CN103698159A

CN103698159A - 一种降雨触发式径流自动采样器及其方法

Info

Publication number: CN103698159A
Application number: CN201310630924.5A
Authority: CN
Inventors: 梁新强; 傅朝栋; 朱思睿; 赵越; 朱春燕; 王知博; 徐丽贤
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: CN103698159B

Abstract

本发明涉及一种降雨触发式径流自动采样器及其方法。可用于环境监测领域或水土保持领域开展暴雨径流的定时自动监测。本采样器通过降雨触发装置来控制整个采样器启动，在降雨量达到设定值时，PLC控制器可按事先设定步骤和时间间隔依次启动步进电机、水泵和蠕动泵等采集不同时段、不同点位的径流水样品并分配至相应的采样瓶中保存。本发明可以通过事先安放在需要采样的河道附近，暴雨期间能自动完成在无人值守的情况下的径流水样采集工作，大大降低暴雨径流的野外采样难度，减轻了采样人员的工作量，且本装置还具有样品可靠性高、生产成本低、结构紧凑的优点。

Description

一种降雨触发式径流自动采样器及其方法

技术领域

本发明涉及水样采集器，尤其涉及一种降雨触发式径流自动采样器及其方法。

背景技术

暴雨径流产生的污染物流失是面源污染的重要因子之一，但是暴雨径流的采样工作一般都需要在野外进行，采样条件较为艰苦。而降雨的不确定性导致了采样工作的无法进行充分准备，采样人员无法在短时间内赶往采样地点，长期蹲点采样尽管能有效的监测暴雨径流，但需要耗费大量的人力物力；另外，降雨时期尤其是暴雨期间，往往伴随着大风、雷电等恶劣天气，人工采样时采样人员的安全无法受到保障。

目前，部分专利已经对暴雨径流采样装置做了尝试，早期的采样装置虽然在一定程度上方便了采样人员的工作，但还是没有自动采样功能，需要人工定时进行取样；近几年随着自动化技术的发展，自动取样装置被较多的开发出来。

例如名为“小流域暴雨径流自动采集系统”（申请号为200510048184.X，公开号为1789954）的专利，通过行程开关、电机、分水槽、导流管等，在延时继电器的控制下，定时通过水泵抽取河道中径流样品依次注入采样瓶中；名为“自动定时取水样装置”（申请号为201110108855.2，公开号为102759461A）的专利，利用步进电机驱动轴管，带动分水盘实现样品定时采集。此类装置大大提高了采样的自动化程度，减轻了工作量。然而虽然在采样过程中，装置能实现自动化，但是其启动工作仍需要采样人员手动操作，这给无法预知降雨时间且采样路程较远的野外采样工作带来一个很大的难题。

针对这个问题，也有很多研究者开发了相应的装置。

例如名为“一种城市降雨径流自动采样器”（申请号为201010101367.4，公开号为101762409A）的专利，它通过降雨传感器、可编程步进电机、降雨收集装置和转轴的相互配合，实现了降雨期间雨水的自动连续定时采样，但是由于其降雨收集系统没有动力装置，只能依靠雨水的自身重力下落，因此限制了其使用范围，无法用于污水管道、地表径流等的采集；且其采样瓶的环形设计，使其空间利用率较低，限制了采样瓶可放置的数量。名为“雨水自动收集采样

装置”（申请号为201310220616.5，公开号为103335868A）的专利，其核心由雨量计、单片机、电磁阀、潜水泵组成，通过单片机的智能控制，可以实现雨水或径流水的自动收集，但是同上例所述，其空间利用率也较低。更为严重的是，根据环境监测标准，河道宽度和深度大于一定值时，应采取多点取样混合的方法，且水样采集时若采样器或采样瓶中有残留样品，应用目标水样进行润洗，样品采集完毕后应立即加入保存剂，防止微生物的代谢活动影响样品中污染物浓度，而上述两个专利以及大部分同类采样装置，均不具备这类功能，因此在实际监测中，用此类装置所得到的样品准确性和可靠性大大降低。

