CN107036849A - 一种可远程遥控的自动采集水样装置 - Google Patents

一种可远程遥控的自动采集水样装置 Download PDF

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Abstract

本本发明涉及一种可远程遥控的自动采集水样装置，涉及水样采集及其与水环境关系研究，属G01类。其装置主要由三个部分组成：遥控无人船、自动采样器和储水器。本发明适应于高山湖泊等不易使用载人船只测量的地方工作，可以远程遥控采集水样装置，实现远程实时取样、监测、实验，大大改善了科研工作人员的工作环境，提高了工作效率。

Description

一种可远程遥控的自动采集水样装置
(一)技术领域：
本发明涉及一种可远程遥控的自动采集水样装置，涉及水样采集及其与水环境关系研究，属G01类。
(二)背景技术：
湖泊是重要的淡水资源，具有调蓄洪水、供给水源、水产养殖、航运旅游及调节局部气候等多种生态功能，对人类社会的健康可持续发展具有至关重要的作用。然而随着自然环境的变化以及人类活动干扰的不断加强，湖泊水质环境受到严重威胁，以水体富营养化、有机污染、沼泽化等为代表的问题严重制约着湖泊生态系统的健康发展。
世界遗产地九寨沟位于青藏高原与四川盆地的过渡地带，地层以碳酸盐岩为背景，以高山高寒区岩溶地质地貌为特色。自然保护区内分布着118个呈串珠状排列的高山湖泊，与泉、瀑、滩、岛连缀一体，享有“九寨归来不看水”的美誉。然而，旅游资源的开发，修路、景点的基本建设不仅严重破坏了湖泊周围的森林植被和生态与环境，而且也造成了水土流失的日益严重，一些湖泊出现泥沙淤积，湖泊沼泽化问题严重。对于九寨沟湖泊环境而言，监测水质环境己经是必不可少的研究内容。但是，目前九寨沟的研究对象主要集中在地质地貌、山地灾害、水文、土壤、景观成因、旅游、植物等方面，对于九寨沟自然保护区水质环境的研究还很少。因此有必要开展九寨沟湖泊水质研究工作，为九寨沟湖泊泥沙治理和生态与环境保护提供科学依据和基础资料。
在环境监测工作中，要想取得具有代表性、准确性和完整性的水样监测数据，首先应当获取真实有效的水质样本。水样采集是一个重要的环节，并不是简单地将水样收集起来就行，因为供分析的水样要有代表性，要能准确反映所测水中所含污染因子的浓度。影响水样采集的因素有很多，如采样点、采样仪器和方法、采样频率、采样体积以及水样的保存方法等。任何一个因素的变化都可能导致分析结果的改变。所以如何使采集的水样真实准确地反映水质情况，是监测分析工作首先必须解决的间题。另外，一种小型的无人船渐渐进入人们的视野，无人船在水域测量领域有着巨大的优势，可以非常灵活地监测水质、探测水文，明显提升了环境监测的效率，大大降低了工作人员的危险系数，大幅提高了水利部口及相关行业的工作效率，所以研发一种无人驾驶水样采集船有着重要意义。因此，本发明为一种可远程遥控的自动采集水样装置，可快速便捷地进行水样采集，提供准确可靠的监测数据，从而进一步提高环境监测数据质量。
(三)发明内容：
1.一种可远程遥控的自动采集水样装置，实现无线遥控、GPS定位记录位置，采集湖泊各深度(10米以内)的水质样品。其装置主要由三个部分组成：遥控无人船、自动采样器和储水器。
2.见图1，发明内容1所述一种可远程遥控的自动采集水样装置设遥控无人船1.1、自动采样器1.2、储水器1.3、软管1.4、采集管头1.5。
3.见图2，自动采样器设可更换锂电池2.1、中心控制器天线2.2、中心控制器芯片组2.3、智能蠕动泵2.4、出水口2.5、进水口2.6、收放管器固定端接口2.7、排水口2.8、收放管器2.9、支架2.10、滚轮2.11、收放管器活动端接口2.12、软管2.13，其特征是：
