一种水中沉井取土含砂量实时动态监测装置和监测方法与流程

1.本发明涉及含砂量测量技术领域。更具体地说，本发明涉及一种水中沉井取土含砂量实时动态监测装置和监测方法。


背景技术：

2.含砂量监测一直是水域治理、水下施工、桥梁建设、沉井施工等工程领域必不可少的监测内容。特别是土木施工过程中，实时监测沉井取土时出水管口的含砂量，可以为沉井取土效率精确计算提供实时数据。现有的测量含砂量的技术手段有烘干法、振动法、光电法等。其中烘干法测量结果精确，但步骤繁琐，适用于实验室的测量，不适用于工程现场的测量；振动法对低含沙量的测量精度低，且测量结果容易受水温影响，适用于高含沙量水体的测量。光电法因其结构简单、测量精度高是目前较常使用的一种含沙量测量方法。光电法一般通过测量光束的透射光强、散射光强或者反射光强来判断水中的沙含量，但透射光、散射光和反射光的强度的测量精度易受到含砂量的影响，且均为对测量水体的静态测量，无法实现实时动态监测。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
4.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种水中沉井取土含砂量实时动态监测装置，包括：
5.引流装置，其与沉井取土主管道的侧壁连通；
6.监测装置，其包括设置在所述引流装置两侧的入射探头和出射探头，所述入射探头通过入射光纤与光源连接，所述出射探头通过出射光纤与光谱探测器连接；
7.所述光源发出的入射光通过所述入射光纤传输至所述入射探头后入射到所述引流装置中的待测液体，从待测液体透射出的调制光经所述出射探头吸收后，通过所述出射光纤传输到所述光谱探测器。
8.优选的是，所述入射探头包括一端开口以供所述入射光进入的第一壳体以及设置在所述第一壳体内部的第一光学透镜、第一准直透镜，且所述第一光学透镜、所述第一准直透镜依次设置在所述入射光的入射路径上；所述出射探头包括一端开口以供所述调制光射入的第二壳体以及设置在所述第二壳体内部的第二光学透镜、第二准直透镜，且所述第二光学透镜、所述第二准直透镜依次设置在所述调制光的入射路径上。
9.优选的是，所述入射探头的开口端和所述出射探头的开口端相对设置，且所述第一准直透镜与所述第二准直透镜共焦设置。
10.优选的是，所述入射探头与所述出射探头分别与所述引流装置密封连接，且所述入射探头的开口端和所述出射探头的开口端分别与所述引流装置的侧壁连通。
11.优选的是，所述光源为卤钨灯光源，其波长范围为360
‑
2400nm。
12.优选的是，所述引流装置为竖直设置的弧形管道，其两端分别与所述取土主管道
连通，且所述引流装置与所述取土主管道的连接处设置有过滤网。
13.一种水中沉井取土含砂量实时动态监测方法，其特征在于，使用如权利要求1至6任意一项所述的水中沉井取土含砂量实时动态监测装置测量，且包括如下步骤：
14.s1、配置n份含砂量不同的标准液体，通过所述监测装置分别对n份标准液体进行测量，记录所述n份标准液体对应的特征波长光强度与参考波长光强度；
15.s2、建立不同的含砂量与特征波长光之间的标定模型；
16.s3、通过所述监测装置对待测液体进行测量，得到待测液体的特征波长光强度；再根据标定模型得到待测液体的含砂量。
17.优选的是，步骤s1中，所述光源发出的入射光通过所述入射光纤传输至所述入射探头后入射到任意所述标准液体中，从所述标准液体透射出的调制光经所述出射探头吸收后，通过所述出射光纤传输到所述光谱探测器，所述光谱探测器对所述调制光进行测量得到所述标准液体对应的特征波长光强度与参考波长光强度。
18.优选的是，步骤s2中的所述参考波长光为不在所述特征波长光波段范围内的波长光。