另外，随着环保技术的进步，很多自动化程度很高的仪器都已有成品，但是其造价昂贵，对于普通监测来说成本过高，因此开发一种适用于野外暴雨径流自动采样的装置势在必行。

发明内容

为了解决背景技术中所面临的问题，本发明的目的是提供一种降雨触发式径流自动采样器及其方法。

降雨触发式径流自动采样器包括箱体、采样瓶放置孔、支撑网、排水孔、隔离墙、支撑板、废液导流槽、导流管、螺纹丝杆、采样瓶、橡胶软管、X轴步进电机、滑块、Y轴步进电机、硅胶管、PLC配套电源、步进电机驱动器、保存液存储瓶、PLC控制器、24V电源、蠕动泵、水泵、PVC管、多通阀、进液管、过滤网、行程开关、蜂鸣报警器、警示灯、把手、出液管、降雨触发装置；

箱体底部设有垂直的隔离墙，隔离墙一侧与箱体内壁之间设有支撑网，支撑网下方的箱体侧壁上设有排水孔，支撑网上方的箱体侧壁上设有行程开关，支撑网上设有若干个采样瓶放置孔，采样瓶置于采样瓶放置孔中，每排采样瓶放置孔之前设置一条废液导流槽，采样瓶上方设有呈十字形交叉的两条螺纹丝杆，螺纹丝杆末端分别安装有X轴步进电机和Y轴步进电机，两条螺纹丝杆上均穿有一块匹配滑块，Y轴方向的螺纹丝杆固定在X轴方向的滑块上，隔离墙另一侧的箱体内壁之间设有支撑板，支撑板下方放置PLC配套电源、步进电机驱动器、保存液存储瓶、PLC控制器，支撑板上设有24V电源、蠕动泵、水泵，蠕动泵进口与出口通过硅胶管分别与保存液存储瓶和出液管相连，水泵出水口经导流管、橡胶软管与出液管一端相连，出液管固定在滑块上，出液管的出液口在采样瓶上方，水泵进水口经PVC管、多通阀与进液管一端相连，进液管另一端设有过滤网，箱体顶部设有蜂鸣报警器、、警示灯、把手、降雨触发装置，PLC控制器通过行程开关和降雨触发装置连接在PLC配套电源上，同时PLC控制器与步进电机驱动器、水泵、蠕动泵相连，步进电机驱动器与X轴步进电机、Y轴步进电机相连，水泵、蜂鸣报警器、警示灯均通过行程开关与24V电源连接，蠕动泵直接连接在24V电源上。

所述的降雨触发装置包括集水盘、集水柱、电解质、电极、刻度尺、导线、底座，集水柱、刻度尺安装在底座上，集水柱底部设有电解质，集水柱上部设有电极，电极通过导线连接在PLC控制器的供电电路中，集水柱顶部连接集水盘。

降雨触发式径流自动采样方法包括如下步骤：

1）按采样要求的时间间隔，利用PLC编程软件对PLC控制器23进行事先编程；

2)在需要进行采样的河道岸边选取较为平整的地块，将采样器水平的放置在地面上；

3)根据采样要求所需的采样点数量，打开或关闭相应的多通阀28进水口的开关阀门，并将进液管29末端放置于目标采样点的相应位置；

4)根据集水盘8的投影面积、集水柱9的投影面积及采样要求的最小降雨量，换算得到电极11底部在集水柱9内应处的高度，对照刻度尺35，通过上下移动导线36将电极11调节至相应高度；

5)降雨开始后，集水柱9中水位上升，淹过电极11底部后，PLC控制器23供电电路接通，PLC控制器23按照设定的步骤依次控制X轴步进电机16、Y轴步进电机18、水泵26、蠕动泵25，采集多点水样并分配保存，采样结束后，打开箱体1取出并更换新采样瓶14，并复位行程开关31、PLC控制器23，倒出降雨触发器集水柱9中的雨水，更换电解质10，若完成最后一个采样瓶14采样工作后仍未结束采样，行程开关31切换电路，采样工作停止，警报信号发出，及时通过箱体1上方的把手34打开箱体1，更换新采样瓶14，并复位行程开关31和PLC控制器23，继续采样。

