強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀原型機(jī)試驗(yàn)研究

張永平 牛長(zhǎng)喜 李德貴 張健 宋長(zhǎng)春

摘要：為解決高含沙洪水泥沙在線監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提升泥沙監(jiān)測(cè)技術(shù)，為暴雨洪水水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能力建設(shè)提供技術(shù)支撐，研制了強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀。儀器研發(fā)過(guò)程中解決了儀器結(jié)構(gòu)、材料選擇、信號(hào)干擾、相關(guān)附件研制、試驗(yàn)裝備研制等問(wèn)題。試驗(yàn)證明儀器采集的信號(hào)可穩(wěn)定到較高的水平。通過(guò)試驗(yàn)掌握了儀器數(shù)據(jù)采集與極板面積、間距、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系：①清水溫度與電壓成二次多項(xiàng)式關(guān)系;②小于極板面積閾值時(shí)電容值與極板間距關(guān)系不大，大于該閾值時(shí)電容值隨極板間距的增大而減小;③極板間電容必須達(dá)到一定數(shù)值，極板間電容才與含沙量有相關(guān)關(guān)系;④170mm×400mm（寬度×長(zhǎng)度）極板電容為948pF時(shí)對(duì)含沙量的反應(yīng)仍不明顯;⑤含沙量與電容的關(guān)系一般為三次曲線，含沙量數(shù)值不大時(shí)則表現(xiàn)為二次曲線;⑥合適的極板材料才能使儀器對(duì)含沙量變化有反應(yīng);⑦強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀對(duì)水流和環(huán)境沒(méi)有任何污染，對(duì)操作人員沒(méi)有任何傷害，具有較廣闊的推廣前景，建議在有代表性的測(cè)站推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：試驗(yàn)分析;原型機(jī);強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀;在線監(jiān)測(cè);泥沙

中圖分類(lèi)號(hào)：TY856 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

泥沙測(cè)驗(yàn)仍然是目前黃河水文監(jiān)測(cè)中的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是泥沙監(jiān)測(cè)儀器，更是限制黃河水文測(cè)報(bào)能力提升的瓶頸。《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB/T50159-2015）中雖然列舉了很多測(cè)沙儀，但目前真正在使用的還不多，且都存在各種缺陷，從而影響了泥沙在線監(jiān)測(cè)儀器的推廣應(yīng)用。

強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀的研發(fā)主要解決高含沙洪水泥沙在線監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，其采用電場(chǎng)的方法進(jìn)行含沙量監(jiān)測(cè)，對(duì)水流和環(huán)境沒(méi)有任何污染，對(duì)操作人員沒(méi)有任何傷害，且儀器造價(jià)很低，具有廣闊的推廣前景。

研發(fā)強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀的關(guān)鍵是研究水沙混合體的介電特性以及介電常數(shù)隨含沙量的變化關(guān)系，以及電場(chǎng)強(qiáng)度和水體含沙量的關(guān)系，研制可放置于水體中的電場(chǎng)生成器和場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)器。研發(fā)時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)分析不同含沙量水體介電常數(shù)變化的特性，根據(jù)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范確定技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)研制測(cè)沙儀的信號(hào)解析、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)傳輸、功能控制、環(huán)境補(bǔ)償器件及參數(shù)率定裝置，進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以適應(yīng)水下應(yīng)用。原型機(jī)試驗(yàn)主要是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行原型機(jī)理論驗(yàn)證和技術(shù)驗(yàn)證，以測(cè)試其性能并完善其功能。

1 儀器設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀工作原理：通過(guò)電場(chǎng)對(duì)含沙水體的作用及含沙水體對(duì)極板電量的影響，獲取極板電容的變化，根據(jù)試驗(yàn)獲得的電容一含沙量關(guān)系得到水體含沙量。亦即在研究水體含沙量一介電常數(shù)一電場(chǎng)強(qiáng)度三者關(guān)系基礎(chǔ)上，通過(guò)監(jiān)測(cè)含沙水體中電場(chǎng)強(qiáng)度的變化分析計(jì)算水體含沙量。工作原理見(jiàn)圖1。

傳感器由正、負(fù)兩個(gè)極板組成。正極板密封在絕緣材料中，負(fù)極板一側(cè)密封，一側(cè)裸露。電場(chǎng)生成器向極板加電，因?yàn)閮蓸O板是絕緣的，所以正電荷向正極板集聚，負(fù)電荷向負(fù)極板集聚，最后在極板間形成電場(chǎng)。

電源具有一定的電勢(shì)，電源同時(shí)也具有內(nèi)電阻。極板的密封材料不會(huì)導(dǎo)電，其起到極板間的絕緣作用。場(chǎng)強(qiáng)變化的主要因素是水體及水體中的含沙量。強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀的功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)圖2。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）原型機(jī)整體設(shè)計(jì)。原型機(jī)試驗(yàn)主要是了解儀器的基本特性，驗(yàn)證儀器測(cè)沙的可行性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮滿足室內(nèi)試驗(yàn)的要求，整體設(shè)計(jì)為軟件控制部分和硬件采集部分，軟件控制部分在電腦上進(jìn)行操作，硬件采集部分放置于測(cè)試區(qū)域中，主要由控制倉(cāng)、極板組成?？刂苽}(cāng)分為電池倉(cāng)、數(shù)據(jù)采集倉(cāng)、光纖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換倉(cāng)和溫度數(shù)據(jù)采集倉(cāng)。原型機(jī)的電池倉(cāng)和溫度數(shù)據(jù)采集倉(cāng)合并在一起。各倉(cāng)均用銅材料制作，相互屏蔽磁感應(yīng)信號(hào)。

