基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统开发和应用

栾润润，张瑞波

（1.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统开发和应用

栾润润1，张瑞波2

（1.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

在泥沙室内试验研究中，一直缺少高效、方便的含沙量测量手段。室内含沙量测量多采用过滤烘干法，很大程度上影响了试验的效率和成果的质量。基于OBS 3+传感器开发了含沙量测量系统应用于泥沙试验研究，可以通过控制采集计算机上的软件界面设置测量参数并实现含沙量自动、连续测量，采集的数据经过RS232通讯电缆存储在计算机上。通过系统标定，得到标定曲线和含沙量转换公式，用于将浊度数据转换为含沙量。通过在泥沙试验中测量含沙量，说明该含沙量测量系统操作简单、方便，测量结果稳定、准确。

OBS 3+；含沙量测量；泥沙室内试验；标定；转换公式

在泥沙试验研究中，水体的含沙量是一个重要的参数。目前含沙量测量多，也即烘干法测量含沙量。虽然取样过滤的方法被认为是目前最准确的含沙量测量方法之一［1］，但是该方法的操作繁杂、效率低，也无法实时连续地测量含沙量［2］，这使得试验方案不能及时调整，从很大程度上影响了试验的效率和成果的质量。本文基于OBS 3+传感器开发了适用于实验室的含沙量测量系统并介绍了其应用的实例，应用基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统大大减少了含沙量测量的步骤和时间，提高了测量效率。

1 系统开发

实验室含沙量测量系统主要由OBS 3+传感器、传输电缆、控制器及控制采集计算机组成，如图1所示。控制器为多通道控制及数据采集器，最多可以连接8个OBS 3+传感器。该系统由220 V交流电供电，OBS3+数据传输电缆长度为20 m，便于OBS 3+传感器沿程布置。传输电缆通过航空插头连接到控制器，插拔方便。采集器经RS232通讯电缆与控制采集计算机连接。可以在采集控制软件中设置采样间隔，最短为1 s。

图1 OBS 3+含沙量测量系统组成框图Fig.1 Composition of the OBS 3+sediment concentration measurement system

1.1 OBS 3+传感器简介OBS 3+传感器是一种技术十分成熟的浊度测量传感器，能够测量浊度达到4 000NTU的悬浮物。它具有优质的不锈钢外壳，是一款可以完全浸入水中的传感器。OBS 3+传感器利用光学后向散射原理，通过接收红外辐射散射量监测悬浮物质，该传感器的核心部分是一个近红外激光发射器和一个光电二极管，近红外激光发射器向水体中发射近红外光，而光电二极管用于接收水体中悬浮粒子散射的红外光强度。传感器采用支持热插拔的水下插头连接电缆进行数据通讯和供电。与大多数浊度传感器相比，OBS 3+具有体积小、耗电量低，线性响应度高，对气泡和有机质不敏感，受外界光和温度的影响小等优点。由于其独特的设计，OBS 3+传感器不仅具有连续测量，线性对应，不受气泡、有机质、周围光线和温度的影响等突出优点，而且可以通过电缆与终端联接，利用专用的软件，对脉冲间隔、发射时间进行设置。测量结束后可以方便迅速地将数据输入微机进行处理。OBS 3+的响应时间为1 s，在水温变化不大的水体中，可通过设定较短的时间间隔，连续进行浊度变化测量。OBS 3+直接测量的是浊度数据（NTU），需要进行含沙量标定，然后使用量纲分析的方法，建立浊度与浓度的相关关系，进行浊度与浓度的转化，反演为泥沙含量［3］。OBS 3+传感器的上述特点使得它非常适合于在实验室中测量泥沙试验过程中的含沙量。

1.2 控制器开发

OBS 3+传感器本身只是一个传感器，而不是一种仪器，其本身不具有采集数据、存储数据的功能。OBS 3+传感器的典型应用为挂载到温盐深仪等现场测量仪器上，通过现场测量仪器以设定的间隔对它供电，并将采集的数据存储在现场测量仪器的内部存储中。为了将OBS 3+传感器应用于实验室测量，必须开发出控制器，用于为多通道OBS 3+供电，并将各个通道采集的数据存储或传输到控制采集计算机。

本文开发的控制器的核心部分为一块数据采集卡，数据采集卡由一个电源适配器供电。电源适配器将220 V交流电转换为12 V直流电，满足了数据采集卡的电源需求。数据采集卡上集成了单片机、时钟晶振电路、稳压芯片、通道驱动电路、数据采集通道、数据输出通道及SD存储卡等。稳压芯片将12 V直流电转换为5 V直流电，作为单片机和OBS 3+传感器的供电电源。单片机中写入的控制程序通过时钟晶振电路以时钟扫描的方式采集8个通道的数据，采集的数据通过通道驱动电路传输到数据输出通道和SD存储卡，数据输出通道通过RS232数据线将数据传输到控制采集计算机。SD存储卡中的数据作为备份存储在采集器中以备不时之需。控制器的内部电路架构示意图如图2所示。

