CN108225848B - 一种按照流量过程等比例连续取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种按照流量过程等比例连续取样装置，所述的装置由过流量与水位成正比例的主水槽、镶嵌在主水槽上的透水速率与水位成正比例的透水板、包裹透水板的位于主水槽外侧的密封外壳、与外壳底部出水管紧密相连的输水管、与输水管另一端连接的集水瓶组成。本发明提供的连续性水样采集器采集的水样体积与采集时间段内的过流量是成稳定的正比例关系，同时采集的水体中各类溶质的浓度对过流水体的总量具有较强的代表性。

Description

一种按照流量过程等比例连续取样装置

技术领域

本发明属于一种水质监测设备，具体涉及一种按照流量过程等比例连续取样装置。

背景技术

水样采集是水质监控中常见的过程，而良好的水样采集器对于水样的代表性起着至关重要的作用。随着科学技术发展，各种各样的包括应用了远程遥控、无人机、潜水器在内的水样采集器已经被人提出，在特定的场合解决了人工采样难的问题。而这类水样采集器具有一个共同特征，即采样不连续，对河流、沟渠这类需要长期监控的监测对象进行水样采集，往往需要多次进行采集操作，反而费时费力。尤其是农田排水沟道这类水体，短时间内流量、溶质浓度均发生较大的变化，定时的间断采集的水样难以代表整个沟道排水过程的水质，为相关研究和监测带来了不便。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、运行可靠的连续性水样采集器。

技术方案：一种按照流量过程等比例连续取样装置，包括主水槽、透水板、密封外壳、输水管和集水瓶，所述主水槽上设有透水板，采用透水板进行连续取样，然后通过透水板的密封外壳将样本收集，通过输水管流入集水瓶。

进一步的，所述的主水槽在粗糙度、放置坡度和侧壁倾斜度一定的情况下，其横断面满足过流量与水位成正比例关系。

进一步的，所述的透水板设置位置包括主水槽的底部和侧面，位于底部时，透水板的透水速率与水位呈正比例关系，位于侧面时，透水板厚度或透水板水平方向的长度随高度变化，满足透水速率与水位的正比例关系。

进一步的，通过调整透水板透水面积的大小或透水板厚度来调节其整体透水能力，改变取样流量占过流量的比值。

更进一步的，所述的透水板材料包括透水薄膜、过滤网或者透水石材料制备而成。

更进一步的，所述的密封外壳与主水槽采用螺纹密封连接或其它可拆卸的方式密封连接。

有益效果：本发明通过利用水位-主水槽流量、水位-透水板透水速率的两个正比例关系，使主水槽流量-透水板透水速率也成正比例关系，即连续采集的水量与主水槽的过流量是成固定正比例的，同时采集的水样各溶质浓度能更好地代表主水槽水流的各溶质浓度。

附图说明

图1是本发明不包含密封外壳的结构示意图；

图2是本发明实施例的结构示意图；

图3是本发明透水石透水速率-水位关系图；

图4是本发明主水槽过流量-水深关系图；

图5是本发明是主水槽横断面与水位的关系图。

图中：1主水槽，2透水板，3密封外壳，4出水管，5输水管，6集水瓶。

具体实施方式

为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例做进一步的阐述。

本发明所述的一种按照流量过程等比例连续性采样装置如图1与图2所示，包括过流量与水位成正比例的主水槽1，严密镶嵌在主水槽1上的透水速率与水位成正比例的透水板2，位于主水槽1外侧的密封外壳3，与密封外壳3底部出水管4紧密相连的输水管5，与输水管5另一端连接的集水瓶6。当主水槽1内的水流过的时候，通过透水板2连续采集渗透的水样，然后在密封外壳3内汇聚流入输水管5，进而流进集水瓶6。

为保证本实施例中的透水板2透水速率与水位成正比例关系，优选的，本试验采用半径为50mm、厚度为10mm的透水石镶嵌在主水槽1的底部，其透水速率与主水槽水位成正比例关系实验数据如下表：

表1 透水石水位-透水速率关系表

根据表中数据绘制水位-透水速率关系图如附图3，发现透水石的水位-透水速率成显著的正比例关系，测得曲线与正比例函数直线之间R²＝0.9948。

为使主水槽1过流量与水位成正比例关系，确定主水槽1的横断面形状，在选定基本的底宽与材料糙率等参数之后，将逐步增加的水深与该水深对应的水面宽度代入谢才公式，计算流量，并采用试算法不断调整水面宽度，直到流量与水位成正比例关系为止，此时利用水位与对应的水面宽度即可确定主水槽1形状。

