CN111351688A - 基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采样系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采样系统及其使用方法，该系统包括控制装置、配重装置以及采样装置，所述配重装置包含圆柱状的本体，所述本体为中空状；所述控制装置包括安装接头、流速传感器、无线传感器和控制器，控制器位于本体上，无线传感器和流速传感器与控制器信号连接，所述流速传感器、控制器和无线传感器均由锂电池进行供电，控制器通过连杆与安装接头连接。本发明实现了水动力变化小少采样、水动力变化大多采样的功能，克服了因水动力变化的不确定性而导致样本采集与水动力变化过程难以准确匹配的问题，具有自动化作业、效率高、低成本的特点。

Description

基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采样系统及方法

技术领域

本发明涉及基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采样系统及使用方法，属于水环境监测领域。

背景技术

随着社会的进步和经济的发展，水体污染的问题日益严峻，准确地获取河湖沉积物污染指标能够为地表水环境评价及预警提供可靠的依据。作为其中重要的一环，如何精确地采集具有代表性沉积物样品是地表水环境污染研究的重要课题之一。

我国高度重视水污染防控工作，当前河流点源污染已逐渐得到控制，但河道沉积物内源污染的危害性逐渐凸显。研究表明，河流水动力条件的改变能够影响沉积污染物的释放及其归趋行为。对于天然河流水体，其水动力条件的变化是非恒定的，且往往具有一定程度的不确定性和时效性，传统的人工采样方法难以准确地采集到与上覆水动力变化过程相匹配的代表性沉积物样品，无法有效捕捉河流水动力变化下所对应的沉积污染物的浓度过程。

目前，有关沉积物的自动采样器研究较少，与水动力条件变化相结合的采样方法更是属于技术空白。申请号200910243744.5的发明专利，实现了底泥沉积物的自动采样，但采集过程完全受沉积物深度限制，无法实现水动力变化下的实时监测与采样；申请号201320495969.1的实用新型专利，实现了随水深变化采集沉积物样品，但也无法完成水动力变化下的自适应变频采样，难以实现样本采集与水动力变化过程的准确匹配。因此，本发明开发了一种基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采样系统及其使用方法，为河流内源污染防控方面的研究工作提供了基础。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采样系统及使用方法，该装置能够实现不同水动力条件下的沉积物自动采集，并根据水动力条件变化自动调整采样次数，实现了水动力变化小少采样、水动力变化大多采样的功能，克服了因水动力变化不确定性和时效性，而导致的样本采集与水动力变化过程难以准确匹配的问题，同时采样过程能够基本保持沉积物样本原有结构而不造成破坏，具有自动化作业、效率高、低成本的特点，为研究水动力变化下沉积物污染内源释放研究提供了技术支持。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统，包括控制装置、配重装置以及采样装置，所述配重装置包含圆柱状的本体，所述本体为中空状；所述控制装置包括安装接头、流速传感器、无线传感器和控制器，控制器位于本体上，无线传感器和流速传感器与控制器信号连接，所述流速传感器、控制器和无线传感器均由锂电池进行供电，控制器通过连杆与安装接头连接；所述采样装置包含若干组采样系统，采样系统包括采样管、活塞和电机，所述采样管的顶部设有通孔，在采样管底部设有两个盖板，两个盖板铰接在采样管上，两个盖板沿铰轴向采样管内转动，活塞位于采样管内，活塞通过连接绳与电机连接，电机位于本体内，电机与控制器信号连接；所述采样管通过弹簧与本体连接，在采样管端部安装有铁板，在本体上安装有电磁铁；在不采样时，电磁铁通电，通过铁板将采样管吸附在本体上，需要采样时，电磁铁断电，采样管被弹出。

