基于红外辐射原理的悬沙含沙量测量方法

基于红外辐射原理的悬沙含沙量测量方法

1基于测试原理的含沙量测量,是一个过程随着电光源技术、光纤技术和电子技术的发展，液体管道试验的应用日益深入。众所周知,泥沙河工模型试验中含沙量是一项重要的测量参数。在天然河流中,悬沙的含沙浓度高低随流域来沙条件、水流条件和边界条件而变化,按含沙模型相似律设计的泥沙模型试验中,为了准确地模拟天然河流中的泥沙运动,必须随时测定模型试验中水体悬沙含沙量,以便及时控制模型试验的各种参数,确保模型试验成果质量。经典的含沙量测量方法是烘干称重法和比重瓶称重法,其测量的精确性绝大程度取决于样品的处理过程,人为因素较大,费时费力,尤其是要求在多点同步测量时更麻烦,且无法获得连续的含沙量变化过程,无法满足随时观测和及时调整控制加沙量的要求。γ测沙仪是应用γ射线穿过物质时,由于同物质发生光电效应和康普顿——吴有训效应等,射线强度随被测物质的增加而呈指数衰减的原理而制作的,可以测量高含沙量水体,最高可达1000kg/m3,受电源和温度的影响较小,但成本高,且需用放射性元素镅源。红外测沙仪的原理是:当红外发射光通过电流能量形成激励电子在能级E1和E2之间的跃迁过程中伴随波长λ的光波发射,其发射源功率辐射到含沙水体中与被测媒体透射功率、吸收功率和反射功率等产生能量守恒,最后转换得出探测器输出电压与含沙量浓度的关系式。该测沙仪含沙量测量可达30kg/m3,但其温度特性较差。南京水利科学研究院三峡坝区泥沙模型试验含沙量最高约7kg/m3,三峡回水泥沙模型试验和长江航道规划设计研究院的芦家河泥沙模型试验含沙量最高约10kg/m3,模型试验中对含沙量测量精度要求高,并要求长时间连续观测(最长时间达几十昼夜)。旧式测沙仪传感器的光源用一般的白炽灯泡,长时间照射受温度影响较大,灯泡的更换使入水的传感器时常拆封和再密封,发光源受潮会产生测量不稳定,再则因光源的光通量小,在含沙量稍大时,光电转换器已无法接受到入射光强。为了提高测试精度和测量范围,并能随时计算、显示、打印出含沙量,特研制了以可调冷光源作为光电转换的发光源,以光谱损耗和传输损耗较小的玻璃光纤束传输光的传感器探头以及用高精度测读放大电路和智能模块组成的新型LGY-Ⅲ型智能测沙颗分仪,应用于几个国家重点科技攻关项目,取得了良好的效果。2传感器的光催化反应2.冷光源含沙量测量传感器设计应用了光电测沙原理:即泥沙在光的作用下,其原子和分子所含能量以各种方式与光相互作用产生吸收效应。光的辐射功率沿着传播轴线衰减,通过含沙水层的光通量发生变化,并基本符合朗伯比尔定律:Fi=F0e−KNAL其中:Fi——通过含沙水层的光通量;Fo——通过清水的光通量;K——消光系数(与光波波长λ、颗粒折光系数m,粒径d等因素有关);N——单位水体泥沙颗粒数;A——颗粒的投影面积;L——透过含沙水体的厚度。光电测沙原理的应用就是采用光电转换器件,用相对测量的方法,使通过清水的光通量F0转换为电信号V0,通过含沙水体的光通量Fi转换为电信号Vi,再经一系列转换最后得出含沙量与电信号关系式:Vi=V0e−Kc/d其中:Vi——通过含沙水体的电信号;V0——通过清水的电信号;K——系数;C——含沙量(kg/m3);d——泥沙粒径(mm),在泥沙有级配情况下,取级配曲线上d50数值。由此可见,应用光电测沙原理测量含沙量,为了确保测量精度和测量范围,必须要有不随时间变化的、稳定的、光照度较大的入射光强。发光源的入射光波长λ、入射光强以及光源长时间照射而产生温升均与光电转换器件的转换效果和精度直接相关。为此,特设计了20W可调冷光源作光电转换器的光源,其灯泡选用了体积小、寿命长、光效高、光色好、光输出稳定的WJL35型微型聚光卤钨灯,最大光强达5000cd,发光效率是普通白炽灯的5～8倍。一般普通白炽灯泡内充氩气和氮氩混合气,提高充气气压受到泡壳强度和制造工艺的限制,随着时间用长,泡壳逐渐发黑是难以避免的,由此产生的光强的变化直接影响到光电转换的精度,而卤钨灯采用卤素再生循环原理:W+nX⇌高温低温WXn式中:W——钨原子;X——卤素原子;WXn——卤素化合物分子。当温度高时,反应朝着有利于卤钨化合物分解的方向进行,当温度低时,反应朝着生成卤钨化合物的方向进行,即卤钨灯的管壁温度始终低于卤素的反转温度,消除了长时间使用而产生的玻壳发黑现象,达到了光效高、光衰小的目的。为了达到较好的聚光效果,选用了JF35型聚光镜,其焦距为20mm,聚光斑≤10mm。含沙量测量传感器结构示意图如图1所示。