CN108692987A - 一种地下水体水样连续采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下水体水样连续采集装置，包括取样设备和储样设备；取样设备包括机械旋臂和与机械臂连接的蠕动泵；机械旋臂包括连接杆、转换漏斗和导水管，转换漏斗连接在连接杆上，导水管连接在转换漏斗的底部；储样设备包括样品托盘、至少一个采样瓶、防护罩和底座，采样瓶固定在样品托盘上，防护罩罩在样品托盘的上方，样品托盘位于底座的上方；导水管的出水口位于采样瓶的瓶口上方，由蠕动泵抽取的水样先转入转换漏斗中，再通过导水管引入采样瓶中；底座内设有步进电机、电源，连接杆固定于样品托盘的轴心处，由步进电机带动机械悬臂旋转，以将水样分装于不同采样瓶中；电源用于供电。本发明经济实用、结构简单、稳定性好、安全。

Description

一种地下水体水样连续采集装置

技术领域

本发明涉及样品采集技术领域，尤其涉及一种地下水体水样连续采集装置。

背景技术

岩溶地下河是地下径流汇集的管道，岩溶地下水通道具有河流的一般特征且具有紊流运动特征，并且有自己的汇水范围，受当地气候条件和大气降水的影响具有明显的动态变化特征。近些年，国内外做过很多关于降雨过程与地下水体流量的响应关系研究。如薛倩倩等通过对比雨季期流量和水位变化的多峰曲线建立了南山与青木关岩溶地下河受降雨控制的流量方程；其通过每日取样监测两条地下河中Ca²⁺、Mg²⁺等主要离子的时空变化，分析其影响因素；以总结对比南山和青木关岩溶含水介质结构。因此，对水化学的动态变化特征高精度研究有着重要的研究价值。

以往的采样方法往往需要人工现场采集，且采样时间间隔不能精准控制，不便于长时间高精度连续采样监测，另外强降雨后，可引起地下水位骤升，安全问题不容忽视。因此，确有必要设计一款采集装置，以克服现有技术的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种地下水体水样连续采集装置，可以满足对地下水体(如大泉)的水样自动连续采集。

为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种地下水体水样连续采集装置，所述采集装置包括取样设备和储样设备；所述取样设备包括机械旋臂和与所述机械旋臂连接的蠕动泵；所述机械旋臂包括连接杆、转换漏斗和导水管，所述转换漏斗连接在所述连接杆上，所述导水管连接在所述转化漏斗的底部；所述储样设备包括样品托盘、至少一个采样瓶、防护罩和底座，所述采样瓶固定在所述样品托盘上，所述防护罩罩在所述样品托盘的上方，所述样品托盘位于所述底座的上方；所述导水管的出水口位于所述采样瓶的瓶口上方，由所述蠕动泵抽取的水样先转入转换漏斗中，再通过所述导水管引入所述采样瓶中；所述底座内设有步进电机、电源，所述连接杆固定于所述样品托盘的轴心处，由所述步进电机带动所述机械悬臂旋转，以将水样分装于不同采样瓶中；所述电源用于为所述采集装置供电。

进一步地，所述连接杆的上段固定有轴承，所述连接杆通过轴承固定于所述样品托盘的轴心处。

进一步地，所述连接杆的下段固定有伞齿，所述步进电机通过所述伞齿来旋转所述连接杆。

进一步地，所述蠕动泵上分别连接有进水管和出水管，所述进水管连接有滤头；所述出水管穿过所述连接杆、并连接有弯头，所述出水管通过弯头悬挂于所述连接杆上。

进一步地，所述样品托盘的圆心处开有第一圆孔，所述底座的底盘中心设有第二圆孔，所述进水管穿过所述第二圆孔，所述连接杆和出水管均穿过所述第一圆孔，所述连接杆和所述底盘之间有孔隙，可供出水管穿入连接杆中心。

