CN107576528B - 一种定深自控采水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种定深自控采水器，涉及自动化与水利工程领域。该装置主要包括采水器，拾音器，液位传感器，单片机控制单元，震动发声器，电磁铁，红外遥控器，红外接收单元以及电源模块。采用单片机作为控制单元，根据预设的深度信息以及液位传感器采集的数据，单片机控制继电器闭合，使得采水器动作和震动发声器发声，方便快捷的完成采水工作和工作状态的信息传递。本发明的有益效益是可以实现用户自定义水下深度的水样采集，同时可以根据携带信息的声音判断采集状态，方便快捷，避免了使用缆绳传递信息带来的不方便，适用于河流、湖泊与水库等水源地的水质样本采集。

Description

一种定深自控采水器

技术领域

本发明属于自动化与水利工程技术领域，涉及一种定深自控采水器。

背景技术

随着工业的发展和社会的进步，环境污染问题日益严重，其中水污染问题体现更为明显。对水环境的监测，尤其是水源地水质保护与管理是实现安全用水、健康用水的根本所在。因此深入研究水源水库水质问题，对各种影响因素进行全面调查与监控，进而研究有针对性的水质管理对策是非常重要的。开展水质研究的第一步就是要获取代表性的水质样本，这也是水环境调查与监控的关键环节。

目前，尼斯金采样器，有机玻璃管采样器都是应用比较广泛的采样器。在采样时，需要人工下放采水器，通过对采水器缆绳进行测量，确定采集器到达的深度，这种方法存在以下不足：第一，通过测量缆绳，存在较大的误差，导致采样深度不准确，误差较大；第二，在采样过程中，可能受水流影响，在水流的作用下，采样瓶发生横向位移，导致缆绳发生倾斜，此时缆绳的长度不能代表采样地点的深度，导致采水深度误差的发生。部分采水器在到达预定采水深度后，需释放重锤，用来触发采水器闭合。由于水流作用，采水器发生的横向漂移，缆绳发生倾斜，导致采水器不能触发。泵吸式是另一种较为常用的水样采集方式，但在采样过程中，水体中的絮状物形态容易受到破坏，无法保证样本的原本状态，给后续的水体指标测定带来困难。工作时需要电机驱动，从重量和功耗方面来看，存在一定的不足。

随着科学技术的发展，各种自动采水器相继诞生。其中主要包括两类，一种为上位机在采样船上，下位机在水下密封罐中，两者用电缆连接，通过RS485等方式进行通信。另一种为自返回式的，由于水对电磁波的吸收，水下无线通信技术目前还不成熟，因此这种方式也是通过采样完成之后，采水器释放配重，利用自身浮力漂浮到水面，再利用无线定位装置进行寻找。这两种方法存在一定的不足之处：用电缆进行连接，不同的采样地点，深度不同，需要缆绳跟电缆两根绳子进行配合，容易发生绕线现象，操作不当还会导致电缆承重，发生电缆断裂。中国科学院海洋研究所于2006年申请的专利“一种可自动返回式采水器控制装置”,自返回式采水器避免了使用缆绳带来的不方便，同时也存在不足之处，即配重的释放不可循环导致采样成本大大增加，同时造成资源的浪费，甚至对水下环境的破坏。虽然不使用缆绳避免了植物根茎以及水体中的其他物品对缆绳的牵绊，但是一旦出现植物根茎对采水器本身的牵绊，以及采水器发生故障，配重不能释放的情况，就会导致采水器无法浮出水面，造成很大的损失。而且不适宜在水流流速较大的环境中使用，采水结束后进行采水器的寻找，都会增加采水工作量。

本发明专利受到“国家自然科学基金仪器基础专项-水源水库水质多维保真采样设备项目51327004”的资助。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种定深自控采水器及使用方法，能够解决采样深度的精度问题与采水器动作的稳定性，实现定深自动采水，并能将采水信息有效的反馈到水面。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种定深自控采水器，包括水上拾音器部分、水下控制装置部分、水下采水器部分。水下控制装置部分用于到达指定深度控制水下采水器部分闭合，完成采水，并发出采水结束声音信号，水上拾音器部分用于接收水下声音信号。

