CN111879566B - 一种无人机载自动微塑料采样器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机载自动微塑料采样器，该采集器包括无人机和悬挂于无人机下方的采样器壳体，壳体内设有抽样管、转盘机构、水样存储瓶、水样预处理瓶以及系统控制器；抽样管的一端为抽样端，伸出至壳体外部；另一端为出样端，延伸至转盘机构的上方，并设有第一出样管和第二出样管；转盘机构包括底座、转盘以及电机；转盘上设有放置槽；所述水样预处理瓶的内部设有用于筛分微塑料的筛网，底部设有出水口。本发明采样器不仅可以实现含微塑料水体水样的自动化采集，而且采集的样本数量多，在采集过程中能够直接进行水样的预处理和水质在线监测，缩短了采样时间，降低了采样的人力成本，更降低了部分危险区域水体的采集难度。

Description

一种无人机载自动微塑料采样器

技术领域

本发明涉及水质采样技术领域，尤其涉及一种无人机载自动微塑料采样器。

背景技术

随着塑料在工业中的广泛应用，其破碎形成的微塑料及本就是微塑料的废料不可避免地以各种方式进入到水环境中，鉴于微塑料对水体中动植物生存及人体健康带来的危害，微塑料的研究正成为热点。

江河湖泊中，现有的微塑料采集主要有浮游生物网采集和采样桶直接采集等方式，但不管是哪一种，都需要研究人员手动进行，体力消耗大；而且，现有的采集方式无法在收集过程中对微塑料进行尺寸筛选，需要回到实验室内花费大量的时间和精力。另外，部分采样区域情况险峻，存在不方便研究人员进入采样的情况。

因此，急需开发一种新的采样模式，将研究人员从繁重的任务中解放出来。

发明内容

本发明提供了一种无人机载自动微塑料采样器，该采样器不仅可以实现含微塑料水体水样的自动化采集，而且采集的样本数量多，在采集过程中能够直接进行水样的预处理和水质在线监测，缩短了采样时间，降低了采样的人力成本，更降低了部分危险区域水体的采集难度。

具体技术方案如下：

本发明提供了一种无人机载自动微塑料采样器，包括悬挂于无人机下方的采样器壳体，、所述壳体内设有抽样管、转盘机构、水样存储瓶、水样预处理瓶以及系统控制器；

所述抽样管的一端为抽样端，伸出至壳体外部；另一端为出样端，延伸至转盘机构的上方，并设有第一出样管和第二出样管；

所述转盘机构包括底座、旋转固定在底座上的转盘以及驱动转盘转动的电机；转盘上设有放置槽，放置槽内放置有数量相同且间隔放置的水样存储瓶和水样预处理瓶；

所述水样预处理瓶的内部设有用于筛分微塑料的筛网，底部设有出水口。

本发明通过抽样管、转盘机构以及水样存储瓶和水样预处理瓶的结构设计，实现了含微塑料水体水样的采集、实时监测和预处理。其中，所述系统控制器通过无线网络控制转盘机构中电机的启动和关闭，通过转动转盘使第一出样管的出口与水样存储瓶的瓶口相对应，第二出样管的出口与水样预处理瓶的瓶口相对应。

为了便于采集待测水体同一位点不同水深处的水样，作为优选，所述壳体内还设有转轴、套设于转轴上的套筒以及驱动转轴旋转的电机，所述抽样管靠近抽样端的管体缠绕于所述套筒上。

作为优选，所述第一出样管上设有电磁阀，水样存储瓶上设有液位传感器和水质监测探头。当水样体积达到水样存储瓶的预设液位时，液位传感器会将信号传送至系统控制器，并通过系统控制器的电磁阀控制系统来控制电磁阀的开闭，以确保水样不会采集过多而溢出水样存储瓶外；与此同时，通过水质监测探头能够监测水样存储瓶内各水质指标，再传输至无线传感器中，并通过系统控制器的水质检测系统进行数据的存储。

