CN104502155B - 一种用于收集降雨的密封采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于收集降雨的密封采样装置，包括箱体和设置在其内部的用于收集降雨的容器，容器包括设有一带有第一密封件的导水管、一带有第二密封件的排气管和一湿度和温度监测仪；在导水管的上部设置一用于收集降雨的漏斗，排气管包括第一端部和设有所述第二密封件的第二端部；第一密封件的活动块在雨水的压力下沿其旋转轴打开，当降雨结束时，第一密封件在活动块的作用下自动关闭；当降雨量较大时，第二密封件的活动块在气流的冲击下打开，当降雨结束时，第二密封件在活动块的作用下自动关闭。本发明通过改善装置的密封结构，保持容器内降水样品的原始特征，为准确测量降水中氢氧同位素含量提供可靠保障。

Description

一种用于收集降雨的密封采样装置

技术领域

本发明涉及水文设备领域，具体的涉及一种用于测量雨水中氢氧同位素含量的密封采样装置。

背景技术

同位素水文学是20世纪50年代发展起来的一门新兴学科,它主要利用同位素技术解决水文学中一些关键问题。从20世纪60年代开始,在世界范围内通过利用同位素技术(¹⁸O,²H,³H,¹⁴C,³⁶C,⁸⁷Sr/⁸⁶Sr,等),并结合水文地球化学方法广泛开展地下水调查,取得了许多突破性成果。特别是氢氧稳定同位素可以提供水分子本身的信息,并结合水位、水化学和其他相关数据,将产生更可靠的区域地下水流概念模型,以促使有效的地下水资源管理。如果用²H和¹⁸O来追踪地下水,那么降水中氢氧稳定同位素的研究显得十分重要。同样，如果需要追踪雨水的来源，同样需要研究降雨中的氢氧同位素的含量，而研究降水中的氢氧同位素势必需要对降雨进行采样。

降水样品收集装置一般要放置在野外，很难保证每次降水结束后就能及时取出样品进行检测，如果样品在采样装置中存放时间较长的话，容器内的样品就会蒸发(密封措施能减少蒸发，但很难完全避免蒸发)。而蒸发会导致降水同位素分馏，影响降水样品中氢氧同位素含量，从而不能反映降水的原始同位素含量特征。蒸发情况下的同位素分馏主要有两种，其一是瑞利平衡分馏，瑞利平衡分馏受气温的影响最大。其二是动力非平衡分馏，主要受气液界面附近的相对湿度影响。所以对容器内的温度和湿度进行自动监测，可以利用监测数据计算分馏系数，再对同位素样品的检测结果进行校正。

现有的降雨量采集装置一般包括采集器以及箱体，采集器通过收集管与箱体连接在一起，从而将雨水采集存储在箱体内部，但是现在的降雨量采集装置一般存在着以下几点缺点：

①采集器的密封性差，容易致使采集到的雨水蒸发，使水蒸气排出采集器外部，并增大空气流动，影响了降水样品的氢氧同位素含量的原始特征；

②无法对采集器内的相对湿度以及气体温度进行采集，影响样品的氢氧同位素含量的校正；

③无法及时传输采集器内的湿度和温度数据，影响了降雨中氢氧同位素含量的准确性和精度；

④无法同时对降水量、蒸发量、采集器内温度和湿度进行监测，影响了降水样品的氢氧同位素含量的原始特征。

发明内容

本发明为了解决上述提到的现有的降雨量采集装置密封性差、无法自动传输降雨量数据等缺点，提供一种密封性能好的水文降雨量密封采样装置，本发明的另一个目的是能够通过远传装置将采集到的降雨量数据上传至远程控制器，从而为密封采样装置内所收集的降水样品氢氧同位素含量的准确测量提供保障。

