自动悬移质测沙仪|水文现代化与新技术

悬移质含沙量的常规测验方法是采取水样进行室内分析。室内分析方法常用烘干法、置换法、过滤法测量水样中泥沙含量。悬移质测沙仪都能自动测得水中的悬移质含沙量，可以在水中工作较长时期，输出数据或信号能自动转换为水中的悬移质含沙量，能够接入专用仪器、计算机、遥测终端机，并利用不同通信方式远距离传输，如光电测沙仪、同位素测沙仪、振动测沙仪和超声波测沙仪等。这些仪器处在不同的发展阶段，有各自可能的适用范围和特点，但均未在国内水文测验中正式使用，国外用于水文测验的正式产品也不多。

利用各种遥感方法也可以估测水中的含沙量，如利用光谱反射法测量海面、湖面较大范围的水域表层含沙量。还有悬沙图像分析仪，可以在水下拍摄图像，分析得到含沙量和粒径级配。

1.光电测沙仪

（1）工作原理。纯净的水是无色透明的，光线通过纯净水体时，在很短距离内，光线强度只会有很小的吸收。但是一束平行光线通过浑浊的液体时，因液体浑浊度不同，光线经过一段距离后光强度会有不同程度的较大减弱。减弱的主要原因是光线被浑浊液体内的介质吸收或反射散射掉了。测出光线强度，和原发射光强度作比较，再根据传输距离等影响因素，就可以计算出液体的浊度。天然水体中泥沙含量是影响水浊度的最重要因素。在很多场合，泥沙含量是决定浊度的唯一因素。如果泥沙含量和浊度之间有稳定的关系，就可以用测量浊度的方法来测得含沙量。光电测沙仪就是利用光强度衰减测量测得浊度，从而测得水中含沙量。

光线在水中的衰减可以用光强度的变化来衡量，光通量的经验计算公式为：

式中：ϕ为透过介质后的光通量；ϕ0为透过介质前的原光通量；L为光程，光线在液体介质中通过的路程；K为吸收（消光）系数，某种介质相对于光线的特性；C为含沙量，水中悬移质含沙量；d为悬移质平均粒径；r为悬移质容重。

由式（2.28），可以在测得ϕ后，根据已知的ϕ0、L、r，再根据率定所得的K和d，计算得出含沙量C。

实际生产的仪器使用各种光线，多数使用红外光或激光。在测量原理上也不一定完全应用式（2.28）进行计算。大量仪器还是通过实际率定来确定含沙量和测得光通量之间的关系。

（2）仪器的结构与组成。光电测沙仪由水下部分、水上部分、连接电缆、电源部分组成。水下部分是一整体结构，包括一对发射、接收光线的传感器，两传感器之间的距离为光程L；水下部分也包括工作控制和光通量测量、信号转换部分，通过电缆向水上发送的是测得的光通量信号。水上部分很可能是一台个人计算机，用电缆与水下部分连接。应用提供的专用软件，用计算机向水下部分发出工作指令，接收水下测得的光通量信号，再经计算后求得含沙量。计算机有数据处理和再传输的功能。用于自动工作的仪器也可能配有专用水上仪表。通信电缆连接水上、水下部分，同时向水下部分供电。光电测沙仪如图2.90所示，图2.90（a）是仪器的几种不同规格的水下部分，图2.90（b）是专用水上仪表，也可以用计算机作为水上仪表，直接连接水下部分。

图2.90　光电测沙仪

有些产品是完全一体化的仪器，可以安装在水下自动工作、记录和传输，一般的浊度计都有此功能。

（3）技术性能。包括一般技术要求、准确度分析、特点与应用等内容。

1）一般技术要求。包括对产品的基本技术要求和典型产品技术介绍：

a.对产品的基本技术要求。因为还没有大批应用的产品，所以也没有对光电测沙仪较完整的要求。行业标准SL/T 208—1998《河流泥沙测验及颗粒分析仪器》对光电测沙仪的要求是。测沙范围：1～5kg/m3；测点流速：＜2m/s；稳定性：校准关系点与工作曲线系统偏差应不大于2%；测量准确度：低含沙量时，读数误差不大于5%。由于没有较普遍使用中的仪器，所以在《河流悬移质泥沙测验规范》中没有提到光电测沙仪。

b.典型产品技术介绍。现介绍一种国外产品的技术参数。这种产品用于海水或低含沙量的测量仪器，在测量中可以测得水中泥沙总的体积含量和泥沙投影面积，从而得到泥沙平均直径。现在已发展出能在陆地水文中测量泥沙含量。我国水文测验及有关行业中也有少量试用。它的要求是。激光波长：670nm；光程：2.5cm、5.0cm；测量参数：泥沙含量，泥沙平均直径；使用范围：含沙量范围：0.1～1kg/m3（泥沙直径在30μm时），泥沙直径范围：1.25～500μm，激光传输吸收范围：30%～98%；测量准确度：含沙量误差：±20%（在泥沙粒径全范围内），平均粒径误差：±10%；测量速率：最大为5次/s；记录：内存或输出记录；电源：6～12VDC，最大功耗250m A；外形：长45cm，直径8cm。