作为优选，所述第二出样管的出口处连接有喷头，使水流以均匀分散的状态进行分离；水样预处理瓶内设有由上至下并列设置的网孔孔径依次由大变小的若干级筛网，且各筛网均位于水样预处理瓶瓶口的正下方，实现不同粒径微塑料的有效分离。

更优选，所述筛网为圆柱状的槽型筛网。

更进一步地，每级槽型筛网的顶部均具有由内向外翻折的边缘，形成向内凹陷的环形卡槽；与每级筛网位置相对应的水样预处理瓶的内壁上设有环形的固定支架，固定支架卡扣在环形卡槽内，用于可拆卸地固定槽型筛网，便于槽型筛网的更换。根据不同采样水中微塑料的粒径分布可以对槽型筛网的网孔孔径大小进行选择，固定支架与环形卡槽之间的可拆卸设置可以实现槽型筛网的替换。

作为优选，所述放置槽包括内、外两个同圆心的环形凹槽，内环形凹槽内放置水样存储瓶，外环形凹槽内放置水样预处理瓶；内、外环形凹槽的内壁上均设有等间隔设置的用于固定瓶体下部的固定件。

作为优选，所述固定件为圆形卡座，卡座的内壁上开有凹环，凹环内放置弹性垫圈；每个水样存储瓶都唯一对应一个与其在同一半径线上的水样预处理瓶。

作为优选，所述环形凹槽的底部与水样预处理瓶出水口相对应的位置处设有出水孔；所述壳体底板呈网格状。

优选的另一技术方案是，所述环形凹槽的底部呈网格状。优选的另一技术方案是，与转盘所在区域相对应的壳体底部呈网格状。

作为优选，靠近抽样端的抽样管上设有第一双向抽样泵和第一电磁阀，靠近出样端的抽样管上设有第二双向抽样泵和第二电磁阀；所述抽样管上还设有支管，支管与蒸馏水箱连通，支管上设有第三电磁阀。

作为优选，所述壳体内还设有废水收集槽，废水收集槽固定于转盘底部，位置与水样预处理瓶相对应，顶部与出水口和出水孔相连通，内部装有液位传感器，底部设有排水管，排水管上设有电磁阀。当废水收集槽内的废水超过预设值，液位传感器会将信号传送至系统控制器，并通过系统控制器的电磁阀控制系统来开启电磁阀。

作为优选，所述壳体的底部外壁上安装有摄像头；以便远程操作无人机的人员能够清楚采样器以及抽样管抽样端所在位置，有利于提高水样采集的准确性。

进一步地，所述系统控制器包括电磁阀控制系统、步进电机控制系统、GPS自动定位系统、水质检测系统、负反馈自动控制系统、数据无线及有线传输系统以及信息存储器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采样器不仅可以实现含微塑料水体水样的自动化采集，而且采集的样本数量多，在采集过程中能够直接进行水样的预处理和水质在线监测，缩短了采样时间，降低了采样的人力成本，更降低了部分危险区域水体的采集难度。

附图说明

图1为无人机和自动微塑料采样器的外部结构示意图。

图2为无人机载自动微塑料采样器的主视结构示意图。

图3为无人机载自动微塑料采样器的俯视结构示意图。

图4为图2所示无人机载自动微塑料采样器的主视结构示意图的A处局部放大图。

图5为图2所示无人机载自动微塑料采样器的主视结构示意图的B处局部放大图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，以下列举的仅是本发明的具体实施例，但本发明的保护范围不仅限于此。

实施例1

如图1～3所示，本实施例提供一种无人机载自动微塑料采样器，包括悬挂于无人机下方的采样器壳体1，壳体1可采用不锈钢材质制作，壳体1的顶部外壁上装有与无人机悬挂线的挂钩相配合的挂环11，以便无人机将采样器悬挂起来。壳体1的底部外壁上安装有可360°旋转的摄像头12，以便远程操作无人机的人员能够清楚采样器以及抽样管抽样端所在位置，有利于提高水样采集的准确性。

