捕集双向流推移质输沙量的自动称重监测系统及方法与流程

1.本发明涉及水利工程物理模型技术领域，特别是捕集双向流推移质输沙量的自动称重监测系统及其方法。


背景技术：

2.海工物理模型试验分为定床模型和动床模型，其中定床模型根据试验内容可分为水动力模型、输沙模型、悬沙模型等。输沙模型的作用主要有两个，一为辨识泥沙的输移路径，二为定量分析不同区域的泥沙输移数量。
3.现阶段底沙捕集装备研究者较少，且以现场设备为主，由于试验室的试验条件和技术水平限制，国内相关领域对其研究较少。目前国内试验室所用的底沙捕集器较为简单，多用于单向流的泥沙捕集，所捕集的泥沙需要二次称重，在二次处理过程中可能带来偏差，同时操作繁琐；此外，目前底沙捕集器无摄像功能，无法自动捕获泥沙的运动过程。


技术实现要素：

4.在本部分以及本技术的说明书摘要中可能会对发明名称做些简化或省略，以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.本发明的一种捕集双向流推移质输沙量的自动称重监测系统及其方法，其设计出可双向流进行泥沙捕集的试验设备，无需二次称重，降低了误差影响，可直接进行试验操作，整体简单便捷，并改善了系统构成，使其具有视频监控和数据的直观输出、记录等功能，提高了检测试验效果，且检测数据精确，智能化程度高。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种捕集双向流推移质输沙量的自动称重监测系统，包括用于集沙收集的集沙设备和安装在集沙设备上用于监测的监测设备；所述集沙设备的内部中心位置设有隔板，且集沙设备被隔板分割成相同容量和规格的上游集沙盒和下游集沙盒，上游集沙盒和下游集沙盒在相互远离的一侧位置分别设有对应的相同规格的上游集沙盒泥沙进口和下游集沙盒泥沙进口；所述隔板的顶部设有用于覆盖上游集沙盒或下游集沙盒的翻板，翻板活动连接集沙设备，当水流经过集沙设备时，翻板的一侧在水流的作用下翘起并覆盖下游集沙盒，使泥沙从上游集沙盒泥沙进口进入上游集沙盒；所述监测设备包括用于检测上游集沙盒和下游集沙盒内沙体重量的防水电子秤、用于监测上游集沙盒和下游集沙盒输沙过程状态的摄像机以及用于信息传输的数据采集仪，所述监测设备通过数据采集仪信号连接监控终端。
7.作为本发明的一种优选方案，其中：所述翻板通过旋转轴活动连接集沙设备的内壁，翻板的尺寸大于所述上游集沙盒顶部区域面积，所述集沙设备、上游集沙盒和下游集沙盒均设置为长方体。
8.作为本发明的一种优选方案，其中：所述防水电子秤在集沙设备中设有两个，分别安装在上游集沙盒和下游集沙盒的内腔底部，所述摄像机通过摄像机支架呈对称状安装在隔板的顶部两侧侧壁上，并位于旋转轴的下方位置，且所述摄像机的外部设有摄像机防水罩。
9.作为本发明的一种优选方案，其中：所述集沙设备的外壁开设信号线输出卡槽、电源线接槽和与电源线接槽接通的供电线路卡槽，所述信号线输出卡槽中安装有信号天线，所述电源线接槽和供电线路卡槽中安装有硬质防水电源线套管。
10.作为本发明的一种优选方案，其中：所述数据采集仪包括与所述监测设备连接的集线器、与所述集线器连接的信号放大器、与所述信号放大器连接的无线传输模块以及用于供电的电源模块，所述集线器和信号放大器均电性连接电源模块。
11.作为本发明的一种优选方案，其中：所述监控终端包括用于所述监测设备信号周期性获取的捕集模块、用于数据信息呈现的显示模块、用于数据处理的处理模块和用于储存用户数据的存储模块。
12.捕集双向流推移质输沙量的自动称重监测系统的方法，包括以下步骤：步骤1：在物理模型试验区域开挖与集沙设备大小相当的基坑和线槽；步骤2：安装集沙设备，将硬质防水电源线套管安置在线槽中，并使其不凸出于河床；步骤3：在物理模型上游水域铺设沙带，开始模型试验；步骤4：当集沙设备内有推移质沙体进入后，积压在集沙设备的底部产生重量，所述防水电子秤将电阻值变化转换为电信号的变化并发送给集线器，数据采集仪设置定时采集周期和数据定时上传周期，到达采集时间时，进行采集并进行本地存储，同时将采集到的数据也同步移位至串行通信口，通过无线传输模块上传至上位机，上位机通过监控终端对集沙设备进行实时监控；步骤5：物理模型试验过程中，开启摄像设备，所述摄像机采集水下图像信息并传输给集线器，经信号放大后，由无线传输模块经信号天线上传至监控终端，监控终端设置好保存时间间隔后，自动保存试验的输沙过程录像；步骤6：物理模型试验结束后，监控终端基于获取的监测设备检测的数据，并通过底沙重量及涨落潮比例的计算方法计算推移质涨落潮输沙量和涨落潮输沙比例，输出集沙设备中的泥沙数据，绘制输沙量过程曲线，同时观看输沙过程录像，分析泥沙来源以及试验结果的合理性。
