黄河泥沙智能取样器的研制与应用

武广军 董方慧

（1.黄河水利委员会山东水文水资源局 山东济南 250100；2.黄委会山东水文水资源局利津水文站 山东东营 257400）

河流中悬疑质泥沙含量是最基本也是最重要的水文数据，泥沙测验是水文测验中最基础的一项工作。

现在，黄河各水文站泥沙测验方法是外业采取泥沙水样，内业用置换法处理和计算出泥沙含量。

外业采样使用的是老旧横式采样器，不仅粗老笨重、耗时费力，且在取样前还需要用木质测深杆先测量出取样点的水深、取样位置的水深，用目测横式采样器的木质提拉杆测深杆上的刻度以确定取样位置。这些刻画只是用油漆喷上高度，油漆易磨损、易脱落，木制测深杆笨重、取材难、使用不方便、容易损坏，测量水深时，定位不准，准确性较差，取样水深数据和位置不够准确，取样器两端封盖还需要人工用手扳开，操作难度大，直接影响到了泥沙数据的测验精度［1］。

为了消除或减少水深测量的误差、取样读数误差，便于取样操作轻便灵活，提高泥沙测验精度，选择了既轻便又坚固的材质作为测深杆、提拉杆和采样器，并根据电子感应和机械自动控制原理，研制了一种黄河泥沙智能型取样器。

1 设计原理

1.1 水压力原理

水流中某一点（或水底）的压强与水深和水的比重成正比，根据这一规律，只要测知水底或某一点的压力，便可求出水深，即：

H［1］：水面到水底或某一点的垂直深度，即水深，单位：m。

P［2］：水底或水流中某一点的压强，单位：kg/m2。

ρ［3］：水的容重，单位：kg/m3。

1.2 压力传感原理

压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（水压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。

压力传感器一旦制作完成，其受压面积就是固定值（常数A，单位：m2），那么，在水中所受压力与受压面积和感知到的电压值之间的关系是：

式中，U为压力传感器获知的电压值，f为压力系数。由于：

在A为常数的情况下，令：

则：

故：

令：

式中，ψ为综合比例系数（该系数由水的温度、密度、实际水深和计算水深比值等综合因素求得），则：

那么，只要获知水底或水中某一点压力传感器薄片上的电压值信号，就能换算并得出该点的水深。

1.3 数据解算技术

通过事先编写好解算程序，嵌入PC 单片机中（特制芯片），在PC 单片机接收到水压力电阻值信号（U）后，通过计算公式（9）直接转换成水深，并显示在屏幕上。其中，ψ（综合比例系数）是可以通过测深杆刻画直接读出的实际水深，输入到显示屏幕上后，PC 单片机会自动计算求出，并返回到计算程序中，之后显示的水深与实际水深一致，消除了含量数值变化带来的水深数据的误差。

2 泥沙智能取样器设计与加工

2.1 总体设计

结合现在泥沙测验中水深测量和现场取样的工作实际，针对现有测深杆测量不准、读数困难、准确性较差、刻度易磨损和脱落、人工目测水深、人工用手扳开或关闭取样器两端封盖、操作耗时费力的实际情况，从提高水深测量精度、智能操作、节约资金、经济实用的角度考虑，形成了研制智能取样器的初步构思［2］，通过广泛征求一线测验职工的意见，形成了总体设计和加工思路。

总体设计如图1所示：提拉杆杆体采用叠加组合式，刻画采用激光雕刻涂绘，水深采用压力传感和屏幕显示，取样器两端封盖采用机械自动控制开启。

图1 智能取样器总体设计示意图

2.2 组件加工

智能取样器整体组装完成后的照片如图2所示。

图2 智能取样器整体组装完成后的实物照片

3 经济和社会效益

3.1 经济效益分析

泥沙智能取样器总研制费用1.86 万元，如果批量生产，单价在6000 元以下，按照每套使用寿命20年折算，年摊入成本300元/年。

目前，各水文站泥沙测验中，泥沙外业取样大都采用的是传统的木质提拉杆的横式采样器，读数标志采用人工刻画涂漆显示。

在使用横式采样器过程中，读数标志容易脱落，导致刻画不清，需要人工重新刻画、涂漆；并且，木质测深杆容易磨损，尤其是底部磨损后，会造成水深数据不准；并且在取样前，还需要先用木质测深杆测量水深后，再计算出泥沙取样的水深，人工进行目测取样位置［3］。

假设按每站一年使用老旧的横式采样器进行测量作业，经过使用后半年甚至更短时间，油漆刻画就会模糊不清，需要人工进行刻画涂漆维护，每年2次维护耗费工时按1d计算，需要人工费200元/年。

1套木质提拉杆横式采样器杆大约使用5年，每根成本按2600 元/套算，那么每年使用成本为520 元/年，再加上每年维护、刻画、涂漆的费用200 元/年，那么1套老旧横式采样器的费用720元/年。

每年每闸站节省：720-300=420元。

据不完全统计，全国水文站、涵闸站等有上千座，若能全部站点得到推广应用，年新增利润：42 万元（420×1000=420 000）。

3.2 社会效益分析

对于泥沙智能取样器的应用，水深数据自动智能显示代替了原来的人工观读，取样器两端封盖自动开启或关闭，减少了人工劳动强度，提高了工作效率，提高了水深测量和泥沙取样的精度［4］，实现了泥沙取样工作的机械化和自动化。其是泥沙取样操作技术的革新，满足了黄河工程规划设计、防洪决策、治理与开发利用对含沙量成果资料的需要，社会效益非常显著［5］。

4 泥沙智能取样器使用效果

通过在黄委会山东水文水资源局泺口水文站、菏泽黄河河务局供水局苏阁、杨集引黄水闸近一年的应用，普遍认为泥沙智能取样器轻便坚固、智能化程度高、电子显示测量数据精确，具有操作简单、安全性能高、经济实用、易推广等优点，是一款适用于各类水文站泥沙取样的新型劳动工具［6］。其消除了水深测量的人为读数误差，免除了人工用手开启取样器两端封盖的麻烦，降低了劳动强度，提高了工作效率，避免了由于水深误差造成泥沙取样位置不准而造成的含沙量数据精确度低的问题，经济和社会效益显著。

5 结语

泥沙智能取样器采用新材料，利用压力传感和机械自动控制原理设计与加工，坚固耐用，经济实用，操作简便，经济和社会效益显著，使用效果良好，具有较高的推广应用价值。