一种用于水槽试验的悬移质取样装置的制作方法

本实用新型涉及悬移质取样技术领域，具体涉及一种用于水槽试验的悬移质取样装置。

背景技术：

目前对悬移质含沙量的测量已经发展了多种自动测量方法，包括光电法、超声波法、激光法等，但最直接、最准确、最可靠的方法仍然是对含沙水流取样，然后对所取水样进行过滤称重，所取水样用比重瓶称重的方法获取含沙量。

相对于原型观测，泥沙水槽试验和模型试验中，常常需要对悬移质泥沙进行取样，现有取样方法是采用取样管伸入水流，将橡胶或塑料软管连接取样管，采用虹吸或抽水的方法将含沙水流取出，对所取含沙水样进行分析得到含沙量。具体方式是，通常采用L型取样管，底部正对水流方向，顶部接软管，然后将水流吸出，通常水槽高度大于地面高度，因此泥沙取样可以通过虹吸的方式将含沙水流吸出。

然而，传统方法在对水流吸出时的流量通常难以控制，如吸出速度较快，取样管的速度大于其周边水流流场的运动速度，则有可能将其他区域的泥沙颗粒吸入，造成测量结果偏大；当吸出速度较慢时，取样管内的流速小于局部水流流速，则有可能不能将所有流经小管区域的泥沙颗粒吸入小管，造成取样含沙量小于所取含沙量。因此，只有当取样管内的流速恰好等于周边流场时，才能保证取样对流场影响较小，不影响含沙量的取样。而传统取样方法通过虹吸很难准确地控制吸入取样管内的流速。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于水槽试验的悬移质取样装置，以解决现有取样方法含沙水流流量不易控制、导致测量不准确的问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种用于水槽试验的悬移质取样装置，包括：升降机构、取样机构以及分别与升降机构和取样机构通信连接的控制器；

升降机构包括驱动电机、丝杠升降机和连接板，驱动电机的动力输出轴与丝杠升降机连接，以驱动丝杠升降机的升降杆上下移动，升降杆的底端与连接板连接；

取样机构包括取样管、连接软管、水泵和变频器，取样管固定在连接板上，取样管的出水口与连接软管连接，水泵安装在连接软管上，变频器的信号输出端与水泵的信号输入端连接；

控制器的信号输出端分别与驱动电机和变频器的信号输入端连接，所述控制器控制所述驱动电机以调节取样管的位置，所述控制器向所述变频器发送频率信号以控制水泵流量。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，上述取样管为不锈钢管或铜管。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，上述水泵为与连接软管相匹配的管道泵。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型通过控制器控制进入取样管的流量，使进入取样器的流速与取样周边的流速相等，避免了由于进入取样器内部流速与周边流速不一致而导致的取样偏差，从而提高了悬移质取样的精度和可靠性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的悬移质取样装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的悬移质取样装置的工作原理框图。

图中：100-悬移质取样装置；101-驱动电机；102-升降杆；103-连接板；104-取样管；105-连接软管；106-水泵；107-变频器；108-控制器；109-丝杠升降机。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例

请参照图1，本实施例的用于水槽试验的悬移质取样装置100，包括：升降机构、取样机构以及分别与升降机构和取样机构通信连接的控制器108。

请参照图1，升降机构包括驱动电机101、丝杆升降机109、和连接板 103。丝杠升降机109的转轴(图未示)与驱动电机101输出轴连接。当驱动电机101转动带动转轴转动时，丝杠升降机109的升降杆102(也可称之为丝杠)上下移动。升降杆102的底端与连接板103连接，从而在驱动电机101作用下一起上下移动，调整连接板103上取样管104的位置。驱动电机 101驱动升降机，使升降杆102在水槽中上升或下降，将固定在升降杆102 底端的连接板103运送至相应的取样位置，从而将取样管104运送至相应的位置进行取样。升降机构的传动方式还可以采用齿轮、齿条的传动方式，还可以采用电动推杆的方式进行传动。本实用新型实施例的升降机构可以采用现有技术中其他可以实现升降功能的传动机构。

请参照图1，取样机构包括取样管104、连接软管105、水泵106和变频器107。取样管104固定在连接板103上，取样管104的出水口与连接软管 105连接，水泵106安装在连接软管105上，变频器107与水泵106通信连接。优选地，取样管104为不锈钢管或铜管。优选地，水泵106为与连接软管105相匹配的管道泵。连接软管105的出口端为取样出口。