所述的水上拾音器部分包括拾音器12、拾音器漂浮固定装置、拾音器电源模块，拾音器电源模块用于给拾音器12供电，拾音器12用于采集并处理水下声音信号。所述的拾音器12部分包括防水拾音咪头、拾音器采集电路部分和拾音器音频放大电路部分；防水拾音咪头固定于拾音器漂浮装置下表面位于水面下，用于采集水下声音信号，并与拾音器采集电路部分和拾音器音频放大电路部分通过导线连接，拾音器采集电路部分和拾音器音频放大电路部分固定于采样船上。拾音器采集电路部分和拾音器音频放大电路部分用于处理声音信号。拾音器漂浮固定装置与拾音咪头连接，二者投入水中，在拾音器漂浮固定装置的拉力作用下，拾音咪头在水中处于静止状态。

所述的水下控制装置部分包括控制系统密封罐1、圆柱支架2、直角钩3、传动轴4、拉环5、连接绳7。所述的圆柱支架2固定在控制系统密封罐1上表面，圆柱支架2上表面中部有一通孔，传动轴4一端穿过该通孔，与固定在圆柱支架2底部的电磁铁连接，传动轴4另一端固定在直角钩3的中部。所述的电磁铁有上下两块电磁铁通过弹簧连接，下方电磁铁固定在圆柱支架2下表面，通电状态下，上下两块电磁铁能够吸合在一起，断电时，上下两块电磁铁通过弹簧的弹力分开，传动轴4向上移动；上下两块电磁铁的吸合和分开带动传动轴4上下垂直移动。所述的拉环5套接于直角钩3的一侧，当传动轴4向上移动，拉环5能够脱离直角钩3。所述的拉环5与连接绳7连接。

所述的控制系统密封罐1内包括单片机控制单元、LCD液晶显示模块1-1、红外遥控器1-2、红外接收单元1-3、液位传感器1-4、A/D转换模块1-5、震动发声器1-6、继电器模块1-7、稳压模块1-8、电源模块1-9。所述的红外接收单元1-3通过信号线连接单片机控制单元，用于接收红外遥控器1-2输入的采水深度，以及重置采水深度。所述的液位传感器1-4固定于控制系统密封罐1的底部，通过信号线与数据采集模块相连，并通过导线与电源模块1-9相连，用于测量水下装置到达的水深。所述的震动发声器1-6包括一个直流电机和金属棒，固定于控制系统密封罐1中部，通过导线与电源模块1-9以及继电器模块1-7相连，继电器模块1-7与单片机控制单元连接；单片机控制单元控制继电器的开合，当定深自控采水器到达指定水深时，继电器闭合时，直流电机带动金属棒作来回往复的运动，敲击桶壁产生水下声音信号。所述的单片机控制单元与圆柱支架2底部的电磁铁通过信号线与连接，单片机控制单元控制继电器的开合，继电器控制电磁铁，通过电磁铁的吸引与释放，控制弹簧机构，控制采水器的闭合，完成采水工作。所述的LCD液晶显示模块1-1与单片机控制单元连接，用于用户在输入采水深度时观察输入的数据，以及查看输入是否成功。所述的A/D转换模块1-5通过信号线与液位传感器1-4、单片机控制单元相连，将液位传感器1-4采集来的模拟量转换为数据量输入单片机控制单元。所述的稳压模块1-8通过导线与电源模块1-9以及单片机控制单元相连，用于将电源模块1-9的12V电压转变成5V电压供给单片机使用。所述的继电器模块1-7包括两个继电器，一个控制震动发声器1-6，另一个控制电磁铁。

所述的采水器部分包括采水器8、强力拉簧10、转轴9，采水器8包括采水器上卡盖6和采水器下卡盖11和上下卡盖之间的筒体。所述的连接绳7一端与拉环5连接，另一端依次与采水器上卡盖6、采水器下卡盖11固定，转轴9设置于采水器下卡盖11中部，能够带动采水器下卡盖11转动，采水器下卡盖11底部通过强力拉簧10与采水器8筒体底部连接。当拉环5套接在直角钩3上时，采水器上卡盖6和采水器下卡盖11在连接绳7的拉力状态下，处于开启状态；断电状态时，拉环5脱离直角钩3，采水器上卡盖6和采水器下卡盖11在强力拉簧10的作用下，使采水器8闭合，采水器8采水。