进一步地，所述样品托盘的边缘开有凹槽，所述防护罩扣置于所述凹槽中。

进一步地，所述底座包括空腔与支撑柱，所述蠕动泵、步进电机、电源设于所述空腔内，所述支撑柱设于所述底座的底部。

进一步地，所述空腔内还设有定时开关，所述定时开关与蠕动泵电连接，用于控制所述蠕动泵的工作时间间隔。

进一步地，所述样品托盘的边上等角度设置有若干个“U”形槽，所述采样瓶悬挂在所述“U”形槽上。

进一步地，所述“U”形槽包括半圆形槽口和长方形槽口，所述半圆形槽口和长方形槽口均分别包括上部分和下部分，且为上部分“U”形槽宽下部分“U”形槽窄的结构。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)根据研究需要，可任意设置以通过定时开关设定的蠕动泵抽取水样的时间间隔，同时由步进电机控制机械悬臂同步转动，将样品分装入多个采样瓶中，可以实现高精度的自动采样；(2)该装置经济实用、结构简单、稳定性好、安全，可以满足科学研究的高精度要求。

附图说明

图1为本发明的地下水体水样连续采集装置的结构示意图；

图2为本发明机的械悬臂示意图；

图3为本发明的样品托盘示意图；

图4为本发明的“U”形槽示意图；

图5为本发明的防护罩示意图；

图6为本发明的底座示意图。

图中：1、取样设备，2、储样设备，3、机械悬臂，4、蠕动泵，5、连接杆，6、转换漏斗，7、导水管，8、滤头，9、弯头，10、样品托盘，11、采样瓶，12、防护罩，13、底座，14、轴承，15、伞齿，16、步进电机，17、定时开关，18、电源，19、“U”形槽，20、半圆形槽口，21、长方形槽口，22、凹槽，23、空腔，24、支撑柱，25、门，26、第一圆孔，27、第二圆孔，28、第三圆孔，29、进水管，30、出水管。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

如图1所示，本发明提供了一种地下水体水样连续采集装置，用于自动采集地下水体水样并进行短时存储。所述采集装置包括取样设备1和储样设备2。所述取样设备1包括机械旋臂3和蠕动泵4，所述机械旋臂3和蠕动泵4连接；所述储样设备2包括样品托盘10、采样瓶11、防护罩12和底座13，所述采样瓶11固定在所述样品托盘10上，所述防护罩12罩在所述样品托盘10的上方，用以罩住所述采样瓶11的瓶口，以保护所述采样瓶11的样品不受外界环境影响；所述样品托盘10与所述底座13连接，并位于所述底座13的上部。考虑室内碱度滴定、水化学全分析及同位素测试需要，优选的，所述采样瓶11为PET塑料瓶。

所述机械悬臂3通过轴承14固定于所述样品托盘10的轴心处，由步进电机16带动所述机械悬臂3旋转，以实现所述采集装置的定角度旋转功能；当所述机械臂3旋转到位时，再由所述蠕动泵4开始抽水，定时开关17与所述蠕动泵4电连接，由所述定时开关17控制所述蠕动泵4的工作时间间隔，可根据所述蠕动泵4的功率设定其工作时间。上述两部分的结构实现了所述采集装置的自动采集样品且依次分装于各采样瓶11中的功能。所述电源18用于为所述采集装置供电，包括为所述蠕动泵4、步行电机16、定时开关17等供电。优选的，所述电源18为12V蓄电池。

如图2所示，所述机械悬臂3包括连接杆5、转换漏斗6和导水管7。所述连接杆5为空心杆，优选的，所述连接杆5由PVC透明塑料制成。所述连接杆5的下段固定有伞齿15，所述伞齿15作为传动零件，以用来传递所述步进电机16的动力，也即所述步进电机16通过所述伞齿15来旋转所述连接杆5。例如，所述伞齿15可通过螺丝固定在所述连接杆5上。又例如，所述步进电机16控制所述机械悬臂3旋转的工作时间间隔可控制在1-99min内。所述连接杆5的上段(例如，距离连接杆5的顶点65mm处)固定有(例如，用螺丝固定)所述轴承14，保证了所述机械悬臂3的旋转功能，所述轴承14在连接杆5上的安装位置应保证所述导水管7的出水口高于所述采样瓶11的瓶口。

所述转换漏斗6为空心半球状，优选的，所述转换漏斗6由PVC透明塑料制成。为了保证所述导水管7的出水口高于所述采样瓶11的瓶口，所述转换漏斗6连接在所述连接杆5的上段(例如，距离连接杆5的顶点19mm处)。所述转换漏斗6的功能在于将所述蠕动泵4抽取的地下水转入所述转换漏斗6中控制自动上样。