具体的，本发明提供一种用于收集降雨的密封采样装置，包括箱体和设置在其内部的用于收集降雨的容器，所述容器包括瓶体、位于所述瓶体上部的瓶口以及瓶盖，所述瓶盖上设有一带有第一密封件的导水管、一带有第二密封件的排气管以及一湿度和温度监测仪；在所述导水管的上部设置一用于收集降雨的漏斗，所述漏斗包括漏斗本体、与所述漏斗本体相连的管体和设置在所述漏斗本体中的空心塑料球，所述排气管包括第一端部和设有所述第二密封件的第二端部；所述第一密封件与所述第二密封件均包括底板、位于底板的周缘上的环形凸缘、位于底板的内部中心处的旋转轴、以及位于所述旋转轴一侧的活动块，当有雨水进入所述容器时，所述第一密封件的活动块在雨水的压力下沿所述旋转轴打开，当降雨结束时，所述第一密封件在活动块的作用下自动关闭；当降水进入到采样器内时，所述第二密封件的活动块在气流的冲击下打开，当降雨结束时，所述第二密封件在活动块的作用下自动关闭。

可优选的，所述漏斗的管体与所述导水管为一体件或通过所述管体上设有的一沿远离所述漏斗本体方向直径逐渐缩小的连接端部及套设在连接端部上的环状密封件与所述导水管紧密连接在一起。

可优选的，所述容器的内部设置有塑料薄膜，所述塑料薄膜的直径为所述容器内径的80％-90％并能漂浮在所述容器的液面上。

可优选的，所述排气管的形状为倒L形，所述排气管的第一端部伸入到所述容器中并位于液面之上，所述排气管的第二端部位于所述容器之外且开口向下，所述第二端部与所述第一端部平行设置。

可优选的，所述容器的外壁上设置有观察区域以及遮光区域，所述观察区域设置有带有标尺的观察窗，所述遮光区域上设置有遮光件。

可优选的，所述遮光件为薄膜或遮光涂层。

可优选的，所述漏斗本体的顶部设置有金属网罩。

可优选的，所述湿度和温度监测仪将测得的温度和湿度数据传输至一远传装置，所述远传装置设置有无线发射仪，所述无线发射仪通过网络连接远程控制器；所述容器的底部设置一用于测量容器内部降雨量的称重单元，并通过远传装置将测量到的降雨量传送至所述远程控制器。

可优选的，所述远程控制器包括中央控制器、存储装置、分馏系数计算模块和人机操作界面；所述存储装置以及所述分馏系数计算模块分别与所述中央控制器通讯连接，所述存储装置用于存储接收到的温度和湿度数据以及降雨量，分馏系数计算模块根据所述温度和湿度数据以及降雨量计算氢氧同位素分馏系数。

本发明的有益效果如下所述：

本发明导水管内设置有第一密封件，第一密封件在降雨时在水流冲击下打开，当降雨结束后，第一密封件自动封闭，控制容器内的空气流动性，抑制蒸发；当雨量增大时，排气管内设置的第二密封件可以在气流的冲击下打开，使容器内气体排出，利于降水进入容器内，降水结束时，第二密封件自动关闭，控制容器内的空气流动性，从而抑制蒸发。

本发明设置的温度和湿度自动监测仪对降雨采集存储装置内的温度和湿度数据进行自动监测，可以利用监测数据计算分馏系数，同时设有称重单元，在降水过程中，能够自动监测降水样品的采集量；利用分馏系数并结合称重单元监测得到的降水量可以有助于计算容器内所收集的降水样品的氢氧同位素含量的加权平均值。

此外，本发明还通过设置塑料薄膜、遮光件等进一步抑制蒸发的发生，获得更好的密封效果。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步解释：

图1为本发明的一种水文降雨量密封采样装置的示意图；

图2为本发明设置在箱体内的降雨采集容器示意图；

图3为本发明图2中A处的放大示意图；

图4为本发明第一密封件和第二密封件的一种结构示意图；以及

图5为本发明的结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明的结构及工作原理做进一步解释：

如图1-图2所示，本发明提供的一种水文降雨量密封采样装置包括箱体2和设置在其内部的降雨采集容器3。容器3包括瓶体4、位于瓶体4上部的瓶口5以及与瓶口5螺纹连接的瓶盖30；在实施例中，瓶口5的直径为20cm，瓶盖30上设有三个通孔52、53及54，导水管6穿过通孔54、排气管8穿过通孔52、湿度和温度监测仪10的连接杆102穿过通孔53而设置在瓶盖30上，通孔52、53及54中分别设置有一个密封圈51，导水管6、排气管8以及连接杆102通过各自的密封圈51紧紧地固定在瓶盖30上。

