CN106404467A - 地下水监测井用采样装置及采样方法 - Google Patents

Abstract

一种地下水监测井用采样装置及方法，该装置包括：下端出样单元设于采样装置外筒的最底端；进水‑储水单元置于下端出样单元之上，是在外筒内设有一内筒形成一双层采样筒，内筒相对于外筒可自由活动，外筒的侧壁上设置有均匀分布孔状进水口；内筒的底部由支撑装置承托；进水‑储水单元可拆卸更换不同采样体积的结构；控制单元置于内筒的上方，由一微型电机通过联轴器与内筒的悬轴相连接，微型电机固定在外筒壁上；通信单元置于外筒的上端；该采样装置可通过通信接口和信号传输线与外部的控制器相连，也可利用无线发射器发射信号并通过无线接收装置收集数据。本发明的装置可以灵活设置采样体积、实现微扰动的方式采集地下水。

Description

地下水监测井用采样装置及采样方法

技术领域

本发明属于地下水环境监测技术领域，具体地涉及一种地下水监测井用采样装置及采样方法。

背景技术

地下水广泛埋藏于地表以下，具有厌氧、无光以及低温等特点。浅层地下水，是指地表以下60米内的含水层。由于其埋层浅，未经深层岩石过滤，水体极易被工厂排放的污水和农田残留的农药污染。由于污染物在包气带内经吸附、过滤、离子交换以及生物化学作用等净化作用，相比较其他水体，浅层地下水污染物含量较少，甚至达到痕量级别。目前国内地下水采样以人工采样为主，采样过程中易于受到外界因素的干扰，导致所获取地下水样品不够准确，影响后续对地下水水质等情况的分析。

目前，地下水样品采集需要借助采样设备，其种类比较多，主要有提桶式采样器、气囊式采样泵、惯性泵、离心泵以及潜水泵等，然而这些设备在采样过程中都存在对地下水样品产生一定影响的不足，致使所获得的地下水样品的各项指标发生变化。如使用bailer采样器时，整个采样装置是在监测井中下降过程中置换其内部的地下水，另外采样后需借助人工释放装置把阀门打开，重新将取出的地下水样品装入采样瓶，此操作增加了与空气的接触时间，影响后续检测地下水指标的准确性；离心泵和惯性泵都存在着采样过程中外力会对环境监测井井体中地下水产生很大的搅动，直接影响采集到水样的代表性；目前在地下水环境监测领域中，气囊泵具有较好的采样效果，被广泛的使用，但是其操作程序较为繁琐和配套设备多，直接导致其野外的现场使用效率下降，此外，由于外加气压的缘故，含溶解性气体的地下水采样时易受到影响。

因此，在采样过程中如何减少对地下水所产生的扰动，获取微扰动的地下水样品成为地下水采样设备的研发重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种地下水监测井用采样装置及方法，以解决上述技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种地下水监测井用采样装置，包括出样单元、进水-出水单元和控制单元；其中：

出样单元，用于控制所述进水-储水单元内储存的、采集到的地下水样品的输出；

进水-储水单元，用于储存采集到的地下水样品；所述进水-储水单元包括设置在所述采样装置外筒内的一内筒，形成一双层采样筒结构，所述内筒底部由支撑装置承托，能够相对于所述外筒自由转动；所述外筒的侧壁上设置有进水口；所述内筒作为进水口阀门对进水进行控制，通过转动若干角度实现允许或禁止流入外筒的地下水样品进入所述内筒；

控制单元，用于控制所述内筒的转动；所述控制单元包括微型电机和联轴器；所述微型电机固定在外筒壁上，通过所述联轴器与所述内筒的悬轴相连接，驱动所述内筒旋转。

其中，所述出样单元包括出样口，所述出样口包括弹簧和金属球，所述金属球在弹簧的作用下作为阀门。

其中，所述出样单元还包括出样开关，所述出样开关包括顶杆和出样管接头，所述出样管接头与出样口连接，从而将采集到的地下水样品从所述出样管接头输出；所述顶杆用于在输出地下水样品时推顶所述出样口中的金属球，使其组成的阀门呈开启状态。

其中，所述外筒和内筒为不锈钢材质或PVC材质，外筒的侧壁上设置有均匀分布的孔状进水口；所述内筒外壁上包裹一层橡胶，该橡胶表面喷涂有特氟龙，作为外筒和内筒之间的密封；

