CN111504715A - 一种自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,包括自动闸门系统、水位流量监测系统、分时段水样采集系统、控制系统、太阳能板、雨水传感器、容纳箱、立式支撑杆以及连接线。本发明利用雨水传感器启动装置,通过自动控制灵活控制闸门开闭,利用多岔口管和电磁阀实现分时段采集水样,从而准确控制分时段取水。本发明的优点在于能够将不同时段的水样采集到不同的采样瓶,并同时监测到各个时段的水位信息用于流量计算,实现水量和水样同时获取;能够灵活调整闸门蓄水排水,人工操作少,管理成本低;能够加压冲出残留在进水管中的水样,避免不同时段间采样的相互影响,同时采样瓶装满水样时能够自发密封。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,属于农田水利工程领域及水环境监测设备领域。
背景技术
伴随着点源污染控制能力的逐渐提高,面源污染的严重性日益凸显,尤其以农业面源污染最为普遍和严重。农业面源污染主要是指在农业生产活动中,农田中的土粒、氮素、磷、农药及其它有机或无机物质,在降水或灌溉过程中,通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏,使大量污染物进入水体而形成的水环境污染。它具有分散性和隐蔽性、随机性和不确定性以及广泛性和不易监测性等特点。农业面源污染已构成了当今世界水质恶化的第一大威胁。
当前,国内外学者都在采用各种方法对农业面源污染进行治理,而农业面源污染治理效果需要对农田排水沟或某个流域出口治理前后的水质进行化验,同时还需测得相应的流量。通常以降雨时的流量及水质来分析,因此需要采集相应时段的水样及流量,同时为分析污染负荷的变化过程,需要分时段进行水样采集和流量监测。此外,国内外采用众多水文水质模型对农业面源污染进行模拟分析,这些模型的率定及验证均需要实测数据,对于大流域而言有水文站进行监测,对于小流域或灌区,通常缺乏监测设备,一般采用人工监测,但降雨时很难及时取到相应时段的水样和测得水位、流量,并且长期采用人工采集,人工成本较高。因此一种实时自动的分时段水位与水样采集方法和装置是十分必须的。目前已有的分时段水样采集装置基本没有考虑同时测量水位或流量,并且很少能够自动根据是否降雨来进行启动,例如发明专利“一种分时自动水样采集器”(CN106546452B)及实用新型专利“一种用于环境监测的多时段水样收集装置”(CN209280367U),两个同类专利均未考虑水样采集的同时应同时测量水位或流量,也未考虑如何根据降雨与否来自动启动采集装置,且后者限制只能收集到4个水样。然而,在进行水文水质分析时,水样采集及流量测量需要同时进行。此外,对于专利 CN106546452B,采用旋转来进行分水,但一般旋转装置的转速及转角均较难控制,若出现偏差可能导致采样瓶未能采集到的水样。并且大部分采样瓶均是开敞式的,这样采集完后若较长时间才去取水样,水样可能会挥发一部分,或者空气会影响水样,从而导致水样中的氮磷等浓度发生变化。
此外,对于农田排水沟,在不降雨时,农民通常会将排水沟拦住蓄水,将排水重复利用,而在降雨时又能够及时进行排水。在农业区,当前基本上是采用闸门来拦截排水沟进行蓄水的,而闸门的开合需要人工进行,当降雨时若不能及时打开则会影响排水。
目前市面上没有将闸门及水位、水样采集进行复合的系统及装置,但闸门可以和水位、水样采集装置有机结合,可以达到水样采集的同时获取相应时刻的流量,以满足水文水质分析的要求以及水文模型率定验证对实测数据的需求。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置。该装置可以分时段采集到排水沟水样,并能够监测同时刻的水位进行流量计算,同时能够及时调整闸门蓄水、排水,人工操作少,降低管理成本。
本发明的技术方案:自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,包括自动闸门系统、水位流量监测系统、分时段水样采集系统和控制系统;自动闸门系统包括闸门左侧门槽、右侧门槽、闸门门叶、置于右侧门槽中的双向旋转电动机、与双向旋转电动机连接的齿轮、电动机供电蓄电池、自动闸门控制器;水位流量监测系统包括闸门底部的宽顶堰以及置于宽顶堰中的水位传感器;分时段水样采集系统包括进水口连接管,进水口连接管分别连接微型水泵和微型加压器、微型水泵和出水口连接管连接,出水口连接管连接多岔口管,多岔口管上设有电磁阀,多岔口管的出水口对准采样瓶瓶口;控制系统包括MCU控制器、微型水泵控制器、微型加压器控制器、PLC控制器、通讯模块、供电模块。