采用上述定深自控采水器进行多深度采水的方法，包括以下步骤：

第一步，接通拾音器电源模块，使水上拾音器部分电路通电，处于待工作状态。将防水拾音咪头和拾音器漂浮固定装置投入水中，拾音器咪头在重力的作用下下沉到水面以下，在拾音器漂浮装置的拉力下处于静止状态。拾音器采集电路部分、拾音器音频放大电路部分固定在采样船上，将音响接入采集电路部分的插孔，用于将接受到的声音信号放大传递出来。

第二步，将采水器的拉环5放入直角钩3一侧，使其卡在直角钩3和圆柱支架2之间，接通控制系统密封罐1中的电源模块1-9，水下控制装置部分电路通电，单片机控制继电器模块1-7中的一个继电器闭合，使电磁铁通电吸合，拉环5被紧锁在在直角钩3和圆柱支架2之间，与拉环5连接的连接绳7受到拉环的拉力以及强力拉簧10的作用静止，使上卡盖6和下卡盖11处于开启状态。

第三步，在红外遥控器1-2键盘上输入需要采集水深的深度信息，红外遥控器1-2按照编码发射红外线，红外接收单元1-3接收红外线，将红外线携带的信息解码，输入到单片机控制单元中存储，通过观察LCD液晶显示模块1-1显示输入的数据是否正确，若正确，在红外遥控器1-2键盘上按下确认键，否则在红外遥控器1-2键盘上按下返回键，重复第三步。

第四步，利用缆绳放下水下控制装置部分、水下采水器部分，下放过程中，液位传感器1-4将水下控制装置的深度信息转换成0-5V模拟电压信号，A/D转换模块1-5接收模拟电压信号，将其转变成数字信号，听取拾音器12传来的声音信号，当定深自控采水器到达指定水深时，继电器模块1-7中的一个继电器通电闭合，震动发声器1-6通电，直流电机带动金属棒作来回往复的运动，敲击桶壁产生水下声音信号，继电器模块1-7中的另一个继电器断开，电磁铁断电，上下两块电磁铁通过弹簧的弹力分开，传动轴4向上移动，拉环5脱离直角钩3，采水器上卡盖6和采水器下卡盖11在强力拉簧10的作用下，使采水器闭合，采水器8采水，采样完成后提拉采水器至甲板。

第五步，将采水器8中的水取样保存，若需要采集另一个深度的水样，重复第二步骤，在红外遥控器1-2键盘上按下返回键，重复第三步输入水深，下放采水器，进行下一个深度的采样。

第六步，采集完成后，关闭拾音器电源模块电源和控制系统密封罐1中的电源模块1-9，采样至此结。

本发明具有以下有益效果以及优点：

1、本发明采用拾音器12采集由震动发声器1-6传递来的声音信息，无需电缆进行连接，可以有效防止电缆与缆绳的缠绕以及电缆承重断裂等问题，采集过程的信息传输通过声音信号进行传输，降低了采样过程中操作者的操作难度，有效得提高了采样效率。

2、本发明利用自主研究的采水器8与控制系统配合工作，采水器8的开启与闭合稳定，可以有效方式误触发与不触发现象。

3、本发明采用液位传感器1-4进行深度数据的测量，可以防止因采样过程中水流的影响导致缆绳倾斜采样深度不准确的问题。

附图说明

图1为一种定深自控采水器整体结构的示意图；

图2为一种定深自控采水器控制系统结构示意图；

图3为一种定深自控采水器工作程序流程图；

图中：1控制系统密封罐、2圆柱支架、3直角钩、4传动轴、5拉环、6采水器上卡盖、7连接绳、8采水罐、9转轴、10强力拉簧、11采水器下卡盖、12拾音器；1-1LCD液晶显示模块；1-2红外遥控器；1-3红外接收单元；1-4液位传感器；1-5A/D转换模块；1-6震动发声器；1-7继电器模块；1-8稳压模块；1-9电源模块。

