基本信息
- 项目名称：
- 小浪底水库含沙量在线检测系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 在小浪底水库水沙分级管理中，小浪底库区泥沙含量检测是其中的关键环节之一 。由于浮泥层的存在和库区底部水生植物的影响，小浪底库区泥沙含量检测就成为一个难题。目前现有的一些测量小浪底库区泥沙含量的仪器和方法，在实际应用中存在着一定的局限性。 本作品采用了电容式差压方法来测量小浪底库区泥沙含量。经多通道信息采集和数据融合，系统不仅能检测含沙量，而且还能同时检测测点的深度、水温以及传感器的倾斜度，使检测功能增强。本系统使用电机拖动传感器，可测出泥沙含量在空间不同层次的泥沙分布。系统将多种因素综合分析，弥补了由于环境的改变而带来的误差，提高了泥沙含量检测的精度和稳定性。本产品在实际测量时，基本符合小浪底库区检测要求。
- 详细介绍：
- 黄河是一条多沙河流。水沙资源合理化管理是黄河治理开发中的重要举措。小浪底水库是我国在黄河中游建设的用于防洪、供水、发电和调沙的大型水库之一。小浪底水库水沙分级管理是保证小浪底水库长期有效利用关键环节之一。在小浪底水库水沙分级管理中，小浪底库区泥沙含量检测是其中的关键环节之一。黄河上游河流中抉带的泥沙，在到达小浪底库区时，将会出现不同程度的沉积。沉积的泥沙会在库区底部因为凝聚而形成了浮泥层。而库区底部浮泥层和库底的固结物是不同的组成部分。由于浮泥层的存在，同时又因为库区底部水草等水生植物的影响，小浪底库区泥沙含量检测就成为一个难题。 目前，现有的一些测量小浪底库区泥沙含量的仪器和方法，在实际应用中存在着一定的局限性。如取样法，因采样时浮泥的层次结构受到扰动，因而所测的结果不能反映现场状况，且测量周期长、劳动强度大。基于现代检测技术的泥沙含量检测系统大多都存在集成度不高，功能单一和运行不稳定等不足之处。光电法测量泥沙范围较窄；同位素法和γ射线法精度高，但放射源稀缺；振动筒法和电容法稳定性较差，受温度影响大；而现有的基于压差法的压力传感器灵敏度不高；超声波监测设备存在运行不稳定、易受库区底部水草缠绕阻挡等问题。 本作品使用电容式差压技术在小浪底库区检测含沙量。系统将两个电容式传感器分别垂直嵌入到防水式金属直杆内，可有效防止水草缠绕等影响。经多通道信息采集，系统不仅能检测含沙量，而且还能同时检测测点的深度、水温以及传感器的倾斜度，使检测功能增强。系统使用电机拖动传感器，通过深度传感器，可测出不同深度的泥沙含量。通过数据融合，该检测系统能将泥沙的含量和时空分布在触摸屏或者组态监控界面上直观显示。系统将水温、水深、传感器的倾斜度等多种因素综合分析，弥补了由于环境的改变而带来的误差，提高了泥沙含量检测的精度和稳定性。系统检测的量程能从近0kg/m3到800kg/m3，测量的误差都在3%的范围内。如同类产品相比，该作品比较适合小浪底库区含沙量的检测。 该作品有很推广的应用前景和一定的经济效益，可在黄河流域水库含沙量检测中进一步推广，也可以用在低流速多泥沙河流含沙量的检测。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、目的和基本思路 为保证小浪底水库长期发挥其功能效益，水库泥沙检测设备必须能够对入库泥沙实时动态、精确有效地监控。目前与泥沙检测相关的装置存在集成度不高、功能单一和检测精度低等缺陷。本作品在对库区泥沙检测要求和现有检测设备进行了大量调查、分析和比较的基础上，制定了基于电容式差压检测，PLC控制、电机拖动传感器以及多通道信息采集和数据融合等技术的方案；然后完成制作、调试、现场试用和改进等流程，使之满足检测点的泥沙含量和不同水层泥沙分布等技术指标要求。 二、作品创新点 1.采用了多传感器集成与智能检测技术、PLC控制和处理技术、数据融合技术和电机拖动传感器等技术。保证了装置的稳定性、可靠性和检测精度； 2.建立了基于测点的泥沙含量、水温、水深等多传感器信息融合的数学模型，充分考虑了水生植物缠绕等环境因素的影响； 3.能实时精检测不同水域层泥沙时空分布； 4.应用了组态监控软件和触摸屏监控软件，能动态监控和管理检测全过程。 三、技术关键 1.电容式差压检测方法与技术；2.PLC控制、处理及实时通信技术；3.多通道传感器信息采集以及信息融合技术；4.电机拖动和高速计数技术；5.触摸屏和组态监控技术。 四、系统主要技术指标 1.量程：0--800kg/m3；2.相对误差<=3%； 3.水温：0℃-45℃；4.传感器倾斜度<=34°； 5.水速<=0.4m/s；6.测点深度>=100mm。