谢才公式形式如下：

R＝A/P_w

式中v为断面平均流速(m/s)；R为水力半径(m),A为过水断面面积，P_w为水流与固体边界接触部分的周长，称为湿周；J为水力坡度，对于明渠恒定均匀流,J＝i(i为明渠底坡)；C为谢才系数，通过曼宁公式确定。

曼宁公式形式如下：

式中n为反映壁面粗糙对水流影响的系数,称为粗糙系数或糙率。

计算主水槽的横断面形状步骤如下：

①选定用于制作水槽的材料，如有机玻璃，其糙率为0.007；

②根据工作环境状况确定主水槽底宽，此处以宽度约0.6m的沟道为例；

③以较小的增量(0.020m)逐步增加主水槽水位，每个水位对应的水面宽度保持不变(即过流断面为矩形)，并利用谢才公式计算每个水位对应的主水槽过流量；

④人工或编程从低到高逐个调整每个水位对应的水面宽度，使主水槽水位-过流量成一定精度的正比例关系为止。

表2为试算的成果，通过其中的水深-水面宽度可以确定主水槽横断面形状。本次试算成果可靠，与正比例函数的决定系数R²＝0.9879。

表2 主水槽横断面形状计算表

由于水位在两次正比例计算中的重复利用，可以得出主水槽过流量-透水板透水速率的关系。

将体积单位统一为mL，长度单位统一为cm，则主水槽过流量-水位函数y＝7793x，透水板透水速率-水位函数y＝0.6084x，通过水位的转换，可得主水槽过流量(Q)与透水板透水速率(q)的关系为Q＝12809q，因此通过主水槽1的总水量与透水板2透过的总水量也满足这一关系，且收集到的水样各溶质浓度能代表收集时间段内主水槽1流过水体混合后各溶质含量。

应当说明，采用计算机求解与更微小的水深分段，可得到更多更精准的主水槽1形状参数，同时结合不同材料的糙率与安装底坡，可满足更多工作场所对主水槽的流量要求。

使用时，优选将主水槽1按计算中的底坡(i)放置在采集水样的渠道(或其它工作场所)的渠底最高处，避免采集死水样。其水深和水面宽度如图5所示。水流经主水槽1回到水渠中，使透水石上表面与渠底最高处平齐，进行自动采集水样。采集后，将水样取出测量体积(v)，主水槽流过的水体体积(V)则是V＝12809v；测量水样各溶质浓度，用其代表主水槽流过水体混合后的浓度，并根据水量计算各溶质过流总量。如图4所示的是主水槽过流量-水深关系图。

主水槽1在设置在取样的水渠上，其水深和水面宽度如图5所示。水流经主水槽1回到水渠中，主水槽1的糙率、放置坡度和侧壁倾斜度一定的情况下，其横断面宽度应满足过流量与水位成正比例关系，主水槽1参数通过物理模型试验与计算机或人工数值模拟均可得到。

优选的，透水板设置在主水槽1的底部时，位于底部时，透水板2直接选用满足透水速率与水流速度呈正比特性的材料，位于侧面时，通过调节透水板2的透水面积应满足透水速率与水位呈正比关系，并且透水板2的透水速率应与水位成正比例关系。透水板2还包括透水薄膜、过滤网或者透水石材料制备而成。

Claims (3)

1.一种按照流量过程等比例连续取样装置，其特征在于，包括主水槽、透水板、密封外壳、输水管和集水瓶，所述主水槽上设有透水板，采用透水板进行连续取样，然后采用透水板的密封外壳将样本收集，采用输水管流入集水瓶；

所述的透水板设置位置包括主水槽的底部和侧面，位于底部时，透水板的透水速率与水位呈正比关系，位于侧面时，透水板厚度或透水板水平方向的长度随高度变化，满足透水速率与水位的正比关系，且通过调整透水板透水面积的大小或透水板厚度来调节其整体透水能力，改变取样流量占过流量的比值；

所述的主水槽在糙率、放置坡度和侧壁倾斜度一定的情况下，其横断面满足过流量与水位成正比例关系。

2.根据权利要求1所述的一种按照流量过程等比例连续取样装置，其特征在于，所述的透水板材料包括透水薄膜、过滤网或者透水石材料制备而成。

3.根据权利要求1所述的一种按照流量过程等比例连续取样装置，其特征在于，所述的密封外壳与主水槽采用螺纹密封连接或其它可拆卸的方式密封连接。

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