強場極測沙儀原型機試驗研究

張永平 牛長喜 李德貴 張健 宋長春

摘要：為解決高含沙洪水泥沙在線監測問題，提升泥沙監測技術，為暴雨洪水水文監測系統能力建設提供技術支撐，研制了強場極測沙儀。儀器研發過程中解決了儀器結構、材料選擇、信號干擾、相關附件研制、試驗裝備研制等問題。試驗證明儀器采集的信號可穩定到較高的水平。通過試驗掌握了儀器數據采集與極板面積、間距、材質、結構尺寸的關系：①清水溫度與電壓成二次多項式關系;②小于極板面積閾值時電容值與極板間距關系不大，大于該閾值時電容值隨極板間距的增大而減小;③極板間電容必須達到一定數值，極板間電容才與含沙量有相關關系;④170mm×400mm（寬度×長度）極板電容為948pF時對含沙量的反應仍不明顯;⑤含沙量與電容的關系一般為三次曲線，含沙量數值不大時則表現為二次曲線;⑥合適的極板材料才能使儀器對含沙量變化有反應;⑦強場極測沙儀對水流和環境沒有任何污染，對操作人員沒有任何傷害，具有較廣闊的推廣前景，建議在有代表性的測站推廣應用。

關鍵詞：試驗分析;原型機;強場極測沙儀;在線監測;泥沙

中圖分類號：TY856 文獻標志碼：A

泥沙測驗仍然是目前黃河水文監測中的薄弱環節，尤其是泥沙監測儀器，更是限制黃河水文測報能力提升的瓶頸。《河流懸移質泥沙測驗規范》（GB/T50159-2015）中雖然列舉了很多測沙儀，但目前真正在使用的還不多，且都存在各種缺陷，從而影響了泥沙在線監測儀器的推廣應用。

強場極測沙儀的研發主要解決高含沙洪水泥沙在線監測的問題，其采用電場的方法進行含沙量監測，對水流和環境沒有任何污染，對操作人員沒有任何傷害，且儀器造價很低，具有廣闊的推廣前景。

研發強場極測沙儀的關鍵是研究水沙混合體的介電特性以及介電常數隨含沙量的變化關系，以及電場強度和水體含沙量的關系，研制可放置于水體中的電場生成器和場強監測器。研發時，通過試驗分析不同含沙量水體介電常數變化的特性，根據泥沙測驗規范確定技術指標。設計研制測沙儀的信號解析、數據處理、存儲傳輸、功能控制、環境補償器件及參數率定裝置，進行設備結構設計以適應水下應用。原型機試驗主要是在實驗室進行原型機理論驗證和技術驗證，以測試其性能并完善其功能。

1 儀器設計

1.1 工作原理

強場極測沙儀工作原理：通過電場對含沙水體的作用及含沙水體對極板電量的影響，獲取極板電容的變化，根據試驗獲得的電容一含沙量關系得到水體含沙量。亦即在研究水體含沙量一介電常數一電場強度三者關系基礎上，通過監測含沙水體中電場強度的變化分析計算水體含沙量。工作原理見圖1。

傳感器由正、負兩個極板組成。正極板密封在絕緣材料中，負極板一側密封，一側裸露。電場生成器向極板加電，因為兩極板是絕緣的，所以正電荷向正極板集聚，負電荷向負極板集聚，最后在極板間形成電場。

電源具有一定的電勢，電源同時也具有內電阻。極板的密封材料不會導電，其起到極板間的絕緣作用。場強變化的主要因素是水體及水體中的含沙量。強場極測沙儀的功能實現過程見圖2。

1.2 結構設計

（1）原型機整體設計。原型機試驗主要是了解儀器的基本特性，驗證儀器測沙的可行性，其結構設計主要考慮滿足室內試驗的要求，整體設計為軟件控制部分和硬件采集部分，軟件控制部分在電腦上進行操作，硬件采集部分放置于測試區域中，主要由控制倉、極板組成。控制倉分為電池倉、數據采集倉、光纖數據轉換倉和溫度數據采集倉。原型機的電池倉和溫度數據采集倉合并在一起。各倉均用銅材料制作，相互屏蔽磁感應信號。

（2）極板設計。儀器設計主要是圍繞極板設計進行的。極板分正、負極板，設計正極板密封在由ABS材料（絕緣材料）制作的密封殼體內，負極板固定在一側密封、一側裸露的殼體內。正極板殼體為凹槽平底結構，組裝時平底的一面要正對負極板。負極板殼體為內部有凸臺的凹槽結構。

（3）控制倉設計。控制倉設計為長方形倉，基板比倉框大，用于安裝極板組裝體。控制倉中電池倉、數據采集倉、光纖數據轉換倉和溫度數據采集倉均設計為正方形或長方形的盒子，盒子底部和頂部為活板。電池倉和溫度數據采集倉合在一起。倉與倉之間用ABS板隔開。電池倉、數據采集倉、光纖數據轉換倉和溫度數據采集倉均采用紅銅材料。