壳体1的内部设有抽样管2、转盘机构3、若干个水样存储瓶7、若干个水样预处理瓶8、废水收集槽9以及无线传感器4和系统控制器5。

其中，抽样管2的一端为抽样端21，伸出至壳体外部。壳体1内还设有管长调整机构6，由转轴61、套筒62以及步进电机63和安装在步进电机63上的编码器64构成；套筒62套设于转轴61上，与转轴61固定连接；步进电机63驱动转轴61旋转，通过转轴61的旋转带动套筒62旋转。靠近抽样端21的抽样管管体缠绕于套筒62上，通过套筒62的旋转使得抽样管管体缠绕在套筒62筒身上的圈数增加或减少，以调整抽样管的长度，从而实现在不移动无人机高度的情况下，采集待测水体同一点位处不同水体深度的水样。编码器64给步进电机63的驱动器发送脉冲，控制转轴61的转动，并记录转轴61的旋转圈数，通过旋转圈数的记录可以明确抽样管上下移动的距离，从而知道采集位点不同水位的深度。

由于取样前需要用蒸馏水对取样管进行清洗，所以抽样管2上设有支管28，支管28与蒸馏水箱281相连通，支管28上设有第三电磁阀282。位于支管28两侧的抽样管2上分别设有一个抽样泵和一个电磁阀，第一双向抽样泵24和第一电磁阀25设置在靠近管长调整机构6的一侧，第二双向抽样泵26和第二电磁阀27设置在靠近转盘机构3的一侧。

抽样管2的另一端为出样端，延伸至转盘的上方，并设有第一出样管22和第二出样管23；第一出样管22的出口与水样存储瓶7的瓶口相对应，第二出样管23的出口与水样预处理瓶8的瓶口相对应。

第一出样管22的管身上设有电磁阀221，水样存储瓶7的侧壁上设有液位传感器72和水质监测探头73，当水样体积达到水样存储瓶的预设液位时，液位传感器会将信号传送至系统控制器，并通过系统控制器的电磁阀控制系统来控制电磁阀的开闭，以确保水样不会采集过多而溢出水样存储瓶外；与此同时，通过水质监测探头73能够监测水样存储瓶内各水质指标，再传输至无线传感器中，并通过系统控制器的水质检测系统进行数据的存储。

第二出样管23的出口处连接有莲蓬状的喷头231，使水流以均匀分散的状态进行分离。水样预处理瓶8内设有由上至下并列设置的网孔孔径依次由大变小的若干级槽型筛网81，且各槽型筛网均位于水样预处理瓶8瓶口的正下方，槽型筛网81是可拆卸的。槽型筛网的级别数量以及各级槽型筛网的网孔孔径设置可根据实际的采样水情况而定。本实施例设置四个筛分级别，分别是第一级槽型筛网、第二级槽型筛网、第三级槽型筛网和第四级槽型筛网。其中，第一级槽型筛网的孔径目数为40～60目，第二级槽型筛网的孔径目数为110～130目，第三级槽型筛网的孔径目数为240～260目，第四级槽型筛网的孔径目数为310～330目。每级槽型筛网均为圆柱状，底面为网状结构，侧壁可以由网状结构构成，也可以是非网状的平面结构。每级槽型筛网的顶部均具有由内向外翻折的边缘，形成向内凹陷的环形卡槽。与每级筛网位置相对应的水样预处理瓶8的内壁上设有环形的固定支架，固定支架卡扣在环形卡槽内，用于可拆卸地固定槽型筛网，便于槽型筛网的更换。根据不同采样水中微塑料的粒径分布可以对槽型筛网的网孔孔径大小进行选择，固定支架与环形卡槽之间的可拆卸设置可以实现槽型筛网的替换。

