乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器的設(shè)計與試驗研究

韓尚尚，肖柏青，陳要平

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

我國水土流失已危及到人民的生命財產(chǎn)和生存空間，近些年在長江和其他流域發(fā)生的特大洪水已發(fā)出了警告[1]。環(huán)境和防洪部門迫切需要準確的泥沙輸移數(shù)據(jù)，而提供數(shù)據(jù)的水文部門，如何準確無誤又及時采集水樣，是多年來遇到的一大難題。所以，需重要新研制一種準確、經(jīng)濟、實用的新型懸沙采樣儀器。

懸移質(zhì)泥沙采樣器主要可分為積時式和瞬時式泥沙采樣器兩大類：積時式泥沙采樣器主要有皮囊式、調(diào)壓式、瓶式三種；而瞬時式泥沙采樣器最常用的是橫式采樣器[2]。我國水文站網(wǎng)目前普遍采用的懸移質(zhì)泥沙采樣裝置為橫式采樣器和瓶式采樣器，美國、德國等國家主要使用調(diào)壓式采樣器[3]。然而，橫式采樣器取得的是瞬時水樣，水樣的代表性較差[4]；瓶式采樣器的進口流速與河水天然流速容易產(chǎn)生較大差異；調(diào)壓式采樣器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較差[5-6]。而且懸移質(zhì)泥沙采樣時需要的水樣較多，一般一次需要采集1000 mL以上的水樣。為此目前常用的采樣器均配有一個大容量水樣筒，使得采樣器體型較為龐大。為克服這種體積大又中空的采樣器不能下沉到指定位置的問題，通常需配置50 ～300 kg 的鉛魚來穩(wěn)定儀器。這便導(dǎo)致整套泥沙采樣器比較笨重，需要配置大型的專用的水文絞車或水文纜道來輔助其工作，很難做到徒手操控取樣。而且整個懸移質(zhì)采樣工作費時費力，效率低下。美國在2017 年研制了TIMS 采樣器[8]，但主要適應(yīng)于潮汐環(huán)境中懸浮沉積物。在2020 年，我國研制了“雙筒式河流懸移質(zhì)即水質(zhì)樣品采集器”，它屬于橫式采樣器，是目前相對而言最新的懸移質(zhì)泥沙采樣器，但其總重在70 ～180 kg，較為笨重[9]。技術(shù)人員研制的淤泥取樣裝置，雖然儀器重量較小，但不能采集懸移質(zhì)泥沙[10]。

總之，懸移質(zhì)泥沙測驗儀器的研發(fā)正處在瓶頸時期，新興的各種測沙儀雖然使用方便，但是難以應(yīng)對各種復(fù)雜的水沙條件，測量精度難以保證；傳統(tǒng)的懸移質(zhì)采樣器已使用數(shù)十年之久，笨重的懸移質(zhì)采樣器使得泥沙測驗費時費力，技術(shù)人員研發(fā)了近百種懸移質(zhì)采樣器，都沒有突破懸移質(zhì)采樣器又重又大的困境。

乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器很好地解決了傳統(tǒng)泥沙采樣器重量大、采樣效率低下的問題，它的優(yōu)點在于將采樣與過濾合二為一，降低了水樣容器的體積和重量。乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器具有良好的科學性和先進性，優(yōu)點突出，能很好地解決懸移質(zhì)泥沙采樣費時費力的現(xiàn)實問題，可滿足水文測站和科研機構(gòu)的有關(guān)需求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器工作原理

乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器的工作原理是依據(jù)蠕動泵抽水流量可保持恒定的特性，直接根據(jù)抽水時間和抽水流量來確定水樣體積，將抽取的水樣引入到濾網(wǎng)型水樣袋中進行水樣過濾和泥沙蓄存，在水樣體積已知的情況下將蓄存泥沙取出、稱量即可完成含沙量的測量。該方法將采樣與過濾合二為一，大大降低了采樣器的體積和重量，達到以小體積容器來盛裝無限多水樣的目的。此外，筆者在動量定理的基礎(chǔ)上，利用壓力傳感器測得水流沖擊受力板前后的壓力差以及單片機的控制功能，設(shè)計出了一種流速傳感器，實現(xiàn)了采樣器進口流速與河流天然流速基本一致的目的。

1.2 乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器組成

乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器主要由蠕動泵、濾網(wǎng)型水樣袋、單片機系統(tǒng)、進水管、出水管、流速傳感器和配重等組成。本采樣器的三維模型圖如圖1 所示。

圖1 采樣器三維模型圖

（1）蠕動泵。蠕動泵是一種恒流泵，在確定轉(zhuǎn)速時蠕動泵抽水流量恒定，為此可根據(jù)采樣歷時和抽水流量來確定水樣體積[11]。乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器中的蠕動泵為大流量組裝型蠕動泵，采用直流減速電機，電壓為24 V，配有專用的硅膠泵管，此蠕動泵的最大流量可達3700 mL/min。蠕動泵的泵管與進水管和出水管相連，進水管和出水管均采用不銹鋼管制作，其內(nèi)徑為7 mm。在這種組合下，進水管內(nèi)最大流速可達到1.6 m/s。