其中，所述进水-储水单元通过拆装衔接组与控制单元可拆卸的连接。

其中，所述拆装衔接组由弹簧、卡块和推块组成，通过推压弹簧，将所述内筒的桶轴插入衔接装置或从衔接装置取出来实现所述进水-储水单元的固定/拆卸。

其中，所述微型电机为微型减速电机，通过限位开关限制电机轴的旋转角度。

其中，所述采样装置还包括定时装置，用于设置所述微型电机的定时启动和停止时间；

作为优选，所述采样装置还包括通信单元，所述通信单元用于通过通信接口和信号传输线使所述采样装置与外部的控制器相连，接受所述控制器的指令。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种利用如上所述的地下水监测井用采样装置采集地下水的采样方法，包括以下步骤：

(1)对所述地下水监测井用采样装置进行定时开/关设置；

(2)通过井绳将所述地下水监测井用采样装置放到监测井中预定深度，当到达定时开启时间时，微型电机将所述进水-储水单元的内筒旋转至使内筒的进水口暴露于井水中；

(3)当到达定时关闭时间时，通过微型电机将所述进水-储水单元的内筒旋转至初始位置，隔水密封；

(4)将所述地下水监测井用采样装置提至地面，在所述出样单元上安装出样开关，通过出样开关取水。

其中，对所述地下水监测井用采样装置进行定时开/关设置是通过所述控制单元来实现的。

与现有技术相比，本发明的采样装置及方法具有以下优点：

1、可根据地下水流速快慢设置采样器开启和关闭时间，以保证采样器下降到指定深度之后，采样器才会打开，并在采样器关闭之前保证采样器内所采集的地下水为目标含水层的水样；

2、由于外筒有进水孔，可侧面与地下水水流方向一致进水，并实现慢速自动闭合止水，准确获取地下水样品，实现微扰动采样的目的；

3、由于增加了拆装衔接组，可以实现不同采样体积的进水-储水单元的拆卸更换，从而可以灵活适应不同的采样需求。

附图说明

图1为本发明的地下水监测井用采样装置的整体结构示意图；

图2为本发明采样装置的拆装衔接组的结构示意图；

图3为本发明采样装置的下端出样单元的结构示意图。

附图中附图标记含义说明：

1、挂钩；2、通讯接口；3、充电电池组；4、电路板；5、微型电机；6、联轴器；7、悬轴；8、拆装衔接组；9、内筒；10、外筒；11、进水口；12、出样口；13、出样开关；14、弹簧；15、卡块；16、推块；17、金属小球；18、管接头；19、顶杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种地下水监测井用采样装置，包括出样单元、进水-出水单元、控制单元和通信单元。其中出样单元用于控制进水-储水单元内储存的、采集到的地下水样品的输出，其可以设置于整个采样装置的上端、下端或外筒的侧壁上，但通常都设于整个采样装置的最下端，即采样器外筒的最底端，从而也称为“下端出样单元”。它由出样口和出样开关组成，其中出样口由弹簧和金属球作为阀门，出样开关包括顶杆和出样管接头。进水-储水单元是在外筒内设有一内筒形成一双层采样筒，内筒相对于外筒可自由活动，外筒的侧壁上设置有均匀分布孔状进水口；内筒的底部由支撑装置承托；进水-储水单元可拆卸更换不同采样体积的结构；控制单元由一微型电机通过联轴器与内筒的悬轴相连接，微型电机固定在外筒壁上；通信单元由电路板和板上的通信接口组成，该电路板连接一充电电源；该采样装置可通过通信接口和信号传输线与外部的控制器相连。

作为一个优选实施例，本发明提供了一种地下水监测井用采样装置，包括下端出样单元、进水-出水单元、控制单元和通信单元；其中：

下端出样结构设于采样器外筒的最底端，由出样口和出样开关组成，其中出样口由弹簧和金属球作为阀门，出样开关包括顶杆和出样管接头，样品从出样管接头输出；

进水-储水结构置于下端出样结构之上，是在外筒内设有一内筒形成一双层采样筒，内筒相对于外筒可自由活动，外筒的侧壁上设置有均匀分布孔状进水口；内筒的底部由支撑装置承托；进水-储水结构可拆卸更换不同采样体积的结构，由拆装衔接组与控制结构连接；

