CN112014164A - 一种基于压力传感器的固定水深采水装置及其采水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压力传感器的固定水深采水装置及其采水方法，属于采水技术领域，采水装置包括安装有压力传感器的壳体，壳体包括上腔体、中腔体和下腔体，上腔体由弹性材料制造；上腔体设有第一阀门有水和物质，水和物质可与水反应生成气体或者遇水后膨胀；下腔体设有第二阀门和集排水机构；中腔体设有控制模块和用于供电的电源模块，控制模块与第一阀门、第二阀门、压力传感器、集排水机构电性连接。采水方法包括，控制模块接收并处理压力传感器的检测信号，在达到预设深度后控制第二阀门打开和集排水机构集水，再控制第一阀门打开使水和物质遇水膨胀，为上腔体提供上浮的浮力。本发明不但采水精度高、操作简单，且能够自主上浮，便于回收。
Description
技术领域
本发明涉及采水技术领域，特别涉及一种基于压力传感器的固定水深采水装置及其采水方法。
背景技术
在浩瀚的海洋，各种智能化设备的使用越来越广，采水装置也是如此。随着物联网技术的不断发展和成熟，采水装置的智能化和自动化要求也越来越高。由于自动采水装置具有成本相对较低、无人员伤亡风险、机动性能好、使用方便等优点，使得自动采水装置在民用方面的应用十分广泛，主要应用市场有淡水养殖湖泊水质检测、深海海水取样等多个领域。可以预见，未来的海水取样等工作主要还是通过自动采水装置来实现。
据统计分析，最近几年我国民用和科研用的自动采水装置的市场需求量较大，自动采水装置应用前景较好，但是在现阶段相关应用还处于尚未形成规模的初级阶段。尤其是现有的采水装置一般都是通过水管将所需取样的水抽到放置在岸上的水箱里，虽然使用方便，但是其水管限制了取样的深度和其便携性，尤其是在深海取样的时候，恶劣的环境会大大影响取样的效率。而且取样的深度由水管控制，精度不足。如何提高采水装置的使用效率和便携性，并且在精确的深度取样是本领域技术人员亟待解决的技术重点与难点。
发明内容
针对现有技术存在的采水装置采水深度和精度收到水管的限制的问题，本发明的目的在于提供一种基于压力传感器的固定水深采水装置及其采水方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，一种基于压力传感器的固定水深采水装置，包括壳体，所述壳体上安装有压力传感器，所述壳体包括相互独立的上腔体、中腔体和下腔体，其中所述上腔体由弹性材料制造；所述上腔体表面安装有第一阀门、内部置有水和物质，所述水和物质可与水反应生成气体或者遇水后膨胀，以使所述上腔体膨胀产生浮力；所述下腔体表面安装有第二阀门、内部设置有集排水机构；所述中腔体内部设置有控制模块和电源模块，所述控制模块与所述第一阀门、所述第二阀门、所述压力传感器、所述集排水机构电性连接，所述电源模块与所述控制模块、所述第一阀门、所述第二阀门、所述压力传感器、所述集排水机构电性连接。
优选的，所述水和物质为碱金属、生石灰或者遇水膨胀橡胶。
进一步的，所述水和物质包裹于胶囊内，所述胶囊遇水溶解或者软化。
优选的，所述集排水机构包括，
活塞，所述活塞的侧壁与所述下腔体的内壁相适配；
推杆，所述推杆固定在所述活塞的端面；
驱动装置，所述驱动装置固定安装在所述下腔体内，且所述驱动装置的输出端与所述推杆固定连接。
进一步的，所述壳体上还安装有通信模块，所述通信模块与所述控制模块电性连接。
进一步的，所述壳体上还安装有GNSS模块和指示模块，所述GNSS模块以及所述指示模块均与所述控制模块电性连接。
进一步的，所述上腔体内置有干燥剂。