2）准确度分析。由式（2.28）可知，泥沙容重r、泥沙直径d、吸收系数K都不是定值，所以测得光通量和泥沙含量并不是一个单值函数。即使能将光通量的测量误差忽略不计，泥沙容重也视为定值，但泥沙直径的影响不可忽视。所以光电测沙仪的准确度较差，而且要严格地限制在泥沙粒径范围内。另外，泥沙含量较大时，测量准确度没有保证。它的一般适用范围在5kg/m3以下，由于实际需要，已有较大含沙量适用范围的产品。

上述典型产品原来只用于1kg/m3的含沙量，并限于在30μm的泥沙的粒径。由于陆地水文测验的需要，已有这类仪器的改进型，可以测较大含沙量和较低含沙量的江河。原仪器的含沙量测量误差约为±20%，难以满足泥沙测验规范的要求。

3）特点和应用。光电测沙仪能自动长期工作，自动测量含沙量，测量速度很快，测得数据可以很方便地长期存储和供自动传输。可作为水文自动测报系统的自动测沙传感器。

这类仪器只能应用于各型号产品特定的范围内，包括含沙量、泥沙粒径、误差范围的限制。一般来讲，只能应用于低含沙量、较稳定的泥沙粒径、较大的允许误差条件下，在国内还没有正式应用于长期自动工作的光电测沙仪。

2.超声波测沙仪

（1）工作原理。可以利用声波在水中传播时能量衰减的原理和多普勒原理来测量含沙量。前者适用于高含沙量情况，后者适用于低含沙量情况，这里主要介绍前一种原理的超声波测沙仪。

应用声波在水中传播时能量衰减原理测沙的超声波测沙仪的工作原理和光电测沙仪的工作原理是类似的。不过，这种超声波测沙仪发射的是超声波。超声波在水中传播时，波的能量将不断衰减，体现在其振幅将随传播距离而有规律地减小。其衰减规律可以用下式表示：

式中：P0为原振幅；Px为超声波传输到距离声源x处的振幅；x为超声波传输的距离；a为声波衰减系数。

可以认为声波衰减系数是由纯水和水中含沙量两部分衰减系数组成的。而由含沙量决定的声波衰减系数还受泥沙粒径、容重、泥沙黏性等因素影响。泥沙容重、黏性变化较小，如果粒径较稳定，或者其影响可以忽略的话，就可以找出泥沙含量和声波衰减的关系。这样，仪器测得超声波在水中传输一定距离后的衰减量，就可以得出水中的泥沙含量。根据超声波在水体中传播时其能量衰减与泥沙含量有关的这一原理而研制的测沙仪被称为超声波测沙仪。

（2）仪器的结构与组成。目前，在水文测验中还没有应用该类仪器。由于它适用于高含沙量测量，在工业上有相应的测量泥浆浓度的产品。这样的产品可以是一整体结构，或者在测量仪器上连接有两个超声传感器，用来发射接收超声波。仪器应该有显示、记录、传输等功能。

3.同位素测沙仪

（1）工作原理。同位素测沙仪的工作原理和前述的光电测沙仪和利用能量衰减原理的超声波测沙仪的工作原理类似，尤其和超声波测沙仪的工作原理更为接近。同位素测沙仪利用γ射线通过物质时的能量衰减原理测量被测物质的密度，从而测得含沙量。

放射性物质能放射出α、β、γ射线，γ射线可以被认为属于光线的范围，但不是可见光。γ射线波长短、穿透能力强。它通过物质时与其他光通过物质时的衰减情况类似，衰减情况可按指数规律计算。如入射γ射线强度为I0，穿过水体厚度为L，则透过水体后的射线强度I为：

式中：R为γ射线在水体中的质量衰减系数；ρ为水体密度。

此式与超声波测沙的计算式（2.29）类似，说明这两类仪器的工作原理是相近的。

质量衰减系数R受光电效应、康普顿散射和电子偶效应影响，由此三部分影响分别形成的三种质量衰减系数R1、R2、R3组成。此三种质量衰减系数相互独立、互不影响，且R＝R1＋R2＋R3。仪器相应的R值可以经测试后确定。测得γ射线通过水体后的强度I，由已知的I0和R，可由下式计算水体密度ρ：

