乾坤袋式悬移质泥沙采样器的设计与试验研究

韩尚尚，肖柏青，陈要平

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

我国水土流失已危及到人民的生命财产和生存空间，近些年在长江和其他流域发生的特大洪水已发出了警告[1]。环境和防洪部门迫切需要准确的泥沙输移数据，而提供数据的水文部门，如何准确无误又及时采集水样，是多年来遇到的一大难题。所以，需重要新研制一种准确、经济、实用的新型悬沙采样仪器。

悬移质泥沙采样器主要可分为积时式和瞬时式泥沙采样器两大类：积时式泥沙采样器主要有皮囊式、调压式、瓶式三种；而瞬时式泥沙采样器最常用的是横式采样器[2]。我国水文站网目前普遍采用的悬移质泥沙采样装置为横式采样器和瓶式采样器，美国、德国等国家主要使用调压式采样器[3]。然而，横式采样器取得的是瞬时水样，水样的代表性较差[4]；瓶式采样器的进口流速与河水天然流速容易产生较大差异；调压式采样器结构复杂，稳定性较差[5-6]。而且悬移质泥沙采样时需要的水样较多，一般一次需要采集1000 mL以上的水样。为此目前常用的采样器均配有一个大容量水样筒，使得采样器体型较为庞大。为克服这种体积大又中空的采样器不能下沉到指定位置的问题，通常需配置50 ～300 kg 的铅鱼来稳定仪器。这便导致整套泥沙采样器比较笨重，需要配置大型的专用的水文绞车或水文缆道来辅助其工作，很难做到徒手操控取样。而且整个悬移质采样工作费时费力，效率低下。美国在2017 年研制了TIMS 采样器[8]，但主要适应于潮汐环境中悬浮沉积物。在2020 年，我国研制了“双筒式河流悬移质即水质样品采集器”，它属于横式采样器，是目前相对而言最新的悬移质泥沙采样器，但其总重在70 ～180 kg，较为笨重[9]。技术人员研制的淤泥取样装置，虽然仪器重量较小，但不能采集悬移质泥沙[10]。

总之，悬移质泥沙测验仪器的研发正处在瓶颈时期，新兴的各种测沙仪虽然使用方便，但是难以应对各种复杂的水沙条件，测量精度难以保证；传统的悬移质采样器已使用数十年之久，笨重的悬移质采样器使得泥沙测验费时费力，技术人员研发了近百种悬移质采样器，都没有突破悬移质采样器又重又大的困境。

乾坤袋式悬移质泥沙采样器很好地解决了传统泥沙采样器重量大、采样效率低下的问题，它的优点在于将采样与过滤合二为一，降低了水样容器的体积和重量。乾坤袋式悬移质泥沙采样器具有良好的科学性和先进性，优点突出，能很好地解决悬移质泥沙采样费时费力的现实问题，可满足水文测站和科研机构的有关需求。

1 结构设计

1.1 乾坤袋式悬移质泥沙采样器工作原理

乾坤袋式悬移质泥沙采样器的工作原理是依据蠕动泵抽水流量可保持恒定的特性，直接根据抽水时间和抽水流量来确定水样体积，将抽取的水样引入到滤网型水样袋中进行水样过滤和泥沙蓄存，在水样体积已知的情况下将蓄存泥沙取出、称量即可完成含沙量的测量。该方法将采样与过滤合二为一，大大降低了采样器的体积和重量，达到以小体积容器来盛装无限多水样的目的。此外，笔者在动量定理的基础上，利用压力传感器测得水流冲击受力板前后的压力差以及单片机的控制功能，设计出了一种流速传感器，实现了采样器进口流速与河流天然流速基本一致的目的。

1.2 乾坤袋式悬移质泥沙采样器组成

乾坤袋式悬移质泥沙采样器主要由蠕动泵、滤网型水样袋、单片机系统、进水管、出水管、流速传感器和配重等组成。本采样器的三维模型图如图1 所示。

图1 采样器三维模型图

（1）蠕动泵。蠕动泵是一种恒流泵，在确定转速时蠕动泵抽水流量恒定，为此可根据采样历时和抽水流量来确定水样体积[11]。乾坤袋式悬移质泥沙采样器中的蠕动泵为大流量组装型蠕动泵，采用直流减速电机，电压为24 V，配有专用的硅胶泵管，此蠕动泵的最大流量可达3700 mL/min。蠕动泵的泵管与进水管和出水管相连，进水管和出水管均采用不锈钢管制作，其内径为7 mm。在这种组合下，进水管内最大流速可达到1.6 m/s。

