定体积流体质量连续称量泥沙含量测量装置

摘要

本发明公开了一种定体积流体质量连续称量泥沙含量测量装置，涉及测量技术领域，包括：外腔套及与外腔套形成一体的内腔管，内腔管与外腔套之间形成外腔；所述内腔管的出水口位于所述外腔套内，所述外腔套上连接有拉力传感器，所述外腔套上设有至少一个滚动轴承，所述外腔套上设有外腔出水口，所述外腔出水口处设有与外腔套连接的出水控制装置，用于监测和控制所述外腔中的压力，所述外腔套上设置有进排气阀。本发明实现了连续高精度的泥沙含量在线测量。

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种定体积流体质量连续称 量泥沙含量测量装置。

背景技术

径流含沙量是土壤侵蚀、水土保持、水文研究与河流泥沙检测的 重要内容。含沙量的现场快速、实时准确测量是目前亟待解决的问题。

目前，测量含沙量的方法较多，由于其测量原理不同，测量适用 的范围和精度也不同，加之现有测量方法中还有一些方法处于研究探 索阶段，在实际测量条件下可采用的方法并不多。根据测量原理的不 同，含沙量测量方法可分为：直接测量方法和间接方法。直接测量方 法包括烘干法和比重法。烘干法采用一定数量的样品，人工烘干后计 算含沙量，烘干法测量含沙量被认为是目前最准确的方法之一。但该 方法无法测量泥沙含量的连续变化过程，且费工费时。比重法是根据 泥沙对比重的影响来确定含沙量，测量时可采用比重计，也可用天平 和量筒进行测量；就测量精度而言，烘干法比比重法精度更高。比重 法同样存在测量过程繁琐等缺点。

为了能及时，快速测量含沙量，在经典测量方法的基础上发展了 很多间接测量方法，目前主要有红外线法、分光光度法、超声波法、 γ射线法等，其中分光光度法和红外线法可测量的含沙量极低，径流 含沙量变化幅度较大时误差较大。由于超声波法会对水流造成扰动而 改变其原有的动力学特征，且含沙量越大改变也越大，使得超声波法 测量泥沙含量的范围较窄，更适合于低含沙溶液的测量。γ射线法的 测量精度较高，但由于不符合环保和安全性要求，应用受到很大的限 制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何精确且连续地测量流体中的含 沙量。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种定体积流体质量连续称 量泥沙含量测量装置，包括：外腔套及与所述外腔套形成一体的内腔 管，内腔管与外腔套之间形成外腔；

所述内腔管的出水口位于所述外腔套内；

所述外腔套上连接有拉力传感器；

所述外腔套上设有至少一个滚动轴承；

所述外腔套上设有外腔出水口，所述外腔出水口处设有与外腔套 连接的出水控制装置，用于监测和控制所述外腔中的压力；

所述外腔套上设置有进排气阀。

其中，所述外腔套包括形成一体的三部分：第一套管、第二套管 及第三套管，所述第一套管的管口大于第二套管的管口，所述第三套 管密封连接第一套管和第二套管；所述拉力传感器连接在第一套管 上，外腔出水口设置在第二套管上，滚动轴承设置在第二套管上。

其中，所述第二套管为L形。

其中，所述内腔管的进水口处设有V形密封圈。

其中，所述出水控制装置包括：与第二套管连接的出水集流装置， 所述出水集流装置上设置有压力传感器和电控节流阀。

其中，出水集流装置与第二套管连接处设有V形密封圈。

其中，所述外腔套的第二套管上设有两个滚动轴承。

其中，所述第一套管、第二套管、内腔管的截面为圆形，所述第 三套管为圆台形。

(三)有益效果

本发明的装置能够实现了连续高精度的泥沙含量在线测量，并且 测量精度不受泥沙颗粒级配与形状的影响；装置具有结构简单，价格 低廉，方便实用，工作可靠的特点。

附图说明

图1是本发明实施例的一种定体积流体质量连续称量装置结构示 意图；

图2是图1中装置沿B向的结构示意图；

图3是图2中装置沿A-A的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参考图1、图2和图3，本发明的定体积流体质量连续称量泥沙含 量测量装置包括形的外腔套6及与外腔套6形成一体的形的内腔管5， 内腔管5与外腔套6之间形成外腔14。内腔管5的出水口7位于外腔套6 内，外腔套6上连接有拉力传感器12，外腔套6上设有至少一个滚动轴 承2，外腔套6上设有外腔出水口9，外腔出水口9处设有与外腔套6连 接的出水控制装置，用于监测和控制外腔14中的压力，外腔套6上设 置有进排气阀13。

