OBS浊度计测量泥沙浓度的方法与实践研究.doc

OBS 浊度计测量泥沙浓度的方法与实践研 OBS 浊度计测量泥沙浓度的方法与实践研究 薛元忠 , 何 青 , 王元叶 ( 华东师范大学 河口海岸国家重点实验室 , 上海 200062) 摘要 :本文主要对光学后向散射浊度计的测量原理 、仪器结构 、泥沙校准做了研究分析 ,讨论了影响因素 ,揭示 了水体浊度与泥沙浓度的相互关系 ,并结合长江口的水体泥沙测量应用提出其应用前景 。 关键词 :光学后向散射浊度计 ;浊度 ;泥沙浓度 ;泥沙校准 ; 长江口 文章编号 (2004) 0420056205 中图分类号 : TV149 文献标识码 :A 水体泥沙含量的测量是水文要素观测中一项十分重要的内容 。传统的含沙量测量采用现场取样 , 过滤称重的方法 ,这种测量操作繁杂 ,效率低 ,不能实时连续监测 。 光学后向散射浊度计 (Optical Back Scattering 简称 OBS ) 是一种光学测量仪器 ,它通过接收红外辐射 光的散射量监测悬浮物质 ,然后通过相关分析 ,建立水体浊度与泥沙浓度的相关关系 ,进行浊度与泥沙 浓度的转化 ,得到泥沙含量 。这种方法 ,操作简单 ,能够快速 ,实时 ,连续测量 。适用于水体含沙量波动 较大的潮汐河口 ,沿海悬浮泥沙的监测 。 1 测量原理 OBS 浊度计的核心是一个红外光学传感器 。众所周知 ,光线在水体中传输 ,由于介质作用会发生吸 收和散射 ,根据散射信号接收角度的不同可分为透射 ,前向散射 ( 散射角度小于 90°) ,90°散射和后向散 射 (散射角度大于 90°) 。从理论上讲监测任一角度的红外光线散射量均可 测量浊度 ,见图 1 。本文讨论的散射浊度计主要是监测散射角为 140°～160° 之间的红外光散射信号 ,此间散射信号稳定 。之所以选择红外光线是因为 红外辐射在水体中衰减率较高 ,太阳中的红外部分完全被水体所衰减 ,这 样 OBS 发射光束不会受到强干扰 ,图 2 清楚地显示出水体的体积散射特 征 ,散射角度和悬浮物质的变化情况 。图中表明了三种特征 。第一 ,散射 率随散射角度增大而减小 ; 第二 ,在后向散射范围内散射率比较稳定 ; 第 图 1 光学散射示意图 Fig. 1 Optical particle detectors 三 ,在后向 散 射 接 收 范 围 内 无 机 物 质 的 散 射 强 度 明 显 大 于 气 泡 和 有 机 物质 。 2 仪器结构 OBS23A 浊度计为美国 D A 公司的产品 ,它由传感器 、电子单元 、接口部分和电源部分组成 ,工作原 理见图 3 。 红外传感器由一个高效红外发射二极管 ,四个光敏接收管和一个线性固态温度传感器组成 。红外 收稿日期 :2003207207 基金项目 :国家重大基础研究 (973) 发展规划项目课题 (2002CB412407) 收 140°～160°之间的散射信号 ,在空气中光敏接收管的有效接收范围在 80 cm ,但在离 收 140°～160°之间的散射信号 ,在空气中光敏接收管的有效接收范 围在 80 cm ,但在离接收面 30 cm 范围内较为敏感 ,在水体中光敏接 收管的有效接收范围为 25 cm 。接收范围设计确定后所有上述元件 由环氧树脂固定 。 红外光敏接收二极管接收到散射信号送至 AΠD 转接器 ,将模拟 信号转换成数字信号 。然后由计算机对转换成的数字信号进行采 集 ,按照 OBS 浊度计的测量要求进行处理 ,处理好的数据通过 RS- 232 串口与操作计算机进行通讯联系 ,操作计算机中安装了 OBS23A 的处 理操 作 软 件 , 它 设 置 和 控 制 OBS3A 的 运 行 方 式 并 进 行 数 据 结 果 处理 。 仪器由 12VΠDC 直流供电 ,仪器内部装有 4 节 1 号 高能碱性电池 ,供自容式采样使用 。 仪器的传感器和 IΠO 端口安装在仪器的一端 , 而 电池和电路板装在圆柱形腔体内 。 仪器的指标 : 图 2 散射强度与散射角度特征图 Fig. 2 Scatterings intensity vs angle 浊度 深度 温度 盐度 0- 4000FTU 0～200m ±2 . 0 % 0～38 ℃ ±0 . 075 ℃ 40PSU ‰ ±0 . 1PSU 图 3 OBS3A 浊度计原理框图 ±2 . 0 % Fig. 3 Sketch map of OBS working principle 3 测量方式与应用方法 311 测量 OBS- 3A 浊度计有两种工作模式 ,在实时测量 ( Survey) 工作模式 ,OBS- 3A 将测量的数据传输计算机 记录在硬盘中 ;在自容记录 (Log) 模式