CN104931225B - 一种自动连续称重式集沙仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动连续称重式集沙仪。其结构包括支架、集沙单元、数据采集器和电源。所述集沙单元包括封闭箱体、减风压器、旋风分离器、集沙盒和重量传感器。集沙时，风沙流首先进入旋风分离器内，旋风分离器将风沙流中的气流和沙尘进行初步分离，被初步分离后的沙尘中含有残存风压，含有残存风压的沙尘经减风压器后进一步消除残存风压，由减风压器出口排出的沙尘自然落入集沙盒内，再由重量传感器对集沙盒内的沙尘进行测重，测重数据传输至数据采集器。本发明所提供的自动连续称重式集沙仪，自动化程度高，维护费用低，对自然状况模拟较好，适合野外高精度的风沙活动自动监测。

Description

一种自动连续称重式集沙仪

技术领域

本发明涉及一种集沙仪，具体地说是一种自动连续称重式集沙仪。

背景技术

干旱区和半干旱区土地退化的主要原因是土壤风蚀，土壤风蚀的主要外营力为风沙活动，反映土壤风蚀风沙活动强度的直接指标为沙通量。近地面风沙活动监测是土壤风蚀地面监测的主要内容，其主要是对风沙流进行监测，监测结果可为土壤风蚀检测和预报提供基础数据。目前，国内外对风沙流的检测技术主要分为三大类：第一类是使用压力传感器、声音传感器或光学传感器等对风沙流强度进行间接观测；第二类是使用机械式集沙仪（如平口集沙仪、多路方口集沙仪、MWAC集沙仪、旋风分离集沙仪等）对风沙流强度进行定量直接观测；第三类是使用机械集沙仪集沙，使用电子仪器称量和记录沙尘重量。第一类自动化程度高，可以实时监测风沙流相对强度（如沙尘浓度、跃移颗粒数目和能量等），但不能从重量上获取准确的沙通量；第二类可以准确测定沙通量，但需要繁琐的人工集沙过程，故难以对沙通量进行高时间分辨率的实时监测和自动记录；第三类可实现对沙尘数据的实时自动监测。

上述第三类虽然可对风沙流进行实时自动监测，但是，其不能克服含能风沙流的“风压”，所谓“风压”即是运动中的风所产生的流体压力，“风压”会对重量传感器产生影响，尤其是在大风暴时期，高能风沙流产生的“风压”会反馈给重量传感器，从而严重影响沙尘的称量精度；“风压”对高精度重量传感器的影响，使得在短时间内沙尘的重量数据会受“风压”的持续扰动，从而难以实现对截获沙尘的实时准确称重，因此，上述第三类风沙流检测技术难以实现高精度和高时间分辨率的监测。

而且，上述三类集沙仪器的机械集沙设备都不具有防雨功能，如遇到突发风雨状况，很容易对已观测到的数据造成破坏，甚至损坏与之连接的电子设备。综上所述，随着风沙研究向纵深和精细方向的发展，迫切需要一种自动化、精度高、称量准且防风雨的集沙设备。

发明内容

本发明的目的就是提供一种自动连续称重式集沙仪，以解决现有的集沙仪测量精度、时间分辨率不够高，且不具有防雨功能的问题。

本发明是这样实现的：一种自动连续称重式集沙仪，包括支架、集沙单元、数据采集器和电源；所述支架竖直设置，所述集沙单元设置在所述支架上，所述集沙单元用于对风沙流中的沙尘进行收集并测重；所述数据采集器通过电缆线与所述集沙单元相接，所述数据采集器可通过所述集沙单元实时采集风沙流中沙尘的重量数据；所述电源用于给所述数据采集器和所述集沙单元供电；

所述集沙单元包括：

封闭箱体，其侧壁通过连接杆固定在所述支架上；

减风压器，位于所述封闭箱体内，包括壳体及交错设置在所述壳体内壁两侧的上减压舌片和下减压舌片；所述上减压舌片位于所述下减压舌片的上方，所述上减压舌片和所述下减压舌片均有一个固定端和一个自由端，且两个减压舌片自由端的指向相反，两个减压舌片均由其固定端到其自由端向下倾斜；

