专利名称：一种称重式输沙自计观测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种大气环境沙尘量监测仪器，具体涉及一种近地表风沙流输沙 通量长期监测系统。
背景技术：
近地表风沙流输沙通量是研究风沙运动规律以及沙区工程设计必须考虑的问题。集沙仪是监测风沙流的一种仪器，按照收集原理可分为主动式和被动式，主动式 多用于风洞内，被动式使用方便，被大量使用。到目前为止，发展了形式多样的被动式集 沙仪。虽然目前出现了一种自动测量风沙流通量的电子仪器Sensit Eroding Mass Flux Field Sensor，它能够测量瞬间沙粒撞击在探头上的动量，并存储起来，动量除以相应的风 速得到撞击沙粒的质量。该仪器的优点在于观测频率高，不需要收集沙粒，非常适合野外观 测。但探头对于较小沙颗粒不敏感，测量数据不准确，同时观测数据还必须用机械式集沙仪 进行现场校验。因此，虽然机械式集沙仪还存在这样那样的问题，但由于它测量的直接性， 目前还被大量研究者使用。机械式集沙仪的普遍问题是多数不能自动记录输沙过程，只能 得到输沙总量。下面分析几款能够自计的机械式集沙仪翻斗式集沙仪(专利号01222215. 1)通过计算器记录翻斗的数量来计算输沙通量 的变化，计量精度是一翻斗沙的重量，无法较精确地记录下较小的风沙活动过程，甚至反映 不出较小的风沙活动。同时，到达集沙箱内气流的冲击可导致翻斗不足集沙重量就翻倒一 次，造成观测数据偏大。此外，该集沙仪只能收集一个方向的输沙。风沙流动态监测仪(专利申请号200610043166. 7)能够把不同方向的输沙收集到 相应的集沙桶内，集沙桶内的称重式传感器可以感知累积集沙量的变化，通过数据采集系 统将称重数据和相应风速风向数据不断存储起来。但该仪器有以下缺点储沙空间较�。� 适合长时间野外监测；地上部分体积相对较大，对气流干扰较大；进入集沙桶内的气流冲 击可造成传感器测量数据不准确，出现数据忽大忽小的跳跃现象。美国发展了一种称重式集沙仪，它是在BSNE集沙仪集沙槽内安装了称重式传感 器，通过数据采集器采集积沙累积重量数据。但该集沙仪也存在一些问题风沙活动中，即 使进入集沙仪内部的沙粒由于内部涡流作用，尚处于不断运动状态，称重数据并不能准确 反映集沙量变化，同时气流冲击也造成记录数据波动。美国发展的一种称重式集沙仪，可通 过(http //www, fryreardustsamplers. com/bsne. html)查到。本实用新型针对现有可自计被动式集沙仪的问题，设计出一种对气流干扰小、排 气性能好、连续收集地表一定高度所有方向输沙、自动记录累积集沙量动态变化过程的一 种称重式输沙自计观测系统。
发明内容本实用新型的目的是针对现有自计集沙仪的不足，提供一种适于野外风沙流长期自动监测的一种称重式输沙自计观测系统，该系统是由采沙器、储沙称重装置、沙面保护装 置以及供电系统和数据采集系统组成，采沙器随风转动，将捕获的沙物质收集导入到储沙 装置中，由储沙称重装置完成称量工作，数据采集器把称重数据采集并存储起来，太阳能供 电系统为采沙器和数据采集系统提供工作电源，沙面保护装置维持周边地面环境稳定。该 系统具有采沙器随风转动、对能地表气流扰动小、集沙盒储沙空间大、沙箱内部不受外部气 流影响、采沙器周边沙面可以得到保护等特点，可以获得一段时间内所有风向的输沙总量， 而且可以获得集沙量的动态变化数据，在野外恶劣环境、无人看管条件下，可以实现风沙流 定点全天候观测，连续观测时段长，可以极大减轻野外劳动强度。本实用新型所述的一种称重式输沙自计观测系统，是由采沙器、储沙称重装置、沙 面保护装置以及供电系统和数据采集系统组成，其中采沙器是由金属管(4)、叠加的进沙通 道(1)、挡沙板(3)、排气网(2)、排气孔(5)、轴承(8)、风向标(6)、沙箱盖(7)、闭气开关
