基于压力测深的智能多仓悬移质含沙量采样系统研制及应用

周才扬　胡国栋　王真祥　梁殿武

摘要：在河流水深较深水域，悬移质含沙量测验工作量大，测船取样时在航道中停留时间长，带来安全风险，为此研制了智能多仓（六仓）悬移质含沙量采样系统。取样时，电动绞车控制采样系统的下降、上升速度，系统入水触（河）底后通过压力传感器和控制单元测量水深;在系统上升分层取样时，压力传感器动态测量水深，智能电控多仓悬移质横式采样系统按设定的相对深度和顺序进行自动关仓取样。采样器的关仓时间和水深等参数无线传输和记录到计算机。系统设有人机交互界面，便于检查监控系统的可靠性。该系统成功应用于深水航道水文监测中。

关键词：悬移质含沙量测验;智能多仓;采样系统;压力检测水深;长江口

中图法分类号：TV149.1

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019. 10.010

悬移质含沙量测验是河流泥沙测验的一项基本内容。目前主要采用横式采样器采集单点水样。

随着科技进步和水文测验方式方法的创新，水位、流速测验、信息采集和传输等取得了长足进步，但泥沙测验方法和仪器研制仍存在短板[1]。陈松生[2]提出应用OBS（激光后向散射）、光电测沙、ADCP回波与现场标定相结合等测沙方法间接推算含沙量，但间接法测沙的新仪器、新技术仍存在一定局限性。横式采样器取样分析仍在水文部门大量运用[3]。

在长江南京河段12.5 m深水航道整治工程中，受径流和潮流双重影响，洲滩和航槽水流泥沙交换频繁[4]。在工程实施及维护阶段，建设单位安排了大规模水流泥沙监测工作，收集基础资料[5-6]。全潮水文测验的流速、流量普遍采用ADCP走航测验方法[7];而测点含沙量和颗分采样，每次动船横穿航道，逐条垂线分6层取样，年含沙量取样量近5万点。由于泥沙研究工作的需要[8-9]，在长江航道中布置了取沙垂线，在全潮测验逐线逐点取沙样时，船舶在航道中停留的时间达10-20 min，取样工作劳动强度大，影响顺行船舶航行安全，水文测验船存在巨大安全隐患。

为提高含沙量取样外业工作的效率，研制了基于压力检测水深智能多仓悬移质含沙量采样系统，实现了一次往返测即可完成六点法分层采样。

1 系统的技术路线及框架

系统的技术路线是：

（1）分析水流、泥沙及航道的通航要素及特性，确定系统的工作水深、供电电压等技术参数[10]。

（2）设计单个采样器、6个采样器的安装布局.安装架的设计，系统的水密、通讯、软件开发和系统集成[11]，室内水深模拟高仿真压力容器的研制和现场试验，工程动态监测应用和验收。

技术路线如图1所示。

2 研究方案设计

2.1 综合试验系统设计和试验

该系统实际工作中处于野外高压水下环境，需要持续供电运行，密封性要求较高;安装架、压力传感器、电磁铁控制器等均需在实验室进行密封试验检测和标定。另外，野外现场试验需要船舶、绞车等设备及交通、人员等协调配合进行。若不先做好室内的检测试验，贸然到达野外现场，可能造成大量时间和经济上的浪费。因此，在研制阶段设计了一套室内模拟（仿真）试验系统，先期进行水下模拟试验和电池放电性能测试。

2.2 水深模拟（仿真）系统及试验

2.2.1 高压力全水深仿真平台设计

设计了一个大型压力容器盛水作为水深模拟试验平台。水深模拟系统以PLC作为控制核心，高压气瓶作为水深模拟源，HMI人机接口进行控制参数的设定，电磁阀、压力仪表、安全阀等作为传感和控制对象，形成一个闭环控制系统。在各部件完成设计、加工后，投入到试验中进行模型试验，该系统最大可模拟150 m深的水下压力环境。

2.2.2 电池放电性能试验系统

该系统使用的电磁铁属大电流脉冲放电，同时控制系统的驱动器件也需进行驱动性能检测，设计了电池放电检测系统。采用PLC系统控制，通过机械结构打开采样器的舱盖，接近开关传感器，检测到舱盖打开成功后起升，限位接近开关传感器，检测起升到位后发出关舱信号，驱动模块给电磁铁供电，反复启闭采样器舱盖。在该系统中，不但检测了供电锂电池的放电特性，同时检测了大電流驱动模块以及电磁铁工作时的可靠性。

