欒潤潤，張瑞波

（1.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計院天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津300456；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用

欒潤潤1，張瑞波2

（1.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計院天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津300456；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

在泥沙室內(nèi)試驗研究中，一直缺少高效、方便的含沙量測量手段。室內(nèi)含沙量測量多采用過濾烘干法，很大程度上影響了試驗的效率和成果的質(zhì)量?；贠BS 3+傳感器開發(fā)了含沙量測量系統(tǒng)應(yīng)用于泥沙試驗研究，可以通過控制采集計算機(jī)上的軟件界面設(shè)置測量參數(shù)并實現(xiàn)含沙量自動、連續(xù)測量，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS232通訊電纜存儲在計算機(jī)上。通過系統(tǒng)標(biāo)定，得到標(biāo)定曲線和含沙量轉(zhuǎn)換公式，用于將濁度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為含沙量。通過在泥沙試驗中測量含沙量，說明該含沙量測量系統(tǒng)操作簡單、方便，測量結(jié)果穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

OBS 3+；含沙量測量；泥沙室內(nèi)試驗；標(biāo)定；轉(zhuǎn)換公式

在泥沙試驗研究中，水體的含沙量是一個重要的參數(shù)。目前含沙量測量多，也即烘干法測量含沙量。雖然取樣過濾的方法被認(rèn)為是目前最準(zhǔn)確的含沙量測量方法之一［1］，但是該方法的操作繁雜、效率低，也無法實時連續(xù)地測量含沙量［2］，這使得試驗方案不能及時調(diào)整，從很大程度上影響了試驗的效率和成果的質(zhì)量。本文基于OBS 3+傳感器開發(fā)了適用于實驗室的含沙量測量系統(tǒng)并介紹了其應(yīng)用的實例，應(yīng)用基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統(tǒng)大大減少了含沙量測量的步驟和時間，提高了測量效率。

1 系統(tǒng)開發(fā)

實驗室含沙量測量系統(tǒng)主要由OBS 3+傳感器、傳輸電纜、控制器及控制采集計算機(jī)組成，如圖1所示?？刂破鳛槎嗤ǖ揽刂萍皵?shù)據(jù)采集器，最多可以連接8個OBS 3+傳感器。該系統(tǒng)由220 V交流電供電，OBS3+數(shù)據(jù)傳輸電纜長度為20 m，便于OBS 3+傳感器沿程布置。傳輸電纜通過航空插頭連接到控制器，插拔方便。采集器經(jīng)RS232通訊電纜與控制采集計算機(jī)連接?？梢栽诓杉刂栖浖性O(shè)置采樣間隔，最短為1 s。

圖1 OBS 3+含沙量測量系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition of the OBS 3+sediment concentration measurement system

1.1 OBS 3+傳感器簡介OBS 3+傳感器是一種技術(shù)十分成熟的濁度測量傳感器，能夠測量濁度達(dá)到4 000NTU的懸浮物。它具有優(yōu)質(zhì)的不銹鋼外殼，是一款可以完全浸入水中的傳感器。OBS 3+傳感器利用光學(xué)后向散射原理，通過接收紅外輻射散射量監(jiān)測懸浮物質(zhì)，該傳感器的核心部分是一個近紅外激光發(fā)射器和一個光電二極管，近紅外激光發(fā)射器向水體中發(fā)射近紅外光，而光電二極管用于接收水體中懸浮粒子散射的紅外光強(qiáng)度。傳感器采用支持熱插拔的水下插頭連接電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和供電。與大多數(shù)濁度傳感器相比，OBS 3+具有體積小、耗電量低，線性響應(yīng)度高，對氣泡和有機(jī)質(zhì)不敏感，受外界光和溫度的影響小等優(yōu)點。由于其獨(dú)特的設(shè)計，OBS 3+傳感器不僅具有連續(xù)測量，線性對應(yīng)，不受氣泡、有機(jī)質(zhì)、周圍光線和溫度的影響等突出優(yōu)點，而且可以通過電纜與終端聯(lián)接，利用專用的軟件，對脈沖間隔、發(fā)射時間進(jìn)行設(shè)置。測量結(jié)束后可以方便迅速地將數(shù)據(jù)輸入微機(jī)進(jìn)行處理。OBS 3+的響應(yīng)時間為1 s，在水溫變化不大的水體中，可通過設(shè)定較短的時間間隔，連續(xù)進(jìn)行濁度變化測量。OBS 3+直接測量的是濁度數(shù)據(jù)（NTU），需要進(jìn)行含沙量標(biāo)定，然后使用量綱分析的方法，建立濁度與濃度的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行濁度與濃度的轉(zhuǎn)化，反演為泥沙含量［3］。OBS 3+傳感器的上述特點使得它非常適合于在實驗室中測量泥沙試驗過程中的含沙量。