A.自动采样器长30cm，宽20cm，高20cm，分为左右两部分，左右两部分区域密封隔开，避免右部收放管器2.9带入的水进入左部；
B.自动采样器左部长10cm，装载可更换锂电池2.1、中心控制器天线2.2、中心控制器芯片组2.3、智能蠕动泵2.4等设备，中心控制器芯片组2.3内置MCU、无线控制芯片、GPS定位芯片、存储芯片等，可根据指令记录当前GPS位置信息存储到芯片中，断电不会丢失，并且中心控制器芯片组2.3外接控制智能蠕动泵2.4和储样控制芯片4.9，实现远程遥控启停智能蠕动泵2.4以及储样步进电机4.8，并记录智能蠕动泵2.4的转数、流量以及储样步进电机4.8旋转位置等数据，实时反馈给远程操控端；
C.自动采样器右部长20cm，装载收放管器2.9、支架2.10、滚轮2.11，支架2.10采用铝合金材料，轻便可伸缩折叠，方便适应不同宽度的无人船，右部设排水口2.8可将收管时带入的水排出。
4.见图3，收放管器设收放管步进电机3.1、支架3.2、挡板3.3、旋转轴3.4、绕管圆筒3.5、舵机滑块3.6、上电动滚轮3.7、右电动滚轮3.8、下电动滚轮3.9、左电动滚轮3.10、软管3.11、收放管密封旋转接头3.12，其特征是：
A.支架3.2高18cm，绕管圆筒3.5直径6cm，长11cm，可实现缠绕10mm外径的软管10匝，绕4层，理论上能绕软管长度1130cm，实际由于大气压强缘故软管全长只设置1050cm长度即可；
B.上下左右4个电动滚轮采用步进电机，可精准控制转数，并有松开、半卡紧、卡紧3种状态：松开是4个滚轮的常态，上下、左右两两相对的滚轮相距11mm，可任意拉动管线，阻力最小；半卡紧状态时上下、左右两两相对的滚轮相距8mm，可以拉动软管实现放管或拉紧管线等功能：卡紧状态时上下、左右两两相对的滚轮相距6mm，在收放管到指定位置时启动相当于刹车功能，以上距离值还可通过修改控制器参数设定新的值以匹配10mm以下外径或伸缩物理特性不同的软管。舵机滑块3.6实现左右两端来回匀速运动，方便把软管均匀缠绕在绕管圆筒3.5上；
C.收放管密封旋转接头3.12采用机械密封旋转接头，完全能适应本设备绕管时保持密封状态，并且绕管过程中都能进行吸水工作；
D.软管3.11使用外径为10mm，壁厚2.5mm的型号，管壁较厚可以适应蠕动泵快速运转以及滚轮组带动软管移动。
5.见图4，储样器设储样密封旋转接头4.1、注水头4.2、1号注水口4.3、2号注水口4.4、3号注水口4.5、4号注水口4.6、0号注水口4.7、储样步进电机4.8、储样控制芯片4.9、电池4.10、1升储样塑料瓶4.11、储样箱4.12、软管4.13、排水口4.14，其特征是：
A.0号注水口4.7下接软管排入设备外，用以冲刷管道；
B.储样控制芯片4.9带无线控制芯片，能无线传输数据并接收指令，驱动储样步进电机4.8旋转到指定的注水口储藏水样。
6.见图5，采集管头设软管5.1、固定套接头5.2、防触底塑料片5.3、滤网5.4，其特征是：吸水口设防触底塑料片5.3，可以避免吸水口直接和湖底淤泥接触，设滤网5.4过滤砂砾吸取水样。
本发明有益效果：
1)本发明设计的一个可以远程遥控采集水样装置，适应于高山湖泊等不易使用载人船只测量的地方工作，可以灵活地监测水质、探测水文，明显提升了环境监测的效率，大大降低了工作人员的危险系数和劳动量。
2)放管装置能有效实现自动收放水管，并根据滚轮直径和转数计算出准确的放管深度，相比人工计算更精准方便；
3)设计中心控制器芯片组合智能蠕动泵，结合开发的控制软件进行远程控制，可实时观测流量变化，并准确计算残留水样量，实现精准冲洗管道、状态切换操控等操作；
4)装置灵活全自动、数据翔实、方法合理、分析透彻、图形美观。
(四)附图说明：
1.图1，一种可远程遥控的自动采集水样装置整体示意图：遥控无人船1.1、自动采样器1.2、储水器1.3、软管1.4、采集管头1.5；