请参照图1，控制器108的信号输出端分别与驱动电机101和变频器107 的信号输入端连接，控制器108控制驱动电机101以调节取样管104的位置，控制器108向变频器107发送频率信号以控制水泵106的流量。本实施例的控制器108优选为计算机，也可以是其他控制器件，例如单片机，可以是型号为STM32F103系列单片机。

下面结合图2对本实用新型悬移质取样装置100的工作工程进行说明。

在悬移质取样装置100进行取样工作之前，需确定水泵106转速与水泵 106流量的对应关系，由于水泵106转速由变频器107控制，因此，可以确定频率与水泵106流量之间的关系。具体过程如下：

通过控制器108向变频器107发送不同的频率数据，控制水泵106获得转速，然后根据不同转速确定对应转速下进入水泵106的流量。再通过控制器108将不同频率下对应的流量进行数据拟合，获得频率与流量的定量对应关系。在具体实施例，只需确定频率即可获得对应的流量，反之，流量确定即可获得对应的频率。

在确定水泵106流量与频率的对应关系之后，通过以下过程完成整个取样工作：

如图2所示，控制器108控制驱动电机101转动，驱动电机101驱动升降杆102运动，将连接在升降杆102底部的取样管104运送至指定的取样位置。根据取样管104所处的位置高度和水槽试验已知的试验参数(例如，摩阻流速、水流动力粘滞系数、重力加速度、水面坡度等)计算在该高度位置下的水流的流速(水槽内实际流速)。通过计算出的流速计算出在该流速下，进入取样管104的理论水流量。根据前面确定好的流量与频率的对应关系，控制器108获得理论水流量下对应的频率，控制器108根据该频率值控制变频器107将水泵106调节至对应频率下的转速，从而获得进入取样管104的水流流速，得到进入取样管104的水流量，完成取样过程。

由于该水流流速是通过实际流速确定得到的，因此，保证了进入取样管 104内的水流流速与实际流速相等，避免了由于进入取样器内部流速与周边流速不一致而导致的取样偏差，从而提高了悬移质取样的精度和可靠性。

本实施例的用于水槽试验的悬移质取样方法，采用上述的悬移质取样装置100进行取样，其包括以下具体步骤：

(1)在取样之前，通过控制器108向变频器107发送频率数据控制水泵106的转速并确定对应转速下进入水泵106的流量，通过控制器108将不同频率下对应的流量进行线性拟合，获得频率与流量的对应关系；

(2)通过控制器108控制升降机构的驱动电机101运行，利用与驱动电机101连接的升降杆102将取样管104输送至水槽中指定的取样位置，根据取样位置所处高度确定取样位置的实际流速，根据实际流速确定进入取样管104的流量；

(4)根据步骤(1)得到的频率与流量的对应关系以及步骤(3)得到的流量确定水泵106所需的频率，通过控制器108向变频器107发送得到的频率数据控制水泵106转速，使得在水泵106作用下进入取样管104的水流流速与步骤(2)得到的实际流速相等。

本实用新型利用取样管104所处高度计算其位置处的水流流速，然后根据该流速对进入取样管104的流量进行控制，使得进入取样管104内的水流流速与其周边流场的流速保持一致，从而减少取样器介入对水流的扰动，从而获取更准确、更可靠的悬移质取样沙样。

步骤(1)中，频率与流量的定量对应关系为：

q＝anxⁿ+an-1x^n-1+……+a1x+a0，

式中，q为水泵流量，x为变频器频率，a0、a1、……an为拟合参数，通过变频器频率数据和实测流量数据拟合确定；

其中，水泵流量q由单位时间t内流出水的体积v确定，即q＝v/t。

步骤(2)中，按照公式(Ⅰ)计算出取样位置的实际流速U：

式中：u*：摩阻流速，y：取样管中心线距床底距离，ν：水流动力粘滞系数，g：重力加速度，H：水深，J：水面坡度；

按照公式(Ⅱ)计算进入取样管104内的流量q：

式中：U：取样位置的实际流速，d：取样管直径。

需要说明的是，本实用新型计算流速时采用光滑壁面对数流速分布公式计算特定高度处的流速；当边界条件改变时，可采用其他替代公式计算。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。