具体实施方式

本发明从方便、实用和低成本几个方面设计了一款高精度高效率采水器。如图1所示，一种定深自控采水器，包括水上拾音器部分、水下控制装置部分、水下采水器部分。水下控制装置部分用于采水器到达指定深度控制水下采水器部分闭合，并发出采水结束声音信号，水上拾音器部分用于接收水下声音信号。

所述的水上拾音器部分包括拾音器12、拾音器漂浮固定装置、拾音器电源模块，拾音器电源模块用于给拾音器12供电，拾音器12用于采集并处理水下声音信号。所述的拾音器12部分包括防水拾音咪头、拾音器采集电路部分和拾音器音频放大电路部分；防水拾音咪头位于水面下，用于采集水下声音信号，并与拾音器采集电路部分和拾音器音频放大电路部分通过导线连接，拾音器采集电路部分和拾音器音频放大电路部分固定于采样船上。拾音器采集电路部分和拾音器音频放大电路部分用于处理声音信号。整个水上拾音器部分起到信息传递的作用，将水下采集成功的信息又水面下传递到水面上，以便操作人员判断采集状态。

所述的水下控制装置部分包括控制系统密封罐1、圆柱支架2、直角钩3、传动轴4、拉环5、连接绳7。所述的圆柱支架2固定控制系统密封罐1上表面，圆柱支架2上表面中部有一通孔，传动轴4一端穿过该通孔，与固定在圆柱支架2底部的电磁铁连接，传动轴4另一端固定在直角钩3的中部。所述的电磁铁有上下两块电磁铁通过弹簧连接，下方弹簧固定在圆柱支架2下表面，通电状态下，上下两块电磁铁能够吸合在一起，断电时，上下两块电磁铁通过弹簧的弹力分开，传动轴4向上移动；上下两块电磁铁的吸合和分开带动传动轴4上下垂直移动。所述的拉环5套接于直角钩3的一侧，当传动轴4向上移动，拉环5能够脱离直角钩3。所述的拉环5与连接绳7连接。水下控制装置部分的作用为获取深度信息，在指定深度时发出控制信号控制采水器部分动作采水以及发出声音信号供给拾音器获取信息。

所述的采水器部分包括采水器8、强力拉簧10、转轴9，采水器8包括采水器上卡盖6和采水器下卡盖11和上下卡盖之间的筒体。所述的连接绳7一端与拉环5连接，另一端依次与采水器上卡盖6、采水器下卡盖11固定，转轴9设置于采水器下卡盖11中部，能够带动采水器下卡盖11转动，采水器下卡盖11底部通过强力拉簧10与采水器8筒体底部连接。当拉环5套接在直角钩3上时，采水器上卡盖6和采水器下卡盖11在连接绳7的拉力状态下，处理开启状态；断电状态时，拉环5脱离直角钩3，采水器上卡盖6和采水器下卡盖11在强力拉簧10的作用下，使采水器闭合，采水器8采水。采水器部分的作用为接收水下控制装置部分发出的闭合控制，采水器8闭合完成水质样本采样。

如图2所示，所述的控制系统密封罐1内包括单片机控制单元、LCD液晶显示模块1-1、红外遥控器1-2、红外接收单元1-3、液位传感器1-4、A/D转换模块1-5、震动发声器1-6、继电器模块1-7、稳压模块1-8、电源模块1-9。

所述的红外接收单元1-3通过信号线连接单片机控制单元，用于接收红外遥控器1-2输入的采水深度，以及重置采水深度。

所述的液位传感器1-4固定于控制系统密封罐1的底部，通过信号线与数据采集模块相连，并通过导线与电源模块1-9相连，用于测量水下装置到达的水深。

所述的震动发声器1-6包括一个直流电机和金属棒，固定于控制系统密封罐1中部，通过导线与电源模块1-9以及继电器模块1-7相连，继电器模块1-7与单片机控制单元连接；单片机控制单元控制继电器的开合，当定深自控采水器到达指定水深时，继电器闭合时，直流电机带动金属棒作来回往复的运动，敲击桶壁产生水下声音信号。

所述的单片机控制单元与圆柱支架2底部的电磁铁通过信号线与连接，单片机控制单元控制继电器的开合，继电器控制电磁铁，通过电磁铁的吸引与释放控制弹簧机构，控制采水器的闭合，完成采水工作。