2.图2，自动采样器示意图：可更换锂电池2.1、中心控制器天线2.2、中心控制器芯片组2.3、智能蠕动泵2.4、出水口2.5、进水口2.6、收放管器固定端接口2.7、排水口2.8、收放管器2.9、支架2.10、滚轮2.11、收放管器活动端接口2.12、软管2.13；
3.图3收放管器示意图：收放管步进电机3.1、支架3.2、挡板3.3、旋转轴3.4、绕管圆筒3.5、舵机滑块3.6、上电动滚轮3.7、右电动滚轮3.8、下电动滚轮3.9、左电动滚轮3.10、软管3.11、收放管密封旋转接头3.12；
4.图4，储样器示意图：储样密封旋转接头4.1、注水头4.2、1号注水口4.3、2号注水口4.4、3号注水口4.5、4号注水口4.6、0号注水口4.7、储样步进电机4.8、储样控制芯片4.9、电池4.10、1升储样塑料瓶4.11、储样箱4.12、软管4.13、排水口4.14；
5.图5，采集管头：软管5.1、固定套接头5.2、防触底塑料片5.3、滤网5.4。
(五)具体实施方式：
本发明提出的一种可远程遥控的自动采集水样装置，其具体实施方式如下：
1.一种可远程遥控的自动采集水样装置，实现无线遥控、GPS定位记录位置，采集湖泊各深度(10米以内)的水质样品。其装置主要由三个部分组成：遥控无人船、自动采样器和储水器。
2.见图1，发明内容1所述一种可远程遥控的自动采集水样装置设遥控无人船1.1、自动采样器1.2、储水器1.3、软管1.4、采集管头1.5。
3.见图2，自动采样器设可更换锂电池2.1、中心控制器天线2.2、中心控制器芯片组2.3、智能蠕动泵2.4、出水口2.5、进水口2.6、收放管器固定端接口2.7、排水口2.8、收放管器2.9、支架2.10、滚轮2.11、收放管器活动端接口2.12、软管2.13，其特征是：
A.自动采样器长30cm，宽20cm，高20cm，分为左右两部分，左右两部分区域密封隔开，避免右部收放管器2.9带入的水进入左部；
B.自动采样器左部长10cm，装载可更换锂电池2.1、中心控制器天线2.2、中心控制器芯片组2.3、智能蠕动泵2.4等设备，中心控制器芯片组2.3内置MCU、无线控制芯片、GPS定位芯片、存储芯片等，可根据指令记录当前GPS位置信息存储到芯片中，断电不会丢失，并且中心控制器芯片组2.3外接控制智能蠕动泵2.4和储样控制芯片4.9，实现远程遥控启停智能蠕动泵2.4以及储样步进电机4.8，并记录智能蠕动泵2.4的转数、流量以及储样步进电机4.8旋转位置等数据，实时反馈给远程操控端；
C.自动采样器右部长20cm，装载收放管器2.9、支架2.10、滚轮2.11，支架2.10采用铝合金材料，轻便可伸缩折叠，方便适应不同宽度的无人船，右部设排水口2.8可将收管时带入的水排出。
4.见图3，收放管器设收放管步进电机3.1、支架3.2、挡板3.3、旋转轴3.4、绕管圆筒3.5、舵机滑块3.6、上电动滚轮3.7、右电动滚轮3.8、下电动滚轮3.9、左电动滚轮3.10、软管3.11、收放管密封旋转接头3.12，其特征是：
A.支架3.2高18cm，绕管圆筒3.5直径6cm，长11cm，可实现缠绕10mm外径的软管10匝，绕4层，理论上能绕软管长度1130cm，实际由于大气压强缘故软管全长只设置1050cm长度即可；
B.上下左右4个电动滚轮采用步进电机，可精准控制转数，并有松开、半卡紧、卡紧3种状态：松开是4个滚轮的常态，上下、左右两两相对的滚轮相距11mm，可任意拉动管线，阻力最小；半卡紧状态时上下、左右两两相对的滚轮相距8mm，可以拉动软管实现放管或拉紧管线等功能；卡紧状态时上下、左右两两相对的滚轮相距6mm，在收放管到指定位置时启动相当于刹车功能，以上距离值还可通过修改控制器参数设定新的值以匹配10mm以下外径或伸缩物理特性不同的软管。舵机滑块3.6实现左右两端来回匀速运动，方便把软管均匀缠绕在绕管圆筒3.5上；