19.优选的是，步骤s2中的所述标定模型通过对步骤s1中记录的n份标准液体对应的特征波长光强度与参考波长光强度数据进行函数拟合得到。
20.本发明至少包括以下有益效果：
21.1、本发明通过监测装置对从待测液体透射出的调制光进行实时光谱分析，建立不同含砂量的标准液体的特征波长光强度与含砂量的拟合关系，然后通过测量待测液体的特征波长光强度带入拟合关系确定其含砂量。无需对待测液体进行任何处理，不受外界因素干扰，测量精度高，且不会对被测物质带来污染和破坏；
22.2、本发明通过引流装置保证了测量液体与实际待测液体的一致性和实时性，适用于对工程现场的实时动态测量。
23.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
24.图1为本发明一实施例中所述监测装置的俯视结构示意图；
25.图2为本发明上述实施例中所述引流装置的正视图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
27.需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.如图1～图2所示，本发明提供一种水中沉井取土含砂量实时动态监测装置，包括：
29.引流装置7，其与沉井取土主管道8的侧壁连通；
30.监测装置，其包括设置在所述引流装置7两侧的入射探头3和出射探头4，所述入射探头3通过入射光纤2与光源1连接，所述出射探头4通过出射光纤5与光谱探测器6连接；
31.所述光源1发出的入射光通过所述入射光纤2传输至所述入射探头3后入射到所述引流装置7中的待测液体，从待测液体透射出的调制光经所述出射探头4吸收后，通过所述出射光纤5传输到所述光谱探测器6。
32.在这种技术方案中，所述引流装置7与所述主管道8的侧壁连通，使得所述测量装置测量的待测液体与所述主管道8中的液体一致，并且由于所述主管道8中液体的流动性，同时也保证所述引流装置7中的待测液体的实时性，从而实现了对待测液体的实时动态测量。所述监测装置采用光谱分析法测定待测液体的含砂量，其中，所述光谱探测器6为利用ccd探测单元制成光谱探测器，通过一段时间内对入射到ccd上的各波长的光进行积分，还原出全波段的光谱，输出给光谱探测器内的信号处理单元；信号处理单元首先对光谱信号进行平滑和滤波处理，然后求解待测液体对应的特征波长光的信号强度及辅助参考波长光的信号强度。根据标定的不同含砂量的标准液体的特征波长光信号强度与含砂量之间的拟合关系，确定出待测液体的含砂量；所述入射光纤2和所述出射光纤5均为大芯径传能光纤，以保证所述光源1射出的入射光与所述入射光纤2之间的耦合效率及所述调制光更多入射到所述出射光纤5中。
33.在另一种实施例中，所述入射探头3包括一端开口以供所述入射光进入的第一壳体33以及设置在所述第一壳体33内部的第一光学透镜31、第一准直透镜32，且所述第一光学透镜31、所述第一准直透镜32依次设置在所述入射光的入射路径上；所述出射探头4包括一端开口以供所述调制光射入的第二壳体43以及设置在所述第二壳体43内部的第二光学透镜42、第二准直透镜41，且所述第二准直透镜41、所述第二光学透镜42依次设置在所述调制光的入射路径上。
34.在这种技术方案中，所述第一光学透镜31与所述入射光纤2耦合，所述第一准直透镜32对所述入射光进行准直；所述第二光学透镜42与所述出射光纤5耦合，所述第二准直透镜41对所述调制光进行准直。所述入射光纤2和所述出射光纤5分别通过标准sma905接头与所述入射探头3和所述出射探头4相连，具体地，所述入射光纤2和所述出射光纤5一侧为公头，所述第一壳体33和所述第二壳体43一侧设置母头，公头和母头通过螺纹相连接。所述第一壳体33和所述第二壳体43均为金属壳体。所述入射探头3和所述出射探头4安装方向平行于地面，保证所述引流装置7中的砂子和杂质不在镜头表面沉积，不造成镜头污染，以提高监测精确性和稳定性。