所述的LCD液晶显示模块1-1与单片机控制单元连接，用于用户在输入采水深度时观察输入的数据，以及查看输入是否成功。

所述的A/D转换模块1-5通过信号线与液位传感器1-4、单片机控制单元相连，将液位传感器1-4采集来的模拟量转换为数据量输入单片机控制单元。

所述的稳压模块1-8通过导线与电源模块1-9以及单片机控制单元相连，用于将电源模块1-9的12V电压转变成5V电压供给单片机使用。

本发明的控制核心为单片机控制单元，系统的输入端由液位传感器1-4和红外遥控器1-2组成，单片机控制单元读取A/D转换模块1-5中接收液位传感器1-4的数据。通过红外接收单元1-3接收由红外遥控器1-2发送深度信息，存储于单片控制单元中。系统的输出由继电器模块1-7和震动发声器1-6组成。当深度到达指定位置时继电器模块1-7动作，控制电磁铁以及震动发声器1-6的动作，完成一次水质采样工作。

如图3所示，本发明的工作过程如下：

第一步，接通拾音器电源模块，使水上拾音器部分电路通电，处于待工作状态。将防水拾音咪头和拾音器漂浮固定装置投入水中，拾音器咪头在重力的作用下下沉到水面以下，在拾音器漂浮装置的拉力下处于静止状态。拾音器采集电路部分、拾音器音频放大电路部分固定在采样船上，将音响接入采集电路部分的插孔，用于将接受到的声音信号放大传递出来。

第二步，将采水器的拉环5放入直角钩3一侧，使其卡在直角钩3和圆柱支架2之间，接通控制系统密封罐1中的电源模块1-9，水下控制装置部分电路通电，单片机控制继电器模块1-7其中一个继电器闭合，使电磁铁通电吸合，拉环5被紧锁在在直角钩3和圆柱支架2之间，与拉环5连接的连接绳7受到拉环的拉力以及强力拉簧10的左右静止，使上卡盖6和下卡盖11处于开启状态。

第三步，在红外遥控器1-2键盘上输入需要采集水深的深度信息，红外遥控器1-2按照编码发射红外线，红外接收单元1-3接收红外线，将红外线携带的信息解码，输入到单片机控制单元中存储，通过观察LCD液晶显示模块1-1显示输入的数据是否正确，若正确，在红外遥控器1-2键盘上按下确认键，否则在红外遥控器1-2键盘上按下返回键，重复第三步。

第四步，利用缆绳放下水下控制装置部分、水下采水器部分，下放过程中，液位传感器1-4将水下控制装置的深度信息转换成0-5V模拟电压信号，A/D转换模块1-5接收模拟电压信号，将其转变成数字信号，听取拾音器12传来的声音信号，当定深自控采水器到达指定水深时，继电器模块1-7其中一个继电器通电闭合，震动发声器1-6通电，直流电机带动金属棒作来回往复的运动，敲击桶壁产生水下声音信号，继电器模块1-7其中一个继电器断开，电磁铁断电，上下两块电磁铁通过弹簧的弹力分开，传动轴4向上移动，拉环5脱离直角钩3，采水器上卡盖6和采水器下卡盖11在强力拉簧10的作用下，使采水器闭合，采水器8采水，采样完成后提拉采水器至甲板。

第五步，将采水器8中的水取样保存，若需要采集另一个深度的水样，重复第二步骤，在红外遥控器1-2键盘上按下返回键，重复第三步输入水深，下放采水器，进行下一个深度的采样。

第六步，采集完成后，关闭拾音器电源模块电源和控制系统密封罐1中的电源模块1-9，采样至此结。

本说明书虽然通过具体的实施方式详细描述了本发明的具体构成以及动作方式，但是本领域的技术人员应该清楚，本发明并不局限于上述实施例的描述范围，在本专利的实质范围内，进行的各种修改和替换，都应属于本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种定深自控采水器，其特征在于，所述的定深自控采水器包括水上拾音器部分、水下控制装置部分、水下采水器部分；水下控制装置部分用于到达指定深度控制水下采水器部分闭合，完成采水，并发出采水结束声音信号，水上拾音器部分用于接收水下声音信号；