所述导水管7微向所述采样瓶11倾斜，所述导水管7的一端连接在所述转换漏斗6的底部、另一端(也即所述导水管7的出水口)位于所述采样瓶11的瓶口上方，可以及时将所述转换漏斗6中的水样引导入所述采样瓶11中。优选的，所述导水管7由PVC透明材料制成。

所述机械悬臂3由所述步进电机16通过所述伞齿15控制其转动，例如，所述采样瓶11的数量为24个时，每次旋转角度为15°，工作时间间隔设置为1h；所述蠕动泵4由所述定时开关17控制其工作时间为1min，暂停时间59min。考虑到所述机械悬臂3的旋转需要时间，所以设置所述蠕动泵4的启动时间要比所述机械悬臂3的启动时间慢，例如慢10秒，确保所述导水管7已经转向下一个采样瓶11后再开始抽水。上述两个部分同用一个电源18。

所述蠕动泵4上分别连接有进水管29和出水管30，所述蠕动泵4的进水管29穿过所述底座13的第二圆孔27连接有滤头8，所述滤头8放入水中，用于初步过滤水样，防止吸入泥沙等杂物堵塞所述进水管29。为防止所述蠕动泵4的出水管30在所述机械悬臂3的转动过程中会被扭曲从而影响了所述采集装置的正常工作，因此将所述蠕动泵4的出水管30穿过所述连接杆5中心并通过弯头9悬挂于所述连接杆5的顶端，可以固定住所述蠕动泵4的出水管30的位置。

如图3所示，所述样品托盘10的边缘开有“圆环”形凹槽22，优选的，所述样品托盘10为圆盘状。所述样品托盘10的圆心处开有第一圆孔26，且以所述样品托盘10的圆心为对称点，开有两个第三圆孔28，所述第一圆孔26可供所述连接杆5和出水管30穿过，两个第三圆孔28可分别供用以固定所述轴承14的两个螺栓穿过。优选的，所述样品托盘10由PVC透明塑料制成。为了实现旋转上样的功能，将所述连接杆5通过所述轴承14固定于样品托盘10的轴心处。此外，所述样品托盘10的边上等角度设置有若干个(例如，24个)“U”形槽19，用来悬挂和固定多个采样瓶11(例如，24个)。

如图4所示的所述“U”形槽19的三视图，图中401、402、403分别表示俯视图、前视图和右视图。所述“U”形槽19包括半圆形槽口20和长方形槽口21，所述半圆形槽口20和长方形槽口21均分别包括上部分和下部分，且为上部分“U”形槽宽下部分“U”形槽窄的结构，以卡住所述采样瓶11的瓶口。

所述采样瓶11直接暴露于空气中，可能会受到降雨、昆虫、洞穴滴水等外界的环境影响，而降低了采集样品的质量，因此考虑设计一个防护罩12(参照图5)，优选的，所述防护罩12由PVC透明塑料制成。所述防护罩12扣置于所述样品托盘10的边缘的凹槽22中，以减少水样受到外界环境的直接污染。

如图6所示的所述底座13的二视图，图中601和602分别为前视图和仰视图。所述底座13包括空腔23与支撑柱24。优选的，所述底座13由PVC透明塑料制成。优选的，所述空腔23是带腔体的圆柱体，也即“玻璃杯”型，所述支撑柱24是圆柱体。优选的，所述支撑柱24的数量为四个，在所述底座13的底部均匀分布。所述底座13的上部与所述样品托盘10连接，例如，可用胶连接。所述底座13的底盘中心设有第二圆孔27，以供所述蠕动泵4的进水管29从此穿出。所述底座13的侧壁上开一个门25，可通过所述门25将所述蠕动泵4、步进电机16、定时开关17和蓄电池18等设备存放入所述空腔23中。地下水体出口处，常常覆盖有大量的冲积物，导致地面凹凸不平，且水位变幅较大。为了防所述采集装置被水流冲翻或淹没，故增加支撑柱24用来稳定所述采集装置，同时也一定程度上可以防止所述采集装置被水淹没。

所述采集装置组装设置好后，选择较平缓稳定的位置放置于地下水体出口处，将所述蠕动泵4的进水管29放入地下水体中，保证其始终被水淹没。在设计的时间内(例如，24小时)返回，将水样密封处理，即完成了取样过程。

为方便理解本发明，使所述采集装置的可操作性更强，给出了所述采集装置的各个部件涉及的主要参数建议值，需要指出的是，在进行实际操作时，上述参数可进行更改，且均应包含在本发明的保护范围内。