本发明的有益效果是实现了在无人值守情况下的暴雨径流自动采样工作，大大降低了暴雨径流野外采样的难度，减轻了采样人员的工作量。同时，本装置的多点混合水样采集功能和保存剂自动添加功能也提高了样品采集的准确性和科学性。而且本装置结构紧凑、安装方便，且与具有同类型功能的装置相比，成本较低，适用于野外采样。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；

图1是降雨触发式径流自动采样器的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明内部的平面布置图；

图4是本发明的降雨触发装置的结构示意图；

图5是本发明的多通阀结构示意图；

图中：箱体1、采样瓶放置孔2、支撑网3、排水孔4、隔离墙5、支撑板6、废液导流槽7、集水盘8、集水柱9、电解质10、电极11、导流管12、螺纹丝杆13、采样瓶14、橡胶软管15、X轴步进电机16、滑块17、Y轴步进电机18、硅胶管19、PLC配套电源20、步进电机驱动器21、保存液存储瓶22、PLC控制器23、24V电源24、蠕动泵25、水泵26、PVC管27、多通阀28、进液管29、过滤网30、行程开关31、蜂鸣报警器32、警示灯33、把手34、刻度尺35、导线36、底座37、出液管38。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1-5所示，降雨触发式径流自动采样器包括箱体1、采样瓶放置孔2、支撑网3、排水孔4、隔离墙5、支撑板6、废液导流槽7、导流管12、螺纹丝杆13、采样瓶14、橡胶软管15、X轴步进电机16、滑块17、Y轴步进电机18、硅胶管19、PLC配套电源20、步进电机驱动器21、保存液存储瓶22、PLC控制器23、24V电源24、蠕动泵25、水泵26、PVC管27、多通阀28、进液管29、过滤网30、行程开关31、蜂鸣报警器32、警示灯33、把手34、出液管38、降雨触发装置；箱体1底部设有垂直的隔离墙5，隔离墙5一侧与箱体1内壁之间设有支撑网3，支撑网3下方的箱体1侧壁上设有排水孔4，支撑网3上方的箱体1侧壁上设有行程开关31，支撑网3上设有若干个采样瓶放置孔2，采样瓶14置于采样瓶放置孔2中，每排采样瓶放置孔2之前设置一条废液导流槽7，采样瓶上方设有呈十字形交叉的两条螺纹丝杆13，螺纹丝杆13末端分别安装有X轴步进电机16和Y轴步进电机18，两条螺纹丝杆13上均穿有一块匹配滑块17，Y轴方向的螺纹丝杆13固定在X轴方向的滑块17上，隔离墙5另一侧的箱体1内壁之间设有支撑板6，支撑板6下方放置PLC配套电源20、步进电机驱动器21、保存液存储瓶22、PLC控制器23，支撑板6上设有24V电源24、蠕动泵25、水泵26，蠕动泵25进口与出口通过硅胶管19分别与保存液存储瓶22和出液管38相连，水泵26出水口经导流管12、橡胶软管15与出液管38一端相连，出液管38固定在滑块17上，出液管38的出液口在采样瓶14上方，水泵26进水口经PVC管27、多通阀28与进液管29一端相连，进液管29另一端设有过滤网30，箱体1顶部设有蜂鸣报警器32、、警示灯33、把手34、降雨触发装置，PLC控制器23通过行程开关31和降雨触发装置连接在PLC配套电源20上，同时PLC控制器23与步进电机驱动器21、水泵26、蠕动泵25相连，步进电机驱动器21与X轴步进电机16、Y轴步进电机18相连，水泵26、蜂鸣报警器32、警示灯33均通过行程开关31与24V电源24连接，蠕动泵25直接连接在24V电源24上。

所述的降雨触发装置包括集水盘8、集水柱9、电解质10、电极11、刻度尺35、导线36、底座37，集水柱9、刻度尺35安装于底座37上，集水柱9底部设有电解质10，集水柱9上部设有电极11，电极11通过导线36连接在PLC控制器23的供电电路中，集水柱9顶部连接集水盘8。

本发明中PLC控制器23采用市售的型号为三菱FX3U-80MR/DS的控制器，它可采用三菱GX Developer 软件进行编程，PLC配套电源20采用市售的24V UPS供电电源，X轴步进电机16、Y轴步进电机18、步进电机驱动器21、24V电源24、蠕动泵25、行程开关31等元件均为市售产品。

