基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統開發和應用

欒潤潤，張瑞波

（1.天津水運工程勘察設計院天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津300456；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統開發和應用

欒潤潤1，張瑞波2

（1.天津水運工程勘察設計院天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津300456；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

在泥沙室內試驗研究中，一直缺少高效、方便的含沙量測量手段。室內含沙量測量多采用過濾烘干法，很大程度上影響了試驗的效率和成果的質量。基于OBS 3+傳感器開發了含沙量測量系統應用于泥沙試驗研究，可以通過控制采集計算機上的軟件界面設置測量參數并實現含沙量自動、連續測量，采集的數據經過RS232通訊電纜存儲在計算機上。通過系統標定，得到標定曲線和含沙量轉換公式，用于將濁度數據轉換為含沙量。通過在泥沙試驗中測量含沙量，說明該含沙量測量系統操作簡單、方便，測量結果穩定、準確。

OBS 3+；含沙量測量；泥沙室內試驗；標定；轉換公式

在泥沙試驗研究中，水體的含沙量是一個重要的參數。目前含沙量測量多，也即烘干法測量含沙量。雖然取樣過濾的方法被認為是目前最準確的含沙量測量方法之一［1］，但是該方法的操作繁雜、效率低，也無法實時連續地測量含沙量［2］，這使得試驗方案不能及時調整，從很大程度上影響了試驗的效率和成果的質量。本文基于OBS 3+傳感器開發了適用于實驗室的含沙量測量系統并介紹了其應用的實例，應用基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統大大減少了含沙量測量的步驟和時間，提高了測量效率。

1 系統開發

實驗室含沙量測量系統主要由OBS 3+傳感器、傳輸電纜、控制器及控制采集計算機組成，如圖1所示。控制器為多通道控制及數據采集器，最多可以連接8個OBS 3+傳感器。該系統由220 V交流電供電，OBS3+數據傳輸電纜長度為20 m，便于OBS 3+傳感器沿程布置。傳輸電纜通過航空插頭連接到控制器，插拔方便。采集器經RS232通訊電纜與控制采集計算機連接。可以在采集控制軟件中設置采樣間隔，最短為1 s。

圖1 OBS 3+含沙量測量系統組成框圖Fig.1 Composition of the OBS 3+sediment concentration measurement system

1.1 OBS 3+傳感器簡介OBS 3+傳感器是一種技術十分成熟的濁度測量傳感器，能夠測量濁度達到4 000NTU的懸浮物。它具有優質的不銹鋼外殼，是一款可以完全浸入水中的傳感器。OBS 3+傳感器利用光學后向散射原理，通過接收紅外輻射散射量監測懸浮物質，該傳感器的核心部分是一個近紅外激光發射器和一個光電二極管，近紅外激光發射器向水體中發射近紅外光，而光電二極管用于接收水體中懸浮粒子散射的紅外光強度。傳感器采用支持熱插拔的水下插頭連接電纜進行數據通訊和供電。與大多數濁度傳感器相比，OBS 3+具有體積小、耗電量低，線性響應度高，對氣泡和有機質不敏感，受外界光和溫度的影響小等優點。由于其獨特的設計，OBS 3+傳感器不僅具有連續測量，線性對應，不受氣泡、有機質、周圍光線和溫度的影響等突出優點，而且可以通過電纜與終端聯接，利用專用的軟件，對脈沖間隔、發射時間進行設置。測量結束后可以方便迅速地將數據輸入微機進行處理。OBS 3+的響應時間為1 s，在水溫變化不大的水體中，可通過設定較短的時間間隔，連續進行濁度變化測量。OBS 3+直接測量的是濁度數據（NTU），需要進行含沙量標定，然后使用量綱分析的方法，建立濁度與濃度的相關關系，進行濁度與濃度的轉化，反演為泥沙含量［3］。OBS 3+傳感器的上述特點使得它非常適合于在實驗室中測量泥沙試驗過程中的含沙量。

