CN108037229B - 一种土壤环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土壤环境监测系统，包括测定平台、支撑组件、土壤分析组件、电控箱、气相色谱测量组件和取样组件；支撑组件设置于测定平台下方；土壤分析组件设置于测定平台的前端下方，通过固定架与支撑组件相连；电控箱设置于测定平台的前端上方，与土壤分析组件和气相色谱组件连接；气相色谱测量组件设置于测定平台的后端上方；取样组件纵向贯穿设置于测定平台上，位于电控箱与气相色谱组件之间。本发明提供的土壤环境监测系统，可以直接移动至测量现场的土壤位置，能够实现对不同深度的土壤取样测量，取样后将水和土壤混合后加热，气体挥发更充分，可有效提升工作效率，提高测量精度，降低人工成本。

Description

一种土壤环境监测系统

技术领域

本发明涉及一种土壤监测技术，具体涉及一种用于土壤中污染物测定和土壤成分测定的检测系统。

背景技术

土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，其厚度一般在2m左右。土壤不但为植物生长提供机械支撑能力，并能为植物生长发育提供所需要的水、肥、气、热等肥力要素。由于人口急剧增长，工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗透，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤污染。凡是妨碍土壤正常功能，降低作物产量和质量，还通过粮食、蔬菜，水果等间接影响人体健康的物质，都叫做土壤污染物。

近年来环境质量受到的严重污染，促使人们开始重视环境质量监测和治理。而土壤环境质量的好坏则直接影响着生长在其上面农作物的质量，农作物又是人们生存所不可缺少的食物来源，因此土壤环境质量监测和治理工作相当重要。土壤检测需要提前选择采集点，并对采集点进行标记，然后人工取适量的土壤送至检测中心进行检测，土壤检测周期长，工作量大，人工成本较高，且土壤检测效率低。

土壤成分监测采用土壤分析仪，对于土壤质量的污染物监测中需要采用气相色谱仪，气相色谱仪需要将土壤采用后加热，加热后蒸发的气体被气相色谱仪吸收后测量出结果；气相色谱仪使用时，目前主要存在几个问题：一方面加热器为底部加热，使得箱体内部高温，这种加热不均匀，加热器的采用平板加热器，效率低；另一方面干加热不利于气体充分挥发，为了避免土壤未完全挥发造成的监测不准确，现有技术中多通过挤压来加快气体排放速度和达到更加彻底的气体排放，这种方式较为繁琐且效率不高。

现有的土壤监测设备使用时，土壤采样通常不能现场采样。虽然已经出现所谓现场测试，但通常也只是将测定设备置于现场，然后人工拿器具去取样，再返回设备位置测量；这种取样方式单一，往返麻烦，而且一般只取表面土壤，难以检测深处土壤，造成测量结果不全面，不准确。

现有土壤监测系统工作时，通常需要将采集到的土壤样品密封后送往实验室进行检测分析。这种方法能够对土壤污染物质进行较为准确的定性和定量分析，但取样和检测工作非常繁琐，成本较高，且耗时较长。此外，为防止部分挥发性有机物挥发影响检测结果，土壤样品需要在低温环境下运输和存放，这种较高的后勤需求在外场采样作业中很难做到。再者，土壤中污染物浓度分布具有不均匀性，且随深度变化较大，取样点太少或取样深度单一会影响分析结果的全面性和准确性，设置太多取样点则会增加检测分析工作量。

中国发明专利(201410330499.2一种土壤中挥发性有机物连续检测装置及其检测方法)公开了一种土壤中挥发性有机物连续检测装置，包括内部中空的壳体，其特征在于所述壳体的下端设置有钻头，所述壳体的上端设置有螺纹接头，所述壳体内设置有载气导入管和载气导出管，所述载气导入管和载气导出管底部连通，所述壳体靠近载气导出管一侧的侧壁设置有一开口，开口处设置有防水透气薄膜。虽然该发明能够实现现场采样，并连接有挥发性有机物检测分析设备，但该发明结构过于简单，且加热装置设与所述壳体内部，无法在加热的同时实现搅拌，土壤样本同样会存在加热不均匀的问题。