前述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,所述闸门自动控制器通过第一连接线与MCU控制器相连,水位传感器通过第二连接线与MCU控制器相连,MCU控制器通过第三连接线与雨水传感器相连,太阳能板通过第四连接线与供电模块相连,电磁阀与PLC控制器相连。
前述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,所述闸门门叶右端带有齿条,与齿轮相啮合,齿轮与双向旋转电动机相连。
前述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,所述控制系统和分时段水样采集系统置于容纳箱中,容纳箱分为上下两层,上层用于放置控制系统,下层用于放置分时段水样采集系统;容纳箱包括箱体,箱体上设有箱门、第一门扣、第二门扣、容纳箱内置物台、第一孔洞、第一孔洞、第一孔洞、第一孔洞及漏水孔。
前述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,所述多岔口管分出 2个以上出水管,每个出水管上安装有电磁阀,多岔口管安装在岔口管固定托盘上,岔口管固定托盘底部设有托盘底座,托盘底座周围放置采样瓶。
前述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,所述分时段水样采集系统采样瓶中放置有一个浮球,底部侧边有一缺口,利用瓶塞塞住。
本发明的有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下几个方面的优点:
1.系统集拦蓄排水、水位流量监测、水样采集功能为一体,通过太阳能供电结合远程操作,只需人员定期到现场拿水样以及维护,大大降低了运营成本,灵活采集水样,及时调整闸门蓄水、排水,人工操作少适用于农村排水沟渠的灌溉排水和水位流量监测以及水样采集;
2.分时段水样采集系统可以根据设置好的抽水时间、抽水流量和间隔时间开始抽水,通过PCL控制器控制打开一个电磁阀,其余电磁阀全部关闭,即多岔口管只有一个出水管出水,实现采样瓶采集到第一个时段的水样,同时水位流量监测系统的水位传感器在第一个时段的中间时刻监测到水位信息传递给MCU控制器,MCU控制器通过通讯模块将水位信息远程传输给PC 端软件,PC端通过宽顶堰流量公式计算该时刻流量,实现采集水样的同时监测到水位流量;第一个时段抽水完成后,进入微型水泵的间歇时间,此时微型加压器对进水口连接管加压,将第一时段残留的水样冲到排水沟中,然后进入微型水泵抽水的第二时段,之后的过程重复第一时段过程,如此直到最后一个采样瓶采集到水样则完成水量和水样的分时段采集。能够实现各个时段的水样分别采入不同的采样瓶,并且在各个时段监测到宽顶堰前的水位来进行流量计算,实现同时刻监测得到水量数据和水质数据,并且通过分时段采集和监测能够监测到流量过程和水质过程,以供降雨径流过程以及面源污染过程的研究。
3.能够实现进水口连接管的反向加压,将本时段残留在管中的水冲洗到排水沟中,避免下一时段取水时受本时段残留水样的影响,提高分时段采样的准确度。
4.采集瓶内采用浮球结构能够实现各个时段水样采集后的密封,避免采样瓶中的水样蒸发和空气影响水样中水质的浓度,进一步提高水样采集的准确度。
综上所述,本发明可以灵活监测水位流量和采集水样,实现水量数据和水质数据的同时刻获得,同时能够及时调整闸门蓄水、排水,人工操作少,降低管理成本。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图;
附图2为右侧门槽内部结构示意图;
附图3为容纳箱结构示意图;
附图4为控制系统结构示意图;
附图5为分时段取样系统结构示意图;
附图6为采样瓶结构示意图;
附图7为控制线路示意图。
附图标记:1-闸门左侧门槽、2-闸门右侧门槽、3-闸门门叶、4-双向旋转电动机、5-齿轮、6-电动机供电蓄电池、7-自动闸门控制器、8-第一连接线、9-宽顶堰、10-水位传感器、11-第二连接线、12-太阳能板、13-雨水传感器、14-第三连接线、15-容纳箱、16-立式支撑杆、17-MCU控制器、18- 微型水泵控制器、19-微型加压器控制器、20-PLC控制器、21-通讯模块、22- 供电模块、23-第四连接线、24-微型水泵、25-微型加压器、26-进水口连接管、27-出水口连接管、28-多岔口管、29-电磁阀、30-岔口管固定托盘、31- 托盘底座、32-采样瓶。