13.所述底沙重量及涨落潮比例的计算方法，具体如下：设置上游集沙盒泥沙重量g
ia
与上游集沙盒水中泥沙重量w
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之间的关系为：；其中，为相同泥沙体积的水重；则通过上式可得出：；其中，为沙的重度，为水的重度；
同理，通过上述步骤可计算下游集沙盒中的泥沙质量，则涨落潮输沙量比例。
14.本发明的有益效果：本发明设计的可双向流进行泥沙捕集的试验设备，避免了单向流的泥沙捕集试验设备现有的不足，无需二次称重，降低了误差影响，可直接进行试验操作，能够检测计算涨落潮输沙量、比例和过程，整体简单便捷，并改善了系统构成，使其具有视频监控和数据的直观输出、记录等功能，进而提高了检测试验的效果，且整体的检测数据精确，智能化程度高。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：图1为本发明实施例中试验装置的泥沙捕集试验操作流程框图；图2为本发明实施例中试验装置的结构示意图；图3为本发明实施例中数据采集仪的模块化结构图；图4为本发明实施例中监控终端的模块化结构图；图5为本发明实施例中试验装置的15时-18时落潮和涨潮的输沙量折线图。
16.图中标号：1、信号天线；2、电源线接槽；3、防水电子秤；4、上游集沙盒泥沙进口；41、下游集沙盒泥沙进口；5、翻板；6、旋转轴；7、上游集沙盒；71、下游集沙盒；8、摄像机支架；9、摄像机防水罩；10、摄像机；11、供电线路卡槽；12、信号线输出卡槽；13、硬质防水电源线套管；14 、电源模块；15 、集线器；16 、信号放大器；17、无线传输模块；18、防水壳；20、监控终端；201、捕集模块；2011、捕沙通讯信号检测单元；2012、捕沙记录单元；202、显示模块；203、处理模块；204、存储模块。
具体实施方式
17.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
18.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于此类描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
19.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
20.由于在海工物理模型试验中的泥沙捕集操作中，多用于单向流的泥沙捕集，并采用二次称重通过计算得出相关的输沙量和比例，其中二次处理过程中可能带来偏差，同时操作繁琐，以及缺少实时的监控系统对其进行周期性的监测工作；参照图1，为本发明的一个实施例，该实施例提供了捕集双向流推移质输沙量的自
动称重监测方法，操作方法具体如下：步骤1：在物理模型试验区域开挖与集沙设备大小相当的基坑和线槽；步骤2：安装集沙设备，将硬质防水电源线套管13安置在线槽中，并使其不凸出于河床；步骤3：在物理模型上游水域铺设沙带，开始模型试验；步骤4：当集沙设备内有推移质沙体进入后，积压在集沙设备的底部产生重量，防水电子秤3的弹性压敏元件在砂体重量作用下会产生弹性形变，使粘贴在其表面的电阻式应变片随之形变，电阻式应变片形变后，电阻值同时变化，电桥平衡电路的测量电路将电阻值变化转换为电信号的变化并发送给集线器15；数据采集仪设置定时采集周期和数据定时上传周期，到达采集时间时，进行采集后将稳定值记录在存储芯片中，数据采集仪重复定时采集，按时间顺序存储，当定时上报周期到达触发条件，数据采集仪触发存储模块204的时钟，将测量数据实时保存在存储介质中，实现自容式数据存储，采集到的数据也同步移位至串行通信口，通过无线传输模块17上传至上位机，上位机通过监控终端20对集沙设备进行实时监控；步骤5：物理模型试验过程中，开启摄像设备，摄像机10采集水下图像信息并传输给集线器15，经信号放大后，由无线传输模块17经信号天线1上传至监控终端20，监控终端20设置好保存时间间隔后，自动保存试验的输沙过程录像；步骤6：物理模型试验结束后，监控终端20基于获取的监测设备检测的数据，并通过底沙重量及涨落潮比例的计算方法计算推移质涨落潮输沙量和涨落潮输沙比例，其中底沙重量及涨落潮比例的计算方法，具体如下：设置上游集沙盒7泥沙重量g
ia
与上游集沙盒7水中泥沙重量w
ia
之间的关系为：；其中，为相同泥沙体积的水重；则通过上式可得出：；其中，为沙的重度，为水的重度；同理，通过上述步骤可计算下游集沙盒71中的泥沙质量，则涨落潮输沙量比例；输出集沙设备中的泥沙数据，绘制输沙量过程曲线，同时观看输沙过程录像，分析泥沙来源以及试验结果的合理性。