所述的水上拾音器部分包括拾音器(12)、拾音器漂浮固定装置、拾音器电源模块，拾音器电源模块给拾音器(12)供电；所述的拾音器(12)部分包括位于水下的用于采集声音信号的防水拾音咪头和位于水上的用于处理声音信号的拾音器采集电路部分、拾音器音频放大电路部分；拾音器(12)与拾音器漂浮固定装置连接，二者投入水中，在拾音器漂浮固定装置的拉力作用下，拾音器(12)在水中处于静止状态；

所述的水下控制装置部分包括控制系统密封罐(1)、圆柱支架(2)、直角钩(3)、传动轴(4)、拉环(5)、连接绳(7)；所述的圆柱支架(2)固定在控制系统密封罐(1)上表面，圆柱支架(2)上表面中部有一通孔，传动轴(4)一端穿过该通孔，与固定在圆柱支架(2)底部的电磁铁连接，传动轴(4)另一端固定在直角钩(3)的中部；所述的电磁铁包括上下两块，二者通过弹簧连接，下方电磁铁固定在圆柱支架(2)下表面，通电状态下两块电磁铁吸合在一起，断电时，两块电磁铁通过弹簧的弹力分开，上下两块电磁铁的吸合和分开带动传动轴(4)上下垂直移动；所述的拉环(5)套接于直角钩(3)的一侧，并与连接绳(7)连接，当传动轴(4)向上移动，拉环(5)脱离直角钩(3)；

所述的控制系统密封罐(1)内包括单片机控制单元、LCD液晶显示模块(1-1)、红外遥控器(1-2)、红外接收单元(1-3)、液位传感器(1-4)、A/D转换模块(1-5)、震动发声器(1-6)、继电器模块(1-7)、电源模块(1-9)；所述的红外接收单元(1-3)与单片机控制单元连接，用于接收红外遥控器(1-2)输入的采水深度，以及重置采水深度；所述的液位传感器(1-4)固定于控制系统密封罐(1)的底部，并与数据采集模块、电源模块(1-9)相连，用于测量水下装置到达的水深；所述的震动发声器(1-6)包括一个直流电机和金属棒，固定于控制系统密封罐(1)中部，与电源模块(1-9)以及继电器模块(1-7)相连，继电器模块(1-7)与单片机控制单元连接；单片机控制单元控制继电器的开合，当定深自控采水器到达指定水深时，继电器闭合，直流电机带动金属棒作来回往复运动，敲击桶壁产生水下声音信号；所述的单片机控制单元与圆柱支架(2)底部的电磁铁通过信号线与连接，单片机控制单元控制继电器的开合，继电器控制电磁铁，通过电磁铁的吸引与释放，控制采水器的闭合，完成采水工作；所述的LCD液晶显示模块(1-1)与单片机控制单元连接，用于用户在输入采水深度时观察输入的数据，以及查看输入是否成功；所述的A/D转换模块(1-5)与液位传感器(1-4)、单片机控制单元相连，将液位传感器(1-4)采集的模拟量转换为数据量输入单片机控制单元；

所述的采水器部分包括采水器(8)、强力拉簧(10)、转轴(9)，采水器(8)包括采水器上卡盖(6)和采水器下卡盖(11)和上下卡盖之间的筒体；所述的连接绳(7)与拉环(5)连接，并与采水器上卡盖(6)、采水器下卡盖(11)固定；转轴(9)设置于采水器下卡盖(11)中部，能够带动采水器下卡盖(11)转动，采水器下卡盖(11)底部通过强力拉簧(10)与采水器(8)筒体底部连接；当拉环(5)套接在直角钩(3)上时，采水器上卡盖(6)和采水器下卡盖(11)在连接绳(7)的拉力状态下，处理开启状态；断电状态时，拉环(5)脱离直角钩(3)，采水器上卡盖(6)和采水器下卡盖(11)在强力拉簧(10)的作用下，采水器(8)闭合采水。

2.根据权利要求1所述的定深自控采水器，其特征在于，所述的控制系统密封罐(1)内还包括稳压模块(1-8)，稳压模块(1-8)与电源模块(1-9)以及单片机控制单元相连，用于将电源模块(1-9)的12V电压转变成5V电压供给单片机使用。