35.在另一种实施例中，所述入射探头3的开口端和所述出射探头4的开口端相对设置，且所述第一准直透镜32与所述第二准直透镜41共焦设置，以保证光耦合效率。
36.在另一种实施例中，所述入射探头3与所述出射探头4分别与所述引流装置7密封连接，且所述入射探头3的开口端和所述出射探头4的开口端分别与所述引流装置7的侧壁连通。
37.在这种技术方案中，所述入射探头3和所述出射探头4与所述引流装置7螺纹连接，并且在连接处设置密封胶圈以保证密封性和耐压性。
38.在另一种实施例中，所述光源1为卤钨灯光源，其波长范围为360
‑
2400nm。卤钨灯光源可通过sma905接口调节光源功率。
39.在另一种实施例中，所述引流装置7为竖直设置的弧形管道，其两端分别与所述取土主管道8连通，且所述引流装置7与所述取土主管道8的连接处设置有过滤网。
40.在这种技术方案中，所述引流装置可以设置在所述主管道8管口以下任意位置。所述引流装置7采用弧形结构，可保证在高流速下，所述主管道8中的水流可以所述引流装置7，同时可避免水中的砂石淤积在所述引流装置7中。所述引流装置7的两端与所述主管道8螺纹连接，且在连接处设置密封垫，以保证密封性。同时在连接处设置过滤网，防止大颗粒碎石和杂质进入所述引流装置。所述引流装置的直径选取6
‑
10cm。
41.本发明还提供一种水中沉井取土含砂量实时动态监测方法，使用实时动态监测装置进行测量，包括如下步骤：
42.s1、配置n份含砂量不同的标准液体，通过所述监测装置分别对n份标准液体进行测量，记录所述n份标准液体对应的特征波长光强度与参考波长光强度；
43.s2、建立不同的含砂量与特征波长光之间的标定模型；
44.s3、通过所述监测装置对待测液体进行测量，得到待测液体的特征波长光强度；再根据标定模型得到待测液体的含砂量。
45.步骤s1中标准液体的具体制备方法为：取砂子进行烘干，然后取玻璃杯一支进行烘干处理。将烘干后的玻璃杯放在天平上，然后取1g干燥砂子放入杯中，先用量杯加98g水，再用滴管缓慢滴入水至杯中到100g，制成了含砂量为1％的标准液体。然后按照相同方式分别制备含砂量为3％、5％、7％、9％、11％、13％、15％等不同含砂量的标准液体。
46.在另一种实施例中，步骤s1中，所述光源1发出的入射光通过所述入射光纤2传输至所述入射探头3后入射到任意所述标准液体中，从所述标准液体透射出的调制光经所述出射探头4吸收后，通过所述出射光纤5传输到所述光谱探测器6，所述光谱探测器6对所述调制光进行测量得到所述标准液体对应的特征波长光强度与参考波长光强度。
47.在另一种实施例中，步骤s2中的所述参考波长光为不在所述特征波长光波段范围内的波长光。
48.在这种技术方案中，因不同液体所含元素不同，所对应的吸收峰也会有差异，所以每种液体会有自己的特征吸收峰；特征波长光强度即为含砂量液体的特征吸收峰对应的光强度，参考波长光强度为不在特征波长光波段范围内的波长光的强度，因为所述光源1的光强度在测量过程中可能会有波动，此时参考波长光强度就会有波动，通过参考波长光强度等比增加或者减小特征波长光强度，可以消除光源波动的影响，从而提高测量精度。
49.在另一种实施例中，步骤s2中的所述标定模型通过对步骤s1中记录的n份标准液体对应的特征波长光强度与参考波长光强度数据进行函数拟合得到。然后通过所述监测装置对待测液体进行测量，得到待测液体的特征波长光强度；再根据标定模型得到待测液体的含砂量。
50.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。