第二方面，一种如上所述的基于压力传感器的固定水深采水装置的采水方法，包括以下步骤，
接收所述压力传感器的检测信号，并根据所述检测信号获得水深深度；
判断所述水深深度是否超过预设深度，是则进行下一步，否则进行上一步；
向所述第二阀门发送开阀信号，以使所述第二阀门接收到所述开阀信号后执行开阀操作；
向所述集排水机构发送集水信号，以使所述集排水机构接收到所述集水信号后执行集水操作；
集水操作完成后，向所述第二阀门发送关阀信号以及向所述第一阀门发送开阀信号，以使所述第二阀门接收到所述关阀信号后执行关阀操作，以及使所述第一阀门接收到所述开阀信号后执行开阀操作。
进一步的，还包括回收步骤，所述回收步骤包括，
接收所述GNSS模块的定位信息；
将所述定位信息发送至通信模块，以使所述通信模块向远程终端发送所述定位信息；
向所述指示模块发送指示信号，以使所述指示模块接收到所述指示信号后开始工作。
优选的，所述集排水机构接收到所述集水信号后执行集水操作，包括，
驱动活塞向排水方向动作，以将所述下腔体内的水排出；
驱动活塞向集水方向动作，以将预设深度位置的水吸入所述下腔体。
采用上述技术方案，由于压力传感器的设置，使得采水装置可用于较深水域和各种复杂环境下的各种采水工作，可满足采集较深水样的要求，工作效率高，工作方式简单；又由于上腔体及其上第一阀门和内部水和物质的设置，使得采水装置在完成采水后能够通过与水接触产生浮力，使采水装置主动上浮；另外又由于下腔体内集采水机构的设置，使得集水之前可以先进行排水操作，保证最终采得的水样均为指定深度的水，有利于提高采水质量，具有明显的进步性，适于推广应用。
附图说明
图1为本发明一种基于压力传感器的固定水深采水装置的结构示意图；
图2为本发明一种基于压力传感器的固定水深采水装置的电气连接示意图；
图3为本发明一种基于压力传感器的固定水深采水装置的采水方法流程图。
图中:1-壳体、11-上腔体、12-中腔体、13-下腔体、2-第一阀门、3-胶囊、4-第二阀门、5-压力传感器、6-集排水机构、7-控制模块、8-电源模块、9-通信模块、10-GNSS模块、14-指示模块、15-干燥剂、16-滤网、17-把手。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供第一方面的实施例，提供一种基于压力传感器的固定水深采水装置，如图1所示，包括壳体1，该壳体1上安装有压力传感器5，同时该壳体1包括有相互独立的上腔体11、中腔体12和下腔体13，其中上腔体11由弹性材料制造，例如橡胶。本实施例中，壳体1被构造成圆柱形，而上腔体11、中腔体12和下腔体13则沿壳体1的轴向方向依次固定设置。但在另一实施例中，上腔体11、中腔体12和下腔体13还可以沿着壳体1的周向方向依次固定设置。然而上腔体11、中腔体12和下腔体13的设置次序也可以进行调整，但是因为上腔体11由弹性材料制造，故而优选上腔体11不作为中间连接部分使用，中腔体12和下腔体13优选配置为硬质材料，例如金属材料，且更优选为耐压耐腐蚀金属。其中，壳体1外部固定安装有一把手17，以便于搬运和转移。
其中，上腔体11的表面安装有第一阀门2、内部置有水和物质。本实施例中，第一阀门2为电磁阀，或者是其他能够接受电信号控制的阀门。而该水和物质可与水反应并生成气体，或者该水和物质遇水后发生膨胀，上述两种情形均使上腔体11的体积发生膨胀从而产生浮力，以提供使采水装置上浮的浮力。例如，水和物质可以是碱金属或者生石灰等遇水发生反应而生成气体的物质，水和物质也可以是遇水膨胀橡胶等遇水后会发生膨胀的物质，而为了降低成本，使水和物质和重复使用，本实施例优选水和物质为遇水膨胀橡胶，且为了使其与水充分接触，优选以颗粒状存在于上腔体11内，同时为了放置颗粒状的遇水膨胀橡胶流出，在第一阀门2的进水口和/或出水口处安装滤网16。并且，为了方便保存和放置水和物质，可将水和物质包裹于胶囊3中进行存储，其中胶囊3遇水溶解或者软化，例如植物纤维胶囊或者明胶胶囊，本实施例中优选为能够遇水溶解的植物纤维胶囊。