控制结构置于内筒的上方，由一微型电机通过联轴器与内筒的悬轴相连接，微型电机固定在外筒壁上；

通信结构置于外筒的上端，由电路板和板上的通信接口组成，该电路板连接一充电电源；采样装置可通过通信接口和信号传输线相连，与控制器相连。

其中，出样口由弹簧和金属球组成，金属球在弹簧的作用下作为阀门，出样开关与出样口为分离的两部分，出样开关由顶杆和出样管接头组成，样品从出样管接头输出。

其中，外筒和内筒为不锈钢材质或PVC材质，外筒的侧壁上设置有均匀分布孔状进水口，共两组进水口，一组四个进水口，两两相隔90°；内筒外壁上包裹一层橡胶，该橡胶表面喷涂有特氟龙，作为外筒和内筒之间的密封，同时内筒作为进水口阀门对进水进行控制；

其中，进水-储水结构可拆卸更换不同采样体积的进水-储水结构，设有0.5L、1L和1.5L三种大小，由拆装衔接组与控制结构连接；

其中，拆装衔接组由弹簧、卡块和推块组成，通过推压弹簧，将采样桶轴插入衔接装置可以实现进水-储水结构的更换。

其中，联轴器是微型电机控制双层筒的闭合连接部件。

其中，微型电机为微型减速电机，通过限位开关限制转轴的旋转角度。

本发明提供了一种利用上述采样器采集地下水的方法，包括以下步骤：

(1)对采样装置进行定时开/关设置；

(2)通过井绳将自动采样器放到监测井中预定深度，当到达定时开启时间时，微型电机将内筒旋转至外筒和内筒的进水口暴露于井水中；

(3)当到达定时关闭时间时，通过微型电机将内筒旋转至初始位置，隔水密封；

(4)将采样器提至地面，安装出样开关，通过出样开关取水。

其中，微型电机对内筒的旋转是通过与电路板相连接的控制器设置采样器开启/关闭时间。

下面将结合附图对本发明采样装置的一优选实施例做详细说明。

如图1-3所示，本发明的地下水监测井用采样装置，包括下端出样单元、进水-出水单元、控制单元和通信单元。下端出样单元由出样口12和出样开关13两部分组成；出样口12中的弹簧14和金属小球17相连接组成出样口阀门，控制采样器出水；出样开关13中有管接头18和顶杆19；出样口12与出样开关13为分离的两部分，当两部分连接时，通过压入顶杆19使金属小球17与管壁之间产生缝隙，样品从出样管接头18输出。进水-储水单元置于下端出样单元之上，是在外筒10内设有一内筒9形成一双层采样筒，内筒9相对于外筒10可自由活动，外筒10的侧壁上设置有均匀分布孔状进水口11；内筒9的底部由支撑装置承托；进水-储水单元可拆卸更换不同采样体积的结构，由拆装衔接组8与控制单元连接；拆装衔接组8由弹簧14、卡块15和推块16组成，通过推压弹簧14，将内筒9的桶轴插入/拔出衔接装置可以实现进水-储水单元的更换。控制单元置于内筒9的上方，由一微型电机通过联轴器6与内筒9的悬轴7相连接，微型电机5固定在外筒10壁上；

通信单元置于外筒10的上端，由电路板4和外桶10上的通信接口2组成，该电路板4连接一充电电源3；该采样装置可通过通信接口2和信号传输线与外部的控制器相连，也可将无线发射装置插入通信接口2实现远程信号传输。物理参数探头安置于开孔处11进行实时监测并记录保存，在无线接收器上显示地下水实时物理参数与该采样器的基本信息。

本发明还公开了一种上述采样装置采集地下水的采样方法：

(1)控制器通过信号传输线和顶部通信接口与电路板相连接，对采样器进行定时开/关设置，以保证下降到指定深度之后，采样器才会打开，并在采样器关闭之前保证采样器内所采集的地下水为目标含水层的水样。

(2)通过井绳将采样器放到监测井中预定深度，当到达定时开启时间时，微型电机将内筒旋转至外筒和内筒的进水口均暴露于井水中；

(3)当到达定时关闭时间时，通过微型电机将内筒旋转至初始位置，隔水密封；

(4)将采样器提至地面，安装出样开关，通过出样开关取水。

实施例

采用直径5mm金属小球；双层采样筒中的外筒外径45mm，内筒外径44mm，外筒的侧壁上设置有均匀分布孔状进水口，共两组进水口，一组四个进水口，两两相隔90°；内筒外壁上包裹一层橡胶，该橡胶表面喷涂有特氟龙，作为外筒和内筒之间的密封，同时内筒作为进水口阀门对进水进行控制；拆装衔接组与内筒相连接，通过悬轴和联轴连接控制结构和进水-储水结构；微型电机通过联轴器与内筒的悬轴固定结合，微型电机9固定在外筒壁，通过限位开关限制电机轴的旋转角度；顶部为9V锂电池安装仓。锂电池和电路板上的通讯接口组成通信模块，通过控制器进行定时设置，采样器顶部为挂钩。采样器整体长度依进水-储水结构的大小而定，0.5L、1L和1.5L长度分别为1100mm、1500mm和1900mm，外径为45mm。

