【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及水土流失監測，具體為一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測系統及監測方法。
技術介紹
1、我國水土流失形勢嚴峻，水土流失面積占國土總面積比例高達27％，對工農業生產、糧食安全、土地環境等構成了巨大威脅。徑流流量和泥沙含量測量是土壤侵蝕和水土保持研究的重要內容，同時是水利水電建設、水文監測預報、河流泥沙監測等工作最重要的兩個參數指標。對于如何科學、準確、快速測量徑流產沙過程中的實時流量和泥沙含量成為多個領域共同攻堅的難題。然而，當前廣泛使用的徑流流量和泥沙含量測量方法普遍存在自動化和信息化程度低、數據采集效率不高、實時性差、精度低等問題，難以滿足遠程實時監測的要求。
2、本專利技術創新性地采用雙桶體積稱重法對徑流流量和泥沙含量進行實時測量，并將數據實時傳輸至云平臺，實現全自動、無人化對徑流全過程的流量和泥沙含量數據查看、分析、統計管理等多種功能，有效提升了徑流監測的自動化及信息化水平。
技術實現思路
1、為實現以上解決現有技術中自動化和信息化程度低、數據采集效率不高、實時性差、精度低等問題的目的，本專利技術通過以下技術方案予以實現：
2、一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測系統，包括徑流收集系統、數據采集控制系統、數據處理及云平臺管理系統和機架等。
3、所述徑流收集系統包括徑流收集管、集雨桶一、集雨桶二、進水閥一、進水閥二、排水閥一和排水閥二。所述徑流收集管為塑料管，徑流收集管端部與徑流集水區相連接，在管中間分別安裝進水閥一和進
4、所述數據采集控制系統包括超聲波傳感器一、超聲波傳感器二、稱重傳感器一、稱重傳感器二、降雨量傳感器、集雨桶升降機構、攝像機、太陽能供電系統和控制系統。所述超聲波傳感器固定在機架上，位于集雨桶上方，每只集雨桶布置1個，負責采集集雨桶內水位高度，與控制系統相連，控制系統負責供電并采集實時數據。所述稱重傳感器固定在機架下部，位于集雨桶下面，每只集雨桶布置1個，負責監測集雨桶實時重量以及對集雨桶進行承載，與控制系統相連，控制系統負責供電并采集實時數據。所述集雨桶升降機構固定在機架上，其安裝在集雨桶升降機構升降端的提升部件位于集雨桶下方，主要功能是在沒有徑流產生時，不需要采集集雨桶重量，此時提升集雨桶離開稱重傳感器，避免稱重傳感器長時間受力產生誤差，與控制系統相連，控制系統負責供電并控制其升降運行。所述降雨量傳感器負責檢測降雨開始和停止時間，并實時檢測降雨量，安裝在設備附近并無遮擋，與控制系統相連，控制系統負責供電并控制其升降運行。所述攝像機負責傳輸現場實時圖像，用于查看現場實時天氣、環境和設備運行狀況，安裝于設備附近，與控制系統相連，控制系統負責供電并控制其運行。所述太陽能供電系統包括太陽能光伏板、蓄電池和充放電控制器，負責整個系統的供電，其容量根據系統所有設備的功耗確定。所述控制系統包括控制器、采集控制電路及控制軟件，負責數據采集、處理、設備控制和與云平臺交互通訊。
5、所述數據處理及云平臺管理系統包括云平臺及遠程終端，所述云平臺需進行配置并編制相應軟件，與控制系統和遠程終端通訊，記錄數據并處理分析，可提供存儲、查詢、控制等功能。所述遠程終端為用戶手機或電腦，編制相應程序并安裝，與云平臺通訊，可實現查看、控制等功能。
6、所述含沙徑流重量通過稱重傳感器記錄打開和關閉進水閥時記錄的集雨桶重量獲得，按下面公式計算：
7、m＝m2-m1；
8、其中，m為含沙徑流重量，kg；m1為打開進水閥時集雨桶初始重量，kg；m2為關閉進水閥時集雨桶重量，kg；
9、所述徑流總體積可按超聲波傳感器測量高度標定獲得，按下面公式計算：
10、v＝l×w×h；
11、其中，v為含沙徑流總體積，m3；l為徑流桶固定長度，0.5m；w為徑流桶固定寬度，0.3m；h為測量高度，m(≤0.62m)；
12、所述徑流流量由下面公式計算：
13、
14、其中，q為徑流流量，m3/min；v為含沙徑流總體積，m3；t為測量時間，min；
15、所述泥沙含量可按下面公式計算：
16、含沙徑流的重量為水的重量和泥沙的重量之和，即：
17、m＝m水+m沙；
18、同理，含沙徑流的體積為水的體積和泥沙體積之和：
