强场极测沙仪原型机试验研究

张永平 牛长喜 李德贵 张健 宋长春

摘要：为解决高含沙洪水泥沙在线监测问题，提升泥沙监测技术，为暴雨洪水水文监测系统能力建设提供技术支撑，研制了强场极测沙仪。仪器研发过程中解决了仪器结构、材料选择、信号干扰、相关附件研制、试验装备研制等问题。试验证明仪器采集的信号可稳定到较高的水平。通过试验掌握了仪器数据采集与极板面积、间距、材质、结构尺寸的关系：①清水温度与电压成二次多项式关系;②小于极板面积阈值时电容值与极板间距关系不大，大于该阈值时电容值随极板间距的增大而减小;③极板间电容必须达到一定数值，极板间电容才与含沙量有相关关系;④170mm×400mm（宽度×长度）极板电容为948pF时对含沙量的反应仍不明显;⑤含沙量与电容的关系一般为三次曲线，含沙量数值不大时则表现为二次曲线;⑥合适的极板材料才能使仪器对含沙量变化有反应;⑦强场极测沙仪对水流和环境没有任何污染，对操作人员没有任何伤害，具有较广阔的推广前景，建议在有代表性的测站推广应用。

关键词：试验分析;原型机;强场极测沙仪;在线监测;泥沙

中图分类号：TY856 文献标志码：A

泥沙测验仍然是目前黄河水文监测中的薄弱环节，尤其是泥沙监测仪器，更是限制黄河水文测报能力提升的瓶颈。《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T50159-2015）中虽然列举了很多测沙仪，但目前真正在使用的还不多，且都存在各种缺陷，从而影响了泥沙在线监测仪器的推广应用。

强场极测沙仪的研发主要解决高含沙洪水泥沙在线监测的问题，其采用电场的方法进行含沙量监测，对水流和环境没有任何污染，对操作人员没有任何伤害，且仪器造价很低，具有广阔的推广前景。

研发强场极测沙仪的关键是研究水沙混合体的介电特性以及介电常数随含沙量的变化关系，以及电场强度和水体含沙量的关系，研制可放置于水体中的电场生成器和场强监测器。研发时，通过试验分析不同含沙量水体介电常数变化的特性，根据泥沙测验规范确定技术指标。设计研制测沙仪的信号解析、数据处理、存储传输、功能控制、环境补偿器件及参数率定装置，进行设备结构设计以适应水下应用。原型机试验主要是在实验室进行原型机理论验证和技术验证，以测试其性能并完善其功能。

1 仪器设计

1.1 工作原理

强场极测沙仪工作原理：通过电场对含沙水体的作用及含沙水体对极板电量的影响，获取极板电容的变化，根据试验获得的电容一含沙量关系得到水体含沙量。亦即在研究水体含沙量一介电常数一电场强度三者关系基础上，通过监测含沙水体中电场强度的变化分析计算水体含沙量。工作原理见图1。

传感器由正、负两个极板组成。正极板密封在绝缘材料中，负极板一侧密封，一侧裸露。电场生成器向极板加电，因为两极板是绝缘的，所以正电荷向正极板集聚，负电荷向负极板集聚，最后在极板间形成电场。

电源具有一定的电势，电源同时也具有内电阻。极板的密封材料不会导电，其起到极板间的绝缘作用。场强变化的主要因素是水体及水体中的含沙量。强场极测沙仪的功能实现过程见图2。

1.2 结构设计

（1）原型机整体设计。原型机试验主要是了解仪器的基本特性，验证仪器测沙的可行性，其结构设计主要考虑满足室内试验的要求，整体设计为软件控制部分和硬件采集部分，软件控制部分在电脑上进行操作，硬件采集部分放置于测试区域中，主要由控制仓、极板组成。控制仓分为电池仓、数据采集仓、光纤数据转换仓和温度数据采集仓。原型机的电池仓和温度数据采集仓合并在一起。各仓均用铜材料制作，相互屏蔽磁感应信号。

（2）极板设计。儀器设计主要是围绕极板设计进行的。极板分正、负极板，设计正极板密封在由ABS材料（绝缘材料）制作的密封壳体内，负极板固定在一侧密封、一侧裸露的壳体内。正极板壳体为凹槽平底结构，组装时平底的一面要正对负极板。负极板壳体为内部有凸台的凹槽结构。

（3）控制仓设计。控制仓设计为长方形仓，基板比仓框大，用于安装极板组装体。控制仓中电池仓、数据采集仓、光纤数据转换仓和温度数据采集仓均设计为正方形或长方形的盒子，盒子底部和顶部为活板。电池仓和温度数据采集仓合在一起。仓与仓之间用ABS板隔开。电池仓、数据采集仓、光纤数据转换仓和温度数据采集仓均采用红铜材料。

（4）仪器仓与极板连接设计。仪器仓与极板连接用特制胶连接，该种胶不会因为长期浸泡而变形、脱落或漏水。

（5）盖板装配设计。盖板设计为长方形平板，采用ABS材料。盖板与仪器仓体用螺丝紧固，加密封条，以保证仪器在水下不漏水。

（6）温度传感器设计。设计的温度传感器由感应壳、采集头、采集电路组成。

（7）试验平台设计。试验平台是为满足不同极板的清水和浑水试验要求而设计的。平台长度可以调整（更换横支架），可满足不同长度极板进行试验。平台上设计多个开槽，试验时极板在平台上可以调节相互之间的距离，适应不同极板间距，也可以安装多组极板进行试验。

