全自動泥沙在線監測系統
一、系統應用背景
河流懸移質泥沙含量（含沙量）是重要的水文參數之一，河流含沙量監測對于水利水電工程建設，水資源開發利用，水土流失治理，工農業取水用水，水文預報等意義重大。目前水文上測量河流含沙量的主要方法是：人工取樣，使用烘干法測量含沙量。該方法從樣品的采集到分析，均需要大量人力，物力和時間的投入，而且測量周期長，操作過程繁瑣，勞動強度大，難以實時，在線監測河流含沙量的變化。
近年來隨著新產品新技術的不斷引進，針對河流泥沙的監測積累了一些經驗，取得了一些進展。目前，由我司研發的JBNS-100型 全自動泥沙在線監測系統已正式投入使用，本套系統可以實現了含沙量和輸沙率的實時在線監測。
二、全自動泥沙在線監測系統簡介
JBNS-100型 泥沙在線監測系統主要由泥沙傳感器、數據采集與傳輸系統（含RTU）、供電系統、數據管理軟件和安裝支架等組成。
傳感器滿足《水文儀器及巖土工程儀器質量監督檢驗測試中心》水文儀器特性要求。
2.1系統特點：
v 可直接輸出測點泥沙含量值、水深、溫度值；
v 自動計算斷面平均含沙量與輸沙率，24小時連續在線監測；
v 支持整合多個斷面泥沙傳感器數據；
v 建立泥沙與水位、流量等相關的關系線；
v 直接生成水文規范報表，可直接參與資料整編。
2.2測量原理
本套系統所使用的傳感器基于組合紅外吸收散射光線法，通過逆投影成像技術，可以連續精確測定水體中的懸移質泥沙含量。按照紅外散射光線技術不受色度影響測定懸移質泥沙含量，可直接輸出泥沙含量數據，實現實時在線監測。
2.3 JBNS-100型 泥沙在線監測儀
JBNS-100型 測沙傳感器基于組合紅外吸收散射光線法，通過逆投影成像技術可以連續精確測定水體中的懸浮泥沙含量。按照紅外散射光線技術不受色度影響測定泥沙含量濃度值，即可直接輸出泥沙含量數據，實現實時在線監測。根據使用環境可以選配帶自清洗功能和保護裝置。
傳感器突出特點：
? 傳感器采用多光束紅外散射光逆投影成像技術結合TES91算法；音叉震動與電磁感應技術（高量程）；
? 內設自診功能，保證數據準確；
? 可選配清潔刷自動清洗功能，減少傳感器維護量；
? 數字化傳感器，抗力強；
? 泥沙同質性標定與分析識別；
? 低量程范圍：0-45 kg/m3/120kg/m3，高量程范圍：5kg-2500kg/m3，可定制型號和量程，滿足不同測驗環境要求。
表1 JBNS-100型 泥沙傳感器規格
規格 | 詳細信息 |
尺寸 | 直徑90mm*長度 478mm |
重量 | 6KG |
主要材料 | 機身：鈦合金+POM+316L不銹鋼 |
O型環：氟橡膠 |
線纜：PVC |
防水等級 | IP68/NEMA6P |
測量范圍 | 0.001kg/m3-120kg/m3，可根據定制量程 |
測量精度 | 誤差小于測量值的±5% |
耐壓范圍 | ≤0.3Mpa/0-30m水深標配，到50米 |
流速 | ≤5.0m/s |
存儲溫度 | -25到85℃ |
測量環境溫度 | 0到55℃ |
校準 | 斜率校準/多點校準 |
傳感器線 | 標準整體電纜，可定制 |
深度傳感器 | 量程：0-100M，精度：0.01M |
溫度傳感器 | 量程：-20℃-120℃，精度：0.1℃ |
電源 | DC12V |
輸出 | 通過6mm抗拉屏蔽線纜輸出數字信號 |
顯示輸出 | 本地觸摸屏顯示，遠程WEB端顯示，手機APP查看 |
軟件 | 可實時顯示測量值并保存，可與系統報表對接 |
2.4數據采集與分析主機（含RTU功能）
系統主要功能如下：
（1）能自動采集及處理測沙傳感器監測到的泥沙數據，并根據泥沙-斷沙率定公式自動計算斷面平均含沙量，支持導入斷面流量數據，自動計算斷面輸沙率，對泥沙進行24小時連續在線監測，實現數據采集的準確性、完整性、及時性和可靠性；
（2）可同時接收多個水文站（或監測斷面）的泥沙含量數據，每個水文站（或監測斷面）可同時支持多個JBNS-100型 傳感器；