1.2 控制器開發(fā)

OBS 3+傳感器本身只是一個傳感器，而不是一種儀器，其本身不具有采集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)的功能。OBS 3+傳感器的典型應(yīng)用為掛載到溫鹽深儀等現(xiàn)場測量儀器上，通過現(xiàn)場測量儀器以設(shè)定的間隔對它供電，并將采集的數(shù)據(jù)存儲在現(xiàn)場測量儀器的內(nèi)部存儲中。為了將OBS 3+傳感器應(yīng)用于實驗室測量，必須開發(fā)出控制器，用于為多通道OBS 3+供電，并將各個通道采集的數(shù)據(jù)存儲或傳輸?shù)娇刂撇杉嬎銠C(jī)。

本文開發(fā)的控制器的核心部分為一塊數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡由一個電源適配器供電。電源適配器將220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V直流電，滿足了數(shù)據(jù)采集卡的電源需求。數(shù)據(jù)采集卡上集成了單片機(jī)、時鐘晶振電路、穩(wěn)壓芯片、通道驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)采集通道、數(shù)據(jù)輸出通道及SD存儲卡等。穩(wěn)壓芯片將12 V直流電轉(zhuǎn)換為5 V直流電，作為單片機(jī)和OBS 3+傳感器的供電電源。單片機(jī)中寫入的控制程序通過時鐘晶振電路以時鐘掃描的方式采集8個通道的數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過通道驅(qū)動電路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)輸出通道和SD存儲卡，數(shù)據(jù)輸出通道通過RS232數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂撇杉嬎銠C(jī)。SD存儲卡中的數(shù)據(jù)作為備份存儲在采集器中以備不時之需?？刂破鞯膬?nèi)部電路架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 控制器內(nèi)部電路架構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of the inner circuit of the controller

1.3 工作原理

基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統(tǒng)中，傳感器的測量信號通過傳輸電纜經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為濁度數(shù)據(jù)，再經(jīng)RS232通訊電纜傳輸?shù)娇刂撇杉嬎銠C(jī)，并在控制采集軟件界面上輸出實時濁度值及濁度變化過程線，同時，數(shù)據(jù)以文本文件的格式存儲在計算機(jī)硬盤。

開發(fā)研制的測量系統(tǒng)的控制器為OBS 3+傳感器提供0～5 V的輸入電壓，并同時采集傳感器的輸出信號。OBS 3+傳感器擁有高量程和低量程兩個相互獨(dú)立的信號輸出通道。低量程通道輸出電壓為0～5 V，測量濁度范圍為0～2 000 NTU，高量程通道輸出電壓為0～1.2 V，測量的濁度范圍為2 000～4 000 NTU。基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統(tǒng)根據(jù)廠家提供的轉(zhuǎn)換公式將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為濁度值。以序列號為S9217的OBS 3+傳感器為例，高量程和低量程濁度的轉(zhuǎn)換公式分別如式1和式2所示。

式中：Y為濁度值；x為采集到的電壓信號。

測量前，需要先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，將OBS 3+傳感器出廠時廠家提供的標(biāo)定參數(shù)對應(yīng)傳感器的連接順序輸入到控制采集軟件并保存，之后設(shè)置好采樣間隔及數(shù)據(jù)文件存儲目錄后就可以開始含沙量實時監(jiān)測。

測量時，控制器器同時采集高量程通道輸出的高電壓信號和低量程通道輸出的低電壓信號，控制采集軟件利用如下算法計算測得的濁度值：當(dāng)?shù)碗妷捍氲屯ǖ拦接嬎憬Y(jié)果不超過2 000NTU時，控制采集軟件輸出低量程通道的濁度值，反之，則輸出高量程通道的濁度值。各個傳感器的實時濁度數(shù)據(jù)及其隨時間變化過程即會在軟件界面上顯示并按采樣間隔實時更新。