中国发明专利(201611012516.3一种农耕土壤监测系统)公开了一种本发明公开了一种农耕土壤监测系统，包含土壤监测模块、无线传输模块、控制模块、显示模块和报警模块。通过设置各种传感器实现对土壤状况的实时监测。但是，该发明提供的结构只能通过传感器对土壤的基本信息例如湿度、酸碱度等信息进行实时监控，难以对土壤成分、土壤中污染物的含量等进行监控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种土壤环境监测系统，其可自动化地在地面上的不同点进行采样，且可采集不同深度的土壤进行分析，提高土壤采集和分析的效率，减轻工人的劳动量；本发明能够进行不同深度土壤的现场同时测定；本发明的气相色谱仪使用时加热效率高，水和土壤混合搅拌加热，能够让气体充分挥发，测量效率高。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种土壤环境监测系统，包括测定平台、支撑组件、土壤分析组件、电控箱、气相色谱测量组件和取样组件，其特征在于，

所述所述支撑组件设置于所述测定平台下方；

所述土壤分析组件设置于所述测定平台的前端下方，通过固定架与所述支撑组件相连；

所述电控箱设置于所述测定平台的前端上方，分别与所述土壤分析组件、所述气相色谱组件连接；

所述气相色谱测量组件设置于所述测定平台的后端上方；

所述取样组件纵向贯穿设置于所述测定平台上，位于所述电控箱与所述气相色谱组件之间。

优选地，所述支撑组件包括多个支撑杆，分为前支撑杆和后支撑杆，所述前支撑杆底部安装有前行走轮，所述后支撑杆底部安装有后行走轮。

优选地，所述前行走轮为万向轮；所述后行走轮为定向轮；所述后行走轮的直径不小于前行走轮直径的2倍。

优选地，所述土壤分析组件包括底座，所述底座通过所述固定架连接所述支撑组件；所述底座内设置有第一电机和转轴，所述转轴受所述第一电机驱动；所述转轴上设有转盘，所述转盘上安装有第二电机和丝杆，所述丝杆与所述第二电机传动连接，所述丝杆与转轴连接为一体；所述转盘上还安装有丝杆座，所述丝杆与所述丝杆座转动配合，所述丝杆座下端与所述第二电机固定连接；所述丝杆座的顶端连接安装台，所述安装台上开设有凹槽一，所述凹槽一内设置有PLC，所述安装台与所述测定平台连接；所述丝杆悬臂通过螺母连接，所述悬臂上方连接有土壤分析仪，下方连接有泵体；所述土壤分析仪上连接有控制器，所述控制器上设置有报警器；所述PLC和控制器均与所述电控箱连接；所述泵体与所述控制器连接，所述泵体纵向等距设有多个控制阀门和刻度线，所述泵体底端设有尖锐部。

优选地，所述气相色谱测量组件包括水箱、加热搅拌箱、高频加热电源、加料组件、集气箱和气相色谱仪；所述水箱通过注水管与所述加热搅拌箱连接，所述水箱上还连接有水泵；所述加热搅拌箱上设有加料组件；所述加热搅拌箱通过集气管与所述集气箱连接，所述集气箱与所述气相色谱仪连接；所述气相色谱仪与所述电控箱连接；所述加热搅拌箱与所述高频加热电源连接。

优选地，所述加料组件包括加料管和加料盖，所述加料盖设置于所述加料管顶部；所述加料管内自上而下依次设置有称重器和过滤网。

优选地，所述加热搅拌箱包括由内到外依次套设的保温套筒、线圈支架、高频加热线圈和保护套筒，所述保护套筒、线圈支架和保温套筒通过螺栓固定连接，所述高频加热线圈与所述高频加热电源电连接，所述高频加热线圈设置于线圈支架上。

优选地，所述取样组件包括钻台、钻杆和转动手把，所述钻台为倒U型结构，架设于所述测定平台表面上，所述钻台上啮合组装有所述钻杆，所述钻杆顶端设置有所述转动手把。

优选地，所述钻杆纵向设置有多个凹槽二，所述凹槽二的槽口向上，开设于所述钻杆上螺纹槽的槽底。

优选地，所述测定平台的前端和后端均设置有拉杆，所述拉杆的端部设置有拉环。

优选地，所述拉环为圆环形结构。

优选地，所述前行走轮和后行走轮上均安装有刹车锁紧装置。

优选地，所述气相色谱仪的检测器为氢火焰离子化检测器。

优选地，所述加热搅拌箱的箱体的纵向截面形状为倒梯形结构；

所述加热搅拌箱内壁靠近顶部的位置设置有湿度计；

所述加热搅拌箱底部开设有排空口，所述排空口上安装有排空阀。

优选地，所述保温套筒为陶瓷套筒，所述线圈支架和螺栓均为非金属材质；所述保温套筒的横截面呈圆形。

与现有技术相对比，本发明有益效果是：

1、本发明提供的土壤环境监测系统，其中，土壤分析组件可自动化地在地面上的不同点进行采样，扩大了土壤采样范围，且可采集不同深度的土壤进行分析，并对分析数值进行自动存储、分析、判断和提醒，使土壤环境监测过程可高效完成，提高了土壤采集和分析效率，减轻了工人的劳动量。