所述箱体1，形状呈长方体，上部为可打开结构，并装有把手34，方便采样完成后采样人员取出样品；箱体1内的隔离墙5为不透水结构，可以将箱体1分为两半，防止飞溅的水损坏各种电子元件；所述降雨触发装置串联在PLC控制电路中，通过改变PLC控制器23的供电电路通断状态来控制PLC控制器23的启动与关闭；其上部的集水盘8呈倒锥形，向中心倾斜，便于将雨水注入集水柱9中；导线36通过集水柱9上端预设的小孔穿入集水柱9内侧并与两个电极11连接，两个电极11相互之间不接触，导线36固定在刻度尺35上，可以对照刻度尺35，通过上下移动来调整电极11在集水柱9内所处的高度，当溶解有电解质10的雨水没过电极11底部时，电路才能被接通。所述的PLC控制器23可以通过事先编程，来改变采样间隔和控制顺序。所述的多通阀28为四进一出结构，且每个进水口都有开关阀门，可以根据需要的采样点数量进行选择开启数量。

降雨触发式径流自动采样方法包括如下步骤：

1）按采样要求的时间间隔，利用配套的PLC编程软件对PLC控制器23进行事先编程；

本发明的工作过程如下：按照采样器使用方法放置好采样器，初始状态时，如图2所示，出液管出口位于第一排废液导流槽7中心线和第一列采样瓶14中心线交点处。降雨开始后，降雨触发装置的集水盘8开始收集雨水，落入集水柱9中，并将集水柱9底部的电解质10溶于雨水中，当集水柱9中的雨水水位到达电极11底部所在的位置时，由于电解质溶液的导电作用，电极11被接通，连接在PLC配套电源20上的PLC控制器23得到供电，开始启动。按照事先设定的时间和启动顺序，PLC控制器23启动水泵26，采样点水样依次通过进液管29、多通阀29、PVC管27、水泵26、导流管12、橡胶软管15和出液管38流出，管路中残留的水样被目标水样排出，达到润洗目的，废液通过废液导流槽7和排水孔4排出；然后PLC控制器23关闭水泵26，并控制步进电机驱动器21工作，使步进电机驱动器21向Y轴步进电机18发出脉冲，控制滑块17进行定长运动，出液管38出口到达第一个采样瓶14正上方，PLC控制器23再次启动水泵26，将水样抽入采样瓶14中，采集完毕后PLC控制器23停止水泵26，打开蠕动泵25，按照事先设定的保存液添加量，通过硅胶管19和进液管38将保存液定量加入采样瓶14中；保存液添加完毕后，PLC控制器23再次控制步进电机驱动器21工作，使步进电机驱动器21向Y轴步进电机18发出脉冲，控制滑块17移动，使出液管12移动到第二排废液导流槽7正上方，至此完成一个瞬时水样的采集。按照事先设定的采样时间间隔，达到下一次采样时间后，PLC控制器23再次启动，按照上述顺序完成第二个采样。当完成Y轴第一列最后一个采样瓶14保存液添加后，PLC控制器23控制步进电机驱动器21，使其依次向Y轴步进电机18和X轴步进电机16发出脉冲，使进液管38的出液口移动到第一排废液导流槽7中心线和第二列采样瓶14中心线交点处，再按采样程序进行采样。采样完成后，应按照采样器使用方法所述，取出样品并复位采样器。

Claims

1.一种降雨触发式径流自动采样器，其特征在于包括箱体（1）、采样瓶放置孔（2）、支撑网（3）、排水孔（4）、隔离墙（5）、支撑板（6）、废液导流槽（7）、导流管（12）、螺纹丝杆（13）、采样瓶（14）、橡胶软管（15）、X轴步进电机（16）、滑块（17）、Y轴步进电机（18）、硅胶管（19）、PLC配套电源（20）、步进电机驱动器（21）、保存液存储瓶（22）、PLC控制器（23）、24V电源（24）、蠕动泵（25）、水泵（26）、PVC管（27）、多通阀（28）、进液管（29）、过滤网（30）、行程开关（31）、蜂鸣报警器（32）、警示灯（33）、把手（34）、出液管（38）、降雨触发装置；