2 系統(tǒng)標(biāo)定［4］

從概念上來說，濁度是一種光學(xué)特性對水體渾濁的反映程度的數(shù)字表達(dá)，其單位為NTU；從操作上來說，NTU值是使用福爾馬肼、StablCal標(biāo)準(zhǔn)溶液等通過標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定插值得到的。濁度值一般隨著水體中懸浮物質(zhì)的增加而增大。同其他光學(xué)濁度儀一樣，OBS 3+傳感器的光學(xué)響應(yīng)取決于懸浮物的粒徑、成分及形狀等。因此，必須用要測量的泥沙樣品對OBS 3+傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統(tǒng)測得的濁度值需要轉(zhuǎn)換為含沙量才能用于對泥沙的特性的分析，要對連接到各通道的OBS 3+傳感器分別進(jìn)行標(biāo)定，建立各個傳感器的濁度值與含沙量的對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)標(biāo)定可以在測量前進(jìn)行，也可以在測量后進(jìn)行。在測量前標(biāo)定，可以在測量的同時利用標(biāo)定關(guān)系將濁度值轉(zhuǎn)換為含沙量，更便于對測量過程中含沙量的變化規(guī)律有實時、直觀地了解；在測量后進(jìn)行標(biāo)定，則便于在測量的濁度范圍內(nèi)建立標(biāo)定關(guān)系，可以提高標(biāo)定關(guān)系的精度并減少標(biāo)定工作量。泥樣粒徑不同，對OBS 3+光學(xué)響應(yīng)的影響就不同［5］，則標(biāo)定關(guān)系也不相同，故對于不同的泥沙樣，都要分別標(biāo)定，建立各自的對應(yīng)的關(guān)系。無論是細(xì)顆粒泥沙還是粗顆粒泥沙，都可以通過系統(tǒng)標(biāo)定獲得各自的含沙量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

標(biāo)定時，在標(biāo)定槽中先放一定容積的蒸餾水，取試驗所用的泥沙樣品，逐漸投入一定量的泥樣，攪拌均勻后用OBS 3+傳感器測量，同時取樣過濾，并烘干稱重，這樣可以得到20～30組不同泥沙含量和濁度對應(yīng)值。然后再用回歸法來相關(guān)［6］，得到濁度值轉(zhuǎn)換為含沙量的計算公式。

當(dāng)含沙量小于1 kg/m3時，含沙量與濁度一般為線性關(guān)系，而當(dāng)含沙量較大時，轉(zhuǎn)換關(guān)系一般為二階多項式。與現(xiàn)場水文觀測測量含沙量（一般小于1 kg/m3）不同的是，在實驗室內(nèi)測量的含沙量一般都會達(dá)到幾千克每立方米，因此，標(biāo)定出的含沙量轉(zhuǎn)換關(guān)系一般均為二階多項式。

以下以長江口北槽細(xì)顆粒泥沙和蒼南電廠港池航道泥沙為例來說明實驗室含沙量測量系統(tǒng)的標(biāo)定，為說明是否有必要采用分段擬合的方法進(jìn)行標(biāo)定，以下標(biāo)定及應(yīng)用實例均未分段擬合，而是將標(biāo)定數(shù)據(jù)統(tǒng)一擬合為一個二階多項式。

2.1 長江口北槽細(xì)顆粒泥沙標(biāo)定結(jié)果

以連接到通道4的傳感器（序列號S9217）為例，利用長江口北槽泥沙（平均中值粒徑0.016 4 mm），對試驗所需的含沙量范圍進(jìn)行標(biāo)定，得到的標(biāo)定曲線和含沙量轉(zhuǎn)換計算公式如圖3所示。

2.2 蒼南電廠泥沙標(biāo)定結(jié)果

以序列號為S9212的傳感器為例，將傳感器連接到通道7，利用蒼南電廠港池航道內(nèi)的細(xì)顆粒粘性泥沙樣品，泥沙的平均中值粒徑為0.004 3 mm，按照試驗所需的含沙量范圍進(jìn)行標(biāo)定，得到的標(biāo)定曲線和含沙量轉(zhuǎn)換計算公式如圖4所示。

圖3 長江口北槽細(xì)顆粒泥沙標(biāo)定曲線Fig.3 Calibration curve of the OBS 3+with sediment in the North Channel of the Yangtze Estuary

圖4 蒼南電廠泥沙標(biāo)定曲線Fig.4 Calibration curve of the OBS 3+with sediment in harbor area of Cangnan power plant