(11)、出沙通道(12)、进沙口罩(19)组成；金属管(4)的顶部封闭，下部开口，在金属管(4) 的管壁上开有槽，将叠加的进沙通道(1)焊接在金属管(4)管壁上的槽口处，金属管(4)的 下端通过轴承(8)与沙箱盖(7)底部的轴承套(9)连接，金属管顶端的侧壁上设有排气孔 (5)，在金属管下端内设置有闭气开关(11)，出沙通道(12)固定在金属管下端开口处，与金 属管形成30-60°夹角；储沙、称重装置是由沙箱(20)、集沙盒(21)和电子天平(22)组成； 在沙箱(20)底部放置电子天平(22)，在电子天平(22)的托盘上放置集沙盒(21)，沙箱盖 (7)通过螺丝(10)固定在沙箱(20)顶端；沙面保护装置为圆椎台或棱椎台状，在沙面保护 装置的顶端设有金属环(23)，在金属环(23)的外沿焊接有向下的裙边(24)；供电系统是由 太阳能电池板(25)和电瓶(26)组成；数据采集系统为一个数据采集器(27)，固定在支撑 杆(28)上。采沙器中叠加的进沙通道(1)截面为矩形，采用薄壁0. 4-0. 8mm不锈钢板，垂直叠 加排列，焊成整体，排气网⑵焊接在进沙通道⑴两侧壁上，挡沙板⑶固定在叠加的进 沙通道(1)的出沙口上端边缘上，其角度为45-60°夹角，进沙口罩(19)安装在进沙通道 (1)的口上。采沙器中金属管⑷下端内部设置的闭气开关(11)是由上下两个漏斗(16)、两个 铁塞(15)、电磁铁(17)，弹簧(14)，固定横臂(13)、铁塞滑轨(18)组成，在上下漏斗(16) 的底部分别设置有铁塞(15)，电磁铁(17)固定在上下漏斗(16)之间。采沙器中风向标(6)垂直固定在金属管(4)的上部，风向标(6)的箭头与进沙通 道(1) 口方向一致，带动金属管(4)360°旋转。沙面保护装置外沿焊接有向下的裙边(24)，侧面倾角为20-45°，与沙箱套接，并 埋设在沙面下。数据采集系统的数据采集器(27)存储着电磁铁(17)控制程序和数采程序，电子 天平(22)的累积称重数据和时间被每隔一定时间间隔存储于数据采集器(27)中，再由数 据采集器(27)输出。电磁铁(17)、电子天平(22)、数据采集器(27)、电瓶(26)和太阳能电池板(25)均 通过线缆连接。本实用新型所述的一种称重式输沙自计观测系统其特点为(1)本实用新型体积小、排气性能好，对近地表气流干扰较�。承矢撸籟0019](2)本实用新型能够随风转动，使进沙口始终正对风向，可以收集所有风向的输 沙，该观测系统可以获得一段时间所有风向的输沙总量；(3)本实用新型储沙空间较大，适于野外风沙流定点长期观测，能够极大减轻野外 风沙观测的劳动强度；(4)本实用新型通过称重系统能够自计观测输沙总量的累积变化，可以了解风沙 运动过程的变化信息，可以与风速仪观测数据进行对比分析；(5)本实用新型的闭气开关可以有效防治采沙器气流进入采沙箱内，保证称重系 统工作环境稳定，而且闭气开关通过控制器开闭自如，可以实现时间精准控制，确保同一采 样时间间隔内的集沙同步进入采样盒。
参见附图 图1为本实用新型结构示意图图2为本实用新型叠加进沙通道正面图图3为本实用新型叠加进沙通道后视图图4为本实用新型进沙口罩示意图图5为本实用新型储沙称重装置剖面图图6为本实用新型闭气开关示意图图7为本实用新型沙面保护装置示意图
具体实施方式
