武廣軍 董方慧

（1.黃河水利委員會山東水文水資源局 山東濟南 250100；2.黃委會山東水文水資源局利津水文站 山東東營 257400）

河流中懸疑質(zhì)泥沙含量是最基本也是最重要的水文數(shù)據(jù)，泥沙測驗是水文測驗中最基礎的一項工作。

現(xiàn)在，黃河各水文站泥沙測驗方法是外業(yè)采取泥沙水樣，內(nèi)業(yè)用置換法處理和計算出泥沙含量。

外業(yè)采樣使用的是老舊橫式采樣器，不僅粗老笨重、耗時費力，且在取樣前還需要用木質(zhì)測深桿先測量出取樣點的水深、取樣位置的水深，用目測橫式采樣器的木質(zhì)提拉桿測深桿上的刻度以確定取樣位置。這些刻畫只是用油漆噴上高度，油漆易磨損、易脫落，木制測深桿笨重、取材難、使用不方便、容易損壞，測量水深時，定位不準，準確性較差，取樣水深數(shù)據(jù)和位置不夠準確，取樣器兩端封蓋還需要人工用手扳開，操作難度大，直接影響到了泥沙數(shù)據(jù)的測驗精度［1］。

為了消除或減少水深測量的誤差、取樣讀數(shù)誤差，便于取樣操作輕便靈活，提高泥沙測驗精度，選擇了既輕便又堅固的材質(zhì)作為測深桿、提拉桿和采樣器，并根據(jù)電子感應和機械自動控制原理，研制了一種黃河泥沙智能型取樣器。

1 設計原理

1.1 水壓力原理

水流中某一點（或水底）的壓強與水深和水的比重成正比，根據(jù)這一規(guī)律，只要測知水底或某一點的壓力，便可求出水深，即：

H［1］：水面到水底或某一點的垂直深度，即水深，單位：m。

P［2］：水底或水流中某一點的壓強，單位：kg/m2。

ρ［3］：水的容重，單位：kg/m3。

1.2 壓力傳感原理

壓力傳感器是在薄片表面形成半導體變形壓力，通過外力（水壓力）使薄片變形而產(chǎn)生壓電阻抗效果，從而使阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電信號。

壓力傳感器一旦制作完成，其受壓面積就是固定值（常數(shù)A，單位：m2），那么，在水中所受壓力與受壓面積和感知到的電壓值之間的關(guān)系是：

式中，U為壓力傳感器獲知的電壓值，f為壓力系數(shù)。由于：

在A為常數(shù)的情況下，令：

則：

故：

令：

式中，ψ為綜合比例系數(shù)（該系數(shù)由水的溫度、密度、實際水深和計算水深比值等綜合因素求得），則：

那么，只要獲知水底或水中某一點壓力傳感器薄片上的電壓值信號，就能換算并得出該點的水深。

1.3 數(shù)據(jù)解算技術(shù)

通過事先編寫好解算程序，嵌入PC 單片機中（特制芯片），在PC 單片機接收到水壓力電阻值信號（U）后，通過計算公式（9）直接轉(zhuǎn)換成水深，并顯示在屏幕上。其中，ψ（綜合比例系數(shù)）是可以通過測深桿刻畫直接讀出的實際水深，輸入到顯示屏幕上后，PC 單片機會自動計算求出，并返回到計算程序中，之后顯示的水深與實際水深一致，消除了含量數(shù)值變化帶來的水深數(shù)據(jù)的誤差。

2 泥沙智能取樣器設計與加工

2.1 總體設計

結(jié)合現(xiàn)在泥沙測驗中水深測量和現(xiàn)場取樣的工作實際，針對現(xiàn)有測深桿測量不準、讀數(shù)困難、準確性較差、刻度易磨損和脫落、人工目測水深、人工用手扳開或關(guān)閉取樣器兩端封蓋、操作耗時費力的實際情況，從提高水深測量精度、智能操作、節(jié)約資金、經(jīng)濟實用的角度考慮，形成了研制智能取樣器的初步構(gòu)思［2］，通過廣泛征求一線測驗職工的意見，形成了總體設計和加工思路。