（4）儀器倉與極板連接設計。儀器倉與極板連接用特制膠連接，該種膠不會因為長期浸泡而變形、脫落或漏水。

（5）蓋板裝配設計。蓋板設計為長方形平板，采用ABS材料。蓋板與儀器倉體用螺絲緊固，加密封條，以保證儀器在水下不漏水。

（6）溫度傳感器設計。設計的溫度傳感器由感應殼、采集頭、采集電路組成。

（7）試驗平臺設計。試驗平臺是為滿足不同極板的清水和渾水試驗要求而設計的。平臺長度可以調整（更換橫支架），可滿足不同長度極板進行試驗。平臺上設計多個開槽，試驗時極板在平臺上可以調節相互之間的距離，適應不同極板間距，也可以安裝多組極板進行試驗。

（8）泥沙標定儀設計。泥沙標定儀是為強場極測沙儀試驗專門研發的標定儀器，可以配置不同的含沙量，以動態水流的方式模擬河道水流情況進行渾水試驗，彌補外業試驗條件不足的情況。泥沙標定儀設計首先考慮布置標定儀器的水箱部分，水箱形狀設計為方形。水槽的密封部分設計為圓管形。整個水槽設計為環形結構，盡量避免死角，主要是為了減少阻力，避免泥沙淤積。設計采用螺旋槳水平推動水流，其目的是減緩試驗時電機等發熱器件對水體的升溫速度，減少轉動帶來的進氣現象，減少水體中氣泡的產生。采用變頻器調節電動機轉速，以獲得不同的水流速度。

2 試驗與分析

2.1 試驗內容與目的

原型機試驗內容主要是對儀器在清水中時隨水溫變化監測數據的變化關系和渾水中時不同含沙量下監測數據的變化關系進行分析。其間，根據設計需要進行了一些專項試驗。

2.3 關鍵性成果

（1）水體中的平行電場變化極為復雜。通過筆者的大量研究，發現水體中影響平行電場的因素很多。在對不銹鋼、黃銅、普通塑料、亞克力板、ABS等密封材料使用效果優選分析后，選用ABS作為極板密封的材料，電場的主要影響變為水溫和極板面積兩個因素，且溫度和極板面積的變化與電場強度的相關關系良好，具有工程應用開發的可能性。

（2）研發了水導體電場監測電子電路。水導體中的平行電場，在場強加強以后電容變化信號還是很弱，容量也只能穩定到0.01pF，干擾因素非常復雜，對電路設計要求極高。筆者通過4a多的研究，實現了電子電路的多個突破：解決了超復雜的干擾因素問題;實現了超低功耗架構與高度靈活的時鐘系統設計，可降低整機系統功耗并顯著延長電池使用壽命;設計采用24位高精度A/D轉換電路，監測電壓最小為0.000000 3V;低失調、低漂移、低功耗、高精度運算放大器設計，提高監測含沙量的精度;突破了溫度監測精度和穩定的極限，使水溫測量精度達到0.001℃。

（3）通過試驗發現不是所有量級平行電場對泥沙變化都有響應，只有平行電場加強到一定量級后，平行電場才會對含沙量的變化表現出一定的響應，超過一定量級后又恢復到恒定值，不再發生變化。綜合試驗數據分析，確定了平行電場響應泥沙變化的基準值在1300pF以上，變幅基本確定在100pF以內。這為測沙傳感器的應用研究奠定了基礎。

（4）探索了平行電場傳感器的材料。強場極電場實際上是平行的弱電場，材料對電場的影響極為復雜，經過對13種不同材料傳感器的反復試驗，發現金屬材料對平行電場影響復雜，數據比較散亂，無規律。非金屬材料中純度較高的高分子材料對平行電場影響比較小，形成的平行電場比較穩定，電場變化的規律性較好，是研制平行電場傳感器很好的基礎材料，為強場極的適用性研究提供了可能。

（5）采用分級分單元屏蔽設計，解決了復雜環境下精密儀器的抗干擾問題。由于平行電場自身的特性，各種強電、弱電、靜電以及導線運動產生的微電會對平行電場產生不同程度的影響，因此強場極測沙儀的系統設計，必須將影響平行電場的各個因素分級和分單元隔離。采用銅材料制作隔離倉對各部分干擾信號進行屏蔽，采用光纖轉換的方法對傳感器與電腦之間的干擾信號進行屏蔽，成功解決了儀器的抗干擾問題。

3 結語

（1）通過清水率定試驗，得出清水溫度與電壓成二次多項式關系。

（2）強場極測沙儀電容值與極板間距的關系與極板面積閾值有關。小于該閾值時電容值與極板間距關系不大，大于該閾值時電容值隨極板間距的增大而減小。

（3）強場極極板間電容必須達到一定數值（合適的區間值），極板間電容才與含沙量有相關關系。極板電容與極板間距有關系時，其對含沙量變化才有反應。

（4）有關參考資料認為電容超過750pF時極板對含沙量會有反應。試驗證明，170mm×400mm極板電容為948pF時對含沙量的反應仍不明顯。

（5）含沙量與電容的關系一般為三次曲線，含沙量數值不大時則表現為二次曲線。

（6）極板材質也是影響儀器功能的重要因素。合適的極板材料才能使儀器對含沙量變化有反應。不合適的材料，即使極板電容很高，儀器對含沙量的變化也不會反應，或反應不明顯。

（7）強場極測沙儀采用電場的方法進行含沙量監測，對水流和環境沒有任何污染，對操作人員沒有任何傷害，具有較廣闊的推廣前景，建議在有代表性的測站推廣應用。

參考文獻：

[1]李小昱，雷廷武，王為.電容式傳感器測量水流泥沙含量的研究[J].土壤學報，2002，39（3）：429-434