其中，下腔体13的表面安装有第二阀门4、内部设置有集排水机构6。该集排水机构6用于在第二阀门4打开时，进行集水操作以及排水操作，而下腔体13则用于存储集入的水。本实施例中，集排水机构6具体包括有活塞、推杆和驱动装置。其中活塞的侧壁与下腔体13的内壁相适配，均呈圆柱形，并且活塞的侧壁通常还设置有密封圈以提高密封性；该推杆则固定在活塞的端面；该驱动装置固定安装在下腔体13内部，并且驱动装置的输出端与上述的推杆固定连接，从而使驱动装置通过推杆带动活塞动作，进行集水和排水操作。具体在本实施例中，优选驱动装置为电缸，且驱动装置安装在下腔体13内靠近中腔体12的一侧，而第二阀门4则设置在下腔体13表面远离中腔体12的一侧。
上述的压力传感器5可以安装在壳体1表面的任一位置，但本实施例中压力传感器5固定安装在下腔体13的表面，并且靠近第二阀门4的位置，使得压力传感器5检测到的水深位置即为第二阀门4的进水位置，从而保证所进的水即为所需的水。相应的，第二阀门4也为电磁阀，或者是其他能够接受电信号控制的阀门。
其中，中腔体12的内部设置有控制模块7和电源模块8，控制模块7与上述的第一阀门2、第二阀门4、压力传感器5、集排水机构6电性连接以进行控制操作，而电源模块8则与上述的控制模块7、第一阀门2、第二阀门4、压力传感器5、集排水机构6电性连接以提供用电。其中，控制模块7是以stm32为核心的电路板，通过杜邦线与其他包括电源模块8的电气设备进行有线电性连接，如图2所示。而电源模块8具体包括电池和电池控制器，其中电池优选为可充电锂电池，电池控制器用于检测电池的电量，并在电量不足时提示进行充电或者更换。
以上，即可完成基本的固定水深采水操作，其工作过程如下：事先向控制模块7输入采水深度，即预设深度；其后将采水装置沉入水中，使其依靠自重下沉，下沉过程中压力传感器5工作，并将检测信号发送给控制模块7，由控制模块7对检测信号进行处理，并得到实时的水深数据；当水深数据达到预设深度后，控制模块7控制下腔体13上的第二阀门4打开，再控制下腔体13内的集排水机构6工作，带动活塞向靠近中腔体12的一侧运动，从而使预设深度位置的水进入下腔体13；集排水机构6完成集水操作后，控制模块7控制第二阀门4关闭，以防止其中的水流出；之后控制模块7控制上腔体11上的第一阀门2打开，水流入上腔体11后，胶囊3遇水溶解，其内包裹的水和物质遇水后发生膨胀，使弹性材料制造的上腔体11随之增大体积，从而增加浮力，使已经采水完成的装置上浮。当然，上腔体11在进入适量的水后即关闭第一阀门2，所进入的适量的水能够使水和物质充分膨胀，而又不会充满膨胀后的上腔体11，从而保证浮力增加大于自重的增加，进水量通过控制模块7所控制的第一阀门2的开启时间决定。
作为扩展，在另一实施例中，还可以在壳体1，优选是下腔体13的表面上安装通信模块9，该通信模块9也通过杜邦线与控制模块7电性连接，通信模块9也由电源模块8供电。该通信模块9用于以无线通信的方式接收远程终端发送的带有预设深度的信息，并转发给控制模块7，从而使操作人员在远程即可向控制模块7输入预设深度，或者进行修改。