旋风分离器，包括筒体、设置在所述筒体外侧壁靠近上端部位的进沙管及设置在所述筒体上端的净空气出气管；所述筒体的上部为直筒部，所述筒体的中部为锥形部，所述筒体的下部为细管部，所述细管部的下端穿过所述封闭箱体的上盖，并伸入所述减风压器的壳体内；

集沙盒，设置在所述封闭箱体内，且位于所述减风压器的壳体的下方，用于收集由所述减风压器的壳体落下的沙尘；以及

重量传感器，固定设置在所述封闭箱体内的底部，所述集沙盒置于所述重量传感器上，所述重量传感器用于检测所述集沙盒内沙尘的重量，并将所检测到的数据通过电缆线传输至所述数据采集器。

所述集沙单元还包括有：

遮雨帽，设置在所述旋风分离器的净空气出气管的上方，用于遮挡雨水、避免雨水通过所述净空气出气管流入所述筒体内。

所述集沙单元还包括有：

风摆尾翼，设置在所述旋风分离器的筒体的外侧壁靠近上端部位，且与所述进沙管相背设置，用于使所述旋风分离器随风摆动。

所述减风压器中的所述上减压舌片和所述下减压舌片的倾斜角度为45°~60°。

所述旋风分离器中的所述进沙管水平设置，在其前部端口处设有一个倾角为10°~15°的下倾段。

在所述封闭箱体的侧壁上设有活动门。

所述电源为太阳能电池或蓄电池。

本发明中的集沙单元用于收集风沙流中的沙尘并进行测重，集沙单元具体包括封闭箱体、减风压器、旋风分离器、集沙盒和重量传感器。收集沙尘时，风沙流首先自旋风分离器的进沙管的敞口端进入，通过进沙管后进入旋风分离器的筒体内，风沙流中包含了气流和沙尘，进入筒体内的风沙流首先实现气流和沙尘的初步分离，即大部分气流从筒体上端的净空气出气管排出，沙尘携带着小部分的气流（或称残存的含能风沙流）自筒体的底部进入减风压器内，含能风沙流在减风压器内依次经过上减压舌片和下减压舌片，上减压舌片和下减压舌片可充分阻挡含能风沙流中所携带的小部分气流，从而消除残存的风压，由减风压器出口出来的沙尘在重力作用下自然落入集沙盒内，实现对沙尘的收集，再由重量传感器对集沙盒内的沙尘进行重量的检测。

由于在沙尘落入集沙盒之前，首先经旋风分离器对风沙流中的气流和沙尘进行了初步分离，后又经减风压器消除了沙尘中残存的风压，因此落入集沙盒的沙尘几乎不带有气流，即克服了“风压”问题，解决了现有技术中因“风压”对高精度重量传感器的影响而导致测量精度不高的问题。

本发明通过在旋风分离器的净空气出气管的上方设置遮雨帽，能够在突发风雨的状况下，阻止雨水由上而下通过净空气出气管进入旋风分离器的筒体内；而且，进沙管通过下倾段与筒体相接，下倾段自筒体向进沙管方向向下略微倾斜，这样，在突发风雨状况下，即使侧方雨水随风沙流进入进沙管，雨水在下倾段内也会在重力的作用下自然流出，由于下倾段的倾斜度不大，因此又不会阻挡风沙流的流通。

本发明所提供的自动连续称重式集沙仪，数据的采集和记录均由仪器自动完成，一次或多次风沙事件过程中不需要实验人员采集沙通量数据，大大节省了数据采集时间及人工费用。而且，本发明中的自动连续称重式集沙仪还可实现沙通量数据的高时间分辨率的收集和记录，大大提高了对风沙运动过程观测的精度。

本发明所提供的自动连续称重式集沙仪，自动化程度高，维护费用低，对自然状况模拟较好，适合野外高精度的风沙活动自动监测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中集沙单元的结构示意图。

图3是本发明中旋风分离器的俯视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括支架2、集沙单元1、数据采集器4和电源。

