黃河泥沙智能取樣器的研制與應(yīng)用

武廣軍 董方慧

（1.黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局 山東濟(jì)南 250100；2.黃委會(huì)山東水文水資源局利津水文站 山東東營(yíng) 257400）

河流中懸疑質(zhì)泥沙含量是最基本也是最重要的水文數(shù)據(jù)，泥沙測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)驗(yàn)中最基礎(chǔ)的一項(xiàng)工作。

現(xiàn)在，黃河各水文站泥沙測(cè)驗(yàn)方法是外業(yè)采取泥沙水樣，內(nèi)業(yè)用置換法處理和計(jì)算出泥沙含量。

外業(yè)采樣使用的是老舊橫式采樣器，不僅粗老笨重、耗時(shí)費(fèi)力，且在取樣前還需要用木質(zhì)測(cè)深桿先測(cè)量出取樣點(diǎn)的水深、取樣位置的水深，用目測(cè)橫式采樣器的木質(zhì)提拉桿測(cè)深桿上的刻度以確定取樣位置。這些刻畫只是用油漆噴上高度，油漆易磨損、易脫落，木制測(cè)深桿笨重、取材難、使用不方便、容易損壞，測(cè)量水深時(shí)，定位不準(zhǔn)，準(zhǔn)確性較差，取樣水深數(shù)據(jù)和位置不夠準(zhǔn)確，取樣器兩端封蓋還需要人工用手扳開，操作難度大，直接影響到了泥沙數(shù)據(jù)的測(cè)驗(yàn)精度［1］。

為了消除或減少水深測(cè)量的誤差、取樣讀數(shù)誤差，便于取樣操作輕便靈活，提高泥沙測(cè)驗(yàn)精度，選擇了既輕便又堅(jiān)固的材質(zhì)作為測(cè)深桿、提拉桿和采樣器，并根據(jù)電子感應(yīng)和機(jī)械自動(dòng)控制原理，研制了一種黃河泥沙智能型取樣器。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 水壓力原理

水流中某一點(diǎn)（或水底）的壓強(qiáng)與水深和水的比重成正比，根據(jù)這一規(guī)律，只要測(cè)知水底或某一點(diǎn)的壓力，便可求出水深，即：

H［1］：水面到水底或某一點(diǎn)的垂直深度，即水深，單位：m。

P［2］：水底或水流中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)，單位：kg/m2。

ρ［3］：水的容重，單位：kg/m3。

1.2 壓力傳感原理

壓力傳感器是在薄片表面形成半導(dǎo)體變形壓力，通過外力（水壓力）使薄片變形而產(chǎn)生壓電阻抗效果，從而使阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

壓力傳感器一旦制作完成，其受壓面積就是固定值（常數(shù)A，單位：m2），那么，在水中所受壓力與受壓面積和感知到的電壓值之間的關(guān)系是：

式中，U為壓力傳感器獲知的電壓值，f為壓力系數(shù)。由于：

在A為常數(shù)的情況下，令：

則：

故：

令：

式中，ψ為綜合比例系數(shù)（該系數(shù)由水的溫度、密度、實(shí)際水深和計(jì)算水深比值等綜合因素求得），則：

那么，只要獲知水底或水中某一點(diǎn)壓力傳感器薄片上的電壓值信號(hào)，就能換算并得出該點(diǎn)的水深。

1.3 數(shù)據(jù)解算技術(shù)

通過事先編寫好解算程序，嵌入PC 單片機(jī)中（特制芯片），在PC 單片機(jī)接收到水壓力電阻值信號(hào)（U）后，通過計(jì)算公式（9）直接轉(zhuǎn)換成水深，并顯示在屏幕上。其中，ψ（綜合比例系數(shù)）是可以通過測(cè)深桿刻畫直接讀出的實(shí)際水深，輸入到顯示屏幕上后，PC 單片機(jī)會(huì)自動(dòng)計(jì)算求出，并返回到計(jì)算程序中，之后顯示的水深與實(shí)際水深一致，消除了含量數(shù)值變化帶來的水深數(shù)據(jù)的誤差。

2 泥沙智能取樣器設(shè)計(jì)與加工

2.1 總體設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)在泥沙測(cè)驗(yàn)中水深測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)取樣的工作實(shí)際，針對(duì)現(xiàn)有測(cè)深桿測(cè)量不準(zhǔn)、讀數(shù)困難、準(zhǔn)確性較差、刻度易磨損和脫落、人工目測(cè)水深、人工用手扳開或關(guān)閉取樣器兩端封蓋、操作耗時(shí)費(fèi)力的實(shí)際情況，從提高水深測(cè)量精度、智能操作、節(jié)約資金、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度考慮，形成了研制智能取樣器的初步構(gòu)思［2］，通過廣泛征求一線測(cè)驗(yàn)職工的意見，形成了總體設(shè)計(jì)和加工思路。

