基于壓力測深的智能多倉懸移質含沙量采樣系統研制及應用

周才揚　胡國棟　王真祥　梁殿武

摘要：在河流水深較深水域，懸移質含沙量測驗工作量大，測船取樣時在航道中停留時間長，帶來安全風險，為此研制了智能多倉（六倉）懸移質含沙量采樣系統。取樣時，電動絞車控制采樣系統的下降、上升速度，系統入水觸（河）底后通過壓力傳感器和控制單元測量水深;在系統上升分層取樣時，壓力傳感器動態測量水深，智能電控多倉懸移質橫式采樣系統按設定的相對深度和順序進行自動關倉取樣。采樣器的關倉時間和水深等參數無線傳輸和記錄到計算機。系統設有人機交互界面，便于檢查監控系統的可靠性。該系統成功應用于深水航道水文監測中。

關鍵詞：懸移質含沙量測驗;智能多倉;采樣系統;壓力檢測水深;長江口

中圖法分類號：TV149.1

文獻標志碼：A

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

懸移質含沙量測驗是河流泥沙測驗的一項基本內容。目前主要采用橫式采樣器采集單點水樣。

隨著科技進步和水文測驗方式方法的創新，水位、流速測驗、信息采集和傳輸等取得了長足進步，但泥沙測驗方法和儀器研制仍存在短板[1]。陳松生[2]提出應用OBS（激光后向散射）、光電測沙、ADCP回波與現場標定相結合等測沙方法間接推算含沙量，但間接法測沙的新儀器、新技術仍存在一定局限性。橫式采樣器取樣分析仍在水文部門大量運用[3]。

在長江南京河段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]。在工程實施及維護階段，建設單位安排了大規模水流泥沙監測工作，收集基礎資料[5-6]。全潮水文測驗的流速、流量普遍采用ADCP走航測驗方法[7];而測點含沙量和顆分采樣，每次動船橫穿航道，逐條垂線分6層取樣，年含沙量取樣量近5萬點。由于泥沙研究工作的需要[8-9]，在長江航道中布置了取沙垂線，在全潮測驗逐線逐點取沙樣時，船舶在航道中停留的時間達10-20 min，取樣工作勞動強度大，影響順行船舶航行安全，水文測驗船存在巨大安全隱患。

為提高含沙量取樣外業工作的效率，研制了基于壓力檢測水深智能多倉懸移質含沙量采樣系統，實現了一次往返測即可完成六點法分層采樣。

1 系統的技術路線及框架

系統的技術路線是：

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

（2）設計單個采樣器、6個采樣器的安裝布局.安裝架的設計，系統的水密、通訊、軟件開發和系統集成[11]，室內水深模擬高仿真壓力容器的研制和現場試驗，工程動態監測應用和驗收。

技術路線如圖1所示。

2 研究方案設計

2.1 綜合試驗系統設計和試驗

該系統實際工作中處于野外高壓水下環境，需要持續供電運行，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驗室進行密封試驗檢測和標定。另外，野外現場試驗需要船舶、絞車等設備及交通、人員等協調配合進行。若不先做好室內的檢測試驗，貿然到達野外現場，可能造成大量時間和經濟上的浪費。因此，在研制階段設計了一套室內模擬（仿真）試驗系統，先期進行水下模擬試驗和電池放電性能測試。

2.2 水深模擬（仿真）系統及試驗

2.2.1 高壓力全水深仿真平臺設計

設計了一個大型壓力容器盛水作為水深模擬試驗平臺。水深模擬系統以PLC作為控制核心，高壓氣瓶作為水深模擬源，HMI人機接口進行控制參數的設定，電磁閥、壓力儀表、安全閥等作為傳感和控制對象，形成一個閉環控制系統。在各部件完成設計、加工后，投入到試驗中進行模型試驗，該系統最大可模擬150 m深的水下壓力環境。

2.2.2 電池放電性能試驗系統

該系統使用的電磁鐵屬大電流脈沖放電，同時控制系統的驅動器件也需進行驅動性能檢測，設計了電池放電檢測系統。采用PLC系統控制，通過機械結構打開采樣器的艙蓋，接近開關傳感器，檢測到艙蓋打開成功后起升，限位接近開關傳感器，檢測起升到位后發出關艙信號，驅動模塊給電磁鐵供電，反復啟閉采樣器艙蓋。在該系統中，不但檢測了供電鋰電池的放電特性，同時檢測了大電流驅動模塊以及電磁鐵工作時的可靠性。