具体而言，箱体2包括柜体24、柜门25、位于柜体24顶部的顶板20和位于柜体24底部的底盘21。柜体24的侧壁上设有多个排气孔23，用于使箱体2与外界进行气体交换。柜体24和柜门25优选由金属材料制成，而顶板20由塑料材料制成从而更有利于无线信号的传输避免屏蔽；箱体2通过底盘21固定在地面上。容器3通过底座22设置在箱体2的里面，底座22通过紧固件固定在底盘21上。底座22上可设置有称重单元11，这样，容器3直接设置在称重单元11上，以便直接获知容器3重量的变化。

容器3的瓶口5上设置有瓶盖30，导水管6穿过瓶盖30延伸至容器3的内部，导水管6内部设置有第一密封件7。用于收集降雨的漏斗1连接在导水管6的上部，降雨通过漏斗1收集并沿导水管6进入容器3中。降雨收集漏斗1包括漏斗本体103、与漏斗本体103相连的管体104和设置在漏斗本体103中的空心塑料球13，漏斗本体103的顶部还设置有金属网罩14；金属网罩14的设置一方面可以防止空心塑料球13被风吹走，另一方面可以防止大的颗粒物掉入降雨收集漏斗1内部堵塞管道或者影响水样。

容器3的内部设置有塑料薄膜31，塑料薄膜31的直径为容器3内径的80％-90％。塑料薄膜31的密度小于水，可以漂浮在液面上，隔离气相与液相，抑制容器3的雨水的蒸发。由于塑料薄膜31的直径略小于容器3的内径，其可以在容器3的内部随着水面上下自由浮动。

容器3的外壁上设置有观察窗32，并且在容器3的外壁除观察窗32之外的区域上设置有遮光件34，遮光件34用于遮蔽阳光，抑制蒸发，遮光件34可以为薄膜或遮光涂层，观察窗32处设置有标尺33，标尺33用于测量容器3的雨水量，并通过观察窗32观察液面位置。

如图2及图3所示，漏斗1的管体104设有一连接端部101，连接端部101的直径沿远离漏斗本体103方向逐渐缩小，并且连接端部101的外径整体上略小于导水管6的内径。连接端部101上套设有环状密封件100，用于使管体104与导水管6紧密连接。在另一个实施例中，漏斗1的管体104与导水管6为一体成型件，管体104仍具有逐渐缩小的直径方便，这样更有利于制造和使用。

在其余的实施例中，漏斗1与导水管6为一体件，第一密封件7设置在导水管内部。这样的结构，方便制造及使用，并且更利于对容器3进行密封。

在瓶盖30的通孔52中设置有排气管8，排气管8包括第一端部81、第二端部82，以及位于第二端部82中的用于气体密封的第二密封件9。排气管8的形状设置为倒L形，排气管8的第一端部81伸入到瓶体4中并位于液面之上，排气管8的第二端部82位于瓶体4之外且开口向下，第二端部82与第一端部81平行设置这样更有利于保持容器内处于必要的密封状态。

如图2及图4所示，第一密封件7与第二密封件9可为一种承重式密封件，其包括底板200，底板200的周缘设有一环形凸缘201，底板200的内部中心处设置有一旋转轴202，旋转轴202将底板200区分成左右两侧，活动块203设置于其中一侧上，活动块203朝所述旋转轴202方向形成一斜面204，通常情况下活动块203与底板200处于同一水平面上，即密封件为起到密封作用的关闭状态。当有雨水进入时，第一密封件7的活动块203在雨水的压力下沿旋转轴202打开，当降雨结束时，第一密封件7在活动块203的作用下自动封闭，从而抑制蒸发。当降雨量较大时，第二密封件9的活动块203在气流的冲击下打开，使容器内3气体排出，利于降雨进入容器3中，当降雨结束时，第二密封件9在活动块203的作用下自动关闭，从而进一步保证容器3处于密封状态。