1.2 控制器開發

OBS 3+傳感器本身只是一個傳感器，而不是一種儀器，其本身不具有采集數據、存儲數據的功能。OBS 3+傳感器的典型應用為掛載到溫鹽深儀等現場測量儀器上，通過現場測量儀器以設定的間隔對它供電，并將采集的數據存儲在現場測量儀器的內部存儲中。為了將OBS 3+傳感器應用于實驗室測量，必須開發出控制器，用于為多通道OBS 3+供電，并將各個通道采集的數據存儲或傳輸到控制采集計算機。

本文開發的控制器的核心部分為一塊數據采集卡，數據采集卡由一個電源適配器供電。電源適配器將220 V交流電轉換為12 V直流電，滿足了數據采集卡的電源需求。數據采集卡上集成了單片機、時鐘晶振電路、穩壓芯片、通道驅動電路、數據采集通道、數據輸出通道及SD存儲卡等。穩壓芯片將12 V直流電轉換為5 V直流電，作為單片機和OBS 3+傳感器的供電電源。單片機中寫入的控制程序通過時鐘晶振電路以時鐘掃描的方式采集8個通道的數據，采集的數據通過通道驅動電路傳輸到數據輸出通道和SD存儲卡，數據輸出通道通過RS232數據線將數據傳輸到控制采集計算機。SD存儲卡中的數據作為備份存儲在采集器中以備不時之需。控制器的內部電路架構示意圖如圖2所示。

圖2 控制器內部電路架構示意圖Fig.2 Diagram of the inner circuit of the controller

1.3 工作原理

基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統中，傳感器的測量信號通過傳輸電纜經A/D模塊轉換為濁度數據，再經RS232通訊電纜傳輸到控制采集計算機，并在控制采集軟件界面上輸出實時濁度值及濁度變化過程線，同時，數據以文本文件的格式存儲在計算機硬盤。

開發研制的測量系統的控制器為OBS 3+傳感器提供0～5 V的輸入電壓，并同時采集傳感器的輸出信號。OBS 3+傳感器擁有高量程和低量程兩個相互獨立的信號輸出通道。低量程通道輸出電壓為0～5 V，測量濁度范圍為0～2 000 NTU，高量程通道輸出電壓為0～1.2 V，測量的濁度范圍為2 000～4 000 NTU。基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統根據廠家提供的轉換公式將采集到的電壓信號轉換為濁度值。以序列號為S9217的OBS 3+傳感器為例，高量程和低量程濁度的轉換公式分別如式1和式2所示。

式中：Y為濁度值；x為采集到的電壓信號。

測量前，需要先進行系統參數設置，將OBS 3+傳感器出廠時廠家提供的標定參數對應傳感器的連接順序輸入到控制采集軟件并保存，之后設置好采樣間隔及數據文件存儲目錄后就可以開始含沙量實時監測。

測量時，控制器器同時采集高量程通道輸出的高電壓信號和低量程通道輸出的低電壓信號，控制采集軟件利用如下算法計算測得的濁度值：當低電壓代入低通道公式計算結果不超過2 000NTU時，控制采集軟件輸出低量程通道的濁度值，反之，則輸出高量程通道的濁度值。各個傳感器的實時濁度數據及其隨時間變化過程即會在軟件界面上顯示并按采樣間隔實時更新。

2 系統標定［4］

從概念上來說，濁度是一種光學特性對水體渾濁的反映程度的數字表達，其單位為NTU；從操作上來說，NTU值是使用福爾馬肼、StablCal標準溶液等通過標準標定插值得到的。濁度值一般隨著水體中懸浮物質的增加而增大。同其他光學濁度儀一樣，OBS 3+傳感器的光學響應取決于懸浮物的粒徑、成分及形狀等。因此，必須用要測量的泥沙樣品對OBS 3+傳感器進行標定。