（2）極板設(shè)計(jì)。儀器設(shè)計(jì)主要是圍繞極板設(shè)計(jì)進(jìn)行的。極板分正、負(fù)極板，設(shè)計(jì)正極板密封在由ABS材料（絕緣材料）制作的密封殼體內(nèi)，負(fù)極板固定在一側(cè)密封、一側(cè)裸露的殼體內(nèi)。正極板殼體為凹槽平底結(jié)構(gòu)，組裝時(shí)平底的一面要正對(duì)負(fù)極板。負(fù)極板殼體為內(nèi)部有凸臺(tái)的凹槽結(jié)構(gòu)。

（3）控制倉(cāng)設(shè)計(jì)?？刂苽}(cāng)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形倉(cāng)，基板比倉(cāng)框大，用于安裝極板組裝體?？刂苽}(cāng)中電池倉(cāng)、數(shù)據(jù)采集倉(cāng)、光纖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換倉(cāng)和溫度數(shù)據(jù)采集倉(cāng)均設(shè)計(jì)為正方形或長(zhǎng)方形的盒子，盒子底部和頂部為活板。電池倉(cāng)和溫度數(shù)據(jù)采集倉(cāng)合在一起。倉(cāng)與倉(cāng)之間用ABS板隔開(kāi)。電池倉(cāng)、數(shù)據(jù)采集倉(cāng)、光纖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換倉(cāng)和溫度數(shù)據(jù)采集倉(cāng)均采用紅銅材料。

（4）儀器倉(cāng)與極板連接設(shè)計(jì)。儀器倉(cāng)與極板連接用特制膠連接，該種膠不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期浸泡而變形、脫落或漏水。

（5）蓋板裝配設(shè)計(jì)。蓋板設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形平板，采用ABS材料。蓋板與儀器倉(cāng)體用螺絲緊固，加密封條，以保證儀器在水下不漏水。

（6）溫度傳感器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的溫度傳感器由感應(yīng)殼、采集頭、采集電路組成。

（7）試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)平臺(tái)是為滿足不同極板的清水和渾水試驗(yàn)要求而設(shè)計(jì)的。平臺(tái)長(zhǎng)度可以調(diào)整（更換橫支架），可滿足不同長(zhǎng)度極板進(jìn)行試驗(yàn)。平臺(tái)上設(shè)計(jì)多個(gè)開(kāi)槽，試驗(yàn)時(shí)極板在平臺(tái)上可以調(diào)節(jié)相互之間的距離，適應(yīng)不同極板間距，也可以安裝多組極板進(jìn)行試驗(yàn)。

（8）泥沙標(biāo)定儀設(shè)計(jì)。泥沙標(biāo)定儀是為強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀試驗(yàn)專(zhuān)門(mén)研發(fā)的標(biāo)定儀器，可以配置不同的含沙量，以動(dòng)態(tài)水流的方式模擬河道水流情況進(jìn)行渾水試驗(yàn)，彌補(bǔ)外業(yè)試驗(yàn)條件不足的情況。泥沙標(biāo)定儀設(shè)計(jì)首先考慮布置標(biāo)定儀器的水箱部分，水箱形狀設(shè)計(jì)為方形。水槽的密封部分設(shè)計(jì)為圓管形。整個(gè)水槽設(shè)計(jì)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，盡量避免死角，主要是為了減少阻力，避免泥沙淤積。設(shè)計(jì)采用螺旋槳水平推動(dòng)水流，其目的是減緩試驗(yàn)時(shí)電機(jī)等發(fā)熱器件對(duì)水體的升溫速度，減少轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的進(jìn)氣現(xiàn)象，減少水體中氣泡的產(chǎn)生。采用變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以獲得不同的水流速度。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容與目的

原型機(jī)試驗(yàn)內(nèi)容主要是對(duì)儀器在清水中時(shí)隨水溫變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化關(guān)系和渾水中時(shí)不同含沙量下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化關(guān)系進(jìn)行分析。其間，根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行了一些專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。

2.3 關(guān)鍵性成果

（1）水體中的平行電場(chǎng)變化極為復(fù)雜。通過(guò)筆者的大量研究，發(fā)現(xiàn)水體中影響平行電場(chǎng)的因素很多。在對(duì)不銹鋼、黃銅、普通塑料、亞克力板、ABS等密封材料使用效果優(yōu)選分析后，選用ABS作為極板密封的材料，電場(chǎng)的主要影響變?yōu)樗疁睾蜆O板面積兩個(gè)因素，且溫度和極板面積的變化與電場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系良好，具有工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)的可能性。

