于：所述漂浮组件的总重为m0，浮球的体积为v球，竖直管的体积为v管，清水的密度为π0，有ρ0(v球+v管)＞m0＞ρ0v球。

3.根据权利要求2所述的一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，其特征在于：漂浮组件的水下总体积为v排，泥沙密度为ρ沙，含沙量cs计算公式为cs＝(m0/v排-ρ0)ρ沙/(ρ沙-ρ0)，竖直管的横截面面积为s，总长度为l，竖直管入水深度为x，x不大于l且不小于0，则v排＝v球+sx。

4.根据权利要求2所述的一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，其特征在于：漂浮组件的水下总体积为v排，泥沙密度为ρ沙，含沙量cs计算公式为cs＝(m0/v排-ρ0)ρ沙/(ρ沙-ρ0)，所述漂浮组件的竖直管从下到上包括长度为l1竖直粗管和长度为l2竖直细管，竖直粗管的横截面面积s1大于竖直细管的横截面面积s2；则

5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，其特征在于：所述漂浮组件的竖直管顶部设有水平圆盘，所述定位杆的顶部设有顶架，顶架上设置有雷达水位计和测距仪，雷达水位计设置于水面上方，测距仪设置于水平圆盘的上方，所述顶架上还设有远程终端控制箱。

6.根据权利要求5所述的一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，其特征在于：测距仪和雷达水位计的安装高度相同，实测测距仪到水平圆盘的竖向距离为d1，雷达水位计到水面的竖向距离为d2，竖直管总高度为l，则竖直管的入水深度x＝l+d1-d2。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，其特征在于：所述顶架向外辐射设置若干支脚，各支脚下方设有固定于河床的外部支架。

技术总结
本发明涉及一种基于浮力原理的漂浮式含沙量直读监测仪，解决现有各类泥沙自动测量仪器对设备调试、参数率定和运行管理等技术要求较高，长期运行稳定性难保障，且仪器成本高，不适合大范围推广普及的问题。本装置主要包括漂浮组件、定位杆，漂浮组件主要由浮球、竖直管从下而上组合而成，漂浮组件内部为上下贯通的空心圆柱体，可沿定位杆自由上下浮动，通过测量漂浮组件入水深度的变化间接测量含沙量，配合测距仪可实现含沙量实时在线监测。本发明将抽象复杂的含沙量测验转变为直观简易的水深测量，实现含沙量数值的现场直读，且结构简单、易于安装，生产和运行成本低，无需调试率定等操作，适合长期在线运行。

技术研发人员：陈金浩,王浩,王淑英,田玺泽,闵惠学,秦巍,刘福瑶,邱超
受保护的技术使用者：浙江省水文管理中心
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1