作为扩展，在另一实施例中，除了通信模块9之外，还可以在壳体1，优选是下腔体13的表面上安装GNSS模块10和指示模块14，其中GNSS模块10以及指示模块14同样也都通过杜邦线与控制模块7电性连接，并且GNSS模块10以及指示模块14也都由电源模块8供电。其中GNSS模块10优选为北斗模块，但也可以是GPS模块，GNSS模块10用于在采水装置浮出水面后接收定位信号并确定自身的定位信息，再由控制模块7将该定位信息发送给通信模块9，由通信模块9发送给远程终端，以方便进行回收。其中指示模块14优选为发光装置，例如LED灯或者荧光灯，指示模块14用于采水装置浮出水面后发出灯光指示信号，以便于回收人员快速找到。
可以理解的是，由于水和物质以及包裹其的胶囊3在采水装置需要上浮之前不能接触水，因此为了防止有少量水或者水汽进入上腔体11后使胶囊3乃至水和物质失效，在另一实施例中，上腔体11内设置有干燥剂15，通过干燥剂15及时吸收进入上腔体11内的少量水或者水汽。
本发明第二方面的实施例，提供一种如上所述的基于压力传感器的固定水深采水装置的采水方法，如图3所示，包括以下步骤，
步骤S201，控制模块7接收压力传感器5的检测信号，并根据该检测信号计算获得当前的水深深度；
其中，预设深度可以通过本地输入获得，也可以在远程终端输入，由通信模块9接收并转发给控制模块7，当然控制模块7具有初始化的功能，每次进行采水作业前都进行初始化操作，以便于接收新的预设深度。
步骤S202，控制模块7判断当前的水深深度是否超过预设深度，是则进行下一步，否则进行上一步；
步骤S203，控制模块7向第二阀门4发送开阀信号，以使第二阀门4接收到开阀信号后执行开阀操作；
步骤S204，控制模块7向集排水机构6发送集水信号，以使集排水机构6接收到集水信号后执行集水操作；
由于下沉过程中可能会有水通过第二阀门4侵入下腔体13，或者下腔体13内原本即携带有水，因此为了保证下腔体13带回的水均为预设深度位置的水,上述的集排水机构6接收到集水信号后执行集水操作的步骤具体包括有：
集排水机构6驱动活塞向排水方向动作，以将下腔体13内的水排出；
集排水机构6驱动活塞向集水方向动作，以将预设深度位置的水吸入到下腔体13。
判断采水工作是否完成，一方面通过判断集排水机构6是否将活塞带动到靠近中腔体12的指定位置，另一方面还可以在下腔体13内设置液位传感器，检测到满足要求的液位数值即可。
集水操作完成后，继续进行以下步骤，
步骤S205，控制模块7向第二阀门4发送关阀信号以及向第一阀门2发送开阀信号，以使第二阀门4接收到关阀信号后执行关阀操作，以及使第一阀门2接收到开阀信号后执行开阀操作。
至此，采水装置完成基本的采水操作，一方面确保下腔体13采集到预设深度位置的水，并且不会泄露出来，另一方面也使上腔体11内的水和物质遇水膨胀，使上腔体11体积膨胀而产生足够的浮力，带动采水装置上浮。在这一过程中，可以理解的是，水和物质遇水发生膨胀将上腔体11内多余的水排出，从而使上腔体11以及采水装置整体不会进入过多而增加自重。
在另一实施例中，还可以向控制模块7事先输入一预设时间，以使第一阀门2在执行开阀操作，并经过预设时间后，控制模块7再向第一阀门2发送关阀信号，以使第一阀门2接收到关阀信号后执行关阀操作，从而使进入到上腔体11内的水量可控，既能够保证水和物质充分膨胀或者反应，又不会进水过多导致上浮受到影响。
本发明的采水方法在采水装置浮出水面后，还包括回收步骤，回收步骤包括，
步骤S206，控制模块7接收GNSS模块10的定位信息；
步骤S207，控制模块7将接收到的定位信息发送至通信模块9，以使通信模块9向远程终端发送定位信息；
远程终端可以是电脑、手机或者平板电脑等终端设备，通信模块9可以是4G或者5G模块，远程终端在接收到通信模块9发送的定位信息后，提示工作人员前往定位信息所指示的位置进行回收作业。