选择一野外场地，环境监测井中水体更新速度快的监测井作为采样对象。环境监测井的井管管径为60mm，井筛长度为2m，深度为30m，此处地下水埋深为8m左右，地下水流速为1m/d。将本发明的采样装置限时开关为1d后，通过钢丝绳放入监测井筛管的中间位置。在此期间，含水层中的地下水不断进入内筒9，更新筒内的水，同时采样装置内的水不断的通过内、外筒上的进水口得到更新，从而保证采样装置中的水样能够代表地下水。1d后自动关闭的采样装置通过地表提升装置提升，取出采样装置，利用出水开关进行样品输出即可。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地下水监测井用采样装置，包括出样单元、进水-出水单元和控制单元；其特征在于：

出样单元，用于控制所述进水-储水单元内储存的、采集到的地下水样品的输出；

进水-储水单元，用于储存采集到的地下水样品；所述进水-储水单元包括设置在所述采样装置外筒内的一内筒，形成一双层采样筒结构，所述内筒底部由支撑装置承托，能够相对于所述外筒自由转动；所述外筒的侧壁上设置有进水口；所述内筒作为进水口阀门对进水进行控制，通过转动若干角度实现允许或禁止流入外筒的地下水样品进入所述内筒；

控制单元，用于控制所述内筒的转动；所述控制单元包括微型电机和联轴器；所述微型电机固定在外筒壁上，通过所述联轴器与所述内筒的悬轴相连接，驱动所述内筒旋转。

2.根据权利要求1所述的地下水监测井用采样装置，其特征在于，所述出样单元包括出样口，所述出样口包括弹簧和金属球，所述金属球在弹簧的作用下作为阀门。

3.根据权利要求1所述的地下水监测井用采样装置，其特征在于，所述出样单元还包括出样开关，所述出样开关包括顶杆和出样管接头，所述出样管接头与出样口连接，从而将采集到的地下水样品从所述出样管接头输出；所述顶杆用于在输出地下水样品时推顶所述出样口中的金属球，使其组成的阀门呈开启状态。

4.根据权利要求1所述的地下水监测井用采样装置，其特征在于，所述外筒和内筒为不锈钢材质或PVC材质，外筒的侧壁上设置有均匀分布的孔状进水口；所述内筒外壁上包裹一层橡胶，该橡胶表面喷涂有特氟龙，作为外筒和内筒之间的密封。

5.根据权利要求1所述的地下水监测井用采样装置，其特征在于，所述进水-储水单元通过拆装衔接组与所述控制单元可拆卸的连接。

6.根据权利要求1所述的地下水监测井用采样装置，其特征在于，所述拆装衔接组由弹簧、卡块和推块组成，通过推压弹簧，将所述内筒的 桶轴插入衔接装置或从衔接装置取出来实现所述进水-储水单元的固定/拆卸。

7.根据权利要求1所述的地下水监测井用采样装置，其特征在于，所述微型电机为微型减速电机，通过限位开关限制电机轴的旋转角度。

8.根据权利要求1所述的地下水监测井用采样装置，其特征在于，所述采样装置还包括定时装置，用于设置所述微型电机的定时启动和停止时间；

作为优选，所述采样装置还包括通信单元，所述通信单元用于通过通信接口和信号传输线使所述采样装置与外部的控制器相连，接受所述控制器的指令。

9.利用如权利要求1所述的地下水监测井用采样装置采集地下水的采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对所述地下水监测井用采样装置进行定时开/关设置；

(2)通过井绳将所述地下水监测井用采样装置放到监测井中预定深度，当到达定时开启时间时，微型电机将所述进水-储水单元的内筒旋转至使内筒的进水口暴露于井水中；

(3)当到达定时关闭时间时，通过微型电机将所述进水-储水单元的内筒旋转至初始位置，隔水密封；

(4)将所述地下水监测井用采样装置提至地面，在所述出样单元上安装出样开关，通过出样开关取水。

10.根据权利要求9所述的采样方法，其中，对所述地下水监测井用采样装置进行定时开/关设置是通过所述控制单元来实现的。