图2 控制器内部电路架构示意图Fig.2 Diagram of the inner circuit of the controller

1.3 工作原理

基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统中，传感器的测量信号通过传输电缆经A/D模块转换为浊度数据，再经RS232通讯电缆传输到控制采集计算机，并在控制采集软件界面上输出实时浊度值及浊度变化过程线，同时，数据以文本文件的格式存储在计算机硬盘。

开发研制的测量系统的控制器为OBS 3+传感器提供0～5 V的输入电压，并同时采集传感器的输出信号。OBS 3+传感器拥有高量程和低量程两个相互独立的信号输出通道。低量程通道输出电压为0～5 V，测量浊度范围为0～2 000 NTU，高量程通道输出电压为0～1.2 V，测量的浊度范围为2 000～4 000 NTU。基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统根据厂家提供的转换公式将采集到的电压信号转换为浊度值。以序列号为S9217的OBS 3+传感器为例，高量程和低量程浊度的转换公式分别如式1和式2所示。

式中：Y为浊度值；x为采集到的电压信号。

测量前，需要先进行系统参数设置，将OBS 3+传感器出厂时厂家提供的标定参数对应传感器的连接顺序输入到控制采集软件并保存，之后设置好采样间隔及数据文件存储目录后就可以开始含沙量实时监测。

测量时，控制器器同时采集高量程通道输出的高电压信号和低量程通道输出的低电压信号，控制采集软件利用如下算法计算测得的浊度值：当低电压代入低通道公式计算结果不超过2 000NTU时，控制采集软件输出低量程通道的浊度值，反之，则输出高量程通道的浊度值。各个传感器的实时浊度数据及其随时间变化过程即会在软件界面上显示并按采样间隔实时更新。

2 系统标定［4］

从概念上来说，浊度是一种光学特性对水体浑浊的反映程度的数字表达，其单位为NTU；从操作上来说，NTU值是使用福尔马肼、StablCal标准溶液等通过标准标定插值得到的。浊度值一般随着水体中悬浮物质的增加而增大。同其他光学浊度仪一样，OBS 3+传感器的光学响应取决于悬浮物的粒径、成分及形状等。因此，必须用要测量的泥沙样品对OBS 3+传感器进行标定。

基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统测得的浊度值需要转换为含沙量才能用于对泥沙的特性的分析，要对连接到各通道的OBS 3+传感器分别进行标定，建立各个传感器的浊度值与含沙量的对应关系。系统标定可以在测量前进行，也可以在测量后进行。在测量前标定，可以在测量的同时利用标定关系将浊度值转换为含沙量，更便于对测量过程中含沙量的变化规律有实时、直观地了解；在测量后进行标定，则便于在测量的浊度范围内建立标定关系，可以提高标定关系的精度并减少标定工作量。泥样粒径不同，对OBS 3+光学响应的影响就不同［5］，则标定关系也不相同，故对于不同的泥沙样，都要分别标定，建立各自的对应的关系。无论是细颗粒泥沙还是粗颗粒泥沙，都可以通过系统标定获得各自的含沙量转换关系。

标定时，在标定槽中先放一定容积的蒸馏水，取试验所用的泥沙样品，逐渐投入一定量的泥样，搅拌均匀后用OBS 3+传感器测量，同时取样过滤，并烘干称重，这样可以得到20～30组不同泥沙含量和浊度对应值。然后再用回归法来相关［6］，得到浊度值转换为含沙量的计算公式。

当含沙量小于1 kg/m3时，含沙量与浊度一般为线性关系，而当含沙量较大时，转换关系一般为二阶多项式。与现场水文观测测量含沙量（一般小于1 kg/m3）不同的是，在实验室内测量的含沙量一般都会达到几千克每立方米，因此，标定出的含沙量转换关系一般均为二阶多项式。

以下以长江口北槽细颗粒泥沙和苍南电厂港池航道泥沙为例来说明实验室含沙量测量系统的标定，为说明是否有必要采用分段拟合的方法进行标定，以下标定及应用实例均未分段拟合，而是将标定数据统一拟合为一个二阶多项式。

2.1 长江口北槽细颗粒泥沙标定结果

以连接到通道4的传感器（序列号S9217）为例，利用长江口北槽泥沙（平均中值粒径0.016 4 mm），对试验所需的含沙量范围进行标定，得到的标定曲线和含沙量转换计算公式如图3所示。

2.2 苍南电厂泥沙标定结果

以序列号为S9212的传感器为例，将传感器连接到通道7，利用苍南电厂港池航道内的细颗粒粘性泥沙样品，泥沙的平均中值粒径为0.004 3 mm，按照试验所需的含沙量范围进行标定，得到的标定曲线和含沙量转换计算公式如图4所示。

图3 长江口北槽细颗粒泥沙标定曲线Fig.3 Calibration curve of the OBS 3+with sediment in the North Channel of the Yangtze Estuary

图4 苍南电厂泥沙标定曲线Fig.4 Calibration curve of the OBS 3+with sediment in harbor area of Cangnan power plant

