CN101561367B - 浮动式自动水样采集器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种简单便携，易于操作的水样采集装置，使用者在岸边就能实现对不同位置、不同深度的水样进行采集。基于环境科学研究和工作实践的实际情况，本发明不仅解决了人工取样的难题，而且提高了野外水样采集的工作效率及安全系数，节省人力和物力，为科研人员和环境工作者带来便利。浮动式自动水样采集器由四个部分组成，分别为结构系统、动力控制系统、水样采集系统和自动控制系统。由于采用上述结构，本发明能够接受岸上操作人员的指令到达指定地点采集水样，通过先前设定的采样深度，在不同地点采集不同深度的水样。不同取样地、取样深度的水样可自动分开独立存储，并返回出发处，所采集的水样总量能够满足常规的水质监测要求。

Description

浮动式自动水样采集器

技术领域

本发明是一种用于水样采集的装置，尤其是能够在野外条件下自动采集不同地点不同深度的水样采集装置。

背景技术

由于工业化进程的步伐不断加快，随之而来的环境问题，特别是水污染问题日趋严重。因此，水质监测就成为环境工作者的重要工作之一。水样的采集是水质监测的必需步骤。

伴随着自动化技术的发展，出现了岸基的自动连续采样装置，这类装置通常在岸边设立自动控制及采样设备，利用铺设的导管或管道，从水体中自动抽取水样到岸上。此类岸基采样装置广泛地应用于水文水质监测站中，用来对监测断面进行长期连续的自动采样。然而，上述的岸基采样装置在实践中也暴露出如下的缺点：整个装置由于设备体积和电源供给的束缚，没有办法灵活移动，一旦装置安装完毕，其水样采集范围也就相应地确定；由于装置的投资较大，需要一定的维护和管理，同一水域可设立的装置数量有限，这样无疑会出现很多的监测盲区，科研及工作人员仍然要通过临时的采样工作来补充所需数据。

目前在国内，对没有设立长期连续监测断面的水域进行采样时，我们大多采用人工采样的方法。即科研或工作人员通过水面运输工具或水面建筑物，到达采样地点，通过手动的定深采样器，来进行人工采样。

对于在野外调研的环境工作者来说，人工采样面临的最大困难便是如何能够到达取水区域(通常是水域的中心)采集水样。科研人员大多在当地寻找船只来解决这个问题。有些情况下，所要采集水样的地方很难找到合适的水上交通工具，或对于操作人员来说具有一定的危险性，此时人工采样就具有一定的困难和潜在的危险性，这无疑不利于采样工作效率的提高。

发明内容

基于以上的实际情况，本发明作为一种简单便携，易于操作的设备，使科研工作者在岸边就能实现对不同位置、不同深度的水样进行采集。不仅解决了人工采样的问题，而且提高了野外水样采集的工作效率及安全系数，节省人力和物力，为科研人员和环境工作着带来便利。

本发明的浮动式自动水样采集器由四个部分组成，分别为结构系统、动力控制系统、水样采集系统和自动控制系统。本发明通过自身的结构系统获得浮力，由动力系统控制移动，通过自动控制系统控制采样的深度，通过水样采集系统进行定深采样。结构系统：结构系统为浮动式自动水样采集器的承载结构，即设备的承载框架。采用了带有气浮垫的船式结构设计，使其能够漂浮在水面上。包括结构支架3和2个以上充气浮筒2，所述结构支架3可折叠。船体结构设计采用铝合金材料，重量较轻，中间可以对折，以便于在携带时减小体积；气浮垫是橡胶材质的充气浮筒，分为前后两组排列在船体结构底面的两侧，每组左右各两个。每个充气浮筒都是独立充气，这样保证在设备工作时，即使有一个或两个充气浮筒发生漏气的情况，其他充气浮筒仍可以提供浮力保证设备的安全。

动力控制系统：动力控制系统包括电池组8、舵机9、方向舵10、接收器11、螺旋桨12和电动马达及电子调速器13，通过直流电动马达带动螺旋桨12产生动力，通过装有舵机9的方向舵10改变移动方向，电池组8为动力控制系统提供电能，并为设备提供动力支持，使其能够达到目标地点。

水样采集系统：水样采集系统是本发明的核心系统，分成前后两个独立的运行单元。每个单元包括排空式定深采样器1、绞盘和直流电机4等，通过控制电机的转向来收放绞盘，实现定深取样。排空式定深采集器为有机玻璃的桶式结构，顶面和底面各有可以向上开启的活动盖子，当采样器在水中向下运行时，盖子由于水流的推动而处于打开状态，内部的水体被不断地排空更新。而当采样器向上运动时，同样由于水流的作用，盖子处于关闭状态，内部的水体保持不变，这样就实现了水样的定深采集。

深度的控制是通过电机带动绞盘收放吊线来实现的。本发明通过控制绞盘的转数，来控制吊线的收放长度，即控制了取样器的取样深度，本发明的水样采集系统采样深度范围为0.5～10米。

自动控制系统：  自动控制系统包括光电开关5、微动开关6、电池组7、接收器11和集成电路模块14，为本发明的自动化运行提供支持。其中接收器接收遥控指令，集成电路通过光电开关的配合，自动控制电机的正转、反转和停止；集成电路能够设置每个采样单元每一次操作的采样深度。自动控制电路采用单片机作为核心运算芯片，可以通过数据接口于电脑相连进行编程和参数修改。自动控制电路用来控制水样采集系统的自动定深取样过程。

