CN109357916B - 一种自动定时河水采样装置及其采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自动定时河水采样装置及其采样方法，装置包括采样平台，采样平台上设有水泵、集水容器以及采样瓶，其中，集水容器的顶部通过集水容器进水管与水泵连接，集水容器的顶部与集水容器进水管之间转动连接，集水容器的底部为开口结构；水平旋转机构的旋转轴从集水容器底部的开口结构伸进集水容器内后通过水平支撑臂与集水容器连接，用于带动所述集水容器绕集水容器的轴心水平旋转；集水容器的管壁上设有一个水样出流管，集水盘中心通过一空心轴管与一水平旋转机构的旋转轴套接，空心轴管的底部通过连杆与推拉式直流电磁铁连接，控制器与水泵、水平旋转机构以及推拉式直流电磁铁控制连接。
Description
技术领域
本发明属于一种自动定时采集河水的装置，属于同位素水文学实验领域。
背景技术
在全球水循环过程中，水体经历了蒸发，凝结，降水，下渗，径流等过程。随着社会的发展，水体污染的状况越来越严重，水资源的不合理规划也导致部分地区水旱灾害尤为严重。研究流域产汇流机制对于合理规划水资源的高效利用显得极其重要。流域出口断面河水流量是流域对降水事件响应的综合体现，传统的水文学方法很难从出口断面流量过程线提取到精确的，客观的产汇流信息。随着技术的不断进步，稳定同位素作为一种示踪剂引入水文学，其探究水源组成，产流路径，以及流域滞时分布具有重要意义。
稳定同位素氘和氧-18是自然界水分子的组成，虽然在水体中所占比例甚微，但是它们对环境变化响应却相当敏感。水体中同位素变化主要由于混合不同水源，以及周围温度，湿度的变化，其中在流域中不同水源的混合是影响水体同位素变化的最主要的原因。因此应用稳定同位素划分流域出口处流量过程线用以探究水源的组成可以避免人为主观性，任意性。
目前在进行野外河水取样的时候，人工取样有很大的缺陷，主要包括以下几点：
1.取样时间间隔不够精确。河水的取样在固定的时间间隔，如每隔一小时取样一次，但是在取样的过程过由于种种原因导致出现提前或者延迟取样，由于河水的同位素浓度每时每刻都在变化，因此取样时间间隔的不一致对实验结果有一定的影响。
2.取样的河道复杂地形。通常同位素实验在野外进行，而河水的取样一般都在建立围堰的地方取样，这样可以方便我们结合流量和同位素浓度资料进行流量过程线分割。但是降水量较大的时候，流量很大，周围地面湿滑，人工取样很容易影响人身安全。
3.夜间取样困难。为研究河水时程变化，白天可以进行人工取样，但是在野外晚上取样，十分困难。因此，为了提高取样时间间隔的精确性，同时保证实验人员人身安全的情况下，需要研究一种自动定时采集河水装置。
发明内容
目的：本发明针对现有实验设备存在的精确性，野外试验的安全隐患，提供一种自动定时采集河水装置，减少了管路残留水珠对采样精度的影响，同时提高了采样间隔的精确性。
为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案:
一种自动定时河水采样装置，包括一采样平台，所述采样平台水平设置，采样平台上设有水泵、集水容器以及采样瓶，其中，集水容器的顶部通过集水容器进水管与水泵连接，所述集水容器的顶部与集水容器进水管之间转动连接，所述集水容器的底部为开口结构；
一水平旋转机构的旋转轴从集水容器底部的开口结构伸进集水容器内后通过水平支撑臂与集水容器连接，所述水平旋转机构用于带动所述集水容器绕集水容器的轴心水平旋转；
集水容器的管壁上设有一个水样出流管，所述水样出流管倾斜向下设置，所述采样平台上位于集水容器的外围周向布置有多个采样瓶，每个采样瓶与集水容器轴心之间的距离均为S1，所述水样出流管管口与集水容器的轴心距离为S2，其中，满足S1=S2；
一集水盘，所述集水盘的盘心设有轴孔，所述轴孔套接于一空心轴管的外壁上，空心轴管内壁套接在所述水平旋转机构的旋转轴的外壁上，空心轴管的底部通过一连杆与一推拉式直流电磁铁连接，所述推拉式直流电磁铁用于产生一个竖直方向的位移，从而带动所述集水盘沿集水容器轴向产生一个竖直方向的位移，以打开或封闭所述集水容器底部的开口结构，所述集水盘的盘周设有漏水孔，集水盘的下方正对漏水孔处设有引流机构，所述引流机构用于将水引流至采样平台外部；