以下结合附图进一步说明并给出实施例。本实用新型所述的一种称重式输沙自计观测系统，是由采沙器、储沙称重装置、沙 面保护装置以及供电系统和数据采集系统组成，采沙器中的风向标6带动金属管4随风转 动，将捕获的沙物质收集导入到储沙装置中，称重装置完成称量工作，数据采集系统把称重 数据采集并存储起来，供电系统保障采沙器和数据采集系统正常工作，沙面保护装置维持 周边地面环境稳定；采沙器是由金属管4、叠加的进沙通道1、挡沙板3、排气网2、排气孔5、轴承8、风 向标6、沙箱盖7、闭气开关11、出沙通道12、进沙口罩19组成；金属管4顶部封闭(防止沙 尘进入)，下部开口，在金属管4的管壁上开有槽，将叠加的进沙通道1焊接在金属管管壁 上的槽口处，叠加的进沙通道截面为矩形，采用薄壁0. 4-0. 8mm不锈钢板，垂直叠加排列， 焊成整体，下层进沙通通道口适当放大，减轻对靠近地面气流的阻力；排气网2焊接在进沙 通道1两侧壁上，采用40-60 μ m可通风滤网，两侧排气网的总面积大于进气口面积，挡沙板 3固定在叠加的进沙通道1的出沙口上端边缘上，其角度为45-60°夹角，进沙口罩19安 装在进沙通道1的口上，金属管4的下端通过轴承8与沙箱盖7底部的轴承套9连接，沙箱 盖7采用铝或镀锌板制成，厚2-4mm，用于封闭采沙箱，使采沙箱内部环境稳定，金属管4顶 端的侧壁上设有排气孔5，辅助将采沙器内部的气流排出，增加采沙器的等动力性，在金属 管4下端内设置有闭气开关11是由上下两个漏斗16、两个铁塞15、电磁铁17，弹簧14，固 定横臂13、铁塞滑轨18组成，在上下漏斗16的下面分别设置有铁塞15，电磁铁17固定在上下漏斗16之间，用于阻挡气流进入集沙箱内，维持沙箱内部电子天平工作环境稳定，同 时定时将收集的沙子导入到集沙盒中，当电磁铁17不通电时，悬挂在固定横臂13上的弹簧 14将上边的铁塞15拉起，而下部的铁塞15在重力作用下将下部的漏斗16封闭，沙物质就 会通过第一个漏斗滑下，在第二个漏斗内储存起来；当电磁铁17通电时，磁力将上下两个 铁塞15都吸附�。旅娴穆┒�16开启，储存的沙物质漏下，而上部的漏斗封闭，气流和沙物 质都不能进入；当电磁铁17再次断电时，下部的铁塞15在重力作用下落下将漏斗16堵塞， 在弹簧14收缩拉力作用下，上部铁塞15被拉起，上部漏斗16开启，封闭阶段收集的沙物质 随后落到下部漏斗中；铁塞滑轨18为若干根不锈钢钎，用来限制铁塞15的位置状态和滑动 路线，电磁铁17由供电系统供电，通断电由数据采集器27来控制；出沙通道12固定在金属 管4下端开口处，与金属管形成30-60。夹角，出沙通道方向与进沙通道口方向相同，进沙 口罩19为不锈钢长方体盒子，一面开口，套装在采沙器进沙通道1 口处，防止沙物质进入， 集沙器不工作时将进沙口罩盖上，工作时取下；风向标6垂直固定在金属管4的上部，风向标6的箭头与进沙通道1 口方向一致， 带动金属管4360°旋转；储沙、称重装置是由沙箱20、集沙盒21和电子天平22组成；在沙箱20底部放置 电子天平22，在电子天平22的托盘上放置集沙盒21，沙箱盖7通过螺丝10固定在 沙箱20 顶端，集沙盒21用来盛放采沙器收集的沙物质，集沙盒21内部空间可以为一个整体，也可 分割成若干个扇柱，用于盛放不同方向的输沙，电子天平22由供电系统供电，累积称重数 据由数采每隔一定时间采集一次，并存储起来；沙面保护装置为圆椎台或棱椎台状，在沙面保护装置的顶端设有金属环23，在金 属环23的外沿焊接有向下的裙边24，裙边24的侧面倾角为20-45°，高5-lOcm，内环直径 