（2）濾網(wǎng)型水樣袋。濾網(wǎng)型水樣袋由孔徑約為0.03 mm（30 μm）的不銹鋼網(wǎng)布材料制成，與傳統(tǒng)的泥沙水樣過濾所用定量濾紙（孔徑為30 ～50 μm）的孔徑相當。蠕動泵抽取的水樣進入濾網(wǎng)型水樣袋后，其中的絕大部分水體和極細泥沙被過濾掉，剩余泥沙滯留在濾網(wǎng)型水樣袋中，后期再進行烘干、稱重處理。

（3）流速傳感器。流速傳感器利用動量定理設(shè)計，包括受力板、傳力桿、套管、防水套、密封艙、壓力傳感器和HX711 芯片等組件。受力板將受到的水流沖擊力通過傳力桿傳遞給壓力傳感器，壓力傳感器和HX711 芯片聯(lián)合工作，測量出該沖擊力大小，根據(jù)事先率定的沖擊力與水流流速之間的擬合公式，可確定外界流速。套管采用直線軸承，其內(nèi)徑與傳力桿粗細相配套，套管對傳力桿起到支撐作用，并假設(shè)傳力桿移動時所產(chǎn)生的摩擦力可忽略不計。防水套由軟質(zhì)乳膠指套加工制作，保證在防水的同時不會對傳力桿的移動產(chǎn)生阻礙。受力板直徑為40 mm，壓力傳感器采用量程為100 g、精度為0.01 g 的懸臂梁式壓力傳感器，由動量定理可算出，在應(yīng)用該型號的壓力傳感器時，流速傳感器的流速測量精度能夠達到0.01 m/s，量程為0.88 m/s。

（4）單片機程序設(shè)計。單片機的功能為實現(xiàn)對蠕動泵抽水流量的自動控制。單片機主體是一個型號為STM32F103ZET6 的中央芯片，它與L298N 電機驅(qū)動模塊、HX711 芯片等組件聯(lián)合工作。其工作原理為：單片機接收壓力傳感器通過HX711 芯片所傳遞的數(shù)據(jù)，根據(jù)單片機內(nèi)部事先設(shè)定好的水流沖擊力與蠕動泵轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方法，通過L298N 電機驅(qū)動模塊來調(diào)節(jié)蠕動泵的轉(zhuǎn)速，使得采樣器的進口流速等于測量位置處的河流天然流速。利用單片機實現(xiàn)調(diào)速，需輸出兩個邏輯信號和一個PWM 信號，故采用其通用定時器3 的通道2 輸出PWM，利用PA4 接口和PA5 接口輸出邏輯信號。HX711 芯片的SCK（同步時鐘）和DOUT（數(shù)據(jù)輸出）端口分別設(shè)定為PE0 接口和PE1 接口進行信號讀取。

本采樣器組成硬件的連接與信號傳遞關(guān)系如圖2 所示，其中蠕動泵、壓力傳感器和HX711 封裝在一個有機玻璃材質(zhì)的外殼中，可放入水下；單片機、L298N 電機驅(qū)動模塊和直流電源通過電線與封裝好的硬件相連接。

圖2 采樣器硬件結(jié)構(gòu)組成圖

2 實驗研究

2.1 蠕動泵轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)

該采樣器在應(yīng)用前，為實現(xiàn)自動控制進水流速與天然流速相同的目的，進行了蠕動泵轉(zhuǎn)速與進口流速的擬合，如圖3 所示；以及流速傳感器測得的天然流速與壓力信號的擬合，如圖4 所示。最后令進口流速與天然流速相等，得到蠕動泵轉(zhuǎn)速與壓力信號之間的對應(yīng)關(guān)系式。

圖3 進口流速v 與轉(zhuǎn)速信號s 的關(guān)系圖

圖4 天然流速v 與壓力P 的關(guān)系圖

其中，蠕動泵轉(zhuǎn)速與進口流速的擬合關(guān)系式為：

其中，s表示表示轉(zhuǎn)速信號；v表示流速，cm/s。

據(jù)實驗測得的水流天然流速與對應(yīng)壓力信號，得到兩者的函數(shù)關(guān)系如圖4 所示，水流天然流速由便攜式流速儀測量得到。

二者的擬合關(guān)系式為：

其中，P表示壓力，g。

聯(lián)立（1）（2）兩式，可以推求出蠕動泵轉(zhuǎn)速s與壓力信號P之間的對應(yīng)關(guān)系式為：

將式（3）代入到編寫的程序中，即可通過單片機與流速傳感器、蠕動泵的聯(lián)合工作實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)蠕動泵轉(zhuǎn)速控制采樣器的進口流速與天然流速相等的目的。