本发明与人工采样相比，能够实现如下功能：

1.能够接受岸上操作人员的指令到达指定地点采集水样：通过遥控操作使设备到达并在指定地点保持稳定，即使马达推力、水流的推力、舵的转向力平衡。

2.能够采集指定深度的水样：以直流电机为动力，将排空式取样器通过直流电机及绞盘放置到指定深度以采集该深度水样。取样深度范围为0.5～10米，可以满足绝大多数水域的取样深度要求。

3.不同取样地点、不同取样深度的水样可自动分开独立存储：采集器依照先前的程序设定并按指令进行不同深度的采集，水样分别存储在两个排空式取样器中。

浮动式自动水样采集器的主要创新及特色为：实现野外实地水样采集的自动化；能够通过简单的操作过程实现定深取样，所取水样可靠度高；本发明的体积、重量较小，容易运输携带。

由于采用的是有机玻璃的采样器材料设计，因此所采集的水样从质量和数量上达到PH值、COD、总氮、BOD、部分金属离子、氯化物、比电导率、硬度的监测要求。(参照国家标准“水质采样技术指导”GB12998-91中的要求。)

附图说明

图1为本发明的外观3D图；

图2为本发明的结构设计图；

图3为本发明的设计尺寸图；

图4为本发明的工作原理图；

图5为本发明的自动控制系统工作模式图。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明包括结构系统、动力控制系统、水样采集系统和自动控制系统四个组成系统。各部分设计尺寸参见图3。

参见图1、图2，上述的结构系统采用浮动式的船式平台设计，包括橡胶充气浮筒2和结构支架3。橡胶充气浮筒2共有8个可独立充气的结构单元，每个结构单元充气后的尺寸为80cm×50cm。8个结构单元分为有前后两组，每组又分为左右各两个，为本发明提供足够的浮力支持。采用这种设计方法可以保证在单个充气单元漏气的情况下，仍能保证本发明所需的浮力和平稳性。结构支架3由铝合金材料制造，分为前后两块，分别于前后两组橡胶充气浮筒2连接。在本发明运输的过程中，取下其它部件，即可实现结构系统的前后对折，以节省存储和运输的空间。本发明的最大载重为25kg。

参见图1、图2，上述的动力控制系统包括：电池组8、舵机9、方向舵10、接收器11、螺旋桨12和电动马达及电子调速器13。本发明利用电动马达及电子调速器13和螺旋桨12产生不同功率的推进力，前进方向由方向舵10和舵机9来进行控制，电池组8为动力系统提供电能。接收器用来接收操作人员通过普通的模型遥控器发出的指令，以控制电机的转向、转速和舵机的运行，实现对本发明前进、后退、变向和变速的组合操作。保证本发明能够在操作人员的遥控下移动到目标地点。

参见图1、图2，上述的水样采集系统包括排空式采样器1和电机及绞盘4。水样采集系统分为前后两个独立的工作单元，可分别独立工作。每个单元中，电机旋转带动绞盘旋转，实现绞线的收放。排空式采样器可实现在停留深度的定深采样，单次最大水样采集体积为2L。

参见图2、图5，上述的自动控制系统包括：光电开关5、微动开关6、电池组7、接收器11和集成电路模块14。接收器11用来接收操作人员通过普通的模型遥控器发出的采样指令。集成电路模块14上的芯片用来修改、存储和运行各种取样模式的命令，控制采样系统电机及绞盘4的运转。微动开关6可以防止采样器回收错误，能够在采样器已经到达原来位置，但电机及绞盘仍继续工作的情况下，强制停止其工作。

本发明的具体工作流程为：参见图4，依照操作人员的遥控指令，由动力系统推进本发明到达指定地点进行采样。参见图5，当本发明到达指定地点后，接收器接收到开始采样的遥控指令后，直流电机带动绞盘旋转，同时排空式采样器被下放，采样过程开始。当下放深度达到预定设置的采样深度时，直流电机采取停转、反转等操作，最终将取样器拉回到初始位置，完成一次采样操作。所采集的水样暂时保存在采样器中，当本发明返回岸边时由操作人员回收、清洗后即可进行下一次采样操作。图5中的模式设置用来设置采样深度，每个独立的工作单元可以分别设置不同的采样深度。外部接口用来与计算机设备进行连接，方便修改单片机中的程序和数据。

Claims (3)

1.一种在水面工作的水样采集装置，包括结构系统、动力控制系统、水样采集系统和自动控制系统，其特征在于：

所述结构系统采用船式平台设计，包括结构支架(3)和2个以上充气浮筒(2)，所述结构支架(3)可折叠；

所述动力控制系统包括第一电池组(8)、舵机(9)、方向舵(10)、接收器(11)、螺旋桨(12)、直流电动马达及电子调速器(13)，其中接收器(11)接收遥控指令，通过所述直流电动马达带动螺旋桨(12)产生动力，通过装有舵机(9)的方向舵(10)改变移动方向，第一电池组(8)为动力控制系统提供电能；

所述水样采集系统分为前后两个独立的工作单元，每个单元由排空式采样器、直流电机、绞盘和绞线构成；

所述自动控制系统包括：光电开关(5)、微动开关(6)、第二电池组(7)、接收器(11)和集成电路模块(14)，其中接收器(11)接收操作人员发出的采样指令后，集成电路模块(14)通过光电开关(5)的配合，自动控制所述直流电机的正转、反转和停止，集成电路模块(14)能够设置每个采样单元每一次操作的采样深度，微动开关(6)用于当采样器回收错误时强制所述直流电机和所述绞盘停止工作。

2.根据权利要求1所述的水样采集装置，其特征是：所述充气浮筒均为独立充气。

3.根据权利要求1所述的水样采集装置，其特征是：通过控制所述直流电机收放所述绞盘来实现定深取样，取样深度范围为0.5～10米。

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