控制器，与所述水泵、水平旋转机构以及推拉式直流电磁铁控制连接。
所述水平旋转机构为步进电机。
集水容器的内壁上位于水样出流管的上部设有挡板。
所述集水盘的盘面上正对集水容器的下方设有供集水容器底部管壁嵌入的凹槽。
一种基于所述自动定时河水采样装置的采样方法，包括以下几个步骤：
（a）首先对仪器管路冲洗，防止之前管壁残留水珠对本次水样干扰，这时水泵提前30秒开始工作，推拉式直流电磁铁和水平旋转机构不工作，河水由水泵抽入集水容器进水管，通过集水容器进水管进入到集水容器，此时，集水盘与所述集水容器底部的开口结构之间是分开的，在重力的作用下，河水水样降落到集水盘上，在集水盘上顺着斜面进入到集水盘盘周的漏水口，水流通过漏水口进入引流机构，沿着引流机构流出采样平台；
（b）冲洗仪器30s后，控制器控制推拉式直流电磁铁开始工作，推拉式直流电磁铁得电通过轴和连杆带动集水盘产生一个竖直方向的位移，使得集水容器的底部开口结构与集水盘之间贴合，水流无法进入到集水盘，而在集水容器中累积；
（c）集水容器中水位一直上升，当水位到达水样出流管进口处的高度时，河水水样开始顺着倾斜向下设置的水样出流管流到下方的采样瓶中；
（d）当采样瓶采集到一定的水样后，控制器控制水泵先停止工作，随后控制器控制推拉式直流电磁铁停止工作，推拉式直流电磁铁通过轴和连杆带动集水盘脱离集水容器的底部开口，使得集水容器内多余的水能顺着集水盘上的漏水孔流至采样平台的外部；
（e）当集水容器中水排完后，由控制器控制水平旋转机构旋转预设的角度，使得水样出流管正对下一个采样瓶；
（f）一次采样结束，后续采样均按照此方法进行，采样瓶全部采满水样后，人工地更换采样瓶。
有益效果：本发明为一种定时自动采集河水水样的装置，采样前冲洗管路，减少了管路残留水珠对采样精度的影响，通过步进电机和推拉式直流电磁铁，精确控制了采样时间的间隔。
本发明自动采样设备对于减少野外工作安全隐患具有重要意义。
附图说明
图1为本实验的自动采样装置结构示意图；
图2为集水盘俯视图；
图3为集水容器的内部的俯视图；
图4为采样瓶排列俯视图；
图中，1、挡板，2、水样出流管，3、集水容器，4、连接螺丝，5、凹槽，6、集水盘漏水口，7、漏斗，8、排水管，9、采样瓶，10、螺丝，11、集水盘，12、空心轴管，13、连接螺丝，14、步进电机，15、连杆，16、连接螺丝，17、推拉式直流电磁铁轴，18、推拉式直流电磁铁，19、电源，20、控制器，21、水泵，22、集水容器进水口，24、集水容器进水管，25、水泵进水管，26、水泵进水口，27、步进电机轴，28、水平支撑臂。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，一种自动定时河水采样装置，包括一采样平台，所述采样平台水平设置，采样平台上设有水泵21、集水容器3以及采样瓶9，其中，集水容器3的顶部通过集水容器进水管24与水泵21连接，所述集水容器3的顶部与集水容器进水管24之间转动连接，所述集水容器3的底部为开口结构；
一步进电机轴27从集水容器底部的开口结构伸进集水容器3内后通过水平支撑臂28与集水容器3连接，步进电机用于带动所述集水容器绕集水容器3的轴心水平旋转；
集水容器3的管壁上设有一个水样出流管2，所述水样出流管2倾斜向下设置，所述采样平台上位于集水容器3的外围周向布置有多个采样瓶9，每个采样瓶9与集水容器3轴心之间的距离均为S1，所述水样出流管管口与集水容器的轴心距离为S2，其中，满足S1=S2；
一集水盘11，所述集水盘11的盘心设有轴孔，所述轴孔套接于一空心轴管的外壁上，空心轴管内壁套接在所述水平旋转机构的旋转轴的外壁上，空心轴管12的底部通过一连杆与一推拉式直流电磁铁连接，所述推拉式直流电磁铁18用于产生一个竖直方向的位移，从而带动所述集水盘沿集水容器轴向产生一个竖直方向的位移，以打开或封闭所述集水容器底部的开口结构，所述集水盘的盘周设有漏水孔，集水盘的下方正对漏水孔处设有引流机构，所述引流机构用于将水引流至采样平台外部；
