基于壓力測(cè)深的智能多倉(cāng)懸移質(zhì)含沙量采樣系統(tǒng)研制及應(yīng)用

周才揚(yáng)　胡國(guó)棟　王真祥　梁殿武

摘要：在河流水深較深水域，懸移質(zhì)含沙量測(cè)驗(yàn)工作量大，測(cè)船取樣時(shí)在航道中停留時(shí)間長(zhǎng)，帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，為此研制了智能多倉(cāng)（六倉(cāng)）懸移質(zhì)含沙量采樣系統(tǒng)。取樣時(shí)，電動(dòng)絞車控制采樣系統(tǒng)的下降、上升速度，系統(tǒng)入水觸（河）底后通過壓力傳感器和控制單元測(cè)量水深;在系統(tǒng)上升分層取樣時(shí)，壓力傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量水深，智能電控多倉(cāng)懸移質(zhì)橫式采樣系統(tǒng)按設(shè)定的相對(duì)深度和順序進(jìn)行自動(dòng)關(guān)倉(cāng)取樣。采樣器的關(guān)倉(cāng)時(shí)間和水深等參數(shù)無線傳輸和記錄到計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)設(shè)有人機(jī)交互界面，便于檢查監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于深水航道水文監(jiān)測(cè)中。

關(guān)鍵詞：懸移質(zhì)含沙量測(cè)驗(yàn);智能多倉(cāng);采樣系統(tǒng);壓力檢測(cè)水深;長(zhǎng)江口

中圖法分類號(hào)：TV149.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019. 10.010

懸移質(zhì)含沙量測(cè)驗(yàn)是河流泥沙測(cè)驗(yàn)的一項(xiàng)基本內(nèi)容。目前主要采用橫式采樣器采集單點(diǎn)水樣。

隨著科技進(jìn)步和水文測(cè)驗(yàn)方式方法的創(chuàng)新，水位、流速測(cè)驗(yàn)、信息采集和傳輸?shù)热〉昧碎L(zhǎng)足進(jìn)步，但泥沙測(cè)驗(yàn)方法和儀器研制仍存在短板[1]。陳松生[2]提出應(yīng)用OBS（激光后向散射）、光電測(cè)沙、ADCP回波與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定相結(jié)合等測(cè)沙方法間接推算含沙量，但間接法測(cè)沙的新儀器、新技術(shù)仍存在一定局限性。橫式采樣器取樣分析仍在水文部門大量運(yùn)用[3]。

在長(zhǎng)江南京河段12.5 m深水航道整治工程中，受徑流和潮流雙重影響，洲灘和航槽水流泥沙交換頻繁[4]。在工程實(shí)施及維護(hù)階段，建設(shè)單位安排了大規(guī)模水流泥沙監(jiān)測(cè)工作，收集基礎(chǔ)資料[5-6]。全潮水文測(cè)驗(yàn)的流速、流量普遍采用ADCP走航測(cè)驗(yàn)方法[7];而測(cè)點(diǎn)含沙量和顆分采樣，每次動(dòng)船橫穿航道，逐條垂線分6層取樣，年含沙量取樣量近5萬點(diǎn)。由于泥沙研究工作的需要[8-9]，在長(zhǎng)江航道中布置了取沙垂線，在全潮測(cè)驗(yàn)逐線逐點(diǎn)取沙樣時(shí)，船舶在航道中停留的時(shí)間達(dá)10-20 min，取樣工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，影響順行船舶航行安全，水文測(cè)驗(yàn)船存在巨大安全隱患。

為提高含沙量取樣外業(yè)工作的效率，研制了基于壓力檢測(cè)水深智能多倉(cāng)懸移質(zhì)含沙量采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一次往返測(cè)即可完成六點(diǎn)法分層采樣。

1 系統(tǒng)的技術(shù)路線及框架

系統(tǒng)的技術(shù)路線是：

（1）分析水流、泥沙及航道的通航要素及特性，確定系統(tǒng)的工作水深、供電電壓等技術(shù)參數(shù)[10]。

（2）設(shè)計(jì)單個(gè)采樣器、6個(gè)采樣器的安裝布局.安裝架的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的水密、通訊、軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成[11]，室內(nèi)水深模擬高仿真壓力容器的研制和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用和驗(yàn)收。