C.收放管密封旋转接头3.12采用机械密封旋转接头，完全能适应本设备绕管时保持密封状态，并且绕管过程中都能进行吸水工作；
D.软管3.11使用外径为10mm，壁厚2.5mm的型号，管壁较厚可以适应蠕动泵快速运转以及滚轮组带动软管移动。
5.见图4，储样器设储样密封旋转接头4.1、注水头4.2、1号注水口4.3、2号注水口4.4、3号注水口4.5、4号注水口4.6、0号注水口4.7、储样步进电机4.8、储样控制芯片4.9、电池4.10、1升储样塑料瓶4.11、储样箱4.12、软管4.13、排水口4.14，其特征是：
A.0号注水口4.7下接软管排入设备外，用以冲刷管道；
B.储样控制芯片4.9带无线控制芯片，能无线传输数据并接收指令，驱动储样步进电机4.8旋转到指定的注水口储藏水样。
6.见图5，采集管头设软管5.1、固定套接头5.2、防触底塑料片5.3、滤网5.4，其特征是：吸水口设防触底塑料片5.3，可以避免吸水口直接和湖底淤泥接触，设滤网5.4过滤砂砾吸取水样。
7.一种可远程遥控的自动采集水样装置，具体操作步骤如下：
(1)配对调试设备
操作员到达湖边，搭建岸边实验操控中心，开通无线路由器，让自动采样器1.2与平板电脑连入同一个Wifi网络中，开启操控软件，测试通信是否正常，遥控是否有效，就绪后开始下一步操作。
(2)运行到指定采样点
操作员遥控采集船航行至取样区域，记录GPS位置，也可在固定取水点水域安置信标，方便采集船在迅速到达指定区域进行水样采集。
(3)采集水样
到达采样区域后，操作员通过平板电脑上的软件远程控制水样采集设备工作：
A.放管：操作员在操控软件中输入放管长度值后(精度cm)，按下“放管”按钮，发出放管指令，中心控制器芯片组2.3接收到指令，首先控制收放管步进电机3.1断电不旋转，其次控制滚轮组(包括4个滚轮：上电动滚轮3.7、右电动滚轮3.8、下电动滚轮3.9、左电动滚轮3.10)进入半卡紧状态，然后滚轮组通电反向旋转，拉动绕管圆筒3.5上的管线下放，当滚轮组旋转到指定深度的转数后则停止放线，此时控制滚轮组断电旋转，放管过程结束。
B.冲洗管道：操作员的平板电脑接收到放管结束信号，发出“冲洗管道”指令，中心控制器芯片组2.3向储样控制芯片4.9转发指令，让储样步进电机4.8工作，将注水头4.2对准0号注水口4.7，然后启动智能蠕动泵2.4排出不需要的水样，平板电脑上的操控软件能根据排空空气后的水流流量计算当前冲洗水管的时间，自动计时停止。
C.定深采样：使用指定深度的水样冲洗管道流程结束，操作员发出指令注入N(1～4)号1升储样塑料瓶4.11指定容量水样，中心控制器芯片组2.3向储样控制芯片4.9转发指令，储样控制芯片4.9控制储样步进电机4.8旋转，使得注水头4.2对准N号注水口，此时智能蠕动泵2.4开启吸水，注水达到指定流量后自动停止，整个采样结束。
D.混水采集：操作员可以将软管1.4匀速拉升收管，同时蠕动泵继续工作，实现混水采集，中心控制器芯片组2.3记录采集时间和深度反馈给操作员并存储记录。
E.收管：操作员按下操控软件中的“收管”按钮，发出收管指令，中心控制器芯片组2.3接收到指令，首先控制滚轮组(包括4个滚轮：上电动滚轮3.7、右电动滚轮3.8、下电动滚轮3.9、左电动滚轮3.10)断电不旋转，其次控制滚轮组进入松开状态，让管线自由移动，由于摩擦力，可适当崩紧管线方便缠绕盘管，然后控制收放管步进电机3.1通电反向旋转进行收管操作，当收到指定长度时，控制收放管步进电机3.1断电停止旋转，同时控制滚轮组处于卡紧状态3秒钟(相当于刹车，避免不必要的移位)，然后再处于半卡紧状态，中心控制器芯片组2.3记录当前管线深度，完成收管操作。