21.参照图2，为一实施例，该实施例提供了捕集双向流推移质输沙量的自动称重监测系统，包括用于集沙收集的集沙设备和安装在集沙设备上用于监测的监测设备。具体的集沙设备的内部中心位置设有隔板，且集沙设备被隔板分割成相同容量和规格的上游集沙盒7和下游集沙盒71，上游集沙盒7和下游集沙盒71在相互远离的一侧位置均对应的设有相同规格的泥沙进口，如图2所示，其中上游集沙盒7对应的设为上游集沙盒泥沙进口4，下游集沙盒71对应的设为下游集沙盒泥沙进口41，隔板的顶部设有用于覆盖上游集沙盒7或下游集沙盒71的翻板5，翻板5活动连接集沙设备，当水流经过集沙设备时，翻板5的一侧在水流
的作用下翘起并覆盖位于下游一侧的集沙盒，本实施例为下游集沙盒71，使泥沙从上游水流方向的泥沙进口，即上游集沙盒泥沙进口4进入上游集沙盒7中；本实施例进一步说明的，翻板5通过旋转轴6活动连接集沙设备的内壁，翻板5的尺寸大于上游集沙盒7顶部区域面积，集沙设备、上游集沙盒7和下游集沙盒71均设置为长方体；本实施例的监测设备包括用于检测上游集沙盒7和下游集沙盒71内沙体重量的防水电子秤3、用于监测上游集沙盒7和下游集沙盒71输沙过程状态的摄像机10以及用于信息传输的数据采集仪，监测设备通过数据采集仪信号连接监控终端20。
22.同时防水电子秤3在集沙设备中设有两个，分别安装在上游集沙盒7和下游集沙盒71的内腔底部，摄像机10通过摄像机支架8呈对称状安装在隔板的顶部两侧侧壁上，并位于旋转轴6的下方位置，且摄像机10的外部设有摄像机防水罩9；优选的，集沙设备的外壁开设信号线输出卡槽12、电源线接槽2和与电源线接槽2接通的供电线路卡槽11，信号线输出卡槽12中安装有信号天线1，电源线接槽2和供电线路卡槽11中安装有硬质防水电源线套管13，硬质防水电源线套管13中安装有此试验设备的供电线路。
23.参照图3，为一实施例，需要对数据采集仪说明的，其包括与监测设备20连接的集线器15、与集线器15连接的信号放大器16、与信号放大器16连接的无线传输模块17以及用于供电的电源模块14，集线器15和信号放大器16均电性连接电源模块14，同时电源模块14、集线器15、信号放大器16和无线传输模块17的外部均共同安装有防水壳18。
24.参照图4和图5，为一实施例，需要对监控终端20说明的，监控终端20包括用于监测设备信号周期性获取的捕集模块201、用于数据信息呈现的显示模块202、用于数据处理的处理模块203和用于储存用户数据的存储模块204。
25.其中捕集模块201包括捕沙通讯信号检测单元2011和捕沙记录单元2012，捕沙通讯信号检测单元2011用于检测捕沙通讯信号，捕沙记录单元2012用于周期性接收采集数据，其捕沙记录间隔周期设为5min，其中捕沙记录间隔周期5min进行实验；显示模块202可显示摄像机10的视频信息和防水电子秤3的泥沙重量信息以及计算后的数据；处理模块203用于处理采集的数据，并通过底沙重量及涨落潮比例的计算方法计算推移质涨落潮输沙量和涨落潮输沙比例，以及运行整体程序；存储模块204用于存储实时产生的数据信息。
26.基于上述，捕集双向流推移质输沙量的自动称重监测系统的工作原理为外部电源通过硬质防水电源线套管13将电通过供电线路卡槽11输送给摄像机10和微型防水电子秤3，确保二者的正常工作；当某一方向的水流经过集沙盒时，翻板5的一侧在水流的作用下翘起，另一侧覆盖于集沙盒上，将背水面的集沙盒泥沙进口封盖，致使泥沙从来流方向的集沙盒泥沙进口进入集沙盒；泥沙进入集沙盒后，集沙盒底部安装微型防水电子秤3，可实时称出泥沙重量，通过信号天线1，将数据无线传给监控终端20，进行对应的计算，并记录保存数据。同时试验过程中，摄像机10在摄像机防水罩9的保护下，实时拍摄集沙盒两侧近底泥沙运动，通过信号天线1，将摄像数据传输给监控终端20并保存。监控终端20输出集沙设备中的泥沙数据，绘制输沙量过程曲线如图5所示（时间15时-18时落潮和涨潮的输沙量折线图），同时观看输沙过程录像，分析泥沙来源以及试验结果的合理性。
27.综上所述，本实施例方案设计的可双向流进行泥沙捕集的试验设备，避免了单向
流的泥沙捕集试验设备现有的不足，无需二次称重，降低了误差影响，可直接进行试验操作，能够检测计算涨落潮输沙量、比例和过程，整体简单便捷，并改善了系统构成，使其具有视频监控和数据的直观输出、记录等功能，进而提高了检测试验的效果，且整体的检测数据精确，智能化程度高。
28.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
29.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。