控制器20，与所述水泵、步进电机以及推拉式直流电磁铁控制连接。
作为本发明技术方案的一个优选实施例，所述推拉式直流电磁铁的型号为EML-0530B。
作为本发明技术方案的一个优选实施例，为了防止在冲洗仪器管路时候，水样通过水样出流管2进入采样瓶，影响实验精度。集水容器的内壁上位于水样出流管的上部设有挡板1。
进一步的，为了保证集水盘和集水容器底部开口结构结合时，集水容器的下方不透水，所述集水盘的盘面上正对集水容器的下方设有供集水容器底部管壁嵌入的凹槽。
本发明自动定时河水采样装置的连接与安装
（1）水泵进水管25选用不透明的聚乙烯塑料管，集水容器进水管24选择不锈钢管。
（2）集水容器进水口22对集水容器进水管24仅起到支撑作用，不进行铆接，集水容器在进行旋转的时候对集水容器进水管24没有扭矩作用力传递，因此要求接口处集水容器进水管24与集水容器进口22尽可能光滑。
（3）步进电机轴14与集水容器下端的水平支撑臂28焊接，使得在步进电机旋转时候，集水容器也能随之旋转。
（4）集水容器采用不锈钢材料，与下方集水盘11上的凹槽5吻合，在集水容器3底部插入凹槽5时候，集水容器下方不透水。同时集水盘漏水口6正对下方引流机构，引流机构包括漏斗7和连接在漏斗7底部的排水管8，漏斗7与排水管8焊接，同时排水管8底部通过固定螺丝10固定在采样平台中。
（5）空心轴管12上端通过连接螺丝4固定集水盘11，空心轴管12下端通过连接螺丝13与连杆15固定连接，最后连杆15通过连接螺丝16与推拉式直流电磁铁轴17固定连接。
本发明一种基于所述自动定时河水采样装置的采样方法，包括以下几个步骤：
（a）首先对仪器管路冲洗，防止之前管壁残留水珠对本次水样干扰，这时水泵提前30秒开始工作，推拉式直流电磁铁得电，将连杆15往下拉，连杆15带动空心轴管12以及集水盘向下运动，此时，集水盘与所述集水容器底部的开口结构之间是分开的，河水由水泵抽入集水容器进水管，通过集水容器进水管进入到集水容器，在重力的作用下，河水水样降落到集水盘上，在集水盘上顺着斜面进入到集水盘盘周的漏水口，水流通过漏水口进入引流机构，沿着引流机构流出采样平台；
（b）冲洗仪器30s后，控制器控制推拉式直流电磁铁失电，推拉式直流电磁铁失电后，推拉式直流电磁铁轴17在弹簧的弹力下将连杆15向上推，连杆15带动集水盘产生一个竖直向上的位移，使得集水容器的底部开口结构与集水盘之间贴合，水流无法进入到集水盘，而在集水容器中累积；
（c）集水容器中水位一直上升，当水位到达水样出流管进口处的高度时，河水水样开始顺着倾斜向下设置的水样出流管流到下方的采样瓶中；
（d）当采样瓶采集到一定的水样后，控制器控制水泵先停止工作，随后控制器控制推拉式直流电磁铁得电，推拉式直流电磁铁再次将连杆15往下拉，连杆15带动空心轴管12以及集水盘向下运动，使集水盘脱离集水容器的底部开口，集水容器内多余的水能顺着集水盘上的漏水孔流至采样平台的外部；
（e）当集水容器中水排完后，由控制器控制水平旋转机构旋转预设的角度，使得水样出流管正对下一个采样瓶；
（f）一次采样结束，后续采样均按照此方法进行，采样瓶全部采满水样后，人工地更换采样瓶。
本发明通过步进电机定时转动精确控制采样时间间隔。通过推拉式直流电磁铁控制清洗管路与采集水样，排出残留水珠对水样的影响。并且采样时间的间隔，以及冲洗管路的时间可以通过编程控制器进行精确控制，实现了野外安全采样的目的。
Claims (5)
1.一种自动定时河水采样装置，包括一采样平台，所述采样平台水平设置，采样平台上设有水泵、集水容器以及采样瓶，其中，集水容器的顶部通过集水容器进水管与水泵连接，其特征在于，所述集水容器的顶部与集水容器进水管之间转动连接，所述集水容器的底部为开口结构；
一水平旋转机构的旋转轴从集水容器底部的开口结构伸进集水容器内后通过水平支撑臂与集水容器连接，所述水平旋转机构用于带动所述集水容器绕集水容器的轴心水平旋转；