2、另外，气相色谱测量组件采用钻杆和钻台取样，钻台可以让钻杆可靠组装且能够提升高度，便于采集土壤；加热搅拌箱的称重器可以定量测定；过滤网能够保证测量土壤的均匀性，较细的土壤有利于快速精准测量；加料管的加料盖结构易于密封，防止外部气体影响测量环境及测量结果；通过集气箱收集后集中测量，效果准确全面；最终测量完毕可以通过集气箱集中排空。

3、本发明提供的气相色谱测量组件中还包括特制的加热搅拌箱，通过圆筒形的箱体设计和边加热边搅拌的工作方式，将水和土壤混合后加热，能够实现对土壤的均匀加热，同时能够使土壤中的气体充分挥发，提升监测的准确性。

4、本发明提供的土壤环境监测系统，将所有组件集成在测定平台上，整体性强，可以直接移动至测量现场的土壤位置，便于直接采样和测量，土壤检测效率高，检测周期短，可大大减少人工成本，提升工作效率。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施方式的立体结构示意图；

图2为本发明提供的土壤分析组件的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明的加热搅拌箱的一种具体实施方式的横截面的结构示意图。

附图标记说明：

1-土壤分析组件，2-支撑杆，3-拉环，4-拉杆，5-测定平台，6-钻杆，7-钻台，8-转动手把，9-水箱，10-搅拌装置，11-加料盖，12-加料管，13-注水管，14-过滤网，15-称重器，16-集气管，17-气相色谱仪，18-水箱盖，19-集气箱，20-加热搅拌箱，21-电控箱，22-固定架，23-前行走轮，24-高频加热电源，25-后行走轮；

101-底座，102-第一电机，103-转盘，105-安装台，106-PLC，107-土壤分析仪，108-控制器，109-泵体，121-转轴，141-丝杆座，142-丝杆，143-第二电机，144-螺母，1441-悬臂，181-报警器，191-控制阀门，192-刻度线，193-尖锐部；

210-螺栓，221-保护套筒，222-高频加热线圈，223-线圈支架，224-保温套筒。

具体实施方式

下面结合附图1-3描述本发明的具体实施方式：

需要说明的是：本发明中所述“泵体”均是指土壤分析组件1中所包含的泵体109，用于从土壤中取样，而非注水管13上所安装的水泵。

如图1所示，本发明提供一种土壤环境监测系统，包括测定平台5，取样装置，土壤分析组件1和气相色谱测量组件。

测定平台5底部设置有四个支撑杆2，前边两个支撑杆2底部安装有前行走轮23，后边两个支撑杆2底部安装后行走轮25。

测定平台5的表面设置有镂空孔，镂空孔上架设有倒U型结构的钻台7，钻台7上啮合组装有通过转动手把8驱动的钻杆6；测定平台上还安装有用于检测土壤质量的气相色谱测量组件以及用于分析土壤的土壤分析组件1。

本实施例所提供的前行走轮23优选为万向轮；后行走轮25优选为定向轮；后行走轮25的直径优选大于或等于前行走轮23直径的2倍。在前行走轮23和/或后行走轮25上均安装有刹车锁紧装置。本实施例提供的行走轮结构使得移动过程平稳，停止过程也平稳，易于转向，提升通过能力。

测定平台5的前端面和后端面还组装有拉杆4，拉杆4的端部安装有用于手部把持或者挂钩挂接的拉环3，拉环3优选为圆环形结构。设置拉杆4和拉环3便于人工推拉或者拖车推拉，能够使本发明提供的环境监测系统工作更方便。

钻杆6上沿纵向方向分布有多个用于储存土壤的凹槽二，凹槽二开设在钻杆6上设置的螺纹槽的槽底，凹槽二槽口朝上，设置凹槽二可以在钻开土壤后提升的时候顺便收集土壤，此结构使得采集过程更加的便捷，便捷有效的实现了不同深度土壤的采样。