3 基于OBS 3+传感器的含沙量测量系统在泥沙试验中的应用

3.1 长江口北槽细颗粒泥沙运动试验研究

本文泥沙运动试验在环形水槽中开展［7］，试验采用的泥沙为长江口北槽细颗粒泥沙，控制水流速度从0 cm/s开始逐级增大，然后再逐级减小流速。利用基于OBS 3+传感器的含沙量测量系统连续测量整个过程的含沙量变化，采样间隔设定为1分钟，在测量的同时定时采集含沙水样，利用过滤烘干称重的方法测量含沙量。通道4的传感器测得的含沙量变化过程及其与取样过滤测得的含沙量的结果对比如图5所示。

3.2 苍南电厂港池航道泥沙起动试验研究

本文泥沙起动试验同样在环形水槽中开展［9］，试验采用的泥沙为苍南电厂港池航道泥沙。为避免底床泥沙被完全冲刷而影响起动情况的判别，通过计算，在水槽内加入一定数量的泥沙，水槽以高速运转使水沙均匀混合，然后水槽停止运转，经5 d沉积密实后再进行起动试验。

试验时，控制水流流速从10 cm/s逐级增大到60 cm/s，利用OBS 3+含沙量测量系统连续测量整个过程的含沙量变化，采样间隔设定为3 s，通道7的传感器（序列号S9212）测得的含沙量变化过程如图6所示。

可以得出，无论是粒径较大（0.016 4 mm）的泥沙还是细颗粒粘性泥沙，应用基于OBS 3+传感器的含沙量测量系统都可以为试验研究提供便利条件。OBS 3+传感器的测量结果与同时间取样过滤测得的含沙量结果吻合较好，这同时也说明，不采用分段拟合的方法进行标定也可以满足试验研究的需要。而相比于取样过滤的方法，OBS 3+传感器测量的数据连续性更好，便于测量出含沙量的整个连续变化过程。

在操作方法上，取样过滤需要试验过程中按照时间间隔定时取样，取样后还要进行测定体积、过滤、洗盐、烘干、称重等一系列步骤［9］，且需要一定的时间（一般2～3 d）才能得出含沙量的测量结果，而利用基于OBS 3+传感器的含沙量测量系统测量含沙量时只要安装、设置好传感器，就可以自动按时间间隔全程测量，即实现自动化无人值守测量，且测量出的浊度值可以利用标定出的转换关系立即转换为含沙量数据，更为简便、快捷。

图5 长江口北槽泥沙运动试验中含沙量变化过程Fig.5 Concentration process in the movement test with sediment from the Yangtze Estuary

4 结论

基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统是一种适用于实验室含沙量测量的高效、便捷的测量系统，它安装方便、设置简单，可以实现对含沙量过程的自动化连续测量，测量的结果准确、稳定。

与其他大部分含沙量测量仪器一样，基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统需要通过标定将测得的数据转化为含沙量，对于不同粒径及粒级含量的泥沙，标定的结果可能差别很大，故对于不同地点不同时间的泥沙，都要开展专门的标定试验，以期获取准确的含沙量信息。本文基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统的标定既可以在测量前进行，也可以在测量后进行：在测量前标定，可以在测量的同时利用标定关系将浊度值转换为含沙量，更便于对测量过程中含沙量的变化规律有实时、直观地了解；在测量后进行标定，则便于在测量的浊度范围内建立标定关系，可以提高标定关系的精度并减少标定工作量。

通过将基于OBS 3+传感器的实验室含沙量测量系统应用于实际试验研究中进行对比测试可知，该含沙量测量系统的测量结果与过滤烘干法测得的结果较为一致。在目前室内试验缺少高效、方便的含沙量测量手段的条件下，基于OBS 3+传感器开发的含沙量测量系统是一种可以应用于室内泥沙试验的新仪器，该含沙量测量系统的应用可以使室内含沙量测量更简便、更高效，可以大大提高含沙量测量的效率，为泥沙室内试验研究提供便利条件，从而提高泥沙试验研究的效率和成果的质量。

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Development and application of laboratory sediment concentration measurement system based on OBS 3+transducers

LUAN Run-run1,ZHANG Rui-bo2
（1.Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin300456,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

There are very few effective and convenient sediment concentration measurement methods in sediment laboratory experimental research.The usually used method in laboratory sediment concentration measurement is the oven drying method,which has great influence on the efficiency of test and the quality of the achievements. Laboratory sediment concentration measurement system has been developed based on OBS 3+transducers and applied in sediment experiment research.The automatic and continuous measurement can be realized by setting suitable measurement parameters in the software interface installed in a computer used for controlling the system and collecting turbidity data(NTU).The collected data is transmitted to the computer where it is stored.The calibration curve and sediment concentration transfer formula that is used for computing sediment concentration with the turbidity data can be obtained through system calibration.The application of the system in laboratory sediment movement tests shows that the operation is simple and convenient and that the result is stable and accurate.

OBS 3+;sediment concentration measurement;sediment laboratory tests;calibration;conversion formula

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2017）01-0094-05

2015-12-10；

2016-11-15

栾润润（1982-），女，天津市人，助理工程师，主要从事水文泥沙方面的研究。

Biography：LUAN Run-run（1982-），female，assistant engineer.