式中：各符号意义同前。

（2）仪器结构与组成。仪器包括放射源、γ射线接收测定器、数据处理器、电缆等部分。水文测验中应用的仪器往往将所有部分装在一专用的铅鱼上，放射源和γ射线接收测定器之间是被测的流动水体。

放射源由专门部门供应和处理，因此都是单独的。使用时装入仪器或测量处的专门装置内，使用后要卸下并作特殊保管。γ射线接收测定器也都应用放射性测定专用设备。数据处理器根据接收到的γ射线测量强度I、质量衰减系数R、水体距离L、发射γ射线强度I0，计算得出水体密度ρ。再计算得到含沙量，并显示、记录。数据处理器可以将测得含沙量输出、供遥测传输。

（3）技术性能。包括技术要求、准确度分析、特点与应用等内容。

1）技术要求。对同位素测沙仪的技术要求和对光电测沙仪的要求相近。同位素测沙仪的应用范围可以更广一些，它能适应0.5～1000kg/m3的含沙量范围，也能适应较大的流速。同位素测沙仪在水文测验中尚无典型产品。(www.xing528.com)

2）准确度分析。同位素测沙仪计算公式中的质量衰减因素R由三个分量组成，这三个分量并不相互影响，也较稳定。更重要的是它们受泥沙颗粒大小、容重、黏性的影响很小，也不受γ射线的传播速度影响。所以此计算公式比较单一，由测得的γ射线强度I计算得到的含沙量比起前述两种方法要稳定准确得多。

3）特点与应用。同位素测沙仪工作性能较稳定，测量准确度也较好，仪器自动化程度高，测沙速度快。这是一种较好的自动测沙仪器。它的测沙范围很大，使用范围也就很广。试用证明，这类仪器可以用于泥沙自动测验。含沙量太低时，测量误差较大。

20世纪60年代国内进口了同位素测沙仪，试用结果比较满意，但没有推广。目前国内也没有在水文测验上应用的该类仪器。

4.振动测沙仪

（1）工作原理。上述三种自动测沙仪都是利用光、波、射线通过含沙水体后的衰减规律测量含沙量，振动测沙仪应用的是另一形式的工作原理，与前文介绍的振弦式压力水位计有相似之处。在振弦式压力水位计中，钢弦的固有振动频率f为：

式中：σ为钢弦张紧应力；ρ为钢弦密度；L为钢弦长度。

如果σ和L是固定的，测量f后可以得到钢弦密度ρ。如果将钢弦换为一根可以振动的空心金属管，含沙水体在管中流过。此振动管的密度将随流经管内水体的含沙量改变而改变。如果包括σ和L的各种影响因素都是固定的，那么测得此振动管的固有振动频率，就能测得振动管（连同管内含沙水体）的密度ρ，也就能得到水体密度及其含沙量。这就是振动测沙仪的原理，当然实际工作原理要复杂得多。

振动测沙仪是一种密度传感器，其核心部分是一根利用特种材料制成的空心振动管。它的固有振动频率随着流经振动管内水体密度的变化而变化。充满水体的振动管的固有振动频率f可用下式计算：

式中：an为振动管两端紧固梁的固有频率系数；E为振动管材料的弹性模量；I为振动管惯性距；L为振动管的有效长度；AS为振动管材截面积；ρS为振动管材密度；A为流经振动管内被测液体的截面积；ρ为被测液体的密度。

仪器设计制作定型后，除ρ外，上述各量均为定值，水体密度和振动管固有振动频率为单值函数，可以由f推求水体密度以及含沙量。

（2）仪器的结构与组成。振动测沙仪应用的振动管是一种比较成熟的密度传感器，在工业上有较好的应用。工业上的被测液体密度均匀，将被测液体引入流过仪器振动管，就可以进行测量。如果将被测水体抽引通过仪器振动管，也可以测得含沙量。但是，水文上测量含沙量时，不能过分干扰水流，必须将仪器放到测点，因此振动测沙仪由水下传感器和水上仪器两部分组成，中间用电缆连接。

水下传感器的基本结构如图2.91所示。水流沿箭头方向流进、流出仪器内的振动管，在激振线圈的电磁力作用下，振动管以随含沙量变化而变化的固有频率发生振动。此振动在检振线圈内感应出同频率的振荡信号。经连接电缆，振荡信号被水上仪器接收。