气相色谱测量组件包括水箱9，水箱9通过注水管13为加热搅拌箱20供水，加热搅拌箱20包括加热装置和搅拌装置；加热搅拌箱20上连通安装有加料管12，加料管12顶部设置有加料盖11；加料管12内自上而下依次设置有称重器15和过滤网14；加热搅拌箱的顶部还设置有集气管16，集气管16的远端连接至集气箱19，集气箱19上安装有用于检测集气箱19内所收集气体的气相色谱仪17；水箱9上部还设置有加水口，还设置有用于密封加水口的水箱盖18；注水管13上还安装有水泵。本实施例中所用气相色谱仪的检测器为氢火焰离子化检测器。所述加料管12顶部的加料盖11优选设置为通过旋转方式封闭加料管12。

本实施例提供的加热搅拌箱20的箱体纵向截面形状优选为倒梯形结构；箱体内壁靠近顶部的位置设置有湿度计；箱体的底部还开设有排空口(未示出)，排空口上安装有排空阀(未示出)。加热搅拌箱20的整体结构为回转体结构，倒梯形有助于搅拌均匀以及最终的排空口排空；湿度计可以监测湿度，有助于合理分析加热时间。

如图3所示，本实施例提供的加热搅拌箱的结构为多层结构，包括由内到外依次套设的保温套筒224、线圈支架223、高频加热线圈222和保护套筒221，所述保护套筒221、线圈支架223、高频加热线圈222和保温套筒224通过螺栓210固定连接，高频加热线圈222与图1中所示高频加热电源24电连接。本实施例提供的加热搅拌箱20能够可靠保温、高效加热，还能够通过线圈之间可靠布置支撑高频线圈。

本实施例中所用保温套筒224优选为陶瓷套筒，线圈支架223和螺栓210均优选非金属材质；保温套筒224的横截面优选呈圆形。圆筒形结构适合回转搅拌，无死角，效果好。陶瓷材料制成的保温套筒224可起到一定的隔热保温效果，通过设置保护套筒221，可防止高频加热线圈222被杂物污染，保护套筒221的材料优选为岩棉材质或者陶瓷材质。

如图2所示，本实施例提供的土壤分析组件1包括底座101，位于底座101中的第一电机102，被第一电机102驱动的转轴121，连接在转轴121上的转盘103(相当于第一电机102驱动转盘103的转动)，安装在转盘103上的第二电机143，被第二电机143驱动的丝杆142(第二电机143驱动丝杆142的升降)，与丝杆配合的螺母144，与第一电机102和第二电机143分别连接的PLC106，连接在螺母144上的悬臂1441，连接在悬臂1441上方的土壤分析仪107，与土壤分析仪107连接的控制器108，连接在悬臂下方的泵体109；该泵体延伸至土壤分析仪内并与控制器连接，泵体109上设有与控制器连接的控制阀门191。

上述土壤分析组件1的底座101通过固定架22与其中一个前端支撑杆2连接。

泵体109末端设有尖锐部193，便于泵体插入土壤中；控制阀门191的个数为多个且沿泵体109的纵长延伸方向依次布置，控制阀门191可抽取不同深度的土壤进行分析；泵体109上标有多条刻度线192，便于直观地看出泵体109插入土壤中的深度；土壤分析仪17还设有排出管道(未示出)，用以排出分析后的土壤。

本实施例提供的土壤分析组件1还包括一端安装在转盘103上的丝杆座141，丝杆142的两端分别与丝杆座141形成转动配合。丝杆142的转动通过设置在丝杆座141上的轴承座来实现，轴承座的位置设于丝杆座141内上下两端，丝杆142通过该轴承座围绕丝杆座141实现转动。

第二电机143固定设置在丝杆座141上并与丝杆142传动连接；土壤分析组件1还包括连接在丝杆座141另一端的安装台105，其中PLC106安装在安装台105上的凹槽一内。安装台105为了保证可靠性，通过支撑装置支撑连接在测定平台5上。本实施例提供的土壤分析组件还包括连接在控制器108上的报警器181。上述土壤分析组件1的安装台105与测定平台5连接。

土壤分析组件中的PLC106、控制器108以及气相色谱测量组件中的气相色谱仪17均与测定平台5上的电控箱21内的控制电脑集中连接；电控箱21内还包含与控制电脑连接的显示器。使用电控箱21可以现场显示测量结果，因此效率高，使得现场的监测效果更好，功能更全面。