支架2为竖直的管状结构，支架2的下端可安装插钎，以便于将支架2固定在地面上。插钎和支架2为可拆分结构。集沙单元1通过连接杆25固定在支架2上，集沙单元1用于对风沙流中的沙尘进行收集并测重；在具体应用时可根据实际需要在支架2上安装若干不同高度的集沙单元1。每个集沙单元1均通过电缆线3与数据采集器4相接，电缆线3可自支架2的顶部伸入支架2内部，再由支架2的底部伸出后与数据采集器4相接。为避免电缆线3被雨水侵蚀，可在支架2顶部设置盖板。

数据采集器4通过集沙单元1可实时采集风沙流中沙尘的重量数据并对所采集的数据进行存储，存储的数据可通过USB连接线（或称数据线）导入计算机中，以实现对数据进行入库保存和数据分析。当然，也可以通过GPRS天线使数据采集器4所存储的数据通过无线网络传输至远程计算机，进一步提高仪器的自动化水平。

电源与数据采集器4和每一集沙单元1相连，用于给集沙单元1和数据采集器4供电。电源可以为太阳能电池，也可以为蓄电池，或两者共同作用。图1中示出了太阳能电池板5通过电缆线3与数据采集器4和每一集沙单元1相接。

如图2所示，集沙单元包括封闭箱体20、减风压器、旋风分离器、集沙盒15和重量传感器16。

封闭箱体20为长方体箱体结构，其内部为中空结构。封闭箱体20相当于集沙单元的一个底座，其侧壁通过连接杆固定在支架上。重量传感器16置于封闭箱体20内的底部，本发明中重量传感器16为高精度的重量传感器，其测量精度为0.01克。集沙盒15设置在重量传感器16上，具体是，在重量传感器16上固定设置固定座17，固定座17的四周设置上凸的卡沿，集沙盒15放置在固定座17上，由固定座17边缘的卡沿实现对集沙盒15的限位作用。

旋风分离器包括筒体8、进沙管21和净空气出气管23。筒体8又分为上、中、下三个部分；其上部为直筒部8-1，中部为锥形部8-2，下部为细管部8-3。本实施例中直筒部8-1为中空的圆柱体结构，锥形部8-2为中空的圆台体结构，圆台体的大截面端与直筒部8-1的底部相接，圆台体的小截面端与细管部8-3的顶部相接；细管部8-3为圆形管状体。锥形部8-2和细管部8-3连接起来构成一个类似“漏斗状”的结构。细管部8-3的下端穿过封闭箱体20的上盖伸入封闭箱体20内。

净空气出气管23设置在直筒部8-1的上端，净空气出气管23为两端开口的圆管结构，其一端与直筒部8-1的顶端相接，其另一端为出气口，在直筒部8-1的上端与净空气出气管23相接的部位设有通孔，进而使得直筒部8-1的内腔（或称筒体8的内腔）与净空气出气管23的内腔相连通。

在直筒部8-1靠近上端的侧壁上设有下倾段22，下倾段22为管状结构，下倾段22的前端口（左侧端口，即向下倾斜后的端口）连接进沙管21，进沙管21为水平管状结构，下倾段22与进沙管21相连通，且与筒体8内腔相连通。

风沙流在风力的作用下由进沙管21前端的进沙口（即图中左侧口）进入进沙管21内，并通过下倾段22进入直筒部8-1内，接着在重力作用下经锥形部8-2，再经细管部8-3，最后由细管部8-3的底部排出筒体8。由于风沙流包含了气流和沙尘，风沙流在筒体8内由上至下运动时，大部分气流会通过直筒部8-1上端的净空气出气管23排出筒体8外部，另外小部分气流会随着沙尘向下运动，携带着小部分气流的沙尘也称分离后的包含有残存气流的含能风沙流。因此，风沙流经旋风分离器后，即实现了气流和沙尘的初步分离。

参见图2和图3，本发明为了克服突发风雨对集沙单元的破坏，特在筒体8的顶部设置了遮雨帽6，具体是，在筒体8的上端（即在直筒部8-1的上端）固定设置三根遮雨帽支架24，三根遮雨帽支架24所围成的三角形（本实施例中为正三角形）将净空气出气管23包围起来，遮雨帽6为伞状结构，遮雨帽6固定设置在遮雨帽支架24的顶端，且遮雨帽6的边缘伸出遮雨帽支架24。遮雨帽支架24的高度高于净空气出气管23的高度，从而使得遮雨帽6与净空气出气管23的出气口之间具有一定的距离。一方面，遮雨帽6的设置不会影响由净空气出气管23的出气口排出的纯净气流，另一方面，遮雨帽6还可有效遮挡雨水，避免雨水由上至下通过净空气出气管23的出气口进入筒体8内部，有效阻挡了雨水对监测数据及仪器等的损坏。