所述连接杆5的规格为长215mm、直径11mm、壁厚2mm；

所述转换漏斗6的规格为直径35mm、壁厚3mm；

所述导水管7出水口距机械悬臂3轴心为230mm；

所述样品托盘10的直径506mm，厚10mm，凹槽22的宽3mm、深7mm；

所述采样瓶11为150mlPET塑料瓶，瓶口直径36mm、瓶身直径55mm；

上部分的半圆形槽口20的直径为40mm、高7mm，下部分的半圆形槽口20直径为35mm、高3mm，上部分和下部分的两半圆形槽口20的圆心均与所述样品托盘10的圆心距230mm；上部分的长方形槽口21的长40mm、宽23mm、高7mm，下部分的长方形槽口21的长35mm、宽23mm、高3mm；

所述防护罩12的直径506mm、壁厚3mm；

所述空腔23的直径为360mm、壁厚10mm、高190mm，所述支撑柱24的直径20mm、高70mm、距离所述底座13的圆心151mm，所述门25为所述底座13的四分之一弧长、高110mm；

所述第一圆孔26、第三圆孔28的直径均为12mm，所述第三圆孔28距离所述样品托盘10的圆心为45mm，所述第二圆孔27的直径为7mm。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)根据研究需要，可任意设置通过定时开关设定的蠕动泵抽取水样的时间间隔，同时由步进电机控制机械悬臂同步转动，将样品分装入多个采样瓶中，可以实现高精度的自动采样；(2)该装置经济实用、结构简单、稳定性好、安全，可以满足科学研究的高精度要求。

值得说明的是：在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述采集装置包括取样设备和储样设备；所述取样设备包括机械旋臂和与所述机械旋臂连接的蠕动泵；所述机械旋臂包括连接杆、转换漏斗和导水管，所述转换漏斗连接在所述连接杆上，所述导水管连接在所述转化漏斗的底部；所述储样设备包括样品托盘、至少一个采样瓶、防护罩和底座，所述采样瓶固定在所述样品托盘上，所述防护罩罩在所述样品托盘的上方，所述样品托盘位于所述底座的上方；所述导水管的出水口位于所述采样瓶的瓶口上方，由所述蠕动泵抽取的水样先转入转换漏斗中，再通过所述导水管引入所述采样瓶中；所述底座内设有步进电机、电源，所述连接杆固定于所述样品托盘的轴心处，由所述步进电机带动所述机械悬臂旋转，以将水样分装于不同采样瓶中；所述电源用于为所述采集装置供电。

2.根据权利要求1所述的地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述连接杆的上段固定有轴承，所述连接杆通过轴承固定于所述样品托盘的轴心处。

3.根据权利要求1所述的地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述连接杆的下段固定有伞齿，所述步进电机通过所述伞齿来旋转所述连接杆。

4.根据权利要求1所述的地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述蠕动泵上分别连接有进水管和出水管，所述进水管连接有滤头；所述出水管穿过所述连接杆、并连接有弯头，所述出水管通过弯头悬挂于所述连接杆上。

5.根据权利要求1所述的地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述样品托盘的圆心处开有第一圆孔，所述底座的底盘中心设有第二圆孔，所述进水管穿过所述第二圆孔，所述连接杆和出水管均穿过所述第一圆孔，所述连接杆和所述底盘之间有孔隙，可供出水管穿入连接杆中心。

6.根据权利要求1所述的地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述样品托盘的边缘开有凹槽，所述防护罩扣置于所述凹槽中。

7.根据权利要求1所述的地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述底座包括空腔与支撑柱，所述蠕动泵、步进电机、电源设于所述空腔内，所述支撑柱设于所述底座的底部。

8.根据权利要求7所述的地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述空腔内还设有定时开关，所述定时开关与蠕动泵电连接，用于控制所述蠕动泵的工作时间间隔。

9.根据权利要求1所述的地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述样品托盘的边上等角度设置有若干个“U”形槽，所述采样瓶悬挂在所述“U”形槽上。

10.根据权利要求9所述的地下水体水样连续采集装置，其特征在于：所述“U”形槽包括半圆形槽口和长方形槽口，所述半圆形槽口和长方形槽口均分别包括上部分和下部分，且为上部分“U”形槽宽下部分“U”形槽窄的结构。