基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統測得的濁度值需要轉換為含沙量才能用于對泥沙的特性的分析，要對連接到各通道的OBS 3+傳感器分別進行標定，建立各個傳感器的濁度值與含沙量的對應關系。系統標定可以在測量前進行，也可以在測量后進行。在測量前標定，可以在測量的同時利用標定關系將濁度值轉換為含沙量，更便于對測量過程中含沙量的變化規律有實時、直觀地了解；在測量后進行標定，則便于在測量的濁度范圍內建立標定關系，可以提高標定關系的精度并減少標定工作量。泥樣粒徑不同，對OBS 3+光學響應的影響就不同［5］，則標定關系也不相同，故對于不同的泥沙樣，都要分別標定，建立各自的對應的關系。無論是細顆粒泥沙還是粗顆粒泥沙，都可以通過系統標定獲得各自的含沙量轉換關系。

標定時，在標定槽中先放一定容積的蒸餾水，取試驗所用的泥沙樣品，逐漸投入一定量的泥樣，攪拌均勻后用OBS 3+傳感器測量，同時取樣過濾，并烘干稱重，這樣可以得到20～30組不同泥沙含量和濁度對應值。然后再用回歸法來相關［6］，得到濁度值轉換為含沙量的計算公式。

當含沙量小于1 kg/m3時，含沙量與濁度一般為線性關系，而當含沙量較大時，轉換關系一般為二階多項式。與現場水文觀測測量含沙量（一般小于1 kg/m3）不同的是，在實驗室內測量的含沙量一般都會達到幾千克每立方米，因此，標定出的含沙量轉換關系一般均為二階多項式。

以下以長江口北槽細顆粒泥沙和蒼南電廠港池航道泥沙為例來說明實驗室含沙量測量系統的標定，為說明是否有必要采用分段擬合的方法進行標定，以下標定及應用實例均未分段擬合，而是將標定數據統一擬合為一個二階多項式。

2.1 長江口北槽細顆粒泥沙標定結果

以連接到通道4的傳感器（序列號S9217）為例，利用長江口北槽泥沙（平均中值粒徑0.016 4 mm），對試驗所需的含沙量范圍進行標定，得到的標定曲線和含沙量轉換計算公式如圖3所示。

2.2 蒼南電廠泥沙標定結果

以序列號為S9212的傳感器為例，將傳感器連接到通道7，利用蒼南電廠港池航道內的細顆粒粘性泥沙樣品，泥沙的平均中值粒徑為0.004 3 mm，按照試驗所需的含沙量范圍進行標定，得到的標定曲線和含沙量轉換計算公式如圖4所示。

圖3 長江口北槽細顆粒泥沙標定曲線Fig.3 Calibration curve of the OBS 3+with sediment in the North Channel of the Yangtze Estuary

圖4 蒼南電廠泥沙標定曲線Fig.4 Calibration curve of the OBS 3+with sediment in harbor area of Cangnan power plant

3 基于OBS 3+傳感器的含沙量測量系統在泥沙試驗中的應用

3.1 長江口北槽細顆粒泥沙運動試驗研究

本文泥沙運動試驗在環形水槽中開展［7］，試驗采用的泥沙為長江口北槽細顆粒泥沙，控制水流速度從0 cm/s開始逐級增大，然后再逐級減小流速。利用基于OBS 3+傳感器的含沙量測量系統連續測量整個過程的含沙量變化，采樣間隔設定為1分鐘，在測量的同時定時采集含沙水樣，利用過濾烘干稱重的方法測量含沙量。通道4的傳感器測得的含沙量變化過程及其與取樣過濾測得的含沙量的結果對比如圖5所示。

3.2 蒼南電廠港池航道泥沙起動試驗研究

本文泥沙起動試驗同樣在環形水槽中開展［9］，試驗采用的泥沙為蒼南電廠港池航道泥沙。為避免底床泥沙被完全沖刷而影響起動情況的判別，通過計算，在水槽內加入一定數量的泥沙，水槽以高速運轉使水沙均勻混合，然后水槽停止運轉，經5 d沉積密實后再進行起動試驗。

試驗時，控制水流流速從10 cm/s逐級增大到60 cm/s，利用OBS 3+含沙量測量系統連續測量整個過程的含沙量變化，采樣間隔設定為3 s，通道7的傳感器（序列號S9212）測得的含沙量變化過程如圖6所示。

