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振动式悬移质测沙仪研制

    责任编辑:杨雪 来源:

    一、成果产生背景

  黄河是世界闻名的一条多泥沙河流,泥沙测验任务很重,但黄河泥沙测验一直采用横式采样器野外采样,实验室测定含沙量的基本手段。为解决这一老大难问题,从20世纪五六十年代起,水文工作者就与国内有关科研单位研制了许多泥沙测验仪器,如同位素、红外、激光、超声波等测沙仪,改革开放后也试图从国外引进一些先进的泥沙测验物理仪器,花了不少的财力和人力都没有取得满意的效果。进入21世纪,为了黄河的水资源开发和利用、维持黄河的健康生命和“三条黄河”建设、利用水库进行调水调沙的新形势要求,更加迫切需要有一种先进的泥沙测验仪器能实时监测黄河中含沙量的变化过程。因此,该项目在调研准备阶段、论证立项阶段和实验样机研制阶段,始终围绕着黄河含沙量现场实时测量这一老大难问题而进行工作。

  国内外研制和生产的河流悬移质测沙仪器,其测沙范围小,测量含沙量的精度低,尤其是对天然河道中的泥沙粒径十分敏感,很难满足《河流悬移质泥沙测验规范》GB50159-92的要求。众所周知,河流的含沙量本来就很难测量,泥沙的粒径更难测量。特别地,利用红外、激光、超声波等波动原理研制的测沙仪,粒度的影响更加显著。

  美、英等国的振动式测沙仪的传感器是放在船上不入水,靠水泵和管道抽吸浑水来测量含沙量,定位测量困难,沙样代表性差,不适合在天然河流中应用。云南大学和黄委水科院采用的振动管过长,将振动式传感器安装在重“铅鱼”内,进出口管路太长,造成水力损失严重,在振动管内容易沉沙,造成测量结果偏大,而且承载重达200公斤以上也很难推广应用。

  二、成果主要内容

  2.1工作原理

  振动式悬移质测沙仪的传感器是利用恒弹性钢所制的振动管,随着流经管内被测液体的密度发生变化而引起振动周期随之变化的原理而制成。将采集到的周期(频率)数字信号,以每3~7秒钟采集一组数据的速率,通过标准串行口(RS232)进入到计算机,根据所建立的数学模型进行分析计算,并可直接在屏幕上显示出含沙量。振动式密度传感器放入浑水中测到的是浑水密度,经过对方程的科学推导,可得到精确计算含沙量的公式。

  本次研发增加了温度测量技术,提高了测量低含沙量的精度。测量浑水密度和含沙量的参数标定都在实验室里进行,而这些标定参照物都是稳定的样本,这样大大简化了仪器的标定工作。

  2.2创新点

  1、设计制作了小型的传感器,不仅突破了理论上起振极限,而且确保了测量精度。从水力学角度考虑,管路过长在天然河道中测沙时低流速容易沉沙造成较大误差。要保证测量密度的精度,传感器振管长度与直径之比应在25~30。本项目设计制作的振管有效长度为200毫米,管径13.5毫米,其长度与直径之比不到15,既实现了开机稳定起振又保证了测量精度。 

  2、振动式传感器测量的对象是流经振管内水沙的混合液密度,水温的变化会引起流体密度、线路性能等复杂变化,从而影响测量精度。所以水温的测量也很重要。本次研发增加电子测量水温及处理功能,解决了因温度变化引起的测量误差。

  3、用微机(便携机)取代传统的二次仪表。利用先进的计算机技术进行推算含沙量数学模型的建立与分析,以及精度标定、温度标定、调零系统的处理、误差分析与计算等,都取得了显著的效果。并为实现远程控制与监测打下了良好的基础。