分別對10AH和6AH兩種鋰電池進行試驗，試驗結果表明，IOAH鋰電池最大可關倉1 850次，6AH鋰電池最大可關倉1 100次。理論上，對于六倉采樣系統，兩種電池可分別關倉超過300次和150次，圖2為兩種規格的電池的放電曲線。

2.2.3 專項功能試驗

在仿真水深模擬容器內，用電磁閥模擬水深關閉功能，進行壓力傳感器選型，密封試驗和控制系統艙體水密試驗。在各單要素試驗成功的基礎上，進行全要素水密試驗。按照模擬不同水深重復上述加壓檢測試驗，控制系統工作正常。

2.3 多倉采樣系統結構設計

2.3.1 采樣倉設計

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，其內徑為d =76 mm，中心長/=225mm，設計容積為y=rr/4xd2x/=1 005 （mL）。由于兩端倉蓋加密封圈，采樣器的容積為（1 000+2%） mL，符合規范要求[12-14]。

2.3.2 安裝架設計

安裝架的設計，要考慮兩個方面：①懸掛方式;②采樣器關倉時的姿態。關閉順序要考慮采樣過程中采樣器的平穩，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.選定上二下四鉆石式結構，即分上、下兩層，上層兩個倉位，下層4個倉位布置。安裝架幾何尺寸為長寬高為550 mmx500 mmx700 mm，總重60 kg，安裝架示意如圖3所示。

3 控制系統設計

控制系統以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。該系統接口如圖4所示。

3.1 控制器軟件設計

系統工作流程如圖5所示。

3.2 軟件主監控窗口設計

軟件可以設置采樣系統參數，實現傳感器的工作狀況、各分層取樣水深、時間等信息記錄、傳輸等。軟件主菜單窗口可實時從控制器中讀出控制器的運行狀態及異常信息。監控窗口如圖6所示。

4 現場試驗和實際應用

4.1 現場試驗

智能多倉懸移質采樣系統于2017年10月、11月，2018年1月先后在長江口橫沙通道、徐六涇斷面水域進行相關試驗。

3次試驗結果表明，系統有線和無線通訊正常，其中有線方式驗證了采樣系統基本功能：①傳感器功能;②通訊功能;③關倉功能;④電池耐久性;⑤軟件監測檢查;⑥水深測量精度驗證;⑦絞車升降速度與水深測量精度的優化。

在第三次試驗中，同時采用智能多倉采樣器和常規采樣器六點法采樣，分水深10，20 m和42 m不同水深級，采樣共20組。兩種方法采樣平均歷時統計表明，智能多倉采樣系統的采樣歷時較常規法至少減少70%.且水深越大，節省的時間越多，工作效率越高，達到了預期目標。

4.2 系統效果分析與應用

2018年1月9日，智能多倉（六倉）懸移質含沙量采樣系統研制完成，通過了專家鑒定驗收，產品投產。

2018年2月，該系統應用于長江南京河段12.5 m深水航道動態監測第六次測驗。采用智能采樣系統，連續完成4個全潮共8條垂線的懸移質含沙量取樣，共取水樣5 760瓶，系統工作正常。

各項指標如下：①可靠性。一次性成功采樣的可靠性為90%、補采樣的可靠性為100%。②效率。10 m水深的平均采樣時間為2 min;20 m水深的平均采樣時間為3 min;40 m水深的平均采樣時間為5 min。每次采樣時間不及常規采樣方式的1/3。

5 結語

研發智能多倉懸移質含沙量采樣系統，實現采樣器系統一次起放就能采集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層懸移質含沙量的取樣時間，減少測船取樣時在航道中停留的時間，確保過往順行船舶的通行安全。

2018年2月，智能多倉懸移質含沙量采樣系統在12.5 m深水航道水文監測中全測次應用，系統工況穩定，達到預期效果。

通過調研懸移質采樣等相關儀器應用，目前國內外尚無相同設計思路的同類儀器，該型儀器的成功研制并可靠應用，有效填補了該領域的技術空白。在江河海區庫區懸移質采樣中，尤其是大水深情況下應用效果更好，也可用于纜道水文斷面取樣，推廣價值較好。

參考文獻：

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（編輯：唐湘茜）