作为优选，所述采样系统有8个。

作为优选，所述铰轴上设有扭簧。

作为优选，所述本体下方与壳体连接，壳体上设有若干个圆柱孔，采样管位于圆柱孔内，采样管沿圆柱孔上下移动。

作为优选，所述控制器通过无线传感器与手机终端信号连接。

一种上述的基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统的使用方法，包括以下步骤：

(1)将本装置通过绳索连接，下降至水中，悬挂并固定布设于研究区域水体中；

(2)调试采样系统，设定流速传感器采样频率为1秒2次，将采样管依次编号，为Mp，p≤n，n为采样管的个数，初始p＝1；

(3)控制器分析第i时刻的流速传感器传输的数据；

(4)计算第i时刻采集的2次流速数据的标准偏差Δ，若Δ≤0.15，则不启动控制器计算K值程序，i＝i+1，重复步骤(3)；若Δ>0.15，则进行步骤(5)；

(5)控制器进一步计算K值，

v_i1和v_i2为第i时刻采集的2次连续的流速数据，若K＞2.0，则不进行采样，i＝i+1，重复步骤(3)；若K≤2.0，则控制器控制电磁铁断电，采样管被弹出，采样系统与底泥接触，控制器控制第Mp个采样管对应的电机转动，拉动活塞向上移动，盖板向采样管内打开，采样管进行沉积物采样，活塞到达采样管顶部时，采样结束，并记录采样时间，控制器电磁铁通电，通过铁板将采样管吸附在本体上；

(6)控制器判断第Mp个采样管是否为第Mn个采样管，若是，采样结束；若不是，则p＝p+1，进入步骤(3)；

(7)采样结束后，通过内置的无线传感器发送采样结束指令，提醒采样人员回收采样器；

(8)回收采样器后，分别取出各采样管的沉积物样品，冷藏运至实验室，分析样品参数。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明能够实现不同水动力条件下的沉积物自动采集，并根据水动力条件变化自动调整采样次数，实现了水动力变化小少采样、水动力变化大多采样的功能，克服了因水动力变化的不确定性和时效性，而导致样本采集与水动力变化过程难以准确匹配的问题，具有自动化作业、效率高、低成本的特点。

(2)减少了野外工作安全隐患，有效的解决了野外采样人工成本，减少了劳动强度，无须人员值守，采样完毕后，自动发送采样结束指令。

附图说明

图1为本发明的采样器第i时刻采样程序示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为采样管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，包括基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统，包括控制装置、配重装置以及采样装置，所述配重装置包含圆柱状的本体6，所述本体6为中空状；所述控制装置包括安装接头1、流速传感器2、无线传感器3和控制器4，控制器4位于本体6上，无线传感器3和流速传感器2与控制器4信号连接，所述流速传感器2、控制器4和无线传感器均由锂电池进行供电，控制器4通过连杆与安装接头1连接。安装接头可以与固定采样台、固定装置连接，将连杆固定在水中。所述采样装置包含若干组采样系统，采样系统包括采样管10、活塞15和电机，所述采样管10的顶部设有通孔，在采样管10底部设有两个盖板17，两个盖板17铰接在采样管10上，两个盖板17沿铰轴向采样管10内转动，活塞15位于采样管10内，活塞15通过连接绳9与电机连接，电机位于本体6内，电机与控制器4信号连接。所述采样管通过弹簧19与本体连接，在采样管端部安装有铁板18，在本体上安装有电磁铁；在不采样时，电磁铁通电，通过铁板18将采样管吸附在本体上，需要采样时，电磁铁断电，采样管被弹出。

在本发明中，K值公式如下:

式中：v_i1和v_i2为第i时刻采集的2次连续的流速数据。

一种上述的基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统的使用方法，包括以下步骤：

(1)将本装置通过绳索连接，下降至水中，悬挂并固定布设于研究区域水体中；

(2)调试采样系统，设定流速传感器采样频率为1秒2次，将采样管依次编号，为Mp，p≤n，n为采样管的个数，初始p＝1；

(3)控制器分析第i时刻的流速传感器传输的数据；

(4)计算第i时刻采集的2次流速数据的标准偏差Δ，若Δ≤0.15，则不启动控制器计算K值程序，i＝i+1，重复步骤(3)；若Δ>0.15，则进行步骤(5)；

(5)控制器进一步计算K值，

v_i1和v_i2为第i时刻采集的2次连续的流速数据，若K＞2.0，则不进行采样，i＝i+1，重复步骤(3)；若K≤2.0，则控制器控制电磁铁断电，采样管被弹出，采样系统与底泥接触，控制器控制第Mp个采样管对应的电机转动，拉动活塞向上移动，盖板向采样管内打开，采样管进行沉积物采样，活塞到达采样管顶部时，采样结束，并记录采样时间，控制器电磁铁通电，通过铁板18将采样管吸附在本体上；