總體設(shè)計(jì)如圖1所示：提拉桿桿體采用疊加組合式，刻畫采用激光雕刻涂繪，水深采用壓力傳感和屏幕顯示，取樣器兩端封蓋采用機(jī)械自動(dòng)控制開啟。

圖1 智能取樣器總體設(shè)計(jì)示意圖

2.2 組件加工

智能取樣器整體組裝完成后的照片如圖2所示。

圖2 智能取樣器整體組裝完成后的實(shí)物照片

3 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

泥沙智能取樣器總研制費(fèi)用1.86 萬(wàn)元，如果批量生產(chǎn)，單價(jià)在6000 元以下，按照每套使用壽命20年折算，年攤?cè)氤杀?00元/年。

目前，各水文站泥沙測(cè)驗(yàn)中，泥沙外業(yè)取樣大都采用的是傳統(tǒng)的木質(zhì)提拉桿的橫式采樣器，讀數(shù)標(biāo)志采用人工刻畫涂漆顯示。

在使用橫式采樣器過程中，讀數(shù)標(biāo)志容易脫落，導(dǎo)致刻畫不清，需要人工重新刻畫、涂漆；并且，木質(zhì)測(cè)深桿容易磨損，尤其是底部磨損后，會(huì)造成水深數(shù)據(jù)不準(zhǔn)；并且在取樣前，還需要先用木質(zhì)測(cè)深桿測(cè)量水深后，再計(jì)算出泥沙取樣的水深，人工進(jìn)行目測(cè)取樣位置［3］。

假設(shè)按每站一年使用老舊的橫式采樣器進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，經(jīng)過使用后半年甚至更短時(shí)間，油漆刻畫就會(huì)模糊不清，需要人工進(jìn)行刻畫涂漆維護(hù)，每年2次維護(hù)耗費(fèi)工時(shí)按1d計(jì)算，需要人工費(fèi)200元/年。

1套木質(zhì)提拉桿橫式采樣器桿大約使用5年，每根成本按2600 元/套算，那么每年使用成本為520 元/年，再加上每年維護(hù)、刻畫、涂漆的費(fèi)用200 元/年，那么1套老舊橫式采樣器的費(fèi)用720元/年。

每年每閘站節(jié)?。?20-300=420元。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)水文站、涵閘站等有上千座，若能全部站點(diǎn)得到推廣應(yīng)用，年新增利潤(rùn)：42 萬(wàn)元（420×1000=420 000）。

3.2 社會(huì)效益分析

對(duì)于泥沙智能取樣器的應(yīng)用，水深數(shù)據(jù)自動(dòng)智能顯示代替了原來的人工觀讀，取樣器兩端封蓋自動(dòng)開啟或關(guān)閉，減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，提高了水深測(cè)量和泥沙取樣的精度［4］，實(shí)現(xiàn)了泥沙取樣工作的機(jī)械化和自動(dòng)化。其是泥沙取樣操作技術(shù)的革新，滿足了黃河工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、防洪決策、治理與開發(fā)利用對(duì)含沙量成果資料的需要，社會(huì)效益非常顯著［5］。

4 泥沙智能取樣器使用效果

通過在黃委會(huì)山東水文水資源局濼口水文站、菏澤黃河河務(wù)局供水局蘇閣、楊集引黃水閘近一年的應(yīng)用，普遍認(rèn)為泥沙智能取樣器輕便堅(jiān)固、智能化程度高、電子顯示測(cè)量數(shù)據(jù)精確，具有操作簡(jiǎn)單、安全性能高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、易推廣等優(yōu)點(diǎn)，是一款適用于各類水文站泥沙取樣的新型勞動(dòng)工具［6］。其消除了水深測(cè)量的人為讀數(shù)誤差，免除了人工用手開啟取樣器兩端封蓋的麻煩，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，避免了由于水深誤差造成泥沙取樣位置不準(zhǔn)而造成的含沙量數(shù)據(jù)精確度低的問題，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

泥沙智能取樣器采用新材料，利用壓力傳感和機(jī)械自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)與加工，堅(jiān)固耐用，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，操作簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，使用效果良好，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。