图2.91　振动测沙仪传感器结构示意图

1—激振线圈；2—振动管；3—检振线圈；4—固定管座；5—减振器

图2.92所示是一种振动测沙仪传感器，水下传感器可以是一个单独的仪器，它应该具有相应的耐压密封性能，它的外形应较顺直、不干扰水流，通过振动管的水流要尽量保持天然流速。这样的传感器要能方便地安装在测流铅鱼上。也可以设计制作专门的测沙铅鱼，将传感器安装在此铅鱼内部，铅鱼前后应有设计完善的进出水口，将水流导入、导出振动管。

水上仪器是一台专用仪器，或使用一台个人计算机，控制水下传感器的工作，接收水下传感器的信号，并处理、计算出含沙量数据。仪器有标准输出，供记录、传输。

（3）技术性能。包括一般技术要求、准确度分析、特点与应用等内容。

1）一般技术要求。国内在水文上应用的振动测沙仪有较成功的科研成果，现以较典型的一种产品为例，其基本技术性能是。测沙范围：2～800kg/m3；适用流速：0.5～8m/s；适用水深：0.3～15m；测沙准确度：≤35kg/m3时为10%；＞35kg/m3时为5%；工作环境：－10～40℃；电源：交直流两用；连续工作性能：可以长期定时自动工作，时间间隔可任意设置；数据处理：可以记录、显示、传输（配用便携计算机）。

2）准确度分析。由式（2.32）可推得被测水体密度ρ，其计算公式为：

图2.92　一种振动测沙仪传感器

式中：T为振动管振动周期；K2、K0为固定系数。

实际上K2、K0与振动管弹性模量、长度、振动惯性矩、两端固定的固有频率系数等参数有关。这些参数显然可以认为是固定的。测得了ρ后，在推求含沙量时，往往假定清水密度和沙的密度为一定值。这些假定和实际情况可能有轻微差别，会引起振动测沙仪的误差。

在含沙量较大的变化范围内，振动管的振动周期变化并不是很大，需要很准确地测得振动周期才能达到上述测沙准确度要求。据此典型产品的研究分析，测量振动周期要达到0.01%准确度才能达到要求。在电路设计上，达到此要求并不是很困难，但是在野外情况下，就有较大难度。影响更大的是式（2.34）中的K2、K0值。如果温度发生变化，影响K2、K0值的大部分上述参数都会发生变化。温度变化还会使清水密度改变，也影响最后的含沙量测得值。因此，有必要进行温度修正补偿，以提高测量准确性。

振动管的振动频率受内部应力的影响，各台仪器参数均不相同。应用前，要各自进行单独标定，以确定各自的K值系数，并建立水体密度和振动周期的关系。

在增加了温度自动补偿修正，并对每台仪器进行专门室内标定后，可能使仪器的测沙准确度达到技术指标的要求。

振动测沙仪的准确性还受泥沙颗粒直径的影响，也受仪器制作材料工艺的影响，尤其受机械制造、结构设计的影响，应用中应周密地考虑和尽可能地消除各方面因素的影响。

3）特点与应用。振动测沙仪没有可动部件，也没有与水体接触的发送接收传感器，与水体接触的振动管只是一个水流通道，所以它能长时期自动工作。测量速度也很快，几秒钟内可以完成一次测量。测量输出的电信号比较容易处理和传输，使得这种测沙仪可以作为一种自动监测仪器应用。

影响仪器测沙性能和稳定性的因素较多。使用前要确定并置入泥沙密度值，长期应用时要注意定期调整，以保证测沙准确性。

振动管内腔是一细长形管道，含沙水流流经时很可能产生泥沙残留淤积。一旦发生泥沙淤积，将严重影响测沙准确性，这是影响振动测沙仪能否长期自动工作的主要因素。

水文上还没有较广泛的应用。该类仪器可以用于中高含沙量的直接测量，能否用于定点的长期自动测沙要视所用产品的性能而定。

（4）安装、使用维护和检定。

1）安装。如果测沙仪的传感器是一单独产品，一般都可以安装在测流铅鱼、悬索和测杆上。安装方法视具体仪器而定。如果传感器安装在专用测沙铅鱼体内，此测沙铅鱼按其设计要求可以悬挂在测流悬索上。水上部分应安装在室内，并配以必要的电源。

2）使用维护。长期使用时要检查传感器的安装情况，注意振动管内是否有淤沙，电缆的固定和连通情况也要注意。

3）检定。影响振动测沙仪测沙准确度的因素较多，产品生产中会有一套正规的水体密度检定方法，检定结果已作为仪器的随机参数提供给用户，也可能已经设置在仪器内部。

在使用中，为了保证其稳定性和提高测沙准确度，需要定时进行检定。一般方法就是测量零含沙量清水的密度，调整到含沙量为零值，再将仪器投入工作。也需要和常规方法实测含沙量值进行对比，使含沙量测得值更为可靠。