科学性、先进性
- 一、科学性 作品以小浪底库区入库含沙量为检测对象，依据水力学、电子学、检测学和控制科学等学科相关理论，采用了电容式差压检测方法、多通道传感器信息集成、数据融合、PLC控制、网络通信、电机拖动以及触摸屏和组态监控等技术。作品采用成熟的信息检测和处理技术，建立了泥沙含量包括环境等因素在内的数学模型，提高了作品的稳定性和检测精度。 二、先进性 克服了目前用于泥沙检测装置普遍存在集成度不高，功能单一和运行不稳定等缺陷。作品使用电容差压方法以及可靠性高和抗干扰能力强的PLC控制等多项技术，克服了水温、水深等环境的影响，可以精确检测不同层面的泥沙含量分布，并能通过触摸屏或上位机直接观测检测结果。系统检测量程为0kg/m3到800kg/m3，误差控制在3%范围之内。与同类产品相比，本装置具有检测精度高、量程大、功能强等优点。经过"模型黄河"实际试用，符合小浪底库区泥沙含量检测要求。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品获2009年河南省第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 面谈
作品可展示的形式
- 实物、样品及现场展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、使用说明 1.该系统可安装在库区水流速度不超过0.4m/s的水域；2.系统工作时，电机速度不宜过快或在传感器下部安装触底开关，防止传感器触库区底部；3.第一次使用时需现场标定。 二、技术特点 将传感器垂直嵌入防水金属直杆腔内，目的在于防止水生植物缠绕。采用电容式压力传感器，目的是提高检测灵敏度；作品可以精确测出垂线上的泥沙分布，可在线显示泥沙含量等信息；通过控制电机拖动传感器，实现了传感器垂直升降，从而测出垂线上下不同层面的泥沙分布。 三、技术优势 作品采用多传感器信息融合技术，综合考虑测点温度和深度等因素，提高了作品的稳定性和测量精度。 四、适应范围及推广前景 可实际用于小浪底库区泥沙检测，也适用于黄河流域其它水库和低速多沙河流含沙量检测，以及河道清淤、污水处理厂排泥等泥沙检测。具有较好的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外含沙量测量方法归为两大类：直接法和间接法。直接法包括烘干法和比重法。烘干法精度高，但其测量周期长、劳动强度大；取样时破坏了测点环境，不能连续测量。比重法是根据泥沙对比重的影响来确定含沙量。这种方法相对简单，但有一定的误差。 间接法是通过泥沙的某些特性来确定含沙量。间接法不破坏实验环境，能动态测量。多年来人们一直在探求含沙量的现代测量方法，如振动法、超声波、激光法等。 振动法根据振动学原理。若用一内充满水的金属空管代替棒体，不同含沙量的水就对应不同的振动周期，从而可得不同含沙量。振动法稳定性较差，零点漂移严重，且易受温度影响。 超声波法依据超声波衰减规律，在近几年很受关注。加拿大生产的一种超声波测沙仪，经野外测量表明，含沙量过低时测量精度较低。最近，上海美希公司开发出“声学密度”测沙仪。但是，实践表明，当含沙量达到某一数值时，超声回波幅值很小且不稳定，给实际应用带来了困难。 由于激光具有高度的时空相干性和能量密度，使外界漂移或扰动的影响大大减小，激光吸收法颇有前景。荷兰Deln水力试验室自20世纪70年代就开始这方面的研究。研究发现，光吸收装置的输出信号不仅表示了含沙量，而且也反映了颗粒大小及运动速度。武汉大学水电研究所经过进一步研究，利用光吸收法可同时测粒径及含沙量。但这种设备笨重、庞大，且成本高，很难广泛使用。 光电法是依据光的透射率来测含沙量的。光电测沙仪已研制成功。此种方法的不足是测量范围较窄，并易受粒径的影响。 西北农林科技大学李小昱教授首次提出了电容法测量含沙量。试验结果表明：泥沙含量与电容传感器的输出呈线性关系；传感器的输出受温度影响。为了提高精度，研究了电容式水流泥沙含量传感器自校准技术。此种方法目前尚未广泛应用。 γ射线法依据γ射线衰减原理。γ射线法作为一种放射性技术，在土壤含水量测量中得到广泛应用。但是γ射线放射源稀缺，并且价格昂贵。 压差法是将两压力传感器放在同一垂线上，当间距取定后，两个传感器间的压差和含沙量成线性变化。目前，压差法适合高含沙量测量，主要用于海底浮泥层密度测量以及纸浆池浓度测量等。 综上所述，目前含沙量测量方法较多，但都存在一定的局限性，至今没有一种测量范围宽、精度高、集成度高、抗干扰能力强的泥沙含量测量方法和设备。