技術(shù)路線如圖1所示。

2 研究方案設(shè)計(jì)

2.1 綜合試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

該系統(tǒng)實(shí)際工作中處于野外高壓水下環(huán)境，需要持續(xù)供電運(yùn)行，密封性要求較高;安裝架、壓力傳感器、電磁鐵控制器等均需在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行密封試驗(yàn)檢測(cè)和標(biāo)定。另外，野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要船舶、絞車等設(shè)備及交通、人員等協(xié)調(diào)配合進(jìn)行。若不先做好室內(nèi)的檢測(cè)試驗(yàn)，貿(mào)然到達(dá)野外現(xiàn)場(chǎng)，可能造成大量時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。因此，在研制階段設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)模擬（仿真）試驗(yàn)系統(tǒng)，先期進(jìn)行水下模擬試驗(yàn)和電池放電性能測(cè)試。

2.2 水深模擬（仿真）系統(tǒng)及試驗(yàn)

2.2.1 高壓力全水深仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一個(gè)大型壓力容器盛水作為水深模擬試驗(yàn)平臺(tái)。水深模擬系統(tǒng)以PLC作為控制核心，高壓氣瓶作為水深模擬源，HMI人機(jī)接口進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)定，電磁閥、壓力儀表、安全閥等作為傳感和控制對(duì)象，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。在各部件完成設(shè)計(jì)、加工后，投入到試驗(yàn)中進(jìn)行模型試驗(yàn)，該系統(tǒng)最大可模擬150 m深的水下壓力環(huán)境。

2.2.2 電池放電性能試驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用的電磁鐵屬大電流脈沖放電，同時(shí)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器件也需進(jìn)行驅(qū)動(dòng)性能檢測(cè)，設(shè)計(jì)了電池放電檢測(cè)系統(tǒng)。采用PLC系統(tǒng)控制，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)打開采樣器的艙蓋，接近開關(guān)傳感器，檢測(cè)到艙蓋打開成功后起升，限位接近開關(guān)傳感器，檢測(cè)起升到位后發(fā)出關(guān)艙信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模塊給電磁鐵供電，反復(fù)啟閉采樣器艙蓋。在該系統(tǒng)中，不但檢測(cè)了供電鋰電池的放電特性，同時(shí)檢測(cè)了大電流驅(qū)動(dòng)模塊以及電磁鐵工作時(shí)的可靠性。

分別對(duì)10AH和6AH兩種鋰電池進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，IOAH鋰電池最大可關(guān)倉(cāng)1 850次，6AH鋰電池最大可關(guān)倉(cāng)1 100次。理論上，對(duì)于六倉(cāng)采樣系統(tǒng)，兩種電池可分別關(guān)倉(cāng)超過300次和150次，圖2為兩種規(guī)格的電池的放電曲線。

2.2.3 專項(xiàng)功能試驗(yàn)

在仿真水深模擬容器內(nèi)，用電磁閥模擬水深關(guān)閉功能，進(jìn)行壓力傳感器選型，密封試驗(yàn)和控制系統(tǒng)艙體水密試驗(yàn)。在各單要素試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行全要素水密試驗(yàn)。按照模擬不同水深重復(fù)上述加壓檢測(cè)試驗(yàn)，控制系統(tǒng)工作正常。

2.3 多倉(cāng)采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 采樣倉(cāng)設(shè)計(jì)

采樣器容積為1 000 mL，用085x5無縫鋼管兩端線切割45度角成型，其內(nèi)徑為d =76 mm，中心長(zhǎng)/=225mm，設(shè)計(jì)容積為y=rr/4xd2x/=1 005 （mL）。由于兩端倉(cāng)蓋加密封圈，采樣器的容積為（1 000+2%） mL，符合規(guī)范要求[12-14]。

2.3.2 安裝架設(shè)計(jì)