略大于沙箱，使用时直接套接在沙箱外，并埋设在沙面下，用于防止沙面风蚀(影响观测结 果)；供电系统是由太阳能电池板25和电瓶26组成，电瓶26用于将太阳能电池板25 转化的电能储存起来，以保证系统夜间和阴天正常工作，太阳能电池板固定在支撑杆上；数据采集系统为一个数据采集器27，固定在支撑杆28上，由供电系统供电工作， 电磁铁17控制程序和数采程序存储在数据采集器27中，累积称重数据和时间被每隔一定 时间间隔存储起来，数据采集器27有数据发送功能，可以直接用数据线导入电脑，也可利 用通信网络通过远程通讯系统实现远程数据传送；电磁铁17、电子天平22、数据采集器27、电瓶26和太阳能电池板25均通过线缆连接。使用时，在风沙流监测区内选择一个地形平坦的地块，用铁锹挖一个略大于沙箱 20尺寸的坑(为了便于挖掘，流沙地区挖坑前需要将系统采沙器放置点浇透水)，坑深度稍 大于沙箱20的高度，坑底部铺衬木板或砖，整平；把沙箱放置坑内，将相关线缆从侧壁的孔 引入，并将孔用橡皮泥封闭；沙箱外围填土并踏实，线缆埋设在浅层土壤中，并引到数采和 供电系统的预装位置；将电子天平22放在沙箱20底部，调平，并接上电源线和数据线，将集沙盒21放在 电子天平的托盘上。将由进沙通道1、排气网2和挡沙板3组成的采沙器与金属管4管壁上的槽口连接，金属管4的下端通过轴承8与沙箱盖7底部的轴承套9连接，在金属管4下端内设置由 上下漏斗16、铁塞15、电磁铁17，弹簧14，固定横臂13、铁塞滑轨18组成的闭气开关11，将 闭气开关11中的电磁铁17控制线与沙箱20内的相应线路连接好，在金属管4下端开口处 固定出沙通道12 ；将由金属环23和裙边24组成的沙面保护装置环套在沙箱20外围，覆盖天然沙 土，再将采沙器中已固定好的组件、金属管4与沙箱20套接在一起，用固定螺丝10将沙箱 盖7与沙箱20连接固定，采沙器中的风向标6带动金属管4随风转动，将捕获的沙物质收 集导入到储沙装置中，称重装置完成称量工作；埋设好支撑杆28，将数据采集器27和太阳能电池板25分别固定在支撑杆28上， 电瓶26与太阳能电池板25、数据采集器27用线缆连接，数据线、电磁铁17控制线与数据采 集器27连接；打开电子天平22电源开关，使系统通电工作，电子天平清零，笔记本电脑与数据 采集器27用数据线连通，将预设程序导入到数据采集器27中，运行程序，测试系统，调整， 直至正常工作；将叠加进沙通道1上的进沙口罩19打开，观测系统开始工作，待一定时间段之后 (积沙量不能超过电子天平最大量程)，用笔记本电脑读取数据采集器27内存储的数据，盖 上进沙口罩19，松开沙箱盖7上的固定螺丝10，将采沙器组件取出，关闭电子天平22电源 开关，将集沙盒21拿出，把积沙倒入样品袋即可，观测系统工作结束；检查天平22水平，把集沙盒21放回电子天平称量盘上，开启天平电源开关，电子 天平清零，将采沙器组件与沙箱20套接在一起，用固定螺丝10将沙箱盖7与沙箱20固定， 打开进沙口罩19，观测系统再次工作。
权利要求一种称重式输沙自计观测系统，其特征在于该系统是由采沙器、储沙称重装置、沙面保护装置以及供电系统和数据采集系统组成，其中采沙器是由金属管(4)、叠加的进沙通道(1)、挡沙板(3)、排气网(2)、排气孔(5)、轴承(8)、风向标(6)、沙箱盖(7)、闭气开关(11)、出沙通道(12)、进沙口罩(19)组成；金属管(4)的顶部封闭，下部开口，在金属管(4)的管壁上开有槽，将叠加的进沙通道(1)焊接在金属管(4)管壁上的槽口处，金属管(4)的下端通过轴承(8)与沙箱盖(7)底部的轴承套(9)连接，金属管(4)顶端的侧壁上设有排气孔(5)，在金属管(4)下端内设置有闭气开关(11)，出沙通道(12)固定在金属管(4)下端开口处，与金属管形成30 