分别对10AH和6AH两种锂电池进行试验，试验结果表明，IOAH锂电池最大可关仓1 850次，6AH锂电池最大可关仓1 100次。理论上，对于六仓采样系统，两种电池可分别关仓超过300次和150次，图2为两种规格的电池的放电曲线。

2.2.3 专项功能试验

在仿真水深模拟容器内，用电磁阀模拟水深关闭功能，进行压力传感器选型，密封试验和控制系统舱体水密试验。在各单要素试验成功的基础上，进行全要素水密试验。按照模拟不同水深重复上述加压检测试验，控制系统工作正常。

2.3 多仓采样系统结构设计

2.3.1 采样仓设计

采样器容积为1 000 mL，用085x5无缝钢管两端线切割45度角成型，其内径为d =76 mm，中心长/=225mm，设计容积为y=rr/4xd2x/=1 005 （mL）。由于两端仓盖加密封圈，采样器的容积为（1 000+2%） mL，符合规范要求[12-14]。

2.3.2 安装架设计

安装架的设计，要考虑两个方面：①悬挂方式;②采样器关仓时的姿态。关闭顺序要考虑采样过程中采样器的平稳，并尽可能不受水流影响或减少影响[15]。通过模型制作和试验.选定上二下四钻石式结构，即分上、下两层，上层两个仓位，下层4个仓位布置。安装架几何尺寸为长宽高为550 mmx500 mmx700 mm，总重60 kg，安装架示意如图3所示。

3 控制系统设计

控制系统以MCU为核心，通过各类传感器和通讯接口相互配合共同完成智能采样的过程。该系统接口如图4所示。

3.1 控制器软件设计

系统工作流程如图5所示。

3.2 软件主监控窗口设计

软件可以设置采样系统参数，实现传感器的工作状况、各分层取样水深、时间等信息记录、传输等。软件主菜单窗口可实时从控制器中读出控制器的运行状态及异常信息。监控窗口如图6所示。

4 现场试验和实际应用

4.1 现场试验

智能多仓悬移质采样系统于2017年10月、11月，2018年1月先后在长江口横沙通道、徐六泾断面水域进行相关试验。

3次试验结果表明，系统有线和无线通讯正常，其中有线方式验证了采样系统基本功能：①传感器功能;②通讯功能;③关仓功能;④电池耐久性;⑤软件监测检查;⑥水深测量精度验证;⑦绞车升降速度与水深测量精度的优化。

在第三次试验中，同时采用智能多仓采样器和常规采样器六点法采样，分水深10，20 m和42 m不同水深级，采样共20组。两种方法采样平均历时统计表明，智能多仓采样系统的采样历时较常规法至少减少70%.且水深越大，节省的时间越多，工作效率越高，达到了预期目标。

4.2 系统效果分析与应用

2018年1月9日，智能多仓（六仓）悬移质含沙量采样系统研制完成，通过了专家鉴定验收，产品投产。

2018年2月，该系统应用于长江南京河段12.5 m深水航道动态监测第六次测验。采用智能采样系统，连续完成4个全潮共8条垂线的悬移质含沙量取样，共取水样5 760瓶，系统工作正常。

各项指标如下：①可靠性。一次性成功采样的可靠性为90%、補采样的可靠性为100%。②效率。10 m水深的平均采样时间为2 min;20 m水深的平均采样时间为3 min;40 m水深的平均采样时间为5 min。每次采样时间不及常规采样方式的1/3。

5 结语

研发智能多仓悬移质含沙量采样系统，实现采样器系统一次起放就能采集6层（水面、0.2， 0.4，0.6，0.8H和水底）水样，缩短在一条垂线取6层悬移质含沙量的取样时间，减少测船取样时在航道中停留的时间，确保过往顺行船舶的通行安全。

2018年2月，智能多仓悬移质含沙量采样系统在12.5 m深水航道水文监测中全测次应用，系统工况稳定，达到预期效果。

通过调研悬移质采样等相关仪器应用，目前国内外尚无相同设计思路的同类仪器，该型仪器的成功研制并可靠应用，有效填补了该领域的技术空白。在江河海区库区悬移质采样中，尤其是大水深情况下应用效果更好，也可用于缆道水文断面取样，推广价值较好。

参考文献：

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（编辑：唐湘茜）