19、v＝v水+v沙；
20、上式可變為：
21、m＝ρ水v水+ρ沙v沙；
22、m＝ρ水(v-v沙)+ρ沙v沙＝ρ水v-ρ水v沙+ρ沙v沙＝ρ水v-v沙(ρ水-ρ沙)；
23、
24、所以，含沙徑流中的泥沙含量s計算公式為：
25、
26、將v沙替換為已知指標，則泥沙含量s等于：
27、
28、式中，s為泥沙含量，kg/m3；ρ沙為土粒密度，kg/m3；m為含沙徑流重量，kg；v為含沙徑流總體積，m3；ρ水為土粒密度，1000kg/m3；
29、所述泥沙重量占比可按下面公式計算：
30、
31、其中，p為泥沙重量占比；s為泥沙含量，kg/m3；v為含沙徑流總體積，m3；m為含沙徑流重量，kg。
32、一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測方法，該方法包括以下步驟：
33、(1)系統上電后，全自動監測系統開始運行，升降機構提升集雨桶，稱重傳感器復位、清零，由用戶設定徑流流量和泥沙含量數據記錄周期(如5分鐘)。當降雨量傳感器檢測到有降雨時，升降機構降下集雨桶，控制系統采集各傳感器數據并記錄(采集周期為2s)，實時傳輸攝像機圖像，并與云平臺通訊，用戶可通過終端查詢實時數據。
34、(2)當雨量適中，一個周期內集雨桶未滿時，按下面步驟執行：
35、打開進水閥一，稱重傳感器記錄集雨桶一初始重量m1，開始計時，當達到設置的周期時間時，超聲波傳感器一記錄水位高度h，集雨桶一重量m2，時間t，打開進水閥二，關閉進水閥一，計算這段時間內總的含沙徑流重量m＝m2-m1、含沙徑流總體積v、徑流流量q、泥沙含量s，并存儲，同時記錄每個周期降雨強度。打開排水閥一排水。
36、桶2重復桶1步驟，兩桶間一直循環記錄。
37、當沒有徑流(桶內水位高度不變化)，且降雨量為0時，不再切換閥門，升降機構提升集雨桶，當再次檢測到有降雨時重新啟動。
38、(3)當雨量較大，設置周期時間未到但桶已滿，按下面步驟執行：
39、打開進水閥一，稱重傳感器記錄集雨桶一初始重本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測系統，其特征在于，包括徑流收集系統、數據采集控制系統、數據處理系統及云平臺管理系統和機架(4)：
2.根據權利要求1所述的一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測系統，其特征在于：所述數據采集控制系統包括超聲波傳感器一(7)、超聲波傳感器二(18)、稱重傳感器一(11)、稱重傳感器二(14)、降雨量傳感器(10)、集雨桶升降機構(12)、攝像機(17)、太陽能供電系統(16)和控制系統(1)；
3.根據權利要求1所述的一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測系統，其特征在于：所述數據處理及云平臺管理系統包括云平臺(2)和遠程終端(3)；
4.根據權利要求3所述的一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測系統，其特征在于：所述云平臺(2)用于進行數據處理分析，其處理分析包括計算含沙徑流重量、含沙徑流總體積、徑流流量、泥沙含量以及泥沙重量占比：
5.一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測系統進行觀測的方法，其特征在于，包括以下步驟：
【技術特征摘要】
1.一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測系統，其特征在于，包括徑流收集系統、數據采集控制系統、數據處理系統及云平臺管理系統和機架(4)：
2.根據權利要求1所述的一種徑流流量和泥沙含量遠程實時全自動監測系統，其特征在于：所述數據采集控制系統包括超聲波傳感器一(7)、超聲波傳感器二(18)、稱重傳感器一(11)、稱重傳感器二(14)、降雨量傳感器(10)、集雨桶升降機構(12)、攝像機(17)、太陽能供電系統(16)和控制系統(1)；
...
【專利技術屬性】
技術研發人員：田芷源，梁音，馬瑞，金永奎，薛挺松，
申請(專利權)人：中國科學院南京土壤研究所，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。