（8）泥沙标定仪设计。泥沙标定仪是为强场极测沙仪试验专门研发的标定仪器，可以配置不同的含沙量，以动态水流的方式模拟河道水流情况进行浑水试验，弥补外业试验条件不足的情况。泥沙标定仪设计首先考虑布置标定仪器的水箱部分，水箱形状设计为方形。水槽的密封部分设计为圆管形。整个水槽设计为环形结构，尽量避免死角，主要是为了减少阻力，避免泥沙淤积。设计采用螺旋桨水平推动水流，其目的是减缓试验时电机等发热器件对水体的升温速度，减少转动带来的进气现象，减少水体中气泡的产生。采用变频器调节电动机转速，以获得不同的水流速度。

2 试验与分析

2.1 试验内容与目的

原型机试验内容主要是对仪器在清水中时随水温变化监测数据的变化关系和浑水中时不同含沙量下监测数据的变化关系进行分析。其间，根据设计需要进行了一些专项试验。

2.3 关键性成果

（1）水体中的平行电场变化极为复杂。通过笔者的大量研究，发现水体中影响平行电场的因素很多。在对不锈钢、黄铜、普通塑料、亚克力板、ABS等密封材料使用效果优选分析后，选用ABS作为极板密封的材料，电场的主要影响变为水温和极板面积两个因素，且温度和极板面积的变化与电场强度的相关关系良好，具有工程应用开发的可能性。

（2）研发了水导体电场监测电子电路。水导体中的平行电场，在场强加强以后电容变化信号还是很弱，容量也只能稳定到0.01pF，干扰因素非常复杂，对电路设计要求极高。笔者通过4a多的研究，实现了电子电路的多个突破：解决了超复杂的干扰因素问题;实现了超低功耗架构与高度灵活的时钟系统设计，可降低整机系统功耗并显著延长电池使用寿命;设计采用24位高精度A/D转换电路，监测电压最小为0.000000 3V;低失调、低漂移、低功耗、高精度运算放大器设计，提高监测含沙量的精度;突破了温度监测精度和稳定的极限，使水温测量精度达到0.001℃。

（3）通过试验发现不是所有量级平行电场对泥沙变化都有响应，只有平行电场加强到一定量级后，平行电场才会对含沙量的变化表现出一定的响应，超过一定量级后又恢复到恒定值，不再发生变化。综合试验数据分析，确定了平行电场响应泥沙变化的基准值在1300pF以上，变幅基本确定在100pF以内。这为测沙传感器的应用研究奠定了基础。

（4）探索了平行电场传感器的材料。强场极电场实际上是平行的弱电场，材料对电场的影响极为复杂，经过对13种不同材料传感器的反复试验，发现金属材料对平行电场影响复杂，数据比较散乱，无规律。非金属材料中纯度较高的高分子材料对平行电场影响比较小，形成的平行电场比较稳定，电场变化的规律性较好，是研制平行电场传感器很好的基础材料，为强场极的适用性研究提供了可能。

（5）采用分级分单元屏蔽设计，解决了复杂环境下精密仪器的抗干扰问题。由于平行电场自身的特性，各种强电、弱电、静电以及导线运动产生的微电会对平行电场产生不同程度的影响，因此强场极测沙仪的系统设计，必须将影响平行电场的各个因素分级和分单元隔离。采用铜材料制作隔离仓对各部分干扰信号进行屏蔽，采用光纤转换的方法对传感器与电脑之间的干扰信号进行屏蔽，成功解决了仪器的抗干扰问题。

3 结语

（1）通过清水率定试验，得出清水温度与电压成二次多项式关系。

（2）强场极测沙仪电容值与极板间距的关系与极板面积阈值有关。小于该阈值时电容值与极板间距关系不大，大于该阈值时电容值随极板间距的增大而减小。

（3）强场极极板间电容必须达到一定数值（合适的区间值），极板间电容才与含沙量有相关关系。极板电容与极板间距有关系时，其对含沙量变化才有反应。

（4）有关参考资料认为电容超过750pF时極板对含沙量会有反应。试验证明，170mm×400mm极板电容为948pF时对含沙量的反应仍不明显。

（5）含沙量与电容的关系一般为三次曲线，含沙量数值不大时则表现为二次曲线。

（6）极板材质也是影响仪器功能的重要因素。合适的极板材料才能使仪器对含沙量变化有反应。不合适的材料，即使极板电容很高，仪器对含沙量的变化也不会反应，或反应不明显。

（7）强场极测沙仪采用电场的方法进行含沙量监测，对水流和环境没有任何污染，对操作人员没有任何伤害，具有较广阔的推广前景，建议在有代表性的测站推广应用。

参考文献：

[1]李小昱，雷廷武，王为.电容式传感器测量水流泥沙含量的研究[J].土壤学报，2002，39（3）：429-434