（3）統計分析：實時監測的數據可自動傳輸并存儲在中心數據庫，并可進行數據統計，可生成逐日平均懸移質輸沙率表和逐日平均含沙量表等符合《水文資料整編規范》的多種報表，與Excel無縫對接；
（4）遠程控制：遠程修改參數，異常數據報警等，同時可根據用戶要求定制功能。
數據處理主機參數如下：
名 稱 | 參 數 | 描述說明 |
主要參數 |
CPU | AM3352BZCZD60@600MHZ | ARM Cortex-A8構架，工業級溫寬 |
內存 | 256M DDR3 | 工業級溫寬：-40℃ ? +85℃ |
NandFlash或e.MMC | 256MB SLC NandFlash/4GBe.MMC | 工業級溫寬：-40℃ ? +85℃ |
數據接口 |
百兆以太網接口 | 2路 | 2路10/100自適應網絡接口 |
3G/4G模塊接口 | 1路 | 用于擴展3G/4G通信模塊 |
WIFI模塊接口 | 1路 | 2.4G WIFI |
USB HOST | 2路 | USB2.0高速 |
TF卡接口 | 1路 | 支持大容量TF卡和MicrsSD卡，設計了熱拔插檢測，支持SD Memory Card協議v2.0 |
SIM卡接口 | 1路 | MICRO-SIM卡 |
調試串口 | 1路 | RS232 |
RS485接口 | 4路 | 可根據總線擴展N個接口 |
RS232接口 | 4路 | 與485復用 |
CAN接口 | 2路 | 支持CAN2.0 Part A和2.0Part B，傳輸速度可達1Mbit/S |
RTC時鐘 | 高精度時鐘芯片 | 采用高精度RX8025時鐘芯片，后備電池，可以再斷電時保證時間不丟失 |
LED指示燈 | 2個 | 1個CPU工作心跳燈，1個用戶自定義燈 |
用戶按鍵 | 1個 | 可自定義按鍵功能 |
電氣特性 |
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輸入電壓 | DC12V | 9-30V |
工作溫度 | -40℃ ? +85℃ | 工業級溫寬 |
工作濕度 | 5% ? 95% |
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結構參數 |
機盒尺寸 | 159mm×105mm×33mm |
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2.5供電系統
供電模塊通過太陽能電池板和蓄電池的供電方式，配備充電控制器，可用交流電對電池進行充電。蓄電池100AH，100W太陽能板供電。
2.6數據管理軟件
自動化接收處理軟件可安裝于中心站服務器、現場控制服務器，軟件系統采用架構為C/S和B/S兩種模式，能接收測站發來的各項有關信息，并能遠程下載數據和設置測站工作參數。在非測流時間，能人工控制增加測次。根據測站實測數據生成《河流流量測驗規范》（GB50179-2015）、《水文資料整編規范》（SL247-2012）等現行水文規范、標準所需報表。
2、能實現在線測流功能，嚴格依據水文測驗規范及《水文資料整編規范》（SL247-2012）等現行有關規范、標準要求，建立各相關要素數據表結構，并提供數據庫訪問權限及訪問技術支持。
3、管理要求：軟件管理上進行權限分級，不同權限的管理者對其進行不同程度的操作。
三、安裝設計（現場照片）
JBNS-100型 安裝的目的是根據單點泥沙-斷沙率定關系計算出斷面平均含沙量，因此必須按規范布設在測驗河道斷面具有代表性的一點或具有代表性的垂線的多點上。JBNS-100型 為側視測量，安裝時需將儀器橫立式固定（傳感器面向下游），為使JBNS-100型 在低水時仍然能實時測量，安裝深度應該低于水位。儀器將在固定位置測量河流含沙量，安裝時應該考慮漂浮物對儀器的造成的影響。
1、 固定式安裝，采用不銹鋼支架制作，根據現場情況定做支架，保證支架的強度。
2、 浮標式安裝，浮體直徑1.0-2.0米不等，浮力500-800公斤，堅固的構造：
1）高分子聚合材料浮體
2）熱浸鍍鋅鋼板和鋁合金框架
