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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 小浪底水庫(kù)含沙量在線檢測(cè)系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 在小浪底水庫(kù)水沙分級(jí)管理中，小浪底庫(kù)區(qū)泥沙含量檢測(cè)是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一 。由于浮泥層的存在和庫(kù)區(qū)底部水生植物的影響，小浪底庫(kù)區(qū)泥沙含量檢測(cè)就成為一個(gè)難題。目前現(xiàn)有的一些測(cè)量小浪底庫(kù)區(qū)泥沙含量的儀器和方法，在實(shí)際應(yīng)用中存在著一定的局限性。 本作品采用了電容式差壓方法來(lái)測(cè)量小浪底庫(kù)區(qū)泥沙含量。經(jīng)多通道信息采集和數(shù)據(jù)融合，系統(tǒng)不僅能檢測(cè)含沙量，而且還能同時(shí)檢測(cè)測(cè)點(diǎn)的深度、水溫以及傳感器的傾斜度，使檢測(cè)功能增強(qiáng)。本系統(tǒng)使用電機(jī)拖動(dòng)傳感器，可測(cè)出泥沙含量在空間不同層次的泥沙分布。系統(tǒng)將多種因素綜合分析，彌補(bǔ)了由于環(huán)境的改變而帶來(lái)的誤差，提高了泥沙含量檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性。本產(chǎn)品在實(shí)際測(cè)量時(shí)，基本符合小浪底庫(kù)區(qū)檢測(cè)要求。
- 詳細(xì)介紹：
- 黃河是一條多沙河流。水沙資源合理化管理是黃河治理開發(fā)中的重要舉措。小浪底水庫(kù)是我國(guó)在黃河中游建設(shè)的用于防洪、供水、發(fā)電和調(diào)沙的大型水庫(kù)之一。小浪底水庫(kù)水沙分級(jí)管理是保證小浪底水庫(kù)長(zhǎng)期有效利用關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在小浪底水庫(kù)水沙分級(jí)管理中，小浪底庫(kù)區(qū)泥沙含量檢測(cè)是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。黃河上游河流中抉帶的泥沙，在到達(dá)小浪底庫(kù)區(qū)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)不同程度的沉積。沉積的泥沙會(huì)在庫(kù)區(qū)底部因?yàn)槟鄱纬闪烁∧鄬?。而?kù)區(qū)底部浮泥層和庫(kù)底的固結(jié)物是不同的組成部分。由于浮泥層的存在，同時(shí)又因?yàn)閹?kù)區(qū)底部水草等水生植物的影響，小浪底庫(kù)區(qū)泥沙含量檢測(cè)就成為一個(gè)難題。 目前，現(xiàn)有的一些測(cè)量小浪底庫(kù)區(qū)泥沙含量的儀器和方法，在實(shí)際應(yīng)用中存在著一定的局限性。如取樣法，因采樣時(shí)浮泥的層次結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)，因而所測(cè)的結(jié)果不能反映現(xiàn)場(chǎng)狀況，且測(cè)量周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大?；诂F(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的泥沙含量檢測(cè)系統(tǒng)大多都存在集成度不高，功能單一和運(yùn)行不穩(wěn)定等不足之處。光電法測(cè)量泥沙范圍較窄；同位素法和γ射線法精度高，但放射源稀缺；振動(dòng)筒法和電容法穩(wěn)定性較差，受溫度影響大；而現(xiàn)有的基于壓差法的壓力傳感器靈敏度不高；超聲波監(jiān)測(cè)設(shè)備存在運(yùn)行不穩(wěn)定、易受庫(kù)區(qū)底部水草纏繞阻擋等問(wèn)題。 本作品使用電容式差壓技術(shù)在小浪底庫(kù)區(qū)檢測(cè)含沙量。系統(tǒng)將兩個(gè)電容式傳感器分別垂直嵌入到防水式金屬直桿內(nèi)，可有效防止水草纏繞等影響。經(jīng)多通道信息采集，系統(tǒng)不僅能檢測(cè)含沙量，而且還能同時(shí)檢測(cè)測(cè)點(diǎn)的深度、水溫以及傳感器的傾斜度，使檢測(cè)功能增強(qiáng)。系統(tǒng)使用電機(jī)拖動(dòng)傳感器，通過(guò)深度傳感器，可測(cè)出不同深度的泥沙含量。通過(guò)數(shù)據(jù)融合，該檢測(cè)系統(tǒng)能將泥沙的含量和時(shí)空分布在觸摸屏或者組態(tài)監(jiān)控界面上直觀顯示。系統(tǒng)將水溫、水深、傳感器的傾斜度等多種因素綜合分析，彌補(bǔ)了由于環(huán)境的改變而帶來(lái)的誤差，提高了泥沙含量檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性。系統(tǒng)檢測(cè)的量程能從近0kg/m3到800kg/m3，測(cè)量的誤差都在3%的范圍內(nèi)。如同類產(chǎn)品相比，該作品比較適合小浪底庫(kù)區(qū)含沙量的檢測(cè)。 