(6)控制器判断第Mp个采样管是否为第Mn个采样管，若是，采样结束；若不是，则p＝p+1，进入步骤(3)；

(7)采样结束后，通过内置的无线传感器发送采样结束指令，提醒采样人员回收采样器；

(8)回收采样器后，分别取出各采样管的沉积物样品，冷藏运至实验室，分析样品参数。

采用本发明上述的方法，能够快速有效精准的采集具有代表性沉积物样品，可以根据水动力变化条件变化自动调整采样次数，实现了水动力变化小少采样、水动力变化大多采样的功能，克服了因水动力变化不确定性和时效性，而导致的样本采集与水动力变化过程难以准确匹配的问题，并且不对沉积物样本造成扰动破坏；并减少了野外工作安全隐患，有效的解决了野外采样人工成本，减少了劳动强度，无须人员值守。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统，其特征在于：包括控制装置、配重装置以及采样装置，所述配重装置包含圆柱状的本体，所述本体为中空状；所述控制装置包括安装接头、流速传感器、无线传感器和控制器，控制器位于本体上，无线传感器和流速传感器与控制器信号连接，所述流速传感器、控制器和无线传感器均由锂电池进行供电，控制器通过连杆与安装接头连接；所述采样装置包含若干组采样系统，采样系统包括采样管、活塞和电机，所述采样管的顶部设有通孔，在采样管底部设有两个盖板，两个盖板铰接在采样管上，两个盖板沿铰轴向采样管内转动，活塞位于采样管内，活塞通过连接绳与电机连接，电机位于本体内，电机与控制器信号连接；所述采样管通过弹簧与本体连接，在采样管端部安装有铁板，在本体上安装有电磁铁；在不采样时，电磁铁通电，通过铁板将采样管吸附在本体上，需要采样时，电磁铁断电，采样管被弹出。

2.根据权利要求1所述的基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统，其特征在于：所述采样系统有8个。

3.根据权利要求1所述的基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统，其特征在于：所述铰轴上设有扭簧。

4.根据权利要求1所述的基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统，其特征在于：所述本体下方与壳体连接，壳体上设有若干个圆柱孔，采样管位于圆柱孔内。

5.根据权利要求1所述的基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统，其特征在于：所述控制器通过无线传感器与手机终端信号连接。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的基于水动力变化的自适应变频沉积物自动采集系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将本装置通过绳索连接，下降至水中，悬挂并固定布设于研究区域水体中；

(2)调试采样系统，设定流速传感器采样频率为1秒2次，将采样管依次编号，为Mp，p≤n，n为采样管的个数，初始p＝1；

(3)控制器分析第i时刻的流速传感器传输的数据；

(4)计算第i时刻采集的2次流速数据的标准偏差Δ，若Δ≤0.15，则不启动控制器计算K值程序，i＝i+1，重复步骤(3)；若Δ>0.15，则进行步骤(5)；

(5)控制器进一步计算K值，

v_i1和v_i2为第i时刻采集的2次连续的流速数据，若K＞2.0，则不进行采样，i＝i+1，重复步骤(3)；若K≤2.0，则控制器控制电磁铁断电，采样管被弹出，采样系统与底泥接触，控制器控制第Mp个采样管对应的电机转动，拉动活塞向上移动，盖板向采样管内打开，采样管进行沉积物采样，活塞到达采样管顶部时，采样结束，并记录采样时间，控制器电磁铁通电，通过铁板将采样管吸附在本体上；

(6)控制器判断第Mp个采样管是否为第Mn个采样管，若是，采样结束；若不是，则p＝p+1，进入步骤(3)；

(7)采样结束后，通过内置的无线传感器发送采样结束指令，提醒采样人员回收采样器；

(8)回收采样器后，分别取出各采样管的沉积物样品，冷藏运至实验室，分析样品参数。

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