安裝架的設(shè)計(jì)，要考慮兩個(gè)方面：①懸掛方式;②采樣器關(guān)倉(cāng)時(shí)的姿態(tài)。關(guān)閉順序要考慮采樣過程中采樣器的平穩(wěn)，并盡可能不受水流影響或減少影響[15]。通過模型制作和試驗(yàn).選定上二下四鉆石式結(jié)構(gòu)，即分上、下兩層，上層兩個(gè)倉(cāng)位，下層4個(gè)倉(cāng)位布置。安裝架幾何尺寸為長(zhǎng)寬高為550 mmx500 mmx700 mm，總重60 kg，安裝架示意如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以MCU為核心，通過各類傳感器和通訊接口相互配合共同完成智能采樣的過程。該系統(tǒng)接口如圖4所示。

3.1 控制器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

3.2 軟件主監(jiān)控窗口設(shè)計(jì)

軟件可以設(shè)置采樣系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的工作狀況、各分層取樣水深、時(shí)間等信息記錄、傳輸?shù)?。軟件主菜單窗口可?shí)時(shí)從控制器中讀出控制器的運(yùn)行狀態(tài)及異常信息。監(jiān)控窗口如圖6所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

智能多倉(cāng)懸移質(zhì)采樣系統(tǒng)于2017年10月、11月，2018年1月先后在長(zhǎng)江口橫沙通道、徐六涇斷面水域進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

3次試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)有線和無線通訊正常，其中有線方式驗(yàn)證了采樣系統(tǒng)基本功能：①傳感器功能;②通訊功能;③關(guān)倉(cāng)功能;④電池耐久性;⑤軟件監(jiān)測(cè)檢查;⑥水深測(cè)量精度驗(yàn)證;⑦絞車升降速度與水深測(cè)量精度的優(yōu)化。

在第三次試驗(yàn)中，同時(shí)采用智能多倉(cāng)采樣器和常規(guī)采樣器六點(diǎn)法采樣，分水深10，20 m和42 m不同水深級(jí)，采樣共20組。兩種方法采樣平均歷時(shí)統(tǒng)計(jì)表明，智能多倉(cāng)采樣系統(tǒng)的采樣歷時(shí)較常規(guī)法至少減少70%.且水深越大，節(jié)省的時(shí)間越多，工作效率越高，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4.2 系統(tǒng)效果分析與應(yīng)用

2018年1月9日，智能多倉(cāng)（六倉(cāng)）懸移質(zhì)含沙量采樣系統(tǒng)研制完成，通過了專家鑒定驗(yàn)收，產(chǎn)品投產(chǎn)。

2018年2月，該系統(tǒng)應(yīng)用于長(zhǎng)江南京河段12.5 m深水航道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)第六次測(cè)驗(yàn)。采用智能采樣系統(tǒng)，連續(xù)完成4個(gè)全潮共8條垂線的懸移質(zhì)含沙量取樣，共取水樣5 760瓶，系統(tǒng)工作正常。

各項(xiàng)指標(biāo)如下：①可靠性。一次性成功采樣的可靠性為90%、補(bǔ)采樣的可靠性為100%。②效率。10 m水深的平均采樣時(shí)間為2 min;20 m水深的平均采樣時(shí)間為3 min;40 m水深的平均采樣時(shí)間為5 min。每次采樣時(shí)間不及常規(guī)采樣方式的1/3。

5 結(jié)語

研發(fā)智能多倉(cāng)懸移質(zhì)含沙量采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采樣器系統(tǒng)一次起放就能采集6層（水面、0.2， 0.4，0.6，0.8H和水底）水樣，縮短在一條垂線取6層懸移質(zhì)含沙量的取樣時(shí)間，減少測(cè)船取樣時(shí)在航道中停留的時(shí)間，確保過往順行船舶的通行安全。

2018年2月，智能多倉(cāng)懸移質(zhì)含沙量采樣系統(tǒng)在12.5 m深水航道水文監(jiān)測(cè)中全測(cè)次應(yīng)用，系統(tǒng)工況穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期效果。

通過調(diào)研懸移質(zhì)采樣等相關(guān)儀器應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外尚無相同設(shè)計(jì)思路的同類儀器，該型儀器的成功研制并可靠應(yīng)用，有效填補(bǔ)了該領(lǐng)域的技術(shù)空白。在江河海區(qū)庫(kù)區(qū)懸移質(zhì)采樣中，尤其是大水深情況下應(yīng)用效果更好，也可用于纜道水文斷面取樣，推廣價(jià)值較好。

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（編輯：唐湘茜）