步骤S208，控制模块7向指示模块14发送指示信号，以使指示模块14接收到指示信号后开始工作。
指示模块14工作后发光，可以指示附近的工作人员前往打捞采水装置。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于压力传感器的固定水深采水装置，包括壳体，其特征在于：所述壳体上安装有压力传感器，所述壳体包括相互独立的上腔体、中腔体和下腔体，其中所述上腔体由弹性材料制造；所述上腔体表面安装有第一阀门、内部置有水和物质，所述水和物质可与水反应生成气体或者遇水后膨胀，以使所述上腔体膨胀产生浮力；所述下腔体表面安装有第二阀门、内部设置有集排水机构；所述中腔体内部设置有控制模块和电源模块，所述控制模块与所述第一阀门、所述第二阀门、所述压力传感器、所述集排水机构电性连接，所述电源模块与所述控制模块、所述第一阀门、所述第二阀门、所述压力传感器、所述集排水机构电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于压力传感器的固定水深采水装置，其特征在于：所述水和物质为碱金属、生石灰或者遇水膨胀橡胶。
3.根据权利要求1所述的基于压力传感器的固定水深采水装置，其特征在于：所述水和物质包裹于胶囊内，所述胶囊遇水溶解或者软化。
4.根据权利要求1所述的基于压力传感器的固定水深采水装置，其特征在于：所述集排水机构包括，
活塞，所述活塞的侧壁与所述下腔体的内壁相适配；
推杆，所述推杆固定在所述活塞的端面；
驱动装置，所述驱动装置固定安装在所述下腔体内，且所述驱动装置的输出端与所述推杆固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于压力传感器的固定水深采水装置，其特征在于：所述壳体上还安装有通信模块，所述通信模块与所述控制模块电性连接。
6.根据权利要求5所述的基于压力传感器的固定水深采水装置，其特征在于：所述壳体上还安装有GNSS模块和指示模块，所述GNSS模块以及所述指示模块均与所述控制模块电性连接。
7.根据权利要求1所述的基于压力传感器的固定水深采水装置，其特征在于：所述上腔体内置有干燥剂。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的基于压力传感器的固定水深采水装置的采水方法，其特征在于：包括以下步骤，
接收所述压力传感器的检测信号，并根据所述检测信号获得水深深度；
判断所述水深深度是否超过预设深度，是则进行下一步，否则进行上一步；
向所述第二阀门发送开阀信号，以使所述第二阀门接收到所述开阀信号后执行开阀操作；
向所述集排水机构发送集水信号，以使所述集排水机构接收到所述集水信号后执行集水操作；
集水操作完成后，向所述第二阀门发送关阀信号以及向所述第一阀门发送开阀信号，以使所述第二阀门接收到所述关阀信号后执行关阀操作，以及使所述第一阀门接收到所述开阀信号后执行开阀操作。
9.根据权利要求8所述的采水方法，其特征在于：还包括回收步骤，所述回收步骤包括，
接收所述GNSS模块的定位信息；
将所述定位信息发送至通信模块，以使所述通信模块向远程终端发送所述定位信息；
向所述指示模块发送指示信号，以使所述指示模块接收到所述指示信号后开始工作。
10.根据权利要求8所述的采水方法，其特征在于：所述集排水机构接收到所述集水信号后执行集水操作，包括，
驱动活塞向排水方向运动，以将所述下腔体内的水排出；
驱动活塞向集水方向运动，以将预设深度位置的水吸入所述下腔体。
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