在卤钨光源的聚焦点处,安装了光纤束电缆,光缆的另一端安装在入水的传感器探头上,这样避免了发光源直接入水产生密封不良而受潮,致使测量不稳定的现象,也避免了发光源灯泡更换和维修带来的不断拆封和再密封的麻烦。不同的光纤对光的传输损耗、光谱损耗差别较大,石英光纤的光谱性能和传输性能最好,但价格昂贵。在实际使用时,发光源至传感器探头的光纤束长度一般不超过1m,玻璃光纤在该范围内传输效果达80%以上,另外玻璃光纤还具有机械强度高、弯曲性能好、价格适中等优点,为此,传感器光的传输选用了玻璃光纤束,外圈加以柔软的PVC护套。传感器探头外径为Ø40mm,内径为Ø30mm,长50mm。透镜和硅光伏探测器密封装在一起,直径为Ø10mm的玻璃光纤束缆与其安装间距10mm,这样以利硅光伏探测器在含沙量很高的水体中也能感受到一定的入射光强,否则间距过大,入射光源与光接受器部分所含水体厚,泥沙颗粒前后遮光多,光吸收、折射也多,光电转换后的电信号太小,点子分布线性度差。玻璃光纤输出光扩展角37°,经透镜成平行光照射在硅光伏探测器上,再经光电转换成电信号量输出。3a/d转换电路由于泥沙模型试验时间长,有时需连续几十昼夜试验,模型进口含沙量又是一个需要时刻监测、计算和控制的重要内容,为此研制了高集成化的单片机系统智能测沙仪,其电路工作框图如图2所示。根据发光源WJL35型卤钨灯要求,专门设计、安装了内含过流限制、过热保护和过负荷保护功能的LM350K集成稳压器组成的高性能可调稳压电源,并设计了高精度运算放大器组成的信号放大电路。A/D转换器选用了4位半双积分式ICL7135A/D转换器。为防止电场、磁场干扰,A/D转换电路与单片机系统的信号传输采用了光电耦合隔离。单片机选用89C52芯片,其内含8KE2ROM和128字节RAM。为了能显示、保存日历时钟和有关参数,特设计安装了以DS1302芯片组成的时钟日历电路,其内含31个字节的存储器,在关机后,可以保留日期、时钟、常系数和一些有关信息。当再次开机后,这些必需的参数就不必重新从键盘输入。另外,为了方便实现智能测沙仪与计算机之间的数据通讯,特设计预留了RS-232串行接口电路。显示器选用了8位数码管显示。键盘设计为凸起、有手感的薄膜立体键盘,其有良好的密封性能,并能有效地防止灰尘、水渍及油污的侵蚀,大大提高了键盘及仪器面板的可靠性、美观性和使用寿命。打印机接口为并行接口,采用标准CENTRONICS接口信号,用户可以根据现场测试需要配接微型打印机或一般通用打印机。4基于lgy-型智能测沙颗粒测量模型试验vsLGY-Ⅲ型智能测沙颗分仪开机后,按下Time键,即可显示当前的年、月、日和时、分、秒,作时钟显示。由键盘输入需要实时打印含沙量的间隔时间ΔT和常数K值等(如以前已输入这些参数,且本次不需要修改,则该过程可以省略,因该智能仪器有记忆功能,已自动将这些参数存储在系统的记忆单元内),再按下功能方式A键,进入测沙功能,连续采集、计算、显示模型进口的含沙量,并按设定的间隔时间一一打印出测量时刻、测量信号和含沙量。其中系数K按下式计算:K=C(称重值)lnV清V混式中:C——含沙量(kg/m3);V清——在清水中的电信号;V混——在混水中的电信号;K——系数。含沙量按下式计算:C=K×lnV清V混编程时对数计算采用了对数的幂级数展开,即LGY-Ⅲ型智能测沙颗分仪曾作了数百个小时的稳定性试验和性能对比试验,试验结果表明其稳定性能和测量精度均较以往的测沙仪好,并先后成功地应用于前述的两个国家重点科技攻关项目,由于该智能仪器能连续准确实时地测量显示、计算打印出模型进口的含沙量,使模型试验可以即时调整、控制加沙量和调节有关参数。图3为模型试验应用智能测沙仪前后含沙量测量及控制变化过程线,从这两组试验资料可以看出,应用智能测沙仪后,模型试验的含沙量测量精度高而且含沙量控制较以往平稳,大大提高了模型试验的控制精度,确保了试验成果质量和科研水平的提高。LGY-Ⅲ型智能测沙颗分仪除了可以测量含沙量外,还具有颗分仪功能。在泥沙模型试验中,做一次全颗分一般需要90分钟,即5400s,在这段时间内需要采样15次,分别是在第5s、15s、30s、60s、120s、180s、300s、600s、900s、1200s、1800s、2700s、3600s、4500s和5400s的15个时刻采样。因颗分仪传感器采用光电转换原理,光电转换后输出信号与测沙仪传感器输出信号相同,所以按下LGY-Ⅲ型智能测沙颗分仪功能B键,即进入颗分功能,可以实时采集、显示、打印全颗分时段内的采样值,并按要求计算、打印成表。5