總體設計如圖1所示：提拉桿桿體采用疊加組合式，刻畫采用激光雕刻涂繪，水深采用壓力傳感和屏幕顯示，取樣器兩端封蓋采用機械自動控制開啟。

圖1 智能取樣器總體設計示意圖

2.2 組件加工

智能取樣器整體組裝完成后的照片如圖2所示。

圖2 智能取樣器整體組裝完成后的實物照片

3 經(jīng)濟和社會效益

3.1 經(jīng)濟效益分析

泥沙智能取樣器總研制費用1.86 萬元，如果批量生產(chǎn)，單價在6000 元以下，按照每套使用壽命20年折算，年攤?cè)氤杀?00元/年。

目前，各水文站泥沙測驗中，泥沙外業(yè)取樣大都采用的是傳統(tǒng)的木質(zhì)提拉桿的橫式采樣器，讀數(shù)標志采用人工刻畫涂漆顯示。

在使用橫式采樣器過程中，讀數(shù)標志容易脫落，導致刻畫不清，需要人工重新刻畫、涂漆；并且，木質(zhì)測深桿容易磨損，尤其是底部磨損后，會造成水深數(shù)據(jù)不準；并且在取樣前，還需要先用木質(zhì)測深桿測量水深后，再計算出泥沙取樣的水深，人工進行目測取樣位置［3］。

假設按每站一年使用老舊的橫式采樣器進行測量作業(yè)，經(jīng)過使用后半年甚至更短時間，油漆刻畫就會模糊不清，需要人工進行刻畫涂漆維護，每年2次維護耗費工時按1d計算，需要人工費200元/年。

1套木質(zhì)提拉桿橫式采樣器桿大約使用5年，每根成本按2600 元/套算，那么每年使用成本為520 元/年，再加上每年維護、刻畫、涂漆的費用200 元/年，那么1套老舊橫式采樣器的費用720元/年。

每年每閘站節(jié)?。?20-300=420元。

據(jù)不完全統(tǒng)計，全國水文站、涵閘站等有上千座，若能全部站點得到推廣應用，年新增利潤：42 萬元（420×1000=420 000）。

3.2 社會效益分析

對于泥沙智能取樣器的應用，水深數(shù)據(jù)自動智能顯示代替了原來的人工觀讀，取樣器兩端封蓋自動開啟或關(guān)閉，減少了人工勞動強度，提高了工作效率，提高了水深測量和泥沙取樣的精度［4］，實現(xiàn)了泥沙取樣工作的機械化和自動化。其是泥沙取樣操作技術(shù)的革新，滿足了黃河工程規(guī)劃設計、防洪決策、治理與開發(fā)利用對含沙量成果資料的需要，社會效益非常顯著［5］。

4 泥沙智能取樣器使用效果

通過在黃委會山東水文水資源局濼口水文站、菏澤黃河河務局供水局蘇閣、楊集引黃水閘近一年的應用，普遍認為泥沙智能取樣器輕便堅固、智能化程度高、電子顯示測量數(shù)據(jù)精確，具有操作簡單、安全性能高、經(jīng)濟實用、易推廣等優(yōu)點，是一款適用于各類水文站泥沙取樣的新型勞動工具［6］。其消除了水深測量的人為讀數(shù)誤差，免除了人工用手開啟取樣器兩端封蓋的麻煩，降低了勞動強度，提高了工作效率，避免了由于水深誤差造成泥沙取樣位置不準而造成的含沙量數(shù)據(jù)精確度低的問題，經(jīng)濟和社會效益顯著。

5 結(jié)語

泥沙智能取樣器采用新材料，利用壓力傳感和機械自動控制原理設計與加工，堅固耐用，經(jīng)濟實用，操作簡便，經(jīng)濟和社會效益顯著，使用效果良好，具有較高的推廣應用價值。