集水容器的管壁上设有一个水样出流管，所述水样出流管倾斜向下设置，所述采样平台上位于集水容器的外围周向布置有多个采样瓶，每个采样瓶与集水容器轴心之间的距离均为S1，所述水样出流管管口与集水容器的轴心距离为S2，其中，满足S1=S2；
一集水盘，所述集水盘的盘心设有轴孔，所述轴孔套接于一空心轴管的外壁上，空心轴管内壁套接在所述水平旋转机构的旋转轴的外壁上，空心轴管的底部通过一连杆与一推拉式直流电磁铁连接，所述推拉式直流电磁铁用于产生一个竖直方向的位移，从而带动所述集水盘沿集水容器轴向产生一个竖直方向的位移，以打开或封闭所述集水容器底部的开口结构，所述集水盘的盘周设有漏水孔，集水盘的下方正对漏水孔处设有引流机构，所述引流机构用于将水引流至采样平台外部；
控制器，与所述水泵、水平旋转机构以及推拉式直流电磁铁控制连接。
2.根据权利要求1所述的自动定时河水采样装置，其特征在于，所述水平旋转机构为步进电机。
3.根据权利要求1所述的自动定时河水采样装置，其特征在于，集水容器的内壁上位于水样出流管的上部设有挡板。
4.根据权利要求1所述的自动定时河水采样装置，其特征在于，所述集水盘的盘面上正对集水容器的下方设有供集水容器底部管壁嵌入的凹槽。
5.一种基于权利要求1~4中任一所述自动定时河水采样装置的采样方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
（a）首先对仪器管路冲洗，防止之前管壁残留水珠对本次水样干扰，这时水泵提前30秒开始工作，推拉式直流电磁铁得电，将连杆（15）往下拉，连杆（15）带动空心轴管（12）以及集水盘向下运动，此时，集水盘与所述集水容器底部的开口结构之间是分开的，河水由水泵抽入集水容器进水管，通过集水容器进水管进入到集水容器，在重力的作用下，河水水样降落到集水盘上，在集水盘上顺着斜面进入到集水盘盘周的漏水口，水流通过漏水口进入引流机构，沿着引流机构流出采样平台；
（b）冲洗仪器30s后，控制器控制推拉式直流电磁铁失电，推拉式直流电磁铁失电后，推拉式直流电磁铁轴（17）在弹簧的弹力下将连杆（15）向上推，连杆（15）带动集水盘产生一个竖直向上的位移，使得集水容器的底部开口结构与集水盘之间贴合，水流无法进入到集水盘，而在集水容器中累积；
（c）集水容器中水位一直上升，当水位到达水样出流管进口处的高度时，河水水样开始顺着倾斜向下设置的水样出流管流到下方的采样瓶中；
（d）当采样瓶采集到一定的水样后，控制器控制水泵先停止工作，随后控制器控制推拉式直流电磁铁得电，推拉式直流电磁铁再次将连杆（15）往下拉，连杆（15）带动空心轴管（12）以及集水盘向下运动，使集水盘脱离集水容器的底部开口，集水容器内多余的水能顺着集水盘上的漏水孔流至采样平台的外部；
（e）当集水容器中水排完后，由控制器控制水平旋转机构旋转预设的角度，使得水样出流管正对下一个采样瓶；
（f）一次采样结束，后续采样均按照此方法进行，采样瓶全部采满水样后，人工地更换采样瓶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20190219 Assignee: Nanjing mickle Information Technology Co.,Ltd. Assignor: HOHAI University Contract record no.: X2021980003231 Denomination of invention: An automatic timing river water sampling device and its sampling method Granted publication date: 20191001 License type: Common License Record date: 20210430 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20191001 |