3 基于OBS 3+傳感器的含沙量測量系統(tǒng)在泥沙試驗中的應(yīng)用

3.1 長江口北槽細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動試驗研究

本文泥沙運(yùn)動試驗在環(huán)形水槽中開展［7］，試驗采用的泥沙為長江口北槽細(xì)顆粒泥沙，控制水流速度從0 cm/s開始逐級增大，然后再逐級減小流速。利用基于OBS 3+傳感器的含沙量測量系統(tǒng)連續(xù)測量整個過程的含沙量變化，采樣間隔設(shè)定為1分鐘，在測量的同時定時采集含沙水樣，利用過濾烘干稱重的方法測量含沙量。通道4的傳感器測得的含沙量變化過程及其與取樣過濾測得的含沙量的結(jié)果對比如圖5所示。

3.2 蒼南電廠港池航道泥沙起動試驗研究

本文泥沙起動試驗同樣在環(huán)形水槽中開展［9］，試驗采用的泥沙為蒼南電廠港池航道泥沙。為避免底床泥沙被完全沖刷而影響起動情況的判別，通過計算，在水槽內(nèi)加入一定數(shù)量的泥沙，水槽以高速運(yùn)轉(zhuǎn)使水沙均勻混合，然后水槽停止運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)5 d沉積密實后再進(jìn)行起動試驗。

試驗時，控制水流流速從10 cm/s逐級增大到60 cm/s，利用OBS 3+含沙量測量系統(tǒng)連續(xù)測量整個過程的含沙量變化，采樣間隔設(shè)定為3 s，通道7的傳感器（序列號S9212）測得的含沙量變化過程如圖6所示。

可以得出，無論是粒徑較大（0.016 4 mm）的泥沙還是細(xì)顆粒粘性泥沙，應(yīng)用基于OBS 3+傳感器的含沙量測量系統(tǒng)都可以為試驗研究提供便利條件。OBS 3+傳感器的測量結(jié)果與同時間取樣過濾測得的含沙量結(jié)果吻合較好，這同時也說明，不采用分段擬合的方法進(jìn)行標(biāo)定也可以滿足試驗研究的需要。而相比于取樣過濾的方法，OBS 3+傳感器測量的數(shù)據(jù)連續(xù)性更好，便于測量出含沙量的整個連續(xù)變化過程。

在操作方法上，取樣過濾需要試驗過程中按照時間間隔定時取樣，取樣后還要進(jìn)行測定體積、過濾、洗鹽、烘干、稱重等一系列步驟［9］，且需要一定的時間（一般2～3 d）才能得出含沙量的測量結(jié)果，而利用基于OBS 3+傳感器的含沙量測量系統(tǒng)測量含沙量時只要安裝、設(shè)置好傳感器，就可以自動按時間間隔全程測量，即實現(xiàn)自動化無人值守測量，且測量出的濁度值可以利用標(biāo)定出的轉(zhuǎn)換關(guān)系立即轉(zhuǎn)換為含沙量數(shù)據(jù)，更為簡便、快捷。

圖5 長江口北槽泥沙運(yùn)動試驗中含沙量變化過程Fig.5 Concentration process in the movement test with sediment from the Yangtze Estuary

4 結(jié)論

基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統(tǒng)是一種適用于實驗室含沙量測量的高效、便捷的測量系統(tǒng)，它安裝方便、設(shè)置簡單，可以實現(xiàn)對含沙量過程的自動化連續(xù)測量，測量的結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

與其他大部分含沙量測量儀器一樣，基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統(tǒng)需要通過標(biāo)定將測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為含沙量，對于不同粒徑及粒級含量的泥沙，標(biāo)定的結(jié)果可能差別很大，故對于不同地點不同時間的泥沙，都要開展專門的標(biāo)定試驗，以期獲取準(zhǔn)確的含沙量信息。本文基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統(tǒng)的標(biāo)定既可以在測量前進(jìn)行，也可以在測量后進(jìn)行：在測量前標(biāo)定，可以在測量的同時利用標(biāo)定關(guān)系將濁度值轉(zhuǎn)換為含沙量，更便于對測量過程中含沙量的變化規(guī)律有實時、直觀地了解；在測量后進(jìn)行標(biāo)定，則便于在測量的濁度范圍內(nèi)建立標(biāo)定關(guān)系，可以提高標(biāo)定關(guān)系的精度并減少標(biāo)定工作量。