2.1-右槽闸门内置物台、15.1-箱体、15.2-箱门、15.3-第一门口、15.4- 第二门扣、15.5-容纳箱内置物台、15.6-第一孔洞、15.7-第二孔洞、15.8- 第三孔洞、15.9-第四孔洞、15.10-漏水孔、32.1-浮球、32.2-采样瓶底部瓶塞。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明,但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例:自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,包括自动闸门系统、水位流量监测系统、分时段水样采集系统和控制系统;自动闸门系统包括闸门左侧门槽1、右侧门槽2、闸门门叶3、置于右侧门槽中的双向旋转电动机4、与双向旋转电动机4连接的齿轮5、电动机供电蓄电池6、自动闸门控制器7;水位流量监测系统包括闸门底部的宽顶堰9以及置于宽顶堰中的水位传感器10;分时段水样采集系统包括进水口连接管26,进水口连接管26分别连接微型水泵24和微型加压器25、微型水泵24和出水口连接管27连接,出水口连接管27连接多岔口管28,多岔口管28上设有电磁阀29,多岔口管28的出水口对准采样瓶32瓶口;控制系统包括MCU控制器17、微型水泵控制器18、微型加压器控制器19、PLC控制器20、通讯模块21、供电模块22。
所述闸门自动控制器7通过第一连接线8与MCU控制器17相连,水位传感器10通过第二连接线11与MCU控制器17相连,MCU控制器17通过第三连接线14与雨水传感器13相连,太阳能板12通过第四连接线23与供电模块22相连,电磁阀29与PLC控制器20相连。
所述闸门门叶3右端带有齿条,与齿轮5相啮合,齿轮5与双向旋转电动机4相连。通过控制双向旋转电动机4顺时针和逆时针转动,实现闸门的打开和关闭,同时还可控制闸门开度。
所述控制系统和分时段水样采集系统置于容纳箱15中,容纳箱15分为上下两层,上层用于放置控制系统,下层用于放置分时段水样采集系统;容纳箱15包括箱体15.1,箱体15.1上设有箱门15.2、第一门扣15.3、第二门扣15.4、容纳箱内置物台15.5、第一孔洞15.6、第一孔洞15.7、第一孔洞15.8、第一孔洞15.9及漏水孔15.10。第一孔洞15.6是进水口连接管26 连接微型水泵24的通道,同时也是第一连接线8和第二连接线11的第一通道,第二孔洞15.7是第一连接线8和第二连接线11的第二通道,同时是控制系统与分时段采用系统连接线的通道,第三孔洞15.8是第四连接线23的通道,第四孔洞15.9是第三连接线14的通道;所述漏水孔15.10用于采样瓶32装满水时多余水量的流出。
所述多岔口管28分出2个以上出水管,每个出水管上安装有电磁阀29,多岔口管28安装在岔口管固定托盘30上,岔口管固定托盘30底部设有托盘底座31,托盘底座31周围放置采样瓶32。通过PLC控制器20控制电磁阀群29打开和关闭实现每个水泵抽水时段只有一个出水管出水,并利用采样瓶32在出水管下端采样。
所述分时段水样采集系统采样瓶32中放置有一个浮球32.1,底部侧边有一缺口,利用瓶塞32.2塞住。当采样瓶32装满水时,浮球充当阀门的作用封住瓶口,避免存放时间较久瓶中水分蒸发或空气影响水样中水质浓度,取样后将瓶塞32.2打开即可倒出水样。其中底部缺口的尺寸大于浮球32.1 尺寸,浮球32.1可从缺口处放入瓶中。
所述微型水泵4通过微型水泵控制器18控制,通过控制微型水泵4的抽水时间、抽水流量及间歇时间来控制水泵抽水,实现分时段采集水样。所述微型加压器25通过微型加压器控制器19控制,利用微型水泵4的间歇时间向进水口连接管26反向加压,使得进水口连接管26中的被压力冲洗到排水沟中,从而下一时段微型水泵抽水时基本不受本时段残留水影响,提高采样的准确度。
所述水位流量监测系统的水位传感器10监测水位并将水位信息传输给 MCU控制器的时刻为微型水泵24每个抽水时段的中间时刻。
结合图7所示的控制线路示意图,工作原理如下:
当降雨发生时,雨水传感器13感知到降雨,将信号传输给MCU控制器 17,MCU控制器17将闸门打开信号传输给自动闸门控制器7,自动闸门控制器7控制双向旋转电动机4顺时针旋转,从而齿轮5带动闸门门叶3向上滑动,打开闸门;同时水位传感器9监测到水位高于宽顶堰10时,则启动分时段水样采集系统。分时段水样采集系统启动后,微型水泵控制器18控制微型水泵24根据设置好的抽水时间、抽水流量和间隔时间开始抽水,第一个时段开始抽水时,PCL控制器20控制打开一个电磁阀29,其余电磁阀29 全部关闭,即多岔口管28只有一个出水管出水,实现采样瓶32采集到第一个时段的水样,同时水位流量监测系统的水位传感器9在第一个时段的中间时刻监测到水位信息传递给MCU控制器17,MCU控制器17通过通讯模块21 将水位信息远程传输给PC端软件,PC端通过宽顶堰流量公式计算该时刻流量,实现采集水样的同时监测到水位流量;第一个时段抽水完成后,进入微型水泵24的间歇时间,此时微型加压器控制器19控制微型加压器25对进水口连接管加压,将第一时段残留的水样冲到排水沟中,之后则进入微型水泵24抽水的第二时段,之后的过程则如第一时段一样。如此直到最后一个采样瓶32采集到水样则完成水量和水样的分时段采集。
当降雨停止,排水沟水位降低,默认水位低于宽顶堰10时自动控制闸门关闭,即控制双向旋转电动机逆时针旋转则可实现关闭闸门,若需要提前关闭闸门或者保持闸门一定的开度,管理人员通过PC端软件设置即可。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,其特征在于:包括自动闸门系统、水位流量监测系统、分时段水样采集系统和控制系统;自动闸门系统包括闸门左侧门槽(1)、右侧门槽(2)、闸门门叶(3)、置于右侧门槽中的双向旋转电动机(4)、与双向旋转电动机(4)连接的齿轮(5)、电动机供电蓄电池(6)、自动闸门控制器(7);水位流量监测系统包括闸门底部的宽顶堰(9)以及置于宽顶堰中的水位传感器(10);分时段水样采集系统包括进水口连接管(26),进水口连接管(26)分别连接微型水泵(24)和微型加压器(25)、微型水泵(24)和出水口连接管(27)连接,出水口连接管(27)连接多岔口管(28),多岔口管(28)上设有电磁阀(29),多岔口管(28)的出水口对准采样瓶(32)瓶口;控制系统包括MCU控制器(17)、微型水泵控制器(18)、微型加压器控制器(19)、PLC控制器(20)、通讯模块(21)、供电模块(22)。
2.根据权利要求1所述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,其特征在于:所述闸门自动控制器(7)通过第一连接线(8)与MCU控制器(17)相连,水位传感器(10)通过第二连接线(11)与MCU控制器(17)相连,MCU控制器(17)通过第三连接线(14)与雨水传感器(13)相连,太阳能板(12)通过第四连接线(23)与供电模块(22)相连,电磁阀(29)与PLC控制器(20)相连。
3.根据权利要求1所述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,其特征在于:所述闸门门叶(3)右端带有齿条,与齿轮(5)相啮合,齿轮(5)与双向旋转电动机(4)相连。
4.根据权利要求1所述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,其特征在于:所述控制系统和分时段水样采集系统置于容纳箱(15)中,容纳箱(15)分为上下两层,上层用于放置控制系统,下层用于放置分时段水样采集系统;容纳箱(15)包括箱体(15.1),箱体(15.1)上设有箱门(15.2)、第一门扣(15.3)、第二门扣(15.4)、容纳箱内置物台(15.5)、第一孔洞(15.6)、第一孔洞(15.7)、第一孔洞(15.8)、第一孔洞(15.9)及漏水孔(15.10)。
5.根据权利要求1所述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,其特征在于:所述多岔口管(28)分出2个以上出水管,每个出水管上安装有电磁阀(29),多岔口管(28)安装在岔口管固定托盘(30)上,岔口管固定托盘(30)底部设有托盘底座(31),托盘底座(31)周围放置采样瓶(32)。
6.根据权利要求1所述的自动闸门及分时段水位与水样采集复合装置,其特征在于:所述分时段水样采集系统采样瓶(32)中放置有一个浮球(32.1),底部侧边有一缺口,利用瓶塞(32.2)塞住。
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