（2）研發(fā)了水導(dǎo)體電場(chǎng)監(jiān)測(cè)電子電路。水導(dǎo)體中的平行電場(chǎng)，在場(chǎng)強(qiáng)加強(qiáng)以后電容變化信號(hào)還是很弱，容量也只能穩(wěn)定到0.01pF，干擾因素非常復(fù)雜，對(duì)電路設(shè)計(jì)要求極高。筆者通過(guò)4a多的研究，實(shí)現(xiàn)了電子電路的多個(gè)突破：解決了超復(fù)雜的干擾因素問(wèn)題;實(shí)現(xiàn)了超低功耗架構(gòu)與高度靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可降低整機(jī)系統(tǒng)功耗并顯著延長(zhǎng)電池使用壽命;設(shè)計(jì)采用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換電路，監(jiān)測(cè)電壓最小為0.000000 3V;低失調(diào)、低漂移、低功耗、高精度運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)，提高監(jiān)測(cè)含沙量的精度;突破了溫度監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定的極限，使水溫測(cè)量精度達(dá)到0.001℃。

（3）通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不是所有量級(jí)平行電場(chǎng)對(duì)泥沙變化都有響應(yīng)，只有平行電場(chǎng)加強(qiáng)到一定量級(jí)后，平行電場(chǎng)才會(huì)對(duì)含沙量的變化表現(xiàn)出一定的響應(yīng)，超過(guò)一定量級(jí)后又恢復(fù)到恒定值，不再發(fā)生變化。綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定了平行電場(chǎng)響應(yīng)泥沙變化的基準(zhǔn)值在1300pF以上，變幅基本確定在100pF以內(nèi)。這為測(cè)沙傳感器的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。

（4）探索了平行電場(chǎng)傳感器的材料。強(qiáng)場(chǎng)極電場(chǎng)實(shí)際上是平行的弱電場(chǎng)，材料對(duì)電場(chǎng)的影響極為復(fù)雜，經(jīng)過(guò)對(duì)13種不同材料傳感器的反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬材料對(duì)平行電場(chǎng)影響復(fù)雜，數(shù)據(jù)比較散亂，無(wú)規(guī)律。非金屬材料中純度較高的高分子材料對(duì)平行電場(chǎng)影響比較小，形成的平行電場(chǎng)比較穩(wěn)定，電場(chǎng)變化的規(guī)律性較好，是研制平行電場(chǎng)傳感器很好的基礎(chǔ)材料，為強(qiáng)場(chǎng)極的適用性研究提供了可能。

（5）采用分級(jí)分單元屏蔽設(shè)計(jì)，解決了復(fù)雜環(huán)境下精密儀器的抗干擾問(wèn)題。由于平行電場(chǎng)自身的特性，各種強(qiáng)電、弱電、靜電以及導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微電會(huì)對(duì)平行電場(chǎng)產(chǎn)生不同程度的影響，因此強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須將影響平行電場(chǎng)的各個(gè)因素分級(jí)和分單元隔離。采用銅材料制作隔離倉(cāng)對(duì)各部分干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽，采用光纖轉(zhuǎn)換的方法對(duì)傳感器與電腦之間的干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽，成功解決了儀器的抗干擾問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)清水率定試驗(yàn)，得出清水溫度與電壓成二次多項(xiàng)式關(guān)系。

（2）強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀電容值與極板間距的關(guān)系與極板面積閾值有關(guān)。小于該閾值時(shí)電容值與極板間距關(guān)系不大，大于該閾值時(shí)電容值隨極板間距的增大而減小。

（3）強(qiáng)場(chǎng)極極板間電容必須達(dá)到一定數(shù)值（合適的區(qū)間值），極板間電容才與含沙量有相關(guān)關(guān)系。極板電容與極板間距有關(guān)系時(shí)，其對(duì)含沙量變化才有反應(yīng)。

（4）有關(guān)參考資料認(rèn)為電容超過(guò)750pF時(shí)極板對(duì)含沙量會(huì)有反應(yīng)。試驗(yàn)證明，170mm×400mm極板電容為948pF時(shí)對(duì)含沙量的反應(yīng)仍不明顯。

（5）含沙量與電容的關(guān)系一般為三次曲線，含沙量數(shù)值不大時(shí)則表現(xiàn)為二次曲線。

（6）極板材質(zhì)也是影響儀器功能的重要因素。合適的極板材料才能使儀器對(duì)含沙量變化有反應(yīng)。不合適的材料，即使極板電容很高，儀器對(duì)含沙量的變化也不會(huì)反應(yīng)，或反應(yīng)不明顯。

（7）強(qiáng)場(chǎng)極測(cè)沙儀采用電場(chǎng)的方法進(jìn)行含沙量監(jiān)測(cè)，對(duì)水流和環(huán)境沒(méi)有任何污染，對(duì)操作人員沒(méi)有任何傷害，具有較廣闊的推廣前景，建議在有代表性的測(cè)站推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李小昱，雷廷武，王為.電容式傳感器測(cè)量水流泥沙含量的研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2002，39（3）：429-434