在突发风雨情况下，雨水在风力的作用下也可横向进入进沙管21内，但是，由于进沙管21与筒体8之间设置有下倾段22，下倾段22由水平状态向下略微倾斜，倾斜角度（也就是下倾段与进沙管的夹角）为10°~15°，由于下倾段22自筒体8向进沙管21方向向下倾斜，因此，雨水即使进到进沙管21内，也不会由下倾段22流入筒体8内。下倾段22的倾斜角度较小，一方面可防止突发降雨时雨水从侧向流入筒体内，另一方面又不影响无雨状态下风沙流的进入。

为了提高采集沙尘的效率，本发明还在筒体8的侧壁设置了风摆尾翼7，具体是，在直筒部8-1的外侧壁靠近上端部位设置风摆尾翼7，风摆尾翼7与进沙管相背设置，风摆尾翼7可在风力的作用下伸展，并可随风摆动，风摆尾翼7的摆动可带动筒体8转动，由于风摆尾翼7与进沙管相背设置，因此风力带动的风沙流正好可通过进沙管的进沙口进入筒体8内部，从而提高集沙的效率。

为了使筒体8能够随风摆动，本发明在封闭箱体20的上盖中心位置处设置第一空心轴承10，使筒体8的细管部8-3的下端穿过第一空心轴承10的中心伸入封闭箱体20内，并在封闭箱体20内通过第二空心轴承11伸入减风压器内。细管部8-3的下端可相对第一空心轴承10和第二空心轴承11转动，进而可使筒体8随风摆动。

减风压器位于封闭箱体20的内部。减风压器包括壳体12及交错设置在壳体12内壁两侧的上减压舌片18和下减压舌片19。壳体12的外侧壁通过连接板13与封闭箱体20的内壁固接。上减压舌片18和下减压舌片19均为薄板状结构，上减压舌片18位于下减压舌片19的上方。上减压舌片18的一端固接在壳体12的内壁上，且靠近细管部8-3的下端口，上减压舌片18的另一端为自由端，上减压舌片18由其固定端到其自由端方向向下倾斜，倾斜角度在45°~60°之间。下减压舌片19的一端固接在壳体12的内壁上，且靠近上减压舌片18的自由端，下减压舌片19的另一端为自由端，下减压舌片19由其固定端到其自由端方向向下倾斜，倾斜角度在45°~60°之间。上减压舌片18和下减压舌片19的固定端相对设置在壳体12的内壁两侧，从而使得上减压舌片18和下减压舌片19的自由端指向相反。

上减压舌片18和下减压舌片19的自由端均距壳体12的内壁有一定的距离，上减压舌片18的自由端位于下减压舌片19的固定端的斜上方，且靠近下减压舌片19的固定端。由筒体8的细管部8-3的下端落下的含有残存气流的含能风沙流进入减风压器内后，首先落到上减压舌片18上，沿上减压舌片18下滑并经上减压舌片18的自由端落到下减压舌片19上，再沿下减压舌片19下滑并经下减压舌片19的自由端落下。含能风沙流依次经上减压舌片18和下减压舌片19后，其内所残存的气流会被两个减压舌片阻挡住，从而可克服残存的风压，避免了后续因残存风压对重量传感器的影响而导致测量结果不准确的问题。上减压舌片18和下减压舌片19的倾斜角度设计成45°~60°，既可有效阻挡残存的风压，又不会阻碍沙尘的自由滑落。

壳体12的下部可设计成漏斗状结构，由下减压舌片19的自由端落下的消除了残存气流后的沙尘经壳体12下部的漏斗状结构自然落下。风沙流经减风压器后可实现沙尘和气流的充分分离。

