[发明专利]一种宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置以及方法，装置包括微处理器、可编程恒流驱动电路、红外传感器、信号放大电路和A/D转换电路，可编程恒流驱动电路电流输出共分为n档，控制光源以大、小驱动电流配对顺序交替发光，光源每发光一次即测量一次透射光强，但仅在最大功率发光时测量一次后向散射光强，建立含沙量与不同发光功率红外透射光强信号电压和红外后向散射光强信号电压的标定模型，按照模型转换出测量水体的含沙量数值。本发明解决了光透射原理测沙宽量程和高分辨率难以兼顾、光后向散射测沙光电信号与含沙量对应关系不唯一的难题，仅使用单组光透射和光后向散射传感器可完成宽量程覆盖并获得最佳测沙分辨率。

技术领域

本发明涉及含沙量测量技术领域，具体而言，涉及一种宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置及方法。

背景技术

水体含沙量测量是水文要素观测的一项十分重要的基础内容。目前水体含沙量测量方法主要包括以下几种：

1、取样烘干称重法。取样烘干称重方法是一种直接测量方法。其原理为取标准体积含沙水样，过滤后烘干或直接烘干后称重的方式测得水体含沙量。这种方法测量精度高，但效率低，无法实现连续、自动测量目的。

2、振动测量法。其原理为含沙水体密度(含沙量)与振子谐振频率平方成反比，通过测量振子谐振频率的变化可以间接测得水体含沙量。该方法低含沙量测量精度不高，受水温干扰较大，主要适用于高含沙水体连续测量。

3、透射衰减强度测量法。其原理为光波、超声波或放射性射线在含沙水体中传播时，受泥沙颗粒散射、吸收等影响，其固定传播距离上的能量随含沙量的增大而衰减。通过测量光波或超声波的衰减量可以间接测得水体含沙量。但已有技术手段中，基于该方法测量含沙量时，一方面存在发射功率越高或透射传输距离越短则测沙量程上限越高而测沙量程下限盲区越大的矛盾，且为了提高接收强度多采用缩短接收距或提高发射功率的方案，连续测量容易产生温升进而影响测量结果的准确性；另一方面，透射衰减强度与含沙量呈对数变化规律，随着含沙量升高测量分辨率呈急剧变差趋势。如中国发明专利CN102305773B即采用4组不同接收光程的光透射传感器来弥补低量程段盲区缺陷，但不可避免地引入了接收元器件过多导致仪器体积偏大不利于实现测沙探头的小型化，且过于缩短光程在现场条件下易被水中的漂浮物等杂质堵塞；如中国发明专利CN10246112A则直接放弃使用透射衰减强度测量低含沙量，仅用其测量高含沙量量程段，完全舍弃了该测量方法中含沙量越低分辨率越高的优势。目前尚未出现能够以单组光透射传感器同时满足极低含沙量至较高含沙量测量需求的测沙仪器，亦无测沙仪在测量过程中能够实现根据被测水体环境动态调整至较佳分辨率的功能。

4、后向散射强度测量法。它通过接收0～90°范围内的光或超声后向波散射强度间接测量含沙量。后向散射强度在低含沙量时随含沙量增大而增大，高至一定临界含沙量时转而呈减小趋势，即理论上同一后向散射强度对应一高一低两个含沙量数值，且标定关系曲线近临界含沙量段的测量误差较高。因此，基于该原理方法的测沙仪量程普遍较低，河口海岸粘性泥沙环境内有效量程一般仅至5kg/m³(薛元忠，何青，王元叶，2004)。如CN10246112A专利即基于该原理实现0～4kg/m3低含沙量量程段测量。

5、光反射强度测量法。该方法主要原理在透明介质与含沙水体构成反射镜面，镜面的反射率与含沙量(浑浊度)密切相关，相应地光反射强度亦与含沙量存在正向相关关系。如中国发明专利CN102621047B即基于该测量方法实现。但因低含沙量时镜面反射率变化较为微弱，相应测量分辨率较低，误差较大，故正如发明专利CN102621047B中指出的，该测量方法主要用于高含沙量测量。

综上所述，目前尚缺乏一种能够同时胜任极低和较高含沙量测量的宽量程测沙仪器，且现有测沙仪器在测量时测沙分辨率少有具备根据被测水体环境动态优化的功能。

发明内容