F.复位：为避免船体移动时吸水软管被缠绕，操作员发出指令复位，收管流程开启，直到采集管头1.5达到滚轮2.11位置处。
(4)换点采集水样
设备复位后，可控制遥控无人船1.1移动至新的采用区域进行步骤(3)中的过程。
(5)返航
按照要求完成所有采样瓶的采样工作后，确认设备复位后，采集船返航。
(6)再次出发工作
快速更换洁净的采样瓶与电池后，采集船可再次出发，循环上述过程。

Claims (6)

1.一种可远程遥控的自动采集水样装置，由遥控无人船、自动采样器和储水器三个部分组成，实现无线遥控、GPS定位记录位置，采集湖泊各深度(10米以内)的水质样品。
2.权利要求1所述一种可远程遥控的自动采集水样装置设遥控无人船、自动采样器、储水器、软管、采集管头。
3.权利要求2所述自动采样器设可更换锂电池、中心控制器天线、中心控制器芯片组、智能蠕动泵、出水口、进水口、收放管器固定端接口、排水口、收放管器、支架、滚轮、收放管器活动端接口、采水软管，其特征是：
A.自动采样器长30cm，宽20cm，高20cm，分为左右两部分，左右两部分区域密封隔开，避免右部收放管器带入的水进入左部；
B.自动采样器左部长10cm，装载可更换锂电池、中心控制器天线、中心控制器芯片组、智能蠕动泵设备，中心控制器芯片组内置MCU、无线控制芯片、GPS定位芯片、存储芯片等，可根据指令记录当前GPS位置信息存储到芯片中，断电不会丢失，并且中心控制器芯片组外接控制智能蠕动泵和储样控制芯片，实现远程遥控启停智能蠕动泵以及储样步进电机，并记录智能蠕动泵的转数、流量以及储样步进电机旋转位置等数据，实时反馈给远程操控端；
C.自动采样器右部长20cm，装载收放管器、支架、滚轮，支架采用铝合金材料，轻便可伸缩折叠，方便适应不同宽度的无人船，右部设排水口可将收管时带入的水排出。
4.权利要求3所述收放管器设收放管步进电机、支架、挡板、旋转轴、绕管圆筒、舵机滑块、上电动滚轮、右电动滚轮、下电动滚轮、左电动滚轮、软管、收放管密封旋转接头，其特征是：
A.支架高18cm，绕管圆筒直径6cm，长11cm，可实现缠绕10mm外径的软管匝，绕4层，理论上能绕软管长度1130cm，实际由于大气压强缘故软管全长只设置1050cm长度即可；
B.上下左右4个电动滚轮采用步进电机，可精准控制转数，并有松开、半卡紧、卡紧3种状态：松开是4个滚轮的常态，上下、左右两两相对的滚轮相距11mm，可任意拉动管线，阻力最小；半卡紧状态时上下、左右两两相对的滚轮相距8mm，可以拉动软管实现放管或拉紧管线等功能；卡紧状态时上下、左右两两相对的滚轮相距6mm，在收放管到指定位置时启动相当于刹车功能，以上距离值还可通过修改控制器参数设定新的值以匹配10mm以下外径或伸缩物理特性不同的软管。舵机滑块实现左右两端来回匀速运动，方便把软管均匀缠绕在绕管圆筒上；
C.收放管密封旋转接头采用机械密封旋转接头，完全能适应本设备绕管时保持密封状态，并且绕管过程中都能进行吸水工作；
D.软管使用外径为10mm，壁厚2.5mm的型号，管壁较厚可以适应蠕动泵快速运转以及滚轮组带动软管移动。
5.储样器设储样密封旋转接头、注水头、1号注水口、2号注水口、3号注水口、4号注水口、0号注水口、储样步进电机、储样控制芯片、电池、1升储样塑料瓶、储样箱、软管、排水口；其特征是：
A.0号注水口下接软管排入设备外，用以冲刷管道；
B.储样控制芯片带无线控制芯片，能无线传输数据并接收指令，驱动储样步进电机旋转到指定的注水口储藏水样。
6.采集管头设软管、固定套接头、防触底塑料片、滤网，其特征是：吸水口设防触底塑料片，可以避免吸水口直接和湖底淤泥接触，设滤网过滤砂砾吸取水样。
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