（2）滤网型水样袋。滤网型水样袋由孔径约为0.03 mm（30 μm）的不锈钢网布材料制成，与传统的泥沙水样过滤所用定量滤纸（孔径为30 ～50 μm）的孔径相当。蠕动泵抽取的水样进入滤网型水样袋后，其中的绝大部分水体和极细泥沙被过滤掉，剩余泥沙滞留在滤网型水样袋中，后期再进行烘干、称重处理。

（3）流速传感器。流速传感器利用动量定理设计，包括受力板、传力杆、套管、防水套、密封舱、压力传感器和HX711 芯片等组件。受力板将受到的水流冲击力通过传力杆传递给压力传感器，压力传感器和HX711 芯片联合工作，测量出该冲击力大小，根据事先率定的冲击力与水流流速之间的拟合公式，可确定外界流速。套管采用直线轴承，其内径与传力杆粗细相配套，套管对传力杆起到支撑作用，并假设传力杆移动时所产生的摩擦力可忽略不计。防水套由软质乳胶指套加工制作，保证在防水的同时不会对传力杆的移动产生阻碍。受力板直径为40 mm，压力传感器采用量程为100 g、精度为0.01 g 的悬臂梁式压力传感器，由动量定理可算出，在应用该型号的压力传感器时，流速传感器的流速测量精度能够达到0.01 m/s，量程为0.88 m/s。

（4）单片机程序设计。单片机的功能为实现对蠕动泵抽水流量的自动控制。单片机主体是一个型号为STM32F103ZET6 的中央芯片，它与L298N 电机驱动模块、HX711 芯片等组件联合工作。其工作原理为：单片机接收压力传感器通过HX711 芯片所传递的数据，根据单片机内部事先设定好的水流冲击力与蠕动泵转速的对应关系，采用脉冲宽度调制（PWM）方法，通过L298N 电机驱动模块来调节蠕动泵的转速，使得采样器的进口流速等于测量位置处的河流天然流速。利用单片机实现调速，需输出两个逻辑信号和一个PWM 信号，故采用其通用定时器3 的通道2 输出PWM，利用PA4 接口和PA5 接口输出逻辑信号。HX711 芯片的SCK（同步时钟）和DOUT（数据输出）端口分别设定为PE0 接口和PE1 接口进行信号读取。

本采样器组成硬件的连接与信号传递关系如图2 所示，其中蠕动泵、压力传感器和HX711 封装在一个有机玻璃材质的外壳中，可放入水下；单片机、L298N 电机驱动模块和直流电源通过电线与封装好的硬件相连接。

图2 采样器硬件结构组成图

2 实验研究

2.1 蠕动泵转速自动调节

该采样器在应用前，为实现自动控制进水流速与天然流速相同的目的，进行了蠕动泵转速与进口流速的拟合，如图3 所示；以及流速传感器测得的天然流速与压力信号的拟合，如图4 所示。最后令进口流速与天然流速相等，得到蠕动泵转速与压力信号之间的对应关系式。

图3 进口流速v 与转速信号s 的关系图

图4 天然流速v 与压力P 的关系图

其中，蠕动泵转速与进口流速的拟合关系式为：

其中，s表示表示转速信号；v表示流速，cm/s。

据实验测得的水流天然流速与对应压力信号，得到两者的函数关系如图4 所示，水流天然流速由便携式流速仪测量得到。

二者的拟合关系式为：

其中，P表示压力，g。

联立（1）（2）两式，可以推求出蠕动泵转速s与压力信号P之间的对应关系式为：

将式（3）代入到编写的程序中，即可通过单片机与流速传感器、蠕动泵的联合工作实现自动调节蠕动泵转速控制采样器的进口流速与天然流速相等的目的。

2.2 泥沙采样与分析过程

（1）将采样器主体放入指定位置，启动仪器。

（2）采样器自动采样，一定的采样历时后，关闭仪器完成采样。

（3）取下水样袋，将其放入烘干箱中烘干采集的沙样，称重，得到沙样质量M。

（4）根据蠕动泵流量Q和和采样历时T，计算出采样点位置处悬移质泥沙的含沙量C，计算公式为：

2.3 主要技术指标

乾坤袋式悬移质泥沙采样器的测速时长一般≤50 s，最大宽度为0.1 m，采样时间≥100 s，最大长度≤0.5 m，主要的技术指标见表1。

表1 主要技术指标[7]