60°夹角；储沙、称重装置是由沙箱(20)、集沙盒(21)和电子天平(22)组成；在沙箱(20)底部放置电子天平(22)，在电子天平(22)的托盘上放置集沙盒(21)，沙箱盖(7)通过螺丝(10)固定在沙箱(20)顶部；沙面保护装置为圆椎台或棱椎台状，在沙面保护装置的顶端设有金属环(23)，在金属环(23)的外沿焊接有向下的裙边(24)；供电系统是由太阳能电池板(25)和电瓶(26)组成；数据采集系统为一个数据采集器(27)，通过支撑杆(28)固定。
2.根据权利要求1所述的称重式输沙自计观测系统，其特征在于采沙器中叠加的进沙 通道(1)截面为矩形，采用薄壁0.4-0. 8mm不锈钢板，垂直叠加排列，焊成整体，排气网(2) 焊接在进沙通道(1)两侧壁上，挡沙板(3)固定在进沙通道(1)出沙口上端边缘上，其角度 为45-60°夹角，进沙口罩(19)安装在进沙通道(1)的口上。
3.根据权利要求1所述的称重式输沙自计观测系统，其特征在于采沙器中金属管 ⑷下端内设置的闭气开关(11)是由上下两个漏斗(16)、两个铁塞(15)、电磁铁(17)，弹 簧(14)，固定横臂(13)、铁塞滑轨(18)组成的，在上下漏斗(16)的底部分别设置有铁塞 (15)，电磁铁(17)固定在上下漏斗(16)之间。
4.根据权利要求1所述的称重式输沙自计观测系统，其特征在于采沙器中风向标(6) 垂直固定在金属管(4)的上部，风向标(6)的箭头与进沙通道(1) 口方向一致，带动金属管 (4)360° 旋转。
5.根据权利要求1所述的称重式输沙自计观测系统，其特征在于沙面保护装置外沿焊 接有向下的裙边(24)，侧面倾角为20-45°，与沙箱套接，并埋设在沙面下。
6.根据权利要求1所述的称重式输沙自计观测系统，其特征在于数据采集系统的数据 采集器(27)是将电磁铁(17)控制程序和数据采集程序存储在数据采集器(27)中，电子天 平(22)的累积称重数据和时间被每隔一定时间间隔存储于数据采集器(27)中，再由数据 采集器(27)输出。
7.根据权利要求1所述的称重式输沙自计观测系统，其特征在于电磁铁(17)、电子天 平(22)、数据采集器(27)、电瓶(26)和太阳能电池板(25)均通过线缆连接。
专利摘要本实用新型涉及一种称重式输沙自计观测系统，是由采沙器、储沙称重装置，沙面保护装置、太阳能供电系统和数据采集系统组成，采沙器随风转动，将捕获的沙物质收集导入到储沙装置中，由储沙称重装置完成称量工作，数据采集器把称重数据采集并存储起来，太阳能供电系统为采沙器和数据采集系统提供工作电源，沙面保护装置维持周边地面环境稳定。该系统具有采沙器随风转动、对能地表气流扰动小、集沙盒储沙空间大、沙箱内部不受外部气流影响、采沙器周边沙面可以得到保护等特点，可以获得一段时间内所有风向的输沙总量，而且可以获得积沙量的动态变化数据，在野外恶劣环境中无人看管条件下，可以实现风沙流全天候定点观测，连续观测时段长，可以极大减轻野外劳动强度。
文档编号G01G1/00GK201765107SQ201020537889
公开日2011年3月16日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者徐新文, 李生宇, 王海峰, 雷加强 申请人:中国科学院新疆生态与地理研究所
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