該作品有很推廣的應(yīng)用前景和一定的經(jīng)濟(jì)效益，可在黃河流域水庫(kù)含沙量檢測(cè)中進(jìn)一步推廣，也可以用在低流速多泥沙河流含沙量的檢測(cè)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、目的和基本思路 為保證小浪底水庫(kù)長(zhǎng)期發(fā)揮其功能效益，水庫(kù)泥沙檢測(cè)設(shè)備必須能夠?qū)θ霂?kù)泥沙實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、精確有效地監(jiān)控。目前與泥沙檢測(cè)相關(guān)的裝置存在集成度不高、功能單一和檢測(cè)精度低等缺陷。本作品在對(duì)庫(kù)區(qū)泥沙檢測(cè)要求和現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了大量調(diào)查、分析和比較的基礎(chǔ)上，制定了基于電容式差壓檢測(cè)，PLC控制、電機(jī)拖動(dòng)傳感器以及多通道信息采集和數(shù)據(jù)融合等技術(shù)的方案；然后完成制作、調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)試用和改進(jìn)等流程，使之滿足檢測(cè)點(diǎn)的泥沙含量和不同水層泥沙分布等技術(shù)指標(biāo)要求。 二、作品創(chuàng)新點(diǎn) 1.采用了多傳感器集成與智能檢測(cè)技術(shù)、PLC控制和處理技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)和電機(jī)拖動(dòng)傳感器等技術(shù)。保證了裝置的穩(wěn)定性、可靠性和檢測(cè)精度； 2.建立了基于測(cè)點(diǎn)的泥沙含量、水溫、水深等多傳感器信息融合的數(shù)學(xué)模型，充分考慮了水生植物纏繞等環(huán)境因素的影響； 3.能實(shí)時(shí)精檢測(cè)不同水域?qū)幽嗌硶r(shí)空分布； 4.應(yīng)用了組態(tài)監(jiān)控軟件和觸摸屏監(jiān)控軟件，能動(dòng)態(tài)監(jiān)控和管理檢測(cè)全過(guò)程。 三、技術(shù)關(guān)鍵 1.電容式差壓檢測(cè)方法與技術(shù)；2.PLC控制、處理及實(shí)時(shí)通信技術(shù)；3.多通道傳感器信息采集以及信息融合技術(shù)；4.電機(jī)拖動(dòng)和高速計(jì)數(shù)技術(shù)；5.觸摸屏和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)。 四、系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo) 1.量程：0--800kg/m3；2.相對(duì)誤差<=3%； 3.水溫：0℃-45℃；4.傳感器傾斜度<=34°； 5.水速<=0.4m/s；6.測(cè)點(diǎn)深度>=100mm。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 一、科學(xué)性 作品以小浪底庫(kù)區(qū)入庫(kù)含沙量為檢測(cè)對(duì)象，依據(jù)水力學(xué)、電子學(xué)、檢測(cè)學(xué)和控制科學(xué)等學(xué)科相關(guān)理論，采用了電容式差壓檢測(cè)方法、多通道傳感器信息集成、數(shù)據(jù)融合、PLC控制、網(wǎng)絡(luò)通信、電機(jī)拖動(dòng)以及觸摸屏和組態(tài)監(jiān)控等技術(shù)。作品采用成熟的信息檢測(cè)和處理技術(shù)，建立了泥沙含量包括環(huán)境等因素在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，提高了作品的穩(wěn)定性和檢測(cè)精度。 二、先進(jìn)性 克服了目前用于泥沙檢測(cè)裝置普遍存在集成度不高，功能單一和運(yùn)行不穩(wěn)定等缺陷。作品使用電容差壓方法以及可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)的PLC控制等多項(xiàng)技術(shù)，克服了水溫、水深等環(huán)境的影響，可以精確檢測(cè)不同層面的泥沙含量分布，并能通過(guò)觸摸屏或上位機(jī)直接觀測(cè)檢測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)檢測(cè)量程為0kg/m3到800kg/m3，誤差控制在3%范圍之內(nèi)。與同類產(chǎn)品相比，本裝置具有檢測(cè)精度高、量程大、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)"模型黃河"實(shí)際試用，符合小浪底庫(kù)區(qū)泥沙含量檢測(cè)要求。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品獲2009年河南省第七屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 面談
作品可展示的形式