在瓶盖30的通孔53中还设置有湿度和温度监测仪10，其可以动态监控容器3内所收集到的降水样品的温度和湿度，并将获得的温度和湿度通过远传装置35传输给远程控制器36，从而实现对降水样品的远程监控。湿度和温度监测仪10通过连接杆102设置在容器3的上部，连接杆102可以借助密封圈51而固定在瓶盖30的通孔53中。湿度和温度监测仪10通过数据传输线缆12与远传装置35通讯连接，并进而与远程控制器36相连。

称重单元11设置在容器3的底部，用于测量容器3内部的降雨量，并通过远传装置35将测量到的降雨量传送至远程控制器36。在降水过程中，通过称重单元11可以自动监测降水样品的采集量，当两次降水过程中，可以监测样品的蒸发量，从而对样品中氢氧同位素的检测结果进行校正。每次降水结束时，称重单元11监测得到的降水量为P_i(P_i单位为mm)(Wi/31.4＝P_i，Wi为单次降水的重量，Wi单位为g)。假设每次降水量为P_i，相对于该次降水氢同位素和氧同位素分别为δD_i和δ¹⁸O_i，如果一个月降水n次，则该月降水氢同位素和氧同位素加权平均值分别为：

和

远传装置35设置有无线发射仪40，无线发射仪40通过连接件固定在箱体2内部的一侧，无线发射仪40上设置有天线。无线发射仪40能够通过GPRS无线网络将测得温度和湿度以及降雨量传送至远程控制器36。

远程控制器36包括中央控制器360、存储装置361、分馏系数计算模块362和人机操作界面50。存储装置361以及分馏系数计算模块362分别与中央控制器360通讯连接，存储装置361用于存储接收到的湿度、温度以及降雨量，分馏系数计算模块362根据湿度、温度以及降雨量计算氢氧同位素分馏系数。远程控制器36对接收到的数据进行储存处理，实现实时监控。

利用湿度和温度监测仪10中获得的温度和湿度数据，结合相关的经验参数就可以在分馏系数计算模块362中计算出分馏系数，继而校正蒸发分馏对降水样品中氢氧同位素含量的影响。具体来说，容器3内温度和湿度数据会影响到容器内降水样品的氢氧同位素含量，同位素分馏可以分为为瑞利平衡分馏和动力分馏。就瑞利平衡分馏来说，分馏因子ε_e是和温度有关的；就动力分馏来说，在平衡分馏的基础之上，还有一个附加的分馏因子ε_k，它和湿度等因素是相关的，而湿度也是随时间而变化的，计算分馏系数的表达式如下：

若考虑动力分馏因素分馏系数则表示为

α_e＝1+ε_e

α_k＝1+ε_e+Δε＝1+ε_e+ε_k

式中；α_e为分馏系数；ε_k＝-C_k(1-h),(ε_k＜0)；A、B、C、C_k为经验常数；T为热力学温度；h为相对湿度，这两个因素都是随时间变化的量。这样，中央控制器360利用在分馏系数计算模块362中计算出分馏系数α_e和α_k。利用激光同位素分析仪检测采集到雨水样的氢氧同位素组成。然后利用计算出的分馏系数对激光同位素分析仪检测得到的氢氧同位素结果进行校正。最后结合称重单元11监测得到的降水量P_i，准确计算降水样品中氢氧同位素的加权平均值。

本发明的工作过程如下所述：

当有降雨时，降雨进入到降雨收集漏斗1的内部，当有雨水进入时，第一密封件7的活动块203在雨水的压力下沿旋转轴202打开，雨水通过导水管6进入降雨采集容器3。当降雨量较大时，第二密封件9的活动块203在气流的冲击下打开，使容器内3气体排出，利于降雨进入容器3中，当降雨结束时，第一密封件7在活动块203的作用下自动封闭，从而抑制蒸发。第二密封件9在活动块203的作用下也恢复到关闭位置，从而进一步保证容器3处于密封状态。在预定时间内需要将容器3内的降水样品取出，首先打开柜门25，并从箱体2外取走漏斗1后再取出容器3，打开瓶盖30，取出降水样品。