进一步地，外腔套6包括形成一体的三部分：第一套管601、第二 套管602及第三套管603，优选第二套管602为L形，因此整个外腔套6 也为L形，与外腔套6形成一体的内腔管5也为L形。第一套管601的管 口大于第二套管602的管口，所述第三套管603密封连接第一套管601 和第二套管602。内腔管5的出水口7位于第一套管601内。外腔套6的 第一套管601连接有拉力传感器12。外腔套6的第二套管602上设有至 少一个滚动轴承2，本实施例中设有两个滚动轴承2。整个装置的一端 通过滚动轴承2固定于支架4上(有两个滚动轴承2，因此可以改变固 定位置)，并且可以绕滚动轴承2的轴线转动；另一端通过拉力传感器 12悬挂在支架4上。在外腔套6的第二套管602上设有外腔出水口9，所 述外腔出水口9处设有与第二套管602连接的出水控制装置，用于监测 和控制所述外腔14中的压力。出水控制装置具体包括：出水集流装置 3，出水集流装置3上设置有压力传感器10和电控节流阀11。

内腔管5的进水口1处设有V形密封圈8；出水集流装置3与第 二套管602连接处也设有V形密封圈8。V形密封圈8的设置可以最 大程度的减小对流体密度测量精度的影响，并且可以在称量体上下游 建立压力时保持良好的密封性。

本发明装置的第一套管601、第二套管602、内腔管5的截面可 为圆形，长方形，正方形或其它形状，并且内腔管5的截面形状可以 不与第一套管601和第二套管602保持一致，为了在工作时方便计算 装置中的径流体积，优选第一套管601、第二套管602、内腔管5的 截面为圆形，且第三套管603为圆台形。

通过本发明装置的特定结构，保证本发明装置可绕滚动轴承2的 固定轴线旋转，并且回转支撑、进水口1与出水集流装置3对装置的旋 转阻力极小。上述装置中各部件协同工作，实现定体积流体连续高精 度的质量称量。

装置测量状态的建立过程为如下：

将拉力传感器12的一端固定，并将其中一个滚动轴承2固定。电 控节流阀11关闭，经过加压的泥水混合流体经进水口1进入内腔管5， 进排气阀13开始排气；当装置内充满流体时，进排气阀13关闭。压力 传感器10将装置内的压力实时反馈给监测控制系统，通过调整电控节 流阀11的开度，确保装置内的压力始终位于V形密封圈8最佳密封压力 范围内。经过加压的泥水混合物经进水口1进入本发明装置的内腔管 5，经过内腔出口7、外腔14、外腔出口9与电控节流阀11离开装置； 在此过程中，拉力传感器12的拉力增量F与称量体内泥水混合物的质 量M平衡，根据力学相关知识，F＝cM，c为仅与装置结构参数有关的 常数，可以通过事先标定来计算c，即将拉力传感器12和将其中一个 滚动轴承2固定后，向装置中充入一定质量的液体后，得到拉力传感 器12测得的拉力，从而计算出c。根据以下标定公式计算出泥水混合 流体的泥沙含量。

设发明装置中的径流体积为V，其质量为M，径流中的泥沙含量 为x(质量含量)。水的密度为1kg/L，径流中的泥沙颗粒密度为ρ_t。上 述参数满足下式：xM/ρ_t+(1-x)M＝V。由上式可以导出：

$x=\frac{1}{1-\frac{1}{{\rho }_t}}-\frac{V}{1-\frac{1}{{\rho }_t}}\times \frac{1}{M}---\left(1\right)$

公式(1)为利用定体积质量称量法测量泥沙含量的基本公式。 式(1)中，M与装置中的拉力F成正比，设M＝cF，c为与装置中的 具体结构参数相关的常数。将上述的两式合并得：

$x=\frac{1}{1-\frac{1}{{\rho }_t}}-\frac{V}{(1-\frac{1}{{\rho }_t})c}\times \frac{1}{F}---\left(2\right)$

式(2)中，c与V具体到某一测量装置的结构参数均为常数；而ρ_t为某一区域的泥沙颗粒密度，它与该地区的成土母质有关，也近似为 一常数。则(2)可以进一步简化为：

$x=a-\frac{b}{F}---\left(3\right)$

式(3)中的常数a与b可以用一组已知的x与F(拉力传感器读数) 现场标定。

该发明装置能够连续称量一定体积的泥水混合物的质量，通过标 定公式，计算出径流的泥沙含量。该发明测量精度不受径流中泥沙粒 径分布等影响，可实现径流泥沙的高精度连续测量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也属于本发 明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。