  4、振动式悬移质测沙仪利用标样标定的密度工作曲线可取代含沙量标定仪器的工作曲线。为今后大量推广应用该仪器,创造了非常有利的条件。

  2004年12月荣获黄委2003~2004年度重大创新成果奖。

  三、野外比测和试应用情况

  3.1野外比测

  实验样机完成后,2003年6~9月,在黄河潼关水文站做了野外比测实验。按照《河流悬移质泥沙测验规范》GB50159-92的要求,以常规含沙量测量方法为标准值,对振动式悬移质测沙仪测量的含沙量进行统计计算。结果是:含沙量在35千克每立方米以下相对误差不超过±10%,含沙量在35千克每立方米以上相对误差不超过±5%。相对标准差为4.52%,2倍的相对标准差为9.04%(随机不确定度),系统误差为0.90%。已满足了《规范》GB50159-92第8.3.4条的精度要求:一类站仪器随机不确定度为10%,系统误差为±1.0%。达到了预期的目标,为河流悬移质泥沙测验提供了一种先进的在线式测沙仪器。

  3.2试应用

  振动式悬移质测沙仪是一种在线式的河流悬移质泥沙测量仪器,该仪器适用于河流水下不同深度的单点的含沙量测量,能实时掌握河流中含沙量的变化过程。在黄河第二次调水调沙期间,2003年9月7日在黄河花园口水文站安装后,经过274个小时的连续工作,至9月19日18时,共测得数据13.7万组,其中实测最大含沙量105.328千克每立方米,最小含沙量3.63千克每立方米,并及时通过手机短信技术将实测的含沙量数据传输到黄河内部网上。在黄河第三次调水调沙实验期间,分别在花园口、艾山水文站安装了振动式悬移质测沙仪;在黄河小北干流放淤实验期间,分别在龙门水文站和放淤口安装了振动式悬移质测沙仪。各站点的含沙量的变化过程和大量的实测数据,为黄河防汛指挥部门及时调度排沙闸门开启起到了重要作用,该仪器在黄河的第二、三次调水调沙实验和小北干流放淤实验中发挥了重要作用。

  3.3、效果与未来

  通过室内外大量的比测实验和试应用,证明该仪器测量精度高、长期稳定性好,测沙范围大,含沙量分辨率为0.01千克每立方米,是目前国内外测沙仪中最先进的仪器。该仪器利用标样标定的密度工作曲线可取代含沙量标定工作曲线,可免去仪器繁杂的用含沙量标定工作,这样为今后批量推广应用该仪器,创造了非常有利的条件。

  2004年3月20日通过水利部组织的鉴定,成果总体上达到了国际先进水平。

  2004年2月黄委会水文局积极筹划将该成果转化为产品样机研制,组织河南黄河水文勘测设计院具体负责实施,在年底已研制出10台AEX-1型振动式悬移质测沙仪。按国外LISST-100X激光自动测沙仪产品报价38110美元,可节约资金170万元人民币。

  2005年将利用该产品继续在有代表性的水文站进行比测和应用方法的实验,进一步验证该仪器的使用范围和总结推广应用经验及改进完善措施,并做好产品鉴定和定型工作。

  四、主要完成单位和完成人

  4.1完成单位

  黄河水利委员会水文局、哈尔滨工业大学迈克新技术公司

  4.2完成人

  王智进、王连第、宋海松、胡年忠、刘文、王丙轩、王立新

  初审意见

  该成果主要创新点为:(1)传感器突破了理论起振极限,确保了测量精度;(2)增加电子测量水温及处理功能,解决了因温度变化引起的测量误差;(3)用便携式PC机取代传统的二次仪表进行数据处理和分析;(4)利用标样标定的密度工作曲线可取代含沙量标定仪器的工作曲线。

  该成果目前在黄河上得到实际应用,效果明显,解决了长期困扰河流泥沙测量中的含沙量测量问题,对治黄贡献极大,社会效益十分显著。

  该成果经理论和应用技术类专家委员会初审,评为一等奖。

  


发布时间:2011年08月12日
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