箱体（1）底部设有垂直的隔离墙（5），隔离墙（5）一侧与箱体（1）内壁之间设有支撑网（3），支撑网（3）下方的箱体（1）侧壁上设有排水孔（4），支撑网（3）上方的箱体（1）侧壁上设有行程开关（31），支撑网（3）上设有若干个采样瓶放置孔（2），采样瓶（14）置于采样瓶放置孔（2）中，每排采样瓶放置孔（2）之前设置一条废液导流槽（7），采样瓶上方设有呈十字形交叉的两条螺纹丝杆（13），螺纹丝杆（13）末端分别安装有X轴步进电机（16）和Y轴步进电机（18），两条螺纹丝杆（13）上均穿有一块匹配滑块（17），Y轴方向的螺纹丝杆（13）固定在X轴方向的滑块（17）上，隔离墙（5）另一侧的箱体（1）内壁之间设有支撑板（6），支撑板（6）下方放置PLC配套电源（20）、步进电机驱动器（21）、保存液存储瓶（22）、（PLC）控制器（23），支撑板（6）上设有24V电源（24）、蠕动泵（25）、水泵（26），蠕动泵（25）进口与出口通过硅胶管（19）分别与保存液存储瓶（22）和出液管（38）相连，水泵（26）出水口经导流管（12）、橡胶软管（15）与出液管（38）一端相连，出液管（38）固定在滑块（17）上，出液管（38）的出液口在采样瓶（14）上方，水泵（26）进水口经PVC管（27）、多通阀（28）与进液管（29）一端相连，进液管（29）另一端设有过滤网（30），箱体（1）顶部设有蜂鸣报警器（32）、、警示灯（33）、把手（34）、降雨触发装置，PLC控制器（23）通过行程开关（31）和降雨触发装置连接在PLC配套电源（20）上，同时PLC控制器（23）与步进电机驱动器（21）、水泵（26）、蠕动泵（25）相连，步进电机驱动器（21）与X轴步进电机（16）、Y轴步进电机（18）相连，水泵（26）、蜂鸣报警器（32）、警示灯（33）均通过行程开关（31）与24V电源（24）连接，蠕动泵（25）直接连接在24V电源（24）上。

2.根据权利要求1所述的一种降雨触发式径流自动采样器，其特征在于所述的降雨触发装置包括集水盘（8）、集水柱（9）、电解质（10）、电极（11）、刻度尺（35）、导线（36）和底座（37），集水柱（9）、刻度尺（35）安装在底座（37）上，集水柱（9）底部设有电解质（10），集水柱（9）上部设有电极（11），电极（11）通过导线（36）连接在PLC控制器（23）的供电电路中，集水柱（9）顶部连接集水盘（8）。

3.一种使用如权利要求1所述采样器的降雨触发式径流自动采样方法，其特征在于包括如下步骤：

降雨触发式径流自动采样方法包括如下步骤：

1）按采样要求的时间间隔，利用PLC编程软件对PLC控制器（23）进行事先编程；

3)根据采样要求所需的采样点数量，打开或关闭相应的多通阀（28）进水口的开关阀门，并将进液管（29）末端放置于目标采样点的相应位置；

4)根据集水盘（8）的投影面积、集水柱（9）的投影面积及采样要求的最小降雨量，换算得到电极（11）底部在集水柱（9）内应处的高度，对照刻度尺（35），通过上下移动导线（36）将电极（11）调节至相应高度；

5)降雨开始后，集水柱（9）中水位上升，淹过电极（11）底部后，PLC控制器（23）供电电路接通，PLC控制器（23）按照设定的步骤依次控制X轴步进电机（16）、Y轴步进电机（18）、水泵（26）、蠕动泵（25），采集多点水样并分配保存，采样结束后，打开箱体（1）取出并更换新采样瓶（14），并复位行程开关（31）、PLC控制器（23），倒出降雨触发器集水柱(9)中的雨水，更换电解质(10)，若完成最后一个采样瓶(14)采样工作后仍未结束采样，行程开关(31)切换电路，采样工作停止，警报信号发出，及时通过箱体（1）上方的把手（34）打开箱体（1），更换新采样瓶（14），并复位行程开关（31）和PLC控制器（23），继续采样。