湿度和温度监测仪10实时动态监控容器3内所收集到的降水样品的温度和湿度数据，并将获得的温度和湿度数据通过远传装置35传输给远程控制器36，从而实现对降水样品的远程监控。称重单元11用于测量容器3内部的降雨量，并通过远传装置35将测量到的降雨量传送至远程控制器36。在降水过程中，通过称重单元11可以自动监测降水量。无线发射仪40通过无线网络通讯与远程控制器36连接，将监测到的温度和湿度以及降雨量传送至远程控制器36，远程控制器36设置有人机操作界面50。通过人机操作界面50可以查看相关数据并进行操作，远程控制器36利用在分馏系数计算模块362中计算出分馏系数α_e并结合称重单元11监测得到的降水量为P_i，为准确计算出容器内所收集的降水样品的氢氧同位素含量提供依据。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种用于收集降雨的密封采样装置，包括箱体和设置在其内部的用于收集降雨的容器，所述容器包括瓶体、位于所述瓶体上部的瓶口以及瓶盖，其特征在于：所述瓶盖上设有一带有第一密封件的导水管、一带有第二密封件的排气管以及一湿度和温度监测仪；在所述导水管的上部设置一用于收集降雨的漏斗，所述漏斗包括漏斗本体、与所述漏斗本体相连的管体和设置在所述漏斗本体中的空心塑料球，所述排气管包括第一端部和设有所述第二密封件的第二端部；

所述第一密封件与所述第二密封件均包括底板、位于底板的周缘上的环形凸缘、位于底板的内部中心处的旋转轴、以及位于所述旋转轴一侧的活动块，当有雨水进入所述容器时，所述第一密封件的活动块在雨水的压力下沿所述旋转轴打开，当降雨结束时，所述第一密封件在活动块的作用下自动关闭；当降雨量较大时，所述第二密封件的活动块在气流的冲击下打开，当降雨结束时，所述第二密封件在活动块的作用下自动关闭；

所述漏斗的管体与所述导水管为一体件或通过所述管体上设有的一沿远离所述漏斗本体方向直径逐渐缩小的连接端部及套设在连接端部上的环状密封件与所述导水管紧密连接在一起；

所述容器的内部设置有塑料薄膜，所述塑料薄膜的直径为所述容器内径的80％-90％并能漂浮在所述容器的液面上；

所述排气管的形状为倒L形，所述排气管的第一端部伸入到所述容器中并位于液面之上，所述排气管的第二端部位于所述容器之外且开口向下，所述第二端部与所述第一端部平行设置；

所述湿度和温度监测仪将测得的温度和湿度数据传输至一远传装置，所述远传装置设置有无线发射仪，所述无线发射仪通过网络连接远程控制器；所述容器的底部设置一用于测量容器内部降雨量的称重单元，并通过远传装置将测量到的降雨量传送至所述远程控制器。

2.根据权利要求1所述的用于收集降雨的密封采样装置，其特征在于：所述容器的外壁上设置有观察区域以及遮光区域，所述观察区域设置有带有标尺的观察窗，所述遮光区域上设置有遮光件。

3.根据权利要求2所述的用于收集降雨的密封采样装置，其特征在于：所述遮光件为薄膜或遮光涂层。

4.根据权利要求1所述的用于收集降雨的密封采样装置，其特征在于：所述漏斗本体的顶部设置有金属网罩。

5.根据权利要求1所述的用于收集降雨的密封采样装置，其特征在于：所述远程控制器包括中央控制器、存储装置、分馏系数计算模块和人机操作界面；所述存储装置以及所述分馏系数计算模块分别与所述中央控制器通讯连接，所述存储装置用于存储接收到的温度和湿度数据以及降雨量，分馏系数计算模块根据所述温度和湿度数据以及降雨量计算氢氧同位素分馏系数。