黃河泥沙智能取樣器的研制與應用

武廣軍 董方慧

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

河流中懸疑質泥沙含量是最基本也是最重要的水文數據，泥沙測驗是水文測驗中最基礎的一項工作。

現在，黃河各水文站泥沙測驗方法是外業采取泥沙水樣，內業用置換法處理和計算出泥沙含量。

外業采樣使用的是老舊橫式采樣器，不僅粗老笨重、耗時費力，且在取樣前還需要用木質測深桿先測量出取樣點的水深、取樣位置的水深，用目測橫式采樣器的木質提拉桿測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，木制測深桿笨重、取材難、使用不方便、容易損壞，測量水深時，定位不準，準確性較差，取樣水深數據和位置不夠準確，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據的測驗精度［1］。

為了消除或減少水深測量的誤差、取樣讀數誤差，便于取樣操作輕便靈活，提高泥沙測驗精度，選擇了既輕便又堅固的材質作為測深桿、提拉桿和采樣器，并根據電子感應和機械自動控制原理，研制了一種黃河泥沙智能型取樣器。

1 設計原理

1.1 水壓力原理

水流中某一點（或水底）的壓強與水深和水的比重成正比，根據這一規律，只要測知水底或某一點的壓力，便可求出水深，即：

H［1］：水面到水底或某一點的垂直深度，即水深，單位：m。

P［2］：水底或水流中某一點的壓強，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體變形壓力，通過外力（水壓力）使薄片變形而產生壓電阻抗效果，從而使阻抗的變化轉換成電信號。

壓力傳感器一旦制作完成，其受壓面積就是固定值（常數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系是：

式中，U為壓力傳感器獲知的電壓值，f為壓力系數。由于：

在A為常數的情況下，令：

則：

故：

令：

式中，ψ為綜合比例系數（該系數由水的溫度、密度、實際水深和計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壓力傳感器薄片上的電壓值信號，就能換算并得出該點的水深。

1.3 數據解算技術

通過事先編寫好解算程序，嵌入PC 單片機中（特制芯片），在PC 單片機接收到水壓力電阻值信號（U）后，通過計算公式（9）直接轉換成水深，并顯示在屏幕上。其中，ψ（綜合比例系數）是可以通過測深桿刻畫直接讀出的實際水深，輸入到顯示屏幕上后，PC 單片機會自動計算求出，并返回到計算程序中，之后顯示的水深與實際水深一致，消除了含量數值變化帶來的水深數據的誤差。

2 泥沙智能取樣器設計與加工

2.1 總體設計

結合現在泥沙測驗中水深測量和現場取樣的工作實際，針對現有測深桿測量不準、讀數困難、準確性較差、刻度易磨損和脫落、人工目測水深、人工用手扳開或關閉取樣器兩端封蓋、操作耗時費力的實際情況，從提高水深測量精度、智能操作、節約資金、經濟實用的角度考慮，形成了研制智能取樣器的初步構思［2］，通過廣泛征求一線測驗職工的意見，形成了總體設計和加工思路。

總體設計如圖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械自動控制開啟。

圖1 智能取樣器總體設計示意圖

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物照片

3 經濟和社會效益

3.1 經濟效益分析

泥沙智能取樣器總研制費用1.86 萬元，如果批量生產，單價在6000 元以下，按照每套使用壽命20年折算，年攤入成本300元/年。

目前，各水文站泥沙測驗中，泥沙外業取樣大都采用的是傳統的木質提拉桿的橫式采樣器，讀數標志采用人工刻畫涂漆顯示。

在使用橫式采樣器過程中，讀數標志容易脫落，導致刻畫不清，需要人工重新刻畫、涂漆；并且，木質測深桿容易磨損，尤其是底部磨損后，會造成水深數據不準；并且在取樣前，還需要先用木質測深桿測量水深后，再計算出泥沙取樣的水深，人工進行目測取樣位置［3］。

假設按每站一年使用老舊的橫式采樣器進行測量作業，經過使用后半年甚至更短時間，油漆刻畫就會模糊不清，需要人工進行刻畫涂漆維護，每年2次維護耗費工時按1d計算，需要人工費200元/年。

1套木質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、刻畫、涂漆的費用200 元/年，那么1套老舊橫式采樣器的費用720元/年。

每年每閘站節省：720-300=420元。

據不完全統計，全國水文站、涵閘站等有上千座，若能全部站點得到推廣應用，年新增利潤：42 萬元（420×1000=420 000）。

3.2 社會效益分析

對于泥沙智能取樣器的應用，水深數據自動智能顯示代替了原來的人工觀讀，取樣器兩端封蓋自動開啟或關閉，減少了人工勞動強度，提高了工作效率，提高了水深測量和泥沙取樣的精度［4］，實現了泥沙取樣工作的機械化和自動化。其是泥沙取樣操作技術的革新，滿足了黃河工程規劃設計、防洪決策、治理與開發利用對含沙量成果資料的需要，社會效益非常顯著［5］。

4 泥沙智能取樣器使用效果

通過在黃委會山東水文水資源局濼口水文站、菏澤黃河河務局供水局蘇閣、楊集引黃水閘近一年的應用，普遍認為泥沙智能取樣器輕便堅固、智能化程度高、電子顯示測量數據精確，具有操作簡單、安全性能高、經濟實用、易推廣等優點，是一款適用于各類水文站泥沙取樣的新型勞動工具［6］。其消除了水深測量的人為讀數誤差，免除了人工用手開啟取樣器兩端封蓋的麻煩，降低了勞動強度，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而造成的含沙量數據精確度低的問題，經濟和社會效益顯著。

5 結語

泥沙智能取樣器采用新材料，利用壓力傳感和機械自動控制原理設計與加工，堅固耐用，經濟實用，操作簡便，經濟和社會效益顯著，使用效果良好，具有較高的推廣應用價值。