通過將基于OBS 3+傳感器的實驗室含沙量測量系統(tǒng)應(yīng)用于實際試驗研究中進(jìn)行對比測試可知，該含沙量測量系統(tǒng)的測量結(jié)果與過濾烘干法測得的結(jié)果較為一致。在目前室內(nèi)試驗缺少高效、方便的含沙量測量手段的條件下，基于OBS 3+傳感器開發(fā)的含沙量測量系統(tǒng)是一種可以應(yīng)用于室內(nèi)泥沙試驗的新儀器，該含沙量測量系統(tǒng)的應(yīng)用可以使室內(nèi)含沙量測量更簡便、更高效，可以大大提高含沙量測量的效率，為泥沙室內(nèi)試驗研究提供便利條件，從而提高泥沙試驗研究的效率和成果的質(zhì)量。

［1］陳敏杰，王偉聰.淺析含沙量的測量［J］.價值工程，2010（3）：37.CHEN M J，WWANG W C.Analysis of the Sand Content Measure［J］.Value Engineering，2010（3）：37.

［2］薛元忠，何青，王元葉.OBS濁度計測量泥沙濃度的方法與實踐研究［J］.泥沙研究，2004（4）：56-60. XUE Y Z，HE Q，WANG Y Y.The method and application of OBS in the measurement of sediment concentration［J］.Journal of Sediment Research，2004（4）：56-60.

［3］薛元忠，許衛(wèi)東.光學(xué)后向散射濁度儀簡介及應(yīng)用研究［J］.海洋工程，2001（2）：79-84. XUE Y Z，XU W D.Introduction of OBS and its application study［J］.Ocean Engineering，2001（2）：79-84.

［4］劉杰，紀(jì)為剛，王元葉，等.長江口北槽表層懸沙粒徑變化及其對OBS標(biāo)定的影響［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報，2010（3）：84-88. LIU J，JI W G，WANG Y Y，et al.Changes in suspended sediment particle size in the north passage of Yangtze Estuary and the impact on the impact on the OBS calibration［J］.Hydro-science and Engineering，2010（3）：84-88.

［5］劉紅，何青，王元葉，等.長江口渾濁帶海域OBS標(biāo)定的實驗研究［J］.泥沙研究，2006（5）：52-58. LIU H，HE Q，WANG Y Y，et al.OBS situ calibration research in the turbidity maximum of the Changjiang Estuary，China.Journal of Sediment Research，2006（5）：52-58.

［6］張文祥，楊世倫.OBS濁度標(biāo)定與懸沙濃度誤差分析［J］.海洋技術(shù)，2008（4）：5-8. ZHANG W X，YANG S L.Turbidity Calibration of OBS and Errors Analysis of Suspended Sediment Concentration［J］.Ocean Technology，2008（4）：5-8.

［7］曹祖德，孔令雙，焦桂英.往復(fù)流作用下粉砂的起懸和沉降過程［J］.水道港口，2005（1）：6-11. CAO Z D，KONG L S，JIAO G Y.Sediment Movement Under the Effect of Periodic Reciprocating Current［J］.Journal of Waterway and Harbour，2005（1）：6-11.

［8］龐啟秀，張瑞波，溫春鵬.華潤浙江蒼南發(fā)電廠2×1 000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組港池航道適航水深應(yīng)用研究［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2015.

［9］中國水利學(xué)會泥沙專業(yè)委員會.泥沙手冊［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.

Development and application of laboratory sediment concentration measurement system based on OBS 3+transducers

LUAN Run-run1,ZHANG Rui-bo2
（1.Tianjin Key Laboratory of Surveying and Mapping for Waterway Transport Engineering,Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin300456,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

There are very few effective and convenient sediment concentration measurement methods in sediment laboratory experimental research.The usually used method in laboratory sediment concentration measurement is the oven drying method,which has great influence on the efficiency of test and the quality of the achievements. Laboratory sediment concentration measurement system has been developed based on OBS 3+transducers and applied in sediment experiment research.The automatic and continuous measurement can be realized by setting suitable measurement parameters in the software interface installed in a computer used for controlling the system and collecting turbidity data(NTU).The collected data is transmitted to the computer where it is stored.The calibration curve and sediment concentration transfer formula that is used for computing sediment concentration with the turbidity data can be obtained through system calibration.The application of the system in laboratory sediment movement tests shows that the operation is simple and convenient and that the result is stable and accurate.

OBS 3+;sediment concentration measurement;sediment laboratory tests;calibration;conversion formula

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2017）01-0094-05

2015-12-10；

2016-11-15

欒潤潤（1982-），女，天津市人，助理工程師，主要從事水文泥沙方面的研究。

Biography：LUAN Run-run（1982-），female，assistant engineer.