可以得出，無論是粒徑較大（0.016 4 mm）的泥沙還是細顆粒粘性泥沙，應用基于OBS 3+傳感器的含沙量測量系統都可以為試驗研究提供便利條件。OBS 3+傳感器的測量結果與同時間取樣過濾測得的含沙量結果吻合較好，這同時也說明，不采用分段擬合的方法進行標定也可以滿足試驗研究的需要。而相比于取樣過濾的方法，OBS 3+傳感器測量的數據連續性更好，便于測量出含沙量的整個連續變化過程。

在操作方法上，取樣過濾需要試驗過程中按照時間間隔定時取樣，取樣后還要進行測定體積、過濾、洗鹽、烘干、稱重等一系列步驟［9］，且需要一定的時間（一般2～3 d）才能得出含沙量的測量結果，而利用基于OBS 3+傳感器的含沙量測量系統測量含沙量時只要安裝、設置好傳感器，就可以自動按時間間隔全程測量，即實現自動化無人值守測量，且測量出的濁度值可以利用標定出的轉換關系立即轉換為含沙量數據，更為簡便、快捷。

圖5 長江口北槽泥沙運動試驗中含沙量變化過程Fig.5 Concentration process in the movement test with sediment from the Yangtze Estuary

4 結論

基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統是一種適用于實驗室含沙量測量的高效、便捷的測量系統，它安裝方便、設置簡單，可以實現對含沙量過程的自動化連續測量，測量的結果準確、穩定。

與其他大部分含沙量測量儀器一樣，基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統需要通過標定將測得的數據轉化為含沙量，對于不同粒徑及粒級含量的泥沙，標定的結果可能差別很大，故對于不同地點不同時間的泥沙，都要開展專門的標定試驗，以期獲取準確的含沙量信息。本文基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統的標定既可以在測量前進行，也可以在測量后進行：在測量前標定，可以在測量的同時利用標定關系將濁度值轉換為含沙量，更便于對測量過程中含沙量的變化規律有實時、直觀地了解；在測量后進行標定，則便于在測量的濁度范圍內建立標定關系，可以提高標定關系的精度并減少標定工作量。

通過將基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統應用于實際試驗研究中進行對比測試可知，該含沙量測量系統的測量結果與過濾烘干法測得的結果較為一致。在目前室內試驗缺少高效、方便的含沙量測量手段的條件下，基于OBS 3+傳感器開發的含沙量測量系統是一種可以應用于室內泥沙試驗的新儀器，該含沙量測量系統的應用可以使室內含沙量測量更簡便、更高效，可以大大提高含沙量測量的效率，為泥沙室內試驗研究提供便利條件，從而提高泥沙試驗研究的效率和成果的質量。

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Development and application of laboratory sediment concentration measurement system based on OBS 3+transducers

LUAN Run-run1,ZHANG Rui-bo2
（1.Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin300456,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

There are very few effective and convenient sediment concentration measurement methods in sediment laboratory experimental research.The usually used method in laboratory sediment concentration measurement is the oven drying method,which has great influence on the efficiency of test and the quality of the achievements. Laboratory sediment concentration measurement system has been developed based on OBS 3+transducers and applied in sediment experiment research.The automatic and continuous measurement can be realized by setting suitable measurement parameters in the software interface installed in a computer used for controlling the system and collecting turbidity data(NTU).The collected data is transmitted to the computer where it is stored.The calibration curve and sediment concentration transfer formula that is used for computing sediment concentration with the turbidity data can be obtained through system calibration.The application of the system in laboratory sediment movement tests shows that the operation is simple and convenient and that the result is stable and accurate.

OBS 3+;sediment concentration measurement;sediment laboratory tests;calibration;conversion formula

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2017）01-0094-05

2015-12-10；

2016-11-15

欒潤潤（1982-），女，天津市人，助理工程師，主要從事水文泥沙方面的研究。

Biography：LUAN Run-run（1982-），female，assistant engineer.