转盘机构3，包括转盘31、底座34和步进电机；底座34固定在壳体底部内壁上，转盘31转动固定于底座34上。转盘31上设有用于放置水样存储瓶7和水样预处理瓶8的放置槽。放置槽由内、外两个同圆心的环形凹槽构成，内环形凹槽32内放置水样存储瓶，外环形凹槽33内放置水样预处理瓶；内环形凹槽32和外环形凹槽33的内壁上均设有若干用于卡住瓶体底部的圆形卡座35。卡座35的内壁上开有凹环，凹环内放置弹性垫圈，以提高瓶体在凹槽内的稳定性。两个环形凹槽内放置的瓶子数量是相同的，且每个水样存储瓶都唯一对应一个与其在同一半径线上的水样预处理瓶。凹槽内两两水样存储瓶以及两两水样预处理瓶之间的区域均为空白区域36，空白区域36内不放置任何瓶体。步进电机驱动转盘转动，并通过控制转速以及转盘转动的角度，使第一出样管与空白区域或水样存储瓶的瓶口相对应，第二出样管与空白区域或水样预处理瓶的瓶口相对应。如图2所示，本实施例中内环形凹槽32内放置有8个水样存储瓶，外环形凹槽33内放置有8个水样预处理瓶。

水样预处理瓶8的底部设有出水口82。由于每次取样前都需要对取样管进行润洗，需要保证润洗产生的液体能够顺利排出壳体，所以，壳体1的底部或者转盘下方的壳体底部区域呈网格状；转盘31的底部至少有与出水口82相通的出水孔36，或者转盘31的底部呈网格状，又或者转盘31内、外环形凹槽的底部呈网格状。本实施例中，为了便于制备，壳体1的整个底部呈网格状，转盘的底部有与出水口82相通的出水孔。从出水口82流出的废水可以通过转盘31底部的出水孔以及壳体1底部的网格底板13直接流出采样器外。

此外，为了能够了解水样预处理瓶8内设置的筛网网孔是否合理，需要获取通过水样预处理瓶8后的废水水样，测定废水水样中的微塑料含量，并根据测定结果调整针对待测水体的筛网网孔。所以，本实施例还设计了废水收集槽9，所述废水收集槽9固定于转盘底部，位置与水样预处理瓶8相对应，顶部与出水口82和出水孔36相连通，内部装有液位传感器91，底部设有排水管92，排水管92上设有电磁阀93。当废水收集槽9内的废水超过预设值，液位传感器91液位传感器会将信号传送至系统控制器，并通过系统控制器的电磁阀控制系统来控制电磁阀93的开闭。

壳体1内安装的水质监测探头72、无线传感器4和系统控制器5，可以对收集的水样进行水质常规指标的测定，并将采集的数据无线传输至系统控制器5，由系统控制器5及时远程传送给服务器主机。系统控制器5设有电磁阀控制系统、步进电机控制系统、GPS自动定位系统、水质检测系统、负反馈自动控制系统、数据无线及有线传输系统以及信息存储器。其中，电磁阀控制系统和步进电机控制系统分别用于控制电磁阀和步进电机的开闭情况；GPS自动定位系统可自行对采样点进行精准定位；水质检测系统负责对采集的水样进行常规水质指标测定；运用负反馈组成闭环控制回路，可以把输出信号反馈到输入端，通过输出的变化及时对输入进行调节，起到一种良性循环，有利于自动控制系统的安全与稳定；数据无线及有线传输系统以及信息存储则对检测得到的数据、拍摄的照片等采样信息进行传输和储存。本实施例中所采用的抽样泵、抽水泵均为双向泵。

采用上述无人机载自动微塑料采样器对含微塑料水体进行采样的具体步骤如下：

(1)根据系统控制器5内设置的GPS自动定位系统，确定待测水体的方位，再利用无人机将采样器运送到指定的待测水体上方，并调整采样器的高度，启动步进电机63，并利用编码器64记录旋转圈数，调整抽样管的长短，将抽样管的抽样端深入至待测水体的待测点；

(2)先开启第三电磁阀282、第一双向抽样泵24和第一电磁阀25，使得蒸馏水箱281中蒸馏水沿抽样管流向进样端，进行抽样管进样端的水洗，水洗时间在2分钟左右；保持第三电磁阀282的开启状态，关闭第一双向抽样泵24和第一电磁阀25，开启第二双向抽样泵26和第二电磁阀27，使得蒸馏水箱281中蒸馏水沿抽样管流向出样端，进行抽样管出样端的水洗，水洗时间在2分钟左右；与此同时，启动转盘31的步进电机，旋转转盘31，使第一出样管22和第二出样管23均与空白区域36相对应；