3 仪器特点分析

3.1 仪器的使用

利用船舶等工具来到测量水域的采样点上方，通过牵引绳将采样器主体下放到水下指定的采样点位置，工作人员手持本作品的控制端（带有显示屏的单片机），采样器主体与控制端之间有信号线连接，通过控制端启动流速传感器和蠕动泵，流速传感器自动测量出采样点的水流流速，并将信号传给单片机，单片机根据事先率定的蠕动泵转速与进口流速的对应关系，自动设定蠕动泵转速和流量，使得进口流速等于采样点水流流速，在此条件下蠕动泵抽取水样。假设蠕动泵流量为Q，需要的水样体积为V，则采样历时T取为水样采集时间超过该采样历时后，关闭蠕动泵，将采样器主体提出水面，拆卸下滤网型水样袋，将水样袋中的水样烘干、称重，得出干泥沙质量M。由蠕动泵流量Q采样历时T和泥沙质量M，计算出采样点位置处悬移质泥沙的含沙量C，计算公式为：总体来说，本作品使用简单，工作人员将仪器下放到指定位置后，只需要启动和关闭仪器就可以了，本采样器能够自动完成采样和数据记录工作。

3.2 仪器的创新特色

乾坤袋式悬移质泥沙采样器的特色主要体现在以下4 个方面：

（1）通过单片机控制蠕动泵，保持抽水流量恒定，由抽水流量和抽水时间确定水样体积。打破了悬移质采样器需将全部水样取出测量水样体积的思维定势，采样的同时即可完成水样体积测定；并配以滤网型水样袋，实现将采样与过滤合二为一，无需设置一个大容量的容器来保存水样，大大降低了采样器的体积和重量。

（2）根据动量定律设计了一种冲量式流速传感器，它根据所受水流冲击力大小来测算流速。其结构简单，主要部件为市场上常见的称重传感器，价格低廉。它较好地解决了传统流速仪价格昂贵、难以与单片机联合工作的问题。

（3）单片机联合流速传感器与蠕动泵，完成自动调速，实现采样器进口流速与河水天然流速保持一致，提高了采样精度。

（4）采样器水下部分长度小于0.5 m，最大宽度为0.1 m，迎水面积不到0.02 m2；采样器配重为5 kg，整个采样器的重量不足8 kg。该重量与传统的悬移质泥沙采样器重量相比，减轻了一个数量级。

3.3 现存问题与改进方案

乾坤袋式悬移质泥沙采样器适用河流流速范围较小，可测最大流速仅有0.88 m/s，不能满足全年流速变化较大的河流。蠕动泵、HX711 芯片和压力传感器均置于采样器内部，跟随采样器入水，需严格密封，否则易出现采样器内部湿度过大，影响压力传感器灵敏度以及进水生锈减少寿命等问题。

针对这些问题，可采取的解决方案为：乾坤袋式悬移质泥沙采样器的适用流速范围与蠕动泵抽水流量以及压力传感器量程有关。需要测量流速较大的河流时，可基于抽水流量更大的蠕动泵和量程更大的压力传感器来制作采样器。最终实现不同测沙需求采用不同规格的采样器。

对蠕动泵、HX711 芯片和压力传感器进行独立封装设置并在内部放置适量干燥剂以保证压力传感器的正常运行。此外，对这部分进行可拆分设计，以防意外进水后可及时更换部件，保证测沙的正常进行。

4 结语

乾坤袋式悬移质泥沙采样器体积小巧，重量轻，精确度高，方便携带和使用，可单人徒手操控取样。同时，乾坤袋式悬移质泥沙采样器不需要升降支架的辅助，在地形复杂的地区仍可较好的完成水样采集工作，从而大大提高了采样的工作效率。并且，此采样器的轻便化设计也符合当前水文设备的发展方向。乾坤袋式悬移质泥沙采样器投入使用，能够很好地解决泥沙测验和水文部门缆道采集水样的难题，对推动我国水文事业的发展具有重要的意义。