- 實(shí)物、樣品及現(xiàn)場(chǎng)展示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 一、使用說(shuō)明 1.該系統(tǒng)可安裝在庫(kù)區(qū)水流速度不超過(guò)0.4m/s的水域；2.系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)速度不宜過(guò)快或在傳感器下部安裝觸底開關(guān)，防止傳感器觸庫(kù)區(qū)底部；3.第一次使用時(shí)需現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。 二、技術(shù)特點(diǎn) 將傳感器垂直嵌入防水金屬直桿腔內(nèi)，目的在于防止水生植物纏繞。采用電容式壓力傳感器，目的是提高檢測(cè)靈敏度；作品可以精確測(cè)出垂線上的泥沙分布，可在線顯示泥沙含量等信息；通過(guò)控制電機(jī)拖動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)了傳感器垂直升降，從而測(cè)出垂線上下不同層面的泥沙分布。 三、技術(shù)優(yōu)勢(shì) 作品采用多傳感器信息融合技術(shù)，綜合考慮測(cè)點(diǎn)溫度和深度等因素，提高了作品的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。 四、適應(yīng)范圍及推廣前景 可實(shí)際用于小浪底庫(kù)區(qū)泥沙檢測(cè)，也適用于黃河流域其它水庫(kù)和低速多沙河流含沙量檢測(cè)，以及河道清淤、污水處理廠排泥等泥沙檢測(cè)。具有較好的應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 目前，國(guó)內(nèi)外含沙量測(cè)量方法歸為兩大類：直接法和間接法。直接法包括烘干法和比重法。烘干法精度高，但其測(cè)量周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大；取樣時(shí)破壞了測(cè)點(diǎn)環(huán)境，不能連續(xù)測(cè)量。比重法是根據(jù)泥沙對(duì)比重的影響來(lái)確定含沙量。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但有一定的誤差。 間接法是通過(guò)泥沙的某些特性來(lái)確定含沙量。間接法不破壞實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能動(dòng)態(tài)測(cè)量。多年來(lái)人們一直在探求含沙量的現(xiàn)代測(cè)量方法，如振動(dòng)法、超聲波、激光法等。 振動(dòng)法根據(jù)振動(dòng)學(xué)原理。若用一內(nèi)充滿水的金屬空管代替棒體，不同含沙量的水就對(duì)應(yīng)不同的振動(dòng)周期，從而可得不同含沙量。振動(dòng)法穩(wěn)定性較差，零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，且易受溫度影響。 超聲波法依據(jù)超聲波衰減規(guī)律，在近幾年很受關(guān)注。加拿大生產(chǎn)的一種超聲波測(cè)沙儀，經(jīng)野外測(cè)量表明，含沙量過(guò)低時(shí)測(cè)量精度較低。最近，上海美希公司開發(fā)出“聲學(xué)密度”測(cè)沙儀。但是，實(shí)踐表明，當(dāng)含沙量達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，超聲回波幅值很小且不穩(wěn)定，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了困難。 由于激光具有高度的時(shí)空相干性和能量密度，使外界漂移或擾動(dòng)的影響大大減小，激光吸收法頗有前景。荷蘭Deln水力試驗(yàn)室自20世紀(jì)70年代就開始這方面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，光吸收裝置的輸出信號(hào)不僅表示了含沙量，而且也反映了顆粒大小及運(yùn)動(dòng)速度。武漢大學(xué)水電研究所經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，利用光吸收法可同時(shí)測(cè)粒徑及含沙量。但這種設(shè)備笨重、龐大，且成本高，很難廣泛使用。 光電法是依據(jù)光的透射率來(lái)測(cè)含沙量的。光電測(cè)沙儀已研制成功。此種方法的不足是測(cè)量范圍較窄，并易受粒徑的影響。 西北農(nóng)林科技大學(xué)李小昱教授首次提出了電容法測(cè)量含沙量。試驗(yàn)結(jié)果表明：泥沙含量與電容傳感器的輸出呈線性關(guān)系；傳感器的輸出受溫度影響。為了提高精度，研究了電容式水流泥沙含量傳感器自校準(zhǔn)技術(shù)。此種方法目前尚未廣泛應(yīng)用。 γ射線法依據(jù)γ射線衰減原理。γ射線法作為一種放射性技術(shù)，在土壤含水量測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。但是γ射線放射源稀缺，并且價(jià)格昂貴。 壓差法是將兩壓力傳感器放在同一垂線上，當(dāng)間距取定后，兩個(gè)傳感器間的壓差和含沙量成線性變化。目前，壓差法適合高含沙量測(cè)量，主要用于海底浮泥層密度測(cè)量以及紙漿池濃度測(cè)量等。 綜上所述，目前含沙量測(cè)量方法較多，但都存在一定的局限性，至今沒有一種測(cè)量范圍寬、精度高、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)的泥沙含量測(cè)量方法和設(shè)備。