(3)待清洗结束后，关闭第三电磁阀282，保持第一电磁阀25、第二电磁阀27以及第一双向抽样泵24和第二双向抽样泵26均开启，并转换第一双向抽样泵24的方向，使得待测水体的水样沿抽样管从进样端流至出样端；与此同时，保持转盘31在步骤(2)中的位置，仍然使第一出样管22和第二出样管23均与空白区域36相对应，进行抽样管的润洗，润洗时间在2分钟左右；

(4)待润洗结束后，启动转盘31的步进电机，旋转转盘31，使第一出样管22的出口与水样存储瓶7的瓶口相对应，第二出样管23的出口与水样预处理瓶8的瓶口相对应，进行样品采集；当水样存储瓶7内的液体水位达到预设值时，关闭电磁阀222，停止向水样存储瓶7内进样；当废水收集槽91内的液体水位达到预设值时，开启电磁阀93，排出多余的废水；

(5)多次重复步骤(1)～(4)，进行多次采样，直至采样器中所有水样存储瓶以及水样预处理瓶全部采集和处理完毕，结束采样，利用无人机将采样器带回，并卸下采集器内所有水样存储瓶和水样预处理瓶，进行后续的数据采集和水样测试。

以上所揭露的仅为本发明的最佳实施例，不能以此来限定本发明的权利保护范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种无人机载自动微塑料采样器，包括悬挂于无人机下方的采样器壳体，其特征在于，所述壳体内设有抽样管、转盘机构、水样存储瓶、水样预处理瓶以及系统控制器；

所述抽样管的一端为抽样端，伸出至壳体外部；另一端为出样端，延伸至转盘机构的上方，并设有第一出样管和第二出样管；

所述转盘机构包括底座、旋转固定在底座上的转盘以及驱动转盘转动的电机；转盘上设有放置槽，放置槽内放置有数量相同且间隔放置的水样存储瓶和水样预处理瓶；所述水样预处理瓶的内部设有用于筛分微塑料的筛网，底部设有出水口；

所述放置槽包括内、外两个同圆心的环形凹槽，内环形凹槽内放置水样存储瓶，外环形凹槽内放置水样预处理瓶；内、外环形凹槽的内壁上均设有等间隔设置的用于固定瓶体下部的固定件；

所述固定件为圆形卡座，卡座的内壁上开有凹环，凹环内放置弹性垫圈；每个水样存储瓶都唯一对应一个与其在同一半径线上的水样预处理瓶；

所述环形凹槽的底部与水样预处理瓶出水口相对应的位置处设有出水孔；所述壳体底板呈网格状；

所述壳体内还设有转轴、套设于转轴上的套筒以及驱动转轴旋转的电机，所述抽样管靠近抽样端的管体缠绕于所述套筒上；

所述第二出样管的出口处连接有喷头；水样预处理瓶内设有由上至下并列设置的网孔孔径依次由大变小的若干级筛网，且各筛网均位于水样预处理瓶瓶口的正下方；

靠近抽样端的抽样管上设有第一双向抽样泵和第一电磁阀，靠近出样端的抽样管上设有第二双向抽样泵和第二电磁阀；所述抽样管的中部还设有支管，支管与蒸馏水箱连通，支管上设有第三电磁阀。

2.如权利要求1所述的无人机载自动微塑料采样器，其特征在于，所述第一出样管上设有电磁阀，水样存储瓶上设有液位传感器和水质监测探头。

3.如权利要求1所述的无人机载自动微塑料采样器，其特征在于，所述壳体内还设有废水收集槽，废水收集槽可拆卸的固定于转盘底部，位置与水样预处理瓶相对应，顶部与出水口和出水孔相连通，内部装有液位传感器，底部设有排水管，排水管上设有电磁阀。

4.如权利要求1所述的无人机载自动微塑料采样器，其特征在于，所述壳体的底部外壁上安装有摄像头。

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