3）所有金屬的保護與防銹采用環氧樹脂涂料
3、 水密間隔保護：
1）密封防水電控室，保護數據采集控制器與電池系統
2）密封O形環
3）不銹鋼艙口蓋
4、 全面的配置：
a) 太陽能電池板；
b) 水密天線
c) 防撞擊警示燈和雷達反射器；
d) 具有很強的固著能力的錨系統；
1）GPS定位系統
可通過程序設定浮標經緯度范圍（定位精度在15米以下，實時監測浮標的經緯度），一旦浮標漂離規定范圍，GPS測定后立即向預設電話報警，及時追回，有效的防止偷盜、錨纜斷裂等意外事件。接收衛星信號，定位浮標的位置，同時，位置數據也會被數采器采集，與監測數據一起發送至數據服務中心。通過位置數據，可以使監測數據結合地圖來顯示，使結果顯示更加形象具體。
2）系留系統
配套固定及回收系統，并可根據水下不同的情況選擇不同形式的錨和不同的拋錨方式，以雙錨雙纜錨泊系留系統為例，每個菱形錨重達百公斤，具有的固著力并便于回收，雙鏈為鋼纜和尼龍繩。穩定錘裝有鋅保護陽極，保護儀器設備不受電化學腐蝕。該套系統具有耐久、維護少、便于回收的優點，并且能極大的提高安全度，不易被偷盜。如下圖示：
3）系留穩定系統
浮標體配置穩定硾，穩定整個浮標系統，在海洋中大風大浪也不易傾斜翻到。即使被大浪打翻也能迅速回正，豎直儀器。
4）金屬太陽能板等支撐架
采用鍍鋅鋼支撐架。
四、數據處理
（1）比測
，我們需要將測得的泥沙數據與人工測驗含沙量進行對比。
（2）分析數據，確定系數
在得到一定的率定數據后（通常需要經歷高、中、低含沙量），我們可以通過EXCE軟件求出關系曲線和關系式。然后，我們只需要把關系式輸入到在線自動監測平臺中，即可得到24小時不間斷的斷面懸移泥沙含量數據。
應用JBNS-100型 在線數據與人工測驗含沙量比測，建立關系，實現了含沙量監測的技術轉化，變人工監測為在線自動監測，解放生產力，提高工作效率，實現含沙量實時連續在線自動監測，在線自動監測數據采集間隔可調，傳遞快捷，數據便以電腦儲存整編。
五、JBNS-100型 泥沙在線監測儀的優勢
1、在泥沙自動測量中最重要的是懸移質（懸浮顆粒物）的同質性，泥沙可以分為很多種，如：青沙、黃沙、棕沙等，它們的質量不同、顏色不同，對光的反射率也不同，所以如果采用同一種方式去測同質性不同的泥沙，得出的結果可能相差甚遠。泥沙傳感器做了大量實驗，會根據不同流域對傳感器進行分大類來標定分析，并將逆投影成像技術計算方寫進傳感器軟件，這樣得出最終結果的誤差會減小甚多。
2、JBNS-100型 泥沙傳感器可以根據泥沙含量的多少設置自動單次清洗次數和清洗時間間隔。
3、JBNS-100型 泥沙傳感器是直接根據質量來標定和計算，所以可以直接輸出質量單位（mg/L或Kg/m3）。在測量泥沙含量時無需通過濁度（NTU）來換算成重量單位（mg/L或Kg/m3），測量結果更直觀，無需換算。
六、系統配置清單
序號 | 型號名稱 | 產品描述(含性能特點、技術參數等) | 數量 |
1 | JBNS-100型 傳感器 | 可根據安裝現場實際含沙量定制量程，以獲得精度要求，帶自動機械清潔刷，可設定定時清洗。帶深度和溫度輸出。 | 1臺 |
2 | 電 纜 | 標配電纜數據線，10米，長度可以根據需要延長，最長200米。 | 1套 |
3 | 泥沙數據采集和數據分析主機系統 | 數據采集分析系統，用于數據的采集和分析傳輸等（主機自帶RTU、GPRS等功能） | 1套 |
4 | 供電系統 | 供電系統：蓄電池及充電控制器，太陽能板。 | 1套 |
5 | 數據處理分析軟件和中心站管理軟件 | 數據顯示軟件、泥沙的數據處理分析軟件，方便數據的率定分析及關系建立，功能可根據客戶要求定制開發和擴展。 | 1套 |
6 | 設備布線安裝和支架 | JBNS-100型 泥沙在線監測儀的支架設計及安裝，需要根據實際難易情況決定。 | 1套 |
7 | 安裝調試 | 具體根據現場情況，約需1-2人 | 1套 |
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