集沙盒15为敞口的桶体结构，集沙盒15位于壳体12的正下方，由壳体12下部的漏斗状结构落下的沙尘便可堆积在集沙盒15内，实现对沙尘的收集。集沙盒15下方的重量传感器16可实时检测集沙盒15内沙尘的重量，并可将所检测到的数据通过电缆线3传输至数据采集器4。数据采集器4采集数据的频率（或称采集时间分辨率）可根据需要自行设置，一般情况下，数据采集器4的最高数据采集频率可设为一分钟。对于设有多个集沙单元的情况，数据采集器4可对多个重量传感器所检测到的数据进行采集，并可根据需要设置不同的数据采集频率。

本发明还可以在封闭箱体20的侧壁上设活动门14，通过活动门14可将位于封闭箱体20内的集沙盒15取出，以便清理集满沙尘的集沙盒15，清理完毕后再将集沙盒15放回封闭箱体20内。

本发明还可以在支架2上设置风速传感器、风向传感器、温度传感器和湿度传感器等，且这些传感器均通过电缆线与数据采集器4相接，通过这些传感器可实时检测风速、风向、温度和湿度等参数。

Claims (6)

1.一种自动连续称重式集沙仪，其特征是，包括支架、集沙单元、数据采集器和电源；所述支架竖直设置，所述集沙单元设置在所述支架上，所述集沙单元用于对风沙流中的沙尘进行收集并测重；所述数据采集器通过电缆线与所述集沙单元相接，所述数据采集器可通过所述集沙单元实时采集风沙流中沙尘的重量数据；所述电源用于给所述数据采集器和所述集沙单元供电；

所述集沙单元包括：

封闭箱体，其侧壁通过连接杆固定在所述支架上；

减风压器，位于所述封闭箱体内，包括壳体及交错设置在所述壳体内壁两侧的上减压舌片和下减压舌片；所述上减压舌片位于所述下减压舌片的上方，所述上减压舌片和所述下减压舌片均有一个固定端和一个自由端，且两个减压舌片自由端的指向相反，两个减压舌片均由其固定端到其自由端向下倾斜；

旋风分离器，包括筒体、设置在所述筒体外侧壁靠近上端部位的进沙管及设置在所述筒体上端的净空气出气管；所述筒体的上部为直筒部，所述筒体的中部为锥形部，所述筒体的下部为细管部，所述细管部的下端穿过所述封闭箱体的上盖，并伸入所述减风压器的壳体内；

集沙盒，设置在所述封闭箱体内，且位于所述减风压器的壳体的下方，用于收集由所述减风压器的壳体落下的沙尘；

重量传感器，固定设置在所述封闭箱体内的底部，所述集沙盒置于所述重量传感器上，所述重量传感器用于检测所述集沙盒内沙尘的重量，并将所检测到的数据通过电缆线传输至所述数据采集器；以及

遮雨帽，设置在所述旋风分离器的净空气出气管的上方，用于遮挡雨水、避免雨水通过所述净空气出气管流入所述筒体内；

在所述筒体的上端固定设置三根遮雨帽支架，三根遮雨帽支架所围成的三角形将所述净空气出气管包围起来，所述遮雨帽为伞状结构，所述遮雨帽固定设置在所述遮雨帽支架的顶端，且所述遮雨帽的边缘伸出所述遮雨帽支架；所述遮雨帽支架的高度高于所述净空气出气管的高度。

2.根据权利要求1所述的自动连续称重式集沙仪，其特征是，所述集沙单元还包括有：

风摆尾翼，设置在所述旋风分离器的筒体的外侧壁靠近上端部位，且与所述进沙管相背设置，用于使所述旋风分离器随风摆动。

3.根据权利要求1或2所述的自动连续称重式集沙仪，其特征是，所述减风压器中的所述上减压舌片和所述下减压舌片的倾斜角度为45°~60°。

4.根据权利要求1或2所述的自动连续称重式集沙仪，其特征是，所述旋风分离器中的所述进沙管水平设置，在其前部端口处设有一个倾角为10°~15°的下倾段。

5.根据权利要求1或2所述的自动连续称重式集沙仪，其特征是，在所述封闭箱体的侧壁上设有活动门。

6.根据权利要求1或2所述的自动连续称重式集沙仪，其特征是，所述电源为太阳能电池或蓄电池。