本实施例提供的土壤环境监测系统工作时，土壤分析组件中，泵体109转动一定角度，可在地面上的不同点进行采样，扩大了土壤采样范围。PLC106控制第二电机143工作，可使泵体109做升降运动继而控制泵体109插入土壤的深度，采集不同深度的土壤进行分析。泵体109延伸入土壤分析仪107内并与控制器108连接。当泵体109插入土壤后，控制器108控制泵体109工作并打开合适位置的控制阀门191，土壤自控制阀门191被吸入到土壤分析仪107中进行分析。随后土壤分析仪107将检测数据传输至控制器108，再由控制器108将检测数据传输至电控箱21内的电脑，电脑对数据进行存储并进行数据分析、判断和评估，当某项检测参数超标时，电脑给控制器反馈，报警器181发出报警声，引起相关人员注意。

工作时，气相色谱测量组件中，通过转动手把8驱动钻杆6钻取土壤，打开加料管12上方加料盖11，将土壤通过加料盖11投入加料管12中，经过称重器15称重和过滤网14过滤后，土壤进入加热搅拌箱20中。水箱9中通过加水口预先注满水，通过注水管14和其上安装的水泵对加热搅拌箱20中注水，边注水边搅拌，并打开高频加热电源24，通过高频加热线圈222对加热搅拌箱20进行加热，加热过程中不断搅拌。开启集气管16上的气阀通过集气箱19收集气体，直至所有水汽蒸发完毕，开启气相色谱仪17对收集到的气体进行检测，测定土壤质量。检测结果可通过与气相色谱仪17相连的电控箱21内的电脑显示器观测。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种土壤环境监测系统，包括测定平台、支撑组件、土壤分析组件、电控箱、气相色谱测量组件和取样组件，其特征在于，

所述支撑组件设置于所述测定平台下方；

所述土壤分析组件设置于所述测定平台的前端下方，通过固定架与所述支撑组件相连；

所述电控箱设置于所述测定平台的前端上方，分别与所述土壤分析组件、所述气相色谱组件连接；

所述气相色谱测量组件设置于所述测定平台的后端上方；

所述取样组件纵向贯穿设置于所述测定平台上，位于所述电控箱与所述气相色谱组件之间；

所述土壤分析组件包括底座，所述底座通过所述固定架连接所述支撑组件；所述底座内设置有第一电机和转轴，所述转轴受所述第一电机驱动，所述转轴上设有转盘；所述转盘上安装有第二电机和丝杆，所述丝杆与所述第二电机传动连接；所述转盘上还安装有丝杆座，所述丝杆与所述丝杆座转动配合，所述丝杆座下端与所述第二电机固定连接；所述丝杆座的顶端连接安装台，所述安装台上开设有凹槽一，所述凹槽一内设置有PLC，所述安装台与所述测定平台连接；所述丝杆与悬臂通过螺母连接，所述悬臂上方连接有土壤分析仪，下方连接有泵体；所述土壤分析仪上连接有控制器，所述控制器上设置有报警器；所述PLC和控制器均与所述电控箱连接；所述泵体与所述控制器连接，所述泵体纵向等距设有多个控制阀门和刻度线，所述泵体底端设有尖锐部；

所述气相色谱测量组件包括水箱、加热搅拌箱、高频加热电源、加料组件、集气箱和气相色谱仪；所述水箱通过注水管与所述加热搅拌箱连接，所述水箱上还连接有水泵；所述加热搅拌箱上设有加料组件；所述加热搅拌箱通过集气管与所述集气箱连接，所述集气箱与所述气相色谱仪连接；所述气相色谱仪与所述电控箱连接；所述加热搅拌箱与所述高频加热电源连接；

所述加热搅拌箱包括由内到外依次套设的保温套筒、线圈支架、高频加热线圈和保护套筒，所述保护套筒、线圈支架和保温套筒通过螺栓固定连接，所述高频加热线圈与所述高频加热电源电连接；

所述取样组件包括钻台、钻杆和转动手把，所述钻台为倒U型结构，架设于所述测定平台表面上，所述钻台上啮合组装有所述钻杆，所述钻杆顶端设置有所述转动手把；

所述钻杆纵向设置有多个凹槽二，所述凹槽二的槽口向上，开设于所述钻杆上螺纹槽的槽底。

2.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述支撑组件包括多个支撑杆，分为前支撑杆和后支撑杆，所述前支撑杆底部安装有前行走轮，所述后支撑杆底部安装有后行走轮。

3.如权利要求2所述的监测系统，其特征在于，所述前行走轮为万向轮；所述后行走轮为定向轮；所述后行走轮的直径不小于前行走轮直径的2倍。

4.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述加料组件包括加料管和加料盖，所述加料盖设置于所述加料管顶部；所述加料管内自上而下依次设置有称重器和过滤网。

5.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述测定平台的前端和后端均设置有拉杆，所述拉杆的端部设置有拉环。

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