2.2 泥沙采樣與分析過程

（1）將采樣器主體放入指定位置，啟動儀器。

（2）采樣器自動采樣，一定的采樣歷時后，關(guān)閉儀器完成采樣。

（3）取下水樣袋，將其放入烘干箱中烘干采集的沙樣，稱重，得到沙樣質(zhì)量M。

（4）根據(jù)蠕動泵流量Q和和采樣歷時T，計算出采樣點位置處懸移質(zhì)泥沙的含沙量C，計算公式為：

2.3 主要技術(shù)指標

乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器的測速時長一般≤50 s，最大寬度為0.1 m，采樣時間≥100 s，最大長度≤0.5 m，主要的技術(shù)指標見表1。

表1 主要技術(shù)指標[7]

3 儀器特點分析

3.1 儀器的使用

利用船舶等工具來到測量水域的采樣點上方，通過牽引繩將采樣器主體下放到水下指定的采樣點位置，工作人員手持本作品的控制端（帶有顯示屏的單片機），采樣器主體與控制端之間有信號線連接，通過控制端啟動流速傳感器和蠕動泵，流速傳感器自動測量出采樣點的水流流速，并將信號傳給單片機，單片機根據(jù)事先率定的蠕動泵轉(zhuǎn)速與進口流速的對應(yīng)關(guān)系，自動設(shè)定蠕動泵轉(zhuǎn)速和流量，使得進口流速等于采樣點水流流速，在此條件下蠕動泵抽取水樣。假設(shè)蠕動泵流量為Q，需要的水樣體積為V，則采樣歷時T取為水樣采集時間超過該采樣歷時后，關(guān)閉蠕動泵，將采樣器主體提出水面，拆卸下濾網(wǎng)型水樣袋，將水樣袋中的水樣烘干、稱重，得出干泥沙質(zhì)量M。由蠕動泵流量Q采樣歷時T和泥沙質(zhì)量M，計算出采樣點位置處懸移質(zhì)泥沙的含沙量C，計算公式為：總體來說，本作品使用簡單，工作人員將儀器下放到指定位置后，只需要啟動和關(guān)閉儀器就可以了，本采樣器能夠自動完成采樣和數(shù)據(jù)記錄工作。

3.2 儀器的創(chuàng)新特色

乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器的特色主要體現(xiàn)在以下4 個方面：

（1）通過單片機控制蠕動泵，保持抽水流量恒定，由抽水流量和抽水時間確定水樣體積。打破了懸移質(zhì)采樣器需將全部水樣取出測量水樣體積的思維定勢，采樣的同時即可完成水樣體積測定；并配以濾網(wǎng)型水樣袋，實現(xiàn)將采樣與過濾合二為一，無需設(shè)置一個大容量的容器來保存水樣，大大降低了采樣器的體積和重量。

（2）根據(jù)動量定律設(shè)計了一種沖量式流速傳感器，它根據(jù)所受水流沖擊力大小來測算流速。其結(jié)構(gòu)簡單，主要部件為市場上常見的稱重傳感器，價格低廉。它較好地解決了傳統(tǒng)流速儀價格昂貴、難以與單片機聯(lián)合工作的問題。

（3）單片機聯(lián)合流速傳感器與蠕動泵，完成自動調(diào)速，實現(xiàn)采樣器進口流速與河水天然流速保持一致，提高了采樣精度。

（4）采樣器水下部分長度小于0.5 m，最大寬度為0.1 m，迎水面積不到0.02 m2；采樣器配重為5 kg，整個采樣器的重量不足8 kg。該重量與傳統(tǒng)的懸移質(zhì)泥沙采樣器重量相比，減輕了一個數(shù)量級。

3.3 現(xiàn)存問題與改進方案

乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器適用河流流速范圍較小，可測最大流速僅有0.88 m/s，不能滿足全年流速變化較大的河流。蠕動泵、HX711 芯片和壓力傳感器均置于采樣器內(nèi)部，跟隨采樣器入水，需嚴格密封，否則易出現(xiàn)采樣器內(nèi)部濕度過大，影響壓力傳感器靈敏度以及進水生銹減少壽命等問題。

針對這些問題，可采取的解決方案為：乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器的適用流速范圍與蠕動泵抽水流量以及壓力傳感器量程有關(guān)。需要測量流速較大的河流時，可基于抽水流量更大的蠕動泵和量程更大的壓力傳感器來制作采樣器。最終實現(xiàn)不同測沙需求采用不同規(guī)格的采樣器。

對蠕動泵、HX711 芯片和壓力傳感器進行獨立封裝設(shè)置并在內(nèi)部放置適量干燥劑以保證壓力傳感器的正常運行。此外，對這部分進行可拆分設(shè)計，以防意外進水后可及時更換部件，保證測沙的正常進行。

4 結(jié)語

乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器體積小巧，重量輕，精確度高，方便攜帶和使用，可單人徒手操控取樣。同時，乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器不需要升降支架的輔助，在地形復(fù)雜的地區(qū)仍可較好的完成水樣采集工作，從而大大提高了采樣的工作效率。并且，此采樣器的輕便化設(shè)計也符合當前水文設(shè)備的發(fā)展方向。乾坤袋式懸移質(zhì)泥沙采樣器投入使用，能夠很好地解決泥沙測驗和水文部門纜道采集水樣的難題，對推動我國水文事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。